Дейтерий. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Дейтерий

Дейтерий (от греч. deuteros-второй; лат. Deuterium), D или ²H,- тяжёлый стабильный изотоп водорода с массовым числом 2; содержание в природном водороде 0,0156% (по массе). Масса 2,0141018 а. е. м. Ядро Д.- дейтрон - состоит из 1 протона и 1 нейтрона. Д. открыт в 1932 Г. Юри (H. Urey) совм. с сотрудниками спектральным методом.

Большое различие масс Д. и протия (¹H) обусловливает различие их свойств (изотопные эффекты). Так, t_кип вещества, состоящего из молекул D₂, -23,57К, межъядерное расстояние в молекуле D₂-0,07416 нм, энергия диссоциации D₂ (при OK) 439,68 кДж/моль (ср. с соответствующими значениями для H₂ в ст. Водород ).Скорости химических реакций с участием веществ, содержащих Д., могут быть в 5-10 раз выше или ниже, чем с участием таких же веществ, содержащих протий.

Д. выделяют на основе различий свойств протия и Д. Так, используют особенность изотопного обмена в системе вода - сероводород, применяют ректификацию жидкого водорода, многоступенчатый электролиз водных растворов и т. д.

Д. служит меченым стабильным индикатором при проведении разл. хим., биохим. и др. исследований. Тяжёлая вода D₂O представляет собой лучший из известных замедлителей нейтронов. В водородных бомбах используется гидрид лития ⁶LiD; при взрыве водородной бомбы протекают термоядерные реакции:

В будущем Д., возможно, станет основным ядерным топливом.

Дейтерий (тяжелый водород) D, стабильный изотоп водорода с мас. ч. 2, ат. м. 2,01416219. Ядро атома дейтерия - дейтрон состоит из одного протона и одного нейтрона, энергия связи между ними 2,23 МэВ. Поперечное сечение ядерной р-ции (n,g) 53.10^-³³ м², поперечное сечение захвата тепловых нейтронов дейтронами 15.10^-³²м² (для протонов 3.10^-²⁹м²). Молекула двухатомна, длина связи 0,07417 нм; осн. частота колебаний атомов 3118,46 см^-¹; энергия диссоциации 440 кДж/моль, константа диссоциации К = p²_D/p_D2 = 4,173.10^-⁷³ (293,15 К). С др. изотопами водорода дейтерий образует молекулы протодейтерия HD (мол. м. 3,02205) и дейтеротрития DT (мол. м. 5,03034). В прибрежной морской воде соотношение D/(D + Н) составляет (155-156).10^-⁶, в поверхностных водах - (132-151).10^-⁶, в прир. газе - (110-134).10^-⁶.
Свойства. Коэф. сжимаемости дейтерия (pV/RT)при 273,15 К: 1,0121 (2,0266 МПа), 1,0624(10,133 МПа), 1,130(20,266 МПа). С° [в Дж/(моль.К)]: 20,81 (20 К), 30,11 (100 К), 29,30 (298 К); теплопроводность 0,135 Вт/(м.К) (25 К); h 1,23.10^-² мПа.с (293,15 К). Дейтерий раств. в жидкостях (напр., в бензоле, толуоле, октане, гептане, ССl₄, CS₂) лучше, чем Н₂, причем это различие возрастает с понижением т-ры. Молекула D₂ может находиться в орто- и пара-состояниях. Ортодейтерий (o-D₂) имеет параллельную (одного знака) ориентацию ядерных спинов, а парадейтерий (п-D₂) -антипараллельную. Это обусловливает нек-рое различие магн., оптич. и термич. св-в разл. модификаций. При обычных условиях D₂ (нормальный дейтерий, н-D₂) представляет собой смесь ²/₃ орто- и ¹/₃ пара-модификаций, к-рые могут взаимно превращаться друг в друга (орто-пара-превращение). Каждой данной т-ре соответствует определенный равновесный состав (равновесный дейтерий, p-D₂). Так, доля п-D₂ составляет: 0,333 (при 300 К), 0,251 (60 К), 0,148 (40 К), 0,019 (20 К). При низких т-рах термодинамически стабилен o-D₂. Самопроизвольное орто-пара-превращение при низких т-рах происходит очень медленно, что позволяет получить жидкий дейтерий, близкий по составу к нормальному. Орто-пара-превращение ускоряется в присут. катализаторов (соед. Fe, Сr, Со, Мn, РЗЭ). Св-ва дейтерия приведены в табл. 1 и 2.
Дейтерий, протодейтерий, дейтеротритий

Ур-ние температурной зависимости давления пара над твердым и жидким дейтерием: lg 0,0075p (Па) = А - В/Т + СT (значения А, В и С приведены в табл. 3).

Теплота испарения o-D₂ (в Дж/моль): 1202,9 (24,25 К), 1029,5 (30,53 К). Твердый D₂ имеет тетрагон, объемноцентрированную решетку, а = 0,338 нм, с = 0,560 нм; т. пл. 18,73 К. Н₂ и D₂не изоморфны, обнаружена их ограниченная взаимная р-римость в твердом состоянии. При 4,2 К предельная р-римость D₂ в Н₂ ок. 10% по объему, а р-римость Н₂ в D₂ 21%. По хим. св-вам D₂ аналогичен Н₂, однако скорость р-ций при замещении Н на D заметно уменьшается, напр., при окислении орг. соед., взаимод. Н₂ с Сl₂- в 5-10 раз. При электролизе воды D₂ выделяется медленнее, чем Н₂. Важное практич. значение имеют р-ции изотопного обмена дейтерия. Константа равновесия р-ции Н₂ + D₂ D 2HD составляет: 1,345 (50 К), 2,903 (200 К), 3,44 (373,15 К), 3,80 (700 К). Осуществляют ее в присут. катализатора (Pt, Ni, РЗЭ). Для р-ции НDО_(ж) + D_2(г) D D₂О_(ж) + HD_(г) (где ж -жидкость, г - газ) константа равновесия: 3,96 (223,15 К), 2,92 (323,15 К), 2,40 (373,15 К). Для р-ции Н₂О_(ж) + HD D НDО_(ж) + Н_2(г) константа равновесия: 4,69 (223,15 К), 3,37 (323,15 К), 2,69 (373,15 К). Изотопный обмен между водой и D₂ или HD может протекать в паровой фазе в присут. катализаторов (напр., Ni) или в жидкой под давлением (из-за плохой р-римости изотопов водорода в воде) в присут. катализаторов (в т. ч. гидрофобных) в гомог. или гетерог. системе. Нек-рые р-ции изотопного обмена Н протекают очень быстро, напр., в группах ОН (щелочи, спирты) и NH (NН₃, амины). Важнейшие соед. дейтерия- тяжелая вода D₂O. Дейтериды соед., аналогичные гидридам. Большое практич. значение имеет дейтерид лития ⁶LiD - ocн. компонент заряда термоядерного (водородного) оружия. Для аналит. определения дейтерия применяют масс-спектрометрич., спектральные, хроматографич., а также денсиметрические (путем измерения плотности) методы изотопного анализа.
Получение. Дейтерий выделяют гл. обр. из тяжелой воды, напр., электролизом, р-цией с металлами. Дейтерий получают также низкотемпературной ректификацией из электролитич. водорода или азотоводородной смеси для синтеза NH₃ (водород к-рой содержит 250-300 м. д. HD). Исходный водород или азото-водородную смесь после тщательной очистки от примесей (О₂ до 10^-⁹ мольных долей, остальные газы - до 10^-⁷-10^-⁸мольных долей) сжижают и двухступенчатой ректификацией при 22-24 К выделяют конц. HD. Последний в присут. катализатора превращается в смесь Н₂ + D₂ + HD, из к-рой низкотемпературной ректификацией получают 99,8%-ный D₂. Сжиганием с воздухом или О₂ последний переводят в тяжелую воду.
Применение. Дейтерий (в виде D₂О) - замедлитель нейтронов в ядерных реакторах. Дейтроны, обычно получаемые путем ионизации атомов дейтерия, используются в качестве бомбардирующих частиц в ядерных р-циях, в частности для получения быстрых нейтронов. Дейтерий применяется также как изотопный индикатор в научных исследованиях в химии, биологии, физиологии, агрохимии и др. (в т.ч. в опытах с живыми организмами и при диагностич. исследованиях человека). Соед. дейтерия используются также при спектроскопич. исследованиях. Изделия из монокристаллов на основе KD₂PO₄применяются для создания систем управления и преобразования лазерного излучения. Дейтерий - ядерное топливо для энергетики будущего, основанной на управляемом термоядерном синтезе. В первых энергетич. реакторах такого типа предполагается осуществить р-цию D + T D He + n + 17,6 МэВ. Дейтерий открыт Г. Юри с сотрудниками в 1932.
===

Литература по дейтерию

Выделение дейтерия из водорода методом глубокого охлаждения, М., 1961;
Тупицын И. Ф., Тяжелые изотопы водорода, дейтерий и тритий, М., 1961;
Андреев Б. М., Зельвенский Я. Д., Катальников С. Г., Тяжелые изотопы водорода в ядерной технике, М., 1987 Я. Д. Зельвенский.

к библиотеке к оглавлению FAQ по эфирной физике ТОЭЭ ТЭЦ ТПОИ ТИ

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМА

Рыцари теории эфира