Izotopi vodika: svojstva, karakterizacija i primjena

Svaki kemijski element ima različite prirodne ili umjetne izvore, koji se nazivaju izotopi. Razlika između njih leži u neujednačenom broju neutrona u jezgrama i stoga u atomskoj masi, kao iu stupnju stabilnosti. Što se tiče broja protona, on je isti, zbog čega element zapravo ostaje. U ovom se članku osvrćemo na izotope vodika - najlakši i najčešći element u svemiru. Moramo uzeti u obzir njihova svojstva, njihovu ulogu u prirodi i područje praktične primjene.

Koliko vrsta ima vodik?

Odgovor na ovo pitanje ovisi o tome koji su izotopi vodika.

Za ovaj element utvrđeni su tri prirodna izotopna oblika: protij - lagani vodik, teški deuterij i superteški tricij. Sve se nalaze u svom prirodnom obliku.

Osim njih, postoje četiri umjetno sintetizirana izotopa: quadium, pentium, hexium i septia. Ove vrste karakterizira ekstremna nestabilnost, vijek trajanja njihovih jezgri izražen je vrijednostima reda 10 ^-22 - 10 ^-23 sekunde.

Dakle, danas je iz vodika poznato sedam izotopnih vrsta. Pozornost ćemo usmjeriti na tri od njih od praktične važnosti.

Svjetlo vodik

Ovo je najjednostavniji atom. Izotopa vodika vodena s atomom mase 1.0078 a. E. m. Ima jezgru, koja se sastoji samo od jedne čestice - proton. Budući da je stabilan (teoretski, protonski vijek procjenjuje se na ne manji od 2,9 × 10 ²⁹ godina), protonski atom je također stabilan. Prilikom snimanja nuklearnih reakcija označava se kao ¹ H ₁ (indeks je atomski broj, odnosno broj protona, gornji je ukupan broj nukleona u jezgri), ponekad samo p - "proton".

Svjetlosni izotop je gotovo 99,99% ukupnog vodika; samo nešto više od stotinjak posto čine drugi oblici. Protium čini odlučujući doprinos prevalenciji vodika u prirodi: u svemiru kao cjelini, oko 75% mase barionske materije i oko 90% atoma; na Zemlji - 1% mase i čak 17% atoma svih elemenata koji čine naš planet. Općenito, protij (preciznije, proton kao jedna od glavnih sastavnica Svemira) može se sigurno nazvati najvažnijim elementom. Ona pruža mogućnost termonuklearne fuzije u dubinama zvijezda, uključujući i Sunce, i zbog toga se stvaraju drugi elementi. Osim toga, lagani vodik igra važnu ulogu u izgradnji i funkcioniranju živa tvar.

U molekularnom obliku, vodik ulazi u kemijske interakcije na visokim temperaturama, jer cijepanje njegove dovoljno jake molekule zahtijeva mnogo energije. Atomski vodik karakterizira vrlo visoka kemijska aktivnost.

deuterij

Teški izotop vodika ima složeniju jezgru koja se sastoji od protona i neutrona. Prema tome, atomska masa deuterija je dvostruko veća - 2,0141. Prihvaćena oznaka je ² H ₁ ili D. Ovaj izotopni oblik je također stabilan, jer se u procesima jake interakcije u jezgri proton i neutron stalno pretvaraju jedan u drugi, a drugi nema vremena za propadanje.

Na Zemlji, vodik sadrži od 0,011% do 0,016% deuterija. Njegova koncentracija varira ovisno o okolišu: u morskoj vodi je taj izotop veći, au sastavu, na primjer, prirodnog plina - znatno manje. Na drugim tijelima Sunčevog sustava, omjer deuterija i svjetlosnog vodika može biti različit: na primjer, led nekih kometa sadrži veću količinu teškog izotopa.

Deuterij se topi na 18,6 K (lagani vodik na 14 K) i vrije na 23,6 K (odgovarajuća točka procija je 20,3 K). Teški vodik općenito pokazuje ista kemijska svojstva kao i protu, tvoreći sve karakteristične tipove spojeva za taj element, ali neke značajke povezane s ozbiljnom razlikom u atomskoj masi su svojstvene njemu, jer je deuterij 2 puta teži. Treba napomenuti da su izotopni oblici vodika karakterizirani najvećim kemijskim razlikama među svim elementima. Općenito, niže stope reakcija (5-10 puta) karakteristične su za deuterij.

Uloga deuterija u prirodi

Jezgre teškog vodika sudjeluju u srednjim fazama termonuklearnog ciklusa. Sunce sja zahvaljujući tom procesu, na jednoj od faza u kojoj nastaje izotop vodika, deuterij, koji se stapa s protonom, što dovodi do stvaranja helija-3.

Voda, koja uključuje, osim protija, jedan atom deuterija, naziva se lagana te ima formulu HDO. U molekuli teške vode D20, deuterij u potpunosti zamjenjuje lagani vodik.

Teška voda karakteriziran sporim tijekom kemijskih reakcija, kao rezultat toga, u visokim koncentracijama štetan je za žive organizme, osobito one veće, kao što su sisavci, uključujući ljude. Ako voda sadrži četvrtinu vodika zamijenjenog deuterijem, njegova dugotrajna uporaba prepuna je razvoja neplodnosti, anemije i drugih bolesti. Kada zamijene 50% vodika, sisavci umiru nakon tjedan dana konzumiranja takve vode. Što se tiče kratkoročnog povećanja koncentracije teškog vodika u vodi, to je praktički bezopasno.

Kako dobiti teški vodik

Najpogodniji način dobivanja ovog izotopa u sastavu vode. Postoji nekoliko načina za obogaćivanje vode deuterijem:

• Ispravljanje je postupak odvajanja smjesa u sastojke koji vriju na različitim temperaturama. Odvajanje se postiže ponovljenim isparavanjem i kondenzacijom mješavine izotopa u tekućem vodiku ili vodi na posebnoj opremi - destilacijskim kolonama, u kojima plinovite i tekuće faze teče u suprotnim smjerovima.
• Elektrolitička separacija. Metoda se temelji na činjenici da elektroliza vode izotop svjetlosti se aktivnije odvaja od svojih molekula. Elektroliza se provodi u nekoliko faza.
• Izmjena ionskih izotopa, u kojoj postoji međusobna zamjena iona različitih izotopa u sastavu reagensa. Trenutno, ova metoda koja koristi vodu i sumporovodik kao reaktante je najučinkovitija i ekonomičnija.

tritijum

Izuzetno teški izotop vodika, u čijem središtu je proton i dva neutrona, ima atomsku masu od 3,016 - otprilike tri puta više od protona. Tritij je označen simbolom T ili 3H1. Topi se i vrije pri još višim temperaturama: 20,6 K i 25 K.

To je radioaktivni nestabilni izotop s poluživotom od 12,32 godine. Nastaje pri bombardiranju jezgre atmosferskih plinova, primjerice dušika, čestica kozmičkih zraka. Raspadanje izotopa događa se emisijom elektrona (tzv. Beta raspad), dok se jedan neutron u jezgri pretvara u proton, a kemijski element povećava atomski broj za jedan, postajući helij-3. U prirodi je tricij prisutan u tragovima - vrlo je mali.

Super-teški vodik nastaje u nuklearnim reaktorima s teškom vodom kada se deuterij uhvati sporim (toplinskim) neutronima. Dio je dostupan za ekstrakciju i služi kao izvor tricija. Osim toga, dobiva se kao produkt raspadanja litija kada se ozračuje toplinskim neutronima.

Tritij karakterizira niska energija raspadanja i predstavlja opasnost od zračenja samo kada uđe u tijelo zrakom ili hranom. Gumene rukavice su dovoljne za zaštitu kože od beta zračenja.

Upotreba izotopa vodika

Svjetlo vodik se koristi u mnogim industrijama: u kemijskoj industriji, gdje se koristi za proizvodnju amonijaka, metanola, klorovodične kiseline i drugih tvari, u preradi nafte i metalurgiji, gdje je potrebno za vraćanje vatrostalnih metala iz oksida. Također se koristi u nekim fazama proizvodnog ciklusa (u proizvodnji čvrstih masti) u prehrambenoj i kozmetičkoj industriji. Vodik je jedna od vrsta raketnog goriva i koristi se u laboratorijskoj praksi u znanosti i industriji.

Deuterij je neophodan u nuklearnoj energiji kao izvrstan moderator neutrona. Koristi se u tom svojstvu, kao i kao rashladno sredstvo u reaktorima teške vode, omogućujući korištenje prirodnog urana, što smanjuje troškove obogaćivanja. On je, zajedno s tricijem, sastavni dio radne mješavine u termonuklearnom oružju.

Kemijska svojstva teškog vodika omogućuju njegovo korištenje u proizvodnji medicinskih pripravaka kako bi se usporilo njihovo uklanjanje iz tijela. I na kraju, deuterij (kao tritij) ima izglede za kvalitetu goriva u termonuklearnoj energiji.

Dakle, vidimo da su svi izotopi vodika nekako “u poslu”, kako u tradicionalnom tako iu visokotehnološkom, s obzirom na budućnost grana tehnologije, tehnologije i znanstvenih istraživanja.