Alle elementen hebben atomen als basiseenheid, en een atoom bevat drie fundamentele deeltjes, die negatief geladen elektronen, positief geladen protonen en neutronen van neutrale deeltjes zijn. Het aantal protonen en neutronen dat in de kern aanwezig is, wordt het massagetal van elementen genoemd, en het aantal protonen wordt het atoomnummer genoemd. Dezelfde elementen waarvan de atomen hetzelfde aantal protonen maar een verschillend aantal neutronen bevatten, worden isotopen genoemd. Een voorbeeld is waterstof, dat drie isotopen heeft. Dit is waterstof zonder neutronen, deuterium met één neutron en tritium - het bevat twee neutronen. Dit artikel gaat over een isotoop van waterstof, deuterium genaamd, ook bekend als zware waterstof.
Wat is deuterium?
Deuterium is een isotoop van waterstof die één neutron verschilt van waterstof. Gewoonlijk heeft waterstof slechts één proton, terwijl deuterium één proton en één neutron heeft. Het wordt veel gebruikt in reactiesdivisie.
Deuterium (chemisch symbool D of ²H) is een stabiele isotoop van waterstof die in extreem kleine hoeveelheden in de natuur wordt aangetroffen. De deuteriumkern, deuteron genaamd, bevat één proton en één neutron, terwijl de veel algemenere waterstofkern slechts één proton en geen neutronen bevat. Daarom heeft elk atoom van deuterium een massa die ongeveer twee keer zo groot is als die van een gewoon waterstofatoom, en deuterium wordt ook wel zware waterstof genoemd. Water waarin gewone waterstofatomen zijn vervangen door deuteriumatomen wordt zwaar water genoemd.
Belangrijkste kenmerken
Isotopische massa van deuterium - 2, 014102 eenheden. Deuterium heeft een stabiele halfwaardetijd omdat het een stabiele isotoop is.
De overtollige energie van deuterium is 13.135.720 ± 0,001 keV. De bindingsenergie voor de deuteriumkern is 2224,52 ± 0,20 keV. Deuterium combineert met zuurstof om D2O (2H2O) te vormen, ook bekend als zwaar water. Deuterium is geen radioactieve isotoop.
Deuterium is niet gevaarlijk voor de gezondheid, maar kan worden gebruikt om kernwapens te maken. Deuterium wordt niet kunstmatig geproduceerd, omdat het van nature overvloedig aanwezig is in oceaanwater en vele generaties mensen kan dienen. Het wordt gewonnen uit de oceaan met behulp van een centrifugatieproces.
Zware waterstof
Zware waterstof is de naam van een van de hogere isotopen van waterstof, zoals deuterium en tritium. Maar vaker wordt het gebruikt voor deuterium. Zijn atoommassa isongeveer 2, en de kern bevat 1 proton en 1 neutron. De massa is dus twee keer zo groot als die van normale waterstof. Het extra neutron in deuterium maakt het zwaarder dan normale waterstof, daarom wordt het zware waterstof genoemd.
Zware waterstof werd in 1931 ontdekt door Harold Urey - deze ontdekking werd in 1934 bekroond met de Nobelprijs voor de Scheikunde. Urey voorspelde het verschil tussen de dampdruk van moleculaire waterstof (H2) en het overeenkomstige molecuul met één waterstofatoom vervangen door deuterium (HD), en daarmee de mogelijkheid om deze stoffen te scheiden door destillatie van vloeibare waterstof. Deuterium werd gevonden in het residu van de destillatie van vloeibare waterstof. Het werd in zijn pure vorm bereid door G. N. Lewis met behulp van de elektrolytische concentratiemethode. Wanneer water wordt geëlektrificeerd, wordt waterstofgas gevormd, dat een kleine hoeveelheid deuterium bevat, zodat het deuterium in het water wordt geconcentreerd. Wanneer de hoeveelheid water door voortdurende elektrolyse wordt teruggebracht tot ongeveer honderdduizendste van het oorspronkelijke volume, wordt bijna zuiver deuteriumoxide, bekend als zwaar water, verschaft. Deze methode voor het bereiden van zwaar water werd gebruikt tijdens de Tweede Wereldoorlog.
Etymologie en chemisch symbool
De naam "deuterium" komt van het Griekse woord deuteros, wat "tweede" betekent. Dit geeft aan dat met een atoomkern die uit twee deeltjes bestaat, deuterium de tweede isotoop is na gewone (of lichte) waterstof.
Deuterium wordt vaak aangeduid met de chemische stofsymbool D. Als een isotoop van waterstof met massagetal 2, wordt het ook weergegeven als H. De formule voor deuterium is 2H. De International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) staat zowel D als H toe, hoewel H de voorkeur heeft.
Hoe haal je deuterium uit water?
De traditionele methode om deuterium in water te concentreren, maakt gebruik van isotopenuitwisseling in waterstofsulfidegas, hoewel er betere methoden worden ontwikkeld. Het scheiden van verschillende isotopen van waterstof kan ook worden gedaan met behulp van gaschromatografie en cryogene destillatie, waarbij verschillen in fysische eigenschappen worden gebruikt om isotopen te scheiden.
Deuteriumwater
Deuteriumwater, ook wel zwaar water genoemd, is vergelijkbaar met gewoon water. Het wordt gevormd door een combinatie van deuterium en zuurstof en wordt aangeduid als 2H2O. Deuteriumwater is stroperiger dan gewoon water. Zwaar water is 10,6% dichter dan gewoon water, dus het ijs van zwaar water zinkt in gewoon water. Voor sommige dieren is deuteriumwater giftig, terwijl andere in zwaar water kunnen overleven, maar zich daarin langzamer ontwikkelen dan in normaal water. Deuteriumwater is niet radioactief. Het menselijk lichaam bevat ongeveer 5 gram deuterium en is ongevaarlijk. Als zwaar water in grote hoeveelheden het lichaam binnenkomt (bijvoorbeeld, ongeveer 50% van het water in het lichaam wordt zwaar), kan dit leiden tot celdisfunctie en uiteindelijk de dood.
Verschillen in zwaar water:
- Het vriespunt is 3,82°C.
- Temperatuurkookpunt is 101,4 °C.
- De dichtheid van zwaar water is 1,1056 g/mL (normaal water is 0,9982 g/mL).
- De pH van zwaar water is 7,43 (normaal water is 6,9996).
- Er is een klein verschil in smaak en geur tussen gewoon water en zwaar water.
Gebruik van deuterium
Wetenschappers hebben veel toepassingen ontwikkeld voor deuterium en zijn verbindingen. Deuterium is bijvoorbeeld een niet-radioactieve isotooptracer voor het bestuderen van chemische reacties en metabole routes. Bovendien is het nuttig voor het bestuderen van macromoleculen met behulp van neutronenverstrooiing. Gedeutereerde oplosmiddelen (zoals zwaar water) worden vaak gebruikt bij nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectroscopie omdat deze oplosmiddelen de NMR-spectra van de onderzochte verbindingen niet beïnvloeden. Gedeutereerde verbindingen zijn ook nuttig voor femtoseconde infraroodspectroscopie. Deuterium is ook een brandstof voor kernfusiereacties, die ooit zouden kunnen worden gebruikt om op industriële schaal elektriciteit op te wekken.
