Բոլոր տարրերը որպես հիմնական միավոր ունեն ատոմներ, և ատոմը պարունակում է երեք հիմնարար մասնիկներ, որոնք բացասական լիցքավորված էլեկտրոններ են, դրական լիցքավորված պրոտոններ և չեզոք մասնիկների նեյտրոններ: Միջուկում առկա պրոտոնների և նեյտրոնների թիվը կոչվում է տարրերի զանգվածային թիվ, իսկ պրոտոնների թիվը՝ ատոմային: Նույն տարրերը, որոնց ատոմները պարունակում են նույն քանակությամբ պրոտոններ, բայց տարբեր թվով նեյտրոններ, կոչվում են իզոտոպներ: Օրինակ՝ ջրածինը, որն ունի երեք իզոտոպ։ Սա զրոյական նեյտրոններով ջրածին է, մեկ նեյտրոն պարունակող դեյտերիում, և երկու նեյտրոն պարունակող տրիտիում: Այս հոդվածը կկենտրոնանա ջրածնի իզոտոպի վրա, որը կոչվում է դեյտերիում, որը նաև հայտնի է որպես ծանր ջրածին:
Ի՞նչ է դեյտերիումը:
Դեյտերիումը ջրածնի իզոտոպ է, որը ջրածնից տարբերվում է մեկ նեյտրոնով։ Սովորաբար, ջրածինը ունի միայն մեկ պրոտոն, մինչդեռ դեյտերիումը՝ մեկ պրոտոն և մեկ նեյտրոն: Այն լայնորեն կիրառվում է ռեակցիաներումբաժանում.
Դեյտերիումը (քիմիական նշան D կամ ²H) ջրածնի կայուն իզոտոպ է, որը հայտնաբերված է բնության մեջ չափազանց փոքր քանակությամբ: Դեյտերիումի միջուկը, որը կոչվում է դեյտրոն, պարունակում է մեկ պրոտոն և մեկ նեյտրոն, մինչդեռ շատ ավելի տարածված ջրածնի միջուկը պարունակում է միայն մեկ պրոտոն և ոչ մի նեյտրոն: Ուստի դեյտերիումի յուրաքանչյուր ատոմ ունի զանգված, որը մոտ երկու անգամ գերազանցում է սովորական ջրածնի ատոմին, իսկ դեյտերիումը կոչվում է նաև ծանր ջրածին։ Ջուրը, որտեղ սովորական ջրածնի ատոմները փոխարինվում են դեյտերիումի ատոմներով, կոչվում է ծանր ջուր:
Հիմնական հատկանիշներ
Դեյտերիումի իզոտոպային զանգված՝ 2, 014102 միավոր։ Դեյտերիումն ունի կայուն կիսամյակ, քանի որ այն կայուն իզոտոպ է։
Դեյտերիումի ավելցուկային էներգիան 13135,720 ± 0,001 կՎ է։ Դեյտերիումի միջուկի միացման էներգիան 2224,52 ± 0,20 կՎ է։ Դեյտերիումը միանում է թթվածին և ձևավորում D2O (2H2O), որը նաև հայտնի է որպես ծանր ջուր։ Դեյտերիումը ռադիոակտիվ իզոտոպ չէ։
Դեյտերիումը վտանգավոր չէ առողջության համար, սակայն կարող է օգտագործվել միջուկային զենք ստեղծելու համար։ Դեյտերիումը արհեստականորեն չի արտադրվում, քանի որ այն բնականաբար առատ է օվկիանոսի ջրում և կարող է ծառայել մարդկանց բազմաթիվ սերունդների: Այն արդյունահանվում է օվկիանոսից՝ օգտագործելով ցենտրիֆուգման գործընթացը:
Ծանր ջրածին
Ծանր ջրածինը կոչվում է ջրածնի բարձրագույն իզոտոպներից որևէ մեկի, ինչպիսիք են դեյտերիումը և տրիտումը: Բայց ավելի հաճախ այն օգտագործվում է դեյտերիումի համար։ Նրա ատոմային զանգվածն էմոտ 2, իսկ նրա միջուկը պարունակում է 1 պրոտոն և 1 նեյտրոն։ Այսպիսով, նրա զանգվածը երկու անգամ գերազանցում է սովորական ջրածնին: Դեյտերիումի հավելյալ նեյտրոնը այն դարձնում է ավելի ծանր, քան սովորական ջրածինը, այդ իսկ պատճառով այն կոչվում է ծանր ջրածին։
Ծանր ջրածինը հայտնաբերվել է Հարոլդ Ուրիի կողմից 1931 թվականին - այս հայտնագործությունը արժանացել է քիմիայի Նոբելյան մրցանակի 1934 թվականին։ Ուրեյը կանխատեսեց մոլեկուլային ջրածնի (H2) գոլորշիների ճնշման տարբերությունը և համապատասխան մոլեկուլը ջրածնի մեկ ատոմով փոխարինված դեյտերիումով (HD), և այդպիսով հեղուկ ջրածնի թորման միջոցով այդ նյութերը բաժանելու հնարավորությունը: Հեղուկ ջրածնի թորման մնացորդում հայտնաբերվել է դեյտերիում։ Այն իր մաքուր տեսքով պատրաստել է Գ. Ն. Լյուիսը՝ օգտագործելով էլեկտրոլիտիկ կոնցենտրացիայի մեթոդը: Երբ ջուրը էլեկտրիֆիկացվում է, առաջանում է ջրածնի գազ, որը պարունակում է փոքր քանակությամբ դեյտերիում, ուստի դեյտերիումը կենտրոնանում է ջրի մեջ։ Երբ շարունակական էլեկտրոլիզի միջոցով ջրի քանակը կրճատվում է մինչև իր սկզբնական ծավալի մոտ հարյուր հազարերորդականը, ստացվում է գրեթե մաքուր դեյտերիումի օքսիդ, որը հայտնի է որպես ծանր ջուր: Ծանր ջրի պատրաստման այս մեթոդը օգտագործվել է Երկրորդ համաշխարհային պատերազմի ժամանակ։
Ստուգաբանություն և քիմիական նշան
«Դեյտերիում» անվանումը ծագել է հունարեն deuteros բառից, որը նշանակում է «երկրորդ»։ Սա ցույց է տալիս, որ երկու մասնիկներից բաղկացած ատոմային միջուկի դեպքում դեյտերիումը երկրորդ իզոտոպն է սովորական (կամ թեթև) ջրածնից հետո:
Դեյտերիումը հաճախ նշվում է քիմիական նյութովխորհրդանիշ D. Որպես 2 զանգվածային թվով ջրածնի իզոտոպ, այն նաև ներկայացված է որպես H: Դեյտերիումի բանաձևը 2H է: Մաքուր և կիրառական քիմիայի միջազգային միությունը (IUPAC) թույլ է տալիս և՛ D, և՛ H, չնայած H-ն նախընտրելի է:
Ինչպե՞ս ստանալ դեյտերիում ջրից:
Ջրում դեյտերիումի խտացման ավանդական մեթոդը օգտագործում է իզոտոպների փոխանակում ջրածնի սուլֆիդի գազում, թեև ավելի լավ մեթոդներ են մշակվում: Ջրածնի տարբեր իզոտոպների տարանջատումը կարող է իրականացվել նաև գազային քրոմատագրման և կրիոգեն թորման միջոցով, որոնք օգտագործում են ֆիզիկական հատկությունների տարբերությունները իզոտոպները առանձնացնելու համար:
Դեյտերիում ջուր
Դեյտերիումի ջուրը, որը նաև հայտնի է որպես ծանր ջուր, նման է սովորական ջրին: Այն ձևավորվում է դեյտերիումի և թթվածնի համադրությամբ և նշանակվում է որպես 2H2O: Դեյտերիումի ջուրն ավելի մածուցիկ է, քան սովորական ջուրը։ Ծանր ջուրը 10,6%-ով ավելի խիտ է, քան սովորական ջուրը, ուստի ծանր ջրի սառույցը խորտակվում է սովորական ջրի մեջ։ Որոշ կենդանիների համար դեյտերիումի ջուրը թունավոր է, մինչդեռ մյուսները կարող են գոյատևել ծանր ջրում, բայց դրա մեջ ավելի դանդաղ է զարգանում, քան սովորական ջրում: Դեյտերիումի ջուրը ռադիոակտիվ չէ: Մարդու օրգանիզմը պարունակում է մոտ 5 գրամ դեյտերիում, և այն անվնաս է։ Եթե ծանր ջուրը մտնում է օրգանիզմ մեծ քանակությամբ (օրինակ՝ մարմնի ջրի մոտ 50%-ը դառնում է ծանր), դա կարող է հանգեցնել բջիջների դիսֆունկցիայի և, ի վերջո, մահվան։
Տարբերությունները ծանր ջրի մեջ.
- Սառեցման կետը 3,82°C է։
- Ջերմաստիճանեռման կետը 101,4 °C է։
- Ծանր ջրի խտությունը 1,1056 գ/մլ է (նորմալ ջուրը՝ 0,9982 գ/մլ):
- Ծանր ջրի pH-ը 7,43 է (նորմալ ջուրը՝ 6,9996):
- Հասարակ ջրի և ծանր ջրի միջև համի և հոտի մի փոքր տարբերություն կա:
Դեյտերիումի օգտագործում
Գիտնականները մշակել են դեյտերիումի և նրա միացությունների բազմաթիվ կիրառություններ: Օրինակ, դեյտերիումը քիմիական ռեակցիաների և նյութափոխանակության ուղիների ուսումնասիրման համար ոչ ռադիոակտիվ իզոտոպային հետք է: Բացի այդ, այն օգտակար է մակրոմոլեկուլների ուսումնասիրության համար՝ օգտագործելով նեյտրոնային ցրումը։ Դեյտերացված լուծիչները (ինչպես ծանր ջուրը) սովորաբար օգտագործվում են միջուկային մագնիսական ռեզոնանսային (NMR) սպեկտրոսկոպիայում, քանի որ այդ լուծիչները չեն ազդում ուսումնասիրվող միացությունների NMR սպեկտրների վրա: Դեյտերացված միացությունները նույնպես օգտակար են ֆեմտովայրկյան ինֆրակարմիր սպեկտրոսկոպիայի համար: Դեյտերիումը նաև միջուկային միաձուլման ռեակցիաների վառելիք է, որը մի օր կարող է օգտագործվել արդյունաբերական մասշտաբով էլեկտրաէներգիա արտադրելու համար։
