Изотопы водорода: свойства, характеристика и применение

Любой химический элемент имеет разновидности природного или искусственного происхождения, называемые изотопами. Различие между ними заключается в неодинаковом количестве нейтронов в ядрах и, следовательно, в атомном весе, а также в степени стабильности. Что касается количества протонов, то оно одинаково, благодаря чему элемент, собственно, и остается самим собой. В этой статье мы обратимся к изотопам водорода – самого легкого и распространенного элемента во Вселенной. Нам предстоит рассмотреть их свойства, роль в природе и область практического применения.

Сколько разновидностей имеет водород

Ответ на этот вопрос зависит от того, какие изотопы водорода имеются в виду.

Для этого элемента установлено три природных изотопных формы: протий – легкий водород, тяжелый дейтерий и сверхтяжелый тритий. Все они обнаружены в естественном виде.

Строение изотопов водорода

Помимо них, существуют четыре искусственно синтезированных изотопа: квадий, пентий, гексий и септий. Характеризуются данные разновидности чрезвычайной нестабильностью, время жизни их ядер выражается величинами порядка 10-22 – 10-23 секунд.

Таким образом, всего на сегодняшний день у водорода известно семь изотопных разновидностей. На трех из них, имеющих практическое значение, мы и сосредоточим свое внимание.

Легкий водород

Это наиболее просто устроенный атом. Изотоп водорода протий с атомной массой 1,0078 а. е. м. обладает ядром, в состав которого входит только одна частица – протон. Поскольку он стабилен (теоретически время жизни протона оценивается не менее чем в 2,9×1029 лет), то стабилен и атом протия. При записи ядерных реакций он обозначается как 1H1 (нижний индекс – это атомный номер, то есть число протонов, верхний – общее число нуклонов в ядре), иногда просто p – «протон».

Легкий изотоп – это почти 99,99 % всего водорода; лишь чуть более одной сотой процента приходится на остальные формы. Именно протий вносит решающий вклад в распространенность водорода в природе: во Вселенной в целом – около 75 % массы барионного вещества и приблизительно 90 % атомов; на Земле – 1 % массы и целых 17 % атомов всех элементов, входящих в состав нашей планеты. Вообще, протий (точнее сказать, протон как один из главных компонентов Вселенной) смело можно назвать важнейшим элементом. Он обеспечивает возможность термоядерного синтеза в недрах звезд, в том числе и Солнца, и за счет него образуются прочие элементы. Кроме того, легкий водород играет важную роль в построении и функционировании живого вещества.

Баллоны с водородом

В молекулярной форме водород вступает в химические взаимодействия при высоких температурах, поскольку для расщепления его достаточно прочной молекулы нужно много энергии. Атомарный водород характеризуется очень высокой химической активностью.

Дейтерий

Тяжелый изотоп водорода имеет более сложно устроенное ядро, состоящее из протона и нейтрона. Соответственно атомная масса дейтерия вдвое больше – 2,0141. Принятое обозначение – 2H1 или D. Эта изотопная форма также стабильна, так как в процессах сильного взаимодействия в ядре протон и нейтрон постоянно превращаются друг в друга, и последний не успевает претерпеть распад.

На Земле водород содержит от 0,011% до 0,016% дейтерия. Концентрация его различна в зависимости от среды: в морской воде этого изотопа больше, а в составе, например, природного газа – существенно меньше. На других телах Солнечной системы отношение дейтерия к легкому водороду может быть иным: так, лед некоторых комет содержит большее количество тяжелого изотопа.

Дейтерий плавится при 18,6 К (легкий водород – при 14 К), а кипит при 23,6 К (соответствующая точка протия – 20,3 К). Тяжелый водород проявляет, в общем, те же химические свойства, что и протий, образуя все характерные для этого элемента типы соединений, однако ему присущи и некоторые особенности, связанные с серьезной разницей в атомной массе – ведь дейтерий тяжелее в 2 раза. Следует заметить, что по этой причине изотопным формам водорода свойственны наибольшие химические различия из всех элементов. В целом для дейтерия характерны более низкие (в 5 – 10 раз) скорости протекания реакций.

Роль дейтерия в природе

Ядра тяжелого водорода принимают участие в промежуточных стадиях термоядерного цикла. Солнце светит благодаря этому процессу, на одном из этапов которого образующийся изотоп водорода дейтерий, сливаясь с протоном, рождает гелий-3.

Схема термоядерного синтеза

Вода, в состав которой входит, кроме протия, один атом дейтерия, называется полутяжелой и имеет формулу HDO. В молекуле тяжелой воды D2O дейтерий полностью заменяет легкий водород.

Тяжелая вода характеризуется замедленным течением химических реакций, вследствие чего в больших концентрациях она вредна для живых организмов, особенно высших, таких как млекопитающие и в том числе человек. Если в составе воды четверть водорода замещена дейтерием, длительное употребление ее чревато развитием бесплодия, анемии и других заболеваний. При замещении 50% водорода млекопитающие погибают через неделю употребления такой воды. Что касается кратковременных повышений концентрации тяжелого водорода в воде, она практически безвредна.

Легкий и тяжелый лед

Как получают тяжелый водород

Удобнее всего получать этот изотоп в составе воды. Есть несколько способов обогащения воды дейтерием:

  • Ректификация – процесс разделения смесей на компоненты, кипящие при разной температуре. Разделение достигается через многократное испарение и конденсацию смеси изотопов в жидком водороде или воде на специальном оборудовании – ректификационных колоннах, в которых потоки газообразной и жидкой фаз идут во встречных направлениях.
  • Электролитическое разделение. Метод основан на том, что при электролизе воды от ее молекул более активно отщепляется легкий изотоп. Электролиз проводят в несколько этапов.
  • Ионный изотопный обмен, при котором происходит взаимное замещение ионов разных изотопов в составе реагентов. В настоящее время этот способ с использованием воды и сероводорода в качестве реагирующих компонентов является наиболее эффективным и экономичным.
Производство тяжелой воды

Тритий

Сверхтяжелый изотоп водорода, в ядре которого наличествуют протон и два нейтрона, имеет атомную массу 3,016 – примерно втрое больше, чем у протия. Тритий обозначается символом Т либо 3H1. Он плавится и кипит при еще более высоких температурах: 20,6 К и 25 К соответственно.

Это радиоактивный нестабильный изотоп с периодом полураспада 12,32 года. Образуется он при бомбардировке ядер атмосферных газов, например, азота, частицами космических лучей. Распад изотопа происходит с испусканием электрона (так называемый бета-распад), при этом один нейтрон в ядре претерпевает превращение в протон, а химический элемент повышает атомный номер на единицу, становясь гелием-3. В природе тритий присутствует в следовых количествах – его очень мало.

Сверхтяжелый водород образуется в тяжеловодных ядерных реакторах при захвате дейтерием медленных (тепловых) нейтронов. Часть его доступна для извлечения и служит источником трития. Кроме того, его получают как продукт распада лития при облучении последнего тепловыми нейтронами.

Тритий характеризуется малой энергией распада и представляет некоторую радиационную опасность только в случаях, когда попадает внутрь организма с воздухом или пищей. Для защиты кожных покровов от бета-излучения достаточно резиновых перчаток.

Применение изотопов водорода

Легкий водород используется во множестве отраслей: в химической промышленности, где с его помощью ведется производство аммиака, метанола, соляной кислоты и других веществ, в нефтепереработке и металлургии, где он необходим для восстановления тугоплавких металлов из оксидов. Также он применяется на некоторых стадиях производственного цикла (в производстве твердых жиров) в пищевой и косметической промышленности. Водород служит одним из видов ракетного топлива и используется в лабораторной практике в науке и на производстве.

Дейтерий незаменим в ядерной энергетике как прекрасный замедлитель нейтронов. Он применяется в этом качестве, а также как теплоноситель в тяжеловодных реакторах, позволяющих использовать природный уран, что снижает затраты на обогащение. Он также, наряду с тритием, является компонентом рабочей смеси в термоядерном оружии.

Строящийся термоядерный реактор ITER

Химические свойства тяжелого водорода позволяют использовать его в производстве медицинских препаратов в целях замедления выведения их из организма. И, наконец, дейтерий (как и тритий) имеет перспективы в качестве топлива в термоядерной энергетике.

Итак, мы видим, что все изотопы водорода так или иначе «находятся при деле» как в традиционных, так и в высокотехнологичных, имеющих прицел на будущее отраслях техники, технологии и научных исследований.