Изотопы, химическое строение и применение

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).

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].