Alle elemente het atome as hul basiese eenheid, en 'n atoom bevat drie fundamentele deeltjies, wat negatief gelaaide elektrone, positief gelaaide protone en neutrone van neutrale deeltjies is. Die aantal protone en neutrone wat in die kern teenwoordig is, word die massagetal elemente genoem, en die aantal protone word die atoomgetal genoem. Dieselfde elemente waarvan die atome dieselfde aantal protone maar verskillende getalle neutrone bevat, word isotope genoem. 'n Voorbeeld is waterstof, wat drie isotope het. Dit is waterstof met nul neutrone, deuterium wat een neutron bevat, en tritium - dit bevat twee neutrone. Hierdie artikel sal fokus op 'n isotoop van waterstof genaamd deuterium, ook bekend as swaar waterstof.
Wat is deuterium?
Deuterium is 'n isotoop van waterstof wat met een neutron van waterstof verskil. Tipies het waterstof net een proton, terwyl deuterium een proton en een neutron het. Dit word wyd gebruik in reaksiesafdeling.
Deuterium (chemiese simbool D of ²H) is 'n stabiele isotoop van waterstof wat in die natuur in uiters klein hoeveelhede voorkom. Die deuteriumkern, wat die deuteron genoem word, bevat een proton en een neutron, terwyl die veel meer algemene waterstofkern slegs een proton en geen neutrone bevat nie. Daarom het elke atoom van deuterium 'n massa wat ongeveer twee keer dié van 'n gewone waterstofatoom is, en deuterium word ook swaar waterstof genoem. Water waarin gewone waterstofatome deur deuteriumatome vervang word, word swaarwater genoem.
Sleutelkenmerke
Isotopiese massa van deuterium - 2, 014102 eenhede. Deuterium het 'n stabiele halfleeftyd omdat dit 'n stabiele isotoop is.
Die oormaat energie van deuterium is 13 135,720 ± 0,001 keV. Die bindingsenergie vir die deuteriumkern is 2224.52 ± 0.20 keV. Deuterium kombineer met suurstof om D2O (2H2O), ook bekend as swaar water, te vorm. Deuterium is nie 'n radioaktiewe isotoop nie.
Deuterium is nie gevaarlik vir die gesondheid nie, maar kan gebruik word om kernwapens te skep. Deuterium word nie kunsmatig geproduseer nie, aangesien dit natuurlik volop in seewater voorkom en baie generasies mense kan dien. Dit word uit die see onttrek deur middel van 'n sentrifugeringproses.
Swaar waterstof
Swaar waterstof is die naam van enige van die hoër isotope van waterstof, soos deuterium en tritium. Maar meer dikwels word dit vir deuterium gebruik. Sy atoommassa isongeveer 2, en sy kern bevat 1 proton en 1 neutron. Die massa daarvan is dus twee keer dié van normale waterstof. Die ekstra neutron in deuterium maak dit swaarder as normale waterstof, en daarom word dit swaar waterstof genoem.
Swaar waterstof is in 1931 deur Harold Urey ontdek – hierdie ontdekking is in 1934 met die Nobelprys in Chemie bekroon. Urey het die verskil voorspel tussen die dampdruk van molekulêre waterstof (H2) en die ooreenstemmende molekule met een waterstofatoom vervang deur deuterium (HD), en dus die moontlikheid om hierdie stowwe te skei deur distillasie van vloeibare waterstof. Deuterium is gevind in die oorblyfsel van die distillasie van vloeibare waterstof. Dit is in sy suiwer vorm deur G. N. Lewis wat die elektrolitiese konsentrasiemetode gebruik. Wanneer water geëlektrifiseer word, word waterstofgas gevorm, wat 'n klein hoeveelheid deuterium bevat, sodat die deuterium in die water gekonsentreer word. Wanneer die hoeveelheid water deur voortgesette elektrolise tot ongeveer honderdduisendstes van sy oorspronklike volume verminder word, word byna suiwer deuteriumoksied, bekend as swaar water, voorsien. Hierdie swaarwatervoorbereidingsmetode is tydens die Tweede Wêreldoorlog gebruik.
Etimologie en chemiese simbool
Die naam "deuterium" kom van die Griekse woord deuteros, wat "tweede" beteken. Dit dui aan dat met 'n atoomkern wat uit twee deeltjies bestaan, deuterium die tweede isotoop na gewone (of ligte) waterstof is.
Deuterium word dikwels deur die chemiese middel aangeduisimbool D. As 'n isotoop van waterstof met 'n massagetal van 2, word dit ook as H voorgestel. Die formule vir deuterium is 2H. Die International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) laat beide D en H toe, hoewel H verkies word.
Hoe om deuterium uit water te kry?
Die tradisionele metode om deuterium in water te konsentreer, gebruik isotoopuitruiling in waterstofsulfiedgas, hoewel beter metodes ontwikkel word. Skeiding van verskillende isotope van waterstof kan ook gedoen word deur gebruik te maak van gaschromatografie en kryogeniese distillasie, wat verskille in fisiese eienskappe gebruik om isotope te skei.
Deuteriumwater
Deuteriumwater, ook bekend as swaar water, is soortgelyk aan gewone water. Dit word gevorm deur 'n kombinasie van deuterium en suurstof en word as 2H2O aangedui. Deuteriumwater is meer viskeus as gewone water. Swaar water is 10,6% digter as gewone water, so die ys van swaar water sink in gewone water. Vir sommige diere is deuteriumwater giftig, terwyl ander in swaar water kan oorleef, maar stadiger daarin sal ontwikkel as in normale water. Deuteriumwater is nie radioaktief nie. Die menslike liggaam bevat ongeveer 5 gram deuterium, en dit is onskadelik. As swaar water in groot hoeveelhede die liggaam binnedring (sowat 50% van die water in die liggaam word byvoorbeeld swaar), kan dit lei tot seldisfunksie, en uiteindelik die dood.
Verskille in swaar water:
- Die vriespunt is 3,82°C.
- Temperatuurkookpunt is 101,4 °C.
- Die digtheid van swaar water is 1,1056 g/mL (normale water is 0,9982 g/mL).
- Die pH van swaar water is 7,43 (normale water is 6,9996).
- Daar is 'n effense verskil in smaak en reuk tussen gewone water en swaar water.
Gebruik van deuterium
Wetenskaplikes het baie gebruike vir deuterium en sy verbindings ontwikkel. Byvoorbeeld, deuterium is 'n nie-radioaktiewe isotoopspoorder vir die bestudering van chemiese reaksies en metaboliese weë. Daarbenewens is dit nuttig om makromolekules te bestudeer deur neutronverstrooiing te gebruik. Gedeutereerde oplosmiddels (soos swaar water) word algemeen gebruik in kernmagnetiese resonansie (KMR) spektroskopie omdat hierdie oplosmiddels nie die KMR spektra van die verbindings wat bestudeer word, beïnvloed nie. Gedeutereerde verbindings is ook nuttig vir femtosekonde infrarooi spektroskopie. Deuterium is ook 'n brandstof vir kernfusie-reaksies, wat eendag gebruik kan word om elektrisiteit op 'n industriële skaal op te wek.
