Tutti gli elementi hanno gli atomi come unità di base e un atomo contiene tre particelle fondamentali, che sono elettroni caricati negativamente, protoni caricati positivamente e neutroni di particelle neutre. Il numero di protoni e neutroni presenti nel nucleo è chiamato numero di massa degli elementi e il numero di protoni è chiamato numero atomico. Gli stessi elementi i cui atomi contengono lo stesso numero di protoni ma un numero diverso di neutroni sono chiamati isotopi. Un esempio è l'idrogeno, che ha tre isotopi. Questo è idrogeno con zero neutroni, deuterio contenente un neutrone e trizio: contiene due neutroni. Questo articolo si concentrerà su un isotopo dell'idrogeno chiamato deuterio, noto anche come idrogeno pesante.
Cos'è il deuterio?
Il deuterio è un isotopo dell'idrogeno che differisce dall'idrogeno di un neutrone. Tipicamente, l'idrogeno ha un solo protone, mentre il deuterio ha un protone e un neutrone. È ampiamente usato nelle reazionidivisione.
Il deuterio (simbolo chimico D o ²H) è un isotopo stabile dell'idrogeno che si trova in natura in quantità estremamente piccole. Il nucleo di deuterio, chiamato deuterone, contiene un protone e un neutrone, mentre il nucleo di idrogeno, molto più comune, contiene un solo protone e nessun neutrone. Pertanto, ogni atomo di deuterio ha una massa che è circa il doppio di quella di un normale atomo di idrogeno e il deuterio è anche chiamato idrogeno pesante. L'acqua in cui gli atomi di idrogeno ordinari sono sostituiti da atomi di deuterio è chiamata acqua pesante.
Caratteristiche principali
Massa isotopica del deuterio - 2, 014102 unità. Il deuterio ha un'emivita stabile perché è un isotopo stabile.
L'energia in eccesso del deuterio è 13.135,720 ± 0,001 keV. L'energia di legame per il nucleo del deuterio è 2224,52 ± 0,20 keV. Il deuterio si combina con l'ossigeno per formare D2O (2H2O), noto anche come acqua pesante. Il deuterio non è un isotopo radioattivo.
Il deuterio non è pericoloso per la salute, ma può essere usato per creare armi nucleari. Il deuterio non viene prodotto artificialmente, poiché è naturalmente abbondante nell'acqua oceanica e può servire molte generazioni di persone. Viene estratto dall'oceano mediante un processo di centrifugazione.
Idrogeno pesante
Idrogeno pesante è il nome di uno qualsiasi degli isotopi superiori dell'idrogeno, come il deuterio e il trizio. Ma più spesso è usato per il deuterio. La sua massa atomica ècirca 2, e il suo nucleo contiene 1 protone e 1 neutrone. Pertanto, la sua massa è il doppio di quella dell'idrogeno normale. Il neutrone in più nel deuterio lo rende più pesante dell'idrogeno normale, motivo per cui è chiamato idrogeno pesante.
L'idrogeno pesante è stato scoperto da Harold Urey nel 1931 - questa scoperta è stata insignita del Premio Nobel per la Chimica nel 1934. Urey ha previsto la differenza tra la pressione di vapore dell'idrogeno molecolare (H2) e la corrispondente molecola con un atomo di idrogeno sostituito da deuterio (HD), e quindi la possibilità di separare queste sostanze per distillazione di idrogeno liquido. Nel residuo della distillazione dell'idrogeno liquido è stato trovato deuterio. Fu preparato nella sua forma pura da G. N. Lewis usando il metodo della concentrazione elettrolitica. Quando l'acqua viene elettrificata, si forma idrogeno gassoso, che contiene una piccola quantità di deuterio, quindi il deuterio è concentrato nell'acqua. Quando la quantità di acqua viene ridotta a circa centomillesimi del suo volume originale mediante elettrolisi continua, viene fornito ossido di deuterio quasi puro, noto come acqua pesante. Questo metodo di preparazione dell'acqua pesante è stato utilizzato durante la seconda guerra mondiale.
Etimologia e simbolo chimico
Il nome "deuterio" deriva dalla parola greca deuteros, che significa "secondo". Ciò indica che con un nucleo atomico costituito da due particelle, il deuterio è il secondo isotopo dopo l'idrogeno ordinario (o leggero).
Il deuterio è spesso indicato dalla sostanza chimicasimbolo D. Come isotopo dell'idrogeno con un numero di massa 2, è anche rappresentato come H. La formula del deuterio è 2H. L'Unione internazionale di chimica pura e applicata (IUPAC) consente sia D che H, sebbene H sia preferito.
Come ottenere il deuterio dall'acqua?
Il metodo tradizionale per concentrare il deuterio nell'acqua utilizza lo scambio di isotopi nell'idrogeno solforato, sebbene siano in fase di sviluppo metodi migliori. La separazione di diversi isotopi dell'idrogeno può essere eseguita anche utilizzando la gascromatografia e la distillazione criogenica, che utilizzano differenze nelle proprietà fisiche per separare gli isotopi.
Acqua di deuterio
L'acqua di deuterio, nota anche come acqua pesante, è simile all'acqua normale. È formato da una combinazione di deuterio e ossigeno ed è designato come 2H2O. L'acqua di deuterio è più viscosa dell'acqua normale. L'acqua pesante è del 10,6% più densa dell'acqua normale, quindi il ghiaccio dell'acqua pesante affonda nell'acqua normale. Per alcuni animali, l'acqua del deuterio è tossica, mentre altri possono sopravvivere in acqua pesante, ma si svilupperanno più lentamente rispetto all'acqua normale. L'acqua di deuterio non è radioattiva. Il corpo umano contiene circa 5 grammi di deuterio ed è innocuo. Se l'acqua pesante entra nel corpo in grandi quantità (ad esempio, circa il 50% dell'acqua nel corpo diventa pesante), può portare a disfunzioni cellulari e, infine, alla morte.
Differenze in acqua pesante:
- Il punto di congelamento è 3,82°C.
- Temperaturail punto di ebollizione è 101,4 °C.
- La densità dell'acqua pesante è 1,1056 g/mL (l'acqua normale è 0,9982 g/mL).
- Il pH dell'acqua pesante è 7,43 (l'acqua normale è 6,9996).
- C'è una leggera differenza nel gusto e nell'odore tra l'acqua normale e quella pesante.
Uso del deuterio
Gli scienziati hanno sviluppato molti usi del deuterio e dei suoi composti. Ad esempio, il deuterio è un tracciante isotopico non radioattivo per lo studio delle reazioni chimiche e delle vie metaboliche. Inoltre, è utile per studiare le macromolecole utilizzando lo scattering di neutroni. I solventi deuterati (come l'acqua pesante) sono comunemente usati nella spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) perché questi solventi non influenzano gli spettri NMR dei composti in studio. I composti deuterati sono utili anche per la spettroscopia infrarossa a femtosecondi. Il deuterio è anche un combustibile per reazioni di fusione nucleare, che un giorno potrebbe essere utilizzato per generare elettricità su scala industriale.
