Alle grunnstoffer har atomer som sin grunnleggende enhet, og et atom inneholder tre fundamentale partikler, som er negativt ladede elektroner, positivt ladede protoner og nøytroner av nøytrale partikler. Antallet protoner og nøytroner som er tilstede i kjernen kalles masseantallet av grunnstoffer, og antallet protoner kalles atomnummeret. De samme grunnstoffene hvis atomer inneholder samme antall protoner, men forskjellige antall nøytroner, kalles isotoper. Et eksempel er hydrogen, som har tre isotoper. Dette er hydrogen med null nøytroner, deuterium som inneholder ett nøytron, og tritium - det inneholder to nøytroner. Denne artikkelen vil fokusere på en isotop av hydrogen k alt deuterium, også kjent som tungt hydrogen.
Hva er deuterium?
Deuterium er en isotop av hydrogen som skiller seg fra hydrogen med ett nøytron. Vanligvis har hydrogen bare ett proton, mens deuterium har ett proton og ett nøytron. Det er mye brukt i reaksjonerdivisjon.
Deuterium (kjemisk symbol D eller ²H) er en stabil isotop av hydrogen som finnes i naturen i ekstremt små mengder. Deuteriumkjernen, k alt deuteronet, inneholder ett proton og ett nøytron, mens den mye mer vanlige hydrogenkjernen inneholder bare ett proton og ingen nøytroner. Derfor har hvert atom av deuterium en masse som er omtrent det dobbelte av et vanlig hydrogenatom, og deuterium kalles også tungt hydrogen. Vann der vanlige hydrogenatomer er erstattet med deuteriumatomer kalles tungtvann.
Nøkkelfunksjoner
Isotopisk masse av deuterium - 2, 014102 enheter. Deuterium har en stabil halveringstid fordi det er en stabil isotop.
Overskuddsenergien til deuterium er 13 135,720 ± 0,001 keV. Bindingsenergien for deuteriumkjernen er 2224,52 ± 0,20 keV. Deuterium kombineres med oksygen for å danne D2O (2H2O), også kjent som tungtvann. Deuterium er ikke en radioaktiv isotop.
Deuterium er ikke helsefarlig, men kan brukes til å lage atomvåpen. Deuterium produseres ikke kunstig, da det er naturlig rikelig i havvann og kan tjene mange generasjoner av mennesker. Det utvinnes fra havet ved hjelp av en sentrifugeringsprosess.
Tungt hydrogen
Tungt hydrogen er navnet på hvilken som helst av de høyere isotoper av hydrogen, som deuterium og tritium. Men oftere brukes det til deuterium. Dens atommasse erca. 2, og kjernen inneholder 1 proton og 1 nøytron. Dermed er massen dobbelt så stor som norm alt hydrogen. Det ekstra nøytronet i deuterium gjør det tyngre enn norm alt hydrogen, og derfor kalles det tungt hydrogen.
Tungt hydrogen ble oppdaget av Harold Urey i 1931 - denne oppdagelsen ble tildelt Nobelprisen i kjemi i 1934. Urey forutså forskjellen mellom damptrykket til molekylært hydrogen (H2) og det tilsvarende molekylet med ett hydrogenatom erstattet av deuterium (HD), og dermed muligheten for å skille disse stoffene ved destillasjon av flytende hydrogen. Deuterium ble funnet i resten fra destillasjonen av flytende hydrogen. Den ble tilberedt i sin rene form av G. N. Lewis ved å bruke den elektrolytiske konsentrasjonsmetoden. Når vann elektrifiseres, dannes det hydrogengass, som inneholder en liten mengde deuterium, slik at deuteriumet konsentreres i vannet. Når vannmengden reduseres til omtrent hundre tusendeler av dets opprinnelige volum ved fortsatt elektrolyse, tilveiebringes nesten rent deuteriumoksid, kjent som tungtvann. Denne metoden for tilberedning av tungt vann ble brukt under andre verdenskrig.
Etymologi og kjemisk symbol
Navnet "deuterium" kommer fra det greske ordet deuteros, som betyr "andre". Dette indikerer at med en atomkjerne som består av to partikler, er deuterium den andre isotopen etter vanlig (eller lett) hydrogen.
Deuterium er ofte betegnet med kjemikalietsymbol D. Som en isotop av hydrogen med massetall 2, er den også representert som H. Formelen for deuterium er 2H. International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) tillater både D og H, selv om H foretrekkes.
Hvordan få deuterium fra vann?
Den tradisjonelle metoden for å konsentrere deuterium i vann bruker isotoputveksling i hydrogensulfidgass, selv om bedre metoder er under utvikling. Separasjon av forskjellige isotoper av hydrogen kan også gjøres ved hjelp av gasskromatografi og kryogen destillasjon, som bruker forskjeller i fysiske egenskaper for å skille isotoper.
Deuteriumvann
Deuteriumvann, også kjent som tungtvann, ligner på vanlig vann. Det er dannet av en kombinasjon av deuterium og oksygen og er betegnet som 2H2O. Deuteriumvann er mer tyktflytende enn vanlig vann. Tungtvann er 10,6 % tettere enn vanlig vann, så isen til tungtvann synker i vanlig vann. For noen dyr er deuteriumvann giftig, mens andre kan overleve i tungtvann, men vil utvikle seg langsommere i det enn i norm alt vann. Deuteriumvann er ikke radioaktivt. Menneskekroppen inneholder omtrent 5 gram deuterium, og det er ufarlig. Hvis tungt vann kommer inn i kroppen i store mengder (for eksempel blir omtrent 50 % av vannet i kroppen tungt), kan det føre til celledysfunksjon, og til slutt død.
Forskjeller i tungtvann:
- Frysepunktet er 3,82°C.
- Temperaturekokepunktet er 101,4 °C.
- Tettheten til tungtvann er 1,1056 g/mL (norm alt vann er 0,9982 g/mL).
- Tungtvanns pH er 7,43 (norm alt vann er 6,9996).
- Det er en liten forskjell i smak og lukt mellom vanlig vann og tungt vann.
Bruk av deuterium
Forskere har utviklet mange bruksområder for deuterium og dets forbindelser. For eksempel er deuterium en ikke-radioaktiv isotopsporer for å studere kjemiske reaksjoner og metabolske veier. I tillegg er det nyttig for å studere makromolekyler ved bruk av nøytronspredning. Deutererte løsningsmidler (som tungtvann) brukes ofte i kjernemagnetisk resonans (NMR) spektroskopi fordi disse løsningsmidlene ikke påvirker NMR-spektrene til forbindelsene som studeres. Deutererte forbindelser er også nyttige for femtosekund infrarød spektroskopi. Deuterium er også et drivstoff for kjernefysiske fusjonsreaksjoner, som en dag kan brukes til å generere elektrisitet i industriell skala.
