Изотопи водоника: својства, карактеризација и примјена

Сваки хемијски елемент има различит природни или вештачки извор, који се назива изотопима. Разлика између њих лежи у неуједначеном броју неутрона у језграма и, према томе, у атомској тежини, као иу степену стабилности. Што се тиче броја протона, он је исти, због чега елемент заправо остаје. У овом чланку прелазимо на изотопе водоника - најлакши и најчешћи елемент универзума. Морамо узети у обзир њихове особине, њихову улогу у природи и област практичне примене.

Колико врста има водоник?

Одговор на ово питање зависи од тога који су изотопи водоника.

За овај елемент су установљене три природне изотопне форме: проту - лагани водоник, тешки деутеријум и супертешки трицијум. Сви се налазе у свом природном облику.

Поред њих, постоје четири вештачки синтетизована изотопа: квадиј, пентијум, хексијум и септија. Ове врсте карактерише екстремна нестабилност, а животни век њихових језгара изражен је вриједностима реда 10 ^-22 - 10 ^-23 секунде.

Дакле, данас је из водоника познато седам изотопних врста. Ми ћемо се фокусирати на три од њих од практичног значаја.

Светлост водоника

Ово је најједноставнији атом. Изотоп водоника протон са атомском масом од 1.0078 а. Е. м. Има нуклеус, који се састоји само од једне честице - протон. Пошто је стабилан (теоретски, протонски живот се процењује да није мањи од 2,9 × 10 ²⁹ година), и проту атом је такође стабилан. Приликом снимања нуклеарних реакција означава се као ¹ Х ₁ (индекс је атомски број, односно број протона, горњи је укупан број нуклеона у језгру), понекад само п - "протон".

Лагани изотоп је скоро 99,99% укупног водоника; само мало више од стотиног процента рачуна за друге облике. Протиум чини одлучујући допринос преваленцији водоника у природи: у свемиру као цјелини, око 75% масе барионске материје и око 90% атома; на Земљи - 1% масе и чак 17% атома свих елемената који чине нашу планету. Уопштено, протиј (прецизније, протон као једна од главних компоненти Универзума) може се сигурно назвати најважнијим елементом. Она пружа могућност термонуклеарне фузије у дубинама звезда, укључујући и Сунце, и због тога се формирају други елементи. Поред тога, лагани водоник игра важну улогу у изградњи и функционисању жива материја.

У молекуларној форми, водоник улази у хемијске интеракције на високим температурама, јер раздвајање његове довољно јаке молекуле захтева много енергије. Атомски водоник карактерише веома висока хемијска активност.

Деутериј

Тешки изотоп водоника има сложеније језгро које се састоји од протона и неутрона. Према томе, атомска маса деутеријума је дупло већа - 2,0141. Прихваћена ознака је ² Х ₁ или Д. Овај изотопски облик је такође стабилан, јер се у процесима јаке интеракције у нуклеусу протон и неутрон константно претварају један у други, а други нема времена да пропадне.

На Земљи, водоник садржи од 0,011% до 0,016% деутеријума. Његова концентрација варира у зависности од околине: у морској води овог изотопа је већа, ау саставу, на пример, природног гаса - знатно мање. На другим телима Сунчевог система, однос деутеријума према светлом водонику може бити различит: на пример, лед неких комета садржи већу количину тешког изотопа.

Деутеријум се топи на 18,6 К (лагани водоник на 14 К), и ври на 23,6 К (одговарајућа тачка протијума је 20,3 К). Тешки водоник показује, у принципу, исте хемијске особине као и проту, формирајући све карактеристичне типове једињења за овај елемент, али неке карактеристике повезане са озбиљном разликом у атомској маси су својствене њему, јер је деутеријум 2 пута тежи. Треба напоменути да се изотопски облици водоника због тога одликују највећим хемијским разликама међу свим елементима. Генерално, ниже стопе (5-10 пута) реакција су карактеристичне за деутеријум.

Улога деутеријума у ​​природи

Језгра тешког водика учествује у средњим фазама термонуклеарног циклуса. Сунце засија захваљујући овом процесу, на једној од фаза у којој се формира изотоп водоника деутериј, који се спаја са протоном, што доводи до стварања хелијума-3.

Вода, која, поред протија, садржи и један атом деутеријума, назива се тешка и има формулу ХДО. У молекулу тешке воде Д2О, деутеријум потпуно замењује светлост водоника.

Тешка вода карактерисане спорим током хемијских реакција, као резултат тога, у високим концентрацијама, то је штетно за живе организме, посебно оне веће, као што су сисари, укључујући људе. Ако вода садржи четвртину водика замијењеног деутеријем, његова дуготрајна употреба је препуна развоја неплодности, анемије и других болести. Када замењује 50% водоника, сисари умиру након недељу дана конзумирања такве воде. Што се тиче краткорочног повећања концентрације тешког водика у води, то је практично безопасно.

Како добити тешки водик

Најпогоднији начин за добијање овог изотопа у саставу воде. Постоји неколико начина за обогаћивање воде деутеријумом:

• Ректификација је процес одвајања смеша у компоненте које врију на различитим температурама. Сепарација се постиже поновљеним испаравањем и кондензацијом мјешавине изотопа у текућем водику или води на посебној опреми - дестилационим колонама, у којима плиновите и текуће фазе протичу у супротним смјеровима.
• Електролитичка сепарација. Метода се заснива на чињеници да електролиза воде изотоп светлости се активније одваја од његових молекула. Електролиза се изводи у неколико фаза.
• Размена јонских изотопа, у којој постоји међусобна замена јона различитих изотопа у саставу реагенса. Тренутно, овај метод који користи воду и сумпороводик као реактанте је најефикаснији и економичнији.

Тритиум

Изузетно тешки изотоп водоника, у чијем средишту је протон и два неутрона, има атомску масу од 3,016 - приближно три пута више од протона. Трицијум је означен симболом Т или ³ Х1. Топи се и кува на још вишим температурама: 20,6 К и 25 К, респективно.

То је радиоактивни нестабилни изотоп са полу-животом од 12,32 године. Формира се приликом бомбардовања језгра атмосферских гасова, на пример, азота, честица космичких зрака. Распад изотопа настаје емисијом електрона (тзв. Бета распад), док се један неутрон у нуклеусу претвара у протон, а хемијски елемент подиже атомски број за један, постајући хелијум-3. У природи, тритиј је присутан у траговима - врло је мали.

Супер-тешки водоник се формира у нуклеарним реакторима са тешком водом када се деутеријум ухвати спорим (термалним) неутронима. Неки од њих су доступни за вађење и служе као извор трицијума. Поред тога, добија се као продукт распадања литијума када се озрачује топлотним неутронима.

Трицијум карактерише ниска енергија распадања и представља опасност од зрачења само када уђе у тело ваздухом или храном. Гумене рукавице су довољне да заштите кожу од бета зрачења.

Употреба изотопа водоника

Лаки водоник се користи у многим индустријама: у хемијској индустрији, где се користи за производњу амонијака, метанола, хлороводоничне киселине и других супстанци, у преради нафте и металургији, где је потребно да се добију ватростални метали из оксида. Користи се иу неким фазама производног циклуса (у производњи чврстих масти) у прехрамбеној и козметичкој индустрији. Водоник је једна од врста ракетног горива и користи се у лабораторијској пракси у науци и индустрији.

Деутериј је неопходан у нуклеарној енергији као одличан модератор неутрона. Користи се у овом капацитету, као и као расхладно средство у реакторима за тешку воду, омогућавајући употребу природног уранијума, што смањује трошкове обогаћивања. Он је, заједно са трицијем, компонента радне мешавине у термонуклеарном оружју.

Хемијска својства тешког водика омогућавају његово кориштење у производњи медицинских препарата како би се успорила њихова елиминација из тијела. И на крају, деутеријум (као тритиј) има изгледе за квалитет горива у термонуклеарној енергији.

Дакле, видимо да су сви изотопи водика некако “у послу” како у традиционалном тако иу високотехнолошком погледу, с обзиром на будућност грана технологије, технологије и научних истраживања.