Ізотопи водню: властивості, характеристика та застосування

Будь-який хімічний елемент має різновиди природного чи штучного походження, які називаються ізотопами. Відмінність між ними полягає в неоднаковій кількості нейтронів в ядрах і, отже, в атомній вазі, а також у ступеня стабільності. Що ж до кількості протонів, воно однаково, завдяки чому елемент, власне, і залишається самим собою. У цій статті ми звернемося до ізотопів водню – найлегшого та найпоширенішого елемента у Всесвіті. Нам належить розглянути їх властивості, що у природі і область практичного застосування.

Скільки різновидів має водень

Відповідь це питання залежить від цього, які ізотопи водню мають на увазі. Для цього елемента встановлено три природні ізотопні форми: протий – легкий водень, важкий дейтерій та надважкий тритій. Усі вони виявлені у природному вигляді.

Крім них, існують чотири штучно синтезовані ізотопи: квадій, пентій, гексій і септій. Характеризуються дані різновиду надзвичайною нестабільністю, час їх ядер виражається величинами порядку 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 зосередимо свою увагу.

Легкий водень

Це найпростіше влаштований атом. Ізотоп водню протий з атомною масою 1,0078 а. е. м. володіє ядром, до складу якого входить тільки одна частка - протон. Оскільки він стабільний (теоретично час життя протона оцінюється щонайменше ніж 2,9×1029 років), то стабільний і атом протия.При записі ядерних реакцій він позначається як 1H1 (нижній індекс – це атомний номер, тобто число протонів, верхній – загальна кількість нуклонів у ядрі), іноді просто p – «протон». Легкий ізотоп - це майже 99,99% водню; Тільки трохи більше однієї сотої відсотка посідає 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; Землі – 1 % маси і 17 % атомів всіх елементів, які входять до складу нашої планети. Взагалі, протий (точніше сказати, протон як один із головних компонентів Всесвіту) сміливо можна назвати найважливішим елементом. Він забезпечує можливість термоядерного синтезу в надрах зірок, у тому числі 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 у хімічні взаємодії за високих температур, оскільки для розщеплення його досить міцної молекули потрібно багато енергії. Атомарний водень має дуже високу хімічну активність.

Дейтерій

Тяжкий ізотоп водню має складніше 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, так як у процесах сильної взаємодії в ядрі протон і нейтрон постійно перетворюються один на одного, і останній не встигає розпаду. На Землі водень містить від 0,011 до 0,016% дейтерію. Концентрація його різна залежно від середовища: у морській воді цього ізотопу більше, а у складі, наприклад, природного газу – значно менше.На інших тілах Сонячної системи ставлення дейтерію до легкого водню може бути іншим: так, лід деяких комет містить більшу кількість важкого ізотопу. Дейтерій плавиться при 18,6 До (легкий водень – при 14 До), а кипить при 23,6 До (відповідна точка протию – 20,3 До). Важкий водень виявляє, загалом, самі хімічні властивості, як і протий, утворюючи всі характерні цього елемента типи сполук, проте йому притаманні деякі особливості, пов'язані з серйозною різницею в атомній масі – адже дейтерій важче вдвічі. Слід зазначити, що з цієї причини ізотопним формам водню властиві найбільші хімічні відмінності із всіх елементів. У цілому нині для дейтерію характерні нижчі (в 5 – 10 разів) швидкості перебігу реакцій.

Роль дейтерію у природі

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

Вода, до складу якої входить, крім протию, один атом дейтерію, називається напівважкою і має формулу HDO. У молекулі важкої води D2O дейтерій повністю замінює легкий водень. Тяжка 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 за тиждень вживання такої води. Що стосується короткочасних підвищення концентрації важкого водню у воді, вона практично нешкідлива.

Як отримують важкий водень

• Ректифікація - процес поділу сумішей на компоненти, що киплять при різній температурі.
• Електролітичне поділ Метод заснований на тому, що при електролізі води від її молекул більш активно відщеплюється легкий ізотоп.
• Іонний ізотопний обмін, при якому відбувається взаємне заміщення іонів різних ізотопів у складі реагентів.

Тритій

Надважкий ізотоп водню, в ядрі якого є протон і два нейтрона, має атомну масу 3,016 - приблизно втричі більше, ніж у протию Тритій позначається символом Т або 3H1. відповідно.

Це радіоактивний нестабільний ізотоп з періодом напіврозпаду 12,32 року. Утворюється він при бомбардуванні ядер атмосферних газів, наприклад, азоту, частинками космічних променів. у протон, а хімічний елемент підвищує атомний номер на одиницю, стаючи гелієм-3.

Надважкий водень утворюється у важководних ядерних реакторах при захопленні дейтерієм повільних (теплових) нейтронів.Крім того, його одержують 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 в багатьох галузях: у хімічній промисловості, де з його допомогою ведеться виробництво аміаку, метанолу, соляної кислоти та інших речовин, у нафтопереробці та металургії, де він необхідний для відновлення тугоплавких металів з оксидів. Також він застосовується на деяких стадіях виробничого циклу. (у виробництві твердих жирів) у харчовій та косметичній промисловості Водень є одним з видів. ракетного палива та використовується в лабораторній практиці в науці та на виробництві.

Дейтерій незамінний в ядерній енергетиці як прекрасний сповільнювач нейтронів.

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

Отже, бачимо, що це ізотопи водню так чи інакше «знаходяться при справі» як і традиційних, і у високотехнологічних, мають приціл у майбутнє галузях техніки, технології та наукових досліджень про.

Ізотопи водню

Ізотопи водню - Різновиди атомів (і ядер) хімічного елемента водню, що мають різну кількість нейтронів в ядрі. На даний момент відомі 7 ізотопів водню.

Протий 1H - найпоширеніший ізотоп у природі (99,984%). Інший ізотоп водню дейтерій 2Н (або D), незважаючи на малу поширеність у природі (0,0156%), відіграє надзвичайно важливу роль у хімічному дослідженні. Наприклад, сполуки, що містять дейтерій, використовуються в спектроскопії ядерного магнітного резонансу (ЯМР). Особливо важливі дейтеровані препарати (з'єднання з так званими дейтерієвими мітками) щодо реакцій за участю атомів водню.

Пов'язані поняття

Ізотопи берилію - різновиди хімічного елемента берилію, що мають різний вміст нейтронів в ядрі. Відомі 12 ізотопів берилію.

Поширеність хімічних елементів, міра того, як поширені або рідкісні елементи в порівнянні з іншими елементами в даному середовищі.

Кластерна радіоактивність, кластерний розпад - явище мимовільного випромінювання ядрами ядерних фрагментів (кластерів) важче, ніж α-частка.

Ізотопи фтору - різновиди хімічного елемента фтору, що мають різну кількість нейтронів в ядрі.

Ізомерний перехід (гамма-розпад) - радіоактивний розпад атомного ядра, що походить з збудженого метастабільного стану з випромінюванням одного або декількох гамма-квантів.

Згадки у літературі

Атоми, що мають ядра з однаковим числом протонів, але розрізняються за кількістю нейтронів, є різновидами того самого хімічного елемента і називаються його ізотопами. На рис. 3 представлені ізотопи водню.

Пов'язані поняття (продовження)

Антигелій - антиречовина, аналогічна гелію, із заміною всіх елементарних частинок на античастинки. Іншими словами, атом антигелію містить у своєму ядрі два антипротони, його ядро ​​має зарядове число Z = −2. Оскільки існує два стабільні ізотопи звичайного гелію, що відрізняються кількістю нейтронів (гелій-3 і гелій-4), то повинні існувати два стабільні ізотопи антигелію, що відрізняються кількістю антинейтронів: антигелій-3 (3He, містить один антинейтрон і два антипротони) і антигелій-4 (4He, містить.

Спектр нейтронів - функція, що описує розподіл нейтронів по енергії. У реакторній техніці та ядерній фізиці виділяють кілька областей спектра енергії нейтронів.

Суперактиноїди (суперактініди, англ. Superactinide) - гіпотетично можливі хімічні елементи з атомними номерами 121 (унбіуній) - 157 (унпентсептій), у яких повністю заповнена 5g-оболонка. Група суперактиноїдів слідує після надважких трансактиноїдних елементів і розташовується нижче групи лантаноїдів та актиноїдів у розширеній періодичній таблиці елементів. Теоретичне припущення існування таких елементів було згадано Г. Т. Сиборгом. Теорії Острови стабільності тощо.

Одноатомний газ — це газ, у якому атоми не утворюють хімічних зв'язків друг з одним. Атоми одноатомних газів іноді називають одноатомними молекулами.

Антинейтрон - античастка по відношенню до нейтрону. Як і нейтрон, антинейтрон має нульовий електричний заряд. Маса антинейтрону дорівнює масі нейтрону, а магнітні моменти їх однакові за величиною, але протилежні за знаком.

Орбіталь — у багатоелектронній системі — математична функція, що не залежить від спина, що описує рух електрона і використовується в побудові повної електронної хвильової функції атома або молекули.

Ультрафіолетова (електронна) спектроскопія - розділ оптичної спектроскопії, який включає отримання, дослідження та застосування спектрів випромінювання, поглинання та відображення в ультрафіолетовій області.

Мюоній — водородоподібний екзотичний атом, як ядро ​​якого виступає позитивний мюон μ+. Електронна хмара мюонія складається з одного електрона. може розглядатися як його надлегкий ізотоп; однак, час життя цього атома дуже мало (мюон нестабільний і розпадається в середньому за 2,2 мкс).

Характеристичне рентгенівське випромінювання (англ. Characteristic X-rays) — випромінювання, що виникає при переході електрона із зовнішньої оболонки на вакансію, що є на нижньому рівні атома. Сукупність можливих переходів створює набір, характерний для кожного елемента. року, який згодом отримав за це відкриття Нобелівську премію з фізики у 1917 році.

Горіння кремнію - послідовність термоядерних реакцій, що протікає в надрах масивних зірок (мінімум 8-11 сонячних мас), в ході якої відбувається перетворення ядер кремнію на ядра більш важких елементів.Для даного процесу необхідна наявність високої температури (2,7—3,5⋅109 K, що відповідає кінетичній енергії 230—300 кэВ) та щільності (105—106 г/см³). вуглецю, неону та кисню;

Ковалентний радіус в хімії — це половина відстані між ядрами атомів даного елемента, що утворюють ковалентний зв'язок. галогенів ковалентний радіус дорівнює половині довжини зв'язку в молекулі X2, для сірки та селену — половині довжини зв'язку в молекулі X8, а для вуглецю та кремнію.

Поляризація хімічного зв'язку - асиметрія (зміщення) електронної густини, що зв'язує молекулярної орбіталі ковалентного зв'язку.

Нейтроній або рідше Нейтроніум (англ. Neutronium) - термін для позначення особливої ​​речовини, що складається переважно з нейтронів.

Одноелектронний хімічний зв'язок — це найпростіший хімічний зв'язок, що зумовлює існування молекулярних сполук за допомогою кулонівського утримання двох атомних ядер одним електроном. а також суттєвий перерозподіл електронної щільності в галузі одноелектронної хімічної зв'язку.

Ферміонний конденсат – шостий стан речовини (після таких станів як тверде тіло, рідина, газ, плазма та конденсат Бозе-Ейнштейна).

Миттєві нейтрони - це нейтрони, що випускаються осколками поділу практично миттєво після поділу складового ядра, на відміну від нейтронів, що запізнюються, що випускаються продуктами поділу через деякий час після цього. Випускання нейтронів уламками розподілу - одна з найважливіших особливостей процесу розподілу важких ядер. Саме вона дозволяє створити за певних умов ланцюгову реакцію поділу. Кількість нейтронів, що випускаються в одному акті поділу - випадкова величина, розподілена приблизно.

Молекулярний кристал - кристал, утворений із молекул. Молекули пов'язані між собою слабкими ван-дер-ваальсовими силами, всередині молекул між атомами діє більш міцний ковалентний зв'язок.

Хімічно індукована динамічна поляризація ядер (ХІДПЯ) - нерівноважна заселеність ядерних магнітних рівнів, що виникає в термічних або фотохімічних радикальних реакціях і детектується спектроскопією ЯМР у вигляді посилених сигналів поглинання або випромінювання. Ядерна намагніченість, яка детектується в продуктах реакцій, може перевищувати рівноважну в кілька сотень разів. Аналогічні явища виявлено також у спектрах ЕПР. Вони є ознакою нерівноважної поляризації електронів, спричиненої.

Лазерні матеріали - речовини, які використовуються в лазерах як активні середовища. Лазерні матеріали багато чому визначають характеристики лазера: насамперед, довжину хвилі його випромінювання і потужність, і навіть тривалість імпульсу (для імпульсних лазерів).

Електронна поляризованість - це зміщення електронної щільності в атомах, молекулах, іонах щодо атомних ядер частинок під дією зовнішнього електричного поля напруженістю E. Зміщення електронної щільності призводить до утворення наведеного електричного дипольного моменту μ, який дорівнює добутку величини позитивного заряду q на відстань між зарядами спрямований від негативного заряду до позитивного μ=qL.

Коефіцієнт поглинання — частка поглинання об'єктом іншого об'єкта, що взаємодіє з ним. Об'єктом, що взаємодіє, може бути електромагнітне випромінювання, енергія звукових хвиль, іонізуюче або проникаюче випромінювання, речовина (наприклад, газоподібний водень).

Іонізація полем (також польова іонізація або автоіонізація) - процес іонізації атома, молекули або іона у зовнішньому електричному полі.

Унбіквадій (лат. Unbiquadium, Ubq) – тимчасова, систематична назва гіпотетичного хімічного елемента в Періодичній системі Д. І. Менделєєва з тимчасовим позначенням Ubq та атомним номером 124.

Метод енергодисперсійної рентгенівської спектроскопії (Energy-dispersive X-ray spectroscopy, EDX, EDRS або EDS) - аналітичний метод елементного аналізу твердої речовини, що базується на аналізі енергії емісії його рентгенівського спектру, варіант рентгеноспектрального аналізу.

Валентний кут - кут, утворений напрямками хімічних (ковалентних) зв'язків, що виходять із одного атома.

Дифузія нейтронів – це хаотичний рух нейтронів у речовині, відношення концентрацій.Вона аналогічна дифузії в газах і підпорядковується тим же закономірностям, головною з яких є те, що дифузне речовина поширюється від областей з більшою концентрацією до областей з меншою концентрацією. За наявності двох середовищ нейтрони, що потрапили з одного середовища до іншого, можуть у процесі дифузії повернутися в першу середу. Імовірність такої події характеризує здатність другого середовища відбивати.

Тау-нейтрино (позначаються як ντ) - елементарна частка, що є одним із трьох видів нейтрино, тобто нейтральний лептон. Разом з тау-лептон (таоном), тау-нейтрино становить третє покоління лептонів. Тау-нейтрино є останнім відкритим лептоном і однією з останніх виявлених частинок, передбаченої Стандартною моделлю.

Іскрова камера - детектор високоенергетичних заряджених частинок, в якому трек (траєкторія) частинки реєструється як послідовність іскор в інертному газі, що заповнює простір між металевими пластинками.

Протий - назва найлегшого ізотопу водню, що позначається символом 1H. Ядро протию складається з одного протона, звідси і назва ізотопу. Воно було запропоновано 15 червня 1933 року Юрі, Мерфі та Брікведді у листі редактору наукового журналу The Journal of Chemical Physics, де вони відзначили, що зробили назву «протий» (англ. protium) від грецького слова «protos» («перший») ).

Вироджений напівпровідник - це напівпровідник, концентрація домішок у якому настільки велика, що власні властивості практично не виявляються, а виявляються переважно властивості домішки. У виродженого напівпровідника рівень Фермі лежить усередині дозволених зон або всередині забороненої зони на відстанях не більше ніж KT від меж дозволених зон.Вироджені напівпровідники одержують шляхом сильного легування своїх напівпровідників.

Електрон-фононна взаємодія у фізиці - взаємодія електронів з фононами (квантами коливань кристалічних ґрат).

Клатра́ти (від лат. clathratus — обрешічений, закритий ґратами) — з'єднання включення. Клатрати утворюються шляхом включення молекул речовини - "гостя", в порожнині кристалічної решітки, складеної з молекул іншого типу - "господарів" (решітчасті клатрати), або в порожнину однієї великої молекули-господаря (молекулярні клатрати).

Лазерне охолодження належить до методів, в яких атомні та молекулярні зразки охолоджуються за рахунок взаємодії з одним або більше полів лазерного випромінювання. Найчастіше під лазерним охолодженням мають на увазі доплерівське охолодження, оскільки досі воно є найпоширенішим методом лазерного охолодження.

Далекий порядок — упорядкованість у взаємному розташуванні атомів чи молекул у речовині (у рідкому чи твердому стані), яка (на відміну ближнього порядку) повторюється на необмежено великих відстанях.

Електронна спектроскопія є дуже чутливим і зручним методом визначення спектрів поглинання, пропускання або відображення, вивчення кінетики реакції, що супроводжується спектральними змінами.

Запит ПІД перенаправляється сюди. ПІД-регулятору присвячена відповідна статтяПламенно-іонізаційний детектор (ПІД) - детектор, що використовується в газовій хроматографії, в основному, для виявлення в газових сумішах органічних сполук. Вперше створений у 1957 році у CSIRO, Мельбурн, Австралія.

Нейтральний струм — один із механізмів слабкої взаємодії, опосередкований обміном віртуальними Z-бозонами між кварками та лептонами, без зміни електричного заряду початкових та кінцевих частинок. Z-бозони взаємодіють з усіма частинками Стандартної моделі, крім глюонів та фотонів.

Магнітоактивна плазма - плазма, поміщена в зовнішнє магнітне поле. Оскільки плазма є іонізованим газом, що складається з заряджених частинок, наявність магнітного поля значно впливає на всі процеси, що відбуваються в плазмі.

Ізотопи лютеція – різновиди хімічного елемента лютеція, що мають різну кількість нейтронів у ядрі.

Багатодротяна пропорційна камера (або просто дротяна камера) – детектор іонізуючого випромінювання (або детектор елементарних частинок), технологія таких камер є розвиток концепції лічильника Гейгера та пропорційного лічильника. На відміну від пропорційного лічильника, в якому використовується один анод для зняття сигналу, у багатодротовій пропорційній камері в єдиному газовому обсязі знаходяться відразу велика кількість анодів, що дозволяє отримувати не тільки інформацію про величину іонізації.

Час згасання люмінесценції (також час висвічування) - параметр люмінесценції, що визначається як час, протягом якого інтенсивність люмінесцентного світіння після зняття збудження люмінесценції зменшується в е раз.

Йодид цезію - неорганічна сполука, сіль цезію та йодоводородної кислоти з хімічною формулою CsI, добре розчинний у воді.

Спиновая температура — парціальна характеристика підсистеми спинів, що має розмірність температури. Широко використовується для опису властивостей електронних та ядерних парамагнетиків у зовнішньому магнітному полі.

Подвійний електронний захоплення (2ε-захоплення, εε-захоплення, ECEC-розпад) - один з видів подвійного бета-розпаду атомних ядер, при якому ядро ​​захоплює два електрони з атомної електронної оболонки. Якщо конкретизується електронна оболонка (K, L, M і т. д.), з якої захоплюються електрони, то говорять про подвійне захоплення і т.д. буд. Теоретичні передбачення вказують на більш високу, за інших рівних умов, ймовірність 2К-захоплення, ніж захоплення з більших оболонок; можливе також захоплення двох.

Ізотопи водню

Ізотопи водню - Різновиди атомів (і ядер) хімічного елемента водню, що мають різну кількість нейтронів в ядрі. На даний момент відомі 7 звичайних ізотопів водню, а також один екзотичний атом водень-4.1 (мюоній, 4 He-μ) [1]. Три найпоширеніші ізотопи водню Найбільш поширеним ізотопом водню в природі є протий 1 H (99,984 %). Інший ізотоп водню, дейтерій 2 H (або D), незважаючи на малу поширеність у природі (0,0156%) відіграє надзвичайно важливу роль у хімічних дослідженнях. Наприклад, сполуки, що містять дейтерій, використовуються в спектроскопії ядерного магнітного резонансу (ЯМР). Особливо важливими є дейтеровані препарати (сполуки з так званими дейтерієвими мітками) щодо реакцій з участю атомів водню. Третій із найпоширеніших ізотопів водню — тритій, що позначається T чи 3 H, — є радіоактивним із періодом напіврозпаду 12,3 року. Всі інші радіоізотопи мають короткі періоди напіврозпаду, набагато менше мілісекунди.

Пояснення до таблиці

• Поширеність ізотопів наведена більшість природних зразків. Для інших джерел значення можуть відрізнятися.
• Індексами 'm', 'n', 'p' (поряд із символом) позначені збуджені ізомерні стани нукліду.
• Символами, виділеними жирним шрифтом, позначені стабільні продукти розпаду.
• Значення, помічені ґратами (#), отримані не лише з експериментальних даних, а й (хоч би частково) оцінені із систематичних трендів у сусідніх нуклідів (з такими ж співвідношеннями Z і N ). Невпевнено певні значення спина та/або парності укладені у дужки.
• Похибка наводиться у вигляді числа в дужках, вираженого в одиницях останньої цифри, що означає, одне стандартне відхилення (за винятком поширеності і стандартної атомної маси ізотопу за даними ІЮПАК, для яких використовується більш складне визначення похибки). Приклади: запис 29 770,6(5) означає 29 770,6 ± 0,5; запис 21,48(15) означає 21,48 ± 0,15; запис −2200,2(18) означає −2200,2 ± 1,8 .

Atomic disguise makes helium look like hydrogen (амер. англ.). New Scientist. Дата звернення: 7 березня 2022 року. Архівовано 21 січня 2022 року.

Дані наведені за Wang M., Audi G., Kondev F. G., Huang W. J., Naimi S., Xu X. The Ame2016 atomic mass evaluation (I). Evaluation of input data; and adjustment procedures (англ.) // Chinese Physics C. - 2016. - Vol. 41, iss. 3 . - P. 030002-1-030002-344. - doi: 10.1088/1674-1137/41/3/030002.

Wikiwand in your browser!

Seamless Wikipedia browsing. На steroids.

Ще раз натисніть на link to Wikipedia, Вікіпедія або Wikiquote в вашому інструменті пошуку результатів, він буде показувати сучасний Wikiwand interface.

Wikiwand extension є п'ять зір, простий, з мінімальним схваленням, що потрібні для придбання вашого шикування приватного, надійного і transparentного.