Alle Elemente haben Atome als Grundeinheit, und ein Atom enthält drei grundlegende Teilchen, nämlich negativ geladene Elektronen, positiv geladene Protonen und Neutronen neutraler Teilchen. Die Anzahl der im Kern vorhandenen Protonen und Neutronen wird als Massenzahl der Elemente bezeichnet, die Anzahl der Protonen als Ordnungszahl. Gleiche Elemente, deren Atome die gleiche Anzahl an Protonen, aber unterschiedlich viele Neutronen enth alten, nennt man Isotope. Ein Beispiel ist Wasserstoff, der drei Isotope hat. Das ist Wasserstoff mit null Neutronen, Deuterium mit einem Neutron und Tritium – es enthält zwei Neutronen. Dieser Artikel konzentriert sich auf ein Wasserstoffisotop namens Deuterium, auch bekannt als schwerer Wasserstoff.
Was ist Deuterium?
Deuterium ist ein Wasserstoffisotop, das sich von Wasserstoff um ein Neutron unterscheidet. Typischerweise hat Wasserstoff nur ein Proton, während Deuterium ein Proton und ein Neutron hat. Es wird häufig in Reaktionen verwendetDivision.
Deuterium (chemisches Symbol D oder ²H) ist ein stabiles Wasserstoffisotop, das in der Natur in extrem geringen Mengen vorkommt. Der Deuteriumkern, Deuteron genannt, enthält ein Proton und ein Neutron, während der viel häufigere Wasserstoffkern nur ein Proton und keine Neutronen enthält. Daher hat jedes Deuteriumatom eine Masse, die etwa doppelt so groß ist wie die eines gewöhnlichen Wasserstoffatoms, und Deuterium wird auch als schwerer Wasserstoff bezeichnet. Wasser, in dem normale Wasserstoffatome durch Deuteriumatome ersetzt sind, nennt man schweres Wasser.
Hauptmerkmale
Isotopische Masse von Deuterium - 2, 014102 Einheiten. Deuterium hat eine stabile Halbwertszeit, weil es ein stabiles Isotop ist.
Die überschüssige Energie von Deuterium beträgt 13.135,720 ± 0,001 keV. Die Bindungsenergie für den Deuteriumkern beträgt 2224,52 ± 0,20 keV. Deuterium verbindet sich mit Sauerstoff zu D2O (2H2O), auch bekannt als schweres Wasser. Deuterium ist kein radioaktives Isotop.
Deuterium ist nicht gesundheitsgefährdend, kann aber zur Herstellung von Atomwaffen verwendet werden. Deuterium wird nicht künstlich hergestellt, da es von Natur aus im Meerwasser reichlich vorhanden ist und vielen Generationen von Menschen dienen kann. Es wird durch Zentrifugieren aus dem Meer gewonnen.
Schwerer Wasserstoff
Schwerer Wasserstoff ist der Name eines der höheren Wasserstoffisotope wie Deuterium und Tritium. Aber häufiger wird es für Deuterium verwendet. Seine Atommasse istetwa 2, und sein Kern enthält 1 Proton und 1 Neutron. Damit ist seine Masse doppelt so groß wie die von normalem Wasserstoff. Das zusätzliche Neutron im Deuterium macht es schwerer als normaler Wasserstoff, weshalb es als schwerer Wasserstoff bezeichnet wird.
Schwerer Wasserstoff wurde 1931 von Harold Urey entdeckt - diese Entdeckung wurde 1934 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet. Urey sagte den Unterschied zwischen dem Dampfdruck von molekularem Wasserstoff (H2) und dem entsprechenden Molekül mit einem durch Deuterium (HD) ersetzten Wasserstoffatom voraus und damit die Möglichkeit, diese Substanzen durch Destillation von flüssigem Wasserstoff zu trennen. Deuterium wurde im Rückstand aus der Destillation von flüssigem Wasserstoff gefunden. Es wurde in seiner reinen Form von G. N. Lewis unter Verwendung der elektrolytischen Konzentrationsmethode. Wenn Wasser elektrifiziert wird, entsteht Wasserstoffgas, das eine kleine Menge Deuterium enthält, sodass sich das Deuterium im Wasser konzentriert. Wenn die Wassermenge durch fortgesetzte Elektrolyse auf etwa ein Hunderttausendstel ihres ursprünglichen Volumens reduziert wird, entsteht nahezu reines Deuteriumoxid, das als schweres Wasser bekannt ist. Diese schwere Wasseraufbereitungsmethode wurde während des Zweiten Weltkriegs verwendet.
Etymologie und chemisches Symbol
Der Name "Deuterium" kommt vom griechischen Wort deuteros, was "Zweiter" bedeutet. Dies weist darauf hin, dass Deuterium bei einem aus zwei Teilchen bestehenden Atomkern das zweite Isotop nach gewöhnlichem (oder leichtem) Wasserstoff ist.
Deuterium wird oft mit der Chemikalie bezeichnetSymbol D. Als Isotop von Wasserstoff mit einer Massenzahl von 2 wird es auch als H dargestellt. Die Formel für Deuterium ist 2H. Die International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) erlaubt sowohl D als auch H, obwohl H bevorzugt wird.
Wie gewinnt man Deuterium aus Wasser?
Die traditionelle Methode zur Konzentration von Deuterium in Wasser verwendet Isotopenaustausch in Schwefelwasserstoffgas, obwohl bessere Methoden entwickelt werden. Die Trennung verschiedener Wasserstoffisotope kann auch mit Gaschromatographie und kryogener Destillation erfolgen, die Unterschiede in den physikalischen Eigenschaften zur Trennung von Isotopen nutzen.
Deuteriumwasser
Deuteriumwasser, auch schweres Wasser genannt, ähnelt gewöhnlichem Wasser. Es wird aus einer Kombination von Deuterium und Sauerstoff gebildet und als 2H2O bezeichnet. Deuteriumwasser ist dickflüssiger als normales Wasser. Schweres Wasser ist 10,6 % dichter als normales Wasser, daher sinkt das Eis von schwerem Wasser in normales Wasser. Für einige Tiere ist Deuteriumwasser giftig, während andere in schwerem Wasser überleben können, sich darin aber langsamer entwickeln als in normalem Wasser. Deuteriumwasser ist nicht radioaktiv. Der menschliche Körper enthält ungefähr 5 Gramm Deuterium, und es ist harmlos. Wenn schweres Wasser in großen Mengen in den Körper eindringt (z. B. werden etwa 50 % des Wassers im Körper schwer), kann dies zu Zellstörungen und schließlich zum Tod führen.
Unterschiede in schwerem Wasser:
- Der Gefrierpunkt liegt bei 3,82°C.
- TemperaturSiedepunkt ist 101,4 °C.
- Die Dichte von schwerem Wasser beträgt 1,1056 g/mL (normales Wasser hat 0,9982 g/mL).
- Der pH-Wert von schwerem Wasser beträgt 7,43 (normales Wasser ist 6,9996).
- Es gibt einen leichten Unterschied in Geschmack und Geruch zwischen klarem Wasser und schwerem Wasser.
Verwendung von Deuterium
Wissenschaftler haben viele Anwendungen für Deuterium und seine Verbindungen entwickelt. Beispielsweise ist Deuterium ein nicht radioaktiver Isotopen-Tracer zur Untersuchung chemischer Reaktionen und Stoffwechselwege. Darüber hinaus ist es nützlich, um Makromoleküle mit Neutronenstreuung zu untersuchen. Deuterierte Lösungsmittel (wie schweres Wasser) werden üblicherweise in der Kernspinresonanz (NMR)-Spektroskopie verwendet, da diese Lösungsmittel die NMR-Spektren der untersuchten Verbindungen nicht beeinflussen. Deuterierte Verbindungen sind auch für die Femtosekunden-Infrarotspektroskopie nützlich. Deuterium ist auch ein Brennstoff für Kernfusionsreaktionen, der eines Tages zur Stromerzeugung im industriellen Maßstab verwendet werden könnte.
