Isotopi dell'idrogeno: proprietà, caratterizzazione e applicazione

Qualsiasi elemento chimico ha una varietà di origine naturale o artificiale, chiamata isotopi. La differenza tra loro risiede nel numero irregolare di neutroni nei nuclei e, quindi, nel peso atomico, nonché nel grado di stabilità. Per quanto riguarda il numero di protoni, è lo stesso, grazie al quale l'elemento, in effetti, rimane se stesso. In questo articolo, ci rivolgiamo agli isotopi dell'idrogeno, l'elemento più leggero e più comune dell'universo. Dobbiamo considerare le loro proprietà, il loro ruolo nella natura e l'area di applicazione pratica.

Quante specie ha l'idrogeno?

La risposta a questa domanda dipende da cosa sono gli isotopi dell'idrogeno.

Per questo elemento sono state create tre forme isotopiche naturali: protium - idrogeno leggero, deuterio pesante e trizio super pesante. Tutti loro si trovano nella loro forma naturale.

Oltre a loro, ci sono quattro isotopi artificialmente sintetizzati: quadio, pentium, esio e septia. Queste specie sono caratterizzate da un'estrema instabilità, la durata dei loro nuclei è espressa da valori dell'ordine di 10 ^-22 - 10 ^-23 secondi.

Quindi, tutti oggi, sette specie isotopiche sono note dall'idrogeno. Concentreremo la nostra attenzione su tre di essi di importanza pratica.

Idrogeno leggero

Questo è l'atomo più semplice. Il protosio dell'isotopo di idrogeno con una massa atomica di 1.0078 a. E. ha un nucleo, che consiste di una sola particella - un protone. Dal momento che è stabile (teoricamente, la durata del protone è stimata non inferiore a 2.9 × 10 ²⁹ anni), anche l'atomo di protium è stabile. Quando si registrano le reazioni nucleari, è designato come ¹ H ₁ (il pedice è il numero atomico, cioè il numero di protoni, quello superiore è il numero totale di nucleoni nel nucleo), a volte solo p - "protone".

L'isotopo leggero è quasi il 99,99% di tutto l'idrogeno; solo un po 'più di un centesimo per cento rappresenta le altre forme. È il Protium a dare un contributo decisivo alla prevalenza dell'idrogeno in natura: nell'universo nel suo insieme, circa il 75% della massa della materia barionica e circa il 90% degli atomi; sulla Terra - 1% della massa e fino al 17% degli atomi di tutti gli elementi che compongono il nostro pianeta. In generale, il protium (più precisamente, il protone come uno dei componenti principali dell'Universo) può essere tranquillamente definito l'elemento più importante. Fornisce la possibilità di fusione termonucleare nelle profondità delle stelle, incluso il Sole, e grazie ad esso si formano altri elementi. Inoltre, l'idrogeno leggero svolge un ruolo importante nella costruzione e nel funzionamento materia vivente

Nella forma molecolare, l'idrogeno entra nelle interazioni chimiche ad alte temperature, poiché la scissione della sua molecola sufficientemente forte richiede molta energia. L'idrogeno atomico è caratterizzato da un'attività chimica molto elevata.

deuterio

L'isotopo pesante dell'idrogeno ha un nucleo più complesso costituito da un protone e un neutrone. Di conseguenza, la massa atomica del deuterio è due volte più grande - 2.0141. La designazione accettata è ² H ₁ o D. Questa forma isotopica è anche stabile, poiché nei processi di forte interazione nel nucleo il protone e il neutrone si trasformano costantemente l'uno nell'altro, e quest'ultimo non ha il tempo di subire il decadimento.

Sulla Terra, l'idrogeno contiene dallo 0,011% allo 0,016% di deuterio. La sua concentrazione varia a seconda dell'ambiente: nell'acqua di mare di questo isotopo è maggiore, e nella composizione di, ad esempio, il gas naturale - molto meno. Sugli altri corpi del Sistema Solare, il rapporto tra il deuterio e l'idrogeno leggero può essere diverso: ad esempio, il ghiaccio di alcune comete contiene una quantità maggiore di un isotopo pesante.

Il deuterio si scioglie a 18,6 K (idrogeno leggero a 14 K), e bolle a 23,6 K (il punto di protium corrispondente è 20,3 K). L'idrogeno pesante esibisce, in generale, le stesse proprietà chimiche del protium, formando tutti i tipi caratteristici di composti per questo elemento, ma alcune caratteristiche associate a una seria differenza nella massa atomica sono intrinseche in esso, poiché il deuterio è 2 volte più pesante. Va notato che per questo motivo, le forme isotopiche di idrogeno sono caratterizzate dalle più grandi differenze chimiche tra tutti gli elementi. In generale, i tassi più bassi (5-10 volte) delle reazioni sono caratteristici del deuterio.

Il ruolo del deuterio in natura

I nuclei di idrogeno pesante prendono parte alle fasi intermedie del ciclo termonucleare. Il sole splende grazie a questo processo, in una delle fasi in cui si forma il deuterio dell'isotopo di idrogeno, che si fonde con un protone, dà origine all'elio-3.

L'acqua, che include, oltre al protium, un atomo di deuterio, è chiamata leggera pesante e ha la formula HDO. Nella molecola di acqua pesante D ₂ O, il deuterio sostituisce completamente l'idrogeno leggero.

Acqua pesante caratterizzato da un corso lento di reazioni chimiche, di conseguenza, in alte concentrazioni è dannoso per gli organismi viventi, specialmente quelli più alti, come i mammiferi, compreso l'uomo. Se l'acqua contiene un quarto di idrogeno sostituito dal deuterio, il suo uso prolungato è irto di sviluppo di infertilità, anemia e altre malattie. Quando si sostituisce il 50% dell'idrogeno, i mammiferi muoiono dopo una settimana di consumo di tale acqua. Per quanto riguarda gli aumenti a breve termine della concentrazione di idrogeno pesante nell'acqua, è praticamente innocuo.

Come ottenere idrogeno pesante

Il modo più conveniente per ottenere questo isotopo nella composizione dell'acqua. Esistono diversi modi per arricchire l'acqua con il deuterio:

• La rettifica è il processo di separazione delle miscele in componenti che bollono a temperature diverse. La separazione si ottiene attraverso l'evaporazione ripetuta e la condensazione di una miscela di isotopi in idrogeno liquido o acqua su apparecchiature speciali - colonne di distillazione, in cui le fasi gassose e liquide scorrono in direzioni opposte.
• Separazione elettrolitica. Il metodo si basa sul fatto che elettrolisi dell'acqua l'isotopo leggero è più attivamente scisso dalle sue molecole. L'elettrolisi viene eseguita in più fasi.
• Scambio di isotopi ionici, in cui è presente una sostituzione reciproca di ioni di isotopi diversi nella composizione dei reagenti. Attualmente, questo metodo che utilizza acqua e acido solfidrico come reagenti è il più efficace ed economico.

trizio

L'isotopo super pesante dell'idrogeno, nel cui nucleo c'è un protone e due neutroni, ha una massa atomica di 3.016 - circa tre volte più di quella del protium. Il trizio è indicato dal simbolo T o ³ H ₁ . Si scioglie e bolle a temperature ancora più elevate: 20,6 K e 25 K, rispettivamente.

È un isotopo radioattivo instabile con un'emivita di 12,32 anni. Si forma quando bombardano i nuclei di gas atmosferici, ad esempio l'azoto, particelle di raggi cosmici. Il decadimento dell'isotopo si verifica con l'emissione di un elettrone (il cosiddetto decadimento beta), mentre un neutrone nel nucleo subisce la trasformazione in un protone e l'elemento chimico alza il numero atomico di uno, diventando elio-3. In natura, il trizio è presente in tracce - è molto piccolo.

L'idrogeno superpesante si forma nei reattori nucleari ad acqua pesante quando il deuterio viene catturato da neutroni lenti (termici). Alcuni di questi sono disponibili per l'estrazione e servono come fonte di trizio. Inoltre, è ottenuto come prodotto di decadimento del litio quando viene irradiato con neutroni termici.

Il trizio è caratterizzato da una bassa energia di decadimento e presenta un certo rischio di radiazioni solo quando entra nel corpo con aria o cibo. I guanti di gomma sono sufficienti per proteggere la pelle dalle radiazioni beta.

Uso di isotopi di idrogeno

L'idrogeno leggero viene utilizzato in molte industrie: nell'industria chimica, dove viene utilizzato per produrre ammoniaca, metanolo, acido cloridrico e altre sostanze, nella raffinazione del petrolio e nella metallurgia, dove è necessario per recuperare i metalli refrattari dagli ossidi. Viene anche utilizzato in alcune fasi del ciclo di produzione (nella produzione di grassi solidi) nelle industrie alimentari e cosmetiche. L'idrogeno è uno dei tipi di carburante per missili e viene utilizzato nelle esercitazioni di laboratorio nel settore scientifico e industriale.

Il deuterio è indispensabile nell'energia nucleare come un eccellente moderatore di neutroni. Viene utilizzato in questa capacità, oltre che come refrigerante nei reattori ad acqua pesante, consentendo l'uso di uranio naturale, che riduce il costo dell'arricchimento. Lui, insieme al trizio, è un componente della miscela di lavoro nelle armi termonucleari.

Le proprietà chimiche dell'idrogeno pesante consentono di utilizzarlo nella produzione di preparati medici per rallentarne l'eliminazione dal corpo. E infine, il deuterio (come il trizio) ha prospettive di qualità del combustibile nell'energia termonucleare.

Quindi, vediamo che tutti gli isotopi dell'idrogeno sono in qualche modo "in affari" sia tradizionali che high-tech, in vista del futuro dei rami della tecnologia, della tecnologia e della ricerca scientifica.