Existujú tri izotopové formy vodíka: protium deutérium a trícium Sec. 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 roka (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 náprotivok deutérium. Najdôležitejší z nich je oxid deutéria, takzvaná ťažká voda. Používa sa ako moderátor v jadrové reaktory niektoré typy (pozri časť 1.3).
Oxid deutéria sa vyrába elektrolýzou vody. Keď na katóde dochádza k zrážaniu, zostávajúca voda je obohatená o oxid deutéria. V priemere vám táto metóda umožňuje získať zo 100 litrov vody.
Iné zlúčeniny deutéria sa zvyčajne pripravujú napríklad z oxidu deutéria
Vodík produkovaný vyššie uvedeným laboratórne metódy vo všetkých prípadoch ide o plyn pozostávajúci z dvojatómových molekúl, t.j. molekulárneho vodíka. Môže byť disociovaný na agomy 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 uvoľňujú toľko energie, ku ktorej to vedie
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 tomu, keď plynný vodík prechádza roztokom obsahujúcim ióny, nedochádza k ich redukcii. Ak však k tvorbe vodíka dôjde priamo v roztoku obsahujúcom ióny, tieto ióny sa okamžite redukujú na ióny
Aby sa vodík vytvoril priamo v roztoku obsahujúcom ióny, zrieďte kyselina sírová a zinok. Vodík vytvorený za takýchto podmienok sa v čase uvoľnenia nazýva vodík.
Dva protóny v molekule vodíka sú navzájom spojené dvoma protónmi umiestnenými vo väzbovom orbitále (pozri časť 2.1). Tieto dva elektróny na špecifikovanej dráhe 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 zvyšovaním teploty sa zvyšuje podiel ortovodíka a pri 25 °C zmes obsahuje približne 75 % ortovodíka a 25 % paravodíka.
Paravodík možno vyrobiť tak, že obyčajný vodík prechádza trubicou naplnenou dreveným uhlím a potom sa ochladí na teplotu kvapalného vzduchu. Ortovodík a paravodík sú úplne rovnaké vo svojich chemických vlastnostiach, ale trochu 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
Vodík má svoje vlastné názvy: H - protium (H), H - deutérium (D) a H - trícium (rádioaktívne) (T).
Jednoduchá látka vodík - H 2 - svetlý bezfarebný plyn. Po zmiešaní so vzduchom alebo kyslíkom je horľavý a výbušný. Netoxický. Rozpustíme v etanole a množstvo kovov: železo, nikel, paládium, platina.
Dokonca aj stredoveký vedec Paracelsus si všimol, že keď kyseliny pôsobia na železo, uvoľňujú sa bubliny nejakého druhu „vzduchu“. Ale čo to je, nevedel vysvetliť. Teraz vieme, že to bol vodík. „Vodík je príkladom plynu,“ napísal DI Mendelejev, „ktorý sa na prvý pohľad nelíši od vzduchu... Paracelsus, ktorý zistil, že vzdušná látka sa získava pôsobením určitých kovov na kyselinu sírovú, neurčil jeho rozdiel od vzduchu. Vodík je skutočne bez farby a zápachu, rovnako ako vzduch; ale pri bližšom zoznámení 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 gumený balónik, vyletí hore. Táto vlastnosť vodíka sa používala skôr na plnenie balóny a vzducholode. Pravda, prvý balón, ktorý postavili bratia Montgolfierovci, nebol naplnený vodíkom, ale dymom z horenia vlny a slamy. Takýto zvláštny spôsob získavania horúceho vzduchu je spôsobený skutočnosťou, že bratia zjavne nepoznali fyzikálne zákony; naivne verili, že táto zmes tvorí „elektrický dym“ schopný zdvihnúť ich svetelnú guľu. Fyzik Charles, ktorý poznal Archimedov zákon, sa rozhodol naplniť balón vodíkom; na rozdiel od teplovzdušných balónov naplnených horúcim vzduchom Francúzi nazývali vodíkové balóny charliers. Prvý takýto balón (neniesol žiadny náklad) vyletel z Champ de Mars v Paríži 27. augusta 1783 a preletel 20 km za 45 minút.
V decembri 1783 uskutočnil Charles v sprievode fyzika Francoisa Roberta za prítomnosti 400 tisíc divákov prvý let na teplovzdušný balón naplnené vodíkom. Gay-Lussac (tiež spolu s fyzikom Jeanom Baptistom Biotom) vytvoril výškový rekord v roku 1804, keď 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. Potom zomrelo 35 ľudí. Po mnohých nehodách sa už vodík v letectve nepoužíva, nahrádza ho hélium alebo horúci vzduch.
Pri spaľovaní vodíka vzniká voda – kombinácia vodíka a kyslíka. To dokázal na konci 18. francúzsky chemik Lavoisier. Odtiaľ pochádza názov plynu – „zrodenie vody“. Lavoisierovi sa podarilo získať aj vodík z vody. Vodné pary prechádzal cez rozžeravenú železnú rúrku so železnými pilinami. Kyslík z vody bol silne spojený 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 tiež bežný 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 sa nachádza málo voľného vodíka, ale je ho veľmi málo – len 0,00005 %. Do atmosféry sa dostáva zo sopiek.
Vodík drží mnoho 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 sú najmenšie zo všetkých atómov. Pri absorpcii energie elektromagnetického žiarenia sa však vonkajší elektrón atómu môže pohybovať stále ďalej od jadra. Preto môže mať excitovaný atóm vodíka teoreticky akúkoľvek veľkosť. A prakticky? Kniha World Records in Chemistry hovorí, že v medzihviezdnych oblakoch boli údajne nájdené atómy vodíka s priemerom 0,4 mm z ich spektier (zaznamenal ich spektrálny prechod z 253. na 252. orbitál). Atómy tejto veľkosti je možné vidieť voľným okom! Odkaz je uvedený na článok publikovaný v roku 1991 v najznámejšom svetovom časopise venovanom chémii - Journal of Chemical Education (vychádza 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 „len“ 0,004 mm a takéto atómy, aj keby boli „pevné“, nie je možné vidieť voľným okom – iba mikroskopom. Samozrejme, podľa atómových noriem je aj 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 medzery. Gumený balón nafúknutý vodíkom „schudne“ oveľa rýchlejšie ako balón nafúknutý vzduchom: molekuly vodíka postupne presakujú cez najmenšie póry v gume.
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. Deje sa tak preto, lebo výška zvuku vydávaného píšťalou, organovou píšťalou alebo ľudským hlasovým aparátom závisí nielen od ich veľkosti a materiálu steny, ale aj od plynu, ktorým sú naplnené. Čím väčšia 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 zvyškom vzduchu 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 Rozier (1756–1785). Nejako sa rozhodol skontrolovať, čo by sa stalo, keby vdýchol vodík; nikto predtým takýto experiment neurobil. Vedec si nevšimol žiadny účinok a rozhodol sa zistiť, či vodík prenikol do pľúc. Znova sa dobre nadýchol plynu a potom ho vydýchol do plameňa 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 mi vyleteli všetky zuby spolu s koreňmi,“ 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 zanedbateľných množstvách superťažký vodík - trícium. Dlhé a dramatické hľadanie týchto izotopov neprinieslo spočiatku žiadne výsledky z dôvodu nedostatočnej citlivosti prístrojov. Koncom roku 1931 skupina amerických fyzikov - G. Urey so svojimi študentmi, F. Brickvedde a J. Murphy, odobrala 4 litre kvapalného vodíka a podrobila ho frakčnej destilácii, pričom zo zvyšku získali len 1 ml, t.j. zníženie objemu o 4 tisíc krát. Tento posledný mililiter kvapaliny po jej odparení bol skúmaný spektroskopickou metódou. Skúsený spektroskopista Urey si všimol v spektrograme obohateného vodíka nové veľmi slabé čiary, ktoré v obyčajnom vodíku chýbajú. V tomto prípade poloha čiar v spektre presne zodpovedala kvantovo-mechanickému výpočtu nuklidu 2H, ktorý vykonal (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 kľúčom k výrobe ťažkého vodíka. Na jar 1932 vyšiel článok o objave deutéria a už v júli boli zverejnené 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 uverejnená malá poznámka podpísaná M. L. Oliphantom, P. Hartekom a Rutherfordom (priezvisko lorda Rutherforda pri publikovaní nevyžadovalo iniciály). Napriek skromnému názvu poznámky: Transmutačný efekt získaný ťažkým vodíkom informovala 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 tvorí v dôsledku prechodu atmosférou jadrové reakcie. V prírode je však tak málo trícia (1 1H atóm na 1018 3H atómov), že ho bolo možné detegovať len slabou rádioaktivitou (polčas rozpadu 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 soli podobné iónové hydridy. Získavajú sa ako výsledok priamej reakcie kovu s vodíkom pod tlakom a pri zvýšenej teplote (300–700 °C), keď je kov v roztavenom stave. Ich kryštálová mriežka obsahuje katióny kovov a hydridové anióny H– a je konštruovaná podobne ako mriežka NaCl. Pri zahriatí na teplotu topenia začnú hydridy podobné soliam viesť elektrický prúd, pričom na rozdiel od elektrolýzy vodných roztokov solí sa vodík neuvoľňuje na katóde, ale na kladne nabitej anóde. Hydridy podobné soliam reagujú s vodou za uvoľnenia vodíka a tvoria alkalický roztok, ľahko sa oxidujú kyslíkom a používajú sa ako silné redukčné činidlá.
Množstvo prvkov tvorí kovalentné hydridy, z ktorých najznámejšie sú hydridy prvkov IV–VI. skupín, 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 alebo hydrolýze vodou sa rozkladajú. Príkladom je SiH4, GeH4, SnH4. Z hľadiska štruktúry sú zaujímavé hydridy bóru, napríklad B 2 H 6, B 6 H 10, B 10 H 14 atď., v ktorých pár elektrónov neviaže dva, ako inak, ale tri B. -H-B atómy. Niektoré zmiešané hydridy sa tiež označujú ako kovalentné, napríklad lítiumalumíniumhydrid LiAlH 4, ktorý je široko používaný v organickej chémii ako redukčné činidlo. Hydridy germánia, kremíka, arzénu sa používajú na získanie vysoko čistých polovodičových materiálov.
Hydridy prechodných kovov majú veľmi rôznorodé vlastnosti a štruktúru. Často sú to nestechiometrické zlúčeniny, napríklad kovovému TiH 1,7, LaH 2,87 atď. Keď sa takéto hydridy vytvoria, 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 obsahujúce titán, nikel, 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 uvoľňovať. Týmto spôsobom je reverzibilný" chemické batérie» vodík, ktorý je v princípe možné 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. Tuhé tuky, podobne ako maslo a iné živočíšne tuky, sa získavajú z tekutých rastlinných olejov pomocou vodíka. Používajú sa v Potravinársky priemysel. Výroba výrobkov z kremenného skla vyžaduje veľmi vysoké teploty. A tu vodík nachádza svoje uplatnenie: horák s vodíkovo-kyslíkovým plameňom dáva teplotu nad 2000 stupňov, pri ktorej sa kremeň ľahko topí.
V laboratóriách a priemysle je široko používaná reakcia pridávania vodíka na rôzne zlúčeniny - hydrogenácia. Najbežnejšie reakcie sú hydrogenácia viacerých väzieb uhlík-uhlík. Takže etylén alebo (s úplnou hydrogenáciou) etán možno získať z acetylénu, cyklohexán z benzénu, tuhú nasýtenú kyselinu stearovú z kvapalnej nenasýtenej kyseliny olejovej atď. Ostatné triedy organických zlúčenín sa tiež podrobujú hydrogenácii a dochádza k ich redukcii. Takže počas hydrogenácie karbonylových zlúčenín (aldehydy, ketóny, estery) vznikajú zodpovedajúce alkoholy; napríklad izopropylalkohol sa získava z acetónu. Hydrogenáciou nitrozlúčenín sa získajú zodpovedajúce amíny.
Hydrogenácia molekulárnym vodíkom sa často uskutočňuje v prítomnosti katalyzátorov. V priemysle sa spravidla používajú heterogénne katalyzátory, ktoré zahŕňajú kovy skupiny VIII periodického systému prvkov - nikel, platina, ródium, paládium. Najaktívnejším z týchto katalyzátorov je platina; možno ho 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.
V laboratórnej praxi je tiež široko používaný 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 NaBH4 a lítiumalumíniumhydridom LiAlH4 - sa široko používa v organickej syntéze. Reakcia sa uskutočňuje v bezvodom prostredí, pretože komplexné hydridy sa okamžite hydrolyzujú.
Vodík sa používa v mnohých chemických laboratóriách. Skladuje sa pod tlakom v oceľových fľašiach, ktoré sa pre bezpečnosť prichytia špeciálnymi svorkami k stene alebo aj 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) riadená. Riadená termonukleárna fúzia sa od tradičnej jadrovej energie líši tým, že druhá využíva štiepnu reakciu, počas ktorej sa z ťažkých jadier získavajú ľahšie jadrá. Hlavné jadrové reakcie, ktoré sa plánujú využiť na riadenú termonukleárnu fúziu, budú využívať deutérium (2H) a trícium (3H) a z dlhodobého hľadiska hélium-3 (3He) a bór-11 (11B). Prvýkrát bol sformulovaný problém riadenej termonukleárnej fúzie v Sovietskom zväze a bolo preň navrhnuté nejaké konštruktívne riešenie. Sovietsky fyzik Lavrentiev O. A.
Fúzna reakcia prebieha nasledovne: odoberú sa dve alebo viac atómových jadier, ktoré sa pôsobením určitej sily priblížia natoľko, že sily pôsobiace na takéto vzdialenosti prevažujú nad Coulombovými odpudzovacími silami medzi rovnako nabitými jadrami v dôsledku ktorým sa vytvorí 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 je jednoduchšie ich priviesť na správnu vzdialenosť, 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 najmenšie množstvo energie v porovnaní s energiou uvoľnenou počas reakcie. Hoci je však zmes deutéria a trícia (D-T) predmetom väčšiny výskumov fúzie, v žiadnom prípade nejde o jediné potenciálne palivo. Iné zmesi môžu byť jednoduchšie na výrobu; ich reakciu možno lepšie kontrolovať, 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 pozitívne ovplyvniť verejný názor a na celkových nákladoch na prevádzku reaktora, čím sa výrazne znížia náklady na jeho vyraďovanie. Problémom zostáva, že fúzna reakcia využívajúca alternatívne palivá je oveľa náročnejšia na údržbu, pretože D-T reakcia považovať len za nevyhnutný prvý krok.
Môže sa použiť riadená termonukleárna fúzia rôzne druhy termonukleárne reakcie v závislosti od druhu použitého paliva.
Najjednoduchšie implementovaná reakcia je deutérium + trícium:
2 H + 3 H = 4 He + n pri výdaji energie 17,6 MeV
Táto reakcia sa najľahšie realizuje z hľadiska moderné technológie, dáva značnú energetickú výťažnosť, komponenty paliva 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. pri energetickom výkone 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 získava v jadrových elektrárňach.
Zložitosť vedenia termonukleárnej reakcie môže byť charakterizovaná trojitým súčinom nTt (hustota krát teplota krát doba zadržania). Podľa tohto parametra je reakcia D-3He asi 100-krát ťažšia ako D-T.
Reakcie medzi jadrami deutéria sú tiež možné, sú o niečo ťažšie ako reakcie zahŕňajúce hélium-3:
Okrem hlavnej reakcie v DD-plazme sa vyskytujú aj tieto:
Tieto reakcie pomaly prebiehajú paralelne s reakciou deutéria + hélium-3 a pri nich vznikajúce trícium a hélium-3 s veľkou pravdepodobnosťou okamžite reagujú s deutériom
Najsľubnejšie sú takzvané „bezneutrónové“ reakcie, pretože tok neutrónov generovaný termonukleárnou fúziou (napríklad pri reakcii deutérium-trícium) odnáša značnú časť energie a vytvára indukovanú rádioaktivitu v konštrukcii reaktora. Reakcia deutérium + hélium-3 je sľubná aj z dôvodu nedostatočného výťažku neutrónov.
Slová „deutérium“ a „trícium“ nám pripomínajú, že dnes má človek silný zdroj energie uvoľnenej počas reakcie:
2 1 H + 3 1 H > 4 2 He + 1 0 n+ 17,6 MeV.
Táto reakcia začína pri 10 miliónoch stupňov a prebieha v zlomku sekundy počas výbuchu termonukleárnej bomby a uvoľňuje sa obrovské množstvo energie v rozsahu Zeme.
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 hladovaním: v riadených termonukleárnych procesoch každý liter prírodnej vody poskytne toľko energie, koľko 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: koniec koncov, pre atómy, ktorých jadrá pozostávajú z niekoľkých protónov a neutrónov, to nie je také dôležité - o jeden neutrón menej alebo o jeden 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!
Prekvapivé izotopy nie sú v prírode rovnomerne rozložené: jeden atóm deutéria je asi 7000 a jeden atóm beta rádioaktívneho trícia je jedna miliarda miliárd atómov protia. Ďalší, extrémne nestabilný izotop vodíka, 4H, bol získaný umelo.
Relatívna pľúcna hmota 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 taká presnosť potrebná? Koniec koncov, každá nová figúrka vyžaduje od experimentátorov stále viac úsilia ... Tajomstvo sa odhalí jednoducho: protium jadrá, protóny sa zúčastňujú 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 dokonca aj jadrových reakcií sú sprevádzané len nepatrnou zmenou hmotnosti, potom je potrebné tieto hmotnosti merať čo najpresnejšie.
Každý chemický prvok má odrody prírodného alebo umelého pôvodu, nazývané izotopy. Rozdiel medzi nimi spočíva v nerovnakom počte neutrónov v jadrách a následne v atómovej hmotnosti, ako aj v stupni stability. Čo sa týka počtu protónov, ten je rovnaký, vďaka čomu prvok v skutočnosti zostáva sám sebou. V tomto článku sa budeme venovať izotopom vodíka, najľahšieho a najrozšírenejšieho prvku vo vesmíre. Musíme zvážiť ich vlastnosti, úlohu v prírode 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 sa nachádzajú prirodzene.
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.
Celkovo je teda dnes známych sedem izotopových druhov vodíka. Na tri z nich, ktoré majú praktický význam, zameriame našu pozornosť.
Toto je najjednoduchšie usporiadaný atóm. Izotop vodíka protium s atómovou hmotnosťou 1,0078 amu. e. m. má jadro, ktoré obsahuje iba jednu časticu - protón. Keďže je stabilný (teoreticky sa životnosť protónov odhaduje na nie menej ako 2,9 × 1029 rokov), je stabilný aj atóm protia. Pri zaznamenávaní jadrových reakcií sa označuje ako 1H1 (dolný index je atómové číslo, teda počet protónov, horný je celkový počet nukleóny v jadre), niekedy len p - "protón".
Izotop svetla tvorí takmer 99,99 % všetkého vodíka; len niečo viac ako stotina percenta pripadá na iné formy. Je to protium, ktoré rozhodujúcim spôsobom prispieva k rozšíreniu 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 jednu z hlavných zložiek vesmíru). podstatný prvok. Poskytuje možnosť termonukleárnej fúzie vo vnútri 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, keď vysoké teploty, pretože na rozdelenie jeho dostatočne silnej molekuly je potrebných 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. Prijaté označenie– 2H1 alebo D. Táto izotopová forma je tiež stabilná, pretože v procesoch silná interakcia v jadre sa protón a neutrón neustále menia 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 média: v morská voda tohto izotopu je viac a v zlozeni napr. zemný plyn- výrazne menej. Na iných telách slnečná sústava pomer deutéria k ľahkému vodíku môže byť rôzny: napríklad ľad niektorých komét obsahuje väčšie množstvo ťažkého izotopu.
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, tvorí všetky typy zlúčenín charakteristické pre tento prvok, má však aj niektoré črty spojené so závažným rozdielom v atómovej hmotnosti - napokon deutérium je 2-krát ťažšie. Treba poznamenať, že z tohto dôvodu sa izotopové formy vodíka vyznačujú najväčšími chemickými rozdielmi zo všetkých prvkov. Vo všeobecnosti je deutérium charakterizované nižšou (5- až 10-násobnou) reakčnou rýchlosťou.
Jadrá ťažkého vodíka sa zúčastňujú medzistupňov termonukleárneho cyklu. Slnko svieti vďaka tomuto procesu, v jednom zo štádií ktorého vzniknutý izotop vodíka deutérium splynutím s protónom dáva vznik héliu-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 tokom chemické reakcie, v dôsledku čoho je vo vysokých koncentráciách škodlivý pre živé organizmy, najmä vyššie, ako sú cicavce vrátane človeka. Ak je štvrtina vodíka v zložení vody 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 v zložení vody. Existuje niekoľko spôsobov, ako obohatiť vodu deutériom:
Superťažký izotop vodíka, ktorý má v jadre protón a dva neutróny, má atómová hmotnosť 3.016 - asi trikrát viac ako protium. Trícium sa označuje 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 nastáva emisiou elektrónu (tzv. beta rozpad), pričom jeden neutrón v jadre prechádza premenou na protón a chemický prvok zvyšuje svoje atómové číslo o jednu a stáva sa héliom-3. V prírode je trícium prítomné v stopových množstvách - je veľmi malé.
Superťažký vodík vzniká v ťažkovodných jadrových reaktoroch, keď sú pomalé (tepelné) neutróny zachytené deutériom. 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 sa vyznačuje nízkou energiou rozpadu a predstavuje určité radiačné riziko len vtedy, keď sa dostane do tela so vzduchom alebo potravou. Na ochranu pokožky pred beta žiarením postačujú 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 obnovu žiaruvzdorných kovov z oxidov. Používa sa aj v niektorých fázach výrobného cyklu (pri výrobe tuhých tukov) v potravinárskom a kozmetickom priemysle. Vodík slúži ako jeden z druhov raketového paliva a používa sa v laboratórnej praxi vo vede a v priemysle.
Deutérium je nevyhnutné v jadrová energia ako vynikajúci moderátor neutrónov. Používa sa v tejto kapacite, ako aj 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 s cieľom spomaliť ich vylučovanie z tela. A napokon, deutérium (ako trícium) má perspektívu ako palivo v termonukleárnej energii.
Takže vidíme, že všetky izotopy vodíka sú tak či onak „v biznise“ v tradičných aj v high-tech, na budúcnosť orientovaných odvetviach inžinierstva, technológie a vedeckého výskumu.
