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 элементом в межзвездном пространстве и в газовых туманностях. Распространен водород и на Земле. Здесь он находится в связанном состоянии - в виде соединений. В виде соединений с углеродом водород входит в состав нефти, природных газов, всех живых организмов. Немного свободного водорода содержится в воздухе, но его там совсем мало - всего 0,00005%.
При горении водорода образуется вода - соединение водорода и кислорода. Это доказал в конце 18 французский химик Лавуазье. Отсюда и название газа - "рождающий воду". Лавуазье также сумел получить водород из воды. Он пропускал водяные пары через раскаленную докрасна железную трубку с железными опилками. Кислород из воды прочно соединялся с железом, а водород выделялся в свободном виде. Сейчас водород тоже получают из воды, но другим способом - с помощью электролиза.[1]
Жидкий водород - самая легкая жидкость (плотность 0,067 г/см3 при температуре -250ОС), а твердый водород - самое легкое твердое вещество (плотность 0,076 г/см3). Атомы водорода - самые маленькие из всех атомов. Однако при поглощении энергии электромагнитного излучения внешний электрон атома может удаляться от ядра все дальше и дальше. Поэтому возбужденный атом водорода теоретически может иметь любые размеры. Молекулы водорода тоже очень маленькие. Поэтому этот газ легко проходит через самые тонкие щели. [8]
Молекулярный водород существует в двух спиновых формах (модификациях) -- в виде орто - и параводорода. В молекуле ортоводорода o-H2 (т. пл. ?259,10 °C, т. кип. ?252,56 °C) спины ядер параллельны, а у параводорода p-H2 (т. пл. ?259,32 °C, т. кип. ?252,89 °C) -- противоположно друг другу (антипараллельны). Равновесная смесьo-H2 и p-H2 при заданной температуре называется равновесный водород e-H2.
Рисунок 1. Равновесная мольная концентрация пара-водорода в смеси в зависимости от температуры.[1]
Разделить модификации водорода можно адсорбцией на активном угле при температуре жидкого азота. При очень низких температурах равновесие между ортоводородом и параводородом почти нацело сдвинуто в сторону параводорода, так как энергия пара-молекулы немного ниже энергии орто-молекулы. При 80 К соотношение форм приблизительно 1:1. Десорбированный параводород при нагревании превращается в ортоводород с образованием равновесной смеси. При комнатной температуре равновесная смесь (орто-пара 75:25). Без катализатора превращение происходит медленно, что дает возможность изучить свойства обеих модификаций. В условиях межзвездной среды характерное время перехода в равновесную смесь очень велико, вплоть до космологических.[1,2]
Помимо "обычного" водорода (протия, от греческого protos - первый), в природе присутствует также его тяжелый изотоп - дейтерий (от латинского deuteros - второй) и в ничтожных количествах сверхтяжелый водород - тритий. После спектроскопического обнаружения дейтерия было предложено разделять изотопы водорода электролизом. 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. В 1934 за открытие тяжелого водорода Гарольд Клейтон Юри получил Нобелевскую премию по химии. 17 марта 1934 в выходящем в Англии журнале "Nature" ("Природа") была опубликована небольшая заметка, подписанная М. Л.Олифантом, П. Хартеком и Резерфордом. Название заметки: Эффект трансмутации, полученный с тяжелым водородом,- она сообщала миру о выдающемся результате - искусственном получении третьего изотопа водорода - трития. В 1946 известный авторитет в области ядерной физики, лауреат Нобелевской премии У. Ф.Либби предположил, что тритий непрерывно образуется в результате идущих в атмосфере ядерных реакций. Однако в природе трития так мало (1 атом 1Н на 1018 атомов 3Н), что обнаружить его удалось только по слабой радиоактивности (период полураспада 12,3 года).[1]
Из всех изотопов химических элементов физические и химические свойства изотопов водорода отличаются друг от друга наиболее сильно. Это связано с наибольшим относительным изменением масс атомов(табл.1).[10]
Таблица 1
Температура плавления, K |
Температура Кипения, K |
Тройная Точка, K / kPa |
Критическая точка, K / kPa |
Плотность Жидкий / газ, Кг/мі | |
H2 |
13,96 |
20,39 |
13,96 / 7,3 |
32,98 / 1,31 |
70,811 / 1,316 |
HD |
16,65 |
22,13 |
16,6 / 12,8 |
35,91 / 1,48 |
114,0 / 1,802 |
HT |
22,92 |
17,63 / 17,7 |
37,13 / 1,57 |
158,62 / 2,31 | |
D2 |
18,65 |
23,67 |
18,73 / 17,1 |
38,35 / 1,67 |
162,50 / 2,23 |
DT |
24.38 |
19,71 / 19,4 |
39,42 / 1,77 |
211,54 / 2,694 | |
T2 |
20,63 |
25,04 |
20,62 / 21,6 |
40,44 / 1,85 |
260,17 / 3,136 |
В лабораториях и в промышленности широко используется реакция присоединения водорода к различным соединениям - гидрирование. Наиболее распространены реакции гидрирования кратных углерод-углеродных связей. Гидрирование молекулярным водородом часто проводят в присутствии катализаторов. В промышленности, как правило, используют гетерогенные катализаторы, к которым относятся металлы VIII группы периодической системы элементов - никель, платина, родий, палладий. Самый активный из этих катализаторов - платина; с ее помощью можно гидрировать при комнатной температуре без давления даже ароматические соединения. Активность более дешевых катализаторов можно повысить, проводя реакцию гидрирования под давлением при повышенных температурах в специальных приборах - автоклавах. В лабораторной практике широко используют также различные способы некаталитического гидрирования. Один из них - действие водорода в момент выделения. [1]
Свойства изотопов водорода представлены в таблице 2.
Изотоп |
Масса, а. е. м. |
Период полураспада |
Спин |
Содержание в природе, % |
Тип и энергия распада |
1H |
1,007 (10) |
Стабилен |
1?2+ |
99,988 (70) | |
2H |
2,014 (4) |
Стабилен |
1+ |
0,011 (70) | |
3H |
3,016 (25) |
12,32(2) года |
1?2+ |
В? |
18,591(1) кэВ |
4H |
4,027 (11) |
1,39(10)-10?22 с |
2? |
-n |
23,48(10) МэВ |
5H |
5,035 (11) |
Более 9,1-10?22 с |
(1?2+) |
-nn |
21,51(11) МэВ |
6H |
6,044 (28) |
2,90(70)-10?22 с |
2? |
?3n |
24,27(26) МэВ |
7H |
7,052 (108) |
2,3(6)-10?23 с |
1?2+ |
-nn |
23,03(101) МэВ |
В круглых скобках приведено среднеквадратическое отклонение значения в единицах последнего разряда соответствующего числа.[9]
Похожие статьи
-
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...
-
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...
-
Водород - двухатомный газ Н2. Он не имеет ни цвета, ни запаха. Это самый легкий газ. Благодаря этому свойству он использовался в аэростатах, дирижаблях 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...
-
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...
-
Висмут - среди металлов, Висмут - химическая индивидуальность - Висмут
В отличие от сурьмы в висмуте металлические свойст-ва явно преобладают над неметаллическими. Висмут одно-временно хрупок и довольно мягок, тяжел...
-
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...
-
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...
-
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...
-
Формулировка закона, данная Д. И. Менделеевым, не могла быть точной и полной с современной точки зрения так как она соответствовала состоянию науки на...
-
Первая теория замедленной рекомбинации была предложена Тафелем исторически раньше других теорий (1905 г.). Она в своем первоначальном виде давала хорошее...
-
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...
-
Еще в начале 20 века было установлено, что при взаимодействии СО и Н2 в присутствии соответствующих катализаторов можно получить углеводороды. Так, в...
-
Основные промышленные способы производства водорода - Электролиз воды
Существует несколько основных промышленных способов получения водорода. Производство водорода паровой конверсией метана - основной промышленный способ...
-
Введение - Перенапряжение водорода. Рекомбинационная теория
В настоящее время в важнейших отраслях промышленности многие технологические операции осуществляют с применением электрохимического метода. Возникновение...
-
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...
-
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...
-
Космические и земные профессии запоминающих сплавов - Металлы и сплавы в химии и технике
Возможности практического применения сплавов, обладающих уникальным свойством запоминать форму, исключительно разнообразны и заманчивы. Здесь перед...
-
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...
-
Источники поступления тяжелых металлов (меди) в водоемы Основными загрязнителями окружающей среды являются тяжелые металлы. К ним относятся химические...
-
ПРЕВРАЩЕНИЯ ВЕЩЕСТВ. - Строение и превращение веществ
Для получения разнообразных веществ применяются как физические, так и химические методы. К первым относятся, например, растворение в воде, фильтрование и...
-
Данные для расчета: Основная реакция: (1) Побочные реакции: Рабочий объем катализатора - 24 м3. Расход оксида углерода и метанола на побочные продукты с...
-
Развитие учения о строении вещества - Строение вещества
В основе структурной химии лежит химическая атомистика Дж. Дальтона, согласно которой Любой химический индивид стоит из совокупности молекул, обладающих...
-
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...
-
Технологические свойства метанола Метанол (метиловый спирт) СН3ОН представляет бесцветную легкоподвижную жидкость с температурой кипения 64,65°С,...
-
Технологии производства метанола - Синтез на основе оксидов углерода и водорода
Способ, основанный на сухой перегонке древесины, до 1913 года оставался единственным освоенным процессом получения метанола, а в 1913 г. был разработан...
-
Строение звезд - Основы естественно-научных знаний
Звезда -- раскаленный газовый шар, а основным свойством газа является стремление расшириться и занять любой предоставленный ему объем. Это стремление...
-
Получение тяжелой воды - Электролиз воды
Электрохимические методы получения тяжелой воды основаны на фракционировании изотопов водорода в процессе электрохимического разряда водорода. В...
-
Заключение - Перенапряжение водорода. Рекомбинационная теория
Электролиз водородный протон адсорбированный 1. Понятие перенапряжения связано с избыточным напряжением, которое необходимо приложить к электролитической...
-
А) Углерод (С), кремний (Si), германий (Ge), олово (Sn), свинец (РЬ) - элементы 4 группы главной подгруппы ПСЭ. На внешнем электронном слое атомы этих...
-
Основные понятия о водородной энергетике Существует направление в технике, получившее название "водородная энергетика". В водородной энергетике водород...
-
Любой электродный процесс обязательно включает в себя одну или несколько стадий, на которых частицы либо присоединяют к себе электроны (акт...
-
Электрохимические реакции являются сложными процессами с последовательными стадиями, и малая скорость любой из них приводит к нарушению равновесия и...
-
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...
-
Многие химические элементы являются радиоактивными, т. е. все их изотопы радиоактивны. К ним относятся технеций, прометий и все естественные и...
-
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...
-
Давление . В технических расчетах обычно пользуются выражением константы равновесия через парциальное давление компонентов. При повышении давления и...
-
Н 2О = О 2- + 2Н+. В Щелочной среде атомы кислорода можно взять из гидроксид-ионов, при этом образуются молекулы воды: 2ОНЇ = О 2- + Н 2О. Пример 1....
-
Химические свойства - Биогенные элементы. Сера
Сера вступает в реакцию со всеми металлами, в результате чего образуются сульфиды. В большинстве случаев для химической реакции необходим катализатор, в...
-
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 -...
Водород - Тяжелые изотопы водорода в ядерной технике