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.

равновесная мольная концентрация пара-водорода в смеси в зависимости от температуры.[1]

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




Водород - Тяжелые изотопы водорода в ядерной технике

Предыдущая | Следующая