Свойства водорода

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

изотоп водород нейтрон

Водород встречается в виде трёх изотопов, которые имеют индивидуальные названия: протий, дейтерий и тритий. Атомы изотопов водорода не похожи. Протий - необычный элемент, так как в ядре его нет нейтронов. Если в ядре появляется нейтрон, то такой водород называется дейтерий. Смешивая соединения дейтерия с обычным водородосодержащим веществом, можно изучать пути, природу и механизм многих реакций. Таким методом пользуются для изучения биологических и биохимических реакций, например, процессов пищеварения. Также дейтерий широко используется в атомной энергетике как замедлитель нейтронов в ядерных реакторах; с тритием или в соединении с литиеем-6 применяют для термоядерной реакции в водородных бомбах; применяется в качестве меченого стабильного индикатора в лабораторных исследованиях и технике. Перспективным также представляется применение дейтерия (в смеси с тритием) для получения высокотемпературной плазмы, необходимой для осуществления управляемого термоядерного синтеза.

В отличие от стабильного дейтерия тритий радиоактивен и имеет период полураспада 12,26 лет. Тритий и тритиды металлов используются для получения ядерной энергии; например, в водородной бомбе происходит следующая реакция термоядерного синтеза:

Целью исследования является рассмотрение и анализ роли, которую играют изотопы водорода в жизни планеты и людей. Для этого необходимо детально разобраться в том или ином вопросе.



1. Водород

Водород - самый распространённый элемент Вселенной. Он составляет основную массу Солнца, звёзд и других космических тел. В недрах звёзд на определённой стадии их эволюции протекают разнообразные термоядерные реакции с участием водорода. Они и являются источником неисчислимого количества энергии, излучаемого звёздами в космическое пространство. Распространённость водорода на Земле существенно иная. В свободном состоянии на Земле он встречается сравнительно редко - содержится в нефтяных и горючих газах, присутствует в виде включений в некоторых минералах. Некоторое количество водорода появляется постоянно в атмосфере в результате разложения органических веществ микроорганизмами, но затем водород быстро перемещается в стратосферу вследствие его лёгкости. Основная масса водорода в земной коре находится в виде химических соединений с другими элементами: большая часть его связана в форме воды, глин и углеводородов; последние составляют основу нефти и входят составной частью в природные горючие газы. Кроме того, растительные и животные организмы содержат сложные вещества, в состав которых обязательно входит водород. Общее содержание водорода составляет 0,88% массы земной коры, и по распространённости на Земле он занимает 9-е место [1]. Водород является первым элементом, для которого найден простой способ практически полного разделения изотопов Изотопы - разновидности атомов (и ядер) какого-либо химического элемента, которые имеют одинаковый атомный номер, но при этом разные массовые числа.. Это объясняется тем, что у водорода отношение масс изотопов, определяющие разницу их свойств, значительно выше, чем у остальных элементов. Однако это разделение было осуществлено лишь в 1933 году, так как лишь в 1932 году было доказано существование изотопа водорода с массой 2 (Н²) на ряду с обычными атомами водорода (Н¹).



2. Изотопы водорода

Таблица. Изотопы водорода - разновидности атомов (и ядер) химического элемента водорода, имеющие разное содержание нейтронов в ядре [2].

Водород встречается в виде трёх изотопов, которые имеют индивидуальные названия:

1) - протий (Н);

2) - дейтерий (D);

3) -тритий (Т; радиоактивный).

В литературе также приводятся данные об изотопах водорода с массовыми числами 4-7 и периодами полураспада 10-22 - 10-23 с. Искусственно получены два изотопа водорода: и , но они весьма неустойчивы. Ядра протия и дейтерия стабильны. Тритий же радиоактивен: выбрасывая электрон, он превращается в легкий изотоп гелия с периодом полураспада 12,26 года. В естественной смеси изотопов преобладает протий (99,985%), массовое содержание дейтерия меньше (порядка 0,015%), содержание трития ничтожно. Количественные соотношения между изотопами водорода H:D:T могут быть представлены как 1 : 1,46•10^-5 : 4,0•10^-15.

Физические и химические свойства изотопов всех элементов, кроме водорода, практически одинаковы: ведь для атомов, ядра которых состоят из нескольких протонов и нейтронов, не так уж и важно - одним нейтроном меньше или одним нейтроном больше. А вот ядро атома водорода - это один-единственный протон, и если к нему присовокупить нейтрон, масса ядра возрастет почти вдвое, а если два нейтрона - втрое. Поэтому легкий водород (протий) кипит при минус 252,6°C, а температура кипения его изотопов отличается от этой величины на 3,2° (дейтерий) и 4,5° (тритий). Для изотопов это очень большое различие!

Таблица 2.2

	Температура плавления, K	Температура кипения, K	Тройная точка, K/kPa	Критическая точка, K/kPa	Плотность жидкий/газ, кг/м3
H2	13,96	20,39	13,96/7,3	32,98/1,31	70,811/1,316
HD	16,65	22,13	16,6/12,8	35,91/1,48	114,0/1,802
HT		22,92	17,63/17,7	37,13/1,57	158,62/2,31
D2	18,65	23,67	18,73/17,7	38,35/1,67	162,50/2,23
DT		24,38	19,71/19,4	39,42/1,77	211,54/2,694
T2	20, 63	25,04	20,62/21,6	40,44/1,85	260,17/3,136

Дейтерий и тритий также имеют орто- и парамодификации: p-D₂, o-D₂, p-T₂, o-T₂. Гетероизотопный водород (HD, HT, DT) не имеют орто- и парамодификаций.

Для водорода, как ни для какого другого элемента, относительное различие изотопных масс достигает значительной величины. Поэтому, хотя все изотопы характеризуются одинаковой электронной структурой, они заметно различаются не только физическими, но и химическими свойствами. Вследствие резкого преобладания протия влияние тяжелых изотопов сказывается незначительно и может быть зафиксировано лишь в очень точных экспериментах. Поэтому без большой погрешности можно считать, что свойства природного водорода соответствуют свойствам системы, состоящей из чистого протия.

Небольшие различия свойств, именуемые изотопным эффектом, обусловлены различием масс изотопных атомов, которое в первую очередь сказывается на частоте колебаний изотопов в молекулах и на твердых телах. Так, колебательная энергия молекул трития и дейтерия меньше, чем у протия. А это, в свою очередь, сказывается на термодинамических свойствах: теплоёмкости, температуре плавления и кипения, энтальпии плавления и испарения, давлении насыщенного пара и т.д. Так, дейтерий по сравнению с обычным водородом обладает меньшей теплоёмкостью, теплопроводностью и скоростью диффузии. Таким образом, для изотопных соединений характерна термодинамическая неравноценность. Последняя ведёт к неравноценности активных комплексов при химических реакциях, в результате чего имеет место различие в скоростях протекания реакций, т.е. наблюдается кинетический изотопный эффект. Он выражается отношением констант скоростей химических реакций для различных изотопных соединений. Например, отношение констант скоростей синтеза бромидов протия и дейтерия равно 5. Такие значительные отличия физических и химических свойств изотопов одного и того же элемента уникальны и не имеют аналогов в Периодической системе. Всё это в какой-то мере оправдывает применение для каждого изотопа водорода собственного названия (особенно для протия и дейтерия)[3].

3. Точность - прежде всего

Относительная масса легкого изотопа водорода определена прямо-таки с фантастической точностью: 1,007276470 (если принять массу изотопа углерода 12С равной 12,0000000). Если бы с такой точностью была измерена, к примеру, длина экватора, то ошибка не превысила бы 4 см!

Но зачем нужна такая точность? Ведь каждая новая цифра требует от экспериментаторов все больших и больших усилий... Секрет раскрывается просто: ядра протия, протоны, принимают участие во многих ядерных реакциях. А если известны массы реагирующих ядер и массы продуктов реакции, то, пользуясь формулой , можно рассчитать ее энергетический эффект. А так как энергетические эффекты даже ядерных реакций сопровождаются лишь незначительным изменением массы, то и приходиться эти массы измерять как можно точнее.

4. Изотопные эффекты

Уже много лет дейтерий и совсем недавно тритий стали широко применять в качестве меченых атомовМеченые атомы (изотопные индикаторы) содержат изотопы, которые по своим свойствам (радиоактивности, атомной массе) отличаются от других изотопов данного элемента.. Удобство применения этих меченых атомов объясняется тем, что различия в массах или радиоактивности позволяют обнаруживать и разделить их, а химически они подобны обычным атомам водорода. Для большинства элементов изменение массы ядра на одну или несколько единиц проводит к весьма небольшому процентному изменению атомного веса, обусловливающего лишь косвенное влияние массы ядра на химическое поведение вещества, вообще же химическое различие между изотопами не удаётся обнаружить. Однако для самых лёгких элементов B, C, N и особенно Н, реакции с веществами, содержащими разные изотопы одного и того же элемента, протекают с небольшими, но измеримо разными скоростями. Часто это даёт хорошие результаты при детальном изучении механизмов реакции. Замена дейтерия водородом в биологических системах существенно может изменить тонкие равновесные процессы. В случае дейтерия это различие не так велико, чтобы умалить ценность его в качестве меченого атома, хотя при интерпретации данных иногда необходимо соблюдать осторожность. Тритий, однако, настолько тяжелее водорода, что нельзя полагать, что любое данное соединение трития будет реагировать так же, как и его водородный аналог. Однако всё же можно считать, что даже для водорода химия всех изотопов одна и та же [4].

5. Самый лёгкий изотоп водорода

Протий - название самого лёгкого изотопа водорода, обозначается символом . Ядро протия состоит из одного протона, отсюда и название изотопа[5].

Таблица 5.1.

Свойства нуклида
Атомная масса	1,00782503207(10) а.е.м
Избыток массы	7 288,97050(11) кэВ
Удельная энергия связи (на нуклон)	0,0(0) кэВ
Изотопная распространённость	99,9885(70) %
Период полураспада	стабильный
Сплин и чётность ядра

Протий составляет 99,9885±0,0070% от общего числа атомов водорода во Вселенной и является наиболее распространённым нуклидом в природе среди изотопов всех химических элементов. Является не металлом. В нормальных условиях прибывает всегда в газообразном состоянии, без цвета, вкуса и запаха, но при желании водород можно довести до сжиженного или затвердевшего состояния, но для этого нужна невероятно низкая температура и очень высокое давление.

6. «Лёгкая вода»

Воду, в которой присутствует протий, называют «лёгкой водой», ведь вода, обогащённая лёгким водородом протием более подвижна, жизнеспособна. Протий в воде меняет кристаллическую решётку, на молекулярном уровне такая вода отдаёт все свои полезные свойства каждой клеточке организма без остатка, такая вода обладает большей растворяющей способностью, увеличивает скорость биохимических реакций, ускоряет процесс обмена веществ, вследствие чего оказывает нормализующее воздействие на весь организм.

Основную массу природной воды (свыше 99%) составляет протиевая вода.

Молекула протиевой воды состоит из атомов водорода, каждый из которых имеет атомный вес, равный единице, и атома кислорода с атомным весом, равным 16 единицам - .

Чистой в естественных условиях не существует. Во всем мире такую воду можно отыскать лишь в немногих специальных лабораториях. Её получают очень сложным путём и хранят с величайшими предосторожностями. Для получения чистой ведут очень тонкую, многостадийную очистку природных вод или синтезируют воду из исходных элементов и, которые предварительно тщательно очищают от изотопных примесей.

Протиевую (талую) воду содержащую примеси на изотопном уровне можно получить в домашних условиях. Для этого обычная отстоянная водопроводная вода, должна пройти несколько стадий замораживания и таяния. Обычная вода содержит несколько изомеров (тритий, дейтерий, протий), этот процесс поможет избавиться от неблагоприятных (тритий и дейтерий) и отобрать те, на которых наш организм лучше всего «работает» - протий.



7. Достоинства протиевой воды

Талая вода биологически активна. Она стимулирует обмен веществ в организме, способствует лучшему выводу шлаков и токсинов, требует меньшее количество энергии для усвоения.

Регулярное употребление талой воды способствует оздоровлению и омоложению организма. От умывания такой водой кожа становится мягче шелка, а волосы лучше моются и легче расчесываются.

Достоинства протиевой воды:

ѕ Она очищена от примесей, насколько это возможно в домашних условиях.

ѕ Она очищена от тяжелой воды (молекулы на атомах тяжелого водорода - дейтерия), примеси которой могут содержаться в любой воде, даже бутилированной. Известно, что тяжелая вода не лучшим образом сказывается на здоровье.

ѕ Протиева вода оптимальна по насыщенности минеральными солями для повседневного применения.

ѕ Наконец, самое важное достоинство протиевой воды - она структурирована. Ее структура максимально приближена к структуре воды, находящейся в организме. Это талая вода, чистая, словно слеза, подобная хрустальной воде горных рек, употребляемой долгожителями.

8. Получение «лёгкой воды»

Вот как рекомендуют специалисты получать протиевую воду:

1. Налитую в емкость водопроводную воду необходимо отстоять в течение 6-8 часов для вывода из нее хлора. Для удобства лучше всего использовать в качестве емкости обычные пластиковые ПЭТ бутылки.

2. Затем, отстоянную воду поместить в холодильную камеру и периодически контролировать образование первого льда.

3. Образовавшийся первый лед это тяжелая вода, температура замерзания такой воды на 3,8? больше, т.е. тяжёлая вода или дейтериевая замёрзнет быстрее. Для отделения оставшейся в жидком состоянии воды ото льда, её необходимо перелить в другую емкость.

4. После чего лёд выбрасывают, а отделенную воду снова помещают на заморозку и ждут образования льда занимающего чуть более половины объема емкости, но не более 2/3.

5. После этого оставшуюся в жидком состоянии воду сливают, это лёгкая вода с примесями. Лёд - это и есть протиевая вода, очищенная от примесей, наиболее благоприятная для протекания биологических процессов в организме. Растопите ее и используйте для питья и приготовления пищи.

Дейтерий - тяжёлый водород

Дейтерий - один из двух стабильных изотопов водорода, ядро которого состоит из одного протона и одного нейтрона. Обозначается символами D и . Атомная масса равна 2. Молекула D₂ - двухатомна. Содержание в природном водороде - 0,012-0,016%. Температура плавления - 254,5°С, температура кипения - 249,5°С[6].

Таблица 6.1.

Свойства нуклида
Атомная масса	2,0141017778(4) а.е.м.
Избыток массы	13 135,7216(3) кэВ
Удельная энергия связи (на нуклон)	1 112,283(0) кэВ
Изотопная распространённость	0,0115(70) %
Период полураспада	стабильный
Спин и чётность ядра

По своим химическим свойствам соединения дейтерия имеют определенные особенности. Так, например, углерод-дейтериевые связи оказываются более «прочными», чем углерод-протиевые, из-за чего химические реакции с участием атомов дейтерия идут в несколько раз медленнее. Этим, в частности, обусловлена токсичность тяжёлой воды (вода состава D₂O называется тяжёлой водой из-за большой разницы в массе протия и дейтерия)[7].

9. Появление дейтерия

Чтобы познакомиться с ним поближе, пришлось создавать эффективные способы разделения изотопов водорода. Началось с того, что Э. В. Уошборн и Г. Юри, исследовав старую воду из ванны промышленного электролизера, убедились, что в ней дейтерия больше, чем в обычной воде. Объяснение было найдено быстро: в процессе разложения воды на кислород и водород преимущественно выделяется легкий изотоп протий, дейтерий же соединен с кислородом более прочно. Так уже на первом этапе познания этого необычного изотопа было замечено одно из его важных химических отличий от водорода обычного.

Электролитический метод разделения изотопов водорода стал основным в годы, предшествовавшие второй мировой войне.

Сейчас с помощью этого метода получают воду, содержащую 99,9% дейтерия. Тяжелую воду D₂O получают путем постепенного или, правильнее, поступенного разделения протиевой и дейтериевой воды. Ступеней обычно 5-7.

Еще в 1934 г. завод норвежской фирмы "Норск Гидро" ежедневно выпускал около десяти литров тяжелой воды. Спустя девять лет в оккупированной фашистами Норвегии это производство, а с ним и 1300 кг тяжелой воды были уничтожены героями Сопротивления. Бомбардировщики союзников лишь завершили дело. К тому времени уже стала известна роль тяжелой воды в создании атомного оружия. Дейтрон в отличие от протона слабо поглощает нейтроны, но хорошо замедляет их. Тяжелая вода - идеальный замедлитель нейтронов в атомных реакторах...

В военное время важно было разработать дешевые, не слишком энергоемкие способы производства дейтерия. Наиболее рациональными оказались методы получения тяжелой воды, основанные на реакциях изотопного обмена. Так, при равновесии между водой и газообразным водородом в жидкости почти втрое больше дейтерия, чем в газовой фазе. Правда, равновесие устанавливается слишком медленно. В производстве больших количеств дейтерия проблему решает специальный катализатор. Через заполненную им башню движутся два встречных потока: вверх - смесь водорода и водяного пара, вниз - воды. Газовая фаза, пар, обогащается дейтерием, затем конденсируется и уносится потоком воды. Из основания башни вытекает вода, обогащенная дейтерием. Каскад из нескольких таких башен дает достаточно концентрированную тяжелую воду.

Эффективна для получения дейтерия и реакция изотопного обмена между водой и сернистым водородом[8].

10. Разница в свойствах протия и дейтерия

Открытие дейтерия изменило представления о полной идентичности химических свойств у изотопов одного элемента. Не будь этих различий, изотопы нельзя было бы разделять химическими методами. Скорости некоторых реакций, в которых участвуют соединения протия и дейтерия, различаются в 5-10 раз. На тяжелую воду - окись дейтерия заметно реагируют живые организмы. Еще в начале тридцатых годов была надежно установлена токсичность концентрированной (80-100% D2C) тяжелой воды, хотя, как рассказывают, Г. Юри в свое время выпил полный стакан концентрированной тяжелой воды, и на нем это никак не отразилось. По-видимому, разовая доза окиси дейтерия сравнительно безвредна. Различия в физических свойствах протия и дейтерия, обычной и тяжелой воды также довольно значительны. Температура кипения протия 20,39°К, дейтерия - 23,57°К, трития (о нем речь впереди) - 24,90°К. Тяжелая вода замерзает при 3,82°С, кипит - при 101,42°С.

"Heavywateristhebestmoderator" - так, почти стихами рекламировали тяжелую воду американские фирмы. Действительно, она оказалась лучшим "модератором" - дословно "посредником", замедлителем, усреднителем, если угодно...

Прекрасные замедляющие свойства тяжелой воды полностью определяются ядерными характеристиками дейтерия. Медленные нейтроны почти не поглощаются дейтронами, а быстрые в среднем на одном столкновении с ним теряют 52% своей кинетической энергии. Всего 25 столкновений с атомами дейтерия, и нейтрон, освободившийся при делении тяжелого ядра (ядра урана, например), становится тепловым. Для графита аналогичное число столкновений равно 114. В обычной воде нужное замедление достигается уже после 18 столкновений, но протий в 700 раз сильнее дейтерия поглощает тепловые нейтроны.

Чтобы ядерная реакция пошла на обычной, скажем, колодезной воде, нужен уран, сильно обогащенный ураном-235 [9].

11. Дейтерий в ядерных исследованиях

Почти в любом учебнике ядерной физики вы найдете отдельную главу, посвященную дейтрону, потому что это ядро - единственное связанное состояние двух нуклонов. Это идеальный объект для изучения ядерной материи, для познания сил, действующих в ядре. Нейтронно-протонная гантель - квантовомеханическая система всего двух тел. Такая система в отличие от систем со многими частицами хорошо поддается расчету и служит единственным в своем роде субмикроскопическим полигоном для сравнения теоретических представлений и экспериментально обнаруженных фактов.

Изучение дейтрона оказалось исключительно плодотворным. Из его ядерных характеристик извлечены фундаментальные выводы о характере ядерных сил - о малом радиусе их действия, о зависимости характера взаимодействия частиц от взаимной ориентации их спинов.

Дейтрон - слабо связанная система. Если дейтроновую мишень облучать достаточно энергичными гамма-квантами, гантель под действием кванта разваливается на протон и нейтрон. Именно этим путем впервые была измерена связь протона с нейтроном в дейтерии. Она оказалась небольшой - всего 2,23 МэВ. В более сложных ядрах частицы скреплены примерно в семь раз крепче.

Рис.

Благодаря слабой связи нуклонов, расщепляя дейтерий, получали (и получают) моноэнергетические потоки нейтронов с энергиями от 0,1 до 1 МэВ. Если же бомбардировать дейтронами, ускоренными в электростатической трубке, мишень из соединений того же самого дейтерия, летят нейтроны с энергией от 2 до 6 МэВ. И те и другие - важный инструмент нейтронной физики. Именно этими нейтронами пользовались во многих исследованиях первого этапа атомной энергетики. Именно с их помощью измерены многие важные ядерные константы.

На схеме масс-спектрографа (рисунок 6.3.1) можно увидеть, как из источника через щели S₁ и S₂ ионы анализируемого элемента попадают в электромагнитное поле. Его характеристики подобраны так, что из щели S₃ ионы вылетают с одинаковой скоростью. Эти ионы попадают в магнитное поле (МП). Группы частиц с одинаковой массой М, будут здесь двигаться по одним и тем же траекториям и дадут линию на фотопластинке. Радиус траектории пропорционален массе иона, поэтому она легко определяется по положению линий на пластинке. Из-за малой связи между нуклонами дейтрон в некоторых процессах ведет себя как относительно свободная комбинация нейтрона и протона. Приближаясь к ядру-мишени, протон отталкивается электрическими силами от ядра. На нейтрон же электрическое поле не действует. В результате на малых расстояниях от мишени дейтрон раскалывается на протон и нейтрон. Протон отлетает от бомбардируемого ядра, а нейтрон вливается в него, подхваченный ядерными силами. Пример такой реакции - образование изотопа водорода с массовым числом 3 - трития, обычно обозначаемого символом Т:

Рис.



В этой реакции тритий был открыт Э. Резерфордом, М. Олифантом и П. Хартеком в 1934 г. при бомбардировке соединений, содержащих дейтерий, ускоренными дейтронами. Ученым удалось зарегистрировать появление частиц с зарядом, равным единице, и малым пробегом в воздухе. Из этих данных следовало, что масса частицы равна примерно трем. В дальнейшем по энергиям продуктов реакций и атомным массам известных изотопов водорода атомную массу трития удалось вычислить достаточно точно [10].

12. Сверхтяжёлый изотоп водорода

Тритий сверхтяжёлый водород, обозначается символами T и -- радиоактивный изотоп водорода. Ядро трития состоит из протона и двух нейтронов, его называют тритоном и обозначают t.

Таблица 7.1

Свойства нуклида
Атомная масса	3,0160492777(25) а.е.м.
Избыток массы	14 949,8060(23) кэВ
Удельная энергия связи (на нуклон)	2 827,266(1) кэВ
Период полураспада	12,32(2) года
Продукты распада
Спин и чётность ядра

В природе тритий образуется в верхних слоях атмосферы при соударении частиц космического излучения с ядрами атомов, например, азота. В процессе распада тритий превращается в с испусканием электрона и антинейтрино (бета-распад), период полураспада -- 12,32 года. Доступная энергия распада очень мала (18,59 кэВ), средняя энергия электронов 6,5 кэВ.

Тритий открыт английскими учёными Эрнестом Резерфордом, МаркусомОлифантом и Паулем Хартеком в 1934 году. Используется в биологии и химии как радиоактивная метка, в экспериментах по исследованию свойств нейтрино, в термоядерном оружии как источник нейтронов и одновременно термоядерное горючее, в геологии для датирования природных вод. Промышленный тритий получают облучением лития-6 нейтронами в ядерных реакторах по следующей реакции:

13. Радиационная опасность трития

В силу малой энергии распада трития, испускаемые электроны хорошо задерживаются даже простейшими преградами типа одежды или резиновых хирургических перчаток. Тем не менее, этот изотоп представляет радиационную опасность при вдыхании, поглощении с пищей, впитывании через кожу. Единичный случай употребления тритиевой воды не приводит к длительному накоплению трития в организме, так как его период полувыведения -- от 7 до 14 дней [11].

Тримтиевая водам (сверхтяжёлая вода) -- вода, в молекулах которой атомы протия (лёгкого водорода) замещены атомами трития (тяжёлого радиоактивного изотопа водорода). В чистой форме называется оксидом трития (T₂O или ) или супертяжёлой водой. Из-за собственной радиоактивности чистый T₂O имеет высокую коррозионную активность -- при спонтанном бета-распаде трития в происходит выделение атомарного кислорода. Кроме того из-за собственной радиоактивности происходит радиолизРадиомлиз -- разложение химических соединений под действием ионизирующих излучений. воды с выделением трития и кислорода. Удельная объёмная активность тяжёлой воды составляет 2650 Ки/мл, поэтому она не может быть получена в больших количествах в неразбавленном виде. Тритиевая вода, участвуя в метаболизме почти одинаковым образом с обычной водой, обладает высокой радиотоксичностью.

14. Подробнее о тритии

Предпринятые на первых порах попытки обнаружить тритий в природе оказались безуспешными. Только после изучения его свойств (а тритий в отличие от протия и дейтерия радиоактивен, он испускает мягкие бета-лучи с периодом полураспада 12,262 года и превращается в гелий-3) по характерным бета-частицам удалось зарегистрировать присутствие трития в природной воде, обогащенной этим изотопом в 10000 раз. В обычной воде один атом трития приходится на 1018 атомов протия. Это значит, что во всех земных водоемах, включая Мировой океан, радиоактивного водорода не больше 100 кг.

Земной тритий - космического происхождения. Он образуется в атмосфере двумя путями: быстрые космические нейтроны расщепляют азот на два фрагмента - углерод-12 и тритий, а протоны высоких энергий и мезоны способны порождать тритий при взаимодействии с ядрами любых элементов, составляющих атмосферу.

Даже столь ничтожные количества природного трития оказались способны принести пользу науке. Так, по содержанию трития в дождевой воде удалось измерить время жизни облаков.

15. Тритий в термоядерном синтезе

И все же главное назначение дейтерия и трития - служить ядерным топливом будущей большой энергетики.



Рис.

Линии водорода и и дейтерия, (рисунок 7.3.1). Расстояние между бальмеровскими линиями, и = 1701 ангстрем, изотопическое смещение и - порядка 1 ангстрем.

Иногда в популярных книгах приводят расчеты: сколько дейтерия в океанской воде и сколько миллиардов киловатт-часов скрыто в ядрах дейтерия. Получается очень много и киловатт-часов, и килокалорий. Впрочем, еще больше их получится, если, скажем, превратить в энергию вещество и эквивалентное количество антивещества. Правда, пока мы не знаем, как и откуда взять последнее.

О реакциях термоядерного синтеза известно гораздо больше. Рассматривают две основных реакции слияния ядер d + d > t + p + 4МэВ и t + d > альфа + n + 17,6 МэВ (здесь t - тритон, ядро трития, как d - дейтрон, ядро дейтерия).

При прочих равных условиях чисто дейтериевая реакция d + d требует гораздо больших температур и дает значительно меньше энергии, чем реакция t + d. Во всяком случае, в обозримом будущем надежд на создание управляемого термоядерного реактора, в котором бы шла реакция d + d, - немного. Реальнее реакция t + d. Условия протекания такой реакции гораздо благоприятнее, но и здесь сложностей более чем достаточно (известные проблемы концентраций, температур, методов удержания плазмы). Менее известна наисложнейшая проблема воспроизводства трития.

Тритий - очень дорогой изотоп, настолько дорогой, что стоимостью дейтерия по сравнению с ним можно пренебречь. А в значительных количествах тритий получают пока лишь в нейтронных потоках ядерных реакторов. Облучают природную смесь изотопов лития. Ядро легкого лития-6, захватив тепловой нейтрон, превращается в сильно возбужденное ядро лития-7, которое сразу же распадается на альфа-частицу и тритон:

Итак, не считая ядра лития, на атом Т расходуется нейтрон, а это уже серьезно. Если нейтрон пустить на производство 233U или плутония из "балластных" тория и урана-238, то получится топливо, дающее на каждый атом 160 МэВ энергии - почти в десять раз больше, чем при слиянии трития и дейтерия. Почему же тогда столько сил и энергии вкладывают в "термояд"? Да потому что в реакции t + d рождается новый нейтрон! И если эти новые нейтроны использовать на все 100% (или хотя бы чуть меньше), термоядерная реакция окажется экономичной.

Как это сделать? Замедлить быстрый нейтрон, полученный в реакции t + d, и направить его на ядро лития? Хорошо бы, но как показывает расчет, потери нейтронов в этом случае окажутся недопустимо большими [12].

Есть другой путь: минуя замедление, бомбардировать литий сразу. У быстрого нейтрона хватает энергии, чтобы кроме трития в реакции образовывался дополнительный нейтрон:



Таким путем тритий получается без потери нейтрона.... Остается преодолеть "технические трудности"...

16. Интересные факты

1) Производство одного килограмма трития обходится в 30 млн долларов;

2) Используется в источниках света.

Тритиевая подсветка-- подсветка напринципе радиолюминесценции, вызванной бета-распадом трития [13].

Принцип работы сходен с принципом работы обычного кинескопаКинескомп-- электронно-лучевой прибор, преобразующий электрические сигналы в световые.. Тритий заключён в небольшую герметичную ёмкость, обычно из боросиликатного стекла, на внутреннюю поверхность которой нанесён тонкий слой люминофора. Электроны, испускаемые в данном случае в результате бета-распада трития, возбуждают атомы вещества-люминофора, которые переходят из возбуждённого состояния в обычное, испуская при этом энергию. Кроме того, ввиду малой энергии электронов, толщины люминофора и стенок ёмкости достаточно, чтобы полностью поглотить электроны.

17. Немного о водороде-4 и о водороде-5

Таблица 8.1

Свойства водорода-4
Атомная масса	4,027810(110) а.е.м
Избыток массы	25 900(100) кэВ
Удельная энергия связи (на нуклон)	1 400(26) кэВ
Период полураспада	139(10) ис
Продукты распада
Спин и чётность ядра	2-



Водород-4 является нестабильнымнуклидом химического элемента водорода с массовым числом 4. Обозначается символом .

Синтезирован в лаборатории посредством атаки трития ядрами дейтерия. В этом эксперименте ядра трития захватили нейтроны от стремительных ядер дейтерия. Присутствие водорода-4 было выведено при обнаружении испускаемых протонов[14].

Водород-5 -- нестабильный изотоп водорода с атомной массой, равной 5. Обозначается символом .

Синтезирован в лаборатории посредством атаки трития ядрами трития. В этом эксперименте ядра трития захватили по 2 нейтрона от стремительных ядер.

Таблица 8.2

Свойства водорода-5
Атомная масса	5,035310(110) а. е. м.
Избыток массы	32 890(100) кэВ
Удельная энергия связи (на нуклон)	1 336(20) кэВ
Период полураспада	> 910 ис
Продукты распада
Спин и чётность ядра	(1/2+)



Заключение

Слова «дейтерий» и «тритий» напоминают нам о том, что сегодня человек располагает мощнейшим источником энергии, высвобождающейся при реакции:

Эта реакция начинается при 10 млн. градусов и протекает за ничтожные доли секунды при взрыве термоядерной бомбы, причем выделяется гигантское по масштабам Земли количество энергии.

Водородные бомбы иногда сравнивают с Солнцем. Однако мы уже видели, что на Солнце идут медленные и стабильные термоядерные процессы. Солнце дарует нам жизнь, а водородная бомба - сулит смерть...

Но когда-нибудь настанет время - и это время не за горами, - когда мерилом ценности станет не золото, а энергия. И тогда изотопы водорода спасут человечество от надвигающегося энергетического голода: в управляемых термоядерных процессах каждый литр природной воды будет давать столько же энергии, сколько ее дают сейчас 300 л бензина. И человечество будет с недоумением вспоминать, что было время, когда люди угрожали друг другу животворным источником тепла и света...



Литература

1.Я.А. Угай «Общая и неорганическая химия», 2000, стр. 293.

2.Данныеприведеныпо G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot and A. H. Wapstra (2003). «The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties»

3.Я.А. Угай «Общая и неорганическая химия», 2000, стр. 293-294.

4.Ф. Коттон, Дж. Уилкинсон «Современная неорганическая химия»,1969, стр. 33-34.

5.http://ru.wikipedia.org/wiki/Протий

6.http://ru.wikipedia.org/wiki/Дейтерий

7.Белан Л.Г. «Тяжелая вода и синтезированные меченые соединения». М., 1969.

8.Н. Е. Кузьменко, В. В. Ерёмин, В. А. Попков «Начало химии» (том 1) 2007.-- М.: Изд-во Экзамен, С.299

9.Куликов Б.С. Изотопы и свойства элементов. М., 1990

10.Андреев Б.М., Я.Д.Зельвенский, С.Г.Катальников. Тяжелые изотопы водорода в ядерной технике. М., «Энергоатомиздат», 1987

11.R. V. Osborne Review of the Greenpeace report: «Tritium Hazard Report: Pollution and Radiation Risk from Canadian Nuclear Facilities»

12.Леенсон И.А. 100 вопросов и ответов по химии. М., 2002

13.http://ru.wikipedia.org/wiki/Тритиевая_подсветка

14.http://ru.wikipedia.org/wiki/Квадий



Приложение

1) Эта таблица нуклидов содержит все известные науке нуклиды. Количество протонов (атомный номер) увеличивается слева направо, а нейтронов -- сверху вниз, то есть вертикальные столбцы включают все изотопы химического элемента, а горизонтальные строки -- изотоны.



Рис. Ядра изотопов водорода

Размещено на Allbest.ru