Có ba dạng đồng vị của hydro: protium deuterium và tritium div. 1.1 và 4.1). Hydro tự nhiên chứa 99,985% đồng vị, 0,015% còn lại là deuterium. Tritium là một chất không ổn định chất đồng vị phóng xạ và do đó chỉ xảy ra ở dạng dấu vết. Nó phát ra hạt P và có chu kỳ bán rã 12,3 năm (xem Phần 1.3).
Tất cả các dạng đồng vị của hydro đều có tính chất hóa học gần như giống nhau. Tuy nhiên, chúng khác nhau về tính chất vật lý. Trong bảng 12.4 cho thấy một số tính chất vật lý của hydro và deuterium.
Bảng 12.4. Tính chất vật lý
Đối với mỗi hợp chất hydro đều có một chất tương tự deuterium. Điều quan trọng nhất trong số đó là oxit deuterium, còn gọi là nước nặng. Nó được sử dụng như một chất làm chậm lò phản ứng hạt nhân một số loại (xem phần 1.3).
Oxit deuterium thu được bằng cách điện phân nước. Khi sự phân tách xảy ra ở cực âm, lượng nước còn lại sẽ trở nên giàu oxit deuterium. Trung bình, phương pháp này cho phép bạn thu được từ 100 lít nước.
Các hợp chất deuterium khác thường được điều chế từ oxit deuterium, ví dụ:
Hydro thu được như mô tả ở trên phương pháp thí nghiệm, trong mọi trường hợp là một chất khí bao gồm các phân tử hai nguyên tử, tức là hydro phân tử. Nó có thể được phân tách thành các khối bằng cách sử dụng một số nguồn năng lượng cao, chẳng hạn như ống xả khí chứa hydro ở áp suất thấp. Hydro cũng có thể được nguyên tử hóa dưới dạng hồ quang điện hình thành giữa các điện cực vonfram. Các nguyên tử hydro kết hợp lại trên bề mặt kim loại và điều này giải phóng nhiều năng lượng đến mức dẫn đến hiện tượng
tăng nhiệt độ lên khoảng 3500°C. Hiệu ứng này được sử dụng để hàn hồ quang hydro cho kim loại.
Hydro nguyên tử là chất khử mạnh. Nó khử oxit và clorua kim loại thành kim loại tự do.
Khí hydro, tức là hydro phân tử, là chất khử kém. Điều này là do năng lượng liên kết của nó cao, tương đương với Ví dụ, khi khí hydro đi qua dung dịch chứa các ion, sự khử của chúng không xảy ra. Tuy nhiên, nếu sự hình thành hydro xảy ra trực tiếp trong dung dịch chứa các ion thì các ion này ngay lập tức bị khử thành các ion
Để hydro tạo thành trực tiếp trong dung dịch chứa ion thì thêm dung dịch loãng axit sulfuric và kẽm. Hydro hình thành trong điều kiện như vậy được gọi là hydro tại thời điểm tiến hóa
Hai proton trong phân tử hydro được kết nối với nhau bằng hai proton nằm trên quỹ đạo liên kết (xem Phần 2.1). Hai electron này nằm trong quỹ đạo được chỉ định phải có spin ngược nhau. Tuy nhiên, không giống như electron, hai proton trong phân tử hydro có thể có spin song song hoặc ngược chiều. Một loại hydro phân tử có spin song song của các proton của hai hạt nhân được gọi là orthohydrogen, và một loại có spin hướng ngược nhau của các proton của hai hạt nhân được gọi là parahydrogen (Hình 12.1).
Hydro thông thường là hỗn hợp của orthohydrogen và parahydrogen. Vào lúc rất nhiệt độ thấp nó bị chi phối bởi parahydrogen. Khi nhiệt độ tăng, tỷ lệ orthohydrogen tăng lên và ở 25°C hỗn hợp chứa khoảng 75% orthohydrogen và 25% parahydrogen.
Parahydrogen có thể được sản xuất bằng cách cho hydro thông thường đi qua một ống chứa đầy than và sau đó làm nguội nó đến nhiệt độ không khí lỏng. Orthohydrogen và parahydrogen hoàn toàn giống nhau về tính chất hóa học, nhưng hơi khác nhau về điểm nóng chảy và điểm sôi (xem Bảng 12.5).
Cơm. 12.1. Orthohydrogen và parahydrogen.
Bảng 12.5. Điểm nóng chảy và sôi của orthohydrogen và parahydrogen
Hydrogen có tên riêng: H - protium (H), H - deuterium (D) và H - tritium (phóng xạ) (T).
Chất đơn giản hydro - H 2 - là một loại khí nhẹ không màu. Khi trộn với không khí hoặc oxy, nó dễ cháy và nổ. Không độc hại. Hòa tan trong ethanol và một số kim loại: sắt, niken, palladium, bạch kim.
Ngay cả nhà khoa học thời Trung cổ Paracelsus cũng nhận thấy rằng khi axit tác dụng với sắt, sẽ tạo ra bong bóng của một loại “không khí” nào đó. Nhưng anh không thể giải thích nó là gì. Bây giờ người ta biết rằng đó là hydro. D.I. Mendeleev viết: “Hydro là một ví dụ về chất khí, thoạt nhìn, không khác gì không khí… Paracelsus, người đã phát hiện ra rằng tác dụng của một số kim loại với axit sulfuric tạo ra một chất giống như không khí, đã không xác định được nó”. sự khác biệt so với không khí. Thật vậy, hydro không màu và không mùi, giống như không khí; nhưng khi hiểu rõ hơn về các đặc tính của nó, chất khí này hóa ra hoàn toàn khác với không khí.”
Các nhà hóa học người Anh ở thế kỷ 18, Henry Cavendish và Joseph Priestley, những người đã khám phá lại hydro, là những người đầu tiên nghiên cứu các tính chất của nó. Họ phát hiện ra rằng đó là một loại khí nhẹ bất thường - nhẹ hơn không khí 14 lần. Nếu bạn dùng nó thổi phồng một quả bóng cao su, nó sẽ bay lên. Tính chất này của hydro trước đây được sử dụng để làm đầy bóng bay và khí cầu. Đúng vậy, khinh khí cầu đầu tiên do anh em nhà Montgolfier chế tạo không chứa đầy hydro mà bằng khói từ việc đốt len và rơm. Cách tạo ra không khí nóng kỳ lạ này là do hai anh em dường như không quen thuộc với các định luật vật lý; họ ngây thơ tin rằng hỗn hợp này sẽ tạo thành “khói điện” có thể nâng quả bóng đèn của họ lên. Nhà vật lý Charles, người biết định luật Archimedes, đã quyết định đổ đầy hydro vào quả bóng bay; Không giống như khinh khí cầu chứa đầy không khí nóng, người Pháp gọi bóng bay bằng khí đốt hydro. Chiếc khinh khí cầu đầu tiên như vậy (không chở bất kỳ hàng hóa nào) cất cánh từ Champs de Mars ở Paris vào ngày 27 tháng 8 năm 1783 và bay được 20 km trong 45 phút.
Vào tháng 12 năm 1783, Charles cùng với nhà vật lý François Robert, trước sự chứng kiến của 400 nghìn khán giả, đã thực hiện chuyến bay đầu tiên tới khinh khí cầu chứa đầy hydro. Gay-Lussac (cũng cùng với nhà vật lý Jean Baptiste Biot) lập kỷ lục về độ cao vào năm 1804, lên tới 7.000 mét.
Nhưng hydro dễ cháy. Hơn nữa, hỗn hợp của nó với không khí sẽ phát nổ, và hỗn hợp hydro và oxy thậm chí còn được gọi là “khí nổ”. Vào tháng 5 năm 1937, một trận hỏa hoạn đã phá hủy khí cầu khổng lồ Hindenburg của Đức trong vài phút - nó chứa 190.000 mét khối hydro. 35 người đã chết sau đó. Sau nhiều tai nạn, hydro không còn được sử dụng trong hàng không nữa; nó được thay thế bằng heli hoặc không khí nóng.
Khi hydro cháy, nước được hình thành - hợp chất của hydro và oxy. Điều này đã được chứng minh vào cuối thế kỷ 18 bởi nhà hóa học người Pháp Lavoisier. Do đó có tên khí – “cho nước”. Lavoisier cũng tìm cách thu được hydro từ nước. Ông cho hơi nước đi qua một ống sắt nóng đỏ chứa mạt sắt. Oxy từ nước được kết hợp chặt chẽ với sắt và hydro được giải phóng ở dạng tự do. Bây giờ hydro cũng được lấy từ nước, nhưng theo một cách khác - sử dụng điện phân (xem PHÂN TÂN ĐIỆN TỬ. ĐIỆN PHÂN)
Hydro là phổ biến nhất nguyên tố hóa học trong vũ trụ. Nó chiếm khoảng một nửa khối lượng của Mặt trời và hầu hết các ngôi sao, đồng thời là nguyên tố chính trong không gian giữa các vì sao và trong tinh vân khí. Hydro cũng phổ biến rộng rãi trên Trái đất. Ở đây nó ở trạng thái ràng buộc - ở dạng hợp chất. Như vậy, nước chứa 11% khối lượng hydro, đất sét - 1,5%. Ở dạng hợp chất với carbon, hydro là một phần của dầu, khí tự nhiên và mọi sinh vật sống. Có một số hydro tự do trong không khí, nhưng có rất ít - chỉ 0,00005%. Nó đi vào bầu khí quyển từ núi lửa.
Hydro nắm giữ nhiều “kỷ lục” khác.
Hydro lỏng– chất lỏng nhẹ nhất (mật độ 0,067 g/cm3 ở nhiệt độ –250°C),
Hydro rắn- dễ nhất chất rắn(mật độ 0,076 g/cm3).
nguyên tử hydro- nhỏ nhất trong tất cả các nguyên tử. Tuy nhiên, khi hấp thụ năng lượng bức xạ điện từ Electron bên ngoài của nguyên tử có thể di chuyển ngày càng xa hạt nhân. Do đó, về mặt lý thuyết, một nguyên tử hydro bị kích thích có thể có kích thước bất kỳ. Nhưng thực tế? Cuốn sách Kỷ lục Thế giới về Hóa học nói rằng trong các đám mây giữa các vì sao, người ta cho rằng các nguyên tử hydro có đường kính 0,4 mm đã được phát hiện trong quang phổ của chúng (chúng được ghi lại bằng sự chuyển đổi quang phổ từ quỹ đạo thứ 253 sang quỹ đạo thứ 252). Các nguyên tử có kích thước này có thể được nhìn thấy bằng mắt thường! Trong trường hợp này, một liên kết được đưa đến một bài báo xuất bản năm 1991 trên tạp chí nổi tiếng nhất thế giới về giáo dục hóa học - Tạp chí Giáo dục Hóa học (xuất bản tại Hoa Kỳ). Tuy nhiên, tác giả của bài báo đã nhầm lẫn - anh ta đã đánh giá quá cao tất cả các kích cỡ chính xác 100 lần (điều này đã được tạp chí này đưa tin một năm sau đó). Điều này có nghĩa là các nguyên tử hydro được phát hiện có đường kính “chỉ” 0,004 mm và những nguyên tử như vậy, ngay cả khi chúng “rắn”, không thể nhìn thấy bằng mắt thường - chỉ qua kính hiển vi. Tất nhiên, theo tiêu chuẩn nguyên tử, 0,004 mm là một giá trị rất lớn, lớn hơn hàng chục nghìn lần đường kính của một nguyên tử hydro không bị kích thích.
Các phân tử hydro cũng rất nhỏ. Vì vậy, khí này dễ dàng đi qua các vết nứt mỏng nhất. Một quả bóng cao su được bơm căng bằng hydro “giảm trọng lượng” nhanh hơn nhiều so với một quả bóng được bơm căng bằng không khí: các phân tử hydro dần dần thấm qua các lỗ nhỏ nhất trong cao su.
Nếu bạn hít khí hydro và bắt đầu nói chuyện, tần số âm thanh phát ra sẽ cao gấp ba lần so với bình thường. Điều này đủ để khiến âm thanh của ngay cả giọng nam trầm cũng trở nên cao bất thường, gợi nhớ đến giọng của Pinocchio. Điều này xảy ra vì cao độ của âm thanh do còi, ống đàn organ hoặc bộ máy phát âm của con người tạo ra không chỉ phụ thuộc vào kích thước và vật liệu thành của chúng mà còn phụ thuộc vào khí chứa đầy chúng. Tốc độ âm thanh trong chất khí càng cao thì âm thanh của nó càng cao. Tốc độ của âm thanh phụ thuộc vào khối lượng của các phân tử khí. Các phân tử hydro nhẹ hơn nhiều so với các phân tử nitơ và oxy tạo nên không khí và âm thanh truyền trong hydro nhanh hơn gần bốn lần so với trong không khí. Tuy nhiên, hít phải hydro có nhiều rủi ro: trong phổi chắc chắn nó sẽ trộn lẫn với không khí còn lại và tạo thành hỗn hợp nổ. Và nếu khi bạn thở ra, có một ngọn lửa gần đó... Đây là câu chuyện xảy ra với nhà hóa học người Pháp, giám đốc Bảo tàng Khoa học Paris, Pilatre de Rosier (1756–1785). Một ngày nọ, anh quyết định kiểm tra xem điều gì sẽ xảy ra nếu anh hít phải khí hydro; Không ai từng tiến hành một thí nghiệm như vậy trước anh ta. Không nhận thấy bất kỳ tác dụng nào, nhà khoa học quyết định kiểm tra xem liệu hydro có xâm nhập vào phổi hay không. Anh ta hít một hơi khí nữa rồi thổi vào ngọn lửa nến, mong nhìn thấy một tia lửa. Tuy nhiên, khí hydro trong phổi của người thí nghiệm dũng cảm đã hòa lẫn với không khí và một vụ nổ mạnh đã xảy ra. “Tôi nghĩ rằng tất cả răng của tôi đã rụng hết, cùng với chân răng,” anh viết sau này, rất hài lòng với trải nghiệm suýt phải trả giá bằng mạng sống của mình.
Ngoài hydro "thông thường" (protium, từ tiếng Hy Lạp nguyên mẫu- thứ nhất), đồng vị nặng của nó cũng có trong tự nhiên - đơteri(từ tiếng Latin deuteros - giây) và với số lượng không đáng kể hydro siêu nặng - tritium. Một cuộc tìm kiếm kéo dài và đầy kịch tính đối với những đồng vị này ban đầu không mang lại kết quả do độ nhạy của thiết bị không đủ. Vào cuối năm 1931, một nhóm các nhà vật lý người Mỹ - G. Urey và các sinh viên của ông, F. Brickwedde và J. Murphy, đã lấy 4 lít hydro lỏng và chưng cất phân đoạn, chỉ để lại 1 ml cặn, tức là. giảm âm lượng đi 4 nghìn lần. mililit chất lỏng cuối cùng này sau khi bay hơi được nghiên cứu bằng phương pháp quang phổ. Nhà quang phổ học giàu kinh nghiệm Yuri nhận thấy những vạch mới rất yếu trong quang phổ của hydro đã được làm giàu mà hydro thông thường không có. Trong trường hợp này, vị trí của các vạch trong quang phổ hoàn toàn tương ứng với tính toán cơ học lượng tử của ông về hạt nhân 2H (xem CÁC NGUYÊN TỐ HÓA HỌC).
Sau khi phát hiện ra deuterium bằng phương pháp quang phổ, người ta đã đề xuất tách các đồng vị hydro bằng phương pháp điện phân. Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng trong quá trình điện phân nước, hydro nhẹ thực sự được giải phóng nhanh hơn hydro nặng. Chính khám phá này đã trở thành chìa khóa cho việc sản xuất hydro nặng. Bài báo báo cáo việc phát hiện ra deuterium được xuất bản vào mùa xuân năm 1932, và vào tháng 7, kết quả về việc tách các đồng vị bằng phương pháp điện phân đã được công bố. Năm 1934, Harold Clayton Urey nhận giải Nobel Hóa học nhờ phát hiện ra hydro nặng.
Vào ngày 17 tháng 3 năm 1934, một ghi chú nhỏ có chữ ký của M. L. Oliphant, P. Harteck và Rutherford đã được đăng trên tạp chí tiếng Anh “Nature” (Nature) (họ của Lord Rutherford không yêu cầu viết tắt khi xuất bản!). Bất chấp tiêu đề khiêm tốn của ghi chú: Tác động của sự biến đổi thu được với hydro nặng, nó đã thông báo cho thế giới về một kết quả nổi bật - việc sản xuất nhân tạo đồng vị thứ ba của hydro - tritium. Năm 1946, một chuyên gia nổi tiếng trong lĩnh vực này vật lý nguyên tử, người đoạt giải giải thưởng Nobel W. F. Libby cho rằng tritium được hình thành liên tục do tác động của khí quyển phản ứng hạt nhân. Tuy nhiên, có rất ít tritium trong tự nhiên (1 nguyên tử 1H trên 1018 nguyên tử 3H) nên nó chỉ được phát hiện bởi độ phóng xạ yếu (chu kỳ bán rã 12,3 năm).
Hydro tạo thành hợp chất - hiđrua với nhiều nguyên tố. Tùy thuộc vào nguyên tố thứ hai, hydrua có tính chất khác nhau rất nhiều. Các nguyên tố có tính điện ly cao nhất (kiềm và kim loại kiềm thổ nặng) tạo thành cái gọi là hydrua giống muối có tính chất ion. Chúng thu được là kết quả của phản ứng trực tiếp của kim loại với hydro dưới áp suất và ở nhiệt độ cao (300–700°C), khi kim loại ở trạng thái nóng chảy. Mạng tinh thể của chúng chứa các cation kim loại và anion H–hydrua và có cấu trúc tương tự như mạng NaCl. Khi đun nóng đến điểm nóng chảy, hydrua giống muối bắt đầu dẫn dòng điện, và trái ngược với quá trình điện phân dung dịch nước của muối, hydro được giải phóng không phải ở cực âm mà ở cực dương tích điện dương. Hiđrua giống muối phản ứng với nước giải phóng hydro và tạo thành dung dịch kiềm; chúng dễ bị oxy hóa bởi oxy và được sử dụng làm chất khử mạnh.
Một số nguyên tố tạo thành hydrua cộng hóa trị, trong đó nổi tiếng nhất là hydrua của các nguyên tố nhóm IV–VI, ví dụ, metan CH 4, amoniac NH 3, hydro sunfua H 2 S, v.v. Hiđrua cộng hóa trị có tính phản ứng cao và là chất khử. Một số hydrua này không ổn định và bị phân hủy khi đun nóng hoặc bị thủy phân bởi nước. Ví dụ bao gồm SiH 4, GeH 4, SnH 4. Từ quan điểm cấu trúc, boron hydrua rất thú vị, ví dụ, B 2 H 6, B 6 H 10, B 10 H 14, v.v., trong đó một cặp electron liên kết không phải hai, như thường lệ, mà là ba B– nguyên tử H–B. Một số hydrua hỗn hợp cũng được phân loại là cộng hóa trị, ví dụ, lithium nhôm hydrua LiAlH 4, được sử dụng rộng rãi trong hóa học hữu cơ như một chất khử. Germanium, silicon và asen hydrua được sử dụng để sản xuất vật liệu bán dẫn có độ tinh khiết cao.
Hiđrua kim loại chuyển tiếp rất đa dạng về tính chất và cấu trúc. Thông thường đây là những hợp chất có thành phần không cân bằng hóa học, ví dụ, giống như kim loại TiH 1.7, LaH 2.87, v.v. Khi các hydrua như vậy được hình thành, hydro đầu tiên được hấp phụ trên bề mặt kim loại, sau đó nó phân ly thành các nguyên tử khuếch tán sâu vào mạng tinh thể của kim loại, tạo thành các hợp chất xen kẽ. Mối quan tâm lớn nhất là hydrua của các hợp chất liên kim loại, ví dụ, những hợp chất có chứa các nguyên tố titan, niken và đất hiếm. Số lượng nguyên tử hydro trên một đơn vị thể tích của hydrua như vậy có thể lớn hơn gấp 5 lần so với số lượng nguyên tử hydro ở dạng lỏng nguyên chất! Ở nhiệt độ phòng, hợp kim của các kim loại nói trên có khả năng hấp thụ nhanh chóng một lượng hydro đáng kể và khi đun nóng, chúng sẽ giải phóng nó. Bằng cách này, chúng tôi có được "có thể đảo ngược" pin hóa học» hydro, về nguyên tắc, có thể được sử dụng để tạo ra động cơ chạy bằng nhiên liệu hydro. Trong số các hydrua kim loại chuyển tiếp khác, urani hydrua có thành phần không đổi UH 3 rất thú vị, nó đóng vai trò là nguồn cung cấp các hợp chất urani có độ tinh khiết cao khác.
Hydro được sử dụng chủ yếu để sản xuất amoniac, chất cần thiết cho sản xuất phân bón và nhiều chất khác. Từ dầu thực vật dạng lỏng, sử dụng hydro, người ta thu được chất béo rắn tương tự như bơ và các loại mỡ động vật khác. Chúng được sử dụng trong Công nghiệp thực phẩm. Việc sản xuất các sản phẩm thủy tinh thạch anh đòi hỏi nhiệt độ rất cao. Và ở đây hydro tìm thấy ứng dụng: một đầu đốt có ngọn lửa hydro-oxy tạo ra nhiệt độ trên 2000 độ, tại đó thạch anh dễ dàng tan chảy.
Trong phòng thí nghiệm và trong công nghiệp, phản ứng cộng hydro vào các hợp chất khác nhau – phản ứng hydro hóa – được sử dụng rộng rãi. Các phản ứng phổ biến nhất là hydro hóa nhiều liên kết cacbon-cacbon. Do đó, từ axetylen, bạn có thể thu được ethylene hoặc (với quá trình hydro hóa hoàn toàn), từ benzen - cyclohexane, từ axit oleic không bão hòa dạng lỏng - axit stearic bão hòa rắn, v.v. Các loại hợp chất hữu cơ khác cũng có thể bị hydro hóa và xảy ra quá trình khử. Như vậy, trong quá trình hydro hóa các hợp chất cacbonyl (aldehyde, xeton, este), các rượu tương ứng được hình thành; ví dụ, rượu isopropyl thu được từ axeton. Khi các hợp chất nitro bị hydro hóa sẽ tạo thành các amin tương ứng.
Quá trình hydro hóa bằng hydro phân tử thường được thực hiện với sự có mặt của chất xúc tác. Trong công nghiệp, theo quy luật, các chất xúc tác không đồng nhất được sử dụng, bao gồm các kim loại thuộc nhóm VIII của bảng tuần hoàn các nguyên tố - niken, bạch kim, rhodium, palladium. Chất xúc tác hoạt động mạnh nhất trong số này là bạch kim; Nó có thể được sử dụng để hydro hóa ngay cả các hợp chất thơm ở nhiệt độ phòng mà không cần áp suất. Hoạt tính của các chất xúc tác rẻ hơn có thể được tăng lên bằng cách thực hiện phản ứng hydro hóa dưới áp suất ở nhiệt độ cao trong các thiết bị đặc biệt - nồi hấp. Vì vậy, quá trình hydro hóa các hợp chất thơm trên niken đòi hỏi áp suất lên tới 200 atm và nhiệt độ trên 150°C.
Chúng cũng được sử dụng rộng rãi trong thực hành phòng thí nghiệm. nhiều cách khác nhau hydro hóa không xúc tác. Một trong số đó là hoạt động của hydro tại thời điểm giải phóng. “Hydro hoạt tính” như vậy có thể thu được bằng cách cho kim loại natri phản ứng với rượu hoặc kẽm hỗn hợp với axit clohydric. Quá trình hydro hóa bằng hydrua phức tạp - natri borohydrua NaBH 4 và lithium nhôm hydrua LiAlH 4 - đã trở nên phổ biến trong tổng hợp hữu cơ. Phản ứng được thực hiện trong môi trường khan, vì các hydrua phức tạp bị thủy phân ngay lập tức.
Hydro được sử dụng trong nhiều phòng thí nghiệm hóa học. Nó được lưu trữ dưới áp suất trong các bình thép, để đảm bảo an toàn, nó được gắn vào tường bằng kẹp đặc biệt hoặc thậm chí được đưa ra ngoài sân, và khí đi vào phòng thí nghiệm qua một ống mỏng.
| Nguyên tố hóa học và vật liệu |
||
|---|---|---|
Phản ứng tổng hợp nhiệt hạch có kiểm soát (CTF) là sự tổng hợp các hạt nhân nguyên tử nặng hơn từ các hạt nhân nhẹ hơn để thu được năng lượng, không giống như phản ứng tổng hợp nhiệt hạch nổ (được sử dụng trong vũ khí nhiệt hạch), về bản chất được kiểm soát. Phản ứng tổng hợp nhiệt hạch có kiểm soát khác với năng lượng hạt nhân truyền thống ở chỗ năng lượng hạt nhân truyền thống sử dụng phản ứng phân rã, trong đó hạt nhân nhẹ hơn được tạo ra từ hạt nhân nặng. Các phản ứng hạt nhân chính được lên kế hoạch sử dụng để đạt được phản ứng tổng hợp nhiệt hạch có kiểm soát sẽ sử dụng deuterium (2 H) và tritium (3 H), và về lâu dài là helium-3 (3 He) và boron-11 (11 B). Lần đầu tiên, ông đưa ra vấn đề về phản ứng tổng hợp nhiệt hạch có kiểm soát ở Liên Xô và đề xuất một số giải pháp mang tính xây dựng cho vấn đề đó. nhà vật lý Liên Xô Lavrentiev O. A.
Phản ứng nhiệt hạch diễn ra như sau: hai hoặc nhiều hạt nhân nguyên tử được lấy ra và sử dụng một lực nhất định, đưa chúng lại gần nhau đến mức các lực tác dụng ở những khoảng cách như vậy lấn át lực đẩy Coulomb giữa các hạt nhân tích điện bằng nhau, dẫn đến sự hình thành một phản ứng nhiệt hạch. hạt nhân mới. Nó sẽ có khối lượng nhỏ hơn một chút so với tổng khối lượng của các hạt nhân ban đầu và sự chênh lệch trở thành năng lượng được giải phóng trong quá trình phản ứng. Lượng năng lượng giải phóng được mô tả bằng công thức nổi tiếng E=mcІ. Bật lửa Hạt nhân nguyên tử Việc đưa nó đến khoảng cách cần thiết sẽ dễ dàng hơn nên hydro - nguyên tố có nhiều nhất trong Vũ trụ - là nhiên liệu tốt nhất cho phản ứng nhiệt hạch.
Người ta đã phát hiện ra rằng hỗn hợp của hai đồng vị deuterium và tritium cần ít năng lượng nhất cho phản ứng nhiệt hạch so với năng lượng giải phóng trong phản ứng. Tuy nhiên, mặc dù deuterium-tritium (D-T) là chủ đề của hầu hết các nghiên cứu nhiệt hạch, nhưng nó không phải là nhiên liệu tiềm năng duy nhất. Các hỗn hợp khác có thể dễ sản xuất hơn; phản ứng của chúng có thể được kiểm soát đáng tin cậy hơn hoặc quan trọng hơn là tạo ra ít neutron hơn. Cái gọi là phản ứng “không có neutron” được đặc biệt quan tâm, vì việc sử dụng thành công loại nhiên liệu này trong công nghiệp sẽ đồng nghĩa với việc không có hiện tượng ô nhiễm phóng xạ lâu dài đối với vật liệu và thiết kế lò phản ứng, do đó, có thể có tác động tích cực đến dư luận và tổng chi phí vận hành lò phản ứng, giảm đáng kể chi phí ngừng hoạt động của lò phản ứng. Vấn đề vẫn là các phản ứng tổng hợp sử dụng nhiên liệu thay thế khó duy trì hơn nhiều vì phản ứng D-T chỉ được coi là bước đầu tiên cần thiết.
Sự hợp nhất có kiểm soát có thể sử dụng các loại khác nhau phản ứng nhiệt hạch tùy thuộc vào loại nhiên liệu được sử dụng.
Phản ứng dễ thực hiện nhất là deuterium + tritium:
2 H + 3 H = 4 He + n ở mức năng lượng phát ra là 17,6 MeV
Phản ứng này dễ thực hiện nhất xét theo quan điểm công nghệ hiện đại, mang lại sản lượng năng lượng đáng kể, các thành phần nhiên liệu rẻ tiền. Nhược điểm là giải phóng bức xạ neutron không mong muốn.
Hai hạt nhân: deuterium và tritium hợp nhất để tạo thành hạt nhân helium (hạt alpha) và neutron năng lượng cao.
Ở giới hạn có thể, việc thực hiện phản ứng của deuterium + helium-3 sẽ khó khăn hơn nhiều
2 H + 3 He = 4 He + p. với năng lượng phát ra là 18,4 MeV
Các điều kiện để đạt được nó phức tạp hơn nhiều. Helium-3 cũng là một đồng vị hiếm và cực kỳ đắt tiền. TRONG quy mô công nghiệp hiện chưa được sản xuất. Tuy nhiên, nó có thể thu được từ triti, chất được sản xuất lần lượt tại các nhà máy điện hạt nhân.
Sự phức tạp của việc thực hiện phản ứng nhiệt hạch có thể được đặc trưng bởi tích ba nTt (mật độ theo nhiệt độ và thời gian giam giữ). Theo thông số này, phản ứng D-3He phức tạp hơn khoảng 100 lần so với phản ứng D-T.
Các phản ứng giữa hạt nhân deuterium cũng có thể xảy ra, nhưng chúng khó hơn một chút so với các phản ứng liên quan đến helium-3:
Ngoài phản ứng chính, những điều sau đây cũng xảy ra trong huyết tương DD:
Những phản ứng này diễn ra chậm rãi song song với phản ứng deuterium + helium-3, và triti và helium-3 hình thành trong quá trình đó có khả năng phản ứng ngay lập tức với deuterium
Hứa hẹn nhất là cái gọi là phản ứng “không có neutron”, vì dòng neutron được tạo ra bởi phản ứng tổng hợp nhiệt hạch (ví dụ, trong phản ứng deuterium-tritium) mang đi một phần năng lượng đáng kể và tạo ra phóng xạ cảm ứng trong thiết kế lò phản ứng . Phản ứng của deuterium + helium-3 đầy hứa hẹn do không tạo ra neutron.
Các từ “đơteri” và “triti” nhắc nhở chúng ta rằng ngày nay con người có sẵn nguồn năng lượng mạnh nhất được giải phóng trong phản ứng:
2 1 N + 3 1 N > 4 2 Anh + 1 0 N+ 17,6 MeV.
Phản ứng này bắt đầu ở nhiệt độ 10 triệu độ và diễn ra trong những phần không đáng kể của một giây trong vụ nổ bom nhiệt hạch và một lượng năng lượng khổng lồ được giải phóng trên quy mô Trái đất.
Bom hydro đôi khi được so sánh với Mặt trời. Tuy nhiên, chúng ta đã thấy rằng các quá trình nhiệt hạch diễn ra chậm và ổn định trên Mặt trời. Mặt trời mang lại cho chúng ta sự sống và bom H- hứa chết...
Nhưng một ngày nào đó sẽ đến - và thời điểm này không còn xa nữa - khi thước đo giá trị sẽ không phải là vàng mà là năng lượng. Và khi đó các đồng vị hydro sẽ cứu nhân loại khỏi nạn đói năng lượng sắp xảy ra: trong các quá trình nhiệt hạch có kiểm soát, mỗi lít nước tự nhiên sẽ cung cấp lượng năng lượng tương đương với 300 lít xăng hiện nay. Và nhân loại sẽ ngơ ngác nhớ lại rằng đã có một thời con người đe dọa nhau bằng nguồn nhiệt và ánh sáng mang lại sự sống...
Thể chất và Tính chất hóa học Các đồng vị của tất cả các nguyên tố ngoại trừ hydro trên thực tế là giống nhau: xét cho cùng, đối với các nguyên tử có hạt nhân bao gồm một số proton và neutron, việc có ít hơn một neutron hay nhiều hơn một neutron không quá quan trọng. Nhưng hạt nhân của nguyên tử hydro là một proton duy nhất, và nếu thêm một neutron vào nó, khối lượng của hạt nhân sẽ gần như tăng gấp đôi, và nếu có hai neutron thì nó sẽ tăng gấp ba. Do đó, hydro nhẹ (protium) sôi ở nhiệt độ âm 252,6 °C và điểm sôi của các đồng vị của nó khác với giá trị này 3,2 ° (deuterium) và 4,5 ° (tritium). Đối với đồng vị thì đây là một sự khác biệt rất lớn!
Các đồng vị tuyệt vời được phân bố không đồng đều trong tự nhiên: có một nguyên tử đơteri chứa khoảng 7000, và một nguyên tử tritium phóng xạ beta chứa một tỷ tỷ nguyên tử protium. một cách nhân tạo Người ta thu được một đồng vị cực kỳ không ổn định khác của hydro, 4H.
Liên quan đến khối lượng phổiĐồng vị hydro được xác định với độ chính xác tuyệt vời: 1,007276470 (nếu chúng ta lấy khối lượng của đồng vị carbon 12 C bằng 12,0000000). Ví dụ, nếu chiều dài của đường xích đạo được đo với độ chính xác như vậy thì sai số sẽ không vượt quá 4 cm!
Nhưng tại sao lại cần độ chính xác như vậy? Suy cho cùng, mỗi hình mới đòi hỏi những người làm thí nghiệm ngày càng nỗ lực nhiều hơn... Bí mật được tiết lộ một cách đơn giản: hạt nhân protium, proton, tham gia vào nhiều phản ứng hạt nhân. Và nếu biết khối lượng của hạt nhân phản ứng và khối lượng của sản phẩm phản ứng thì sử dụng công thức E = mc 2, hiệu ứng năng lượng của nó có thể được tính toán. Và vì hiệu ứng năng lượng của các phản ứng hạt nhân thậm chí chỉ đi kèm với một sự thay đổi nhỏ về khối lượng, nên cần phải đo những khối lượng này càng chính xác càng tốt.
Bất kỳ nguyên tố hóa học nào cũng có dạng tự nhiên hoặc nhân tạo được gọi là đồng vị. Sự khác biệt giữa chúng nằm ở số lượng neutron trong hạt nhân không đồng đều và do đó, ở trọng lượng nguyên tử, cũng như ở mức độ ổn định. Về số lượng proton thì không đổi, do đó trên thực tế, nguyên tố này vẫn là chính nó. Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét các đồng vị của hydro, nguyên tố nhẹ nhất và phổ biến nhất trong Vũ trụ. Chúng ta phải xem xét tính chất, vai trò của chúng về bản chất và phạm vi ứng dụng thực tế của chúng.
Câu trả lời cho câu hỏi này phụ thuộc vào việc nói đến đồng vị nào của hydro.
Ba dạng đồng vị tự nhiên đã được thiết lập cho nguyên tố này: protium - hydro nhẹ, deuterium nặng và tritium siêu nặng. Tất cả chúng đều được tìm thấy ở dạng tự nhiên.
Ngoài chúng, còn có bốn đồng vị được tổng hợp nhân tạo: quadium, pentium, hexium và septium. Những giống này có đặc điểm là cực kỳ mất ổn định, tuổi thọ hạt nhân của chúng được biểu thị bằng các giá trị trong khoảng 10-22 - 10-23 giây.
Vì vậy, ngày nay có bảy loại đồng vị được biết đến của hydro. Chúng tôi sẽ tập trung chú ý vào ba trong số đó có tầm quan trọng thực tế.
Đây là nguyên tử có cấu trúc đơn giản nhất. Protium đồng vị hydro có khối lượng nguyên tử 1,0078 a. e.m. có một hạt nhân chỉ bao gồm một hạt - proton. Vì nó ổn định (về mặt lý thuyết, thời gian tồn tại của một proton được ước tính không dưới 2,9 × 1029 năm), nên nguyên tử protium cũng ổn định. Khi viết phản ứng hạt nhân người ta ký hiệu là 1H1 (chỉ số dưới là số nguyên tử, tức là số proton, chỉ số trên là Tổng số nucleon trong hạt nhân), đôi khi chỉ là p - “proton”.
Đồng vị nhẹ gần như bao gồm 99,99% hydro; chỉ hơn một phần trăm một phần trăm chiếm các dạng còn lại. Protium góp phần quyết định vào lượng hydro dồi dào trong tự nhiên: trong toàn bộ Vũ trụ - khoảng 75% khối lượng vật chất baryon và khoảng 90% nguyên tử; trên Trái đất - 1% khối lượng và tới 17% nguyên tử của tất cả các nguyên tố tạo nên hành tinh của chúng ta. Nói chung, protium (chính xác hơn là proton là một trong những thành phần chính của Vũ trụ) có thể được gọi một cách an toàn yếu tố quan trọng nhất. Nó cung cấp khả năng phản ứng tổng hợp nhiệt hạch ở độ sâu của các ngôi sao, bao gồm cả Mặt trời và do đó các nguyên tố khác được hình thành. Ngoài ra, hydro nhẹ còn đóng vai trò quan trọng trong việc cấu tạo và hoạt động của vật chất sống.
Ở dạng phân tử, hydro tham gia vào các tương tác hóa học ở nhiệt độ cao, vì cần rất nhiều năng lượng để phân chia phân tử khá mạnh của nó. Hydro nguyên tử được đặc trưng bởi hoạt động hóa học rất cao.
Đồng vị nặng của hydro có hạt nhân phức tạp hơn, bao gồm một proton và neutron. Theo đó, khối lượng nguyên tử của deuterium lớn gấp đôi – 2,0141. Ký hiệu được chấp nhận– 2H1 hoặc D. Dạng đồng vị này cũng ổn định vì trong các quá trình tương tác mạnh Trong hạt nhân, proton và neutron liên tục biến đổi thành nhau và neutron không có thời gian để phân rã.
Trên Trái đất, hydro chứa từ 0,011% đến 0,016% deuterium. Nồng độ của nó thay đổi tùy theo môi trường: trong nước biển có nhiều đồng vị này hơn, và trong thành phần, chẳng hạn, khí tự nhiên- ít hơn đáng kể. Trên các cơ thể khác hệ mặt trời tỷ lệ đơteri và hydro nhẹ có thể khác nhau: ví dụ, băng của một số sao chổi chứa số lượng lớnđồng vị nặng.
Deuterium nóng chảy ở 18,6 K (hydro nhẹ ở 14 K) và sôi ở 23,6 K (điểm tương ứng của protium là 20,3 K). Nhìn chung, hydro nặng thể hiện các tính chất hóa học tương tự như protium, tạo thành tất cả các loại hợp chất đặc trưng của nguyên tố này, nhưng nó cũng có một số đặc điểm liên quan đến sự khác biệt nghiêm trọng về khối lượng nguyên tử - xét cho cùng, deuterium nặng hơn 2 lần. Cần lưu ý rằng vì lý do này, các dạng đồng vị của hydro thể hiện sự khác biệt hóa học lớn nhất trong tất cả các nguyên tố. Nói chung, deuterium được đặc trưng bởi tốc độ phản ứng thấp hơn (5-10 lần).
Hạt nhân hydro nặng tham gia vào giai đoạn trung gian của chu trình nhiệt hạch. Mặt trời tỏa sáng nhờ quá trình này, ở một giai đoạn trong đó đồng vị hydro, deuterium, kết hợp với một proton để tạo ra helium-3.
Nước, ngoài protium, còn có một nguyên tử deuterium, được gọi là bán nặng và có công thức HDO. Trong phân tử nước nặng D2O, deuterium thay thế hoàn toàn hydro nhẹ.
Nước nặng có đặc điểm là dòng chảy chậm phản ứng hoá học, do đó ở nồng độ cao, nó có hại cho các sinh vật sống, đặc biệt là những sinh vật bậc cao, chẳng hạn như động vật có vú và bao gồm cả con người. Nếu một phần tư hydro trong nước được thay thế bằng deuterium, thì việc sử dụng nó trong thời gian dài sẽ dẫn đến vô sinh, thiếu máu và các bệnh khác. Khi thay thế 50% hydro, động vật có vú sẽ chết sau một tuần uống nước như vậy. Đối với việc tăng nồng độ hydro nặng trong nước trong thời gian ngắn, thực tế nó vô hại.
Thuận tiện nhất là thu được đồng vị này trong nước. Có một số cách để làm giàu nước bằng deuterium:
Một đồng vị siêu nặng của hydro, trong hạt nhân có một proton và hai neutron, có khối lượng nguyên tử 3,016 - gấp khoảng ba lần so với protium. Triti được ký hiệu bằng ký hiệu T hoặc 3H1. Nó tan chảy và sôi ở nhiệt độ cao hơn: lần lượt là 20,6 K và 25 K.
Nó là một đồng vị không ổn định về mặt phóng xạ với chu kỳ bán rã 12,32 năm. Nó được hình thành trong quá trình bắn phá hạt nhân khí quyển, ví dụ như nitơ, các hạt tia vũ trụ. Sự phân rã của một đồng vị liên quan đến sự phát xạ của một electron (gọi là phân rã beta), theo đó một neutron trong hạt nhân trải qua quá trình biến đổi thành proton và nguyên tố hóa học tăng số nguyên tử của nó lên một, trở thành helium-3. Trong tự nhiên, tritium tồn tại ở dạng vết – rất ít.
Hydro siêu nặng được hình thành trong các lò phản ứng hạt nhân nước nặng khi deuterium bắt giữ các neutron (nhiệt) chậm. Một phần của nó có sẵn để khai thác và phục vụ như một nguồn tritium. Ngoài ra, nó còn thu được dưới dạng sản phẩm phân rã của lithium khi lithium được chiếu xạ bằng neutron nhiệt.
Tritium có năng lượng phân rã thấp và chỉ gây ra một số nguy cơ bức xạ khi nó xâm nhập vào cơ thể qua không khí hoặc thức ăn. Để bảo vệ da khỏi bức xạ beta, găng tay cao su là đủ.
Hydro nhẹ được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp: trong công nghiệp hóa chất, nơi nó được sử dụng để sản xuất amoniac, metanol, axit clohydric và các chất khác, trong lọc dầu và luyện kim, nơi cần thiết cho việc thu hồi kim loại chịu lửa từ oxit. Nó cũng được sử dụng ở một số giai đoạn của chu trình sản xuất (trong sản xuất chất béo rắn) trong ngành công nghiệp thực phẩm và mỹ phẩm. Hydro đóng vai trò như một loại nhiên liệu tên lửa và được sử dụng trong thực hành phòng thí nghiệm trong khoa học và công nghiệp.
Deuterium là không thể thiếu trong năng lượng hạt nhân như một chất điều tiết neutron xuất sắc. Nó được sử dụng với mục đích này và cũng như chất làm mát trong các lò phản ứng nước nặng, cho phép sử dụng uranium tự nhiên, giúp giảm chi phí làm giàu. Nó cũng cùng với triti, một thành phần của hỗn hợp hoạt động trong vũ khí nhiệt hạch.
Đặc tính hóa học của hydro nặng cho phép sử dụng nó trong sản xuất thuốc để làm chậm quá trình đào thải chúng ra khỏi cơ thể. Và cuối cùng, deuterium (như tritium) hứa hẹn sẽ là nhiên liệu trong năng lượng nhiệt hạch.
Vì vậy, chúng ta thấy rằng tất cả các đồng vị hydro theo cách này hay cách khác đều được “sử dụng” cả trong các ngành truyền thống và công nghệ cao, hướng tới tương lai về kỹ thuật, công nghệ và nghiên cứu khoa học.
