ธาตุทั้งหมดมีอะตอมเป็นหน่วยพื้นฐาน และอะตอมประกอบด้วยอนุภาคพื้นฐานสามตัว ได้แก่ อิเล็กตรอนที่มีประจุลบ โปรตอนที่มีประจุบวก และนิวตรอนของอนุภาคที่เป็นกลาง จำนวนโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียสเรียกว่าจำนวนองค์ประกอบและจำนวนโปรตอนเรียกว่าเลขอะตอม ธาตุเดียวกันกับที่อะตอมมีจำนวนโปรตอนเท่ากัน แต่จำนวนนิวตรอนต่างกันเรียกว่าไอโซโทป ตัวอย่างคือไฮโดรเจนซึ่งมีสามไอโซโทป นี่คือไฮโดรเจนที่มีนิวตรอนเป็นศูนย์ ดิวเทอเรียมที่มีหนึ่งนิวตรอน และทริเทียม - ประกอบด้วยสองนิวตรอน บทความนี้จะเน้นที่ไอโซโทปของไฮโดรเจนที่เรียกว่าดิวเทอเรียมหรือที่เรียกว่าไฮโดรเจนหนัก
ดิวเทอเรียมคืออะไร
ดิวเทอเรียมเป็นไอโซโทปของไฮโดรเจนที่แตกต่างจากไฮโดรเจนโดยหนึ่งนิวตรอน โดยปกติ ไฮโดรเจนจะมีโปรตอนเพียงตัวเดียว ในขณะที่ดิวเทอเรียมมีหนึ่งโปรตอนและหนึ่งนิวตรอน ใช้กันอย่างแพร่หลายในปฏิกิริยาดิวิชั่น
ดิวเทอเรียม (สัญลักษณ์ทางเคมี D หรือ ²H) เป็นไอโซโทปที่เสถียรของไฮโดรเจนที่พบในธรรมชาติในปริมาณที่น้อยมาก นิวเคลียสของดิวเทอเรียมที่เรียกว่าดิวเทอรอนประกอบด้วยโปรตอนหนึ่งตัวและนิวตรอนหนึ่งตัว ในขณะที่นิวเคลียสของไฮโดรเจนที่พบได้บ่อยกว่านั้นมีโปรตอนเพียงตัวเดียวและไม่มีนิวตรอน ดังนั้น อะตอมของดิวเทอเรียมแต่ละอะตอมจึงมีมวลประมาณสองเท่าของอะตอมไฮโดรเจนธรรมดา และดิวเทอเรียมเรียกอีกอย่างว่าไฮโดรเจนหนัก น้ำที่อะตอมไฮโดรเจนธรรมดาถูกแทนที่ด้วยอะตอมดิวเทอเรียมเรียกว่าน้ำหนัก
คุณสมบัติหลัก
มวลไอโซโทปของดิวเทอเรียม - 2, 014102 หน่วย. ดิวเทอเรียมมีครึ่งชีวิตที่เสถียรเพราะเป็นไอโซโทปที่เสถียร
พลังงานส่วนเกินของดิวเทอเรียมคือ 13,135.720 ± 0.001 keV พลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียสดิวเทอเรียมคือ 2224.52 ± 0.20 keV ดิวเทอเรียมรวมกับออกซิเจนเพื่อสร้าง D2O (2H2O) หรือที่เรียกว่าน้ำหนัก ดิวเทอเรียมไม่ใช่ไอโซโทปกัมมันตภาพรังสี
ดิวเทอเรียมไม่เป็นอันตรายต่อสุขภาพ แต่ใช้สร้างอาวุธนิวเคลียร์ได้ ดิวเทอเรียมไม่ได้ถูกผลิตขึ้นโดยธรรมชาติ เนื่องจากมีน้ำทะเลอุดมสมบูรณ์ตามธรรมชาติ และสามารถให้บริการผู้คนได้หลายชั่วอายุคน สกัดจากมหาสมุทรโดยใช้กระบวนการหมุนเหวี่ยง
ไฮโดรเจนหนัก
ไฮโดรเจนหนักเป็นชื่อของไอโซโทปที่สูงกว่าของไฮโดรเจน เช่น ดิวเทอเรียมและทริเทียม แต่บ่อยครั้งที่ใช้สำหรับดิวเทอเรียม มวลอะตอมของมันคือประมาณ 2 และนิวเคลียสประกอบด้วย 1 โปรตอนและ 1 นิวตรอน ดังนั้นมวลของมันคือสองเท่าของไฮโดรเจนปกติ นิวตรอนส่วนเกินในดิวเทอเรียมทำให้มันหนักกว่าไฮโดรเจนทั่วไป จึงเป็นสาเหตุที่เรียกว่าไฮโดรเจนหนัก
Harold Urey ค้นพบไฮโดรเจนหนักในปี 1931 การค้นพบนี้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีในปี 1934 Urey ทำนายความแตกต่างระหว่างความดันไอของโมเลกุลไฮโดรเจน (H2) กับโมเลกุลที่สอดคล้องกันที่มีอะตอมของไฮโดรเจนหนึ่งอะตอมแทนที่ด้วยดิวเทอเรียม (HD) และด้วยเหตุนี้จึงมีความเป็นไปได้ที่จะแยกสารเหล่านี้ออกโดยการกลั่นไฮโดรเจนเหลว พบดิวเทอเรียมในสารตกค้างจากการกลั่นไฮโดรเจนเหลว มันถูกจัดทำขึ้นในรูปแบบบริสุทธิ์โดย G. N. ลูอิสโดยใช้วิธีความเข้มข้นด้วยไฟฟ้า เมื่อน้ำถูกทำให้เป็นไฟฟ้า จะเกิดก๊าซไฮโดรเจนขึ้น ซึ่งมีดิวเทอเรียมอยู่เล็กน้อย ดังนั้นดิวเทอเรียมจึงรวมตัวอยู่ในน้ำ เมื่อปริมาณน้ำลดลงเหลือประมาณหนึ่งแสนในปริมาตรเดิมโดยอิเล็กโทรลิซิสต่อเนื่อง จะมีการจัดเตรียมดิวเทอเรียมออกไซด์ที่เกือบบริสุทธิ์หรือที่เรียกว่าน้ำหนักไว้ วิธีการเตรียมน้ำหนักนี้ใช้ในช่วงสงครามโลกครั้งที่สอง
นิรุกติศาสตร์และสัญลักษณ์เคมี
ชื่อ "ดิวเทอเรียม" มาจากคำภาษากรีก ดิวเทอรอส ซึ่งแปลว่า "ที่สอง" นี่แสดงว่าด้วยนิวเคลียสของอะตอมที่ประกอบด้วยสองอนุภาค ดิวเทอเรียมเป็นไอโซโทปที่สองรองจากไฮโดรเจนธรรมดา (หรือเบา)
ดิวเทอเรียมมักเขียนแทนด้วยสารเคมีสัญลักษณ์ D. ในฐานะที่เป็นไอโซโทปของไฮโดรเจนที่มีเลขมวล 2 ก็จะแสดงเป็น H ด้วย สูตรสำหรับดิวเทอเรียมคือ 2H International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) อนุญาตทั้ง D และ H แม้ว่า H จะเป็นที่ต้องการมากกว่า
วิธีเอาดิวเทอเรียมจากน้ำ
วิธีการดั้งเดิมในการทำให้ดิวเทอเรียมเข้มข้นในน้ำใช้การแลกเปลี่ยนไอโซโทปในก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์ แม้ว่าจะมีการพัฒนาวิธีการที่ดีกว่านี้ การแยกไอโซโทปของไฮโดรเจนที่แตกต่างกันสามารถทำได้โดยใช้แก๊สโครมาโตกราฟีและการกลั่นด้วยความเย็น ซึ่งใช้คุณสมบัติทางกายภาพที่แตกต่างกันในการแยกไอโซโทป
น้ำดิวเทอเรียม
น้ำดิวเทอเรียมหรือที่เรียกกันว่าน้ำหนัก คล้ายกับน้ำธรรมดา มันเกิดขึ้นจากการรวมกันของดิวเทอเรียมและออกซิเจนและถูกกำหนดให้เป็น 2H2O น้ำดิวเทอเรียมมีความหนืดมากกว่าน้ำปกติ น้ำที่มีน้ำหนักมากมีความหนาแน่นมากกว่าน้ำธรรมดาถึง 10.6% ดังนั้นน้ำแข็งของน้ำที่มีน้ำหนักมากจึงจมลงในน้ำธรรมดา สำหรับสัตว์บางชนิด น้ำดิวเทอเรียมเป็นพิษ ในขณะที่บางชนิดสามารถอยู่รอดได้ในน้ำที่มีน้ำหนักมาก แต่จะพัฒนาได้ช้ากว่าในน้ำปกติ น้ำดิวเทอเรียมไม่มีกัมมันตภาพรังสี ร่างกายมนุษย์มีดิวเทอเรียมประมาณ 5 กรัมและไม่เป็นอันตราย หากน้ำหนักเข้าสู่ร่างกายในปริมาณมาก (เช่น น้ำในร่างกายประมาณ 50% จะมีน้ำหนักมาก) อาจทำให้เซลล์ทำงานผิดปกติและเสียชีวิตได้ในที่สุด
ความแตกต่างในน้ำหนัก:
- จุดเยือกแข็ง 3.82°C.
- อุณหภูมิจุดเดือดคือ 101.4 °C
- ความหนาแน่นของน้ำหนักคือ 1.1056 g/mL (น้ำปกติ 0.9982 g/mL)
- pH ของน้ำหนักคือ 7.43 (น้ำปกติคือ 6.9996)
- รสชาติและกลิ่นต่างกันเล็กน้อยระหว่างน้ำเปล่ากับน้ำกระด้าง
การใช้ดิวเทอเรียม
นักวิทยาศาสตร์ได้พัฒนาการใช้ดิวเทอเรียมและสารประกอบหลายอย่าง ตัวอย่างเช่น ดิวเทอเรียมเป็นตัวติดตามไอโซโทปที่ไม่มีกัมมันตภาพรังสีสำหรับศึกษาปฏิกิริยาเคมีและวิถีการเผาผลาญ นอกจากนี้ยังเป็นประโยชน์ในการศึกษาโมเลกุลขนาดใหญ่โดยใช้การกระเจิงของนิวตรอน ตัวทำละลายดิวเทอเรต (เช่น น้ำหนัก) มักใช้ในสเปกโตรสโคปีของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านิวเคลียร์ (NMR) เนื่องจากตัวทำละลายเหล่านี้ไม่ส่งผลต่อสเปกตรัม NMR ของสารประกอบภายใต้การศึกษา สารประกอบดิวเทอเรตยังมีประโยชน์สำหรับเฟมโตวินาทีอินฟราเรดสเปกโทรสโกปี ดิวเทอเรียมยังเป็นเชื้อเพลิงสำหรับปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน ซึ่งสักวันหนึ่งสามารถนำมาใช้เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าในระดับอุตสาหกรรมได้
