Tất cả các nguyên tố đều có nguyên tử làm đơn vị cơ bản và một nguyên tử chứa ba hạt cơ bản, đó là electron mang điện tích âm, proton mang điện tích dương và neutron của các hạt trung hòa. Số proton và neutron có trong hạt nhân được gọi là số khối của các nguyên tố, và số proton được gọi là số hiệu nguyên tử. Các nguyên tố giống nhau mà nguyên tử của chúng chứa cùng số proton nhưng số nơtron khác nhau được gọi là đồng vị. Một ví dụ là hydro, có ba đồng vị. Đây là hydro chứa không neutron, đơteri chứa một neutron và triti - nó chứa hai neutron. Bài viết này sẽ tập trung vào một đồng vị của hydro được gọi là đơteri, còn được gọi là hydro nặng.
Deuterium là gì?
Deuterium là một đồng vị của hydro khác với hydro một neutron. Thông thường, hydro chỉ có một proton, trong khi đơteri có một proton và một neutron. Nó được sử dụng rộng rãi trong các phản ứngsự phân chia.
Deuterium (ký hiệu hóa học D hoặc ²H) là một đồng vị ổn định của hydro được tìm thấy trong tự nhiên với lượng cực nhỏ. Hạt nhân đơteri, được gọi là deuteron, chứa một proton và một neutron, trong khi hạt nhân hydro phổ biến hơn nhiều chỉ chứa một proton và không có neutron. Do đó, mỗi nguyên tử đơteri có khối lượng gấp đôi nguyên tử hiđrô thông thường, và đơteri còn được gọi là hiđrô nặng. Nước trong đó các nguyên tử hydro thông thường được thay thế bằng các nguyên tử đơteri được gọi là nước nặng.
Tính năng chính
Khối lượng đồng vị của đơteri - 2, 014102 đơn vị. Deuterium có chu kỳ bán rã ổn định vì nó là một đồng vị ổn định.
Năng lượng dư thừa của đơteri là 13.135,720 ± 0,001 keV. Năng lượng liên kết đối với hạt nhân đơteri là 2224,52 ± 0,20 keV. Deuterium kết hợp với oxy để tạo thành D2O (2H2O), còn được gọi là nước nặng. Deuterium không phải là một đồng vị phóng xạ.
Deuterium không nguy hiểm cho sức khỏe, nhưng có thể dùng để chế tạo vũ khí hạt nhân. Deuterium không được sản xuất nhân tạo, vì nó có nhiều tự nhiên trong nước đại dương và có thể phục vụ nhiều thế hệ con người. Nó được chiết xuất từ đại dương bằng quy trình ly tâm.
Hydro nặng
Hydro nặng là tên của bất kỳ đồng vị nào cao hơn của hydro, chẳng hạn như đơteri và triti. Nhưng nó thường được sử dụng cho đơteri. Khối lượng nguyên tử của nó làkhoảng 2, và hạt nhân của nó chứa 1 proton và 1 neutron. Do đó, khối lượng của nó gấp đôi khối lượng của hydro bình thường. Thêm neutron trong đơteri làm cho nó nặng hơn hydro bình thường, đó là lý do tại sao nó được gọi là hydro nặng.
Hydro nặng được phát hiện bởi Harold Urey vào năm 1931 - khám phá này đã được trao giải Nobel Hóa học năm 1934. Urey đã dự đoán sự khác biệt giữa áp suất hơi của phân tử hydro (H2) và phân tử tương ứng với một nguyên tử hydro được thay thế bằng đơteri (HD), và do đó khả năng tách các chất này bằng cách chưng cất hydro lỏng. Deuterium được tìm thấy trong cặn của quá trình chưng cất hydro lỏng. Nó được điều chế ở dạng tinh khiết bởi G. N. Lewis sử dụng phương pháp điện phân nồng độ. Khi nước bị nhiễm điện, khí hiđro được tạo thành, trong đó có một lượng nhỏ đơteri nên đơteri tập trung trong nước. Khi lượng nước được giảm xuống còn khoảng một phần nghìn thể tích ban đầu bằng cách tiếp tục điện phân, oxit deuterium gần như tinh khiết, được gọi là nước nặng, sẽ được cung cấp. Phương pháp chuẩn bị nước nặng này đã được sử dụng trong Thế chiến thứ hai.
Từ nguyên và ký hiệu hóa học
Tên "deuterium" bắt nguồn từ từ deuteros trong tiếng Hy Lạp, có nghĩa là "thứ hai". Điều này chỉ ra rằng với một hạt nhân nguyên tử bao gồm hai hạt, đơteri là đồng vị thứ hai sau hydro thông thường (hoặc nhẹ).
Deuterium thường được ký hiệu bằng hóa chấtkí hiệu D. Là một đồng vị của hiđro có số khối là 2, nó cũng được biểu thị là H. Công thức của đơteri là 2H. Liên minh Quốc tế về Hóa học Ứng dụng và Tinh khiết (IUPAC) cho phép cả D và H, mặc dù H được ưu tiên hơn.
Làm thế nào để lấy deuterium từ nước?
Phương pháp truyền thống để cô đặc đơteri trong nước sử dụng trao đổi đồng vị trong khí hydro sunfua, mặc dù các phương pháp tốt hơn đang được phát triển. Việc tách các đồng vị khác nhau của hydro cũng có thể được thực hiện bằng phương pháp sắc ký khí và chưng cất đông lạnh, sử dụng sự khác biệt về tính chất vật lý để tách các đồng vị.
Nước Deuterium
Nước deuterium, còn được gọi là nước nặng, tương tự như nước thông thường. Nó được hình thành bởi sự kết hợp của deuterium và oxy và được ký hiệu là 2H2O. Nước Deuterium nhớt hơn nước thường. Nước nặng đặc hơn nước thường 10,6%, nên băng của nước nặng chìm trong nước thường. Đối với một số loài động vật, nước deuterium là chất độc, trong khi những loài khác có thể tồn tại trong môi trường nước nặng, nhưng sẽ phát triển trong đó chậm hơn so với nước bình thường. Nước đơteri không có tính phóng xạ. Cơ thể con người chứa khoảng 5 gam đơteri, và nó vô hại. Nếu nước nặng xâm nhập vào cơ thể với số lượng lớn (ví dụ, khoảng 50% lượng nước trong cơ thể trở nên nặng), nó có thể dẫn đến rối loạn chức năng tế bào và cuối cùng là tử vong.
Sự khác biệt trong nước nặng:
- Điểm đóng băng là 3,82 ° C.
- Nhiệt độđiểm sôi là 101,4 ° C.
- Tỷ trọng của nước nặng là 1.1056 g / mL (nước bình thường là 0.9982 g / mL).
- Độ pH của nước nặng là 7,43 (nước bình thường là 6,9996).
- Có một chút khác biệt về mùi vị giữa nước lã và nước đặc.
Sử dụng deuterium
Các nhà khoa học đã phát triển nhiều công dụng cho đơteri và các hợp chất của nó. Ví dụ, đơteri là một chất đánh dấu đồng vị không phóng xạ để nghiên cứu các phản ứng hóa học và các con đường trao đổi chất. Ngoài ra, nó rất hữu ích cho việc nghiên cứu các đại phân tử sử dụng sự tán xạ neutron. Các dung môi khử tính (như nước nặng) thường được sử dụng trong quang phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) vì những dung môi này không ảnh hưởng đến phổ NMR của các hợp chất đang nghiên cứu. Các hợp chất đơteri cũng rất hữu ích cho quang phổ hồng ngoại femto giây. Deuterium cũng là nhiên liệu cho phản ứng tổng hợp hạt nhân, một ngày nào đó có thể được sử dụng để tạo ra điện ở quy mô công nghiệp.
