Изотопы водорода реферат по химии

Обновлено: 28.06.2024

Водород (Hudrogenium) был открыт в первой половине XVI века немецким врачом и естествоиспытателем Парацельсом. В 1776 г. Кавендиш (Англия) установил его свойства и указал отличия от других газов. Водород имеет три изотопа: протий ¹Н, дейтерий ²Н или D, тритий ³Н или Т. Их массовые числа равны 1, 2 и 3. Протий и дейтерий стабильны, тритий – радиоактивен (период полураспада 12,5 лет). В природных соединениях дейтерий и протий в среднем содержатся в отношении 1:6800 (по числу атомов). Тритий в природе находится в ничтожно малых количествах.

Ядро атома водорода ¹Н содержит один протон. Ядро дейтерия и трития включают не только протон, но и один, два нейтрона. Молекула водорода состоит из двух атомов. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу водорода:

Энергия ионизации атома, эВ 13,60

Сродство атома к электрону, эВ 0,75

Относительная электроотрицательность 2,1

Радиус атома, нм 0,046

Межъядерное расстояние в молекуле, нм 0,0741

Стандартная энтальпия диссоциации молекул при 25ºС436,1

2. Водород. Положение водорода в периодической таблице Д.И. Менделеева.

В самом конце XVIII и в начале XIХ века химия вступила в период установления количественных закономерностей: в 1803 году был сформулирован закон кратных отношений (вещества реагируют между собой в весовых отношениях, кратных химическим эквивалентам), а в 1814 году опубликована первая в истории химической науки таблица относительных атомных весов элементов. В этой таблице на первом месте оказался водород, а атомные массы других элементов выражались числами, близкими к целым.

Особое положение, которое с самого начала занял водород, не могло не привлечь внимания ученых, и в 1841 году химики смогли ознакомиться с теорией Уильяма Праута, развившего теорию Древнегреческих философов о единстве мира и предположившего, что все элементы образованы из водорода как из самого легкого элемента. Прауту возражал Й.Я. Берцелиус, как раз занимавшийся уточнением атомных весов: из его опытов следовало, что атомные веса элементов не находятся в целочисленных отношениях к атомному весу водорода. Но, возражали сторонники Праута, атомные веса определены еще недостаточно точно и в качестве примера ссылались на эксперименты Жана Стаса, который в 1840 году исправил атомный вес углерода с 11,26 (эта величина была установлена Берцелиусом) на 12,0.

И все же привлекательную гипотезу Праута пришлось на время оставить: вскоре тот же Стас тщательными и не подлежащими сомнению исследованиями установил, что, например, атомный вес хлора равен 35,45, т. е. никак не может быть выражен числом, кратным атомному весу водорода.

Но вот в 1869 году Дмитрий Иванович Менделеев создал свою периодическую классификацию элементов, положив в ее основу атомные веса элементов как их наиболее фундаментальную характеристику. И на первом месте в системе элементов, естественно, оказался водород.

С открытием периодического закона стадо ясно, что химические элементы образуют единый ряд, построение которого подчиняется какой-то внутренней закономерности. И это не могло вновь не вызвать к жизни гипотезу Праута, — правда, в несколько измененной форме: в 1888 году Уильям Крукс предположил, что все элементы, в том числе и водород, образованы путем уплотнения некоторой первичной материи, названной им протилом. А так как протил, рассуждал Крукс, по-видимому, имеет очень малый атомный вес, то отсюда понятно и возникновение дробных атомных весов.

Увы, атому предвидению великого ученого не было суждено сбыться. Но Менделеев был прав в том отношении, что элементы не построены из тождественных частиц: мы знаем теперь, что они построены из протонов, нейтронов и электронов.

Но позвольте, воскликнете вы, ведь протон — это ядро атома водорода. Значит Праут был все-таки прав? Да, он действительно был по-своему прав. Но это была, если можно так выразиться, преждевременная правота, потому что в то время ее нельзя было ни по-настоящему подтвердить, ни по-настоящему опровергнуть.

Впрочем, сам водород сыграл в истории развития научной мысли еще немалую роль. В 1913 году Нильс Бор сформулировал свои знаменитые постулаты, объяснившие на основе квантовой механики особенности строения атома и внутреннюю сущность закона периодичности. И теория Бора была признана потому, что рассчитанный на ее основе спектр водорода полностью совпал с наблюдаемым.

3. Водород в природе.

Водород встречается в свободном состоянии на Земле лишь в незначительных количествах. Иногда он выделяется вместе с другими газами при вулканических извержениях, а также из буровых скважин при добычи нефти. Но в виде соединений водород весьма распространен. Это видно уже из того, что он составляет девятую часть массы воды. Водород входит в состав всех животных и растительных организмов, нефти, каменного и бурого углей, природных газов и ряда минералов. На долю водорода из всей массы земной коры, считая воду и воздух, приходится около 1%. Однако при пересчете на проценты от общего числа атомов содержание водорода в земной коре 17%.

Водород самый распространенный элемент космоса. На его долю приходится около половины массы Солнца и большинства других звезд. Он содержится в газовых туманностях, в межзвездном газе, входит в состав звезд. В недрах звезд происходит превращение ядер атомов водорода в ядра атомов гелия. Этот процесс протекает с выделением энергии; для многих звезд, в том числе для Солнца, он служит главным источником энергии. Скорость процесса, т. е. количество ядер водорода, превращающихся в ядра гелия в одном кубическом метре за одну секунду, мала. Поэтому и количество энергии, выделяющейся за единицу времени в единице объема, мало. Однако, вследствие огромности массы Солнца, общее количество энергии, генерируемой и излучаемой Солнцем, очень велико. Оно соответствует уменьшению массы Солнца приблизительно на 4 млн. т в секунду.

4. Получение водорода.

Наиболее старый способ получения водорода - электролиз воды, при котором, пропуская постоянный ток, на катоде накапливают водород, а на аноде - кислород. Такая технология делает его слишком дорогим энергоносителем. Поэтому пока водород используется только для запуска космических аппаратов с водородно-кислородными двигателями. Чаще для получения водорода используют технологию горячей переработки водяного пара при температуре 700-900 °С с участием легкого бензина и тяжелого жидкого топлива, отбирающего кислород. Это тоже дорогой способ. Существует несколько проектов дешевого получения водорода. Например, предлагается построить в Гренландии несколько грандиозных электростанций, которые будут использовать талую воду ледников для производства электроэнергии, а энергия будет на месте затрачиваться на электролиз для получения водорода, его сжижения и транспортировку по трубопроводам и в танкерах в Европу и Америку. Другие проекты - использование энергии атомных и специальных солнечных электростанций для получения водорода путем электролиза воды.

Однако сама природа дает рецепт для получения водорода без огромных затрат энергии. На поверхности частиц взвесей в воде существуют адсорбированные и закрепленные на поверхности ферменты с высокой специфичностью каталитического действия. Они способны расщеплять одну-единственную связь в одном из веществ при очень высокой активности в обычных условиях. Иммобилизованные ферменты могут быть использованы для получения водорода. Представьте себе горсть порошка с иммобилизованным на частицах ферментом. Порошок засыпают в банку с водой, стоящую на солнце, и в ней начинается активное выделение водорода. Уже делаются попытки создания такого

Возможен также микробиологический способ получения водорода. В почве существует ряд микроорганизмов, которые выделяют водород в виде побочного продукта. В случае решения задачи дешевого получения водородного топлива и разработки технологии его накопления, хранения и транспортировки человечество получит неиссякаемый источник экологически чистого энергоносителя, встроенного в естественную систему круговорота воды. Наиболее старый способ получения водорода - электролиз воды, при котором, пропуская постоянный ток, на катоде накапливают водород, а на аноде - кислород. Такая технология делает его слишком дорогим энергоносителем. Поэтому пока водород используется только для запуска космических аппаратов с водородно-кислородными двигателями. Чаще для получения водорода используют технологию горячей переработки водяного пара при температуре
700-900 °С с участием легкого бензина и тяжелого жидкого топлива, отбирающего кислород. Это тоже дорогой способ. Существует несколько проектов дешевого получения водорода. Например, предлагается построить в Гренландии несколько грандиозных электростанций, которые будут использовать талую воду ледников для производства электроэнергии, а энергия будет на месте затрачиваться на электролиз для получения водорода, его сжижения и транспортировку по трубопроводам и в танкерах в Европу и Америку. Другие проекты - использование энергии атомных и специальных солнечных электростанций для получения водорода путем электролиза воды.

5. Так кто же виноват в нашей смерти?

6. Водород и Вселенная.

Эта реакция начинается при десяти миллионах градусов и протекает за ничтожные доли секунды при взрыве термоядерной бомбы, причем выделяется гигантское' по масштабам Земли количество энергии.

Водородные бомбы иногда сравнивают с Солнцем. Однако мы уже видели, что на Солнце идут медленные и стабильные термоядерные процессы. Солнце дарует нам жизнь, а водородная бомба — сулит смерть.

Но когда-нибудь настанет время,— и это время не за горами,—когда мерилом ценности станет не золото, а энергия. И тогда изотопы водорода спасут человечество от надвигающегося энергетического голода: в управляемых термоядерных процессах каждый литр природной воды будет давать столько же энергии, сколько ее дают сейчас триста литров бензина. И человечество будет с недоумением вспоминать, что было время, когда люди угрожали друг другу животворным источником тепла и света.

Список использованной литературы:

1. Большой энциклопедический словарь

4. Учебное пособие для химико-технологических специальных ВУЗов

Каждую секунду Солнце излучает в космическое пространство энергию, эквивалентную примерно 4 млн. т массы. Эта энергия рождается в ходе слияния четырех ядер водорода, протонов, в ядро гелия. На Земле такую реакцию ещё никто не наблюдал: она идёт при температуре и давлении, существующих лишь в недрах звезд и еще не освоенных человеком. Наше Солнце, по меньшей мере, наполовину состоит из водорода. Всего на Солнце обнаружено 69 химических элементов, но водород преобладает. Его в 5,1 раза больше, чем гелия, и в 10 тыс. раз (не по весу, а по числу атомов) больше, чем всех металлов, вместе взятых - этот водород расходуется не только на производство энергии. В ходе термоядерных процессов из него образуются новые химические элементы, а ускоренные протоны выбрасываются в околосолнечное пространство.

Содержание

ВВЕДЕНИЕ 3
ГЛАВА 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВОДОРОДА 6
ГЛАВА 2. ИЗОТОПЫ ВОДОРОДА 8
2.1.ПРОТИЙ 8
2.2.ДЕЙТЕРИЙ 8
2.3.ТРИТИЙ 14
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 22
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 23

Прикрепленные файлы: 1 файл

курсовая.docx

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВПО «Чувашский государственный педагогический университет

кафедра химии и биосинтеза

ЗАРИПОВА АЛИНА ФЕРИТОВНА

Изотопы водорода и свойства его соединений

факультет естествознания и дизайна среды

Научный руководитель: доцент, Ю. Ю. Пыльчикова

Результат _______________ Ю. Ю. Пыльчикова

(удовлетворительно, хорошо, отлично)

д-ор хим. наук, профессор Ю. Н. Митрасов

Конечно, современная жизнь на Земле возникла при определенном потенциале кислорода. Но если быть объективным, то началом всех начал на нашей планете мы обязаны водороду. Именно динамический цикл водорода, процесс его поступления из недр Земли, а не углерода, как было принято считать раньше, и стал источником зарождения жизни на Земле.

Сейчас в земной коре из каждых 100 атомов 17 - это атомы водорода. Но свободного водорода на Земле практически не существует: он входит в состав воды, минералов, угля, нефти, живых существ. Только вулканические газы иногда содержат немного водорода, который в результате диффузии рассеивается в атмосфере. А так как средняя скорость теплового движения молекул водорода из-за их малой массы очень велика - она близка ко второй космической скорости, – то из слоев атмосферы эти молекулы улетают в космическое пространство.

Таким образом, наряду с кислородом (O) и углеродом (C) водород образует структурную и функциональную основы явлений жизни.

Водород используется в производстве аммиака, метанола, хлороводорода, для гидрирования растительных жиров (при выработке маргарина), также для восстановления металлов (молибдена, вольфрама, индия) из оксидов. Водород-кислородным пламенем (3000°С) сваривают и режут тугоплавкие металлы и сплавы. Жидкий водород служит ракетным топливом. При гидрогенизации угля и нефти бедные водородом низкосортные виды топлива превращаются в высококачественные. Водород используют для охлаждения мощных генераторов электрического тока, а его изотопы находят применение в атомной энергетике. Почти в каждой домашней аптечке имеется пузырек 3%-ого раствора перекиси водорода Н2О2. Его используют для дезинфекции ран, остановке кровотечений.

Водород повсюду, поэтому более глубокое освещение данной темы поможет каждому человеку понять сущность многих явлений в его жизни. Этим и обусловлена актуальность рассматриваемой темы курсовой работы,

Итак, целью представленной курсовой работы является - исследовать такой вопрос как изотопы водорода и свойства его соединений.

Поставленная цель раскрывается через следующие задачи:

дать общую характеристику водорода;
кратко рассмотреть такой изотоп водорода как протий;
охарактеризовать дейтерий и рассмотреть его соединения;
охарактеризовать тритий и также рассмотреть его соединения;
подвести итоги проделанной работы.

Глава 1. Общая характеристика Водорода

Водород — наиболее распространенный элемент во Вселенной. Он обычен и на Земле: занимает третье место в ряду по распространенности (после кислорода и кремния). На водород в химически связанной форме приходится около 15,4% всех атомов в земной коре и океанах. По массе это девятый по распространенности элемент (0,9%) и десятый (0,15%), если рассматривать только горные породы земной коры. Фактически водород образует больше химических соединений, чем любой другой элемент, включая углерод.

Массы атомов у изотопов водорода различаются между собой очень сильно (в разы). Это приводит к заметным различиям в их поведении в физических процессах (дистилляция, электролиз и др.) и к определенным химическим различиям (различия в поведении изотопов одного элемента называют изотопными эффектами, для водорода изотопные эффекты наиболее существенны). Поэтому в отличие от изотопов всех остальных элементов изотопы водорода имеют специальные символы и названия. Водород с массовым числом 1 называют легким водородом, или протием (лат. Protium, от греческого protos - первый), обозначают символом Н, а его ядро называют протоном, символ р. Водород с массовым числом 2 называют тяжелым водородом, дейтерием (лат Deuterium, от греческого deuteros - второй), для его обозначения используют символы 2Н, или D ядро d - дейтрон. Радиоактивный изотоп с массовым числом 3 называют сверхтяжелым водородом, или тритием (лат. Tritum, от греческого tritos - третий), символ 3Н или Т, ядро t - тритон.

Глава 2. Изотопы водорода

Обычный водород, протий (1H) всегда представляет собой протон, вокруг которого вращается один электрон, находящийся от протона на огромном расстоянии (относительно размеров протона). Обе частицы обладают спином, поэтому атомы водорода могут различаться либо спином электрона, либо спином протона, либо и тем, и другим. Водородные атомы, различающиеся спином протона или электрона, называются изомерами. Комбинация двух атомов с параллельными спинами приводит к образованию молекулы "ортоводорода", а с противоположными спинами протонов - к молекуле "параводорода". Химически обе молекулы идентичны. Ортоводород имеет очень слабый магнитный момент. При комнатной или повышенной температуре оба изомера, ортоводород и параводород, находятся обычно в равновесии в соотношении 3:1. При охлаждении до 20 K (-253° C) содержание параводорода возрастает до 99%, так как он более стабилен. При сжижении методами промышленной очистки ортоформа переходит в параформу с выделением теплоты, что служит причиной потерь водорода от испарения. Скорость конверсии ортоформы в параформу возрастает в присутствии катализатора, например древесного угля, оксида никеля, оксида хрома, нанесенного на глинозем.

Протий - необычный элемент, так как в ядре его нет нейтронов. Он составляет 99,9885 ±0,0070% от общего числа атомов водорода во Вселенной и является наиболее распространённым нуклидом в природе среди изотопов всех химических элементов.

Дейтерий, тяжёлый водород (D и 2H) - стабильный изотоп водорода с атомной массой, равной 2. Ядро (дейтрон) состоит из одного протона и одного нейтрона. Природное содержание - 0,0115 ± 0,0070 %. Дейтерий был открыт в 1932 г. американским физико-химиком Г. Юри. После того как дейтерий был обнаружен спектроскопически, Эдвард Уошберн предложил разделять изотопы водорода электролизом.

Дейтерий - верный спутник протия. Там, где есть природная вода или другие водородные соединения, там есть и дейтерий. Основная масса водорода, имеющаяся в природе, входит составной частью в молекулы различных химических соединений. Вместе с углеродом и другими элементами водород образует сложные молекулы живых организмов, нефти, природных газов и так далее. Но самым распространенным химическим соединением водорода является его соединение с кислородом - вода. В воде содержится повесу 11,11% водорода. При разложении воды его выделяется по объему в два раза больше, чем кислорода. Общее количество воды на Земле, исчисляемое в тоннах, выражается числом с пятнадцатью нулями. Примерно десятую часть от этого количества составляет протий и две стотысячных части - дейтерий. Таким образом, на нашей планете только в воде содержится несколько десятков миллиардов тонн дейтерия.

Дейтерий может быть выделен из любого вещества, который имеет в своем составе водород. Но так как в заметных количествах дейтерий нигде в природе не концентрируется, то для его получения предпочтительнее использовать самое распространенное, легкодоступное и дешевое сырье - обычную воду. Из природной воды можно выделить сначала тяжелую воду, а из нее, например, путем разложения электрическим током получить дейтерий. Но выделить из огромной массы природной воды содержащиеся в ней крохотные количества тяжелой воды очень трудно. Надо переработать тысячу литров воды, чтобы получить всего с полстакана этого драгоценного вещества.

Самый ранний и, по-видимому, лучший метод получения дейтерия - разложение природной воды электрическим током. Основой этому методу послужило наблюдение Юри и Уошберна, которые заметили, что тяжелая вода разлагается электрическим током труднее на дейтерий и кислород, чем обычная вода на протий и кислород. Поэтому к концу электролиза в оставшейся жидкости концентрация тяжелой воды должна увеличиваться. В производственных условиях электролиз ведут в специальных ваннах. В них протекают те же процессы, что и в маленьком сосуде, в котором химик разлагает воду при анализе. К погруженным внутрь ванны электродам подводится постоянный (одного направления) электрический ток, достигающий тысячи и более ампер, но малого напряжения (всего 2,5 - 3,5В). В ванну наливается обычная вода. Для повышения ее электропроводности добавляется щелочь. Когда основная масса воды разложится, электролиз прекращают. В небольшом количестве оставшейся после электролиза жидкости концентрация тяжелой воды повышается в несколько раз. Чтобы получить чистую тяжелую воду, надо первоначальный объем воды уменьшить в несколько тысяч раз. По мере увеличения концентрации тяжелой воды на электродах наряду с протием выделяется все большее и большее количество дейтерия. Таким образом, на практике одна и та же порция воды многократно подвергается электролизу. Все это связано с большим расходом энергии. На производство одного килограмма тяжелой воды приходится затрачивать свыше 130 000 киловатт-часов электроэнергии. Этой энергии хватило бы для 100-ваттной электрической лампы на 150 лет непрерывного горения.

Температура плавления дейтерия- 254,5 ºC, а температура кипения – 249,5 ºC. Дейтерий растворяется в жидкостях (например, в бензоле, толуоле, октане, гептане, ССl4, CS2) лучше, чем газообразный водород, причем это различие возрастает с понижением температуры.

Молекула D2 может находиться в орто- и пара-состояниях. Ортодейтерий (o-D) имеет параллельную (одного знака) ориентацию ядерных спинов, а парадейтерий (п-D2) - антипараллельную. Это обусловливает различие магнитных, оптических и термических свойств различных модификаций дейтерия. При обычных условиях дейтерий (нормальный н - D2) представляет собой смесь 2/3 орто- и 1/3 пара-модификаций, которые могут взаимно превращаться друг в друга (орто-пара-превращение). Самопроизвольное орто-пара-превращение дейтерия при низких температурах происходит очень медленно, что позволяет получить жидкий дейтерий, близкий по составу к нормальному. Орто - пара-превращение ускоряется в присутствии катализаторов (Fe, Сr, Со, Мn, Pd).

ВОДОРОДА ИЗОТОПЫ и тяжелая вода . Открытие и разделение изотопов водорода . Тяжелый изотоп водорода с атомной массой 2 представляет совершенно исключительный интерес по сравнению с изотопами других элементов вследствие громадной относительной разности в массах тяжелого и обыкновенного водорода (их массы относятся, как 2:1). Большая разница в массах обусловливает и резкое различие в свойствах. Открыт тяжелый изотоп водорода в начале 1932 г. американскими физиками Юрей, Брикведе и Мерфи при изучении атомного спектра водорода. Блекней и Гуд, пользуясь масспектрографическим методом для определения содержания тяжелого изотопа в обычном водороде, получили отношение, равное 1:5000. В конце 1932 г. Юрей и Уошберн высказали предположение, что в процессе электролиза тяжелый изотоп выделяется при более высоком катодном потенциале, чем обычный водород. Отсюда был сделан вывод, что выделяющийся при электролизе водород состоит преимущественно из легкого изотопа, а электролит, остающийся неразложенным, обогащается тяжелым водородом.

Строение и свойства тяжелого изотопа . По Резерфорду и ряду других авторов ядро дейтерия построено из протона и нейтрона. Атомный вес дейтерия по определению Бейнбриджа, который применил весьма уточненный масспектрографический метод, равен 2,01363 при Н 1 , равном 1,007775. Сопоставление процессов, имеющих место при бомбардировке ядер других элементов протонами и дейтонами, дает интересный материал для проблем, связанных со строением атомного ядра. Кокрофт и Уолтон показали, например, что при бомбардировке лития быстрыми протонами процесс идет по схеме:

По Резерфорду и Олифанту дейтоны разлагают литий значительно легче, причем имеют место следующие процессы:

(Li 6 и Li 7 - изотопы лития с массами 6 и 7, n 1 - нейтрон). Эти же авторы, бомбардируя дейтонами содержащие дейтерий соединения, например, (ND₄)₂SО₄, обнаружили следы нового изотопа водорода с атомной массой 3. По Блекнею, Лозиру и Смиту верхний предел содержания этого изотопа в обычном водороде равен 1:10 9 . Подобно обычному водороду дейтерий является смесью двух модификаций молекул: орто- (oD₂) и парадейтерия (pD₂). Брикведе и Юрей, а также Льюис и Гансон определили упругости паров дейтерия:

Данные приведены в таблице 1.

Реакции тяжелого изотопа водорода . Дейтерий нашел широкое применение в качестве индикатора ряда химических обменных реакций, изучение которых прежде было недоступно. Как показал Льюис, если в воде, содержащей некоторое количество дейтерия, растворить аммиак, а затем его откачать, то по уменьшению плотности воды можно судить о том, что произошло распределение дейтерия между молекулами аммиака и воды. Согласно исследованиям Бонгефера при растворении виноградного сахара в воде, содержащей дейтерий, имеет место распределение последнего между молекулами воды и гидроксильными группами сахара. Однако наиболее замечательным оказалось наблюдение, сделанное Олифантом и разработанное Гориути и Поляни. Если перемешивать водород, обогащенный дейтерием, с обычной водой в присутствии платиновой черни, то происходит обмен между атомами газообразного водорода и воды. Об этом процессе также удается судить по тому факту, что содержание дейтерия в газовой смеси уменьшается, плотность же воды соответственным образом возрастает. Гориути и Поляни показали также, что если в присутствии никелевого катализатора нагревать обогащенную дейтерием воду с бензолом, то при этом наблюдается распределение атомов дейтерия между водой и бензолом. Это в свою очередь свидетельствует о существовании обменной реакции между атомами водорода воды и бензола. Остановимся еще на том, какую важную роль дейтерий может играть в проблемах, связанных со структурой органических соединений. Паксу сравнил мутаротацию α-d-глюкозы в обычной и тяжелой воде. Оказалось, что этот процесс протекает во втором случае значительно медленнее, чем в первом. Т. о. этот факт подтверждает точку зрения, что мутаротация сахаров объясняется передвижением лабильного водородного атома, который в данном случае замещается дейтерием.

Тяжелая вода и ее свойства . Получен ряд соединений как неорганических, так и органических, в которых Н 1 заменен на D. Все эти соединения обладают рядом новых свойств. Из всех соединений дейтерия наиболее изучена тяжелая вода D₂O, которая по своим свойствам резко отличается от обычной воды. В табл. 2 сопоставлен ряд важнейших свойств тяжелой и обыкновенной воды.

В табл. 3 помещены результаты, полученные Льюисом и Макдональдом при сравнении упругостей пара тяжелой р₂ и обычной р₁ воды для различных температур.

Льюис и Дуди измерили эквивалентные электропроводности КСl и НСl в тяжелой воде. Результаты этих измерений приведены в табл. 4.

χ(КСl) обозначает отношение эквивалентной электропроводности КСl в обычной воде к таковой в тяжелой; χ(НСl) - то же самое для НСl. Подвижности ионов Н ∙ , К ∙ , Сl ∙ в тяжелой воде, вычисленные этими же авторами, равны 213,7; 54,5; 55,3. Соответствующие величины в обычной воде равны 315,2; 64,2; 65,2. Тейлор, Келей и Эйринг нашли, что растворимость солей в тяжелой воде ниже, чем в обычной (табл. 5).

Очень интересно действие тяжелой воды на биологические объекты. По опытам Льюиса семена табака не прорастают в воде с 100%-ным содержанием дейтерия; в воде с 50% дейтерия прорастание идет в два раза медленнее, чем в обыкновенной воде, причем получаются уродливые образования.

Паксу показал, что дрожжи ферментируют глюкозу в тяжелой воде в 9 раз медленнее, чем в обычной. Тейлор, Свингль, Эйринг и Фрост изучили действие тяжелой воды на водные организмы. В качестве объектов были взяты головастик зеленой лягушки (Rana clamitans), аквариумные рыбки (Lebistes reticulatus), плоские черви (Planaria maculata) и наконец, из простейших - парамеций (Paramaecium caudatum). Вода, содержащая 92% дейтерия, вызывала смерть этих организмов, причем головастики гибли через 1 ч., рыбки - через 2 ч., черви - через 3 ч. и наконец, парамеций - через 48 ч. В контрольных опытах с этими же животными в обыкновенной дистиллированной воде и в воде с содержанием 30% дейтерия не было обнаружено какого-либо вредного влияния на их жизнедеятельность. Из этих примеров ясно, что значение дейтерия очень велико не только для изучения химических и физических проблем, но также крайне существенно и для биологии.

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.

Читайте также: