Kõigi elementide põhiühikuks on aatomid ja aatom sisaldab kolme põhiosakest, milleks on negatiivselt laetud elektronid, positiivselt laetud prootonid ja neutraalsete osakeste neutronid. Tuumas olevate prootonite ja neutronite arvu nimetatakse elementide massiarvuks ja prootonite arvu aatomnumbriks. Neid samu elemente, mille aatomites on sama arv prootoneid, kuid erinev arv neutroneid, nimetatakse isotoopideks. Näiteks on vesinik, millel on kolm isotoopi. See on nullneutroniga vesinik, ühte neutronit sisaldav deuteerium ja triitium - see sisaldab kahte neutronit. See artikkel keskendub vesiniku isotoobile, mida nimetatakse deuteeriumiks ja mida tuntakse ka raske vesinikuna.
Mis on deuteerium?
Deuteerium on vesiniku isotoop, mis erineb vesinikust ühe neutroni võrra. Tavaliselt on vesinikul ainult üks prooton, samas kui deuteeriumil on üks prooton ja üks neutron. Seda kasutatakse reaktsioonides laialdaseltdivisjon.
Deuteerium (keemiline sümbol D või ²H) on stabiilne vesiniku isotoop, mida leidub looduses väga väikestes kogustes. Deuteeriumi tuum, mida nimetatakse deuteroniks, sisaldab ühte prootonit ja ühte neutronit, samas kui palju tavalisem vesiniku tuum sisaldab ainult ühte prootonit ja mitte ühtegi neutronit. Seetõttu on iga deuteeriumi aatomi mass umbes kaks korda suurem tavalise vesinikuaatomi massist ja deuteeriumi nimetatakse ka raskeks vesinikuks. Vett, milles tavalised vesinikuaatomid on asendatud deuteeriumiaatomitega, nimetatakse raskeks veeks.
Põhifunktsioonid
Deuteeriumi isotoopmass – 2, 014102 ühikut. Deuteeriumi poolväärtusaeg on stabiilne, kuna see on stabiilne isotoop.
Deuteeriumi energia ülejääk on 13 135 720 ± 0,001 keV. Deuteeriumi tuuma sidumisenergia on 2224,52 ± 0,20 keV. Deuteerium ühineb hapnikuga, moodustades D2O (2H2O), tuntud ka kui raske vesi. Deuteerium ei ole radioaktiivne isotoop.
Deuteerium ei ole tervisele ohtlik, kuid seda saab kasutada tuumarelvade loomiseks. Deuteeriumi ei toodeta kunstlikult, kuna seda leidub ookeanivees looduslikult ohtr alt ja see võib teenida mitut põlvkonda inimesi. Seda ekstraheeritakse ookeanist tsentrifuugimise teel.
Raske vesinik
Raske vesinik on vesiniku mis tahes kõrgema isotoobi, näiteks deuteeriumi ja triitiumi nimi. Kuid sagedamini kasutatakse seda deuteeriumi jaoks. Selle aatommass onumbes 2 ja selle tuum sisaldab 1 prootonit ja 1 neutron. Seega on selle mass tavalisest vesinikust kaks korda suurem. Deuteeriumi lisaneutron muudab selle tavalisest vesinikust raskemaks, mistõttu nimetatakse seda raskeks vesinikuks.
Raske vesiniku avastas Harold Urey 1931. aastal – see avastus pälvis 1934. aastal Nobeli keemiaauhinna. Urey ennustas erinevust molekulaarse vesiniku (H2) ja vastava molekuli aururõhu vahel, kus üks vesinikuaatom on asendatud deuteeriumiga (HD), ning seega ka võimalust neid aineid vedela vesiniku destilleerimisega eraldada. Deuteeriumi leiti vedela vesiniku destilleerimise jäägist. Selle valmistas puhtal kujul G. N. Lewis kasutades elektrolüütilise kontsentreerimise meetodit. Vee elektrifitseerimisel tekib gaas vesinik, mis sisaldab vähesel määral deuteeriumi, mistõttu deuteerium koondub vette. Kui vee kogust vähendatakse jätkuva elektrolüüsiga umbes sajatuhandikuni selle esialgsest mahust, saadakse peaaegu puhas deuteeriumoksiid, mida tuntakse raske veena. Seda raske vee valmistamise meetodit kasutati II maailmasõja ajal.
Etümoloogia ja keemiline sümbol
Nimi "deuterium" pärineb kreekakeelsest sõnast deuteros, mis tähendab "teine". See näitab, et kahest osakesest koosneva aatomituuma puhul on deuteerium tavalise (või kerge) vesiniku järel teine isotoop.
Deuteeriumit tähistatakse sageli kemikaaligatähis D. Vesiniku isotoobina massiarvuga 2 esitatakse see ka kui H. Deuteeriumi valem on 2H. Rahvusvaheline Puhta ja Rakenduskeemia Liit (IUPAC) lubab nii D kui ka H, kuigi eelistatud on H.
Kuidas saada veest deuteeriumi?
Traditsiooniline meetod deuteeriumi vees kontsentreerimiseks kasutab isotoopide vahetust gaasilises vesiniksulfiidis, kuigi välja töötatakse paremaid meetodeid. Vesiniku erinevate isotoopide eraldamiseks saab kasutada ka gaaskromatograafiat ja krüogeenset destilleerimist, mis kasutab isotoopide eraldamiseks füüsikaliste omaduste erinevusi.
Deuteeriumivesi
Deuteeriumivesi, tuntud ka kui raske vesi, sarnaneb tavalise veega. See moodustub deuteeriumi ja hapniku kombinatsioonist ning seda tähistatakse kui 2H2O. Deuteeriumi vesi on viskoossem kui tavaline vesi. Raske vesi on 10,6% tihedam kui tavaline vesi, mistõttu raskevee jää vajub tavalises vees. Mõne looma jaoks on deuteeriumivesi mürgine, samas kui teised võivad raskes vees ellu jääda, kuid arenevad selles aeglasem alt kui tavalises vees. Deuteeriumi vesi ei ole radioaktiivne. Inimkeha sisaldab umbes 5 grammi deuteeriumi ja see on kahjutu. Kui raske vesi siseneb kehasse suurtes kogustes (näiteks umbes 50% kehas olevast veest muutub raskeks), võib see põhjustada rakkude talitlushäireid ja lõpuks surma.
Erinevused raskes vees:
- Külmumispunkt on 3,82°C.
- Temperatuurkeemistemperatuur on 101,4 °C.
- Raske vee tihedus on 1,1056 g/mL (tavalise vee tihedus on 0,9982 g/mL).
- Raske vee pH on 7,43 (tavaline vesi on 6,9996).
- Lihtsa vee ja raske vee maitses ja lõhnas on väike erinevus.
Deuteeriumi kasutamine
Teadlased on välja töötanud palju deuteeriumi ja selle ühendite kasutusviise. Näiteks deuteerium on mitteradioaktiivne isotoopmärgistus keemiliste reaktsioonide ja metaboolsete radade uurimiseks. Lisaks on see kasulik makromolekulide uurimiseks neutronite hajumise abil. Deutereeritud lahusteid (nagu rasket vett) kasutatakse tavaliselt tuumamagnetresonantsi (NMR) spektroskoopias, kuna need lahustid ei mõjuta uuritavate ühendite NMR-spektreid. Deutereeritud ühendid on kasulikud ka femtosekundi infrapunaspektroskoopias. Deuteerium on ka kütus tuumasünteesi reaktsioonides, mida saaks kunagi kasutada tööstuslikus mastaabis elektri tootmiseks.
