Водорода изотопы

Водорода изотопы

ВОДОРОДА ИЗОТОПЫ и тяжелая вода. Открытие и разделение изотопов водорода. Тяжелый изотоп водорода с атомной массой 2 представляет совершенно исключительный интерес по сравнению с изотопами других элементов вследствие громадной относительной разности в массах тяжелого и обыкновенного водорода (их массы относятся, как 2:1). Большая разница в массах обусловливает и резкое различие в свойствах. Открыт тяжелый изотоп водорода в начале 1932 г. американскими физиками Юрей, Брикведе и Мерфи при изучении атомного спектра водорода. Блекней и Гуд, пользуясь масспектрографическим методом для определения содержания тяжелого изотопа в обычном водороде, получили отношение, равное 1:5000. В конце 1932 г. Юрей и Уошберн высказали предположение, что в процессе электролиза тяжелый изотоп выделяется при более высоком катодном потенциале, чем обычный водород. Отсюда был сделан вывод, что выделяющийся при электролизе водород состоит преимущественно из легкого изотопа, а электролит, остающийся неразложенным, обогащается тяжелым водородом.

Основываясь на этой гипотезе, Льюис и Макдональд разработали в 1933 г. метод получения тяжелой воды, содержащей почти 100% всего водорода в форме тяжелого изотопа. Они подвергали электролизу десятки литров щелочи и, когда концентрация последней становилась значительной, отгоняли воду, прибавляли к ней небольшие количества щелочи и вновь продолжали ее электролиз. Т. о., ведя этот процесс в несколько ступеней и оперируя со все уменьшающимися количествами электролита, им удалось приготовить воду, содержащую 99,99% всего водорода в форме тяжелого водорода. Для получения 1 см3 такой воды нужно разложить электролизом 10—12 л обычной воды. Эффективность разделения изотопов по этому методу характеризуется коэффициентом α, равным отношению количеств, в каких выделяются при электролизе легкий и тяжелый водород. По Льюису и Макдональду α = 5—7. Разделение изотопов водорода электролизом Эйринг и Шерман, а также другие авторы объясняют главным образом различной величиной нулевой энергии. Описанный метод был усовершенствован Тейлором. Сконструированная им непрерывно действующая установка дает по 3 г 100%-ной тяжелой воды в день. В ряде мест в США функционируют аналогичные установки. Из огромного количества методов, предложенных в последнее время для разделения изотопов водорода, электролиз остается пока наилучшим. Для определения концентрации тяжелого изотопа водорода в воде производят измерение ее плотности. Чаще всего с этой целью применяется поплавок. Наблюдая температуру, при которой поплавок находится в равновесии в обычной воде, и определяя температуру установления равновесия поплавка в образце воды с неизвестной плотностью, удается определить разность плотностей с точностью до 0,000001. Фаркасом разработан метод определения концентрации тяжелого изотопа водорода в обычном водороде по изменению теплопроводности газовой смеси. Оперируя с 0,002 см3 газа (при нормальных условиях), можно произвести определение с точностью до 0,2%. В виду резкого отличия свойств тяжелого изотопа от обычного водорода Юрей предложил следующие специальные обозначения: для тяжелого изотопа (с массой 2) – дейтерий - химический символ D (часто для обозначения тяжелого водорода с массой 2 применяется символ Н2), для его ядра - дейтон и для изотопа с массой 1 - протий - Н1, оставив термин «водород» для обычной смеси обоих изотопов. (Эта номенклатура является в настоящее время наиболее распространенной).

Строение и свойства тяжелого изотопа. По Резерфорду и ряду других авторов ядро дейтерия построено из протона и нейтрона. Атомный вес дейтерия по определению Бейнбриджа, который применил весьма уточненный масспектрографический метод, равен 2,01363 при Н1, равном 1,007775. Сопоставление процессов, имеющих место при бомбардировке ядер других элементов протонами и дейтонами, дает интересный материал для проблем, связанных со строением атомного ядра. Кокрофт и Уолтон показали, например, что при бомбардировке лития быстрыми протонами процесс идет по схеме:

При бомбардировке лития быстрыми протонами процесс идет по схеме

По Резерфорду и Олифанту дейтоны разлагают литий значительно легче, причем имеют место следующие процессы:

Процесс разложения дейтононами лития

(Li6 и Li7 - изотопы лития с массами 6 и 7, n1 - нейтрон). Эти же авторы, бомбардируя дейтонами содержащие дейтерий соединения, например, (ND4)24, обнаружили следы нового изотопа водорода с атомной массой 3. По Блекнею, Лозиру и Смиту верхний предел содержания этого изотопа в обычном водороде равен 1:109. Подобно обычному водороду дейтерий является смесью двух модификаций молекул: орто- (oD2) и парадейтерия (pD2). Брикведе и Юрей, а также Льюис и Гансон определили упругости паров дейтерия:

Упругости паров дейтерия

Данные приведены в таблице 1.

Упругости паров дейтерия и водорода

Реакции тяжелого изотопа водорода. Дейтерий нашел широкое применение в качестве индикатора ряда химических обменных реакций, изучение которых прежде было недоступно. Как показал Льюис, если в воде, содержащей некоторое количество дейтерия, растворить аммиак, а затем его откачать, то по уменьшению плотности воды можно судить о том, что произошло распределение дейтерия между молекулами аммиака и воды. Согласно исследованиям Бонгефера при растворении виноградного сахара в воде, содержащей дейтерий, имеет место распределение последнего между молекулами воды и гидроксильными группами сахара. Однако наиболее замечательным оказалось наблюдение, сделанное Олифантом и разработанное Гориути и Поляни. Если перемешивать водород, обогащенный дейтерием, с обычной водой в присутствии платиновой черни, то происходит обмен между атомами газообразного водорода и воды. Об этом процессе также удается судить по тому факту, что содержание дейтерия в газовой смеси уменьшается, плотность же воды соответственным образом возрастает. Гориути и Поляни показали также, что если в присутствии никелевого катализатора нагревать обогащенную дейтерием воду с бензолом, то при этом наблюдается распределение атомов дейтерия между водой и бензолом. Это в свою очередь свидетельствует о существовании обменной реакции между атомами водорода воды и бензола. Остановимся еще на том, какую важную роль дейтерий может играть в проблемах, связанных со структурой органических соединений. Паксу сравнил мутаротацию α-d-глюкозы в обычной и тяжелой воде. Оказалось, что этот процесс протекает во втором случае значительно медленнее, чем в первом. Т. о. этот факт подтверждает точку зрения, что мутаротация сахаров объясняется передвижением лабильного водородного атома, который в данном случае замещается дейтерием.

Тяжелая вода и ее свойства. Получен ряд соединений как неорганических, так и органических, в которых Н1 заменен на D. Все эти соединения обладают рядом новых свойств. Из всех соединений дейтерия наиболее изучена тяжелая вода D2O, которая по своим свойствам резко отличается от обычной воды. В табл. 2 сопоставлен ряд важнейших свойств тяжелой и обыкновенной воды.

Свойства тяжелой и обыкновенной воды

В табл. 3 помещены результаты, полученные Льюисом и Макдональдом при сравнении упругостей пара тяжелой р2 и обычной р1 воды для различных температур.

Сравнении упругостей пара тяжелой и обычной воды для различных температур

Льюис и Дуди измерили эквивалентные электропроводности КСl и НСl в тяжелой воде. Результаты этих измерений приведены в табл. 4.

Эквивалентные электропроводности КСl и НСl в тяжелой воде

 χ(КСl) обозначает отношение эквивалентной электропроводности КСl в обычной воде к таковой в тяжелой; χ(НСl) - то же самое для НСl. Подвижности ионов Н, К, Сl в тяжелой воде, вычисленные этими же авторами, равны 213,7; 54,5; 55,3. Соответствующие величины в обычной воде равны 315,2; 64,2; 65,2. Тейлор, Келей и Эйринг нашли, что растворимость солей в тяжелой воде ниже, чем в обычной (табл. 5).

Растворимость солей в воде

Очень интересно действие тяжелой воды на биологические объекты. По опытам Льюиса семена табака не прорастают в воде с 100%-ным содержанием дейтерия; в воде с 50% дейтерия прорастание идет в два раза медленнее, чем в обыкновенной воде, причем получаются уродливые образования. Паксу показал, что дрожжи ферментируют глюкозу в тяжелой воде в 9 раз медленнее, чем в обычной. Тейлор, Свингль, Эйринг и Фрост изучили действие тяжелой воды на водные организмы. В качестве объектов были взяты головастик зеленой лягушки (Rana clamitans), аквариумные рыбки (Lebistes reticulatus), плоские черви (Planaria maculata) и наконец, из простейших - парамеций (Paramaecium caudatum). Вода, содержащая 92% дейтерия, вызывала смерть этих организмов, причем головастики гибли через 1 ч., рыбки - через 2 ч., черви - через 3 ч. и наконец, парамеций - через 48 ч. В контрольных опытах с этими же животными в обыкновенной дистиллированной воде и в воде с содержанием 30% дейтерия не было обнаружено какого-либо вредного влияния на их жизнедеятельность. Из этих примеров ясно, что значение дейтерия очень велико не только для изучения химических и физических проблем, но также крайне существенно и для биологии.

 

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Доп. том - 1936 г.