Visu elementu pamatvienība ir atomi, un atomā ir trīs pamatdaļiņas, kas ir negatīvi lādēti elektroni, pozitīvi lādēti protoni un neitrālu daļiņu neitroni. Kodolā esošo protonu un neitronu skaitu sauc par elementu masas skaitu, un protonu skaitu sauc par atomskaitli. Tos pašus elementus, kuru atomi satur vienādu skaitu protonu, bet atšķirīgu neitronu skaitu, sauc par izotopiem. Piemērs ir ūdeņradis, kuram ir trīs izotopi. Tas ir ūdeņradis ar nulles neitronu, deitērijs, kas satur vienu neitronu, un tritijs - tajā ir divi neitroni. Šajā rakstā galvenā uzmanība tiks pievērsta ūdeņraža izotopam, ko sauc par deitēriju, kas pazīstams arī kā smagais ūdeņradis.
Kas ir deitērijs?
Deitērijs ir ūdeņraža izotops, kas no ūdeņraža atšķiras ar vienu neitronu. Parasti ūdeņradim ir tikai viens protons, bet deitērijam ir viens protons un viens neitrons. To plaši izmanto reakcijāsnodaļa.
Deitērijs (ķīmiskais simbols D vai ²H) ir stabils ūdeņraža izotops, kas dabā atrodams ārkārtīgi nelielos daudzumos. Deitērija kodols, ko sauc par deuteronu, satur vienu protonu un vienu neitronu, savukārt daudz biežāk sastopamajā ūdeņraža kodolā ir tikai viens protons un nav neitronu. Tāpēc katra deitērija atoma masa ir aptuveni divas reizes lielāka par parastā ūdeņraža atoma masu, un deitēriju sauc arī par smago ūdeņradi. Ūdeni, kurā parastie ūdeņraža atomi ir aizstāti ar deitērija atomiem, sauc par smago ūdeni.
Galvenās funkcijas
Deitērija izotopiskā masa - 2, 014102 vienības. Deitērija pussabrukšanas periods ir stabils, jo tas ir stabils izotops.
Deitērija enerģijas pārpalikums ir 13 135 720 ± 0,001 keV. Saistīšanas enerģija deitērija kodolam ir 2224,52 ± 0,20 keV. Deitērijs savienojas ar skābekli, veidojot D2O (2H2O), ko sauc arī par smago ūdeni. Deitērijs nav radioaktīvs izotops.
Deitērijs nav bīstams veselībai, taču to var izmantot kodolieroču radīšanai. Deitērijs netiek ražots mākslīgi, jo tas dabiski ir daudz okeāna ūdenī un var kalpot daudzām cilvēku paaudzēm. To iegūst no okeāna, izmantojot centrifugēšanas procesu.
Smagais ūdeņradis
Smagais ūdeņradis ir jebkura augstāka ūdeņraža izotopa, piemēram, deitērija un tritija, nosaukums. Bet biežāk to lieto deitērijam. Tā atomu masa irapmēram 2, un tā kodols satur 1 protonu un 1 neitronu. Tādējādi tā masa ir divas reizes lielāka par parastā ūdeņraža masu. Deitērija papildu neitrons padara to smagāku par parasto ūdeņradi, tāpēc to sauc par smago ūdeņradi.
Smago ūdeņradi 1931. gadā atklāja Harolds Urijs - šim atklājumam 1934. gadā tika piešķirta Nobela prēmija ķīmijā. Urejs prognozēja atšķirību starp molekulārā ūdeņraža (H2) un atbilstošās molekulas tvaika spiedienu, kurā viens ūdeņraža atoms ir aizstāts ar deitēriju (HD), un līdz ar to arī iespēju šīs vielas atdalīt, destilējot šķidro ūdeņradi. Deitērijs tika atrasts šķidrā ūdeņraža destilācijas atlikumos. To tīrā veidā sagatavoja G. N. Lūiss, izmantojot elektrolītiskās koncentrācijas metodi. Ūdenim elektrizējot veidojas ūdeņraža gāze, kas satur nelielu daudzumu deitērija, tāpēc deitērijs koncentrējas ūdenī. Kad ūdens daudzums tiek samazināts līdz aptuveni simt tūkstošdaļām no tā sākotnējā tilpuma, turpinot elektrolīzi, tiek nodrošināts gandrīz tīrs deitērija oksīds, kas pazīstams kā smagais ūdens. Šī smagā ūdens sagatavošanas metode tika izmantota Otrā pasaules kara laikā.
Etimoloģija un ķīmiskais simbols
Nosaukums "deitērijs" cēlies no grieķu vārda deuteros, kas nozīmē "otrais". Tas norāda, ka ar atoma kodolu, kas sastāv no divām daļiņām, deitērijs ir otrais izotops pēc parastā (vai vieglā) ūdeņraža.
Deitēriju bieži apzīmē ar ķīmisko vielusimbols D. Kā ūdeņraža izotops ar masas skaitli 2 to attēlo arī kā H. Deitērija formula ir 2H. Starptautiskā tīrās un lietišķās ķīmijas savienība (IUPAC) pieļauj gan D, gan H, lai gan priekšroka tiek dota H.
Kā iegūt deitēriju no ūdens?
Tradicionālā metode deitērija koncentrēšanai ūdenī izmanto izotopu apmaiņu sērūdeņraža gāzē, lai gan tiek izstrādātas labākas metodes. Dažādu ūdeņraža izotopu atdalīšanu var veikt arī, izmantojot gāzu hromatogrāfiju un kriogēno destilāciju, kas izmanto fizikālo īpašību atšķirības, lai atdalītu izotopus.
Deitērija ūdens
Deitērija ūdens, kas pazīstams arī kā smagais ūdens, ir līdzīgs parastajam ūdenim. To veido deitērija un skābekļa kombinācija, un to apzīmē kā 2H2O. Deitērija ūdens ir viskozāks nekā parastais ūdens. Smagais ūdens ir par 10,6% blīvāks nekā parastais ūdens, tāpēc smagā ūdens ledus parastajā ūdenī grimst. Dažiem dzīvniekiem deitērija ūdens ir toksisks, savukārt citi var izdzīvot smagā ūdenī, taču tajā attīstīsies lēnāk nekā parastā ūdenī. Deitērija ūdens nav radioaktīvs. Cilvēka organismā ir aptuveni 5 grami deitērija, un tas ir nekaitīgs. Ja smagais ūdens nonāk organismā lielos daudzumos (piemēram, apmēram 50% ūdens organismā kļūst smags), tas var izraisīt šūnu disfunkciju un galu galā nāvi.
Atšķirības smagajā ūdenī:
- Sasalšanas temperatūra ir 3,82°C.
- Temperatūraviršanas temperatūra ir 101,4 °C.
- Smagā ūdens blīvums ir 1,1056 g/mL (parastais ūdens ir 0,9982 g/mL).
- Smagā ūdens pH ir 7,43 (parastais ūdens ir 6,9996).
- Ir neliela garšas un smaržas atšķirība starp tīru ūdeni un smago ūdeni.
Deitērija lietošana
Zinātnieki ir izstrādājuši daudzus deitērija un tā savienojumu lietojumus. Piemēram, deitērijs ir neradioaktīvs izotopu marķieris ķīmisko reakciju un vielmaiņas ceļu pētīšanai. Turklāt tas ir noderīgi makromolekulu pētīšanai, izmantojot neitronu izkliedi. Deuterētie šķīdinātāji (piemēram, smagais ūdens) parasti tiek izmantoti kodolmagnētiskās rezonanses (KMR) spektroskopijā, jo šie šķīdinātāji neietekmē pētāmo savienojumu KMR spektrus. Deuterēti savienojumi ir noderīgi arī femtosekundes infrasarkanajā spektroskopijā. Deitērijs ir arī degviela kodolsintēzes reakcijām, ko kādreiz varētu izmantot elektroenerģijas ražošanai rūpnieciskā mērogā.
