Izotopi vodika: lastnosti, karakterizacija in uporaba

Vsak kemični element ima vrsto naravnega ali umetnega izvora, ki se imenuje izotopi. Razlika med njimi je v neenakomernem številu nevtronov v jedrih in zato v atomski masi ter v stopnji stabilnosti. Glede števila protonov je enako, zaradi česar element dejansko ostaja sam. V tem članku se obračamo na izotope vodika - najlažji in najpogostejši element v vesolju. Upoštevati moramo njihove lastnosti, njihovo vlogo v naravi in ​​področje praktične uporabe.

Koliko vrst ima vodik?

Odgovor na to vprašanje je odvisen od tega, kaj pomenijo izotopi vodika.

Za ta element so bile ugotovljene tri naravne izotopne oblike: protium - lahki vodik, težki devterij in super težek tritij. Vse so v naravni obliki.

Poleg njih so štirje umetno sintetizirani izotopi: kvadij, pentij, heksij in septija. Za te vrste je značilna ekstremna nestabilnost, življenjska doba njihovih jeder je izražena z vrednostmi reda 10 ^-22 - 10 ^-23 sekund.

Tako so danes vsi sedem izotopnih vrst znani iz vodika. Osredotočili se bomo na tri izmed njih, ki imajo praktičen pomen.

Svetlobni vodik

To je najbolj preprost atom. Izotop vodika vodikov atom z atomsko maso 1.0078 a. E. m. Ima jedro, ki je sestavljeno samo iz enega delca - proton. Ker je stabilen (teoretično je življenjska doba protonov ocenjena na najmanj 2,9 × 10 ²⁹ let), je tudi protonski atom stabilen. Pri beleženju jedrskih reakcij je označen kot ¹ H ₁ (indeks je atomsko število, to je število protonov, zgornji je skupno število nukleonov v jedru), včasih samo p - »proton«.

Svetlobni izotop je skoraj 99,99% vsega vodika; samo nekaj več kot sto odstotkov predstavlja druge oblike. Protium je odločilen prispevek k razširjenosti vodika v naravi: v vesolju kot celoto, približno 75% mase barionskega materiala in okoli 90% atomov; na Zemlji - 1% mase in kar 17% atomov vseh elementov, ki sestavljajo naš planet. Na splošno se protium (natančneje, proton kot ena glavnih sestavin vesolja) lahko varno imenuje najpomembnejši element. Zagotavlja možnost termonuklearne fuzije v globinah zvezd, vključno s Soncem, zaradi česar se oblikujejo drugi elementi. Poleg tega ima lahek vodik pomembno vlogo pri izgradnji in delovanju živa snov.

V molekularni obliki vodik vstopa v kemijske interakcije pri visokih temperaturah, saj je za razcep dovolj močne molekule potrebno veliko energije. Za atomski vodik je značilna zelo visoka kemijska aktivnost.

Deuterij

Težji izotop vodika ima bolj zapleteno jedro, ki ga sestavljajo proton in nevtron. V skladu s tem je atomska masa devterija dvakrat večja - 2.0141. Sprejeta oznaka je ² H ₁ ali D. Ta izotopska oblika je tudi stabilna, saj se v procesih močne interakcije v jedru proton in nevtron nenehno spreminjata drug v drugega, slednji pa nima časa, da bi se podrl.

Na Zemlji vsebuje vodik od 0,011% do 0,016% devterija. Njegova koncentracija se spreminja glede na okolje: v morski vodi je ta izotop večji, v sestavi, na primer, zemeljskega plina - bistveno manj. Na drugih telesih sončnega sistema je lahko razmerje med devterijem in lahkim vodikom različno: na primer, led nekaterih kometov vsebuje večjo količino težkega izotopa.

Deuterij se tali pri 18,6 K (lahki vodik pri 14 K) in vre pri 23,6 K (ustrezna točka procija je 20,3 K). Težki vodik na splošno kaže enake kemijske lastnosti kot protium, ki tvorijo vse značilne vrste spojin za ta element, vendar so v njem nekatere značilnosti, povezane z resno razliko v atomski masi, ker je devterij 2-krat težji. Opozoriti je treba, da so zaradi tega izotopske oblike vodika označene z največjimi kemijskimi razlikami med vsemi elementi. Na splošno so za devterij značilne nižje stopnje (5–10-krat) reakcij.

Vloga devterija v naravi

Jedra težkega vodika sodelujejo v vmesnih fazah termonuklearnega cikla. Sonce sije zahvaljujoč temu procesu, na eni od stopenj, kjer nastane vodni izotop devterij, ki se združi s protonom, nastane helij-3.

Voda, ki poleg protija vključuje tudi en atom devterija, se imenuje lahka in ima formulo HDO. V molekuli težke vode D ₂ O, devterij popolnoma nadomešča lahki vodik.

Težka voda za katero je značilna počasnost kemijskih reakcij, zato je v visokih koncentracijah škodljiva za žive organizme, zlasti višje, kot so sesalci, vključno z ljudmi. Če voda vsebuje četrtino vodika, ki ga nadomesti devterij, je njegova dolgotrajna uporaba preobremenjena z razvojem neplodnosti, anemije in drugih bolezni. Ko zamenjajo 50% vodika, sesalci umrejo po enem tednu uživanja take vode. Kar se tiče kratkoročnega povečanja koncentracije težkega vodika v vodi, je to praktično neškodljivo.

Kako priti do težkega vodika

Najbolj primeren način za pridobitev tega izotopa v sestavi vode. Obstaja več načinov za obogatitev vode z devterijem:

• Rektifikacija je postopek ločevanja zmesi na komponente, ki vrejo pri različnih temperaturah. Ločevanje se doseže s ponovnim izhlapevanjem in kondenzacijo mešanice izotopov v tekočem vodiku ali vodi na posebni opremi - destilacijskih kolonah, v katerih plinske in tekoče faze tečejo v nasprotnih smereh.
• Elektrolitska ločitev. Metoda temelji na dejstvu, da elektroliza vode lahek izotop se bolj aktivno odcepi od molekul. Elektroliza se izvaja v več fazah.
• Izmenjava ionskih izotopov, pri kateri so v sestavi reagentov medsebojna zamenjava ionov različnih izotopov. Trenutno je ta metoda z uporabo vode in vodikovega sulfida kot reaktantov najbolj učinkovita in ekonomična.

Tritij

Izredno težak izotop vodika, v jedru katerega je proton in dva nevtrona, ima atomsko maso 3,016 - približno trikrat več kot maso protija. Tritij je označen s simbolom T ali ³ H ₁ . Topi se in vre pri še višjih temperaturah: 20,6 K in 25 K.

Je radioaktivni nestabilni izotop z razpolovnim časom 12,32 let. Nastane se pri bombardiranju jeder atmosferskih plinov, npr. Dušika, delcev kozmičnih žarkov. Razpad izotopa nastopi z emisijo elektrona (tako imenovani beta razpad), medtem ko se en nevtron v jedru pretvori v proton, kemijski element pa dvigne atomsko število za eno, tako da postane helij-3. V naravi je tritij prisoten v sledovih - zelo majhen.

Super težki vodik nastane v jedrskih reaktorjih težke vode, ko se devterij ujame s počasnimi (toplotnimi) nevtroni. Nekaj ​​je na voljo za ekstrakcijo in služi kot vir tritija. Poleg tega se pridobiva kot produkt razgradnje litija, ko je obsevan s termičnimi nevtroni.

Za tritij je značilna nizka energija upadanja in nekaj nevarnosti za sevanje le, če vstopi v telo z zrakom ali hrano. Gumijaste rokavice so dovolj za zaščito kože pred sevanjem beta.

Uporaba vodikovih izotopov

Svetlobni vodik se uporablja v mnogih industrijskih panogah: v kemični industriji, kjer se uporablja za proizvodnjo amoniaka, metanola, klorovodikove kisline in drugih snovi, pri rafiniranju nafte in v metalurgiji, kjer je potrebno pridobivanje ognjevarnih kovin iz oksidov. Uporablja se tudi v nekaterih fazah proizvodnega cikla (pri proizvodnji trdnih maščob) v živilski in kozmetični industriji. Vodik je ena od vrst raketnega goriva in se uporablja v laboratorijskih praksah v znanosti in industriji.

Deuterij je nepogrešljiv v jedrski energiji kot odličen nevtronski moderator. Uporablja se v tej funkciji, kot tudi kot hladilno sredstvo v reaktorjih za težko vodo, kar omogoča uporabo naravnega urana, kar zmanjšuje stroške obogatitve. On je skupaj s tritijem sestavni del delovne mešanice v termonuklearnem orožju.

Kemične lastnosti težkega vodika omogočajo njegovo uporabo pri pripravi medicinskih pripravkov, da se upočasni njihovo izločanje iz telesa. In končno, devterij (kot tritij) ima možnosti za kakovost goriva v termonuklearni energiji.

Torej vidimo, da so vsi izotopi vodika nekako »v poslu« tako tradicionalno kot visokotehnološko, z namenom prihodnosti vej tehnologije, tehnologije in znanstvenih raziskav.