Svi elementi imaju atome kao svoju osnovnu jedinicu, a atom sadrži tri osnovne čestice, koje su negativno nabijeni elektroni, pozitivno nabijeni protoni i neutroni neutralnih čestica. Broj protona i neutrona prisutnih u jezgru naziva se masenim brojem elemenata, a broj protona atomskim brojem. Isti elementi čiji atomi sadrže isti broj protona, ali različit broj neutrona nazivaju se izotopi. Primjer je vodonik koji ima tri izotopa. Ovo je vodonik sa nula neutrona, deuterijum koji sadrži jedan neutron, a tricijum - sadrži dva neutrona. Ovaj članak će se fokusirati na izotop vodonika zvan deuterijum, također poznat kao teški vodonik.
Šta je deuterijum?
Deuterijum je izotop vodonika koji se od vodonika razlikuje za jedan neutron. Tipično, vodonik ima samo jedan proton, dok deuterijum ima jedan proton i jedan neutron. Široko se koristi u reakcijamadivizija.
Deuterijum (hemijski simbol D ili ²H) je stabilan izotop vodonika koji se nalazi u prirodi u izuzetno malim količinama. Jezgro deuterija, nazvano deuteron, sadrži jedan proton i jedan neutron, dok mnogo češće jezgro vodika sadrži samo jedan proton i nema neutrona. Prema tome, svaki atom deuterija ima masu koja je oko dva puta veća od mase običnog atoma vodika, a deuterijum se naziva i teškim vodonikom. Voda u kojoj su obični atomi vodika zamijenjeni atomima deuterija naziva se teška voda.
Ključne karakteristike
Izotopska masa deuterija - 2, 014102 jedinice. Deuterijum ima stabilan poluživot jer je stabilan izotop.
Višak energije deuterija je 13,135,720 ± 0,001 keV. Energija veze za jezgro deuterijuma je 2224,52 ± 0,20 keV. Deuterijum se spaja sa kiseonikom i formira D2O (2H2O), takođe poznat kao teška voda. Deuterijum nije radioaktivni izotop.
Deuterijum nije opasan po zdravlje, ali se može koristiti za stvaranje nuklearnog oružja. Deuterijum se ne proizvodi umjetno, jer ga prirodno ima u okeanskoj vodi i može poslužiti mnogim generacijama ljudi. Izvlači se iz okeana pomoću procesa centrifugiranja.
Teški vodonik
Teški vodonik je naziv za bilo koji od viših izotopa vodonika, kao što su deuterijum i tricijum. Ali češće se koristi za deuterijum. Njegova atomska masa jeoko 2, a njegovo jezgro sadrži 1 proton i 1 neutron. Dakle, njegova masa je dvostruko veća od normalnog vodonika. Dodatni neutron u deuteriju čini ga težim od normalnog vodonika, zbog čega se naziva teškim vodonikom.
Teški vodonik otkrio je Harold Urey 1931. godine - ovo otkriće je nagrađeno Nobelovom nagradom za hemiju 1934. godine. Urey je predvideo razliku između pritiska pare molekularnog vodonika (H2) i odgovarajuće molekule sa jednim atomom vodonika zamenjenim deuterijumom (HD), a time i mogućnost odvajanja ovih supstanci destilacijom tekućeg vodonika. Deuterijum je pronađen u ostatku od destilacije tečnog vodonika. Pripremio ga je u čistom obliku G. N. Lewisa koristeći metodu elektrolitičke koncentracije. Kada se voda naelektrizira, nastaje plin vodonik koji sadrži malu količinu deuterijuma, pa je deuterijum koncentrisan u vodi. Kada se kontinuiranom elektrolizom količina vode smanji na oko sto tisućitih dijelova svoje prvobitne zapremine, dobiva se gotovo čisti deuterijum oksid, poznat kao teška voda. Ova metoda pripreme teške vode korišćena je tokom Drugog svetskog rata.
Etimologija i hemijski simbol
Ime "deuterijum" dolazi od grčke reči deuteros, što znači "drugi". Ovo ukazuje da je sa atomskim jezgrom koje se sastoji od dvije čestice, deuterijum drugi izotop nakon običnog (ili laganog) vodonika.
Deuterijum se često označava kao hemikalijasimbol D. Kao izotop vodonika sa masenim brojem 2, takođe je predstavljen kao H. Formula za deuterijum je 2H. Međunarodna unija čiste i primijenjene hemije (IUPAC) dozvoljava i D i H, iako se preferira H.
Kako dobiti deuterijum iz vode?
Tradicionalna metoda koncentriranja deuterija u vodi koristi izmjenu izotopa u plinu vodonik sulfid, iako se razvijaju bolje metode. Razdvajanje različitih izotopa vodika se također može obaviti pomoću plinske hromatografije i kriogene destilacije, koje koriste razlike u fizičkim svojstvima za razdvajanje izotopa.
Deuterijumska voda
Deuterijumova voda, poznata i kao teška voda, slična je običnoj vodi. Nastaje kombinacijom deuterija i kiseonika i označava se kao 2H2O. Deuterijumska voda je viskoznija od obične vode. Teška voda je 10,6% gušća od obične vode, tako da led teške vode tone u običnoj vodi. Za neke životinje, deuterijumska voda je toksična, dok druge mogu preživjeti u teškoj vodi, ali će se u njoj razvijati sporije nego u normalnoj vodi. Deuterijumska voda nije radioaktivna. Ljudsko tijelo sadrži oko 5 grama deuterijuma, i on je bezopasan. Ako teška voda uđe u tijelo u velikim količinama (na primjer, oko 50% vode u tijelu postane teška), to može dovesti do disfunkcije stanica i na kraju smrti.
Razlike u teškoj vodi:
- Tačka smrzavanja je 3,82°C.
- Temperaturatačka ključanja je 101,4 °C.
- Gustoća teške vode je 1,1056 g/mL (normalna voda je 0,9982 g/mL).
- PH teške vode je 7,43 (normalna voda je 6,9996).
- Postoji mala razlika u ukusu i mirisu između obične i teške vode.
Upotreba deuterijuma
Naučnici su razvili mnoge primjene deuterijuma i njegovih spojeva. Na primjer, deuterijum je neradioaktivni tragač izotopa za proučavanje hemijskih reakcija i metaboličkih puteva. Osim toga, koristan je za proučavanje makromolekula pomoću raspršivanja neutrona. Deuterirani rastvarači (poput teške vode) se obično koriste u spektroskopiji nuklearne magnetne rezonance (NMR) jer ova otapala ne utječu na NMR spektre spojeva koji se proučavaju. Deuterirana jedinjenja su takođe korisna za femtosekundnu infracrvenu spektroskopiju. Deuterijum je takođe gorivo za reakcije nuklearne fuzije, koje bi se jednog dana moglo koristiti za proizvodnju električne energije u industrijskim razmerama.
