Что является общим в строении изотопов водорода 2d дейтерий и 3т тритий?

25 октября 2021

Изотопы водорода — разновидности атомов (и ядер) химического элемента водорода, имеющие разное количество нейтронов в ядре. На данный момент известны 7 обычных изотопов водорода, а также один экзотический атом водород-4.1 (мюонный гелий, 4He-μ).

Наиболее распространённым изотопом водорода в природе является протий 1H (99,984 %). Другой изотоп водорода, дейтерий 2H (или D), несмотря на малую распространенность в природе (0,0156 %) играет чрезвычайно важную роль в химических исследованиях. Например, дейтерийсодержащие соединения используются в спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Особенно важны дейтерированные препараты (соединения с так называемыми дейтериевыми метками) при изучении реакций с участием атомов водорода.

Представление об изотопах

Количество нейтронов в ядре атома называется его изотопическим числом и обозначается N.

Если атом содержит одинаковое число протонов, т.е. обладает одинаковым зарядом, но разное количество нейтронов, то он будет иметь разную массу. Такие атомы называются изотопами.

N – изотопическое число

А – массовое число

Z – зарядовое число

A = N + Z

При обозначении изотопов рядом с символом химического элемента слева вверху пишется массовое число, а слева внизу – зарядовое число. 612С. Иногда можно встретить такую запись: углерод -12.

Некоторые изотопы имеют собственное название. Это характерно для изотопов водорода и радона. Изотоп водорода 1Н – протий, 2Н – дейтерий, 3Н – тритий.

Также можно встретить изотопы кислорода 16О,17О,18О, которые встречаются в природе.

Атом очень мал и масса его должна быть ничтожна. В 1961 году  на международном съезде теоретической и прикладной химии физики и химики приняли решение, что массу атома будут измерять не в кг или г, а в единицах, получивших название атомная единица массы (а.е.м.).

История открытия изотопов водорода

В 1931—1932 годах американский физикохимик Гарольд Юри и его коллеги сумели выделить из обыкновенного, всем известного водорода необычную фракцию. Водород из этой фракции имел большие атомный вес и плотность, давал в эмиссионном спектре ранее незнакомые линии, напоминающие классические линии спектра водорода, но в то же время немного смещённые. Это означало, что в природном водороде присутствуют атомы нескольких сортов, отличные по своим свойствам. Так был открыт первый из тяжёлых изотопов водорода — дейтерий. Вскоре в чистом виде была получена «тяжёлая вода» — оксид дейтерия. Она имела на 10% бóльшую плотность, более высокие температуры плавления и кипения, чем вода обычная, сложнее разлагалась электрическим током, что вскоре легло в основу одного из первых способов её получения. Длительный, многоступенчатый электролиз воды позволял сконцентрировать дейтерий и очистить его от лёгкого изотопа водорода.

Другой тяжёлый изотоп, тритий, открыли двумя годами позже в Кембриджском университете физики Эрнест Резерфорд, Марк Олифант и физикохимик Пауль Хартек при бомбардировке ядрами дейтерия мишеней из дейтерийсодержащих соединений. При этом исследователи впервые столкнулись с ядерным синтезом — искусственным превращением одних ядер в другие. Как оказалось, третий изотоп водорода сильно радиоактивен (период полураспада 12,32 года) и поэтому не может накапливаться в природе в сколько-нибудь значимых количествах.

За открытие дейтерия Г. Юри в 1934 году был награждён Нобелевской премией по химии.

Поначалу дейтерий производили электролитическим методом, что требовало больших затрат электроэнергии и обходилось недёшево. А реакторная наработка весовых количеств трития даже по самым скромным подсчётам должна была стоить баснословных денег. Кто бы мог тогда подумать, что через два десятка лет после их открытия в нескольких государствах мира будут работать крупномасштабные производства и дейтерия и трития! Причина такой популярности тяжёлых изотопов водорода заключалась в том, что они стали основой самого мощного из всех существовавших когда-либо видов оружия. Это оружие получило название термоядерного или водородного.

Свойства изотопов водорода

Известно несколько изотопов водорода: дейтерий (2H) с одним протоном и одним нейтроном в ядре, тритий (3H) с одним протоном и двумя нейтронами в ядре и очень неустойчивые тяжелые изотопы 4H, 5H, 6H и 7H. Ядра протия и дейтерия стабильны, а ядра трития подвергаются бета-распаду:

3H1 = 3He2 + ê (T1/2 = 12,33 г.)

Предполагают, что эта реакция является главным источником изотопа гелия-3 в атмосфере.

Время жизни атомов остальных изотопов составляет ничтожные доли секунды.

Таблица изотопов водорода:

Символ Название Массовая доля в природной смеси в % Тпл. (°C) Ткип. (°C) Период полураспада Тип и энергия распада
1H Протий 99,9849 -259,2 -252,6
2D (2H) Дейтерий 0,0139 -254,5 -249,5
3T (3H) Тритий 0,0012 -252,2 -248,1 12,33 года ß, 18,591 кэВ
4H 1,39·10-22 с -n, 23,48 МэВ
5H 9,1·10-22 с -nn, 21,51 МэВ
6H 2,90·10-22 с -3n, 24,27 МэВ
7H 2,3·10-23 с -nn, 23,03 МэВ

Содержание изотопов водорода в природе

Массовая доля (в %) в природной смеси:

1H – 99,9849   2H – 0,0139   3H – 0,0012

Количественные соотношения между изотопами водорода H : D : T могут быть представлены как 1 : 1,46·10-5 : 4,0·10-15

Нормальный изотопный состав природных соединений водорода соответствует отношению D : H=1 : 6800

Содержание трития в атмосферном водороде составляет 4·10-15 % (мольные доли) и в атмосферных осадках ~3·10-18 % (мольные доли). Очевидно, он образуется в результате ядерных реакций, вызванных действием космических лучей.

Получение изотопов водорода: дейтерий и тритий

Атом водорода – самый простой из всех атомов. Его ядро состоит из единственного протона. Этот (самый распространенный) изотоп водорода называют также протием, чтобы отличить от дейтерия – другого изотопа водорода, в ядре которого 1 протон и 1 нейтрон. Дейтерий находится в природе в очень небольшом количестве. Тем не менее, его научились выделять для нужд ядерной энергетики. Дейтерий – один из немногих изотопов в химии, имеющий свой собственный символ D. Наиболее известным химическим соединением, в которое входит дейтерий, является “тяжелая вода” D2O.

В ядерных реакциях образуется еще один изотоп водорода – тритий, в ядре которого 1 протон и 2 нейтрона. Тритий (химический символ T) радиоактивен и в природе не встречается.

Таким образом, известны 3 изотопа водорода: 11H (или просто H), 21H (или D), 31H (или T).

Дейтерий

Впервые был получен в значительных количествах в виде тяжелой воды D2O путем электролиза природной воды. При электролизе воды разряд H+ происходит значительно быстрее, чем D+, поэтому в остатке после разложения электролизом большого количества воды накапливается D2O. Этот использовался большую часть XX века.

В настоящее время дейтерий получают ректификацией жидкого водорода и пот так называемому двухтемпературному сероводородному методу, в основе которого лежит реакция изотопного обмена:

HDS + H2O = HDO + H2S

Константа равновесия которой при 30 и 120 °C равна соответственно 2,31 и 1,86.

Тритий

Тритий синтезируют, действуя на 6Li3 нейтронами, получаемыми в ядерном реакторе:

6Li3 + 1n0 = 4He2 + 3H1

Для водорода, как ни для какого другого элемента, относительное различие изотопных масс достигает значительной величины. Поэтому, несмотря на одинаковую электронную структуру, все изотопы заметно различаются не только физическими, но и химическими свойствами. Вследствие резкого преобладания протия влияние тяжелых изотопов сказывается незначительно и может быть зафиксировано лишь в очень точных экспериментах. Поэтому можно считать, что свойства природного водорода соответствуют свойствам чистого протия.

Небольшие различия свойств, называемые изотопным эффектом, обусловлены различием масс изотопных атомов, которое в первую очередь сказывается на частоте колебаний атомов в молекулах и твердых телах. Так, колебательная энергия молекул T2 и D2 меньше, чем H2. А это, в свою очередь, сказывается на термодинамических свойствах: теплоемкости, температуре плавления и кипения, энтальпии плавления и испарения, давлении насыщенного пара и т.д. Так, D2 по сравнению с обычным водородом обладает меньшей теплоемкостью, теплопроводностью и скоростью диффузии. Таким образом, для изотопных соединений характерна термодинамическая неравноценность, а, следовательно, неравноценность активных комплексов при химических реакциях, в результате чего имеет место различие в скоростях протекания реакций, т.е. наблюдается кинетический изотопный эффект. Он выражается отношением констант скоростей химических реакций для различных изотопных соединений. Например, отношение констант скоростей синтеза HBr и DBr равно 5. Такие значительные отличия физических и химических свойств изотопов одного и того же элемента уникальны и не имеют аналогов в периодической системе. Все это в какой-то мере оправдывает применение для каждого изотопа водорода собственного названия (особенно для протия и дейтерия).

Eдис(H2) = 436 кДж/моль dH-H = 0,07414 нм
Eдис(D2) = 439,56 кДж/моль dD-D = 0,07417 нм

 

пл(D2O) = 3,82 °C кип(D2O) = 101,42 °C ρ = 1,1050 г/см3 (20 °C)

Заметно с H2O различаются также энтальпия растворения солей, константы диссоциации кислот и другие характеристики растворов. Реакции в D2O идут медленнее, поэтому она является биологическим ядом.

 

Источники:

  • https://himgdz.ru/vodorod/izotopi-vodoroda
  • https://www.nkj.ru/archive/articles/34235
  • https://interneturok.ru/lesson/chemistry/9-klass/bperiodicheskij-zakon-i-periodichskaya-sistema-himicheskih-elementov-di-mendeleevab/sostav-atomnyh-yader-izotopy-2
  • https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%98%D0%B7%D0%BE%D1%82%D0%BE%D0%BF%D1%8B_%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D0%BE%D1%80%D0%BE%D0%B4%D0%B0
  • https://znanija.com/task/31402994
Оцените статью:
[Всего голосов: 0    Средний: 0/5]