Δευτέριο – Ορισμός, Ιστορία, Χρήσεις και Παραδείγματα.

Ένα από τα ισότοπα του υδρογόνου ονομάζεται δευτέριο. Υπάρχει ένα πρωτόνιο, ένα ηλεκτρόνιο και κανένα νετρόνιο σε ένα μόνο μόριο υδρογόνου. Το πρωτόνιο, το ηλεκτρόνιο και το νετρόνιο είναι τα συστατικά σωματίδια που αποτελούν το άτομο. Το αέριο υδρογόνο-δευτέριο είναι το πιο κοινό στοιχείο στο σύμπαν. Το πρωτίου, η μορφή του υδρογόνου που δεν περιέχει νετρόνια, αποτελεί το 99,9 τοις εκατό του φυσικού υδρογόνου στον ωκεανό. Αντίθετα, η ύπαρξη δευτερίου αποτελεί μόλις το 0,02 τοις εκατό αυτού.

Έννοια του δευτερίου

Αρχικά, προσδιορίστηκε η αναλογία φυσικώς απαντώμενου υδρογόνου-δευτερίου στην ιοντική του μορφή. Ωστόσο, αργότερα, όταν μετρήθηκε για άλλη μια φορά με βάση το φάσμα της ατμόσφαιρας της γης, χρησιμοποιήθηκε ένα φασματόμετρο μάζας για την αποσυναρμολόγηση της χημικής δομής του. Είναι το σταθερό ισότοπο του αερίου υδρογόνου και αποτελείται από ένα μοναδικό πρωτόνιο και ένα μοναδικό νετρόνιο. Το γεγονός ότι το υδρογόνο έχει τρία ισότοπα με ονόματα το ξεχωρίζει από όλα τα άλλα στοιχεία. Μία από τις μορφές που μπορεί να υπάρχει το υδρογόνο ονομάζεται δευτέριο. Έχει ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο στη σύνθεση του. Το πρωτίιο, το πιο άφθονο ισότοπο υδρογόνου, περιέχει μόνο ένα πρωτόνιο και καθόλου νετρόνια στην ατομική του δομή. Επειδή περιλαμβάνει ένα νετρόνιο, το δευτέριο είναι πολύ πιο βαρύ ή βαρύ από το Protium.

Το δευτέριο αναφέρεται συχνά ως βαρύ υδρογόνο. Επειδή κάθε άτομο τριτίου αποτελείται από ένα πρωτόνιο και δύο νετρόνια, συχνά αναφέρεται ως βαρύ υδρογόνο. Τρίτιο είναι το όνομα του τρίτου και τελευταίου ισοτόπου του υδρογόνου.

Ιστορικό

Σχετικά με τα δύο συστατικά σωματίδια που αποτελούν τον πυρήνα, ο όρος «δευτέριο» προέρχεται από την ελληνική λέξη «δευτέρια», που σημαίνει «δεύτερο». Το 1931, ο Harold Urey έκανε την ανακάλυψη που οδήγησε στην ονομασία του δευτερίου. Ο Urey τιμήθηκε με το βραβείο Νόμπελ το 1934 «για την ανακάλυψη του βαρέος υδρογόνου», κάτι που κατέστη δυνατή με την ανακάλυψη του νετρονίου το 1932. Αυτό κατέστησε δυνατή την κατανόηση της πυρηνικής δομής του δευτερίου. Λίγο μετά την ανακάλυψη του δευτερίου, ο Urey και άλλοι παρήγαγαν δείγματα του λεγόμενου «βαρέος νερού», στο οποίο η ποσότητα του δευτερίου που υπήρχε είχε ενισχυθεί πολύ.

Σύμφωνα με την κβαντική φυσική, τα επίπεδα ενέργειας των ηλεκτρονίων στα άτομα εξαρτώνται από τη μειωμένη μάζα του συστήματος που αποτελείται από το ηλεκτρόνιο και τον πυρήνα. Για το άτομο υδρογόνου-δευτερίου, ο ρόλος της μειωμένης μάζας μπορεί να φανεί στην πιο ξεκάθαρη μορφή του στο μοντέλο Bohr του ατόμου. Η μειωμένη μάζα μπορεί να φανεί σε έναν απλό υπολογισμό της σταθεράς Rydberg και της εξίσωσης Rydberg σε αυτό το μοντέλο. Ωστόσο, η μειωμένη μάζα μπορεί επίσης να φανεί στις εξισώσεις Schrodinger και Dirac, οι οποίες χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό των επιπέδων ατομικής ενέργειας.

Χρήσεις δευτερίου

Στη φασματοσκοπία μαγνητικού συντονισμού, το νερό με χαμηλή περιεκτικότητα σε δευτέριο είναι απαραίτητο συστατικό.
Στους πυρηνικούς αντιδραστήρες, παίζει το ρόλο του συντονιστή.
Η χρήση του είναι ένας τρόπος για να εξακριβωθεί ο ρυθμός με τον οποίο το ανθρώπινο σώμα καίει καύσιμα για ενέργεια.
Ως το κύριο στοιχείο ιχνηθέτη, χρησιμοποιείται για την παρακολούθηση της διαδικασίας φωτοσύνθεσης στη ζωή των φυτών.
Η διατήρηση της ακεραιότητας του μαγνητικού πεδίου καθίσταται δυνατή με τη χρήση δευτερίου στη φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού.
Διαδραματίζει ρόλο στη διαδικασία προσδιορισμού του ισοτόπου μιας ποικιλίας διαφορετικών χημικών ενώσεων.
Με τη μορφή βαρέος νερού, χρησιμοποιείται στον τομέα της υπέρυθρης φασματοσκοπίας.
Το τρίτιο είναι ένα ουσιαστικό συστατικό της διαδικασίας πυρηνικής σύντηξης, το οποίο μπορεί να βρεθεί σε πολλές διαφορετικές μορφές. Το δευτέριο χρησιμοποιείται για τη διατήρηση του ελέγχου πάνω του.

Ιδιότητες δευτερίου

Τόσο το δευτέριο όσο και το τρίτιο μπορούν να σχηματίσουν χημικούς δεσμούς που είναι πολύ πιο σταθεροί από αυτούς που σχηματίζονται από το κανονικό υδρογόνο (Protium).
Το κανονικό υδρογόνο έχει τριπλό σημείο, σημείο βρασμού, σημείο εξάτμισης, θερμότητα σύντηξης και θερμότητα εξάτμισης που είναι χαμηλότερα από εκείνα του δευτερίου, τα οποία έχουν πολύ μεγαλύτερες τιμές.
Το αέριο δευτέριο δεν έχει καμία ευδιάκριτη απόχρωση. Όταν ιονίζεται, εκπέμπει ένα διακριτικό ροζ φως.
Λόγω του ισχυρότερου δεσμού, το βαρύ νερό έχει πυκνότητα περίπου 10,6 φορές μεγαλύτερη από το συμβατικό νερό (1,624 g/cm3). Ενώ το κανονικό νερό προκαλεί βύθιση του πάγου του βαρέος νερού, το ίδιο το βαρύ νερό κάνει τον κανονικό πάγο νερού να επιπλέει.
Επιπλέον, το βαρύ νερό έχει υψηλότερο ιξώδες σε σύγκριση με το κανονικό νερό. (12,6 μPa·s στ 300 Κ).
Το σύμβολο D μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αναπαράσταση του δευτερίου.
Το πρωτίου βρίσκεται σε πολύ μεγαλύτερες ποσότητες από το δευτέριο. Το ποσοστό του φυσικού υδρογόνου που αποτελεί είναι μόλις 0,0156 τοις εκατό.
Ο πυρήνας του δευτερίου ονομάζεται δευτερόνιο ή δευτερόνιο.
Το δευτέριο είναι ένα από τα πέντε μόνο σταθερά ισότοπα που περιέχουν περιττό αριθμό νετρονίων και περιττό αριθμό πρωτονίων. Τα άλλα τέσσερα είναι το υδρογόνο, το ήλιο, το νέο και το οξυγόνο. Στις περισσότερες περιπτώσεις, τα διπλά άτομα είναι ασταθή και παρουσιάζουν αποσύνθεση μέσω της διαδικασίας βήτα.
Υπάρχουν στοιχεία ότι το δευτέριο μπορεί να βρεθεί σε πλανήτες εκτός του ηλιακού μας συστήματος καθώς και μέσα σε άλλα αστέρια. Η συγκέντρωση του δευτερίου στους γίγαντες αερίων του ηλιακού συστήματος είναι συγκρίσιμη μεταξύ τους.
Η ποσότητα του φυσικού δευτερίου ποικίλλει σημαντικά ανάλογα με την πηγή του.
Το δευτέριο (όπως το Protium) γίνεται υγρό μέταλλο σε τεράστια πίεση.
Το αντιδετερόνιο, που αποτελείται από ένα αντιπρωτόνιο και ένα αντινετρόνιο, είναι το σωματίδιο αντιύλης που αντιστοιχεί σε ένα δευτερόνιο στο τυπικό μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής. Το δευτέριο αντιύλης αναφέρεται ως αντιδευτέριο και αποτελείται από ποζιτρόνια εκτός από ένα αντιδευτέριο.
Για να το θέσω διαφορετικά, το δευτέριο δεν έχει ραδιενεργές ιδιότητες.
Στον ωκεανό, η φυσική συγκέντρωση του δευτερίου είναι περίπου 156,25 μέρη ανά εκατομμύριο, που ισοδυναμεί με ένα άτομο για κάθε 6.400 άτομα υδρογόνου.
Για να το θέσω διαφορετικά, το 99,98 τοις εκατό του υδρογόνου στον ωκεανό είναι Protium. Αντίθετα, μόλις 0,0156 τοις εκατό είναι δευτέριο (ή 0,0312 τοις εκατό κατά μάζα).
Υπάρχει μια μικρή αλλά ευδιάκριτη διαφορά στη φυσική ποσότητα του δευτερίου στις διάφορες πηγές νερού.
Ο Harold Urey ήταν αυτός που ανακάλυψε το δευτέριο το 1931. Δημιούργησε πολλά δείγματα βαρέος νερού χρησιμοποιώντας τον πρόσφατα ανακαλυφθέν τύπο υδρογόνου. Το 1934, ο Urey τιμήθηκε με το Νόμπελ Χημείας.
Στις βιολογικές διεργασίες, το δευτέριο δρα με τρόπο διαφορετικό από αυτόν του κανονικού υδρογόνου. Για παράδειγμα, το να πίνετε λίγο βαρύ νερό ή νερό με χαμηλή περιεκτικότητα σε δευτερίου δεν θα σας σκοτώσει, αλλά η κατανάλωση σημαντικής ποσότητας μπορεί να έχει θανατηφόρες συνέπειες.

Τύποι οξειδίου του δευτερίου

Οι πιο συνηθισμένοι τύποι οξειδίου του δευτερίου, μερικές φορές γνωστοί ως βαρύ νερό, είναι οι εξής:

1. Νερό χαμηλού δευτερίουυ

Το HDO είναι η συντομογραφία για τον χημικό σχολιασμό αυτού του είδους βαρέος νερού. Περιλαμβάνει ένα πρωτόνιο, ένα άτομο δευτερίου και ένα άτομο οξυγόνου. Η δυναμική ισορροπία του νερού προκύπτει από το γεγονός ότι περιέχει ίση ποσότητα Πρωτίου και δευτερίου, τα οποία συμπεριφέρονται με τρόπο ανεξάρτητο το ένα από το άλλο.

2. Βαρύ Οξυγόνο Νερό

Επιπλέον, μπορούμε να το αναφέρουμε ως νερό με υψηλή πυκνότητα. Αυτό συμβαίνει γιατί έχει πολλά ισότοπα νερού, όπως 17O και 18O. Οι ραδιοιχνηλάτες και τα ραδιοφάρμακα είναι τυπικές εφαρμογές για αυτήν την ουσία.

3. Τριτιωμένο νερό

Το τρίτιο, που αντιπροσωπεύεται από το σύμβολο 3H, βρίσκεται στο νερό και όχι στο πρωτόνιο.

Συμπέρασμα

Οι χημικοί δεσμοί που σχηματίζονται από τα ισότοπα του υδρογόνου γνωστά ως δευτέριο και τρίτιο είναι πολύ ισχυρότεροι από αυτούς που σχηματίζονται από το Protium. Το γεγονός ότι είναι πιο δύσκολο να εξαχθεί άνθρακας από το δευτέριο είναι σχετικό με τον τομέα της φαρμακολογίας. Το βαρύ νερό έχει μεγαλύτερο ιξώδες σε σύγκριση με το κανονικό νερό. Έχει πυκνότητα 10,6 φορές μεγαλύτερη από αυτή του κανονικού νερού. Η περιεκτικότητα σε δευτέριο των πλανητών στα πιο απομακρυσμένα σημεία του ηλιακού συστήματος είναι συγκρίσιμη. Είναι γενικά αποδεκτό ότι το μεγαλύτερο μέρος του δευτερίου που υπάρχει σήμερα δημιουργήθηκε κατά τη διαδικασία της νουκλεοσύνθεσης κατά τη διάρκεια της Μεγάλης Έκρηξης. Υπάρχει μόνο ένα ίχνος δευτερίου που βρέθηκε στον Ήλιο και σε άλλα αστέρια. Τα αστέρια καταναλώνουν το δευτέριο με ρυθμό μεγαλύτερο από τον ρυθμό με τον οποίο μπορεί να το δημιουργήσει η διαδικασία πρωτονίου-πρωτονίου.

Συχνές ερωτήσεις

1. Μπορείτε να πιείτε βαρύ νερό;

Το βαρύ νερό συνδέεται πάντα με οτιδήποτε είναι επιβλαβές για την ανθρώπινη υγεία και επικίνδυνο για το περιβάλλον, όπως πυρηνικούς αντιδραστήρες και άλλα ραδιενεργά στοιχεία, κάτι που είναι ευρέως αναγνωρισμένο. Από την άλλη πλευρά, η ραδιενέργεια και η τοξικότητα δεν είναι ζητήματα στο καθαρό βαρύ νερό αφού το βαρύ νερό δεν είναι ραδιενεργό. Οι άνθρωποι μπορούν να καταναλώνουν καθαρό βαρύ νερό, αλλά μόνο σε περιορισμένες ποσότητες. Ας υποθέσουμε ότι μια σημαντική ποσότητα αυτού του νερού πίνεται για μια παρατεταμένη περίοδο. Σε αυτή την περίπτωση, έχει τη δυνατότητα να προκαλέσει βλάβη στο ανθρώπινο σώμα. Η κατάποση σημαντικών όγκων βαρέος νερού μπορεί να οδηγήσει σε δηλητηρίαση, η οποία μπορεί να εκδηλωθεί με συμπτώματα όπως ζάλη και πτώση της αρτηριακής πίεσης.

2. Είναι το Protium ισότοπο υδρογόνου;

Το ισότοπο του υδρογόνου που βρίσκεται στη μεγαλύτερη αφθονία ονομάζεται πρωτόνιο. Είναι υπεύθυνο για περισσότερο από το 99,98 τοις εκατό του συνόλου των υδρογόνων στον κόσμο. Το Protium πήρε το όνομά του επειδή ο πυρήνας του περιέχει ακριβώς ένα πρωτόνιο. Το Protium έχει μάζα 1,00782504(7) u στην ατομική κλίμακα.

3. Ποια είναι η ατομική μάζα του δευτερίου;

Έχει προσδιοριστεί ότι το δευτέριο έχει ατομική μάζα 2,014 amu.