همه عناصر دارای اتم به عنوان واحد اصلی خود هستند و یک اتم شامل سه ذره اساسی است که الکترون های با بار منفی، پروتون های با بار مثبت و نوترون های ذرات خنثی هستند. تعداد پروتون ها و نوترون های موجود در هسته را تعداد جرمی عناصر و تعداد پروتون ها را عدد اتمی می گویند. همان عناصری که اتم های آنها دارای تعداد پروتون یکسان اما تعداد نوترون های متفاوت هستند ایزوتوپ نامیده می شوند. یک مثال هیدروژن است که دارای سه ایزوتوپ است. این هیدروژن با نوترون صفر، دوتریوم حاوی یک نوترون، و تریتیوم - حاوی دو نوترون است. این مقاله بر روی ایزوتوپ هیدروژن به نام دوتریوم، که به عنوان هیدروژن سنگین نیز شناخته می شود، تمرکز خواهد کرد.
دوتریوم چیست؟
دوتریوم ایزوتوپی از هیدروژن است که یک نوترون با هیدروژن متفاوت است. به طور معمول، هیدروژن تنها یک پروتون دارد، در حالی که دوتریوم دارای یک پروتون و یک نوترون است. به طور گسترده ای در واکنش ها استفاده می شودتقسیم.
دوتریوم (نماد شیمیایی D یا ²H) ایزوتوپ پایدار هیدروژن است که در طبیعت در مقادیر بسیار کم یافت می شود. هسته دوتریوم که دوترون نامیده می شود حاوی یک پروتون و یک نوترون است، در حالی که هسته هیدروژن بسیار رایج تر حاوی تنها یک پروتون و بدون نوترون است. بنابراین هر اتم دوتریوم دارای جرمی حدود دو برابر اتم هیدروژن معمولی است و دوتریوم را هیدروژن سنگین نیز می گویند. آبی که در آن اتم‌های هیدروژن معمولی با اتم‌های دوتریوم جایگزین می‌شوند، آب سنگین نامیده می‌شود.
ویژگی های کلیدی
جرم ایزوتوپی دوتریوم - 2، 014102 واحد. دوتریوم نیمه عمر پایداری دارد زیرا یک ایزوتوپ پایدار است.
انرژی اضافی دوتریوم 001/0 ± 13135.720 کو است. انرژی اتصال برای هسته دوتریوم 0.20 ± 2224.52 کو است. دوتریوم با اکسیژن ترکیب می شود و D2O (2H2O) را تشکیل می دهد که به عنوان آب سنگین نیز شناخته می شود. دوتریوم یک ایزوتوپ رادیواکتیو نیست.
دوتریوم برای سلامتی خطرناک نیست، اما می توان از آن برای ساخت سلاح هسته ای استفاده کرد. دوتریوم به طور مصنوعی تولید نمی شود، زیرا به طور طبیعی در آب اقیانوس ها فراوان است و می تواند به نسل های زیادی از مردم خدمت کند. با استفاده از فرآیند سانتریفیوژ از اقیانوس استخراج می شود.
هیدروژن سنگین
هیدروژن سنگین نام هر یک از ایزوتوپ های بالاتر هیدروژن مانند دوتریوم و تریتیوم است. اما بیشتر اوقات از آن برای دوتریوم استفاده می شود. جرم اتمی آن استحدود 2، و هسته آن حاوی 1 پروتون و 1 نوترون است. بنابراین جرم آن دو برابر هیدروژن معمولی است. نوترون اضافی موجود در دوتریوم آن را از هیدروژن معمولی سنگین‌تر می‌کند، به همین دلیل به آن هیدروژن سنگین می‌گویند.
هیدروژن سنگین توسط هارولد اوری در سال 1931 کشف شد - این کشف در سال 1934 جایزه نوبل شیمی را دریافت کرد. Urey تفاوت فشار بخار هیدروژن مولکولی (H2) و مولکول مربوطه را با یک اتم هیدروژن جایگزین دوتریوم (HD) و در نتیجه امکان جداسازی این مواد با تقطیر هیدروژن مایع را پیش‌بینی کرد. دوتریوم در باقیمانده حاصل از تقطیر هیدروژن مایع یافت شد. به صورت خالص توسط G. N. لوئیس با استفاده از روش غلظت الکترولیتی. هنگامی که آب الکتریکی می شود، گاز هیدروژن تشکیل می شود که حاوی مقدار کمی دوتریوم است، بنابراین دوتریوم در آب متمرکز می شود. هنگامی که مقدار آب با الکترولیز ادامه دار به حدود صد هزارم حجم اولیه کاهش می یابد، اکسید دوتریوم تقریبا خالص، معروف به آب سنگین، تولید می شود. این روش تهیه آب سنگین در طول جنگ جهانی دوم مورد استفاده قرار گرفت.
ریشه شناسی و نماد شیمیایی
نام "دوتریوم" از کلمه یونانی deuteros گرفته شده است که به معنای "دوم" است. این نشان می دهد که با یک هسته اتمی متشکل از دو ذره، دوتریوم دومین ایزوتوپ بعد از هیدروژن معمولی (یا سبک) است.
دوتریوم اغلب با این ماده شیمیایی نشان داده می شودنماد D. به عنوان ایزوتوپ هیدروژن با عدد جرمی 2، آن را نیز به صورت H نشان می دهند. فرمول دوتریوم 2H است. اتحادیه بین‌المللی شیمی محض و کاربردی (IUPAC) هر دو D و H را مجاز می‌کند، اگرچه H ترجیح داده می‌شود.
چگونه دوتریوم را از آب دریافت کنیم؟
روش سنتی تغلیظ دوتریوم در آب از تبادل ایزوتوپ در گاز سولفید هیدروژن استفاده می کند، اگرچه روش های بهتری در حال توسعه است. جداسازی ایزوتوپ های مختلف هیدروژن را می توان با استفاده از کروماتوگرافی گازی و تقطیر برودتی نیز انجام داد که از تفاوت در خواص فیزیکی برای جداسازی ایزوتوپ ها استفاده می کند.
آب دوتریوم
آب دوتریوم که به آب سنگین نیز معروف است شبیه آب معمولی است. از ترکیب دوتریوم و اکسیژن تشکیل می شود و به عنوان 2H2O تعیین می شود. آب دوتریوم چسبناک تر از آب معمولی است. آب سنگین 10.6 درصد چگالی تر از آب معمولی است، بنابراین یخ آب سنگین در آب معمولی فرو می رود. برای برخی از حیوانات، آب دوتریوم سمی است، در حالی که برخی دیگر می توانند در آب سنگین زنده بمانند، اما در آن کندتر از آب معمولی رشد می کنند. آب دوتریوم رادیواکتیو نیست. بدن انسان حدود 5 گرم دوتریوم دارد و بی ضرر است. اگر آب سنگین به مقدار زیاد وارد بدن شود (مثلاً حدود 50 درصد آب بدن سنگین می شود)، می تواند منجر به اختلال عملکرد سلولی و در نهایت مرگ شود.
تفاوت در آب سنگین:
- نقطه انجماد 3.82 درجه سانتی گراد است.
- دمانقطه جوش 101.4 درجه سانتی گراد است.
- چگالی آب سنگین 1.1056 گرم در میلی لیتر است (آب معمولی 0.9982 گرم در میلی لیتر است).
- pH آب سنگین 7.43 است (آب معمولی 6.9996 است).
- تفاوت جزئی در طعم و بوی بین آب ساده و آب سنگین وجود دارد.
استفاده از دوتریوم
دانشمندان کاربردهای زیادی برای دوتریوم و ترکیبات آن ایجاد کرده اند. به عنوان مثال، دوتریوم یک ایزوتوپ ردیاب غیر رادیواکتیو برای مطالعه واکنش های شیمیایی و مسیرهای متابولیک است. علاوه بر این، برای مطالعه ماکرومولکول ها با استفاده از پراکندگی نوترون مفید است. حلال‌های دوتره شده (مانند آب سنگین) معمولاً در طیف‌سنجی تشدید مغناطیسی هسته‌ای (NMR) استفاده می‌شوند، زیرا این حلال‌ها بر طیف NMR ترکیبات مورد مطالعه تأثیر نمی‌گذارند. ترکیبات دوتره شده نیز برای طیف سنجی مادون قرمز فمتوثانیه مفید هستند. دوتریوم همچنین سوختی برای واکنش های همجوشی هسته ای است که می تواند روزی برای تولید برق در مقیاس صنعتی استفاده شود.
