Existujú tri izotopové formy vodíka: protium deutérium a trícium div. 1.1 a 4.1). Prírodný vodík obsahuje 99,985 % izotopu, zvyšných 0,015 % je deutérium. Trícium je nestabilné rádioaktívny izotop a preto sa vyskytuje len vo forme stôp. Vyžaruje P častice a má polčas rozpadu 12,3 rokov (pozri časť 1.3).
Všetky izotopové formy vodíka majú takmer rovnaké chemické vlastnosti. Líšia sa však fyzikálnymi vlastnosťami. V tabuľke 12.4 ukazuje niektoré fyzikálne vlastnosti vodíka a deutéria.
Tabuľka 12.4. Fyzikálne vlastnosti
Pre každú zlúčeninu vodíka existuje analóg deutéria. Najdôležitejší z nich je oxid deutéria, takzvaná ťažká voda. Používa sa ako retardér v jadrové reaktory niektoré typy (pozri časť 1.3).
Oxid deutéria sa získava elektrolýzou vody. Keď dochádza k separácii na katóde, zostávajúca voda sa obohacuje o oxid deutéria. V priemere vám táto metóda umožňuje získať zo 100 litrov vody.
Iné zlúčeniny deutéria sa zvyčajne pripravujú z oxidu deutéria, napr.
Vodík sa získa ako je opísané vyššie laboratórne metódy vo všetkých prípadoch ide o plyn pozostávajúci z dvojatómových molekúl, t.j. molekulárneho vodíka. Môže byť disociovaný do agomov pomocou nejakého zdroja vysokej energie, ako je napríklad plynová výbojka obsahujúca vodík pri nízkom tlaku. Vodík môže byť atomizovaný aj v elektrickom oblúku vytvorenom medzi volfrámovými elektródami. Atómy vodíka sa rekombinujú na povrchu kovu a uvoľní sa toľko energie, že to vedie k
zvýšenie teploty na približne 3500 °C. Tento efekt sa využíva pri zváraní kovov vodíkovým oblúkom.
Atómový vodík je silné redukčné činidlo. Redukuje oxidy a chloridy kovov na voľné kovy.
Plynný vodík, t.j. molekulárny vodík, je slabé redukčné činidlo. Je to spôsobené jeho vysokou väzbovou energiou, ktorá sa rovná Napríklad, keď plynný vodík prechádza cez roztok obsahujúci ióny, nedochádza k ich redukcii. Ak však k tvorbe vodíka dôjde priamo v roztoku obsahujúcom ióny, tieto ióny sa okamžite redukujú na ióny
Aby vodík vznikol priamo v roztoku obsahujúcom ióny, pridajte zried kyselina sírová a zinok. Vodík vytvorený za takýchto podmienok sa v momente vývoja nazýva vodík
Dva protóny v molekule vodíka sú navzájom spojené dvomi umiestnenými vo väzbovom orbitále (pozri časť 2.1). Tieto dva elektróny umiestnené v označenom orbitále musia mať opačné spiny. Na rozdiel od elektrónov však dva protóny v molekule vodíka môžu mať paralelné alebo opačné spiny. Odroda molekulárneho vodíka s paralelnými spinmi protónov dvoch jadier sa nazýva ortovodík a odroda s opačne orientovanými spinmi protónov dvoch jadier sa nazýva paravodík (obr. 12.1).
Obyčajný vodík je zmesou ortovodíka a paravodíka. Vo veľmi nízke teploty dominuje v ňom paravodík. So zvyšujúcou sa teplotou sa zvyšuje podiel ortovodíka a pri 25 °C zmes obsahuje približne 75 % ortovodíka a 25 % paravodíka.
Paravodík možno vyrobiť tak, že bežný vodík prechádza trubicou naplnenou dreveným uhlím a potom sa ochladí na teplotu kvapalného vzduchu. Ortovodík a paravodík sú svojimi chemickými vlastnosťami úplne identické, ale mierne sa líšia v bodoch topenia a varu (pozri tabuľku 12.5).
Ryža. 12.1. Ortovodík a paravodík.
Tabuľka 12.5. Teploty topenia a varu ortovodíka a paravodíka
Vodíky majú svoje vlastné názvy: H - protium (H), H - deutérium (D) a H - trícium (rádioaktívne) (T).
Jednoduchá látka vodík - H 2 - je ľahký bezfarebný plyn. Po zmiešaní so vzduchom alebo kyslíkom je horľavý a výbušný. Netoxický. Rozpustný v etanole a mnohých kovoch: železo, nikel, paládium, platina.
Dokonca aj stredoveký vedec Paracelsus si všimol, že keď kyseliny pôsobia na železo, uvoľňujú sa bubliny nejakého druhu „vzduchu“. Nevedel však vysvetliť, čo to bolo. Dnes je známe, že to bol vodík. „Vodík je príkladom plynu,“ napísal D.I. Mendelejev, „na prvý pohľad sa nelíši od vzduchu... Paracelsus, ktorý zistil, že pôsobením určitých kovov na kyselinu sírovú vytvára látku podobnú vzduchu, neurčil jeho obsah. rozdiel od vzduchu. V skutočnosti je vodík bez farby a zápachu, rovnako ako vzduch; ale po bližšom oboznámení sa s jeho vlastnosťami sa tento plyn ukáže byť úplne odlišný od vzduchu.“
Jeho vlastnosti ako prví skúmali anglickí chemici 18. storočia Henry Cavendish a Joseph Priestley, ktorí znovu objavili vodík. Zistili, že ide o nezvyčajne ľahký plyn – je 14-krát ľahší ako vzduch. Ak ním nafúknete gumenú loptičku, vyletí hore. Táto vlastnosť vodíka sa predtým používala na plnenie balóny a vzducholode. Pravda, prvý teplovzdušný balón, ktorý postavili bratia Montgolfierovci, nebol naplnený vodíkom, ale dymom z horiacej vlny a slamy. Tento zvláštny spôsob výroby horúceho vzduchu je spôsobený tým, že bratia zjavne nepoznali fyzikálne zákony; naivne verili, že táto zmes vytvorí „elektrický dym“, ktorý dokáže zdvihnúť ich svetelný balón. Fyzik Charles, ktorý poznal Archimedov zákon, sa rozhodol naplniť balón vodíkom; Na rozdiel od teplovzdušných balónov naplnených horúcim vzduchom Francúzi nazývali balóny s vodíkovými uhoľníkmi. Prvý takýto balón (neniesol žiadny náklad) vyletel z Champs de Mars v Paríži 27. augusta 1783 a preletel 20 km za 45 minút.
V decembri 1783 uskutočnil Charles v sprievode fyzika Françoisa Roberta za prítomnosti 400 tisíc divákov prvý let do teplovzdušný balón naplnené vodíkom. Gay-Lussac (tiež spolu s fyzikom Jeanom Baptistom Biotom) vytvoril v roku 1804 výškový rekord, ktorý vystúpil na 7000 metrov.
Ale vodík je horľavý. Navyše jeho zmesi so vzduchom explodujú a zmes vodíka a kyslíka sa dokonca nazýva „výbušný plyn“. V máji 1937 požiar za pár minút zničil obriu nemeckú vzducholoď Hindenburg – obsahovala 190 000 kubických metrov vodíka. Vtedy zomrelo 35 ľudí. Po mnohých nehodách sa už vodík v letectve nepoužíva, nahrádza ho hélium alebo horúci vzduch.
Pri horení vodíka vzniká voda – zlúčenina vodíka a kyslíka. To dokázal na konci 18. storočia francúzsky chemik Lavoisier. Odtiaľ pochádza názov plynu – „vododarný“. Lavoisierovi sa podarilo získať aj vodík z vody. Vodné pary prechádzal cez rozžeravenú železnú rúrku obsahujúcu železné piliny. Kyslík z vody sa pevne spojil so železom a vodík sa uvoľnil vo voľnej forme. Teraz sa vodík získava aj z vody, ale iným spôsobom – pomocou elektrolýzy (pozri ELEKTROLYTICKÁ DISOCIÁCIA. ELEKTROLYTY)
Najbežnejší je vodík chemický prvok vo Vesmíre. Tvorí asi polovicu hmotnosti Slnka a väčšiny hviezd a je hlavným prvkom v medzihviezdnom priestore a v plynných hmlovinách. Vodík je rozšírený aj na Zemi. Tu je vo viazanom stave – vo forme zlúčenín. Voda teda obsahuje 11% hmotnosti vodíka, íl - 1,5%. Vo forme zlúčenín s uhlíkom je vodík súčasťou ropy, zemných plynov a všetkých živých organizmov. Vo vzduchu je nejaký voľný vodík, ale je ho veľmi málo – iba 0,00005 %. Do atmosféry sa dostáva zo sopiek.
Vodík je držiteľom mnohých ďalších „rekordov“.
Kvapalný vodík– najľahšia kvapalina (hustota 0,067 g/cm 3 pri teplote –250°C),
Pevný vodík- najľahší pevný(hustota 0,076 g/cm3).
Atómy vodíka- najmenší zo všetkých atómov. Avšak pri pohlcovaní energie elektromagnetická radiácia Vonkajší elektrón atómu sa môže pohybovať ďalej a ďalej od jadra. Preto môže mať excitovaný atóm vodíka teoreticky akúkoľvek veľkosť. Ale prakticky? Kniha World Records in Chemistry hovorí, že v medzihviezdnych oblakoch boli v ich spektrách údajne objavené atómy vodíka s priemerom 0,4 mm (zaznamenal ich spektrálny prechod z 253. na 252. orbitál). Atómy tejto veľkosti je možné vidieť voľným okom! V tomto prípade je uvedený odkaz na článok publikovaný v roku 1991 v najznámejšom svetovom časopise venovanom chemickému vzdelávaniu – Journal of Chemical Education (vydávaný v USA). Autor článku sa však pomýlil – všetky veľkosti precenil presne 100-krát (o rok neskôr o tom informoval ten istý magazín). To znamená, že detekované atómy vodíka majú priemer „iba“ 0,004 mm a takéto atómy, aj keby boli „pevné“, nie je možné vidieť voľným okom – iba cez mikroskop. Samozrejme, podľa atómových štandardov je 0,004 mm obrovská hodnota, desaťtisíckrát väčšia ako priemer nevybudeného atómu vodíka.
Molekuly vodíka sú tiež veľmi malé. Preto tento plyn ľahko prechádza cez najtenšie trhliny. Gumová loptička nafúknutá vodíkom „schudne“ oveľa rýchlejšie ako lopta nafúknutá vzduchom: molekuly vodíka postupne presakujú cez najmenšie póry gumy.
Ak vdýchnete vodík a začnete hovoriť, frekvencia vydávaných zvukov bude trikrát vyššia ako normálne. To stačí na to, aby sa zvuk aj nízkeho mužského hlasu ukázal ako neprirodzene vysoký, pripomínajúci Pinocchiov hlas. Stáva sa to preto, lebo výška zvuku píšťalky, organovej píšťaly alebo ľudského hlasového aparátu závisí nielen od ich veľkosti a materiálu steny, ale aj od plynu, ktorým sú naplnené. Čím vyššia je rýchlosť zvuku v plyne, tým vyšší je jeho tón. Rýchlosť zvuku závisí od hmotnosti molekúl plynu. Molekuly vodíka sú oveľa ľahšie ako molekuly dusíka a kyslíka, ktoré tvoria vzduch, a zvuk sa vo vodíku šíri takmer štyrikrát rýchlejšie ako vo vzduchu. Vdychovanie vodíka je však riskantné: v pľúcach sa nevyhnutne zmieša so zvyšným vzduchom a vytvorí výbušnú zmes. A ak je pri výdychu nablízku oheň... Toto je príbeh, ktorý sa stal francúzskemu chemikovi, riaditeľovi parížskeho múzea vedy Pilatre de Rosier (1756–1785). Jedného dňa sa rozhodol skontrolovať, čo by sa stalo, keby vdychoval vodík; Nikto pred ním takýto experiment neuskutočnil. Vedec si nevšimol žiadny účinok a rozhodol sa uistiť, či vodík prenikol do pľúc. Znova sa poriadne nadýchol plynu a potom ho vydýchol do ohňa sviečky v očakávaní, že uvidí záblesk plameňa. Vodík v pľúcach odvážneho experimentátora sa však zmiešal so vzduchom a došlo k silnému výbuchu. „Myslel som si, že mám vyrazené všetky zuby aj s korienkami,“ napísal neskôr, veľmi spokojný so zážitkom, ktorý ho takmer stál život.
Okrem „obyčajného“ vodíka (protium, z gréčtiny protos– po prvé), jeho ťažký izotop je prítomný aj v prírode – deutérium(z lat. deuteros - druhý) a v nepatrných množstvách superťažký vodík - trícium. Dlhé a dramatické hľadanie týchto izotopov spočiatku neprinieslo výsledky pre nedostatočnú citlivosť prístrojov. Koncom roku 1931 skupina amerických fyzikov - G. Urey a jeho študenti F. Brickwedde a J. Murphy odobrali 4 litre kvapalného vodíka a podrobili ho frakčnej destilácii, pričom zostal len 1 ml zvyšku, t.j. zníženie objemu o 4 tisíc krát. Tento posledný mililiter kvapaliny po jej odparení bol študovaný spektroskopickou metódou. Skúsený spektroskop Yuri si všimol nové veľmi slabé čiary v spektrograme obohateného vodíka, ktoré v obyčajnom vodíku chýbali. V tomto prípade poloha čiar v spektre presne zodpovedala jeho kvantovomechanickému výpočtu nuklidu 2H (pozri CHEMICKÉ PRVKY).
Po spektroskopickom objave deutéria bolo navrhnuté oddeliť izotopy vodíka elektrolýzou. Experimenty ukázali, že pri elektrolýze vody sa ľahký vodík skutočne uvoľňuje rýchlejšie ako ťažký. Práve tento objav sa stal kľúčovým pre výrobu ťažkého vodíka. Článok o objave deutéria vyšiel na jar 1932 a už v júli boli publikované výsledky o elektrolytickej separácii izotopov. V roku 1934 dostal Harold Clayton Urey Nobelovu cenu za chémiu za objav ťažkého vodíka.
17. marca 1934 bola v anglickom časopise „Nature“ (Nature) uverejnená malá poznámka podpísaná M. L. Oliphantom, P. Harteckom a Rutherfordom (priezvisko lorda Rutherforda nevyžadovalo pri publikovaní iniciály!). Napriek skromnému názvu poznámky: Efekt transmutácie dosiahnutý ťažkým vodíkom informoval svet o výnimočnom výsledku – umelej výrobe tretieho izotopu vodíka – trícia. V roku 1946 známa autorita v odbore jadrovej fyziky, laureát nobelová cena W. F. Libby navrhol, že trícium sa neustále vytváralo v dôsledku atmosféry jadrové reakcie. V prírode je však tak málo trícia (1 atóm 1H na 1018 atómov 3H), že sa zistilo len slabou rádioaktivitou (polčas 12,3 roka).
Vodík tvorí zlúčeniny - hydridy s mnohými prvkami. V závislosti od druhého prvku sa vlastnosti hydridov značne líšia. Najelektropozitívnejšie prvky (alkalické kovy a ťažké kovy alkalických zemín) tvoria takzvané soľné hydridy iónovej povahy. Získavajú sa ako výsledok priamej reakcie kovu s vodíkom pod tlakom a pri zvýšených teplotách (300–700 °C), keď je kov v roztavenom stave. Ich kryštálová mriežka obsahuje katióny kovov a H-hydridové anióny a je konštruovaná podobne ako mriežka NaCl. Pri zahriatí na teplotu topenia začnú soli podobné hydridy viesť elektrický prúd a na rozdiel od elektrolýzy vodných roztokov solí sa vodík neuvoľňuje na katóde, ale na kladne nabitej anóde. Soli podobné hydridy reagujú s vodou za uvoľnenia vodíka a vytvárajú alkalický roztok, ľahko sa oxidujú kyslíkom a používajú sa ako silné redukčné činidlá.
Množstvo prvkov tvorí kovalentné hydridy, z ktorých najznámejšie sú hydridy prvkov skupín IV–VI, napríklad metán CH 4, amoniak NH 3, sírovodík H 2 S atď. Kovalentné hydridy sú vysoko reaktívne a sú redukčnými činidlami. Niektoré z týchto hydridov sú nestabilné a pri zahrievaní sa rozkladajú alebo sú hydrolyzované vodou. Príklady zahŕňajú SiH4, GeH4, SnH4. Zo štrukturálneho hľadiska sú zaujímavé hydridy bóru, napríklad B 2 H 6, B 6 H 10, B 10 H 14 atď., v ktorých pár elektrónov neviaže ako obvykle dva, ale tri B– atómy H–B. Niektoré zmiešané hydridy sú tiež klasifikované ako kovalentné, napríklad lítiumalumíniumhydrid LiAlH 4, ktorý je široko používaný v organickej chémii ako redukčné činidlo. Germánium, kremík a hydridy arzénu sa používajú na výrobu vysoko čistých polovodičových materiálov.
Hydridy prechodných kovov majú veľmi rôznorodé vlastnosti a štruktúru. Často sú to zlúčeniny nestechiometrického zloženia, napríklad kovovému TiH 1,7, LaH 2,87 atď. Keď sa vytvoria takéto hydridy, vodík sa najskôr adsorbuje na povrchu kovu, potom sa disociuje na atómy, ktoré difundujú hlboko do kryštálovej mriežky kovu a vytvárajú intersticiálne zlúčeniny. Najväčší záujem sú o hydridy intermetalických zlúčenín, napríklad tie, ktoré obsahujú titán, nikel a prvky vzácnych zemín. Počet atómov vodíka na jednotku objemu takéhoto hydridu môže byť päťkrát väčší ako v čistom kvapalnom vodíku! Už pri izbovej teplote sú zliatiny spomínaných kovov schopné rýchlo absorbovať značné množstvo vodíka a pri zahriatí ho uvoľňujú. Týmto spôsobom získame reverzibilné " chemické batérie» vodík, ktorý možno v zásade použiť na výrobu motorov poháňaných vodíkovým palivom. Z ďalších hydridov prechodných kovov je zaujímavý hydrid uránu konštantného zloženia UH 3, ktorý slúži ako zdroj ďalších vysoko čistých zlúčenín uránu.
Vodík sa využíva najmä na výrobu amoniaku, ktorý je potrebný na výrobu hnojív a mnohých ďalších látok. Z tekutých rastlinných olejov sa pomocou vodíka získavajú tuhé tuky podobné maslu a iné živočíšne tuky. Používajú sa v Potravinársky priemysel. Výroba výrobkov z kremenného skla vyžaduje veľmi vysoké teploty. A tu vodík nachádza uplatnenie: horák s vodíkovo-kyslíkovým plameňom vytvára teploty nad 2000 stupňov, pri ktorých sa kremeň ľahko topí.
V laboratóriách a priemysle je široko využívaná reakcia pridávania vodíka do rôznych zlúčenín – hydrogenácia. Najbežnejšie reakcie sú hydrogenácia viacerých väzieb uhlík-uhlík. Z acetylénu teda môžete získať etylén alebo (úplnou hydrogenáciou) etán, z benzénu - cyklohexán, z kvapalnej nenasýtenej kyseliny olejovej - tuhú nasýtenú kyselinu stearovú atď. Ostatné triedy organických zlúčenín tiež podliehajú hydrogenácii a dochádza k ich redukcii. Pri hydrogenácii karbonylových zlúčenín (aldehydov, ketónov, esterov) teda vznikajú zodpovedajúce alkoholy; napríklad izopropylalkohol sa získava z acetónu. Keď sa nitrozlúčeniny hydrogenujú, tvoria sa zodpovedajúce amíny.
Hydrogenácia molekulárnym vodíkom sa často uskutočňuje v prítomnosti katalyzátorov. V priemysle sa spravidla používajú heterogénne katalyzátory, ktoré zahŕňajú kovy skupiny VIII periodickej tabuľky prvkov - nikel, platina, ródium, paládium. Najaktívnejším z týchto katalyzátorov je platina; Môže sa použiť na hydrogenáciu aj aromatických zlúčenín pri izbovej teplote bez tlaku. Aktivitu lacnejších katalyzátorov je možné zvýšiť vykonávaním hydrogenačnej reakcie pod tlakom pri zvýšených teplotách v špeciálnych zariadeniach - autoklávoch. Hydrogenácia aromatických zlúčenín na nikle teda vyžaduje tlaky až 200 atm a teploty nad 150 °C.
Široko sa využívajú aj v laboratórnej praxi. rôznymi spôsobmi nekatalytická hydrogenácia. Jedným z nich je pôsobenie vodíka v momente uvoľnenia. Takýto „aktívny vodík“ možno získať reakciou kovového sodíka s alkoholom alebo amalgamovaného zinku s kyselinou chlorovodíkovou. Hydrogenácia komplexnými hydridmi - borohydridom sodným NaBH 4 a lítiumalumíniumhydridom LiAlH 4 - sa rozšírila v organickej syntéze. Reakcia sa uskutočňuje v bezvodom médiu, pretože komplexné hydridy sa okamžite hydrolyzujú.
Vodík sa používa v mnohých chemických laboratóriách. Skladuje sa pod tlakom v oceľových tlakových fľašiach, ktoré sa pre bezpečnosť pripevnia k stene pomocou špeciálnych svoriek alebo dokonca vynesú na dvor a tenkou rúrkou sa plyn dostáva do laboratória.
| Chemické prvky a materiály |
||
|---|---|---|
Riadená termonukleárna fúzia (CTF) je syntéza ťažších atómových jadier z ľahších za účelom získania energie, ktorá je na rozdiel od výbušnej termonukleárnej fúzie (využívanej v termonukleárnych zbraniach) v prírode riadená. Riadená termonukleárna fúzia sa od tradičnej jadrovej energie líši tým, že využíva rozpadovú reakciu, počas ktorej sa z ťažkých jadier vyrábajú ľahšie jadrá. Hlavné jadrové reakcie, ktoré sa plánujú použiť na dosiahnutie riadenej termonukleárnej fúzie, budú využívať deutérium (2H) a trícium (3H) a z dlhodobého hľadiska hélium-3 (3 He) a bór-11 (11 B). Prvýkrát sformuloval problém riadenej termonukleárnej fúzie v Sovietskom zväze a navrhol nejaké konštruktívne riešenie. Sovietsky fyzik Lavrentiev O. A.
Fúzna reakcia je nasledovná: dve alebo viac atómových jadier sa odoberú a pomocou určitej sily sa privedú k sebe tak blízko, že sily pôsobiace v takých vzdialenostiach prevažujú nad silami Coulombovho odpudzovania medzi rovnako nabitými jadrami, čo vedie k vytvoreniu nové jadro. Bude mať o niečo menšiu hmotnosť ako súčet hmotností pôvodných jadier a rozdielom sa stáva energia, ktorá sa uvoľní počas reakcie. Množstvo uvoľnenej energie popisuje známy vzorec E=mcІ. Zapaľovač atómové jadrá Dostať ho do potrebnej vzdialenosti je jednoduchšie, takže vodík – najrozšírenejší prvok vo vesmíre – je najlepším palivom pre fúznu reakciu.
Zistilo sa, že zmes dvoch izotopov, deutéria a trícia, vyžaduje na fúznu reakciu najmenej energie v porovnaní s energiou uvoľnenou počas reakcie. Napriek tomu, že deutérium-trícium (D-T) je predmetom väčšiny fúznych výskumov, nie je ani zďaleka jediným potenciálnym palivom. Iné zmesi sa môžu vyrábať jednoduchšie; ich reakciu možno spoľahlivejšie riadiť, alebo, čo je dôležitejšie, produkovať menej neutrónov. Mimoriadne zaujímavé sú takzvané „bezutrónové“ reakcie, keďže úspešné priemyselné využitie takéhoto paliva bude znamenať absenciu dlhodobej rádioaktívnej kontaminácie materiálov a konštrukcie reaktora, čo by zase mohlo mať pozitívny vplyv na verejný názor a na celkových nákladoch na prevádzku reaktora, čím sa výrazne znížia náklady na jeho vyradenie z prevádzky. Problémom zostáva, že syntézne reakcie využívajúce alternatívne palivá sa oveľa ťažšie udržiavajú, pretože D-T reakcia sa považuje len za nevyhnutný prvý krok.
Môže sa použiť riadená fúzia rôzne druhy termonukleárne reakcie v závislosti od druhu použitého paliva.
Najľahšie uskutočniteľná reakcia je deutérium + trícium:
2 H + 3 H = 4 He + n pri výdaji energie 17,6 MeV
Táto reakcia je najľahšie realizovateľná z hľadiska moderné technológie, dáva významný energetický výkon, palivové komponenty sú lacné. Nevýhodou je uvoľňovanie nežiaduceho neutrónového žiarenia.
Dve jadrá: deutérium a trícium sa spájajú a vytvárajú jadro hélia (častica alfa) a vysokoenergetický neutrón.
Je oveľa ťažšie, na hranici možného, uskutočniť reakciu deutérium + hélium-3
2 H + 3 He = 4 He + p. s energetickým výkonom 18,4 MeV
Podmienky na jeho dosiahnutie sú oveľa komplikovanejšie. Hélium-3 je tiež vzácny a extrémne drahý izotop. IN priemyselnom meradle v súčasnosti sa nevyrába. Dá sa však získať z trícia, ktoré sa zase vyrába v jadrových elektrárňach.
Zložitosť uskutočňovania termonukleárnej reakcie môže byť charakterizovaná trojitým produktom nTt (hustota v závislosti od teploty v čase uzavretia). Podľa tohto parametra je D-3He reakcia približne 100-krát zložitejšia ako D-T reakcia.
Reakcie medzi jadrami deutéria sú tiež možné, ale sú o niečo ťažšie ako reakcie zahŕňajúce hélium-3:
Okrem hlavnej reakcie sa v DD plazme vyskytuje aj toto:
Tieto reakcie prebiehajú pomaly paralelne s reakciou deutérium + hélium-3 a počas nich vznikajúce trícium a hélium-3 pravdepodobne okamžite zreagujú s deutériom.
Najsľubnejšie sú takzvané „bezutrónové“ reakcie, pretože tok neutrónov generovaný termonukleárnou fúziou (napríklad pri reakcii deutérium-trícium) odnáša značnú časť energie a vytvára indukovanú rádioaktivitu v konštrukcii reaktora. . Reakcia deutéria + hélium-3 je sľubná z dôvodu nedostatočného výťažku neutrónov.
Slová „deutérium“ a „trícium“ nám pripomínajú, že dnes má človek k dispozícii najsilnejší zdroj energie uvoľnenej pri reakcii:
2 1 N + 3 1 N > 4 2 He + 1 0 n+ 17,6 MeV.
Táto reakcia začína pri 10 miliónoch stupňov a prebieha v nepatrných zlomkoch sekundy počas výbuchu termonukleárnej bomby a na zemských váhach sa uvoľní obrovské množstvo energie.
Vodíkové bomby sa niekedy prirovnávajú k Slnku. Už sme však videli, že na Slnku prebiehajú pomalé a stabilné termonukleárne procesy. Slnko nám dáva život a H-bomba- sľubuje smrť...
Raz však príde čas – a tento čas nie je ďaleko – keď meradlom hodnoty nebude zlato, ale energia. A potom izotopy vodíka zachránia ľudstvo pred hroziacim energetickým hladomorom: v riadených termonukleárnych procesoch každý liter prírodnej vody poskytne rovnaké množstvo energie, aké teraz poskytuje 300 litrov benzínu. A ľudstvo bude so zmätením spomínať, že boli časy, keď sa ľudia navzájom ohrozovali životodarným zdrojom tepla a svetla...
Fyzické a Chemické vlastnosti Izotopy všetkých prvkov okrem vodíka sú prakticky rovnaké: veď pre atómy, ktorých jadrá sa skladajú z niekoľkých protónov a neutrónov, nie je až také dôležité, či je o jeden neutrón menej alebo o neutrón viac. Ale jadro atómu vodíka je jeden protón a ak sa k nemu pridá neutrón, hmotnosť jadra sa takmer zdvojnásobí a ak sú tam dva neutróny, strojnásobí sa. Preto ľahký vodík (protium) vrie pri mínus 252,6 °C a teplota varu jeho izotopov sa od tejto hodnoty líši o 3,2 ° (deutérium) a 4,5 ° (trícium). Pre izotopy je to veľmi veľký rozdiel!
Úžasné izotopy sú v prírode rozložené nerovnomerne: jeden atóm deutéria pripadá na približne 7 000 a jeden atóm beta rádioaktívneho trícia na miliardu miliárd atómov protia. Umelo Získal sa ďalší extrémne nestabilný izotop vodíka, 4H.
Relatívna hmotnosť pľúc Izotop vodíka je určený s fantastickou presnosťou: 1,007276470 (ak vezmeme hmotnosť izotopu uhlíka 12 C rovnú 12,0000000). Ak by sa napríklad dĺžka rovníka merala s takou presnosťou, chyba by nepresiahla 4 cm!
Prečo je však potrebná taká presnosť? Koniec koncov, každá nová figúrka vyžaduje od experimentátorov stále viac úsilia... Tajomstvo sa odhalí jednoducho: protium jadrá, protóny, zúčastňujú sa mnohých jadrových reakcií. A ak sú známe hmotnosti reagujúcich jadier a hmotnosti reakčných produktov, potom pomocou vzorca E = mc 2, je možné vypočítať jeho energetický účinok. A keďže energetické účinky aj jadrových reakcií sú sprevádzané len nepatrnou zmenou hmotnosti, je potrebné tieto hmotnosti zmerať čo najpresnejšie.
Každý chemický prvok má prirodzené alebo umelé odrody nazývané izotopy. Rozdiel medzi nimi spočíva v nerovnakom počte neutrónov v jadrách, a teda v atómovej hmotnosti, ako aj v stupni stability. Pokiaľ ide o počet protónov, je rovnaký, vďaka čomu prvok v skutočnosti zostáva sám sebou. V tomto článku sa pozrieme na izotopy vodíka, najľahšieho a najrozšírenejšieho prvku vo vesmíre. Musíme zvážiť ich vlastnosti, úlohu v povahe a rozsah praktickej aplikácie.
Odpoveď na túto otázku závisí od toho, ktoré izotopy vodíka sú myslené.
Pre tento prvok boli stanovené tri prirodzené izotopové formy: protium - ľahký vodík, ťažké deutérium a superťažké trícium. Všetky boli nájdené v prírodnej forme.
Okrem nich existujú štyri umelo syntetizované izotopy: quadium, pentium, hexium a septium. Tieto odrody sa vyznačujú extrémnou nestabilitou, životnosť ich jadier sa vyjadruje v hodnotách rádovo 10-22 - 10-23 sekúnd.
Dnes je teda známych sedem izotopových druhov vodíka. Našu pozornosť zameriame na tri z nich, ktoré majú praktický význam.
Toto je najjednoduchšie štruktúrovaný atóm. Izotop vodíka protium s atómovou hmotnosťou 1,0078 a. e.m. má jadro, ktoré obsahuje iba jednu časticu - protón. Keďže je stabilný (teoreticky sa životnosť protónu odhaduje na nie menej ako 2,9 × 1029 rokov), je stabilný aj atóm protia. Pri písaní jadrových reakcií sa označuje ako 1H1 (dolný index je atómové číslo, teda počet protónov, horný index je celkový počet nukleóny v jadre), niekedy len p - „protón“.
Izotop svetla tvorí takmer 99,99 % všetkého vodíka; len o niečo viac ako stotina percenta pripadá na zvyšné formy. Je to protium, ktoré rozhodujúcim spôsobom prispieva k množstvu vodíka v prírode: vo vesmíre ako celku - asi 75% hmotnosti baryónovej hmoty a približne 90% atómov; na Zemi – 1 % hmotnosti a až 17 % atómov všetkých prvkov, ktoré tvoria našu planétu. Vo všeobecnosti možno bezpečne nazvať protium (presnejšie protón ako jedna z hlavných zložiek vesmíru). najdôležitejším prvkom. Poskytuje možnosť termonukleárnej fúzie v hĺbkach hviezd vrátane Slnka a vďaka nej vznikajú ďalšie prvky. Ľahký vodík navyše zohráva dôležitú úlohu pri stavbe a fungovaní živej hmoty.
V molekulárnej forme vstupuje vodík do chemických interakcií pri vysoké teploty, pretože na rozdelenie jeho pomerne silnej molekuly je potrebné veľa energie. Atómový vodík sa vyznačuje veľmi vysokou chemickou aktivitou.
Ťažký izotop vodíka má zložitejšie jadro pozostávajúce z protónu a neutrónu. V súlade s tým je atómová hmotnosť deutéria dvakrát väčšia – 2,0141. Akceptovaný zápis– 2H1 alebo D. Táto izotopová forma je tiež stabilná, pretože v procesoch silná interakcia V jadre sa protón a neutrón neustále premieňajú na seba a ten nemá čas na rozpad.
Na Zemi vodík obsahuje 0,011 % až 0,016 % deutéria. Jeho koncentrácia sa mení v závislosti od prostredia: v morská voda tohto izotopu je viac a v zložení napr. zemný plyn- výrazne menej. Na iných telách slnečná sústava pomer deutéria k ľahkému vodíku môže byť rôzny: napríklad ľad niektorých komét obsahuje veľká kvantitaťažký izotop.
Deutérium sa topí pri 18,6 K (ľahký vodík pri 14 K) a vrie pri 23,6 K (zodpovedajúci bod pre proum je 20,3 K). Ťažký vodík má vo všeobecnosti rovnaké chemické vlastnosti ako protium, pričom tvorí všetky typy zlúčenín charakteristické pre tento prvok, ale má aj niektoré črty spojené so závažným rozdielom v atómovej hmotnosti – napokon, deutérium je 2-krát ťažšie. Treba poznamenať, že z tohto dôvodu izotopové formy vodíka vykazujú najväčšie chemické rozdiely zo všetkých prvkov. Vo všeobecnosti sa deutérium vyznačuje nižšími (5-10-násobnými) reakčnými rýchlosťami.
Jadrá ťažkého vodíka sa zúčastňujú medzistupňov termonukleárneho cyklu. Slnko svieti vďaka tomuto procesu, v jednom štádiu ktorého sa výsledný izotop vodíka, deutérium, spája s protónom a vzniká hélium-3.
Voda, ktorá obsahuje okrem protia jeden atóm deutéria, sa nazýva poloťažká a má vzorec HDO. V molekule ťažkej vody D2O deutérium úplne nahrádza ľahký vodík.
Ťažká voda sa vyznačuje pomalým prúdením chemické reakcie, v dôsledku čoho je vo vysokých koncentráciách škodlivý pre živé organizmy, najmä vyššie, ako sú cicavce a vrátane ľudí. Ak je štvrtina vodíka vo vode nahradená deutériom, jeho dlhodobé používanie je spojené s rozvojom neplodnosti, anémie a iných chorôb. Pri nahradení 50% vodíka cicavce uhynú po týždni pitia takejto vody. Čo sa týka krátkodobých nárastov koncentrácie ťažkého vodíka vo vode, je prakticky neškodný.
Najpohodlnejšie je získať tento izotop vo vode. Existuje niekoľko spôsobov, ako obohatiť vodu deutériom:
Superťažký izotop vodíka, v ktorého jadre je protón a dva neutróny, má atómová hmotnosť 3.016 - asi trikrát viac ako protium. Trícium je označené symbolom T alebo 3H1. Topí sa a vrie pri ešte vyšších teplotách: 20,6 K a 25 K.
Je to rádioaktívny nestabilný izotop s polčasom rozpadu 12,32 roka. Vzniká pri bombardovaní jadier atmosférické plyny napríklad dusík, častice kozmického žiarenia. Rozpad izotopu zahŕňa emisiu elektrónu (tzv. beta rozpad), pričom jeden neutrón v jadre prechádza transformáciou na protón a chemický prvok zvyšuje svoje atómové číslo o jednu, čím sa stáva héliom-3. V prírode je trícium prítomné v stopových množstvách – veľmi málo.
Superťažký vodík vzniká v ťažkovodných jadrových reaktoroch, keď deutérium zachytáva pomalé (tepelné) neutróny. Časť je k dispozícii na extrakciu a slúži ako zdroj trícia. Okrem toho sa získava ako produkt rozpadu lítia, keď je lítium ožiarené tepelnými neutrónmi.
Trícium má nízku energiu rozpadu a predstavuje určité radiačné riziko len vtedy, keď sa dostane do tela vzduchom alebo potravou. Na ochranu pokožky pred beta žiarením postačia gumené rukavice.
Ľahký vodík sa používa v mnohých odvetviach: v chemickom priemysle, kde sa používa na výrobu amoniaku, metanolu, kyseliny chlorovodíkovej a iných látok, v rafinácii ropy a metalurgii, kde je potrebný na získavanie žiaruvzdorných kovov z oxidov. Používa sa aj v niektorých fázach výrobného cyklu (pri výrobe tuhých tukov) v potravinárskom a kozmetickom priemysle. Vodík slúži ako druh raketového paliva a používa sa v laboratórnej praxi vo vede a priemysle.
Deutérium je nevyhnutné v jadrová energia ako vynikajúci moderátor neutrónov. Používa sa v tejto kapacite a tiež ako chladivo v ťažkovodných reaktoroch, ktoré umožňujú použitie prírodného uránu, čo znižuje náklady na obohacovanie. Je tiež spolu s tríciom súčasťou pracovnej zmesi v termonukleárnych zbraniach.
Chemické vlastnosti ťažkého vodíka umožňujú jeho využitie pri výrobe liekov na spomalenie ich vylučovania z tela. A nakoniec, deutérium (ako trícium) je sľubné ako palivo v termonukleárnej energii.
Vidíme teda, že všetky izotopy vodíka sa tak či onak „používajú“ v tradičných aj v high-tech, na budúcnosť orientovaných odvetviach inžinierstva, technológie a vedeckého výskumu.
