Тяжёлый водород

Тяжёлый водород — общее название изотопов водорода, ядра которых содержат, помимо одного протона, один или два нейтрона. В отличие от самого распространённого изотопа — протия (¹H), ядро которого состоит из одного протона, ядра тяжёлого водорода имеют бо́льшую атомную массу. К тяжёлому водороду относят дейтерий (²H или D) и тритий (³H или T). В более широком смысле термин может применяться к любому изотопу водорода, кроме протия.

История открытия

Существование изотопов водорода было предсказано в начале XX века на основе открытия изотопов у других элементов. В 1931 году американский физико-химик Гарольд Юри совместно с Фердинандом Брикведде и Джорджем Мерфи экспериментально обнаружил дейтерий. Они исследовали спектр жидкого водорода и обнаружили слабые линии, соответствующие атому с массой 2. За это открытие Юри был удостоен Нобелевской премии по химии в 1934 году.

Тритий был открыт позднее, в 1934 году, британскими физиками Эрнестом Резерфордом, Марком Олифантом и Паулем Гартеком. Они бомбардировали дейтерий дейтронами (ядрами дейтерия) и получили тритий. В отличие от дейтерия, тритий является радиоактивным изотопом.

Физические и химические свойства

Масса и строение ядра

• Дейтерий (²H): ядро состоит из одного протона и одного нейтрона. Атомная масса — 2,0141 а. е. м.
• Тритий (³H): ядро состоит из одного протона и двух нейтронов. Атомная масса — 3,0160 а. е. м.

Из-за большей массы ядра (в 2–3 раза тяжелее протия) тяжёлый водород проявляет заметные изотопные эффекты. Например, температура кипения и плавления тяжёлой воды (D₂O) выше, чем у обычной воды (H₂O): D₂O кипит при 101,4 °C, а замерзает при 3,82 °C.

Химическая активность

Химические свойства дейтерия и трития качественно аналогичны свойствам протия, однако из-за разницы в массе реакции с участием тяжёлого водорода протекают медленнее (изотопный кинетический эффект). Например, скорость разрыва связи C–D (углерод-дейтерий) примерно в 6–10 раз ниже, чем связи C–H. Это явление используется в фармакологии для создания дейтерированных лекарств, которые медленнее метаболизируются в организме.

Радиоактивность

Тритий является радиоактивным изотопом. Он испускает бета-частицы (электроны) с низкой энергией (максимальная энергия — 18,6 кэВ) и превращается в гелий-3 (³He). Период полураспада трития составляет 12,32 года. Из-за низкой энергии излучения тритий относительно безопасен при внешнем облучении, но опасен при попадании внутрь организма, так как может замещать водород в биологических молекулах.

Распространённость в природе

Дейтерий встречается в природе в заметных количествах. Его содержание в гидросфере Земли составляет примерно 0,0156 % от общего числа атомов водорода (то есть один атом дейтерия на 6400 атомов протия). Концентрация дейтерия в природных водах непостоянна и зависит от региона, глубины и времени года. В океанической воде его доля выше, чем в пресной.

Тритий в природе образуется в основном в верхних слоях атмосферы под действием космического излучения. Его естественное содержание ничтожно мало (около 1 атома на 10¹⁸ атомов протия). Значительные количества трития были произведены искусственно в ходе испытаний термоядерного оружия в середине XX века, что привело к временному повышению его концентрации в окружающей среде.

Получение

Дейтерий

Основным промышленным способом получения дейтерия является электролиз воды. При электролизе обычной воды молекулы H₂O разлагаются быстрее, чем D₂O, поэтому в остатке накапливается тяжёлая вода. Другие методы включают ректификацию (фракционную перегонку) жидкого водорода и химический изотопный обмен.

Тритий

Тритий получают искусственно в ядерных реакторах путём облучения лития-6 (⁶Li) нейтронами: ⁶Li + n → ³H + ⁴He. Также тритий образуется в качестве побочного продукта при работе ядерных реакторов, в частности в воде, используемой для охлаждения. В России тритий производится на предприятиях атомной промышленности, в том числе на ПО «Маяк» (Челябинская область).

Применение

Энергетика

Тяжёлый водород играет ключевую роль в термоядерной энергетике. Реакция синтеза дейтерия и трития (D + T → ⁴He + n) является наиболее легко осуществимой термоядерной реакцией. Она лежит в основе проектируемых термоядерных реакторов (например, ITER) и используется в термоядерном оружии. Водородная бомба использует дейтерид лития-6 (LiD) в качестве термоядерного горючего.

Ядерная промышленность

Тяжёлая вода (D₂O) используется в качестве замедлителя нейтронов в некоторых типах ядерных реакторов (например, в канадских реакторах CANDU). Замедлитель на основе тяжёлой воды позволяет использовать природный (необогащённый) уран в качестве топлива.

Научные исследования

Дейтерий и тритий широко применяются в качестве изотопных меток в химии, биологии и медицине. Например, дейтерированные соединения используются для изучения механизмов химических реакций, а тритий — для мечения биологически активных молекул (гормонов, лекарств) в радиоиммунологических анализах.

Промышленность

Дейтерий используется в производстве оптического волокна для снижения потерь сигнала. Также он применяется в спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) в качестве растворителя (например, дейтерохлороформ CDCl₃).

Военное дело

Тритий используется в некоторых типах ядерного оружия для увеличения его мощности (бустирование). Также тритий применяется в источниках света — тритиевых подсветках для прицелов, часов и аварийных указателей. В России тритий используется в оборонной промышленности, в том числе в системах управления ядерным оружием.

Медицина

Дейтерированные лекарственные средства (например, дейтеравирин для лечения ВИЧ) разрабатываются для увеличения времени действия препарата и снижения побочных эффектов. Тритий используется в радиофармацевтических препаратах для диагностики и терапии некоторых заболеваний.

Безопасность и экологические аспекты

Дейтерий нерадиоактивен и не представляет биологической опасности в обычных концентрациях. Однако тяжёлая вода в больших количествах может оказывать токсическое действие на живые организмы, так как замедляет биохимические реакции.

Тритий, будучи радиоактивным, требует особых мер безопасности. Его попадание в организм может привести к внутреннему облучению. В России контроль за обращением трития осуществляется в соответствии с федеральными нормами и правилами в области использования атомной энергии.

См. также

• Изотопы водорода
• Тяжёлая вода
• Термоядерный синтез
• Дейтерий
• Тритий

Источники

• Юри Г. К. Открытие дейтерия // Успехи химии. — 1932.
• Резерфорд Э., Олифант М., Гартек П. Искусственное получение трития // Nature. — 1934.
• Глазов В. М. Изотопы водорода и их применение. — М.: Атомиздат, 1975.
• Кузнецов В. И. Химия изотопов водорода. — Л.: Химия, 1983.
• Федеральные нормы и правила в области использования атомной энергии (НП-001-15, НП-009-17 и др.). — М.: Ростехнадзор, 2015–2017.