Alle grundstoffer har atomer som deres grundlæggende enhed, og et atom indeholder tre fundamentale partikler, som er negativt ladede elektroner, positivt ladede protoner og neutroner af neutrale partikler. Antallet af protoner og neutroner til stede i kernen kaldes masseantallet af grundstoffer, og antallet af protoner kaldes atomnummeret. De samme grundstoffer, hvis atomer indeholder det samme antal protoner, men forskellige antal neutroner, kaldes isotoper. Et eksempel er brint, som har tre isotoper. Dette er brint med nul neutroner, deuterium, der indeholder en neutron, og tritium - det indeholder to neutroner. Denne artikel vil fokusere på en isotop af brint kaldet deuterium, også kendt som tung brint.
Hvad er deuterium?
Deuterium er en isotop af brint, der adskiller sig fra brint med én neutron. Typisk har brint kun én proton, mens deuterium har én proton og én neutron. Det er meget brugt i reaktionerdivision.
Deuterium (kemisk symbol D eller ²H) er en stabil isotop af brint, der findes i naturen i ekstremt små mængder. Deuteriumkernen, kaldet deuteronet, indeholder én proton og én neutron, mens den meget mere almindelige brintkerne kun indeholder én proton og ingen neutroner. Derfor har hvert atom af deuterium en masse, der er omkring det dobbelte af et almindeligt brintatom, og deuterium kaldes også tungt brint. Vand, hvori almindelige brintatomer er erstattet af deuteriumatomer, kaldes tungt vand.
Nøglefunktioner
Isotopisk masse af deuterium - 2, 014102 enheder. Deuterium har en stabil halveringstid, fordi det er en stabil isotop.
Deuteriums overskudsenergi er 13.135.720 ± 0.001 keV. Bindingsenergien for deuteriumkernen er 2224,52 ± 0,20 keV. Deuterium kombineres med ilt og danner D2O (2H2O), også kendt som tungt vand. Deuterium er ikke en radioaktiv isotop.
Deuterium er ikke sundhedsfarligt, men kan bruges til at skabe atomvåben. Deuterium fremstilles ikke kunstigt, da det er naturligt rigeligt i havvand og kan tjene mange generationer af mennesker. Det udvindes fra havet ved hjælp af en centrifugeringsproces.
Tung brint
Tung brint er navnet på enhver af de højere isotoper af brint, såsom deuterium og tritium. Men oftere bruges det til deuterium. Dens atommasse eromkring 2, og dens kerne indeholder 1 proton og 1 neutron. Dens masse er således dobbelt så stor som normal brint. Den ekstra neutron i deuterium gør den tungere end normal brint, og derfor kaldes den tung brint.
Tung brint blev opdaget af Harold Urey i 1931 - denne opdagelse blev tildelt Nobelprisen i kemi i 1934. Urey forudsagde forskellen mellem damptrykket af molekylært brint (H2) og det tilsvarende molekyle med ét brintatom erstattet af deuterium (HD), og dermed muligheden for at adskille disse stoffer ved destillation af flydende brint. Deuterium blev fundet i remanensen fra destillationen af flydende brint. Det blev tilberedt i sin rene form af G. N. Lewis ved hjælp af den elektrolytiske koncentrationsmetode. Når vand elektrificeres, dannes der brintgas, som indeholder en lille mængde deuterium, så deuteriumet koncentreres i vandet. Når mængden af vand reduceres til omkring hundrede tusindedele af dets oprindelige volumen ved fortsat elektrolyse, tilvejebringes næsten rent deuteriumoxid, kendt som tungt vand. Denne metode til fremstilling af tungt vand blev brugt under Anden Verdenskrig.
Etymologi og kemisk symbol
Navnet "deuterium" kommer fra det græske ord deuteros, som betyder "anden". Dette indikerer, at med en atomkerne bestående af to partikler, er deuterium den anden isotop efter almindeligt (eller let) brint.
Deuterium betegnes ofte med kemikalietsymbol D. Som en isotop af brint med massetal 2 er den også repræsenteret som H. Formlen for deuterium er 2H. International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) tillader både D og H, selvom H foretrækkes.
Hvordan får man deuterium fra vand?
Den traditionelle metode til at koncentrere deuterium i vand bruger isotopudveksling i svovlbrintegas, selvom bedre metoder er ved at blive udviklet. Adskillelse af forskellige isotoper af brint kan også udføres ved hjælp af gaskromatografi og kryogen destillation, som bruger forskelle i fysiske egenskaber til at adskille isotoper.
Deuterium-vand
Deuteriumvand, også kendt som tungt vand, ligner almindeligt vand. Det er dannet af en kombination af deuterium og oxygen og betegnes som 2H2O. Deuteriumvand er mere tyktflydende end almindeligt vand. Tungt vand er 10,6 % tættere end almindeligt vand, så isen fra tungt vand synker i almindeligt vand. For nogle dyr er deuteriumvand giftigt, mens andre kan overleve i tungt vand, men vil udvikle sig langsommere i det end i norm alt vand. Deuteriumvand er ikke radioaktivt. Den menneskelige krop indeholder omkring 5 gram deuterium, og det er harmløst. Hvis tungt vand kommer ind i kroppen i store mængder (for eksempel bliver omkring 50 % af vandet i kroppen tungt), kan det føre til celledysfunktion og i sidste ende død.
Forskelle i tungt vand:
- Frysepunktet er 3,82°C.
- Temperaturkogepunktet er 101,4 °C.
- Densiteten af tungt vand er 1,1056 g/mL (norm alt vand er 0,9982 g/mL).
- Tungt vands pH er 7,43 (norm alt vand er 6,9996).
- Der er en lille forskel i smag og lugt mellem almindeligt vand og tungt vand.
Brug af deuterium
Forskere har udviklet mange anvendelser for deuterium og dets forbindelser. For eksempel er deuterium et ikke-radioaktivt isotopsporstof til undersøgelse af kemiske reaktioner og metaboliske veje. Derudover er det nyttigt til at studere makromolekyler ved hjælp af neutronspredning. Deutererede opløsningsmidler (som tungt vand) er almindeligt anvendt i nuklear magnetisk resonans (NMR) spektroskopi, fordi disse opløsningsmidler ikke påvirker NMR-spektrene for de undersøgte forbindelser. Deutererede forbindelser er også nyttige til femtosekund infrarød spektroskopi. Deuterium er også et brændstof til nukleare fusionsreaktioner, som en dag kunne bruges til at generere elektricitet i industriel skala.
