Όλα τα στοιχεία έχουν άτομα ως βασική τους μονάδα και ένα άτομο περιέχει τρία θεμελιώδη σωματίδια, τα οποία είναι αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια, θετικά φορτισμένα πρωτόνια και νετρόνια ουδέτερων σωματιδίων. Ο αριθμός των πρωτονίων και των νετρονίων που υπάρχουν στον πυρήνα ονομάζεται μαζικός αριθμός στοιχείων και ο αριθμός των πρωτονίων ονομάζεται ατομικός αριθμός. Τα ίδια στοιχεία των οποίων τα άτομα περιέχουν τον ίδιο αριθμό πρωτονίων αλλά διαφορετικούς αριθμούς νετρονίων ονομάζονται ισότοπα. Ένα παράδειγμα είναι το υδρογόνο, το οποίο έχει τρία ισότοπα. Αυτό είναι υδρογόνο με μηδενικά νετρόνια, δευτέριο που περιέχει ένα νετρόνιο και τρίτιο - περιέχει δύο νετρόνια. Αυτό το άρθρο θα επικεντρωθεί σε ένα ισότοπο υδρογόνου που ονομάζεται δευτέριο, επίσης γνωστό ως βαρύ υδρογόνο.
Τι είναι το δευτέριο;
Το δευτέριο είναι ένα ισότοπο υδρογόνου που διαφέρει από το υδρογόνο κατά ένα νετρόνιο. Τυπικά, το υδρογόνο έχει μόνο ένα πρωτόνιο, ενώ το δευτέριο έχει ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο. Χρησιμοποιείται ευρέως σε αντιδράσειςδιαίρεση.
Το δευτέριο (χημικό σύμβολο D ή ²H) είναι ένα σταθερό ισότοπο υδρογόνου που βρίσκεται στη φύση σε εξαιρετικά μικρές ποσότητες. Ο πυρήνας του δευτερίου, που ονομάζεται δευτερόνιο, περιέχει ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο, ενώ ο πολύ πιο κοινός πυρήνας του υδρογόνου περιέχει μόνο ένα πρωτόνιο και κανένα νετρόνιο. Επομένως, κάθε άτομο δευτερίου έχει μάζα περίπου διπλάσια από αυτή ενός συνηθισμένου ατόμου υδρογόνου και το δευτερίου ονομάζεται επίσης βαρύ υδρογόνο. Το νερό στο οποίο τα συνηθισμένα άτομα υδρογόνου αντικαθίστανται από άτομα δευτερίου ονομάζεται βαρύ νερό.
Βασικά χαρακτηριστικά
Ισοτοπική μάζα δευτερίου - 2, 014102 μονάδες. Το δευτέριο έχει σταθερό χρόνο ημιζωής επειδή είναι σταθερό ισότοπο.
Η περίσσεια ενέργειας του δευτερίου είναι 13.135,720 ± 0,001 keV. Η ενέργεια δέσμευσης για τον πυρήνα του δευτερίου είναι 2224,52 ± 0,20 keV. Το δευτέριο ενώνεται με το οξυγόνο για να σχηματίσει το D2O (2H2O), γνωστό και ως βαρύ νερό. Το δευτέριο δεν είναι ραδιενεργό ισότοπο.
Το δευτέριο δεν είναι επικίνδυνο για την υγεία, αλλά μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία πυρηνικών όπλων. Το δευτέριο δεν παράγεται τεχνητά, καθώς είναι φυσικά άφθονο στο νερό των ωκεανών και μπορεί να εξυπηρετήσει πολλές γενιές ανθρώπων. Εξάγεται από τον ωκεανό χρησιμοποιώντας μια διαδικασία φυγοκέντρησης.
Βαρύ υδρογόνο
Βαρύ υδρογόνο είναι το όνομα οποιουδήποτε από τα υψηλότερα ισότοπα του υδρογόνου, όπως το δευτέριο και το τρίτιο. Αλλά πιο συχνά χρησιμοποιείται για το δευτέριο. Η ατομική του μάζα είναιπερίπου 2, και ο πυρήνας του περιέχει 1 πρωτόνιο και 1 νετρόνιο. Έτσι, η μάζα του είναι διπλάσια από το κανονικό υδρογόνο. Το επιπλέον νετρόνιο στο δευτέριο το καθιστά βαρύτερο από το κανονικό υδρογόνο, γι' αυτό και ονομάζεται βαρύ υδρογόνο.
Βαρύ υδρογόνο ανακαλύφθηκε από τον Harold Urey το 1931 - αυτή η ανακάλυψη τιμήθηκε με το Νόμπελ Χημείας το 1934. Ο Urey προέβλεψε τη διαφορά μεταξύ της τάσης ατμών του μοριακού υδρογόνου (H2) και του αντίστοιχου μορίου με ένα άτομο υδρογόνου να αντικατασταθεί από δευτέριο (HD), και επομένως τη δυνατότητα διαχωρισμού αυτών των ουσιών με απόσταξη υγρού υδρογόνου. Στο υπόλειμμα από την απόσταξη υγρού υδρογόνου βρέθηκε δευτέριο. Παρασκευάστηκε στην καθαρή του μορφή από τον Γ. Ν. Lewis χρησιμοποιώντας τη μέθοδο ηλεκτρολυτικής συγκέντρωσης. Όταν το νερό ηλεκτρίζεται, σχηματίζεται αέριο υδρογόνο, το οποίο περιέχει μικρή ποσότητα δευτέριου, οπότε το δευτέριο συγκεντρώνεται στο νερό. Όταν η ποσότητα του νερού μειωθεί στα περίπου εκατό χιλιοστά του αρχικού του όγκου με συνεχή ηλεκτρόλυση, παρέχεται σχεδόν καθαρό οξείδιο του δευτερίου, γνωστό ως βαρύ νερό. Αυτή η μέθοδος παρασκευής βαρέος νερού χρησιμοποιήθηκε κατά τον Β' Παγκόσμιο Πόλεμο.
Ετυμολογία και χημικό σύμβολο
Το όνομα "δευτέριο" προέρχεται από την ελληνική λέξη deuteros, που σημαίνει "δεύτερο". Αυτό δείχνει ότι με έναν ατομικό πυρήνα που αποτελείται από δύο σωματίδια, το δευτέριο είναι το δεύτερο ισότοπο μετά το συνηθισμένο (ή ελαφρύ) υδρογόνο.
Δευτέριο συχνά υποδηλώνεται με τη χημική ουσίασύμβολο Δ. Ως ισότοπο υδρογόνου με μαζικό αριθμό 2, αναπαρίσταται επίσης ως Η. Ο τύπος για το δευτέριο είναι 2Η. Η Διεθνής Ένωση Καθαρής και Εφαρμοσμένης Χημείας (IUPAC) επιτρέπει τόσο το D όσο και το H, αν και προτιμάται το H.
Πώς να πάρετε το δευτέριο από το νερό;
Η παραδοσιακή μέθοδος συμπύκνωσης του δευτερίου στο νερό χρησιμοποιεί ανταλλαγή ισοτόπων σε αέριο υδρόθειο, αν και αναπτύσσονται καλύτερες μέθοδοι. Ο διαχωρισμός διαφορετικών ισοτόπων υδρογόνου μπορεί επίσης να γίνει χρησιμοποιώντας αέρια χρωματογραφία και κρυογονική απόσταξη, που χρησιμοποιούν διαφορές στις φυσικές ιδιότητες για τον διαχωρισμό των ισοτόπων.
Νερό δευτερίου
Το νερό του δευτερίου, γνωστό και ως βαρύ νερό, είναι παρόμοιο με το συνηθισμένο νερό. Σχηματίζεται από έναν συνδυασμό δευτερίου και οξυγόνου και χαρακτηρίζεται ως 2H2O. Το νερό δευτερίου είναι πιο παχύρρευστο από το κανονικό νερό. Το βαρύ νερό είναι 10,6% πιο πυκνό από το συνηθισμένο νερό, έτσι ο πάγος του βαριού νερού βυθίζεται στο συνηθισμένο νερό. Για ορισμένα ζώα, το νερό με δευτερίου είναι τοξικό, ενώ άλλα μπορούν να επιβιώσουν σε βαρύ νερό, αλλά θα αναπτυχθούν πιο αργά σε αυτό από ότι στο κανονικό νερό. Το νερό δευτέριου δεν είναι ραδιενεργό. Το ανθρώπινο σώμα περιέχει περίπου 5 γραμμάρια δευτερίου και είναι ακίνδυνο. Εάν το βαρύ νερό εισέλθει στο σώμα σε μεγάλες ποσότητες (για παράδειγμα, περίπου το 50% του νερού στο σώμα γίνεται βαρύ), μπορεί να οδηγήσει σε δυσλειτουργία των κυττάρων και τελικά θάνατο.
Διαφορές στο βαρύ νερό:
- Το σημείο πήξης είναι 3,82°C.
- Θερμοκρασίατο σημείο βρασμού είναι 101,4 °C.
- Η πυκνότητα του βαρέος νερού είναι 1,1056 g/mL (το κανονικό νερό είναι 0,9982 g/mL).
- Το pH του βαρέος νερού είναι 7,43 (το κανονικό νερό είναι 6,9996).
- Υπάρχει μια μικρή διαφορά στη γεύση και την οσμή μεταξύ του απλού και του βαριού νερού.
Χρήση δευτερίου
Οι επιστήμονες έχουν αναπτύξει πολλές χρήσεις για το δευτέριο και τις ενώσεις του. Για παράδειγμα, το δευτέριο είναι ένας μη ραδιενεργός ιχνηθέτης ισοτόπων για τη μελέτη χημικών αντιδράσεων και μεταβολικών οδών. Επιπλέον, είναι χρήσιμο για τη μελέτη μακρομορίων χρησιμοποιώντας σκέδαση νετρονίων. Οι δευτεριωμένοι διαλύτες (όπως το βαρύ νερό) χρησιμοποιούνται συνήθως στη φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (NMR), επειδή αυτοί οι διαλύτες δεν επηρεάζουν τα φάσματα NMR των υπό μελέτη ενώσεων. Οι δευτεριωμένες ενώσεις είναι επίσης χρήσιμες για φασματοσκοπία υπερύθρου femtosecond. Το δευτέριο είναι επίσης ένα καύσιμο για αντιδράσεις πυρηνικής σύντηξης, το οποίο θα μπορούσε κάποια μέρα να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε βιομηχανική κλίμακα.
