Visų elementų pagrindinis vienetas yra atomai, o atomą sudaro trys pagrindinės dalelės: neigiamo krūvio elektronai, teigiamai įkrauti protonai ir neutralių dalelių neutronai. Protonų ir neutronų, esančių branduolyje, skaičius vadinamas elementų masės skaičiumi, o protonų skaičius – atominiu skaičiumi. Tie patys elementai, kurių atomuose yra tiek pat protonų, bet skirtingą neutronų skaičių, vadinami izotopais. Pavyzdys yra vandenilis, turintis tris izotopus. Tai vandenilis su nuliu neutronų, deuteris, kuriame yra vienas neutronas, ir tritis - jame yra du neutronai. Šiame straipsnyje daugiausia dėmesio bus skiriama vandenilio izotopui, vadinamam deuteriu, dar vadinamu sunkiuoju vandeniliu.
Kas yra deuteris?
Deuteris yra vandenilio izotopas, kuris nuo vandenilio skiriasi vienu neutronu. Paprastai vandenilis turi tik vieną protoną, o deuteris turi vieną protoną ir vieną neutroną. Jis plačiai naudojamas reakcijoseskyrius.
Deuteris (cheminis simbolis D arba ²H) yra stabilus vandenilio izotopas, gamtoje randamas itin mažais kiekiais. Deuterio branduolyje, vadinamame deuteronu, yra vienas protonas ir vienas neutronas, o daug dažnesniame vandenilio branduolyje yra tik vienas protonas ir nėra neutronų. Todėl kiekvieno deuterio atomo masė yra maždaug dvigubai didesnė nei paprasto vandenilio atomo, o deuteris taip pat vadinamas sunkiuoju vandeniliu. Vanduo, kuriame įprasti vandenilio atomai pakeisti deuterio atomais, vadinamas sunkiuoju vandeniu.
Pagrindinės funkcijos
Deuterio izotopinė masė – 2, 014102 vnt. Deuterio pusinės eliminacijos laikas yra stabilus, nes jis yra stabilus izotopas.
Deuterio energijos perteklius yra 13 135 720 ± 0,001 keV. Deuterio branduolio surišimo energija yra 2224,52 ± 0,20 keV. Deuteris jungiasi su deguonimi ir sudaro D2O (2H2O), dar vadinamą sunkiuoju vandeniu. Deuteris nėra radioaktyvus izotopas.
Deuteris nėra pavojingas sveikatai, bet gali būti naudojamas branduoliniams ginklams kurti. Deuteris nėra gaminamas dirbtinai, nes jo natūraliai gausu vandenynų vandenyje ir gali pasitarnauti daugeliui žmonių kartų. Jis išgaunamas iš vandenyno naudojant centrifugavimo procesą.
Sunkusis vandenilis
Sunkusis vandenilis yra bet kurio aukštesniojo vandenilio izotopų, pvz., deuterio ir tričio, pavadinimas. Tačiau dažniau jis naudojamas deuteriui. Jo atominė masė yraapie 2, o jo branduolyje yra 1 protonas ir 1 neutronas. Taigi jo masė yra dvigubai didesnė nei įprasto vandenilio. Dėl papildomo neutrono deuteryje jis yra sunkesnis už įprastą vandenilį, todėl jis vadinamas sunkiuoju vandeniliu.
Sunkųjį vandenilį 1931 m. atrado Haroldas Urey – šis atradimas 1934 m. buvo apdovanotas Nobelio chemijos premija. Urey numatė skirtumą tarp molekulinio vandenilio (H2) garų slėgio ir atitinkamos molekulės, kurioje vienas vandenilio atomas pakeistas deuteriu (HD), taigi ir galimybę atskirti šias medžiagas distiliuojant skystą vandenilį. Deuterio rasta skysto vandenilio distiliavimo liekanose. Jį gryna forma paruošė G. N. Lewisas naudojant elektrolitinės koncentracijos metodą. Vandeniui elektrifikuojant susidaro vandenilio dujos, kuriose yra nedidelis deuterio kiekis, todėl deuteris koncentruojasi vandenyje. Kai nuolatinės elektrolizės metu vandens kiekis sumažėja iki maždaug šimto tūkstantųjų pradinio tūrio, gaunamas beveik grynas deuterio oksidas, žinomas kaip sunkusis vanduo. Šis sunkiojo vandens ruošimo būdas buvo naudojamas Antrojo pasaulinio karo metu.
Etimologija ir cheminis simbolis
Pavadinimas „deuteris“kilęs iš graikų kalbos žodžio deuteros, kuris reiškia „antrasis“. Tai rodo, kad atomo branduolyje, kurį sudaro dvi dalelės, deuteris yra antrasis izotopas po paprasto (arba lengvojo) vandenilio.
Deuteris dažnai žymimas chemine medžiagasimbolis D. Kaip vandenilio izotopas, kurio masės skaičius yra 2, jis taip pat vaizduojamas kaip H. Deuterio formulė yra 2H. Tarptautinė grynosios ir taikomosios chemijos sąjunga (IUPAC) leidžia ir D, ir H, nors pirmenybė teikiama H.
Kaip gauti deuterio iš vandens?
Tradicinis deuterio koncentravimo vandenyje metodas naudoja izotopų mainus vandenilio sulfido dujose, nors yra kuriami geresni metodai. Įvairūs vandenilio izotopai taip pat gali būti atskirti naudojant dujų chromatografiją ir kriogeninį distiliavimą, kai izotopams atskirti naudojami fizikinių savybių skirtumai.
Deuterio vanduo
Deuterio vanduo, dar žinomas kaip sunkusis vanduo, panašus į paprastą vandenį. Jį sudaro deuterio ir deguonies derinys ir žymimas 2H2O. Deuterio vanduo yra klampesnis nei įprastas vanduo. Sunkusis vanduo yra 10,6% tankesnis už paprastą vandenį, todėl sunkiojo vandens ledas skęsta paprastame vandenyje. Kai kuriems gyvūnams deuterio vanduo yra toksiškas, o kiti gali išgyventi sunkiame vandenyje, tačiau jame vystysis lėčiau nei įprastame vandenyje. Deuterio vanduo nėra radioaktyvus. Žmogaus kūne yra apie 5 gramus deuterio ir jis yra nekenksmingas. Jei sunkusis vanduo patenka į organizmą dideliais kiekiais (pavyzdžiui, apie 50 % kūno vandens tampa sunkus), tai gali sukelti ląstelių disfunkciją ir galiausiai mirtį.
Sunkiojo vandens skirtumai:
- Užšalimo temperatūra yra 3,82°C.
- Temperatūravirimo temperatūra yra 101,4 °C.
- Sunkiojo vandens tankis yra 1,1056 g/mL (įprastas vanduo yra 0,9982 g/mL).
- Sunkiojo vandens pH yra 7,43 (įprastas vanduo yra 6,9996).
- Paprasto ir sunkaus vandens skonis ir kvapas šiek tiek skiriasi.
Deuterio naudojimas
Mokslininkai sukūrė daugybę deuterio ir jo junginių naudojimo būdų. Pavyzdžiui, deuteris yra neradioaktyvus izotopų žymeklis, skirtas tirti chemines reakcijas ir medžiagų apykaitos kelius. Be to, tai naudinga tiriant makromolekules naudojant neutronų sklaidą. Deuteruoti tirpikliai (pvz., sunkusis vanduo) dažniausiai naudojami branduolinio magnetinio rezonanso (BMR) spektroskopijoje, nes šie tirpikliai neturi įtakos tiriamų junginių BMR spektrams. Deuteruoti junginiai taip pat naudingi femtosekundinei infraraudonųjų spindulių spektroskopijai. Deuteris taip pat yra branduolių sintezės reakcijų kuras, kurį kada nors būtų galima panaudoti elektros energijai gaminti pramoniniu mastu.
