Toate elementele au atomi ca unitate de bază, iar un atom conține trei particule fundamentale, care sunt electroni încărcați negativ, protoni încărcați pozitiv și neutroni ai particulelor neutre. Numărul de protoni și neutroni prezenți în nucleu se numește numărul de masă al elementelor, iar numărul de protoni se numește număr atomic. Aceleași elemente ai căror atomi conțin același număr de protoni dar un număr diferit de neutroni se numesc izotopi. Un exemplu este hidrogenul, care are trei izotopi. Acesta este hidrogen cu zero neutroni, deuteriu care conține un neutron și tritiu - conține doi neutroni. Acest articol se va concentra asupra unui izotop de hidrogen numit deuteriu, cunoscut și sub numele de hidrogen greu.
Ce este deuteriul?
Deuteriul este un izotop al hidrogenului care diferă de hidrogen cu un neutron. De obicei, hidrogenul are un singur proton, în timp ce deuteriul are un proton și un neutron. Este utilizat pe scară largă în reacțiidiviziune.
Deuteriul (simbol chimic D sau ²H) este un izotop stabil al hidrogenului găsit în natură în cantități extrem de mici. Nucleul de deuteriu, numit deuteron, conține un proton și un neutron, în timp ce nucleul de hidrogen, mult mai comun, conține doar un proton și niciun neutron. Prin urmare, fiecare atom de deuteriu are o masă aproximativ de două ori mai mare decât a unui atom de hidrogen obișnuit, iar deuteriul este numit și hidrogen greu. Apa în care atomii de hidrogen obișnuiți sunt înlocuiți cu atomi de deuteriu se numește apă grea.
Funcții cheie
Masa izotopică a deuteriului - 2, 014102 unități. Deuteriul are un timp de înjumătățire stabil, deoarece este un izotop stabil.
Excesul de energie a deuteriului este de 13.135,720 ± 0,001 keV. Energia de legare pentru nucleul deuteriu este de 2224,52 ± 0,20 keV. Deuteriul se combină cu oxigenul pentru a forma D2O (2H2O), cunoscut și sub numele de apă grea. Deuteriul nu este un izotop radioactiv.
Deuteriul nu este periculos pentru sănătate, dar poate fi folosit pentru a crea arme nucleare. Deuteriul nu este produs artificial, deoarece este abundent în mod natural în apa oceanului și poate servi multor generații de oameni. Este extras din ocean printr-un proces de centrifugare.
Hidrogen greu
Hidrogenul greu este numele oricăruia dintre izotopii superiori ai hidrogenului, cum ar fi deuteriul și tritiul. Dar mai des este folosit pentru deuteriu. Masa sa atomică esteaproximativ 2, iar nucleul său conține 1 proton și 1 neutron. Astfel, masa sa este de două ori mai mare decât a hidrogenului normal. Neutronul suplimentar din deuteriu îl face mai greu decât hidrogenul normal, motiv pentru care este numit hidrogen greu.
Hidrogenul greu a fost descoperit de Harold Urey în 1931 - această descoperire a fost distinsă cu Premiul Nobel pentru Chimie în 1934. Urey a prezis diferența dintre presiunea de vapori a hidrogenului molecular (H2) și molecula corespunzătoare cu un atom de hidrogen înlocuit cu deuteriu (HD), și astfel posibilitatea separării acestor substanțe prin distilarea hidrogenului lichid. Deuteriu a fost găsit în reziduul de la distilarea hidrogenului lichid. A fost preparată în forma sa pură de G. N. Lewis folosind metoda concentrației electrolitice. Când apa este electrificată, se formează hidrogen gazos, care conține o cantitate mică de deuteriu, astfel încât deuteriul este concentrat în apă. Când cantitatea de apă este redusă la aproximativ o sută de miimi din volumul său original prin electroliză continuă, este furnizat oxid de deuteriu aproape pur, cunoscut sub numele de apă grea. Această metodă de preparare a apei grele a fost folosită în timpul celui de-al Doilea Război Mondial.
Etimologie și simbol chimic
Numele „deuterium” provine din cuvântul grecesc deuteros, care înseamnă „al doilea”. Acest lucru indică faptul că, cu un nucleu atomic format din două particule, deuteriul este al doilea izotop după hidrogenul obișnuit (sau ușor).
Deuteriu este adesea notat cu substanța chimicăsimbolul D. Ca izotop al hidrogenului cu un număr de masă de 2, este reprezentat și ca H. Formula pentru deuteriu este 2H. Uniunea Internațională de Chimie Pură și Aplicată (IUPAC) permite atât D, cât și H, deși H este preferat.
Cum se obține deuteriu din apă?
Metoda tradițională de concentrare a deuteriului în apă folosește schimbul de izotopi în hidrogen sulfurat gazos, deși se dezvoltă metode mai bune. Separarea diferiților izotopi ai hidrogenului se poate face, de asemenea, folosind cromatografia în gaz și distilarea criogenică, care utilizează diferențele de proprietăți fizice pentru a separa izotopii.
Apă cu deuteriu
Apa cu deuteriu, cunoscută și sub numele de apă grea, este similară cu apa obișnuită. Este format dintr-o combinație de deuteriu și oxigen și este desemnat ca 2H2O. Apa cu deuteriu este mai vâscoasă decât apa obișnuită. Apa grea este cu 10,6% mai densă decât apa obișnuită, așa că gheața apei grele se scufundă în apa obișnuită. Pentru unele animale, apa cu deuteriu este toxică, în timp ce altele pot supraviețui în apă grea, dar se va dezvolta mai lent în ea decât în apa normală. Apa cu deuteriu nu este radioactivă. Corpul uman conține aproximativ 5 grame de deuteriu și este inofensiv. Dacă apa grea pătrunde în corp în cantități mari (de exemplu, aproximativ 50% din apa din organism devine grea), aceasta poate duce la disfuncția celulelor și, în cele din urmă, la moarte.
Diferențe în apa grea:
- Punctul de îngheț este de 3,82°C.
- Temperaturapunctul de fierbere este 101,4 °C.
- Densitatea apei grele este de 1,1056 g/mL (apa normală este de 0,9982 g/mL).
- Ph-ul apei grele este 7,43 (apa normală este 6,9996).
- Există o mică diferență de gust și miros între apa plată și apa grea.
Utilizarea deuteriului
Oamenii de știință au dezvoltat multe utilizări pentru deuteriu și compușii săi. De exemplu, deuteriul este un trasor izotop neradioactiv pentru studierea reacțiilor chimice și a căilor metabolice. În plus, este util pentru studierea macromoleculelor folosind împrăștierea neutronilor. Solvenții deuterati (cum ar fi apa grea) sunt utilizați în mod obișnuit în spectroscopia de rezonanță magnetică nucleară (RMN), deoarece acești solvenți nu afectează spectrele RMN ale compușilor studiați. Compușii deuterati sunt, de asemenea, utili pentru spectroscopia infraroșu femtosecundă. Deuteriul este, de asemenea, un combustibil pentru reacțiile de fuziune nucleară, care ar putea fi folosit într-o zi pentru a genera electricitate la scară industrială.
