Таинственный дейтерий и его характеристики
Таинственный дейтерий и его характеристики
О.В. Мосин
ДЕЙТЕРИЙ (от греческого deuteros-второй) (тяжкий водород) D, размеренный изотоп водорода с нуклеарной массой 2 ат. ед.
Ядро атома дейтерия — дейтерон состоит из 1-го протона и 1-го нейтрона, причём энергия связи меж ними равна 2,23 МэВ.
Поперечное сечение ядерной реакции (n,?) 53.10?33 м2, поперечное сечение захвата термических нейтронов дейтеронами 15.10?32 м2 (для протонов 3.10?29м2). Молекула двухатомна, длина связи 0,07417 нм; основная частота колебаний атомов в молекуле 3118,46 см?1; энергия диссоциации 440 кДж/моль, константа диссоциации К = p2D/pD2 = 4,173.10?73 (293,15 К). С другими изотопами водорода дейтерий образует молекулы протодейтерия HD (дескать. м. 3,02205) и дейтеротрития DT (дескать. м. 5,03034). В прибрежной морской воде соотношение D/(D + Н) составляет (155-156).10?6, в поверхностных водах — (132-151).10?6, в природном газе — (110-134).10?6.
Характеристики. Коэффициент сжимаемости дейтерия (pV/RT)при 273,15 К: 1,0121 (2,0266 МПа), 1,0624(10,133 МПа), 1,130(20,266 МПа). С° [в Дж/(моль.К)]: 20,81 (20 К), 30,11 (100 К), 29,30 (298 К); теплопроводимость 0,135 Вт/(м.К) (25 К); ? 1,23.10?2 мПа.с (293,15 К).
Дейтерий растворяется в жидкостях (к примеру, в бензоле, толуоле, октане, гептане, ССl4, CS2) лучше, чем газообразный водород, при этом это различие растет с снижением температуры.
Молекула дейтерия может находиться в ортои пара-состояниях. Ортодейтерий (o-D2) имеет параллельную (1-го знака) ориентацию ядерных спинов, а парадейтерий (п-D2) -антипараллельную. Это обусловливает различие магнитных, оптических и тепловых параметров разных модификаций дейтерия. При обыденных критериях дейтерий (обычный Д., н-D2) представляет собой смесь 2/3 ортои 1/3 пара-модификаций, которые могут взаимно преобразовываться друг в друга (орто-пара-превращение). Каждой данной конфигурации соответствует определенный сбалансированный состав (сбалансированный дейтерий, p-D2). Так, толика п-D2 составляет: 0,333 (при 300 К), 0,251 (60 К), 0,148 (40 К), 0,019 (20 К). При низких температурах термодинамически стабилен o-D2. Самопроизвольное орто-пара-превращение дейтерия при низких температурах происходит очень медлительно, что позволяет получить водянистый дейтерий, близкий по составу к нормальному. Орто-пара-превращение ускоряется в присутствии катализаторов (Fe, Сr, Со, Мn, Pd).
Ур-ние температурной зависимости давления пара над жестким и водянистым Д.: lg 0,0075p (Па) = А — В/Т + СT (значения А, В и С приведены в табл. 3).
Теплота испарения o-D2 (в Дж/моль): 1202,9 (24,25 К), 1029,5 (30,53 К). Жесткий дейтерий имеет тетрагон, объемноцентрированную решетку, а = 0,338 нм, с = 0,560 нм; т. пл. 18,73 К. Водород и дейтерий не изоморфны, найдена их ограниченная обоюдная растворимость в жестком состоянии. При 4,2 К предельная растворимость дейтерия в водороде 10% по объему, а растворимость водорода в дейтерии 21%.
По хим свойствам дейтерий аналогичен водороду, но скорость реакций при замещении водорода на дейтерий приметно миниатюризируется, к примеру, при окислении органических соединений водорода с хлором — в 5-10 раз.
При электролизе воды дейтерий выделяется медлительнее, чем водород. Принципиальное практическое значение имеют реакции изотопного обмена дейтерия. Константа равновесия реакции Н2 + D2 ? 2HD составляет: 1,345 (50 К), 2,903 (200 К), 3,44 (373,15 К), 3,80 (700 К). Производят ее в присутствии катализатора (Pt, Ni). Для реакции НDО(ж) + D2(г) ? D2О(ж) + HD(г) (где ж -жидкость, г — газ) константа равновесия: 3,96 (223,15 К), 2,92 (323,15 К), 2,40 (373,15 К). Для р-ции Н2О(ж) + HD ? НDО(ж) + Н2(г) константа равновесия: 4,69 (223,15 К), 3,37 (323,15 К), 2,69 (373,15 К). Изотопный обмен меж водой и D2 либо HD может протекать в паровой фазе в присутствии катализаторов (Ni) либо в водянистой под давлением (из-за нехороший растворимости изотопов водорода в воде) в присутствии катализаторов (в т. ч. гидрофобных) в гомогенной либо гетерогенной системе. Некие реакции изотопного обмена водорода на дейтерий протекают очень стремительно, к примеру, в группах ОН (щелочи, спирты) и NH (NН3, амины).
Важные соединение дейтерия — томная вода. Дейтериды соединения, подобные гидридам. Огромное практическое значение имеет дейтерид лития 6LiD – ocновной компонент заряда термоядерного (водородного) орудия. Для аналитического определения дейтерия используют масс-спектрометрические, спектральные, хроматографические, также денсиметрические (методом измерения плотности) способы изотопного анализа.
Получение. Дейтерий выделяют из тяжеленной воды, к примеру, электролизом. Дейтерий получают также низкотемпературной ректификацией из водорода либо азотоводородной консистенции для синтеза NH3 (водород которой содержит 250-300 м. д. HD). Начальный водород либо азото-водородную смесь после кропотливой чистки от примесей (О2 до 10?9 мольных толикой, другие газы — до 10?7-10?8 мольных толикой) сжижают и двухступенчатой ректификацией при 22-24 К и обрабатывают HD. Для чего в присутствии катализатора появляется смесь Н2 + D2 + HD, из которой низкотемпературной ректификацией получают 99,8%-ный газообразный дейтерий. Сжиганием с воздухом либо О2 последний переводят в томную воду.
Применение. Дейтерий в виде тяжёлой воды — замедлитель нейтронов в ядерных реакторах. Дейтероны, обычно получаемые методом ионизации атомов дейтерия, употребляются в качестве бомбардирующих частиц в ядерных реакциях, а именно для получения стремительных нейтронов.
Дейтерий применяется также как изотопный индикатор в научных исследовательских работах в химии, биологии, физиологии, агрохимии и др. (в т.ч. в опытах с живыми организмами и при диагностич. исследовательских работах человека).
Соединения дейтерия употребляются также при спектроскопических исследовательских работах. Изделия из монокристаллов на базе KD2PO4 используются для сотворения систем управления и преобразования лазерного излучения.
Дейтерий — ядерное горючее для энергетики грядущего, основанной на управляемом термоядерном синтезе. В первых энергетич. реакторах такового типа подразумевается выполнить реакцию D + T ? He + n + 17,6 МэВ.
Литература.: Выделение дейтерия из водорода способом глубочайшего остывания, М., 1961; Тупицын И. Ф., Томные изотопы водорода, дейтерий и тритий, М., 1961; Андреев Б. М., Зельвенский Я. Д., Катальников С. Г., Томные изотопы водорода в ядерной технике, М., 1987 Я. Д. Зельвенский.