Дейтерий

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Дейтерий
Hydrogen-2.png
Общие сведения
Название, символ Дейтерий, 2H
Альтернативные названия тяжёлый водород, D
Нейтронов 1
Протонов 1
Свойства нуклида
Атомная масса 2,0141017778(4)[1] а. е. м.
Избыток массы 13 135,7216(3)[1] кэВ
Удельная энергия связи (на нуклон) 1 112,283(0)[1] кэВ
Изотопная распространённость 0,0115(70) %[2]
Период полураспада стабильный[2]
Спин и чётность ядра 1+[2]

Дейте́рий (лат. deuterium, от др.-греч. δεύτερος «второй»), тяжёлый водород, обозначается символами D и 2H — стабильный изотоп водорода с атомной массой, равной 2. Ядро (дейтрон) состоит из одного протона и одного нейтрона.

Открыт в 1932 г. американским физико-химиком Г. Юри. Природное содержание — 0,0115 ± 0,0070[2] %.

Изотопные модификации соединений водорода[править | править вики-текст]

Соединения изотопов водорода практически не различаются по химическим свойствам, но обладают довольно различными физическими свойствами (температура плавления, кипения, вес)[3]. Молекула D2, состоит из двух атомов дейтерия. Вещество имеет следующие физические свойства:

  • Температура плавления −254,5 °C.
  • Температура кипения −249,5 °C (23,57K).
  • Межъядерное расстояние 0,07416 нм[4].
  • Энергия диссоциации (при 0K) 439,68 кДж/моль[4].

Содержание дейтерия в природном водороде — 0,011…0,016 ат.%[5]. Так, в морской воде у берегов соотношение атомных концентраций [D]/[Н] составляет (1,55÷1,56)·10−4 (один атом дейтерия на 6410÷6450 атомов протия), в околоповерхностных водах — (1,32÷1,51)·10−4 (1:6600÷7600), в природном газе — (1,10÷1,34)·10−4 (1:7500÷9100)[5].

По своим химическим свойствам соединения дейтерия имеют определенные особенности. Так, например, углерод-дейтериевые связи оказываются более «прочными», чем углерод-протиевые, из-за чего химические реакции с участием атомов дейтерия идут в несколько раз медленнее. Этим, в частности, обусловлена токсичность тяжёлой воды (вода состава D2O называется тяжёлой водой из-за большой разницы в массе протия и дейтерия).

Получение[править | править вики-текст]

Мировое производство дейтерия — десятки тысяч тонн в год. В промышленности для получения тяжелой воды (обогащения воды дейтерием) в своей основе служат процессы ионного обмена, в особенности Girdler Sulfide process, использующий изотопный обмен между водой и сероводородом. Также используется многоступенчатый электролиз воды, ректификация воды, аммиака, жидкого водорода и т. д.[4] При электролизе 100 л воды выделяется 7,5 мл 60-процентного D2O[6].

При длительном кипячении природной воды концентрация тяжёлой воды в ней повышается очень незначительно — в пределах 1 %[источник не указан 2381 день]. Среди населения бытует миф о том, что это, якобы, может вредно сказаться на здоровье. В действительности же повышение концентрации тяжёлой воды при кипячении ничтожно.

История открытия и изучения[править | править вики-текст]

Дейтерий был открыт в 1932 году Гарольдом Юри и его сотрудниками спектральным методом.

Учёные высказывали гипотезу о существовании стабильных изотопов лёгких элементов ещё в 1913 году при изучении неона. Существование этих изотопов было доказано в 1920 году методом масс-спектрометрии. Правда, в то время преобладала теория, согласно которой изотопы различались числом «внутриядерных электронов» различных атомов элемента (нейтрон был открыт позже - в 1932 году). Измерения относительной атомной массы водорода дали значение, близкое к 1 а.е.м., которое равно массе протона. Поэтому предполагалось, что водород не может содержать внутриядерный электрон, иначе он скомпенсирует заряд ядра. Таким образом, считалось, что у водорода нет тяжёлых изотопов.

Дейтерий впервые был открыт химиком Гарольдом Юри, работавшим в Колумбийском университете в конце 1931 года. Фердинанд Брикведде, который помогал Юри, провёл дистилляцию пяти литров жидкого водорода, полученного в криогенном цикле. Брикведде работал в новой лаборатории низких температур, открытой в Национальном бюро стандартов и весов США (NIST). В результате объём жидкости составил 1 мл. Ранее такая же методика использовалась для наработки тяжелых изотопов неона. Техника испарения жидкого водорода позволила увеличить долю изотопа водорода с массой 2 до такой степени, чтобы его можно было надежно зарегистрировать методами спектроскопии[7].

В 1934 году Юри опубликовал статью, в которой предложил названия для изотопов водорода — протий, дейтерий и тритий. Эти названия были придуманы на основе идеи Гилберта Льюиса, который советовал дать дейтерию название «дейтий» (англ. deutium). В 1934 году Юри была присуждена Нобелевская премия по химии за открытие дейтерия.

Применение[править | править вики-текст]

Дейтерий широко используется в атомной энергетике. Он обладает самыми лучшими свойствами замедления нейтронов. В смеси с тритием или в соединении с литием-6 (гидрид лития 6LiD) применяют для термоядерной реакции в водородных бомбах. При взрыве происходят реакции: D (d, γ) 4He, D (t, n) 4He Также применяется в качестве меченого стабильного индикатора в химических, биологических и других лабораторных исследованиях и технике. Перспективным также представляется применение дейтерия (в смеси с тритием) для получения высокотемпературной плазмы, необходимой для осуществления управляемого термоядерного синтеза (см. проект ITER).

Примечания[править | править вики-текст]

  1. 1 2 3 G. Audi, A.H. Wapstra, and C. Thibault (2003). «The AME2003 atomic mass evaluation (II). Tables, graphs, and references.». Nuclear Physics A 729: 337—676. DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003. Bibcode2003NuPhA.729..337A.
  2. 1 2 3 4 G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot and A. H. Wapstra (2003). «The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties». Nuclear Physics A 729: 3–128. DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. Bibcode2003NuPhA.729....3A.
  3. Кузьменко, 2007, с. 298.
  4. 1 2 3 Бердоносов С. С. Дейтерий // Физическая энциклопедия / Д. М. Алексеев, А. М. Балдин, А. М. Бонч-Бруевич, А. С. Боровик-Романов, Б. К. Вайнштейн, С. В. Вонсовский, А. В. Гапонов-Грехов, С. С. Герштейн, И. И. Гуревич, А. А. Гусев, М. А. Ельяшевич, М. Е. Жаботинский, Д. Н. Зубарев, Б. Б. Кадомцев, И. С. Шапиро, Д. В. Ширков; под общ. ред. А. М. Прохорова. — М.: Советская энциклопедия, 1994. — Т. 4. — 704 с. — 40 000 экз.
  5. 1 2 Дейтерий / В кн.: Химическая энциклопедия / Редкол.: Кнунянц И.Л. и др.. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1. — 623 с.
  6. Кузьменко, 2007, с. 299.
  7. Urey H., Brickwedde F., Murphy G. A Hydrogen Isotope of Mass 2 (англ.) // Physical Review. — 1932. — Vol. 39. — P. 164—165. — DOI:10.1103/PhysRev.39.164. — Bibcode1932PhRv…39..164U.

Литература[править | править вики-текст]

  • Кузьменко Н. Е., Ерёмин В. В., Попков В. А. Начала химии. — М.: Изд-во Экзамен, 2007. — Т. 1. — С. 299.