Изотопы водорода
Известно несколько изотопов водорода: дейтерий (2H) с одним протоном и одним нейтроном в ядре, тритий (3H) с одним протоном и двумя нейтронами в ядре и очень неустойчивые тяжелые изотопы 4H, 5H, 6H и 7H. Ядра протия и дейтерия стабильны, а ядра трития подвергаются бета-распаду:
3H1 = 3He2 + ê (T1/2 = 12,33 г.)
Предполагают, что эта реакция является главным источником изотопа гелия-3 в атмосфере.
Время жизни атомов остальных изотопов составляет ничтожные доли секунды.
Таблица изотопов водорода:
| Символ | Название | Массовая доля в природной смеси в % | Тпл. (°C) | Ткип. (°C) | Период полураспада | Тип и энергия распада |
| 1H | Протий | 99,9849 | -259,2 | -252,6 | – | – |
| 2D (2H) | Дейтерий | 0,0139 | -254,5 | -249,5 | – | – |
| 3T (3H) | Тритий | 0,0012 | -252,2 | -248,1 | 12,33 года | ß–, 18,591 кэВ |
| 4H | – | – | – | – | 1,39·10-22 с | -n, 23,48 МэВ |
| 5H | – | – | – | – | 9,1·10-22 с | -nn, 21,51 МэВ |
| 6H | – | – | – | – | 2,90·10-22 с | -3n, 24,27 МэВ |
| 7H | – | – | – | – | 2,3·10-23 с | -nn, 23,03 МэВ |
Содержание изотопов водорода в природе:
Массовая доля (в %) в природной смеси:
1H – 99,9849 2H – 0,0139 3H – 0,0012
Количественные соотношения между изотопами водорода H : D : T могут быть представлены как 1 : 1,46·10-5 : 4,0·10-15
Нормальный изотопный состав природных соединений водорода соответствует отношению D : H=1 : 6800
Содержание трития в атмосферном водороде составляет 4·10-15 % (мольные доли) и в атмосферных осадках ~3·10-18 % (мольные доли). Очевидно, он образуется в результате ядерных реакций, вызванных действием космических лучей.
Получение изотопов водорода
Дейтерий.
Впервые был получен в значительных количествах в виде тяжелой воды D2O путем электролиза природной воды. При электролизе воды разряд H+ происходит значительно быстрее, чем D+, поэтому в остатке после разложения электролизом большого количества воды накапливается D2O. Этот использовался большую часть XX века.
В настоящее время дейтерий получают ректификацией жидкого водорода и пот так называемому двухтемпературному сероводородному методу, в основе которого лежит реакция изотопного обмена:
HDS + H2O = HDO + H2S
Константа равновесия которой при 30 и 120 °C равна соответственно 2,31 и 1,86.
Тритий синтезируют, действуя на 6Li3 нейтронами, получаемыми в ядерном реакторе:
6Li3 + 1n0 = 4He2 + 3H1
Для водорода, как ни для какого другого элемента, относительное различие изотопных масс достигает значительной величины. Поэтому, несмотря на одинаковую электронную структуру, все изотопы заметно различаются не только физическими, но и химическими свойствами. Вследствие резкого преобладания протия влияние тяжелых изотопов сказывается незначительно и может быть зафиксировано лишь в очень точных экспериментах. Поэтому можно считать, что свойства природного водорода соответствуют свойствам чистого протия.
Небольшие различия свойств, называемые изотопным эффектом, обусловлены различием масс изотопных атомов, которое в первую очередь сказывается на частоте колебаний атомов в молекулах и твердых телах. Так, колебательная энергия молекул T2 и D2 меньше, чем H2. А это, в свою очередь, сказывается на термодинамических свойствах: теплоемкости, температуре плавления и кипения, энтальпии плавления и испарения, давлении насыщенного пара и т.д. Так, D2 по сравнению с обычным водородом обладает меньшей теплоемкостью, теплопроводностью и скоростью диффузии. Таким образом, для изотопных соединений характерна термодинамическая неравноценность, а, следовательно, неравноценность активных комплексов при химических реакциях, в результате чего имеет место различие в скоростях протекания реакций, т.е. наблюдается кинетический изотопный эффект. Он выражается отношением констант скоростей химических реакций для различных изотопных соединений. Например, отношение констант скоростей синтеза HBr и DBr равно 5. Такие значительные отличия физических и химических свойств изотопов одного и того же элемента уникальны и не имеют аналогов в периодической системе. Все это в какой-то мере оправдывает применение для каждого изотопа водорода собственного названия (особенно для протия и дейтерия).
| Eдис(H2) = 436 кДж/моль | dH-H = 0,07414 нм |
| Eдис(D2) = 439,56 кДж/моль | dD-D = 0,07417 нм |
| t°пл(D2O) = 3,82 °C | t°кип(D2O) = 101,42 °C | ρ = 1,1050 г/см3 (20 °C) |
Заметно с H2O различаются также энтальпия растворения солей, константы диссоциации кислот и другие характеристики растворов. Реакции в D2O идут медленнее, поэтому она является биологическим ядом.
