Дейтерий

{{#if: | }} Шаблон:Нуклид Дейте́рий (лат. deuterium, от Шаблон:Lang-grc «второй»), тяжёлый водород, обозначается символами D и ²H — стабильный изотоп водорода с атомной массой, равной 2. Ядро (дейтрон) состоит из одного протона и одного нейтрона.

Открыт в 1932 году американским физико-химиком Гарольдом Юри. Природное содержание — 0,0115 ± 0,0070<ref name="Nubase2003"/> %.

Изотопные модификации соединений водорода

Шаблон:Смотри также Соединения изотопов водорода практически не различаются по химическим свойствам, но различны по своим физическим свойствам: температура плавления, кипения, весШаблон:Sfn. Молекула D₂, состоит из двух атомов дейтерия. Вещество имеет следующие физические свойства:

• Температура плавления −254,5 °C (19,15 K).
• Температура кипения −249,5 °C (23,57K).
• Межъядерное расстояние 0,07416 нм<ref name="ФизЭн">Шаблон:Книга:Физическая энциклопедия</ref>.
• Энергия диссоциации (при 0K) 439,68 кДж/моль<ref name="ФизЭн"/>.

Содержание дейтерия в природном водороде — 0,011…0,016 ат.%<ref name="he">Шаблон:Книга</ref>Шаблон:Уточнить страницу. Так, в морской воде у берегов соотношение атомных концентраций [D]/[Н] составляет (1,55÷1,56)·10⁻⁴ (один атом дейтерия на 6410÷6450 атомов протия), в околоповерхностных водах — (1,32÷1,51)·10⁻⁴ (1:6600÷7600), в природном газе — (1,10÷1,34)·10⁻⁴ (1:7500÷9100)<ref name="he"/>.

По своим химическим свойствам соединения дейтерия имеют определённые особенности. Так, например, углерод-дейтериевые связи оказываются более «прочными», чем углерод-протиевые, из-за чего химические реакции с участием атомов дейтерия идут в несколько раз медленнее. Этим, в частности, обусловлена токсичность тяжёлой воды (вода состава D₂O называется тяжёлой водой из-за большой разницы в массе протия и дейтерия)Шаблон:Нет АИ.

Получение

Мировое производство дейтерия — десятки тысяч тонн в год. Крупнейшими производителями тяжёлой воды в мире являются Индия, Китай и Иран<ref name="NKJ201808">Шаблон:Статья</ref>. В промышленности для получения тяжелой воды (обогащения воды дейтерием) в своей основе служат процессы ионного обмена, в особенности Girdler Sulfide process, использующий изотопный обмен между водой и сероводородом или между водородом и аммиаком. Также используется многоступенчатый электролиз воды, ректификация жидкого водорода.<ref name="ФизЭн"/> При электролизе 100 л воды выделяется 7,5 мл 60-процентного D₂OШаблон:Sfn.

Содержание дейтерия в природной воде в 1,03 раза больше, чем в паре (это коэффициент разделения для данной смеси). Поэтому при неоднократном кипячении природной воды с постоянным добавлением новой к остатку кипячения в чайнике постепенно будет происходить накопление тяжелой воды. Однако очень медленное, поэтому даже при большом количестве повторений этого процесса содержание тяжелой воды не станет опасным для здоровья, вопреки предположению В. В. Похлёбкина в книге «Чай. Его типы, свойства, употребление», вышедшей в 1968 году<ref>Шаблон:Статья</ref>. Академик Игорь Васильевич Петрянов-Соколов как-то подсчитал, сколько воды должно испариться из чайника, чтобы в остатке заметно повысилось содержание дейтерия. Оказалось, что для получения Шаблон:Nobr воды, в которой концентрация дейтерия равна 0,15 %, то есть всего в Шаблон:Nobr превышает природную, в чайник надо долить в общей сложности 2,1Шаблон:E тонн воды, что в 300 млн раз превышает массу Земли<ref>Шаблон:Cite web</ref>.

История открытия и изучения

Шаблон:Противоречие Дейтерий был открыт в 1932 году Гарольдом Юри и его коллегами спектральным методом.

Резерфорд, недовольный предложенным открывателями названием «дейтон»<ref>М. Олифант. Дни Кембриджа Шаблон:Wayback // Rutherford. Recollections of the Cambridge days". Elsevier, Amsterdam, 1972.Шаблон:Ref</ref>, предложил вариант названия — «диплоген», а ядро, соответственно, — «диплон».

Учёные высказывали гипотезу о существовании стабильных изотопов лёгких элементов ещё в 1913 году при изучении неона. Существование этих изотопов было доказано в 1920 году методом масс-спектрометрии. Правда, в то время преобладала теория, согласно которой изотопы различались числом «внутриядерных электронов» различных атомов элемента (нейтрон был открыт позже — в 1932 году). Измерения относительной атомной массы водорода дали значение, близкое к 1 а. е. м., которое равно массе протона. Поэтому предполагалось, что водород не может содержать внутриядерный электрон, иначе он скомпенсирует заряд ядра. Таким образом, считалось, что у водорода нет тяжёлых изотопов.

Дейтерий впервые был открыт химиком Гарольдом Юри, работавшим в Колумбийском университете в конце 1931 года. Фердинанд Брикведде, который помогал Юри, провёл дистилляцию пяти литров жидкого водорода, полученного в криогенном цикле. Брикведде работал в новой лаборатории низких температур, открытой в Национальном бюро стандартов и весов США (NIST). В результате объём жидкости составил 1 мл. Ранее такая же методика использовалась для наработки тяжелых изотопов неона. Техника испарения жидкого водорода позволила увеличить долю изотопа водорода с массой 2 до такой степени, чтобы его можно было надежно зарегистрировать методами спектроскопии<ref>Шаблон:Статья</ref>.

15 июня 1933 года Юри, Мерфи и Брикведде направили письмо редактору научного журнала «The Journal of Chemical Physics», в котором предложили названия для изотопов водорода — протий (англ. Шаблон:Lang-en2), дейтерий (англ. Шаблон:Lang-en2) и тритий (англ. Шаблон:Lang-en2; в случае его открытия, поскольку на тот момент тритий ещё не был открыт), в письме они отмечали, что произвели первые два названия от греческих слов «protos» («первый») и «deuteros» («второй»)<ref>Шаблон:Статья</ref><ref>Шаблон:Статья</ref>. В 1934 году Юри была присуждена Нобелевская премия по химии за открытие дейтерия.

Применение

Наибольшие количества дейтерия применяются в атомной энергетике<ref name="NKJ201808"/>. Он обладает лучшими свойствами замедления нейтронов. В смеси с тритием или в соединении с литием-6 (гидрид лития ⁶LiD) применяют для термоядерной реакции в водородных бомбах. При взрыве происходят реакции:

<chem>D + D -> ^4He + \gamma,</chem>

<chem>D + T -> n + ^4He</chem>.

Также применяется в качестве меченого стабильного индикатора в химических, биологических и других лабораторных исследованиях и технике<ref name="NKJ201808" />. Перспективным также представляется применение дейтерия (в смеси с тритием) для получения высокотемпературной плазмы, необходимой для осуществления управляемого термоядерного синтеза (см. проект ITER)<ref name="NKJ201808"/>.

С некоторых пор дейтерий используется в медицине компаниями, разрабатывающими лекарства, которые с его помощью пытаются увеличить время метаболизма лекарства, то есть замедлить его вывод из организма, это замедление в модифицированных дейтерием лекарствах наблюдается благодаря первичному дейтериевому изотопному эффекту — уменьшению скорости реакции разрыва углерод-дейтериевых связей по сравнению с углерод-протиевыми<ref>Шаблон:Книга</ref><ref>Шаблон:Книга</ref>.

Дейтерий применяется при производстве оптического волокна в специальных установках дейтерирования с целью защитить волокно от внешних воздействий (влаги, царапин, микротрещин) и предотвратить образование гидроксильных групп (-OH), которые ухудшают характеристики прохождения сигнала по волокну. Обработка позволяет снизить деградацию и получать волокна со сроками эксплуатации более 25 летШаблон:Нет АИ.

Также дейтерий используется в нейтронных генераторах<ref name="NKJ201808"/>.

Литература

• Шаблон:Книга