تحتوي جميع العناصر على ذرات كوحدة أساسية ، وتحتوي الذرة على ثلاثة جسيمات أساسية ، وهي إلكترونات سالبة الشحنة ، وبروتونات موجبة الشحنة ، ونيوترونات من جسيمات متعادلة. يُطلق على عدد البروتونات والنيوترونات الموجودة في النواة عدد كتلة العناصر ، ويطلق على عدد البروتونات العدد الذري. تسمى نفس العناصر التي تحتوي ذراتها على نفس عدد البروتونات ولكن بأعداد مختلفة من النيوترونات بالنظائر. مثال على ذلك الهيدروجين ، الذي يحتوي على ثلاثة نظائر. هذا هو الهيدروجين الذي لا يحتوي على نيوترونات ، والديوتيريوم الذي يحتوي على نيوترون واحد ، والتريتيوم - يحتوي على نيوترونين. ستركز هذه المقالة على نظير الهيدروجين المسمى الديوتيريوم ، المعروف أيضًا باسم الهيدروجين الثقيل.
ما هو الديوتيريوم؟
الديوتيريوم هو نظير للهيدروجين يختلف عن الهيدروجين بواسطة نيوترون واحد. عادة ، يحتوي الهيدروجين على بروتون واحد فقط ، بينما يحتوي الديوتيريوم على بروتون واحد ونيوترون واحد. يستخدم على نطاق واسع في ردود الفعلالانقسام
الديوتيريوم (الرمز الكيميائي D أو ²H) هو نظير ثابت للهيدروجين الموجود في الطبيعة بكميات صغيرة للغاية. تحتوي نواة الديوتيريوم ، التي تسمى الديوترون ، على بروتون واحد ونيوترون واحد ، بينما تحتوي نواة الهيدروجين الأكثر شيوعًا على بروتون واحد فقط ولا تحتوي على نيوترونات. لذلك ، فإن كل ذرة من الديوتيريوم لها كتلة تبلغ ضعف كتلة ذرة الهيدروجين العادية ، ويسمى الديوتيريوم أيضًا الهيدروجين الثقيل. يسمى الماء الذي يتم فيه استبدال ذرات الهيدروجين العادية بذرات الديوتيريوم بالماء الثقيل.
الميزات الرئيسية
الكتلة النظيرية من الديوتيريوم - 2 ، 014102 وحدة. يتمتع الديوتيريوم بنصف عمر مستقر لأنه نظير مستقر.
الطاقة الزائدة من الديوتيريوم 13135.720 ± 0.001 كيلو فولت. تبلغ طاقة الارتباط لنواة الديوتيريوم 2224.52 ± 0.20 كيلو فولت. يتحد الديوتيريوم مع الأكسجين لتكوين D2O (2H2O) ، المعروف أيضًا باسم الماء الثقيل. الديوتيريوم ليس نظيرًا مشعًا.
الديوتيريوم ليس خطرا على الصحة ، ولكن يمكن استخدامه لصنع أسلحة نووية. لا يُنتَج الديوتيريوم صناعياً ، لأنه يتواجد بوفرة في مياه المحيطات ويمكن أن يخدم أجيالاً عديدة من الناس. يتم استخراجه من المحيط باستخدام عملية الطرد المركزي.
هيدروجين ثقيل
الهيدروجين الثقيل هو اسم أي من نظائر الهيدروجين الأعلى ، مثل الديوتيريوم والتريتيوم. ولكن في كثير من الأحيان يتم استخدامه للديوتيريوم. كتلتها الذريةحوالي 2 ، ونواتها تحتوي على 1 بروتون و 1 نيوترون. وبالتالي ، فإن كتلته هي ضعف كتلة الهيدروجين العادي. النيوترون الإضافي في الديوتيريوم يجعله أثقل من الهيدروجين العادي ، ولهذا يطلق عليه الهيدروجين الثقيل.
اكتشف هارولد أوري الهيدروجين الثقيل في عام 1931 - حصل هذا الاكتشاف على جائزة نوبل في الكيمياء عام 1934. توقع أوري الفرق بين ضغط بخار الهيدروجين الجزيئي (H2) والجزيء المقابل له مع استبدال ذرة الهيدروجين بالديوتيريوم (HD) ، وبالتالي إمكانية فصل هذه المواد عن طريق تقطير الهيدروجين السائل. تم العثور على الديوتيريوم في البقايا من تقطير الهيدروجين السائل. تم تحضيره في شكله النقي بواسطة G. N. لويس باستخدام طريقة التركيز الالكتروليتى. عندما يتم كهربة الماء ، يتشكل غاز الهيدروجين ، والذي يحتوي على كمية صغيرة من الديوتيريوم ، لذلك يتركز الديوتيريوم في الماء. عندما يتم تقليل كمية الماء إلى حوالي مائة ألف من حجمها الأصلي عن طريق التحليل الكهربائي المستمر ، يتم توفير أكسيد الديوتيريوم النقي تقريبًا ، المعروف باسم الماء الثقيل. تم استخدام طريقة تحضير الماء الثقيل خلال الحرب العالمية الثانية.
علم أصل الكلمة والرمز الكيميائي
يأتي اسم "الديوتيريوم" من الكلمة اليونانية deuteros والتي تعني "الثاني". يشير هذا إلى أنه مع وجود نواة ذرية تتكون من جسيمين ، فإن الديوتيريوم هو النظير الثاني بعد الهيدروجين العادي (أو الخفيف).
غالبًا ما يتم الإشارة إلى الديوتيريوم بواسطة المادة الكيميائيةالرمز D. كنظير للهيدروجين برقم كتلي 2 ، يتم تمثيله أيضًا كـ H. صيغة الديوتيريوم هي 2H. يسمح الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (IUPAC) بكل من D و H ، على الرغم من أن H هو المفضل.
كيفية الحصول على الديوتيريوم من الماء
الطريقة التقليدية لتركيز الديوتيريوم في الماء استخدامات تبادل النظائر في غاز كبريتيد الهيدروجين ، على الرغم من تطوير طرق أفضل. يمكن أيضًا فصل نظائر الهيدروجين المختلفة باستخدام كروماتوغرافيا الغاز والتقطير المبرد ، والتي تستخدم الاختلافات في الخصائص الفيزيائية لفصل النظائر.
ماء الديوتيريوم
ماء الديوتيريوم ، المعروف أيضًا باسم الماء الثقيل ، يشبه الماء العادي. يتكون من مزيج من الديوتيريوم والأكسجين ويطلق عليه 2H2O. ماء الديوتيريوم أكثر لزوجة من الماء العادي. الماء الثقيل أكثف بنسبة 10.6٪ من الماء العادي ، لذلك فإن جليد الماء الثقيل يغرق في الماء العادي. بالنسبة لبعض الحيوانات ، يعتبر ماء الديوتيريوم سامًا ، في حين أن البعض الآخر يمكن أن يعيش في الماء الثقيل ، ولكنه يتطور فيه بشكل أبطأ من الماء العادي. ماء الديوتيريوم غير مشع. يحتوي جسم الإنسان على حوالي 5 جرامات من الديوتيريوم ، وهو غير ضار. إذا دخل الماء الثقيل الجسم بكميات كبيرة (على سبيل المثال ، حوالي 50٪ من الماء في الجسم يصبح ثقيلاً) ، يمكن أن يؤدي إلى خلل في الخلايا ، وفي النهاية الموت.
الاختلافات في الماء الثقيل:
- نقطة التجمد 3.82 درجة مئوية
- درجة الحرارةنقطة الغليان 101.4 درجة مئوية
- كثافة الماء الثقيل 1.1056 جم / مل (الماء العادي 0.9982 جم / مل).
- درجة حموضة الماء الثقيل 7.43 (الماء العادي 6.9996).
- هناك اختلاف طفيف في الطعم والرائحة بين الماء العادي والماء الثقيل.
استخدام الديوتيريوم
طور العلماء العديد من الاستخدامات للديوتيريوم ومركباته. على سبيل المثال ، الديوتيريوم هو متتبع نظير غير مشع لدراسة التفاعلات الكيميائية والمسارات الأيضية. بالإضافة إلى ذلك ، من المفيد دراسة الجزيئات الكبيرة باستخدام تشتت النيوترونات. تستخدم المذيبات المتحللة (مثل الماء الثقيل) بشكل شائع في التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي (NMR) لأن هذه المذيبات لا تؤثر على أطياف الرنين المغناطيسي النووي للمركبات قيد الدراسة. المركبات المُحلَّلة مفيدة أيضًا في التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء للفيمتوثانية. الديوتيريوم هو أيضًا وقود لتفاعلات الاندماج النووي ، والتي يمكن استخدامها يومًا ما لتوليد الكهرباء على نطاق صناعي.
