Všetky prvky majú ako základnú jednotku atómy a atóm obsahuje tri základné častice, ktorými sú záporne nabité elektróny, kladne nabité protóny a neutróny neutrálnych častíc. Počet protónov a neutrónov prítomných v jadre sa nazýva hmotnostný počet prvkov a počet protónov sa nazýva atómové číslo. Rovnaké prvky, ktorých atómy obsahujú rovnaký počet protónov, ale rôzny počet neutrónov, sa nazývajú izotopy. Príkladom je vodík, ktorý má tri izotopy. Ide o vodík s nulovým počtom neutrónov, deutérium obsahujúce jeden neutrón a trícium - obsahuje dva neutróny. Tento článok sa zameria na izotop vodíka nazývaný deutérium, známy aj ako ťažký vodík.
Čo je deutérium?
Deutérium je izotop vodíka, ktorý sa líši od vodíka o jeden neutrón. Vodík má zvyčajne iba jeden protón, zatiaľ čo deutérium má jeden protón a jeden neutrón. Je široko používaný v reakciáchdivízia.
Deutérium (chemická značka D alebo ²H) je stabilný izotop vodíka, ktorý sa v prírode nachádza v extrémne malých množstvách. Jadro deutéria, nazývané deuterón, obsahuje jeden protón a jeden neutrón, zatiaľ čo oveľa bežnejšie jadro vodíka obsahuje iba jeden protón a žiadne neutróny. Preto má každý atóm deutéria hmotnosť, ktorá je približne dvakrát väčšia ako hmotnosť bežného atómu vodíka a deutérium sa nazýva aj ťažký vodík. Voda, v ktorej sú bežné atómy vodíka nahradené atómami deutéria, sa nazýva ťažká voda.
Kľúčové funkcie
Izotopová hmotnosť deutéria - 2, 014102 jednotiek. Deutérium má stabilný polčas rozpadu, pretože ide o stabilný izotop.
Prebytok energie deutéria je 13 135,720 ± 0,001 keV. Väzbová energia pre jadro deutéria je 2224,52 ± 0,20 keV. Deutérium sa spája s kyslíkom a vytvára D2O (2H2O), tiež známy ako ťažká voda. Deutérium nie je rádioaktívny izotop.
Deutérium nie je zdraviu nebezpečné, ale dá sa použiť na výrobu jadrových zbraní. Deutérium sa nevyrába umelo, pretože sa prirodzene vyskytuje vo vode oceánov a môže slúžiť mnohým generáciám ľudí. Extrahuje sa z oceánu pomocou procesu odstreďovania.
Ťažký vodík
Ťažký vodík je názov ktoréhokoľvek z vyšších izotopov vodíka, ako je deutérium a trícium. Ale častejšie sa používa na deutérium. Jeho atómová hmotnosť jeasi 2 a jeho jadro obsahuje 1 protón a 1 neutrón. Jeho hmotnosť je teda dvakrát väčšia ako hmotnosť normálneho vodíka. Neutrón navyše v deutériu ho robí ťažším ako normálny vodík, a preto sa nazýva ťažký vodík.
Ťažký vodík objavil Harold Urey v roku 1931 – tento objav bol v roku 1934 ocenený Nobelovou cenou za chémiu. Urey predpovedal rozdiel medzi tlakom pár molekulárneho vodíka (H2) a zodpovedajúcej molekuly s jedným atómom vodíka nahradeným deutériom (HD), a tým aj možnosť separácie týchto látok destiláciou kvapalného vodíka. Vo zvyšku z destilácie kvapalného vodíka sa našlo deutérium. V čistej forme ho pripravil G. N. Lewis pomocou metódy elektrolytickej koncentrácie. Pri elektrifikácii vody vzniká plynný vodík, ktorý obsahuje malé množstvo deutéria, preto sa deutérium koncentruje vo vode. Keď sa množstvo vody kontinuálnou elektrolýzou zníži na asi stotisíciny svojho pôvodného objemu, získa sa takmer čistý oxid deutéria, známy ako ťažká voda. Táto metóda prípravy ťažkej vody sa používala počas druhej svetovej vojny.
Etymológia a chemický symbol
Názov „deutérium“pochádza z gréckeho slova deuteros, čo znamená „druhý“. To naznačuje, že pri atómovom jadre pozostávajúcom z dvoch častíc je deutérium druhým izotopom po obyčajnom (alebo ľahkom) vodíku.
Deutérium sa často označuje ako chemikáliasymbol D. Ako izotop vodíka s hmotnostným číslom 2 je tiež reprezentovaný ako H. Vzorec pre deutérium je 2H. Medzinárodná únia pre čistú a aplikovanú chémiu (IUPAC) povoľuje D aj H, hoci sa uprednostňuje H.
Ako získať deutérium z vody?
Tradičný spôsob koncentrácie deutéria vo vode využíva výmenu izotopov v plynnom sírovodíku, aj keď sa vyvíjajú lepšie metódy. Separáciu rôznych izotopov vodíka je možné vykonať aj pomocou plynovej chromatografie a kryogénnej destilácie, ktoré využívajú rozdiely vo fyzikálnych vlastnostiach na oddelenie izotopov.
Deutérium voda
Deutériová voda, známa aj ako ťažká voda, je podobná bežnej vode. Je tvorený kombináciou deutéria a kyslíka a označuje sa ako 2H2O. Deutériová voda je viskóznejšia ako bežná voda. Ťažká voda je o 10,6 % hustejšia ako obyčajná voda, takže ľad ťažkej vody klesá v obyčajnej vode. Pre niektoré živočíchy je voda s deutériom toxická, zatiaľ čo iné dokážu prežiť v ťažkej vode, no budú sa v nej vyvíjať pomalšie ako v normálnej vode. Deutériová voda nie je rádioaktívna. Ľudské telo obsahuje asi 5 gramov deutéria a je neškodné. Ak sa ťažká voda dostane do tela vo veľkých množstvách (napríklad asi 50 % vody v tele sa stane ťažkým), môže to viesť k dysfunkcii buniek a v konečnom dôsledku k smrti.
Rozdiely v ťažkej vode:
- Bod tuhnutia je 3,82°C.
- Teplotabod varu je 101,4 °C.
- Hustota ťažkej vody je 1,1056 g/ml (normálna voda je 0,9982 g/ml).
- Pl ťažkej vody je 7,43 (normálna voda je 6,9996).
- Medzi obyčajnou vodou a ťažkou vodou je mierny rozdiel v chuti a vôni.
Použitie deutéria
Vedci vyvinuli mnoho spôsobov použitia deutéria a jeho zlúčenín. Napríklad deutérium je nerádioaktívny izotopový indikátor na štúdium chemických reakcií a metabolických dráh. Okrem toho je užitočný na štúdium makromolekúl pomocou rozptylu neutrónov. Deuterované rozpúšťadlá (ako ťažká voda) sa bežne používajú v nukleárnej magnetickej rezonančnej (NMR) spektroskopii, pretože tieto rozpúšťadlá neovplyvňujú NMR spektrá skúmaných zlúčenín. Deuterované zlúčeniny sú tiež užitočné pre femtosekundovú infračervenú spektroskopiu. Deutérium je tiež palivo pre reakcie jadrovej fúzie, ktoré by sa raz mohlo použiť na výrobu elektriny v priemyselnom meradle.
