Izotopy vodíku: vlastnosti, charakterizace a aplikace

Každý chemický prvek má různé přírodní nebo umělé původy, tzv. Izotopy. Rozdíl mezi nimi spočívá v nerovnoměrném počtu neutronů v jádru, a proto v atomové hmotnosti, stejně jako ve stupni stability. Pokud jde o počet protonů, je to stejné, kvůli čemuž se prvek ve skutečnosti sám zůstává. V tomto článku se obracíme na izotopy vodíku - nejsvětlejší a nejběžnější prvek ve vesmíru. Musíme zvážit jejich vlastnosti, jejich roli v přírodě a oblast praktické aplikace.

Kolik druhů má vodík?

Odpověď na tuto otázku závisí na tom, jaké jsou izotopy vodíku.

Pro tento prvek byly vytvořeny tři přirozené izotopové formy: protiumylový vodík, těžký deuterium a superhusté tritium. Všechny se nacházejí v jejich přirozeném tvaru.

Kromě nich existují čtyři uměle syntetizované izotopy: quadium, pentium, hexium a septia. Tyto druhy jsou charakterizovány extrémní nestabilitou, doba jejich jádra je vyjádřena hodnotami řádově 10 - ²² - 10 - 23 sekund.

Takže všichni dnes je z vodíku známo sedm izotopů. Zaměříme pozornost na tři z nich, které mají praktický význam.

Lehký vodík

To je nejjednodušší atom. Izotop vodíku protium s atomovou hmotností 1,0078 a. E. m. Má jádro, které se skládá pouze z jedné částice - protónu. Vzhledem k tomu, že je stabilní (teoreticky se předpokládá, že životnost protonu je nejméně 2,9 × 10 ²⁹ let), je také protilátka stabilní. Při zaznamenávání jaderné reakce je označen jako ¹ H ₁ (index je atomové číslo, tj. Počet protonů, horní je celkový počet nukleonů v jádře), někdy jen p - "proton".

Izotop světla je téměř 99,99% veškerého vodíku; pouze o něco více než sto procent tvoří jiné formy. Protium je rozhodujícím přínosem pro výskyt vodíku v přírodě: ve vesmíru jako celku, asi 75% hmoty baryonické hmoty a asi 90% atomů; na Zemi - 1% hmoty a až 17% atomů všech prvků, které tvoří naši planetu. Obecně platí, že protium (konkrétněji proton jako jedna z hlavních složek Vesmíru) lze bezpečně nazvat nejdůležitějším prvkem. Poskytuje možnost termonukleární fúze v hloubkách hvězd, včetně Slunce, a díky tomu se vytvářejí další prvky. Navíc lehký vodík hraje důležitou roli při budování a fungování živá hmota.

V molekulární formě vodík vstupuje do chemických interakcí při vysokých teplotách, protože rozdělení jeho dostatečně silné molekuly vyžaduje hodně energie. Atomový vodík se vyznačuje velmi vysokou chemickou aktivitou.

Deuterium

Těžký izotop vodíku má složitější jádro složené z protonu a neutronu. Proto je atomová hmotnost deuteria dvojnásobná - 2,0141. Přijatým označením je ² H ₁ nebo D. Tato izotopová forma je také stabilní, neboť v procesech silné interakce v jádře se proton a neutron neustále přeměňují a druhý nemá dostatek času k rozkladu.

Na Zemi obsahuje vodík od 0,011% do 0,016% deuteria. Jeho koncentrace se liší v závislosti na životním prostředí: v mořské vodě tohoto izotopu je větší a ve složení například zemního plynu - podstatně méně. U jiných těles Sluneční soustavy může být poměr deuteria k lehkému vodíku různý: například led některých komet obsahuje větší množství těžkého izotopu.

Deuterium se roztaví při 18,6 K (lehký vodík při 14 K) a varí při 23,6 K (odpovídajícím bodům protium je 20,3 K). Těžký vodík má obecně stejné chemické vlastnosti jako protium, tvořící všechny charakteristické typy sloučenin pro tento prvek, avšak některé vlastnosti spojené se závažným rozdílem v atomové hmotě jsou neodmyslitelné, protože deuterium je dvakrát těžší. Je třeba poznamenat, že z tohoto důvodu jsou izotopové formy vodíku charakterizovány největšími chemickými rozdíly mezi všemi prvky. Obecně platí, že pro deuterium jsou charakteristické nižší rychlosti reakce (5-10 krát).

Úloha deuteria v přírodě

Jádra těžkého vodíku se účastní mezistupňů termonukleárního cyklu. Slunce svítí díky tomuto procesu, v jednom ze stupňů, kdy vznikl izotop vodíku, deuterium, spojující se s protonem, způsobuje vznik hélia-3.

Voda, která obsahuje kromě protiumenu jeden atom deuteria, se nazývá lehký těžký a má vzorec HDO. V molekule těžké vody D ₂ O deuterium zcela nahrazuje lehký vodík.

Těžká voda charakterizované pomalým průběhem chemických reakcí, což je ve vysokých koncentracích škodlivé pro živé organismy, zejména pro ty, které jsou vyšší, jako jsou savci, včetně lidí. Pokud voda obsahuje čtvrtinu vodíku nahrazeného deuteriem, jeho prodloužené používání je plné vývoje neplodnosti, anémie a dalších nemocí. Při výměně 50% vodíku zemřou savci po týdnu spotřebování takové vody. Pokud jde o krátkodobé zvýšení koncentrace těžkého vodíku ve vodě, je prakticky neškodné.

Jak získat těžký vodík

Nejvhodnější způsob získání tohoto izotopu ve složení vody. Existuje několik způsobů, jak obohatit vodu deuteriem:

• Rektifikace je proces oddělování směsí do složek vroucích při různých teplotách. Separace se dosahuje opakovaným odpařováním a kondenzací směsi izotopů v kapalném vodíku nebo ve vodě na speciální zařízení - destilační kolony, ve kterých plynné a kapalné fáze proudí v opačných směrech.
• Elektrolytická separace. Metoda vychází ze skutečnosti, že vodní elektrolýza lehký izotop je aktivnější odštěpený od molekul. Elektrolýza se provádí v několika fázích.
• Izotop výměny iontů, ve kterém dochází k vzájemné výměně iontů různých izotopů ve složení činidel. V současné době je tato metoda s použitím vody a sírovodíku jako reakčních složek nejúčinnější a ekonomičtější.

Tritium

Velmi těžký izotop vodíku, jehož jádro je proton a dva neutrony, má atomovou hmotnost 3,016 - přibližně třikrát vyšší než atomum. Tritium je označeno symbolem T nebo ³ H ₁ . Roztaje se a vaří při ještě vyšších teplotách: 20,6 K a 25 K.

Jedná se o radioaktivní nestabilní izotop s poločasem rozpadu 12,32 let. Vzniká při bombardování jader atmosférických plynů, například dusíku, částic kosmického záření. Rozpad izotopu nastává s emisí elektronu (takzvaný beta rozklad), zatímco jeden neutron v jádru prochází transformací na proton a chemický prvek zvyšuje atomové číslo o jedno, čímž se stává helium-3. V přírodě je přítomno tritium ve stopových množstvích - je to velmi malé množství.

V těžkých vodních jaderných reaktorech se vytváří velmi těžký vodík, když je deuterium zachyceno pomalými (termickými) neutrony. Některé z nich jsou k dispozici pro extrakci a slouží jako zdroj tritia. Navíc se získává jako produkt rozpadu lithia, když je ozařován tepelnými neutrony.

Tritium je charakterizováno nízkou energií rozpadu a představuje určité nebezpečí radiace pouze tehdy, když vstupuje do těla vzduchem nebo potravinami. Gumové rukavice jsou dostatečné k ochraně pokožky před beta zářením.

Použití izotopů vodíku

Lehký vodík se používá v mnoha průmyslových odvětvích: v chemickém průmyslu, kde se používá k výrobě čpavku, methanolu, kyseliny chlorovodíkové a dalších látek, při rafinaci ropy a metalurgii, kde je třeba regenerovat žáruvzdorné kovy z oxidů. Používá se také v některých fázích výrobního cyklu (při výrobě pevných tuků) v potravinářském a kosmetickém průmyslu. Vodík je jedním z typů raketového paliva a používá se v laboratorní praxi ve vědě a průmyslu.

Deuterium je nevyhnutelné v jaderné energii jako vynikající moderátor neutronů. Používá se v této kapacitě i jako chladicí kapalina v reaktorech s těžkou vodou, což umožňuje použití přírodního uranu, což snižuje náklady na obohacování. On spolu s tritiem je součástí pracovní směsi v termonukleárních zbraních.

Chemické vlastnosti těžkého vodíku umožňují jeho použití ve výrobě léčivých přípravků, aby zpomalily jejich eliminaci z těla. A konečně, deuterium (jako tritium) má vyhlídky na kvalitu paliva v termonukleární energii.

Takže vidíme, že všechny izotopy vodíku jsou nějakým způsobem "v podnikání" jak v tradičních, tak v high-tech technologiích, s ohledem na budoucnost odvětví technologií, technologií a vědeckého výzkumu.