Devterij je... Opredelitev, uporaba, lastnosti

Vsi elementi imajo kot osnovno enoto atome, atom pa vsebuje tri temeljne delce: negativno nabite elektrone, pozitivno nabite protone in nevtrone nevtralnih delcev. Število protonov in nevtronov v jedru se imenuje masno število elementov, število protonov pa atomsko število. Isti elementi, katerih atomi vsebujejo enako število protonov, vendar različno število nevtronov, se imenujejo izotopi. Na primer vodik, ki ima tri izotope. To so vodik z nič nevtroni, devterij z enim nevtronom in tritij z dvema nevtronoma. Ta članek se osredotoča na izotop vodika, imenovan deuterij, znan tudi kot težki vodik.

Kaj je devterij?

Devterij je izotop vodika, ki se od vodika razlikuje za en nevtron. Vodik ima običajno le en proton, devterij pa en proton in en nevtron. Pogosto se uporablja pri cepitvenih reakcijah.

Devterij (kemijski simbol D ali ²H) je stabilen izotop vodika, ki se v naravi pojavlja v zelo majhnih količinah. Jedro devterija, imenovano deuteron, vsebuje en proton in en nevtron, medtem ko mnogo pogostejše jedro vodika vsebuje le en proton in nobenega nevtrona. Zato ima vsak atom devterija približno dvakrat večjo maso kot običajni atom vodika, zato se devterij imenuje tudi težki vodik. Voda, v kateri so običajne atome vodika nadomestili atomi devterija, se imenuje težka voda.

Ključne značilnosti

Izotopska masa devterija je 2,014102. Devterij ima stabilno razpolovno dobo, ker je stabilen izotop.

Presežna energija devterija je 13 135 720 ± 0,001 keV. Vezavna energija za jedro devterija je 2224,52 ± 0,20 keV. Devterij se združi s kisikom v D2O (2H2O), ki je znan tudi kot težka voda. Devterij je neradioaktivni izotop.

Devterij ni nevaren za zdravje, vendar jih je mogoče uporabiti za ustvarjanje jedrsko orožje. Devterija ne proizvajamo umetno, saj je naravno prisoten v velikih količinah v oceanski vodi in lahko služi več generacijam. Iz oceana ga pridobivajo s centrifugiranjem.

Težki vodik

Težki vodik je ime za katerega koli od višjih izotopov vodika, kot sta devterij in tritij. Vendar se pogosteje uporablja za devterij. Njegova atomska masa je približno 2, jedro pa vsebuje 1 proton in 1 nevtron. Zato je njegova masa dvakrat večja od mase običajnega vodika. Zaradi dodatnega nevtrona je deuterij težji od običajnega vodika, zato ga imenujemo težki vodik.

Težki vodik je leta 1931 odkril Harold Ury in za to odkritje leta 1934 prejel Nobelovo nagrado za kemijo. Jurij je napovedal razliko med parnim tlakom molekularnega vodika (H2) in ustrezne molekule z enim vodikovim atomom, zamenjanim z devterijem (HD), ter s tem možnost ločevanja teh snovi z destilacijo tekočega vodika. Devterij so našli v destilacijskem ostanku tekočega vodika. Pripravljen je bil v čisti obliki G.Н. Lewis z uporabo elektrolitske metode koncentracije. Pri elektrifikaciji vode nastane vodikov plin, ki vsebuje majhne količine devterija, zato je devterij v vodi koncentriran. Ko se količina vode z nadaljnjo elektrolizo zmanjša na približno stotisočino prvotne prostornine, nastane skoraj čisti devterijev oksid, znan kot težka voda. Ta metoda pridobivanja težke vode se je uporabljala med drugo svetovno vojno.

Etimologija in kemijski simbol

Ime "Devterij" izhaja iz grške besede deuteros, ki pomeni "drugi". To pomeni, da je devterij z atomskim jedrom, sestavljenim iz dveh delcev, drugi izotop za navadnim (ali lahkim) vodikom.

Devterij se pogosto označuje s kemijskim simbolom D. Kot izotop vodika z masnim številom 2 se predstavlja tudi kot H. Formula za devterij je 2H. Mednarodna zveza za čisto in uporabno kemijo (IUPAC) sprejema tako D kot H, čeprav je H bolj zaželen.

Kako pridobiti devterij iz vode?

Tradicionalna metoda koncentriranja devterija v vodi uporablja izotopsko izmenjavo v plinskem vodikovem sulfidu, čeprav se zdaj razvijajo boljše metode. Različne izotope vodika lahko ločimo tudi s plinsko kromatografijo in kriogeno destilacijo, ki za ločevanje izotopov izkoriščata razlike v fizikalnih lastnostih.

Devterijeva voda

Devterijeva voda, znana tudi kot težka voda, je podobna navadni vodi. Nastane s kombinacijo devterija in kisika ter se imenuje 2H2O. Devterijeva voda je bolj viskozna kot navadna voda. Težka voda je za 10,6 % gostejša od običajne vode, zato se led iz težke vode potopi v običajni vodi. Devterijeva voda je za nekatere živali strupena, druge pa lahko preživijo v težki vodi, vendar se v njej razvijajo počasneje kot v običajni vodi. Devterijeva voda ni radioaktivna. Človeško telo vsebuje približno 5 gramov devterija, ki je neškodljiv. Če težka voda pride v telo v velikih količinah (npr. približno 50 % vode v telesu postane težka), lahko povzroči motnje v delovanju celic in nazadnje smrt.

Razlike težke vode:

• Točka zmrzovanja je 3,82 °C.
• Temperatura vrelišča je 101,4 °C.
• Gostota težke vode je 1,1056 g/ml (običajne vode 0,9982 g/ml).
• pH težke vode je 7,43 (običajna voda ima pH 6,9996).
• Okus in vonj navadne in težke vode se rahlo razlikujeta.

Uporaba devterija

Znanstveniki so razvili različne načine uporabe devterija in njegovih spojin. Devterij je na primer neradioaktivni izotopski indikator za preučevanje kemijskih reakcij in presnovnih poti. Uporaben je tudi za preučevanje makromolekul z nevtronskim sipanjem. Deuterirana topila (kot je težka voda) se pogosto uporabljajo v spektroskopiji jedrske magnetne resonance (NMR), ker ta topila ne vplivajo na spektre NMR preučevanih spojin. Deuterirane spojine so uporabne tudi za femtosekundno infrardečo spektroskopijo. Devterij je tudi gorivo za reakcije jedrske fuzije, ki bi se nekoč lahko uporabljale za industrijsko proizvodnjo električne energije.