Что такое изотопы водорода

Изотопы водорода

Известно несколько изотопов водорода: дейтерий ( 2 H) с одним протоном и одним нейтроном в ядре, тритий ( 3 H) с одним протоном и двумя нейтронами в ядре и очень неустойчивые тяжелые изотопы 4 H, 5 H, 6 H и 7 H. Ядра протия и дейтерия стабильны, а ядра трития подвергаются бета-распаду:

Предполагают, что эта реакция является главным источником изотопа гелия-3 в атмосфере.

Время жизни атомов остальных изотопов составляет ничтожные доли секунды.

Таблица изотопов водорода:

Содержание изотопов водорода в природе:

Массовая доля (в %) в природной смеси:

1 H – 99,9849 2 H – 0,0139 3 H – 0,0012

Нормальный изотопный состав природных соединений водорода соответствует отношению D : H=1 : 6800

3·10-18 % (мольные доли). Очевидно, он образуется в результате ядерных реакций, вызванных действием космических лучей.

Получение изотопов водорода

В настоящее время дейтерий получают ректификацией жидкого водорода и пот так называемому двухтемпературному сероводородному методу, в основе которого лежит реакция изотопного обмена:

Константа равновесия которой при 30 и 120 °C равна соответственно 2,31 и 1,86.

Тритий синтезируют, действуя на 6 Li₃ нейтронами, получаемыми в ядерном реакторе:

Для водорода, как ни для какого другого элемента, относительное различие изотопных масс достигает значительной величины. Поэтому, несмотря на одинаковую электронную структуру, все изотопы заметно различаются не только физическими, но и химическими свойствами. Вследствие резкого преобладания протия влияние тяжелых изотопов сказывается незначительно и может быть зафиксировано лишь в очень точных экспериментах. Поэтому можно считать, что свойства природного водорода соответствуют свойствам чистого протия.

Небольшие различия свойств, называемые изотопным эффектом, обусловлены различием масс изотопных атомов, которое в первую очередь сказывается на частоте колебаний атомов в молекулах и твердых телах. Так, колебательная энергия молекул T₂ и D₂ меньше, чем H₂. А это, в свою очередь, сказывается на термодинамических свойствах: теплоемкости, температуре плавления и кипения, энтальпии плавления и испарения, давлении насыщенного пара и т.д. Так, D₂ по сравнению с обычным водородом обладает меньшей теплоемкостью, теплопроводностью и скоростью диффузии. Таким образом, для изотопных соединений характерна термодинамическая неравноценность, а, следовательно, неравноценность активных комплексов при химических реакциях, в результате чего имеет место различие в скоростях протекания реакций, т.е. наблюдается кинетический изотопный эффект. Он выражается отношением констант скоростей химических реакций для различных изотопных соединений. Например, отношение констант скоростей синтеза HBr и DBr равно 5. Такие значительные отличия физических и химических свойств изотопов одного и того же элемента уникальны и не имеют аналогов в периодической системе. Все это в какой-то мере оправдывает применение для каждого изотопа водорода собственного названия (особенно для протия и дейтерия).

Заметно с H₂O различаются также энтальпия растворения солей, константы диссоциации кислот и другие характеристики растворов. Реакции в D2O идут медленнее, поэтому она является биологическим ядом.

Источник

Изотопы водорода: свойства, характеристика и применение

Любой химический элемент имеет разновидности природного или искусственного происхождения, называемые изотопами. Различие между ними заключается в неодинаковом количестве нейтронов в ядрах и, следовательно, в атомном весе, а также в степени стабильности. Что касается количества протонов, то оно одинаково, благодаря чему элемент, собственно, и остается самим собой. В этой статье мы обратимся к изотопам водорода – самого легкого и распространенного элемента во Вселенной. Нам предстоит рассмотреть их свойства, роль в природе и область практического применения.

Сколько разновидностей имеет водород

Ответ на этот вопрос зависит от того, какие изотопы водорода имеются в виду.

Для этого элемента установлено три природных изотопных формы: протий – легкий водород, тяжелый дейтерий и сверхтяжелый тритий. Все они обнаружены в естественном виде.

Таким образом, всего на сегодняшний день у водорода известно семь изотопных разновидностей. На трех из них, имеющих практическое значение, мы и сосредоточим свое внимание.

Легкий водород

Это наиболее просто устроенный атом. Изотоп водорода протий с атомной массой 1,0078 а. е. м. обладает ядром, в состав которого входит только одна частица – протон. Поскольку он стабилен (теоретически время жизни протона оценивается не менее чем в 2,9×10 29 лет), то стабилен и атом протия. При записи ядерных реакций он обозначается как 1 H₁ (нижний индекс – это атомный номер, то есть число протонов, верхний – общее число нуклонов в ядре), иногда просто p – «протон».

Легкий изотоп – это почти 99,99 % всего водорода; лишь чуть более одной сотой процента приходится на остальные формы. Именно протий вносит решающий вклад в распространенность водорода в природе: во Вселенной в целом – около 75 % массы барионного вещества и приблизительно 90 % атомов; на Земле – 1 % массы и целых 17 % атомов всех элементов, входящих в состав нашей планеты. Вообще, протий (точнее сказать, протон как один из главных компонентов Вселенной) смело можно назвать важнейшим элементом. Он обеспечивает возможность термоядерного синтеза в недрах звезд, в том числе и Солнца, и за счет него образуются прочие элементы. Кроме того, легкий водород играет важную роль в построении и функционировании живого вещества.

В молекулярной форме водород вступает в химические взаимодействия при высоких температурах, поскольку для расщепления его достаточно прочной молекулы нужно много энергии. Атомарный водород характеризуется очень высокой химической активностью.

Дейтерий

Тяжелый изотоп водорода имеет более сложно устроенное ядро, состоящее из протона и нейтрона. Соответственно атомная масса дейтерия вдвое больше – 2,0141. Принятое обозначение – 2 H₁ или D. Эта изотопная форма также стабильна, так как в процессах сильного взаимодействия в ядре протон и нейтрон постоянно превращаются друг в друга, и последний не успевает претерпеть распад.

На Земле водород содержит от 0,011% до 0,016% дейтерия. Концентрация его различна в зависимости от среды: в морской воде этого изотопа больше, а в составе, например, природного газа – существенно меньше. На других телах Солнечной системы отношение дейтерия к легкому водороду может быть иным: так, лед некоторых комет содержит большее количество тяжелого изотопа.

Дейтерий плавится при 18,6 К (легкий водород – при 14 К), а кипит при 23,6 К (соответствующая точка протия – 20,3 К). Тяжелый водород проявляет, в общем, те же химические свойства, что и протий, образуя все характерные для этого элемента типы соединений, однако ему присущи и некоторые особенности, связанные с серьезной разницей в атомной массе – ведь дейтерий тяжелее в 2 раза. Следует заметить, что по этой причине изотопным формам водорода свойственны наибольшие химические различия из всех элементов. В целом для дейтерия характерны более низкие (в 5 – 10 раз) скорости протекания реакций.

Роль дейтерия в природе

Ядра тяжелого водорода принимают участие в промежуточных стадиях термоядерного цикла. Солнце светит благодаря этому процессу, на одном из этапов которого образующийся изотоп водорода дейтерий, сливаясь с протоном, рождает гелий-3.

Вода, в состав которой входит, кроме протия, один атом дейтерия, называется полутяжелой и имеет формулу HDO. В молекуле тяжелой воды D₂O дейтерий полностью заменяет легкий водород.

Тяжелая вода характеризуется замедленным течением химических реакций, вследствие чего в больших концентрациях она вредна для живых организмов, особенно высших, таких как млекопитающие и в том числе человек. Если в составе воды четверть водорода замещена дейтерием, длительное употребление ее чревато развитием бесплодия, анемии и других заболеваний. При замещении 50% водорода млекопитающие погибают через неделю употребления такой воды. Что касается кратковременных повышений концентрации тяжелого водорода в воде, она практически безвредна.

Как получают тяжелый водород

Удобнее всего получать этот изотоп в составе воды. Есть несколько способов обогащения воды дейтерием:

Тритий

Сверхтяжелый изотоп водорода, в ядре которого наличествуют протон и два нейтрона, имеет атомную массу 3,016 – примерно втрое больше, чем у протия. Тритий обозначается символом Т либо 3 H₁. Он плавится и кипит при еще более высоких температурах: 20,6 К и 25 К соответственно.

Это радиоактивный нестабильный изотоп с периодом полураспада 12,32 года. Образуется он при бомбардировке ядер атмосферных газов, например, азота, частицами космических лучей. Распад изотопа происходит с испусканием электрона (так называемый бета-распад), при этом один нейтрон в ядре претерпевает превращение в протон, а химический элемент повышает атомный номер на единицу, становясь гелием-3. В природе тритий присутствует в следовых количествах – его очень мало.

Сверхтяжелый водород образуется в тяжеловодных ядерных реакторах при захвате дейтерием медленных (тепловых) нейтронов. Часть его доступна для извлечения и служит источником трития. Кроме того, его получают как продукт распада лития при облучении последнего тепловыми нейтронами.

Тритий характеризуется малой энергией распада и представляет некоторую радиационную опасность только в случаях, когда попадает внутрь организма с воздухом или пищей. Для защиты кожных покровов от бета-излучения достаточно резиновых перчаток.

Применение изотопов водорода

Легкий водород используется во множестве отраслей: в химической промышленности, где с его помощью ведется производство аммиака, метанола, соляной кислоты и других веществ, в нефтепереработке и металлургии, где он необходим для восстановления тугоплавких металлов из оксидов. Также он применяется на некоторых стадиях производственного цикла (в производстве твердых жиров) в пищевой и косметической промышленности. Водород служит одним из видов ракетного топлива и используется в лабораторной практике в науке и на производстве.

Дейтерий незаменим в ядерной энергетике как прекрасный замедлитель нейтронов. Он применяется в этом качестве, а также как теплоноситель в тяжеловодных реакторах, позволяющих использовать природный уран, что снижает затраты на обогащение. Он также, наряду с тритием, является компонентом рабочей смеси в термоядерном оружии.

Химические свойства тяжелого водорода позволяют использовать его в производстве медицинских препаратов в целях замедления выведения их из организма. И, наконец, дейтерий (как и тритий) имеет перспективы в качестве топлива в термоядерной энергетике.

Итак, мы видим, что все изотопы водорода так или иначе «находятся при деле» как в традиционных, так и в высокотехнологичных, имеющих прицел на будущее отраслях техники, технологии и научных исследований.

Источник

Изотопы водорода

Изото́пы водорода — разновидности атомов (и ядер) химического элемента водорода, имеющие разное содержание нейтронов в ядре. На данный момент известны 7 изотопов водорода.

Таблица изотопов водорода

Примечания

Полезное

Смотреть что такое «Изотопы водорода» в других словарях:

ИЗОТОПЫ ВОДОРОДА В ГЕОЛОГИИ — водород состоит из двух изотопов Н, или протия, и Н2, или дейтерия (Д), отношение которых в нормальном водороде Н/Д = 6000. Различие в массах изотопов водорода велико, и в ходе неорг. и орг. процессов происходит существенное фракционирование его… … Геологическая энциклопедия

изотопы — ов; мн. (ед. изотоп, а; м.). [от греч. isos равный и topos место] Спец. Разновидности одного и того же химического элемента, различающиеся массой атомов. Радиоактивные изотопы. Изотопы урана. ◁ Изотопный, ая, ое. И. индикатор. * * * изотопы (от… … Энциклопедический словарь

Изотопы гелия — разновидности атомов (и ядер) химического элемента гелия, имеющие разное содержание нейтронов в ядре. Всего известно на данный момент времени 8 изотопов, но только два из них стабильны. Природный гелий состоит из двух стабильных изотопов: 4He… … Википедия

ИЗОТОПЫ — ИЗОТОПЫ, хим. элементы, расположенные в одной и той же клетке периодической системы и следовательно обладающие одинаковым атомным номером или порядко вым числом. При этом И. не должны, вообще говоря, обладать одинаковым атомным весом. Различные… … Большая медицинская энциклопедия

ИЗОТОПЫ — разновидности данного хим. элемента, различающиеся по массе ядер. Обладая одинаковыми зарядами ядер Z, но различаясь числом нейтронов, И. имеют одинаковое строение электронных оболочек, т. е. очень близкие хим. св ва, и занимают одно и то же… … Физическая энциклопедия

Изотопы кислорода — В конце жизни массивной звезды, H оболочке и He оболочке Изотопы кислорода разновидности атомов (и ядер) … Википедия

ИЗОТОПЫ — (от изо. и греч. topos место), нуклиды одного хим. элемента, т. е. разновидности атомов определенного элемента, имеющие одинаковый атомный номер, но разные массовые числа. Обладают ядрами с одинаковым числом протонов и разл. числом нейтронов,… … Химическая энциклопедия

ИЗОТОПЫ — (от греч. ísos — одинаковый и tópos — место), разновидности одного химического элемента, занимающие одно и то же место в периодической системе элементов Д. И. Менделеева, то есть имеющие одинаковый заряд ядра, но отличающиеся массами… … Ветеринарный энциклопедический словарь

Атом водорода — Атом водорода физическая система, состоящая из атомного ядра, несущего элементарный положительный электрический заряд, и электрона, несущего элементарный отрицательный электрический заряд. В состав атомного ядра может входить протон или… … Википедия

Источник

Что такое изотопы водорода

Наука

Страницы

Изотопы ядер химического элемента водорода

Водород — самый распространённый элемент во Вселенной. На его долю приходится около 88,6 % всех атомов (около 11,3 % составляют атомы гелия, доля всех остальных вместе взятых элементов — порядка 0,1 %). Таким образом, водород — основная составная часть звёзд и межзвёздного газа. В условиях звёздных температур (например, температура поверхности Солнца

6000 °C) водород существует в виде плазмы, в межзвёздном пространстве этот элемент существует в виде отдельных молекул, атомов и ионов и может образовывать молекулярные облака, значительно различающиеся по размерам, плотности и температуре.

Водород — самый лёгкий газ, он легче воздуха в 14,4 раз. Очевидно, что чем меньше масса молекул, тем выше их скорость при одной и той же температуре. Как самые лёгкие, молекулы водорода движутся быстрее молекул любого другого газа и тем самым быстрее могут передавать теплоту от одного тела к другому. Отсюда следует, что водород обладает самой высокой теплопроводностью среди газообразных веществ. Его теплопроводность примерно в семь раз выше теплопроводности воздуха.

Водород хорошо растворим во многих металлах (Ni, Pt, Pd и др.), особенно в палладии (850 объёмов H2 на 1 объём Pd). С растворимостью водорода в металлах связана его способность диффундировать через них; диффузия через углеродистый сплав (например, сталь) иногда сопровождается разрушением сплава вследствие взаимодействия водорода с углеродом (так называемая декарбонизация). Практически не растворим в серебре.

Водород встречается в виде трёх изотопов, которые имеют индивидуальные названия:

Источник

Изотопы водорода

Водород образует три изотопа с массовыми числами 1, 2, 3:

– протий;

() – дейтерий;

() – тритий.

В природе водород находится в виде протия (99,98%). 0,0156% природного водорода приходится на долю «тяжелого» водорода – дейтерия, масса которого вдвое больше массы протия. Протий и дейтерий не являются радиоактивными.

Впервые дейтерий был получен в виде тяжелой воды D₂O путем электролиза природной воды.

Тяжелая вода D₂O – вода, образованная атомами дейтерия. По своим физико-химическим свойствам отличается от Н₂О:

Н2О	D2O
°С	3,83
°С	101,42
	1 (при 20 ºС)	1,1053 (при 20 ºС)

В настоящее время дейтерий получают из природной смеси путем изотопного обмена между водой и сероводородом: . Для получения 1 л тяжелой воды требуется 41 т воды и 135 т сероводорода.

Химические реакции в тяжелой воде протекают медленнее, по сравнению с обычной водой, водородные связи с участием дейтерия несколько сильнее обычных. Тяжёлая вода токсична. Тяжелая вода оказывает губительное действие на животных и человека. Например, замена 1/3 Н₂О на D₂O приводит к бесплодию, нарушению углеводного баланса и анемии.

Однако некоторые микроорганизмы способны жить в 70%-ной тяжёлой воде (простейшие) и даже в чистой тяжёлой воде (бактерии). Человек может без видимого вреда для здоровья выпить стакан тяжёлой воды, весь дейтерий будет выведен из организма через несколько дней. В этом отношении тяжёлая вода менее токсична, чем, например, поваренная соль.

Тяжелая вода является промышленным продуктом и доступна в больших количествах. Производство тяжёлой воды очень энергоёмко, поэтому её стоимость довольно высока (ориентировочно 200 – 250 долларов за кг).

Ядра дейтерия имеют спин ядра равный 1, с этим связано использование тяжелой воды и других дейтерированных растворителей (дейтерохлороформ CDCl₃) в спектроскопии ядерного магнитного резонанса. Тяжелая вода находит применение в ядерной технике в качестве замедлителя быстрых нейтронов, поскольку она быстро понижет энергию нейтронов ядерного деления, а также вследствие того, что дейтерий имеет низкое сечение захвата нейтронов (не поглощает нейтроны), чем водород, и, следовательно, заметно уменьшает нейтронный поток.

Дейтерий широко применяют при изучении механизмов реакции и при кинетических исследованиях.

От других изотопов тритий отличается тем, что он радиоактивен. В природе тритий встречается в очень малых количествах. Естественное содержание трития – 1 атом на 10 18 атомов водорода, это результат ядерных реакций, протекающих вод действием космических лучей в верхних слоях атмосферы:

В настоящее время тритий получают в ядерных реакторах при облучении лития нейтронами: .

Литий используют в виде сплава с магнием или алюминием, который удерживает в себе много трития, который освобождается при растворении облученного сплава в кислоте.

Прим. Наиболее удобный способ хранения трития состоит в превращении его в UT₃ по реакции с мелко раздробленным ураном. Из данного соединения тритий легко освобождается при нагревании выше 400 ºС.

Тяжелая вода на основе трития T₂O обладает сильной радиоактивностью. Поэтому обычно используют разбавленные растворы, содержащие 1% тритиевой воды. Тритий является чистым β-излучателем без примеси γ-компоненты, поэтому он относительно безопасен, так как β-частицы обладают низкой проникающей способностью, поэтому задерживаются листом бумаги или слоем воздуха в 3 мм. Тритий – один из наименее токсичных радиоизотопов.

Тритий может служить радиоактивной меткой для изучения различных природных процессов. Анализ атмосферного трития дает ценную информацию о космических лучах. А тритий в осадочных породах может свидетельствовать о перемещениях воздуха и влаги на Земле.

Наиболее богатые природные источники трития – дождь и снег, поскольку почти весь тритий, образующийся под действием космических лучей в атмосфере, переходит в воду. Интенсивность космической радиации изменяется с широтой, поэтому осадки, например, в средней полосе России несут в несколько раз больше трития, чем тропические ливни. И совсем мало трития в дождях, которые идут над океаном, поскольку их источник – в основном та же океаническая вода, а ней трития немного.

Понятно, что глубинный лед Гренландии или Антарктиды совсем не содержит трития – он там давно успел полностью распасться. Зная скорость образования трития в атмосфере, можно рассчитать, как долго влага находится в воздухе – с момента ее испарения с поверхности до выпадения в виде дождя или снега. Оказалось, что, например, в воздухе над океаном этот срок составляет в среднем 9 дней.

Чаще всего тритий применяют как метку при изучении механизмов реакций и их кинетики.

Синтезированный тритий сравнительно дешев и находит применение в научных исследованиях и в промышленности. Широкое применение нашли тритиевые светящиеся краски, которые наносят на шкалы приборов. Эти светосоставы с точки зрения радиации менее опасны, чем традиционные радиевые. Такие светосоставы постоянного действия используют для изготовления указателей, шкал приборов и т.п. На их производство ежегодно расходуют сотни граммов трития.

Тритий присутствует и в человеческом организме. Он поступает в него с пищей, с вдыхаемым воздухом и через кожу. Интересно, что газообразный Т₂ в 500 раз менее токсичен, чем тритиевая вода Т₂О. Это объясняется тем, что молекулярный тритий, попадая с воздухом в легкие, затем быстро (примерно за 3 мин) выделяется из организма, тогда как тритий в составе воды задерживается в нем на 10 суток и успевает за это время передать ему значительную дозу радиации.

Тритий имеет важное значение в реакциях термоядерного синтеза: , протекающих при взрыве водородной бомбы.

Источник