Všechny prvky mají jako základní jednotku atomy a atom obsahuje tři základní částice, kterými jsou záporně nabité elektrony, kladně nabité protony a neutrony neutrálních částic. Počet protonů a neutronů přítomných v jádře se nazývá hmotnostní počet prvků a počet protonů se nazývá atomové číslo. Stejné prvky, jejichž atomy obsahují stejný počet protonů, ale různý počet neutronů, se nazývají izotopy. Příkladem je vodík, který má tři izotopy. Jedná se o vodík s nulovými neutrony, deuterium obsahující jeden neutron a tritium – obsahuje dva neutrony. Tento článek se zaměří na izotop vodíku zvaný deuterium, také známý jako těžký vodík.
Co je to deuterium?
Deuterium je izotop vodíku, který se od vodíku liší jedním neutronem. Vodík má obvykle pouze jeden proton, zatímco deuterium má jeden proton a jeden neutron. Je široce používán v reakcíchdivize.
Deuterium (chemická značka D nebo ²H) je stabilní izotop vodíku, který se v přírodě vyskytuje v extrémně malých množstvích. Jádro deuteria, nazývané deuteron, obsahuje jeden proton a jeden neutron, zatímco mnohem běžnější jádro vodíku obsahuje pouze jeden proton a žádné neutrony. Proto má každý atom deuteria hmotnost, která je asi dvakrát větší než hmotnost běžného atomu vodíku a deuterium se také nazývá těžký vodík. Voda, ve které jsou běžné atomy vodíku nahrazeny atomy deuteria, se nazývá těžká voda.
Klíčové funkce
Izotopová hmotnost deuteria - 2, 014102 jednotek. Deuterium má stabilní poločas rozpadu, protože je to stabilní izotop.
Přebytečná energie deuteria je 13 135,720 ± 0,001 keV. Vazebná energie pro jádro deuteria je 2224,52 ± 0,20 keV. Deuterium se spojuje s kyslíkem za vzniku D2O (2H2O), známého také jako těžká voda. Deuterium není radioaktivní izotop.
Deuterium není zdraví nebezpečné, ale může být použito k výrobě jaderných zbraní. Deuterium se nevyrábí uměle, protože se přirozeně vyskytuje ve vodě oceánu a může sloužit mnoha generacím lidí. Získává se z oceánu pomocí procesu odstřeďování.
Těžký vodík
Těžký vodík je název kteréhokoli z vyšších izotopů vodíku, jako je deuterium a tritium. Častěji se ale používá pro deuterium. Jeho atomová hmotnost jeasi 2 a jeho jádro obsahuje 1 proton a 1 neutron. Jeho hmotnost je tedy dvakrát větší než hmotnost normálního vodíku. Neutron navíc v deuteriu ho činí těžším než normální vodík, a proto se nazývá těžký vodík.
Těžký vodík objevil Harold Urey v roce 1931 – za tento objev byla v roce 1934 udělena Nobelova cena za chemii. Urey předpověděl rozdíl mezi tenzí par molekulárního vodíku (H2) a odpovídající molekuly s jedním atomem vodíku nahrazeným deuteriem (HD), a tím i možnost separace těchto látek destilací kapalného vodíku. Deuterium bylo nalezeno ve zbytku z destilace kapalného vodíku. V čisté podobě ji připravil G. N. Lewis pomocí metody elektrolytické koncentrace. Při elektrifikaci vody vzniká plynný vodík, který obsahuje malé množství deuteria, takže se deuterium koncentruje ve vodě. Když se množství vody sníží na asi sto tisícin původního objemu pokračující elektrolýzou, získá se téměř čistý oxid deuteria, známý jako těžká voda. Tato metoda přípravy těžké vody se používala během druhé světové války.
Etymologie a chemický symbol
Název „deuterium“pochází z řeckého slova deuteros, což znamená „druhý“. To znamená, že u atomového jádra sestávajícího ze dvou částic je deuterium druhým izotopem po obyčejném (nebo lehkém) vodíku.
Deuterium je často označováno jako chemikáliesymbol D. Jako izotop vodíku s hmotnostním číslem 2 je také reprezentován jako H. Vzorec pro deuterium je 2H. Mezinárodní unie čisté a aplikované chemie (IUPAC) povoluje jak D, tak H, ačkoli H je preferováno.
Jak získat deuterium z vody?
Tradiční metoda koncentrace deuteria ve vodě využívá výměnu izotopů v plynném sirovodíku, i když se vyvíjejí lepší metody. Separace různých izotopů vodíku může být také provedena pomocí plynové chromatografie a kryogenní destilace, které využívají rozdíly ve fyzikálních vlastnostech k oddělení izotopů.
Deuteriová voda
Deuteriová voda, známá také jako těžká voda, je podobná obyčejné vodě. Je tvořen kombinací deuteria a kyslíku a označuje se jako 2H2O. Deuteriová voda je viskóznější než běžná voda. Těžká voda je o 10,6 % hustší než obyčejná voda, takže led těžké vody v obyčejné vodě klesá. Pro některá zvířata je deuteriová voda toxická, jiní mohou přežít v těžké vodě, ale budou se v ní vyvíjet pomaleji než v normální vodě. Deuteriová voda není radioaktivní. Lidské tělo obsahuje asi 5 gramů deuteria a je neškodné. Pokud se těžká voda dostane do těla ve velkém množství (například asi 50 % vody v těle ztěžkne), může to vést k dysfunkci buněk a nakonec ke smrti.
Rozdíly v těžké vodě:
- Bod tuhnutí je 3,82°C.
- Teplotabod varu je 101,4 °C.
- Hustota těžké vody je 1,1056 g/ml (normální voda je 0,9982 g/ml).
- Ph těžké vody je 7,43 (normální voda je 6,9996).
- Mezi čistou vodou a těžkou vodou je nepatrný rozdíl v chuti a vůni.
Použití deuteria
Vědci vyvinuli mnoho způsobů použití deuteria a jeho sloučenin. Například deuterium je neradioaktivní izotopový indikátor pro studium chemických reakcí a metabolických drah. Kromě toho je užitečný pro studium makromolekul pomocí rozptylu neutronů. Deuterovaná rozpouštědla (jako je těžká voda) se běžně používají ve spektroskopii nukleární magnetické rezonance (NMR), protože tato rozpouštědla neovlivňují NMR spektra studovaných sloučenin. Deuterované sloučeniny jsou také užitečné pro femtosekundovou infračervenou spektroskopii. Deuterium je také palivo pro reakce jaderné fúze, které by se jednou mohlo použít k výrobě elektřiny v průmyslovém měřítku.
