Свойства и применение изотопов водорода 11 класс кратко

Обновлено: 11.05.2024

Водород образует три изотопа с массовыми числами 1, 2, 3:

Впервые дейтерий был получен в виде тяжелой воды D₂O путем электролиза природной воды.

Тяжелая вода D₂O – вода, образованная атомами дейтерия. По своим физико-химическим свойствам отличается от Н₂О:

Н₂О	D₂O
°С	3,83
°С	101,42
1 (при 20 ºС)	1,1053 (при 20 ºС)

В настоящее время дейтерий получают из природной смеси путем изотопного обмена между водой и сероводородом: . Для получения 1 л тяжелой воды требуется 41 т воды и 135 т сероводорода.

Химические реакции в тяжелой воде протекают медленнее, по сравнению с обычной водой, водородные связи с участием дейтерия несколько сильнее обычных. Тяжёлая вода токсична. Тяжелая вода оказывает губительное действие на животных и человека. Например, замена 1/3 Н₂О на D₂O приводит к бесплодию, нарушению углеводного баланса и анемии.

Однако некоторые микроорганизмы способны жить в 70%-ной тяжёлой воде (простейшие) и даже в чистой тяжёлой воде (бактерии). Человек может без видимого вреда для здоровья выпить стакан тяжёлой воды, весь дейтерий будет выведен из организма через несколько дней. В этом отношении тяжёлая вода менее токсична, чем, например, поваренная соль.

Тяжелая вода является промышленным продуктом и доступна в больших количествах. Производство тяжёлой воды очень энергоёмко, поэтому её стоимость довольно высока (ориентировочно 200 – 250 долларов за кг).

Ядра дейтерия имеют спин ядра равный 1, с этим связано использование тяжелой воды и других дейтерированных растворителей (дейтерохлороформ CDCl₃) в спектроскопии ядерного магнитного резонанса. Тяжелая вода находит применение в ядерной технике в качестве замедлителя быстрых нейтронов, поскольку она быстро понижет энергию нейтронов ядерного деления, а также вследствие того, что дейтерий имеет низкое сечение захвата нейтронов (не поглощает нейтроны), чем водород, и, следовательно, заметно уменьшает нейтронный поток.

Дейтерий широко применяют при изучении механизмов реакции и при кинетических исследованиях.

От других изотопов тритий отличается тем, что он радиоактивен. В природе тритий встречается в очень малых количествах. Естественное содержание трития – 1 атом на 10 18 атомов водорода, это результат ядерных реакций, протекающих вод действием космических лучей в верхних слоях атмосферы:

После испытаний термоядерного оружия (1954 г.) концентрация трития увеличилась в сотни раз, но в настоящее время она упала в результате запрета на испытания ядерного оружия в атмосфере. Низкое содержание трития в земной коре объясняется и его радиоактивностью с периодом полураспада 12,35 года . В последние годы основным источником техногенного трития в окружающей среде стали атомные электростанции, которые ежегодно выделяют несколько десятков килограммов трития.

В настоящее время тритий получают в ядерных реакторах при облучении лития нейтронами: .

Литий используют в виде сплава с магнием или алюминием, который удерживает в себе много трития, который освобождается при растворении облученного сплава в кислоте.

Прим. Наиболее удобный способ хранения трития состоит в превращении его в UT₃ по реакции с мелко раздробленным ураном. Из данного соединения тритий легко освобождается при нагревании выше 400 ºС.

Тяжелая вода на основе трития T₂O обладает сильной радиоактивностью. Поэтому обычно используют разбавленные растворы, содержащие 1% тритиевой воды. Тритий является чистым β-излучателем без примеси γ-компоненты, поэтому он относительно безопасен, так как β-частицы обладают низкой проникающей способностью, поэтому задерживаются листом бумаги или слоем воздуха в 3 мм. Тритий – один из наименее токсичных радиоизотопов.

Тритий может служить радиоактивной меткой для изучения различных природных процессов. Анализ атмосферного трития дает ценную информацию о космических лучах. А тритий в осадочных породах может свидетельствовать о перемещениях воздуха и влаги на Земле.

Наиболее богатые природные источники трития – дождь и снег, поскольку почти весь тритий, образующийся под действием космических лучей в атмосфере, переходит в воду. Интенсивность космической радиации изменяется с широтой, поэтому осадки, например, в средней полосе России несут в несколько раз больше трития, чем тропические ливни. И совсем мало трития в дождях, которые идут над океаном, поскольку их источник – в основном та же океаническая вода, а ней трития немного.

Понятно, что глубинный лед Гренландии или Антарктиды совсем не содержит трития – он там давно успел полностью распасться. Зная скорость образования трития в атмосфере, можно рассчитать, как долго влага находится в воздухе – с момента ее испарения с поверхности до выпадения в виде дождя или снега. Оказалось, что, например, в воздухе над океаном этот срок составляет в среднем 9 дней.

Чаще всего тритий применяют как метку при изучении механизмов реакций и их кинетики.

Синтезированный тритий сравнительно дешев и находит применение в научных исследованиях и в промышленности. Широкое применение нашли тритиевые светящиеся краски, которые наносят на шкалы приборов. Эти светосоставы с точки зрения радиации менее опасны, чем традиционные радиевые. Такие светосоставы постоянного действия используют для изготовления указателей, шкал приборов и т.п. На их производство ежегодно расходуют сотни граммов трития.

Тритий присутствует и в человеческом организме. Он поступает в него с пищей, с вдыхаемым воздухом и через кожу. Интересно, что газообразный Т₂ в 500 раз менее токсичен, чем тритиевая вода Т₂О. Это объясняется тем, что молекулярный тритий, попадая с воздухом в легкие, затем быстро (примерно за 3 мин) выделяется из организма, тогда как тритий в составе воды задерживается в нем на 10 суток и успевает за это время передать ему значительную дозу радиации.

Тритий имеет важное значение в реакциях термоядерного синтеза: , протекающих при взрыве водородной бомбы.

Водород образует три изотопа с массовыми числами 1, 2, 3:

Впервые дейтерий был получен в виде тяжелой воды D₂O путем электролиза природной воды.

Н₂О	D₂O
°С	3,83
°С	101,42
1 (при 20 ºС)	1,1053 (при 20 ºС)

Дейтерий широко применяют при изучении механизмов реакции и при кинетических исследованиях.

В настоящее время тритий получают в ядерных реакторах при облучении лития нейтронами: .

Чаще всего тритий применяют как метку при изучении механизмов реакций и их кинетики.

Тритий имеет важное значение в реакциях термоядерного синтеза: , протекающих при взрыве водородной бомбы.

Известно несколько изотопов водорода: дейтерий ( 2 H) с одним протоном и одним нейтроном в ядре, тритий ( 3 H) с одним протоном и двумя нейтронами в ядре и очень неустойчивые тяжелые изотопы 4 H, 5 H, 6 H и 7 H. Ядра протия и дейтерия стабильны, а ядра трития подвергаются бета-распаду:

Предполагают, что эта реакция является главным источником изотопа гелия-3 в атмосфере.

Время жизни атомов остальных изотопов составляет ничтожные доли секунды.

Таблица изотопов водорода:

Символ	Название	Массовая доля в природной смеси в %	Т_пл. (°C)	Т_кип. (°C)	Период полураспада	Тип и энергия распада
1 H	Протий	99,9849	-259,2	-252,6	–	–
2 D ( 2 H)	Дейтерий	0,0139	-254,5	-249,5	–	–
3 T ( 3 H)	Тритий	0,0012	-252,2	-248,1	12,33 года	ß – , 18,591 кэВ
4 H	–	–	–	–	1,39·10 -22 с	-n, 23,48 МэВ
5 H	–	–	–	–	9,1·10 -22 с	-nn, 21,51 МэВ
6 H	–	–	–	–	2,90·10 -22 с	-3n, 24,27 МэВ
7 H	–	–	–	–	2,3·10 -23 с	-nn, 23,03 МэВ

Содержание изотопов водорода в природе:

Массовая доля (в %) в природной смеси:

1 H – 99,9849 2 H – 0,0139 3 H – 0,0012

Количественные соотношения между изотопами водорода H : D : T могут быть представлены как 1 : 1,46·10 -5 : 4,0·10 -15

Нормальный изотопный состав природных соединений водорода соответствует отношению D : H=1 : 6800

Содержание трития в атмосферном водороде составляет 4·10 -15 % (мольные доли) и в атмосферных осадках ~3·10-18 % (мольные доли). Очевидно, он образуется в результате ядерных реакций, вызванных действием космических лучей.

Получение изотопов водорода

Дейтерий.
Впервые был получен в значительных количествах в виде тяжелой воды D₂O путем электролиза природной воды. При электролизе воды разряд H + происходит значительно быстрее, чем D + , поэтому в остатке после разложения электролизом большого количества воды накапливается D₂O. Этот использовался большую часть XX века.

В настоящее время дейтерий получают ректификацией жидкого водорода и пот так называемому двухтемпературному сероводородному методу, в основе которого лежит реакция изотопного обмена:

Константа равновесия которой при 30 и 120 °C равна соответственно 2,31 и 1,86.

Тритий синтезируют, действуя на 6 Li₃ нейтронами, получаемыми в ядерном реакторе:

Для водорода, как ни для какого другого элемента, относительное различие изотопных масс достигает значительной величины. Поэтому, несмотря на одинаковую электронную структуру, все изотопы заметно различаются не только физическими, но и химическими свойствами. Вследствие резкого преобладания протия влияние тяжелых изотопов сказывается незначительно и может быть зафиксировано лишь в очень точных экспериментах. Поэтому можно считать, что свойства природного водорода соответствуют свойствам чистого протия.

Небольшие различия свойств, называемые изотопным эффектом, обусловлены различием масс изотопных атомов, которое в первую очередь сказывается на частоте колебаний атомов в молекулах и твердых телах. Так, колебательная энергия молекул T₂ и D₂ меньше, чем H₂. А это, в свою очередь, сказывается на термодинамических свойствах: теплоемкости, температуре плавления и кипения, энтальпии плавления и испарения, давлении насыщенного пара и т.д. Так, D₂ по сравнению с обычным водородом обладает меньшей теплоемкостью, теплопроводностью и скоростью диффузии. Таким образом, для изотопных соединений характерна термодинамическая неравноценность, а, следовательно, неравноценность активных комплексов при химических реакциях, в результате чего имеет место различие в скоростях протекания реакций, т.е. наблюдается кинетический изотопный эффект. Он выражается отношением констант скоростей химических реакций для различных изотопных соединений. Например, отношение констант скоростей синтеза HBr и DBr равно 5. Такие значительные отличия физических и химических свойств изотопов одного и того же элемента уникальны и не имеют аналогов в периодической системе. Все это в какой-то мере оправдывает применение для каждого изотопа водорода собственного названия (особенно для протия и дейтерия).

E_дис(H₂) = 436 кДж/моль	d_H-H = 0,07414 нм
E_дис(D₂) = 439,56 кДж/моль	d_D-D = 0,07417 нм

t°_пл(D₂O) = 3,82 °C

t°_кип(D₂O) = 101,42 °C

ρ = 1,1050 г/см 3 (20 °C)

Заметно с H₂O различаются также энтальпия растворения солей, константы диссоциации кислот и другие характеристики растворов. Реакции в D2O идут медленнее, поэтому она является биологическим ядом.

В постиндустриальную эпоху развития человечества все больше стало отдавать предпочтение новым технология получения энергии. Изотопы являются субстратом в энергетическом производстве (топливный компонент ядерного реактора). Также данные видоизменные химические атомы используются и других областях человеческой деятельности: медицина, патологическая физиология, отрасль изготовление ядерного оружия.

Что такое изотоп?
Обозначения изотопов
Изотопы водорода
Изотопы урана
Нуклиды
Изотопы галлия
Превращения изотопов
Применение радиоактивных изотопов

Что такое изотоп?

Изотопами называют видоизменные элементы периодической таблицы Менделеева, которые имеют один и тот же порядковый номер, но различную атомную массу. Название характеризует нахождение подобных структур в одной клеточке периодической таблицы с нормальными элементами (изо – равное, топ – положение, место – в переводе с английского). Состав изотопов представляет собой совокупность протонов, электронов и нейтронов (количество нейтронов обычно больше, чем в обычных элементах периодической таблицы).

Обозначения изотопов

Видоизмененные элементы периодической таблицы Менделеева обозначаются следующим образом: к символу химического элемента, к которому принадлежит изотоп, подписывается верхний левый индекс с обозначением массового числа. Так, например, изотоп кислорода, обладающий массовым числом равным восемнадцати атомных единиц, будет обозначаться следующим образом: 18 O. Имеется также другое обозначение подобных атомов (например, кислород – 18).

Изотопы водорода

Выделяют три видоизменённых атома водорода, обладающих разными массовыми числами:

протий (Н) – одна атомная единица массы;

дейтерий (D) – две атомные единицы массы;

тритий (Т) – три атомные единицы массы.

В природе чаще всего встречается протий (в 99,98 процентах случаев), именно поэтому среднее массовое число водорода будет равняться приблизительно 1 а.е.м. Стоит, отметить, что бета-распад трития составляет порядка 12 лет, после чего он переходит в форму Гелий - 3.

Отдельно необходимо выделить, видоизменённые атомы водорода, массовое число которого может колебаться в районе 4 – 7 а.е.м.

Изотопы урана

Изотопный ряд урана включает в себя изотопы, имеющие массу от 219 а.е.м. до 243 а.е.м. Элементы, обладающие наибольшей изотопной распространенностью – это уран – 235 и уран – 238.

Изотопные атомные урана с массовыми числами 235 и 238 представляют собой основной компонент для производства плутония – 239 (основного компонента ядерного оружия и ядерного топлива для реакторов нового поколения).

Нуклиды

Нуклиды подразделяются на две больших категории:

Химический элемент периодической таблицы ртуть (гидраргирум) обладает наибольшей изотопной распространенностью стабильных нуклидов. Так, стабильные нуклиды ртути – это вещества изотопного ряда гидраргиума, обладающие атомной массой от 170 а.е.м. до 219 а.е.м.

Термин нуклид (в понятии радионуклид) был предложен в двадцатом веке американцем Трумэном Команом. Радионуклиды отличаются длительным периодом полураспада, который в большинстве случаев имеет значение порядка 5*10 8 лет. Таким образом, радионуклиды населяют Землю с момента ее зарождения как планеты. В зависимости от массового числа нуклиды могут подвергать различным видам превращения, обозначим некоторые из них:

альфа-распад (для большинства радионуклидов подобный вид распада не наблюдается и из-за большого периода полураспада);

нейтронный и двухнейтронный распады.

Изотопы галлия

Изотопный ряд галлия представлен элементами, обладающими промежутком массовых числен от 49 а.е.м. до 71 а.е.м. Наиболее часто в природе встречаются следующие изотопные атомы: галлий – 69, галлий -71. Природный галлий обычно представлен смесью двух данных видоизмененных атомов, имеющих малый период полураспада (порядка 68 минут). Для представителей изотопного ряда галлия характерные следующие виды ядерных превращений:

электронный захват (наблюдается в 13% случаев);

позитронный распад (наблюдается в 87% случаев).

Превращения изотопов

Превращения изотопов могут протекать двумя способами:

при участии технологий, созданных человеком (используется в промышленности);

самопроизвольно (протекает в природе).

Выделяют следующие виды ядерных превращений, связанных со изменением атомной массы химических элементов: распад (альфа, бета, двойной бета, нейтронный, позитронный), электронный захват (происходит присоединение электрона, вследствие чего изменяется заряд и состав нуклида).

Применение радиоактивных изотопов

Изотопы химических элементов представляют собой элементы периодической таблицы Менделеева, обладающие нестабильными ядрами и свойством подвергаться различного ядерному распаду. В научной терминологии подобные атомы называют также радионуклидами. Радиоактивные изотопы применяются в различных сферах человеческой деятельности.

В сельском хозяйстве использования радиоизотопов необходимо для изучения особенностей роста, развития и функционирования корневых систем растений (такой способ изучения получил название – метод меченных атомов).

В авиастроительстве радионуклиды применяют для испытания авиационных конструкций на предмет износостойкости.

В сфере градостроительстве радиоактивные изотопы нашли свое применение как универсальные измерители плотности почвы.

В области коммунального хозяйства видоизмененные химические элементы, обладающие радиоактивной способностью, применяют в целях стерилизации постельного белья.

В текстильной промышленности радионуклиды используются для удаления электрических зарядов с поверхности одежды.

В машиностроительной отрасли радионуклиды используются для определения толщины металлического покрытия.

Особое место в этом списке занимает использование радиоактивных изотопов в химической промышленности и в сфере медицинских услуг. Так, получение различных полимерных соединений, которые составляют основу большинства современных предметов обихода, письменных принадлежностей, резиновых изделий того или иногда вида использования происходит при помощи взаимодействия y-излучения с различными химическими соединениями органической природы. В медицине радиоизотопы применяются в лечебных целях в рамках радиационной терапии (процедура, при которой под воздействием радионуклидов происходит разрушение любого типа живой ткани). Радиотерапия нашла свое применения в области лечения онкологических заболеваний (на данный момент, по эффективности радиотерапия уступает только химиотерапии, но зачастую данные способы лечения составляют две стадии одного процесса).

В заключении, стоит отметить, что научный прогресс в области получения новых видов изотопов тех или иных химических элементов не стоит на месте, поэтому возможно в будущем при помощи грамотного и целесообразного использования видоизмененных атомов можно будет лечить неизлечимые на данный момент заболеваний и строить космические корабли для покорения других планет и галактик.

Протий, наиболее распространенный изотоп водорода, состоящий из протона и электрона. Уникальный случай, это единственный стабильный изотоп без нейтрона.

Водорода с символом Н и массы атомов стандарта 1.00782504 (7) U , имеет три изотопа естественно, обозначается 1 Н, 2 Н и 3 H. Другие (из 4 H 7 H), особенно нестабильным, были синтезированы в лаборатории , но никогда наблюдается в природе.

Резюме

Мюоний

Мюоний Mu состоит из электрона и антимюона . Мюоний имеет химические свойства , которые приближаются к атому водорода и может рассматриваться в качестве самого легкого изотопа водорода, обозначаемого 0,11 H .

Водород 1 (протий)

Водород 2 (дейтерий)

Водород 3 (тритий)

3 H- известный под названием тритий имеет ядро, состоящее из протона и двух нейтронов. Это радиоактивный элементкоторый распадается на гелий 3 путем бета - распада - с периодом полураспада в 12,32 лет. Небольшие количества трития естественным образом присутствуют из-за взаимодействия космических лучей с атмосферными газами. Тритий также был выделен во время испытаний ядерного оружия . Тритий используется в термоядерном оружии , как индикатор в изотопной геологии и в некоторых осветительных устройствах с автономным питанием .

Наиболее распространенный метод производства трития - бомбардировка встречающегося в природе изотопа лития , лития 6 , нейтронами в ядерном реакторе .

Когда-то тритий широко использовался в качестве маркера в химии и биологии (но его использование стало менее распространенным). Ядерного синтеза DT тритий используется в качестве основного реагента с дейтерием , высвобождая энергию за счет потери массы , когда два ядра сливаются до очень высоких температур.

Водород 4 (квадриум)

4 H, иногда называемый квадрием, имеет ядро, состоящее из одного протона и трех нейтронов. Это очень нестабильный изотоп водорода, который был синтезирован в лаборатории путем бомбардировки трития быстрыми ядрами дейтерия . В этом эксперименте ядро трития захватывает нейтрон из быстрого ядра дейтерия. Присутствие водорода 4 было установлено путем регистрации испускания протонов. Его атомная масса 4,02781 ± 0,00011. Он распадается из-за испускания нейтронов с периодом полураспада (1,39 ± 0,10) × 10 -22 секунды.

Водород 4.1 (мюонный гелий)

Мюонный гелий ( 4,1 Н ) было создано путем замены электрона в гелии 4 для мюонов , с мюона на орбите ближе к ядру , чем электрон. Таким образом, мюонный гелий можно рассматривать как изотоп водорода, ядро которого состоит из двух нейтронов, двух протонов и мюона, с одним электроном, вращающимся вокруг ядра. Водород 4.1 может связываться с другими атомами и поэтому действует больше как атом водорода, чем как инертный атом гелия.

Водород 5

5 H - крайне нестабильный изотоп водорода. Его ядро состоит из одного протона и четырех нейтронов. Он был синтезирован в лаборатории путем бомбардировки трития быстрыми ядрами трития. В этом эксперименте ядро трития захватывает два нейтрона от другого ядра и, следовательно, становится ядром с четырьмя нейтронами. Оставшийся протон может быть обнаружен, что доказывает с помощью дедукции существование водорода 5. Он распадается в результате двойного испускания нейтронов, и его период полураспада составляет не менее 9,1 × 10 -22 секунды.

Водород 6

6 H - крайне нестабильный изотоп водорода. Его ядро состоит из одного протона и пяти нейтронов. Он распадается от тройного испускания нейтронов, а его период полураспада составляет 2,90 × 10 −22 секунды.

Водород 7

7 H - известный изотоп с самым высоким соотношением числа нейтронов и протонов ( N / Z = 6). Это также нуклид с наименьшим известным периодом полураспада (2,3 ± 0,6) × 10 -27 с . Он распадается на тритий 3 H и четыре нейтрона.

Впервые он был синтезирован в 2003 году группой российских, японских и французских ученых из RIKEN путем бомбардировки водорода 8 атомами гелия . По этой реакции шесть нейтронов гелия 8 передаются ядру водорода. Это два оставшихся протона, которые были обнаружены телескопом RIKEN, устройством, состоящим из нескольких слоев датчиков, расположенных между целью и радиусом RI циклотрона.

Реальность существования водорода 7, хотя и весьма мимолетного, была подтверждена в 2007 году наблюдением ядерного резонанса. Этот эксперимент был проведен в GANIL , Франция, путем бомбардировки мишени из углерода 12 через углерод 13 , в результате чего был получен пучок атомов гелия 8 , некоторые из которых прореагировали с углеродом 12 окружающего газа ( бутан C ₄ H ₁₀ ) по реакции 8
₂ Он + 12
₆ C → 7
₁ H + 13
₇ НЕТ.

Читайте также: