Ізотопи водню: властивості, характеристика і застосування

Ізотопи водню: властивості, характеристика і застосування

Будь-який хімічний елемент має різновиди природного або штучного походження, звані ізотопами. Різниця між ними полягає в неоднаковій кількості нейтронів в ядрах і, отже, в атомній вазі, а також у ступені стабільності. Що стосується кількості протонів, то вона однакова, завдяки чому елемент, власне, і залишається самим собою. У цій статті ми звернемося до ізотопів водню - найлегшого і найпоширенішого елемента у Всесвіті. Нам належить розглянути їх властивості, роль в природі і область практичного застосування.

Скільки різновидів має водень

Відповідь на це питання залежить від того, які ізотопи водню маються на увазі.

Для цього елемента встановлено три природних ізотопних форми: протий - легкий водень, важкий дейтерій і надважкий тритій. Всі вони виявлені в природному вигляді.

Крім них, існують чотири штучно синтезовані ізотопи: квадій, пентій, гексій і септій. Характеризуються дані різновиду надзвичайною нестабільністю, час життя їх ядер виражається величинами близько 10-22 - 10-23 секунд.

Таким чином, всього на сьогоднішній день у водню відомо сім ізотопних різновидів. На трьох з них, які мають практичне значення, ми і зосередимо свою увагу.

Легкий водень

Це найбільш просто влаштований атом. Ізотоп водню протий з атомною масою 1,0078 а. тобто м. володіє ядром, до складу якого входить тільки одна частинка - протон. Оскільки він стабільний (теоретично час життя протона оцінюється не менш ніж у 2,9 чотирьох 1029 років), то стабільний і атом проття. При записі ядерних реакцій він позначається як 1H1 (нижній індекс - це атомний номер, тобто число протонів, верхній - загальне число нуклонів в ядрі), іноді просто p - "протон".

Легкий ізотоп - це майже 99,99% всього водню; лише трохи більше однієї сотої відсотка припадає на інші форми. Саме протий робить вирішальний внесок у поширеність водню в природі: у Всесвіті в цілому - близько 75% маси баріонної речовини і приблизно 90% атомів; на Землі - 1% маси і цілих 17% атомів всіх елементів, що входять до складу нашої планети. Взагалі, протій (точніше сказати, протон як один з головних компонентів Всесвіту) сміливо можна назвати найважливішим елементом. Він забезпечує можливість термоядерного синтезу в надрах зірок, в тому числі і Сонця, і за рахунок нього утворюються інші елементи. Крім того, легкий водень відіграє важливу роль у побудові та функціонуванні живої речовини.

У молекулярній формі водень вступає в хімічні взаємодії при високих температурах, оскільки для розщеплення його досить міцної молекули потрібно багато енергії. Атомний водень характеризується дуже високою хімічною активністю.

Дейтерій

Важкий ізотоп водню має більш складно влаштоване ядро, що складається з протона і нейтрона. Відповідно атомна маса дейтерію вдвічі більша - 2,0141. Прийняте позначення - 2H1 або D. Ця ізотопна форма також стабільна, оскільки в процесах сильної взаємодії в ядрі протон і нейтрон постійно перетворюються один в одного, і останній не встигає зазнати розпаду.

На Землі водень містить від 0,011% до 0,016% дейтерію. Концентрація його різна залежно від середовища: в морській воді цього ізотопу більше, а в складі, наприклад, природного газу - істотно менше. На інших тілах Сонячної системи ставлення дейтерія до легкого водню може бути іншим: так, лід деяких комет містить більшу кількість важкого ізотопу.

Дейтерій плавиться при 18,6 К (легкий водень - при 14 К), а кипить при 23,6 К (відповідна точка протия - 20,3 К). Важкий водень виявляє, загалом, ті ж хімічні властивості, що і протий, утворюючи всі характерні для цього елемента типи сполук, проте йому притаманні і деякі особливості, пов 'язані з серйозною різницею в атомній масі - адже дейтерій важче в 2 рази. Слід зауважити, що з цієї причини ізотопним формам водню властиві найбільші хімічні відмінності з усіх елементів. Загалом для дейтерію характерні нижчі (у 5 - 10 разів) швидкості протікання реакцій.

Роль дейтерія в природі

Ядра важкого водню беруть участь у проміжних стадіях термоядерного циклу. Сонце світить завдяки цьому процесу, на одному з етапів якого утворюється ізотоп водню дейтерій, зливаючись з протоном, народжує гелій-3.

Вода, до складу якої входить, крім протия, один атом дейтерія, називається напівважкою і має формулу HDO. У молекулі важкої води D2O дейтерій повністю замінює легкий водень.

Важка вода характеризується уповільненим перебігом хімічних реакцій, внаслідок чого у великих концентраціях вона шкідлива для живих організмів, особливо вищих, таких як ссавці і в тому числі людина. Якщо у складі води чверть водню заміщена дейтерієм, тривале вживання її загрожує розвитком безпліддя, анемії та інших захворювань. При заміщенні 50% водню ссавці гинуть через тиждень вживання такої води. Що стосується короткочасних підвищень концентрації важкого водню у воді, вона практично нешкідлива.

Як отримують важкий водень

Найзручніше отримувати цей ізотоп у складі води. Є кілька способів збагачення води дейтерієм:

  • Ректифікація - процес поділу сумішей на компоненти, що киплять при різній температурі. Поділ досягається через багаторазове випаровування та конденсацію суміші ізотопів у рідкому водні або воді на спеціальному обладнанні - ректифікаційних колонах, в яких потоки газоподібної та рідкої фаз йдуть у зустрічних напрямках.
  • Електролітичний поділ. Метод заснований на тому, що при електролізі води від її молекул більш активно відщеплюється легкий ізотоп. Електроліз проводять у кілька етапів.
  • Іонний ізотопний обмін, при якому відбувається взаємне заміщення іонів різних ізотопів у складі реагентів. В даний час цей спосіб з використанням води і сірководню в якості реагуючих компонентів є найбільш ефективним і економічним.

Тритій

Надважкий ізотоп водню, в ядрі якого наявні протон і два нейтрони, має атомну масу 3,016 - приблизно втричі більше, ніж у протия. Тритій позначається символом Т або 3H1. Він плавиться і кипить при ще більш високих температурах: 20,6 К і 25 К відповідно.

Це радіоактивний нестабільний ізотоп з періодом напіврозпаду 12,32 року. Утворюється він при бомбардуванні ядер атмосферних газів, наприклад, азоту, частинками космічних променів. Розпад ізотопу відбувається з випусканням електрону (так званий бета-розпад), при цьому один нейтрон в ядрі зазнає перетворення на протон, а хімічний елемент підвищує атомний номер на одиницю, стаючи гелієм-3. У природі тритій присутній в слідових кількостях - його дуже мало.

Надважкий водень утворюється у важководних ядерних реакторах при захопленні дейтерієм повільних (теплових) нейтронів. Частина його доступна для вилучення і служить джерелом тритію. Крім того, його отримують як продукт розпаду літію при опроміненні останнього тепловими нейтронами.

Тритій характеризується малою енергією розпаду і становить деяку радіаційну небезпеку тільки у випадках, коли потрапляє всередину організму з повітрям або їжею. Для захисту шкірних покривів від бета-випромінювання достатньо гумових рукавичок.

Застосування ізотопів водню

Легкий водень використовується у безлічі галузей: в хімічній промисловості, де з його допомогою ведеться виробництво аміаку, метанолу, соляної кислоти та інших речовин, в нафтопереробці і металургії, де він необхідний для відновлення тугоплавких металів з оксидів. Також він застосовується на деяких стадіях виробничого циклу (у виробництві твердих жирів) у харчовій і косметичній промисловості. Водень служить одним з видів ракетного палива і використовується в лабораторній практиці в науці і на виробництві.

Дейтерій незамінний в ядерній енергетиці як прекрасний уповільнювач нейтронів. Він застосовується в цій якості, а також як теплоносій у важководних реакторах, що дозволяють використовувати природний уран, що знижує витрати на збагачення. Він також, поряд з триттям, є компонентом робочої суміші в термоядерній зброї.

Хімічні властивості важкого водню дозволяють використовувати його у виробництві медичних препаратів з метою уповільнення виведення їх з організму. І, нарешті, дейтерій (як і тритій) має перспективи в якості палива в термоядерній енергетиці.

Отже, ми бачимо, що всі ізотопи водню так чи інакше "знаходяться при ділі" як в традиційних, так і у високотехнологічних, що мають приціл на майбутнє галузях техніки, технології та наукових досліджень.