Дейтерий и тяжелая вода - Тяжелые изотопы водорода в ядерной технике
Дейтерий (тяжелый водород) - один из двух стабильных изотопов водорода, ядро которого состоит из одного протона и одного нейтрона. Молекула D2 - двухатомна. Содержание в природном водороде - 0,012-0,016%. Температура плавления - 254,5° С, температура кипения - 249,5° С. Тяжелая вода D2O (оксид дейтерия) - изотопная разновидность воды; плотность 1,1кг/дм3, температура плавления - 3,8° С, температура кипения - 101,4° С.
В 1917 немецкий ученый К. Шерингер предположил, что атомы разных элементов построены не только из протия (от греческого protos - первый), т. е. "легкого" водорода с атомной массой 1, а из разных изотопов водорода. К тому времени уже было известно, что один и тот же элемент может иметь изотопы с разной массой. Впечатляющих успехов в открытии большого числа изотопов нерадиоактивных элементов достиг английский физик Фрэнсис Уильям Астон с помощью сконструированного им масс-спектрографа. В этом приборе изучаемые атомы или молекулы бомбардируются пучком электронов и превращаются в положительно заряженные ионы. Пучок этих ионов далее подвергается действию электрического и магнитного поля, и их траектории отклоняются от прямой. Это отклонение тем сильнее, чем больше заряд иона и чем меньше его масса. Из значений отклоняющих напряжений непосредственно получают относительные массы ионов. А из интенсивности пучка ионов с данной массой можно судить об относительном содержании в образце этих ионов. Гипотеза Шерингера предполагала, что и у самого легкого элемента - водорода тоже могут быть изотопы.[3]
В 1931 было высказано предположение о том, что причина небольшого расхождения - наличие в обычном водороде более тяжелого изотопа. С учетом чувствительности имевшейся в то время аппаратуры выход был один: сконцентрировать тяжелый водород, увеличив тем самым его содержание в обычном водороде, - примерно так же, как концентрируют спирт, перегоняя его смесь с водой. Если перегонять смесь обычного и тяжелого водорода, остаток должен обогащаться более тяжелым изотопом. После этого можно было снова попытаться обнаружить тяжелый изотоп водорода аналитически.
После того, как дейтерий был обнаружен спектроскопически, Эдвард Уошберн предложил разделять изотопы водорода электролизом.[2] Эксперименты показали, что при электролизе воды легкий водород действительно выделяется быстрее, чем тяжелый. Именно это открытие стало ключевым для получения тяжелого водорода. Статья, в которой сообщалось об открытии дейтерия, была напечатана весной 1932, а уже в июле были опубликованы результаты по электролитическому разделению изотопов.
Когда был открыт нейтрон, стало ясно, что в ядре дейтерия, в отличие от протия, помимо протона находится также нейтрон. Поэтому ядро дейтерия - дейтрон вдвое тяжелее протона; его масса в углеродных единицах равна 2,0141018. В среднем в природном водороде содержится 0,0156% дейтерия. По химическим свойствам дейтерий схож с протием, но огромное различие в их массах приводит к заметному замедлению реакций с участием атомов дейтерия. Так, реакция дейтерированного углеводорода R-D с хлором или кислородом замедляется, в зависимости от температуры, в 5-10 раз по сравнению с реакцией R-Н. С помощью дейтерия можно "пометить" водородсодержащие молекулы и изучить механизмы их реакций. Так, в частности, были изучены реакции синтеза аммиака, окисления углеводородов, ряд других важных процессов.[2,3]
Тяжелая вода. После фундаментальных работ Уошберна и Юри исследования нового изотопа стали развиваться быстрыми темпами. Уже вскоре после открытия дейтерия в природной воде была обнаружена ее тяжелая разновидность. Обычная вода состоит в основном из молекул Н2О. Но если в природном водороде есть примесь дейтерия, то и в обычной воде должны быть примеси НDO и D2O. И если при электролизе воды Н2 выделяется с большей скоростью, чем НD и D2, то со временем в электролизере должна накапливаться тяжелая вода. В 1933 Гилберт Льюис сообщил, что в результате длительного электролиза обычной воды им удалось получить не виданную никем до этого новую разновидность воды - тяжелую воду.
Масса молекулы D2O на 11% превышает массу Н2О. Такая разница приводит к существенным различиям в физических, химических и, что особенно важно, биологических свойствах тяжелой воды. Тяжелая вода кипит при 101,44° С, замерзает при 3,82° С, имеет плотность при 20° С 1,10539 г/см3, причем максимум плотности приходится не на 4° С, как у обычной воды, а на 11,2° С (1,10602 г/см3). Кристаллы D2O имеют такую же структуру, как и обычный лед, но они более тяжелые (0,982 г/см3 при 0°С по сравнению с 0,917 г/см3 для обычного льда). В смесях с обычной водой с большой скоростью происходит изотопный обмен: Н2О + D2O2HDO. Поэтому в разбавленных растворах атомы дейтерия присутствуют в основном в виде HDO. В среде тяжелой воды значительно замедляются биохимические реакции, и эта вода не поддерживает жизни животных и растений.[7]
В настоящее время разработан ряд эффективных методов получения тяжелой воды: электролизом, изотопным обменом, сжиганием обогащенного дейтерием водорода. В настоящее время тяжелую воду получают ежегодно тысячами тонн. Ее используют в качестве замедлителя нейтронов и теплоносителя в ядерных реакторах (для заполнения одного современного крупного ядерного реактора требуется 100-200 тонн тяжелой воды чистотой не менее 99,8%); для получения дейтронов D+ в ускорителях частиц; как растворитель в спектроскопии протонного магнитного резонанса (обычная вода своими протонами смазывает картину). Не исключено, что роль тяжелой воды значительно возрастет, если будет осуществлен промышленный термоядерный синтез.[4]
Похожие статьи
-
Водород - Тяжелые изотопы водорода в ядерной технике
Водород - самый распространенный химический элемент во Вселенной. Он составляет примерно половину массы Солнца и большинства звезд, является основным...
-
Введение - Тяжелые изотопы водорода в ядерной технике
Практическое значение изотопов водорода определилось после изучения их ядерно-физических свойств, в первую очередь отношения дейтерия с нейтронам и...
-
Физические и химические свойства водорода - Электролиз воды
Молекулярный водород при обычных условиях - газ без цвета и запаха, легко воспламеняется и горит синеватым неярким пламенем. В свободном состоянии...
-
Водород - двухатомный газ Н2. Он не имеет ни цвета, ни запаха. Это самый легкий газ. Благодаря этому свойству он использовался в аэростатах, дирижаблях и...
-
Получение тяжелой воды - Электролиз воды
Электрохимические методы получения тяжелой воды основаны на фракционировании изотопов водорода в процессе электрохимического разряда водорода. В...
-
Данные для расчета: Основная реакция: (1) Побочные реакции: Рабочий объем катализатора - 24 м3. Расход оксида углерода и метанола на побочные продукты с...
-
Первая теория замедленной рекомбинации была предложена Тафелем исторически раньше других теорий (1905 г.). Она в своем первоначальном виде давала хорошее...
-
Получение водорода электролизом воды, Понятие и сущность электролиза - Электролиз воды
Понятие и сущность электролиза Электролизом называется окислительно-восстановительный процесс, происходящий на электродах под действием электрического...
-
Способы воздействия на реакцию выделения водорода - Перенапряжение водорода. Рекомбинационная теория
В промышленных электролизерах, в которых на катоде выделяется водород (как основная или вспомогательная реакция), поляризация этой реакции увеличивает...
-
Основные промышленные способы производства водорода - Электролиз воды
Существует несколько основных промышленных способов получения водорода. Производство водорода паровой конверсией метана - основной промышленный способ...
-
Водородные соединения, Водородная связь - Свойства водорода
В этой таблице слева легкой тенью выделены клетки элементов, образующих с водородом ионные соединения - гидриды. Эти вещества имеют в своем составе...
-
Таблица 2 - Структура сырья в производстве метанола, %. Сырье В мире Беларусь и Россия Природный газ 73,8 70,7 Нефть и нефтепродукты 24,4 4,0 Отходы...
-
Электролиз может начаться после того, как приложенная извне разность потенциалов достигает величины, равной (вернее, очень незначительно превышающей)...
-
Введение - Перенапряжение водорода. Рекомбинационная теория
В настоящее время в важнейших отраслях промышленности многие технологические операции осуществляют с применением электрохимического метода. Возникновение...
-
Металлические стекла - Металлы и сплавы в химии и технике
В самом начале этого реферата мы выяснили, что при обычных условиях затвердевания жидкого металла его атомы образуют кристаллическую решетку того или...
-
Материалы с гигантской магнитострикцией - Металлы и сплавы в химии и технике
Металлы ТЬ, Dу и ферриты-гранаты этих металлов при низких температурах имеют гигантские магнитострикции, на 2--3 порядка большие, чем магнитострикции в...
-
Металлы и сплавы в химии и технике - Металлы и сплавы в химии и технике
Химические элементы - это элементы, образующие в свободном состоянии простые вещества с металлической связью. Из 110 известных химических элементов...
-
Любой электродный процесс обязательно включает в себя одну или несколько стадий, на которых частицы либо присоединяют к себе электроны (акт...
-
Общий характер действия меди на организм. Медь встречается в животном организме, главным образом, в виде комплексных органических соединений и играет...
-
Предельно допустимая концентрация (ПДК) _ утвержденный в законодательном порядке санитарно-гигиенический норматив. Под ПДК понимается такая концентрация...
-
В 1999 исследователи из Университета Вены продемонстрировали применимость корпускулярно-волнового дуализма к таким молекулам как фуллерен Гидратированный...
-
Источники поступления тяжелых металлов (меди) в водоемы Основными загрязнителями окружающей среды являются тяжелые металлы. К ним относятся химические...
-
Строение, физические свойства, значение воды - Свойства водорода
Вода -- самое распространенное соединение водорода. Общая масса воды на нашей планете около 1,4*1018 т. Вода -- это единственное вещество, все три...
-
Реакции электрофильного замещения атомов водорода в ряду бензола - Типы связей в органической химии
1. Реакция галогенирования . Реакция галогенирования бензольного кольца осуществляется в присутствии катализаторов (чаще всего галогенидов железа или...
-
Взаимодействие водорода со сложными веществами, Получение водорода - Свойства водорода
Водород проявляет восстановительные свойства и в реакциях со сложными веществами: 1) Восстановление оксидов металлов, стоящих в электрохимическом ряду...
-
Заготовьте в тетради заранее таблицу для записи исходных данных и результатов опытов. Сейчас в нее внесены некоторые предполагаемые объемы растворов, но...
-
Заключение - Перенапряжение водорода. Рекомбинационная теория
Электролиз водородный протон адсорбированный 1. Понятие перенапряжения связано с избыточным напряжением, которое необходимо приложить к электролитической...
-
Водород, Углерод - Химия в строительстве
Водород (Н) - это бесцветный газ без запаха. Водород - самое легкое вещество среди химических элементов. Смесь водорода и кислорода в пропорции 2:1 очень...
-
Мощность производства определяется по производительности электролизера в м3/час производства водорода. Основным технологическим оборудованием являются: -...
-
Процесс получения водорода электролизом воды - Электролиз воды
При воздействии постоянного электрического тока на воду происходит разложение воды на водород и кислород Н2О = Н2 + 0,5О2 с выделением на катоде -...
-
Влияние природы и состава раствора. - Перенапряжение водорода. Рекомбинационная теория
А) Влияние растворителя. Наибольшее число исследований по перенапряжению водорода выполнено с водными растворами. Для ртути и для некоторых др. металлов...
-
Получение, Изотопы, Физические свойства, Химические свойства - Краткие сведения о кобальте
Кобальт получают в основном из никелевых руд, обрабатывая их растворами серной кислоты или аммиака. Также используется методы пирометаллургии. Для...
-
Гидрирование Большое число каталитических реакций связано с активацией атома водорода и какой-либо другой молекулы, приводящей к их химическому...
-
Способы улучшения качества дизельного топлива - Сравнительный анализ методов обессеривания
Специальные присадки Понижение содержания серы в дизельном топливе, как правило, приводит к уменьшению его смазывающих свойств, поэтому для дизельных...
-
APCI также стала важным способом ионизации, потому что она генерирует ионы непосредственно из раствора, и способна к анализу относительно неполярных...
-
Антрацен - соединение, молекула которого состоит из трех ароматических колец, лежащих в одной плоскости. Его получают из антраценовой фракции...
-
Скорость реакции определяется изменением молярной концентрации одного из реагирующих веществ: V=dC/dtV. Факторы, влияющие на скорость химических...
-
Введение, Классификация Фенолов, Физические свойства фенола, Химические свойства - Синтез фенола
Фенол химический синтез Целью данной курсовой работы является изучение способов синтеза фенолов, в частности фенола. Свойства фенолов специфичны, поэтому...
-
Очень удобным и доступным окислителем, который с успехом можно применять для мытья химической посуды, является смесь Комаровского, состоящая из равных...
-
Стекло запрещается протирать органическими растворителями. Работы, связанные с применением растворителей, необходимо проводить в помещениях, снабженных...
Дейтерий и тяжелая вода - Тяжелые изотопы водорода в ядерной технике