Изотопы, химическое строение и применение
Водород — самый распространённый элемент во Вселенной. На его долю приходится около 88,6% всех атомов (около 11,3% составляют атомы гелия, доля всех остальных вместе взятых элементов — порядка 0,1%). Таким образом, водород — основная составная часть звёзд и межзвёздного газа. В условиях звёздных температур (например, температура поверхности Солнца ~ 6000 °C) водород существует в виде плазмы… Читать ещё >
Изотопы, химическое строение и применение (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
Изотомпы (от др.-греч. йупт — «равный», «одинаковый», и фьрпт — «место») — разновидности атомов (и ядер) какого-либо химического элемента, которые имеют одинаковый атомный (порядковый) номер, но при этом разные массовые числа.
Водород — самый распространённый элемент во Вселенной. На его долю приходится около 88,6% всех атомов (около 11,3% составляют атомы гелия, доля всех остальных вместе взятых элементов — порядка 0,1%). Таким образом, водород — основная составная часть звёзд и межзвёздного газа. В условиях звёздных температур (например, температура поверхности Солнца ~ 6000 °C) водород существует в виде плазмы, в межзвёздном пространстве этот элемент существует в виде отдельных молекул, атомов и ионов и может образовывать молекулярные облака, значительно различающиеся по размерам, плотности и температуре. Водород — самый лёгкий газ, он легче воздуха в 14,4 раз.
Водород встречается в виде трёх изотопов, которые имеют индивидуальные названия:
- 1H — протий (Н);
- 2Н — дейтерий (D);
- 3Н — тритий (T; радиоактивный).
Температура плавления, K. | Температура кипения, K. | Тройная точка, K / kPa. | Критическая точка, K / kPa. | Плотность жидкий / газ, кг/мі. | |
H2 | 13,96. | 20,39. | 13,96 / 7,3. | 32,98 / 1,31. | 70,811 / 1,316. |
HD. | 16,65. | 22,13. | 16,6 / 12,8. | 35,91 / 1,48. | 114,0 / 1,802. |
HT. | 22,92. | 17,63 / 17,7. | 37,13 / 1,57. | 158,62 / 2,31. | |
D2 | 18,65. | 23,67. | 18,73 / 17,1. | 38,35 / 1,67. | 162,50 / 2,23. |
DT. | 24.38. | 19,71 / 19,4. | 39,42 / 1,77. | 211,54 / 2,694. | |
T2 | 20,63. | 25,04. | 20,62 / 21,6. | 40,44 / 1,85. | 260,17 / 3,136. |
Промтий — название самого лёгкого изотопа водорода, обозначается символом 1H. Ядро протия состоит из одного протона, отсюда и название изотопа.
Протий составляет 99,9885% ± 0,0070[2] % от общего числа атомов водорода во Вселенной и является наиболее распространённым нуклидом в природе среди изотопов всех химических элементов. Обычно, когда говорят о водороде, имеют ввиду именно лёгкий водород — протий. Протий — единственный стабильный элемент, не имеющий нейтронов в ядре.
Применение протия (водорода)
Более половины водорода идет на переработку нефти. Четверть производимого водорода расходуется на синтез аммиака NH3. Это один из важнейших продуктов химической промышленности.
В большом количестве водород расходуется на получение хлороводородной кислоты. Реакция горения водорода в кислороде используется в ракетных двигателях, выводящих в космос летательные аппараты. Например, самая мощная ракета «Энергия» использует более 2000 тонн топлива, большую часть которого составляют жидкий водород и кислород.
Водород применяют и для получения металлов из оксидов. Таким способом получают тугоплавкие металлы молибден и вольфрам, необходимые в производстве нитей накаливания электролампочек. Водород также находит применение в производстве маргарина из растительных масел. Реакцию горения водорода в кислороде применяют и для сварочных работ. В настоящее время в ряде стран начаты исследования по замене невозобновляемых источников энергии (нефти, газа, угля) на водород. При сгорании водорода в кислороде образуется экологически чистый продукт — вода, а углекислый газ, вызывающий парниковый эффект, не выделяется. Ученые предполагают, что в середине XXI века должно быть начато серийное производство автомобилей на водороде. Широкое применение найдут домашние топливные элементы, работа которых также основана на окислении водорода кислородом.
Дейтемрий (лат. deuterium, от др.-греч. деэфеспт «второй»),тяжёлый водород, обозначается символами D и 2H — стабильный изотоп водорода с атомной массой, равной 2. Ядро (дейтрон) состоит из одного протона и одного нейтрона. Открыт в 1932 г. американским физико-химиком Г. Юри. Природное содержание — 0,0115 ± 0,0070[2] %.
Применение
Дейтерий широко используется в атомной энергетике как замедлитель нейтронов в ядерных реакторах; в смеси с тритием или в соединении с литием-6 применяют для термоядерной реакции в водородных бомбах, применяется в качестве меченого стабильного индикатора в лабораторных исследованиях и технике. Перспективным также представляется применение дейтерия (в смеси с тритием) для получения высокотемпературной плазмы, необходимой для осуществления.
Тримтий (др.-греч. фсЯфпт «третий»), сверхтяжёлый водород, обозначается символами T и 3H — радиоактивный изотоп водорода. Ядро трития состоит из протона и двух нейтронов, его называют тритоном и обозначают t. изотоп водород химический элемент В природе тритий образуется в верхних слоях атмосферы при соударении частиц космического излучения с ядрами атомов, например, азота[3]. В процессе распада тритий превращается в 3Heс испусканием электрона и антинейтрино (бета-распад), период полураспада — 12,32 года. Доступная энергия распада очень мала (18,59 кэВ), средняя энергия электронов 5,7 кэВ.
Тритий открыт английскими учёными Эрнестом Резерфордом, Маркусом Олифантом и Паулем Хартеком в 1934 году. Используется в биологии и химии как радиоактивная метка, в экспериментах по исследованию свойств нейтрино, в термоядерном оружии как источник нейтронов и одновременно термоядерное горючее, в геологии для датирования природных вод.
Мировая коммерческая потребность в тритии на 1995 год составляет ежегодно около 400 г, и еще порядка 2 кг требовалось для поддержания ядерного арсенала США[12] (7 кг для всех мировых военных потребителей). Около 4 кг трития в год образуется на АЭС, но не извлекается.[13]
Большие количества трития потребуются для термоядерной энергетики, например, для запуска ITER потребуется как минимум около 3 кг трития, для запуска DEMO понадобится 4−10 кг[14]. Гипотетический тритиевый реактор потреблял бы 56 кг трития на производство 1 ГВт· года электроэнергии, тогда как всемирные запасы трития на 2003 год составляли всего 18 кг[14].