Alla grundämnen har atomer som sin grundenhet, och en atom innehåller tre fundamentala partiklar, som är negativt laddade elektroner, positivt laddade protoner och neutroner av neutrala partiklar. Antalet protoner och neutroner som finns i kärnan kallas massatalet av element, och antalet protoner kallas atomnumret. Samma grundämnen vars atomer innehåller samma antal protoner men olika antal neutroner kallas isotoper. Ett exempel är väte, som har tre isotoper. Detta är väte med noll neutroner, deuterium som innehåller en neutron och tritium - det innehåller två neutroner. Den här artikeln kommer att fokusera på en isotop av väte som kallas deuterium, även känd som tungt väte.
Vad är deuterium?
Deuterium är en isotop av väte som skiljer sig från väte med en neutron. Vanligtvis har väte bara en proton, medan deuterium har en proton och en neutron. Det används ofta i reaktionerdivision.
Deuterium (kemisk symbol D eller ²H) är en stabil isotop av väte som finns i naturen i extremt små mängder. Deuteriumkärnan, som kallas deuteron, innehåller en proton och en neutron, medan den mycket vanligare vätekärnan innehåller endast en proton och inga neutroner. Därför har varje atom av deuterium en massa som är ungefär dubbelt så stor som en vanlig väteatom, och deuterium kallas också tungt väte. Vatten där vanliga väteatomer är ersatta av deuteriumatomer kallas tungt vatten.
nyckelfunktioner
Isotopisk massa av deuterium - 2, 014102 enheter. Deuterium har en stabil halveringstid eftersom det är en stabil isotop.
Överskottsenergin för deuterium är 13 135,720 ± 0,001 keV. Bindningsenergin för deuteriumkärnan är 2224,52 ± 0,20 keV. Deuterium kombineras med syre för att bilda D2O (2H2O), även känt som tungt vatten. Deuterium är inte en radioaktiv isotop.
Deuterium är inte hälsofarligt, men kan användas för att skapa kärnvapen. Deuterium produceras inte på konstgjord väg, eftersom det är naturligt rikligt i havsvatten och kan tjäna många generationer av människor. Den utvinns ur havet med hjälp av en centrifugeringsprocess.
Tungt väte
Tungt väte är namnet på någon av de högre isotoper av väte, som deuterium och tritium. Men oftare används det för deuterium. Dess atommassa ärcirka 2, och dess kärna innehåller 1 proton och 1 neutron. Dess massa är alltså dubbelt så stor som norm alt väte. Den extra neutronen i deuterium gör den tyngre än norm alt väte, varför den kallas tungt väte.
Tungt väte upptäcktes av Harold Urey 1931 - denna upptäckt belönades med Nobelpriset i kemi 1934. Urey förutspådde skillnaden mellan ångtrycket för molekylärt väte (H2) och motsvarande molekyl med en väteatom ersatt av deuterium (HD), och därmed möjligheten att separera dessa ämnen genom destillation av flytande väte. Deuterium hittades i återstoden från destillationen av flytande väte. Den framställdes i sin rena form av G. N. Lewis använder den elektrolytiska koncentrationsmetoden. När vatten elektrifieras bildas vätgas, som innehåller en liten mängd deuterium, så deuteriumet koncentreras i vattnet. När mängden vatten reduceras till cirka hundra tusendelar av sin ursprungliga volym genom fortsatt elektrolys, tillhandahålls nästan ren deuteriumoxid, känd som tungt vatten. Denna metod för beredning av tungt vatten användes under andra världskriget.
Etymologi och kemisk symbol
Namnet "deuterium" kommer från det grekiska ordet deuteros, som betyder "andra". Detta indikerar att med en atomkärna som består av två partiklar är deuterium den andra isotopen efter vanligt (eller lätt) väte.
Deuterium betecknas ofta med kemikaliensymbol D. Som en isotop av väte med massatalet 2 representeras den också som H. Formeln för deuterium är 2H. International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) tillåter både D och H, även om H är att föredra.
Hur får man deuterium från vatten?
Den traditionella metoden att koncentrera deuterium i vatten använder isotopbyte i vätesulfidgas, även om bättre metoder håller på att utvecklas. Separation av olika isotoper av väte kan också göras med hjälp av gaskromatografi och kryogen destillation, som använder skillnader i fysikaliska egenskaper för att separera isotoper.
Deuteriumvatten
Deuteriumvatten, även känt som tungt vatten, liknar vanligt vatten. Det bildas av en kombination av deuterium och syre och betecknas som 2H2O. Deuteriumvatten är mer trögflytande än vanligt vatten. Tungt vatten är 10,6 % tätare än vanligt vatten, så isen från tungt vatten sjunker i vanligt vatten. För vissa djur är deuteriumvatten giftigt, medan andra kan överleva i tungt vatten, men kommer att utvecklas långsammare i det än i vanligt vatten. Deuteriumvatten är inte radioaktivt. Människokroppen innehåller cirka 5 gram deuterium, och det är ofarligt. Om tungt vatten kommer in i kroppen i stora mängder (till exempel blir cirka 50 % av vattnet i kroppen tungt) kan det leda till celldysfunktion och i slutändan död.
Skillnader i tungt vatten:
- Fryspunkten är 3,82°C.
- Temperaturekokpunkten är 101,4 °C.
- Tungt vattens täthet är 1,1056 g/mL (norm alt vatten är 0,9982 g/mL).
- Tungt vattens pH är 7,43 (norm alt vatten är 6,9996).
- Det är en liten skillnad i smak och lukt mellan vanligt vatten och tungt vatten.
Användning av deuterium
Forskare har utvecklat många användningsområden för deuterium och dess föreningar. Till exempel är deuterium ett icke-radioaktivt isotopspårämne för att studera kemiska reaktioner och metabola vägar. Dessutom är det användbart för att studera makromolekyler med neutronspridning. Deutererade lösningsmedel (som tungt vatten) används vanligtvis i kärnmagnetisk resonans (NMR) spektroskopi eftersom dessa lösningsmedel inte påverkar NMR-spektra för föreningarna som studeras. Deutererade föreningar är också användbara för femtosekund infraröd spektroskopi. Deuterium är också ett bränsle för kärnfusionsreaktioner, som en dag skulle kunna användas för att generera elektricitet i industriell skala.
