Kaikkien alkuaineiden perusyksikkönä on atomit, ja atomi sisältää kolme perushiukkasta, jotka ovat negatiivisesti varautuneita elektroneja, positiivisesti varautuneita protoneja ja neutraalien hiukkasten neutroneja. Ytimessä olevien protonien ja neutronien lukumäärää kutsutaan alkuaineiden massaluvuksi ja protonien lukumäärää atomiluvuksi. Samoja alkuaineita, joiden atomeissa on sama määrä protoneja mutta eri määrä neutroneja, kutsutaan isotoopeiksi. Esimerkki on vety, jossa on kolme isotooppia. Tämä on vetyä, jossa on nolla neutronia, deuterium, joka sisältää yhden neutronin, ja tritium - se sisältää kaksi neutronia. Tämä artikkeli keskittyy vedyn isotooppiin nimeltä deuterium, joka tunnetaan myös raskaana vetynä.
Mikä on deuterium?
Deuterium on vedyn isotooppi, joka eroaa vedystä yhdellä neutronilla. Tyypillisesti vedyllä on vain yksi protoni, kun taas deuteriumissa on yksi protoni ja yksi neutroni. Sitä käytetään laaj alti reaktioissadivisioona.
Deuterium (kemiallinen symboli D tai ²H) on vakaa vedyn isotooppi, jota esiintyy luonnossa erittäin pieniä määriä. Deuteriumydin, jota kutsutaan deuteroniksi, sisältää yhden protonin ja yhden neutronin, kun taas paljon yleisempi vetyydin sisältää vain yhden protonin eikä yhtään neutroneja. Siksi jokaisen deuteriumatomin massa on noin kaksi kertaa tavallisen vetyatomin massa, ja deuteriumia kutsutaan myös raskaaksi vedyksi. Vettä, jossa tavalliset vetyatomit on korvattu deuteriumatomeilla, kutsutaan raskaaksi vedeksi.
Pääominaisuudet
Deuteriumin isotooppinen massa - 2, 014102 yksikköä. Deuteriumilla on vakaa puoliintumisaika, koska se on stabiili isotooppi.
Deuteriumin ylimääräinen energia on 13 135 720 ± 0,001 keV. Deuteriumytimen sitoutumisenergia on 2224,52 ± 0,20 keV. Deuterium yhdistyy hapen kanssa muodostaen D2O:ta (2H2O), joka tunnetaan myös nimellä raskas vesi. Deuterium ei ole radioaktiivinen isotooppi.
Deuterium ei ole terveydelle vaarallinen, mutta sitä voidaan käyttää ydinaseiden luomiseen. Deuteriumia ei tuoteta keinotekoisesti, koska sitä on luonnostaan runsaasti v altamerivesissä ja se voi palvella useita sukupolvia ihmisiä. Se uutetaan merestä sentrifugoimalla.
Raskas vety
Raskas vety on minkä tahansa vedyn korkeamman isotoopin, kuten deuteriumin ja tritiumin, nimi. Mutta useammin sitä käytetään deuteriumille. Sen atomimassa onnoin 2, ja sen ydin sisältää 1 protonin ja 1 neutronin. Siten sen massa on kaksi kertaa normaalin vedyn massa. Deuteriumin ylimääräinen neutroni tekee siitä raskaampaa kuin normaali vety, minkä vuoksi sitä kutsutaan raskaaksi vedyksi.
Harold Urey löysi raskaan vedyn vuonna 1931 – tälle löydölle myönnettiin kemian Nobel-palkinto vuonna 1934. Urey ennusti eron molekyylivedyn (H2) ja vastaavan molekyylin, jossa yksi vetyatomi on korvattu deuteriumilla (HD) höyrynpaineen välillä ja siten mahdollisuuden erottaa nämä aineet tislaamalla nestemäistä vetyä. Deuteriumia löydettiin nestemäisen vedyn tislausjäännöksestä. Sen valmisti puhtaassa muodossaan G. N. Lewis käyttäen elektrolyyttistä väkevöintimenetelmää. Veden sähköistyessä muodostuu vetykaasua, joka sisältää pienen määrän deuteriumia, joten deuterium keskittyy veteen. Kun veden määrä pienennetään noin sataan tuhannesosaan sen alkuperäisestä tilavuudesta jatkuvalla elektrolyysillä, saadaan lähes puhdasta deuteriumoksidia, joka tunnetaan raskaana vedena. Tätä raskaan veden valmistusmenetelmää käytettiin toisen maailmansodan aikana.
Etymologia ja kemiallinen symboli
Nimi "deuterium" tulee kreikan sanasta deuteros, joka tarkoittaa "toista". Tämä osoittaa, että kahdesta hiukkasesta koostuvan atomiytimen tapauksessa deuterium on toinen isotooppi tavallisen (tai kevyen) vedyn jälkeen.
Deuterium on usein merkitty kemikaalillasymboli D. Vedyn isotooppina, jonka massaluku on 2, se esitetään myös H:na. Deuteriumin kaava on 2H. International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) sallii sekä D:n että H:n, vaikka H on suositeltavampi.
Miten saada deuteriumia vedestä?
Perinteisessä menetelmässä deuteriumin väkevöimiseksi vedessä käytetään isotoopin vaihtoa rikkivetykaasussa, vaikka parempia menetelmiä kehitetäänkin. Vedyn eri isotooppien erottaminen voidaan tehdä myös kaasukromatografialla ja kryogeenisellä tislauksella, joissa isotooppien erottamiseen käytetään fysikaalisten ominaisuuksien eroja.
Deuteriumvesi
Deuteriumvesi, joka tunnetaan myös nimellä raskas vesi, on samanlaista kuin tavallinen vesi. Se muodostuu deuteriumin ja hapen yhdistelmästä ja sitä kutsutaan nimellä 2H2O. Deuteriumvesi on viskoosimpaa kuin tavallinen vesi. Raskas vesi on 10,6 % tiheämpää kuin tavallinen vesi, joten raskaan veden jää uppoaa tavalliseen veteen. Joillekin eläimille deuteriumvesi on myrkyllistä, kun taas toiset selviävät raskaassa vedessä, mutta kehittyvät siinä hitaammin kuin tavallisessa vedessä. Deuteriumvesi ei ole radioaktiivista. Ihmiskeho sisältää noin 5 grammaa deuteriumia, ja se on vaaratonta. Jos raskasta vettä pääsee kehoon suuria määriä (esimerkiksi noin 50 % kehon vedestä tulee raskaaksi), se voi johtaa solujen toimintahäiriöihin ja lopulta kuolemaan.
Erot raskaassa vedessä:
- Jäätymispiste on 3,82°C.
- Lämpötilakiehumispiste on 101,4 °C.
- Raskaan veden tiheys on 1,1056 g/ml (normaali vesi on 0,9982 g/ml).
- Raskaan veden pH on 7,43 (normaali vesi on 6,9996).
- Maussa ja hajussa on pieni ero tavallisen ja raskaan veden välillä.
Deuteriumin käyttö
Tutkijat ovat kehittäneet monia käyttötapoja deuteriumille ja sen yhdisteille. Esimerkiksi deuterium on ei-radioaktiivinen isotooppimerkkiaine kemiallisten reaktioiden ja aineenvaihduntareittien tutkimiseen. Lisäksi se on hyödyllinen makromolekyylien tutkimiseen neutronien sironnan avulla. Deuteroituja liuottimia (kuten raskasta vettä) käytetään yleisesti ydinmagneettiresonanssispektroskopiassa (NMR), koska nämä liuottimet eivät vaikuta tutkittavien yhdisteiden NMR-spektreihin. Deuteroidut yhdisteet ovat myös käyttökelpoisia femtosekundin infrapunaspektroskopiassa. Deuterium on myös ydinfuusioreaktioiden polttoaine, jota voitaisiin joskus käyttää sähkön tuottamiseen teollisessa mittakaavassa.
