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氘
氫的同位素
基本信息
| 中文名 | 氘 |
| 外文名 | deuterium |
| 別名 | 重氫 |
| 化學(xué)式 | D或2H |
| 分子量 | 4.032 |
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元素性質(zhì)
簡介
氘（deuterium）為氫的一種穩(wěn)定形態(tài)同位素，也被稱為重氫，元素符號一般為D或2H。它的原子核由一顆質(zhì)子和一顆中子組成。在大自然的含量約為一般氫的7000分之一。
主要用途
氘
理化性質(zhì)
【三相點】-254.4℃；
【氣液容積比】（15℃，100kPa）：974L/L；
壓強（kPa）
100
1000
5000
10000；
溫度（℃）
15
50
1.0087
1.0008
1.0060
1.0057
1.0296
1.0296
1.0600
1.0555；
【臨界溫度】：-234.8℃；
【臨界密度】66.8g/cm3；
【溶化熱】（-254.5℃）（平衡態(tài)）：48.84kJ/kg；
【氣化熱】ΔHv（-249.5℃）：305kJ/kg；
【比熱容】（101.335kPa，25℃，氣體）：Cp=7.243kJ/（kg·℃），Cv=5.178kJ/（kg·℃）；
【蒸氣壓強】
（正常態(tài)，17.703）：10.67kPa；
（正常態(tài)，21.621）：53.33kPa；
（正常態(tài)，24.249K）： 119.99kPa；
【粘度】
（氣體，正常態(tài)，101.325kPa，0℃）：0.010lmPa·S；
（液體，平衡態(tài)，-252.8℃）：0.040mPa·s；
【表面張力】（平衡態(tài)，-252.8℃）：3.72mN/m；
（氣體101.325kPa，0℃）：0.1289w/（m·K）；
（液體，-252.8℃）：1264W/（m·K）；
【折射系數(shù)】nv（101.325kPa，25℃）：1.0001265；
【空氣中的燃燒界限】5%～75%（體積）；
【易燃性級別】4；
【毒性級別】0；
【易爆性級別】1；重氫在常溫常壓下為無色無嗅無毒可燃性氣體，是普通氫的一種穩(wěn)定同位素。它在通常水的氫中含0.0139%～0.0157%。其化學(xué)性質(zhì)與普通氫完全相同，但因質(zhì)量大，反應(yīng)速度小一些。
氘無毒，有窒息性。重氫有易燃易爆性，所以對此須引起足夠的重視。瓶裝氣體產(chǎn)品為高壓充裝氣體，使用時應(yīng)經(jīng)減壓降壓后方可使用。包裝的氣瓶上均有使用的年限，凡到期的氣瓶必須送往有部門進行安全檢驗，方能繼續(xù)使用。每瓶氣體在使用到尾氣時，應(yīng)保留瓶內(nèi)余壓在0.5MPa，最小不得低于0.25MPa余壓，應(yīng)將瓶閥關(guān)閉，以保證氣體質(zhì)量和使用安全。瓶裝氣體產(chǎn)品在運輸儲存、使用時都應(yīng)分類堆放，嚴禁可燃氣體與助燃氣體堆放在一起，不準靠近明火和熱源，應(yīng)做到勿近火、勿沾油臘、勿爆曬、勿重拋、勿撞擊，嚴禁在氣瓶身上進行引弧或電弧，嚴禁野蠻裝卸。
發(fā)現(xiàn)歷史
就在查德威克宣布發(fā)現(xiàn)中子的論文送交《自然》雜志的第二天，美國的《物理學(xué)報》收到了美國哥倫比亞大學(xué)教授尤里（H.C.Urey，1893-1981）等的一篇重要文章，報告說已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量為2的氫的同位素氘。
1931年底，美國科學(xué)家哈羅德·克萊頓·尤里（Harold Clayton Urey）在蒸發(fā)了大量液體氫之后，利用光譜檢測的方法發(fā)現(xiàn)了重氫（氘，D）。尤里因此在1934年獲得諾貝爾化學(xué)獎。
根據(jù)尤里的建議，重氫被命名為“Deuterium”，在希臘語中是“第二”的意思。
制備方法
電解重水法
氘主要的化合物為重水（D2O），氣態(tài)氘可用鈉或赤熱的鐵分解重水，或在碳酸鈉存在時電解重水獲得，重水電解是制取氘的主要方法。重水電解制氘原理與電解水制氫原理完全相同，在陰極上產(chǎn)生氘氣，在陽極上產(chǎn)生氧氣，但其使用固體電解質(zhì)-磺酸基團結(jié)合在聚四氟乙烯上，導(dǎo)電介質(zhì)是水合氘離子（D?D2O），而磺酸基是不移動的。
液氫精餾法
氘在天然氫中的含量為0.0139%~0.0156%，D2的沸點為23.5K，H2為20.38K，HD（氘化氫）的沸點為22.13K。由精餾液氫來制取氘氣，理論上是完全可能的。在低溫精餾時首先濃縮的是HD，HD必須經(jīng)催化劑轉(zhuǎn)化為D2，HD、H2的平衡混合后才能繼續(xù)精餾濃縮。低溫精餾分離氫同位素的流程主要有4種，即四塔流程、三塔流程、二塔流程及帶有側(cè)線返回進料平衡裝置的二塔流程。
純化技術(shù)
雜質(zhì)氮氣的脫除，雜質(zhì)氮氣主要來源是空氣在重水中有一定的溶解度以及系統(tǒng)的污染滲透，降低氮氣含量需要做好系統(tǒng)的密封性，同時也可利用活性炭、硅膠或分子篩等吸附劑在低溫情況下吸附使氮氣降低。
雜質(zhì)氧氣的脫除，雜質(zhì)氧氣主要來源于電解水分解的氧，同時也有管路系統(tǒng)的滲透而引入的氧，利用脫氧催化劑進行雜質(zhì)氧的脫除。
雜質(zhì)HD的脫除，電解重水制取的氘氣中含量最大的雜質(zhì)是HD，HD的去除可采用熱循環(huán)吸附工藝（TCAP），該方法使用的工作介質(zhì)是Pd-Al2O3，HD含量也可利用活性氧化鋁、分子篩等在催化劑作用下通過低溫吸附分離來降低。
雜質(zhì)H2的脫除，氘中雜質(zhì)H2的去除可采用鈀膜或金屬氫化物法，特別是對于重水電解所得氘氣的凈化非常合適。氫和氘在金屬中都以原子狀態(tài)存在，氫在金屬中的吸附力大于氘，氫雜質(zhì)優(yōu)先牢固吸附在金屬中形成氫化物，由此氘中氫就被除去，高純氘流出。經(jīng)過一定的時間再將氫化物進行加溫、真空脫附等措施，從而獲得高純氘。
應(yīng)用
從“進口”上說，可控核聚變所需的反應(yīng)原料（氘原子和氚原子），在地球上非常豐富。氘在海水中儲量極大，熱核聚變實驗堆一旦研究成功，就能利用海水發(fā)電，一升海水中提取的氘經(jīng)過聚變反應(yīng)釋放的能量相當于300升石油。而氚可通過中子與鋰反應(yīng)生成，在地殼和海水中，鋰都是大量存在的。
包裝與儲運
氘氣屬是有窒息性和易燃易爆性的氣體，一般采用帶有CGA350閥門的40L專用鋼瓶包裝。包裝的氣瓶上均有使用的年限，凡到期的氣瓶必須送往有部門進行安全檢驗，方能繼續(xù)使用。氘氣瓶裝氣體產(chǎn)品為高壓充裝氣體，使用時應(yīng)經(jīng)減壓降壓后方可使用。每瓶氣體在使用到尾氣時，應(yīng)保留瓶內(nèi)余壓在0.5 MPa，最小不得低于0.25 MPa余壓，并將瓶閥關(guān)閉，以保證氣體質(zhì)量和使用安全。
氘氣瓶裝氣體產(chǎn)品在運輸儲存、使用時都應(yīng)分類堆放，應(yīng)貯存于陰涼、通風(fēng)場所，溫度不宜超過30 ℃，場所需配置相應(yīng)品種和數(shù)量的消防器材。嚴禁可燃氣體與助燃氣體堆放在一起，不準靠近明火和熱源，應(yīng)做到勿近火、勿沾油蠟、勿暴曬、勿重拋、勿撞擊，嚴禁在氣瓶身上進行引弧或電弧，嚴禁野蠻裝卸。搬運時輕裝輕卸，防止氣瓶及附件破損。
反氘介紹
發(fā)現(xiàn)者
同位素這個名詞的西文isotope是英國人索迪（F.Soddy，1877-1956）于1911年開始使用的。后來，另一位英國人阿斯頓（F.W.Aston，1877-1945）在1919年制成了質(zhì)譜儀，可以用來分離不同質(zhì)量的粒子，并且測定它們的質(zhì)量。這就把研究同位素的方法提高了一大步。阿斯頓先后利用質(zhì)譜儀發(fā)現(xiàn)了很多元素的同位素，他在71種元素之中，陸續(xù)找到了202種同位素之多，這為我們認識同位素，開始積累了大量資料。
最引人關(guān)注的是，氫有沒有同位素的問題。為了尋找氫的同位素，人們前后用了十幾年的時間，而沒有得出肯定的結(jié)果。1931年初，有人從理論上推導(dǎo)，認為應(yīng)該有質(zhì)量數(shù)為2的氫同位素存在，并且估算出2H：1H=1：4500的比例。1931年年底，美國哥倫比亞大學(xué)的尤里教授和他的助手們，把四升液態(tài)氫在三相點14°K下緩慢蒸發(fā)，最后只剩下幾立方毫米液氫，然后用光譜分析。結(jié)果在氫原子光譜的譜線中，得到一些新譜線，它們的位置正好與預(yù)期的質(zhì)量為2的氫譜線一致，從而發(fā)現(xiàn)了重氫。尤里對它定了一個專門名，稱“deuterium”（中文譯為“氘”，符號“D”）。后來英、美的科學(xué)家們又發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量為3的“tritium”（中文譯為“氚”，符號“T”），是具有放射性的另一重要氫同位素。
氘的發(fā)現(xiàn)是科學(xué)界在二十世紀三十年代初的一件大事。尤里因此在1934年榮獲了諾貝爾化學(xué)獎金。他的聲譽從此飛躍，可是他并未停止不前，后來還繼續(xù)完成了很多重要研究工作。現(xiàn)在最常見的是氧化氘（又名重水），它的主要特性：氧化氘最大密度的溫度是11.22℃（普通水是4.08℃），熔點是3.82℃，沸點是101.42℃，這些特性與普通水都大不相同。重水易于用電解水而取得，所以電費低廉的北歐能大量生產(chǎn)。后來重水成為制造氫彈的重要材料之一。
以上簡單地敘述了一下氘和重水，是想由此引起人們對這位化學(xué)家尤里的重視。他是去年一月六日才以八十六歲的高齡病故的。下面(此文發(fā)表于1982年—編者注)扼要地介紹他的生平和業(yè)績，表示我們對他的敬念。哈羅德·克萊頓·尤里（HaroldClaytonUrey）于1893年4月29日生在美國西北部印第安納州的一個農(nóng)民家庭里。中學(xué)畢業(yè)之后，他先在一個農(nóng)村的小學(xué)里教了三年書。后來才進了蒙大拿州立大學(xué)，他當時的主修課是生物學(xué)，以化學(xué)作為副系。可是他一生的主要成就，卻由副系化學(xué)提供了基礎(chǔ)。他畢業(yè)后得到了獎學(xué)金，從1921年到1923年在美國加州大學(xué)進修。成績優(yōu)異，三十歲時，取得了博士學(xué)位。1923年他又得了出國進修的獎學(xué)金，去丹麥跟波爾教授專門研究原子結(jié)構(gòu)理論。尤里回國以后，先在約翰·霍普金斯大學(xué)擔(dān)任講師。1929年到哥倫比亞大學(xué)擔(dān)任化學(xué)系副教授，他在這里和別人合作，寫了一本專著，書名是《原子、分子和量子》（Atoms、MoleculesandQuanta）。這是用英文寫的關(guān)于量子力學(xué)的名著之一。這說明了尤里對于量子力學(xué)和熱力學(xué)，以及核結(jié)構(gòu)的成就，本來早已經(jīng)達到相當高的水平了。在這期間，他用光譜法發(fā)現(xiàn)了驚人的氫同位素之一，氘。尤里從此以后，成為同位素化學(xué)方面公認的權(quán)威。經(jīng)過他的研究，使同位素的分離開始有了化學(xué)方法。由于這種方法的成功，很多同位素才成為化學(xué)的、生物學(xué)的、地質(zhì)學(xué)等方面的示蹤物。在二次世界大戰(zhàn)時，他利用同位素化學(xué)的豐富知識對最后戰(zhàn)勝日本起了重大的作用。過去同位素的分離，只是在極小的范圍內(nèi)，用實驗室的規(guī)模進行的。二次大戰(zhàn)期間，尤里領(lǐng)導(dǎo)了一批助手，使重水分離和鈾同位素的大規(guī)模分離，這一技術(shù)方面的成功，便使第一批原子彈的生產(chǎn)成為可能。戰(zhàn)后，尤里接受了芝加哥大學(xué)的聘請，擔(dān)任教授。在這里，他發(fā)表了一篇極重要的論文，這篇論文的題目是《同位素物質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)》。此后，尤里利用了高度精確的質(zhì)譜儀，來檢驗地質(zhì)和海洋中的氧同位素的百分比。由于這項技術(shù)的成功，他能相當準確地計算出七千萬年前海洋的溫度。
他在1952年發(fā)表了宇宙間元素豐度的數(shù)據(jù)，發(fā)展了元素起源和宇宙學(xué)理論。地的專著《行星：其起源和發(fā)展》（ThePlanets：TheirOriginandDevelopment）一書中，從化學(xué)過程來討論太陽系演化的學(xué)說，指出行星是由圍繞在原始太陽周圍的塵埃聚集成的。地球的原始大氣應(yīng)當和現(xiàn)在的木星大氣相似，主要由甲烷、氨和氫所組成。地球現(xiàn)在的大氣是經(jīng)幾個長期階段的變化形成的。1953年尤里和學(xué)生米勒（StanleyL.Miller）設(shè)計了一套儀器，模擬原始地球大氣的成份和條件，在甲烷、氨、氫和水蒸氣混合物中，連續(xù)進行了一星期的火花放電后，形成了十多種氨基酸。這說明了原始大氣產(chǎn)生蛋白質(zhì)的可能。這為研究生命起源問題開展了重要途徑。1968年他六十五歲時，被加州大學(xué)聘為海洋研究所的高級研究員，他又提出了太陽系由隕石形成的理論，并認為在別的行星上也可能產(chǎn)生生命。尤里還是研究月球表面的專家。阿波羅登月取回月巖的樣品，就是由尤里主持參加研究的。在海盜號火箭探索火星計劃中，尤里又擔(dān)任重要顧問。尤里在四十一歲時榮獲諾貝爾化學(xué)獎外，他還先后得到各國政府、學(xué)術(shù)團體和科學(xué)組織授予的三十多種獎?wù)潞酮勂?，美國一些大學(xué)授給他十六個榮譽博士學(xué)位，其他國家的大學(xué)也曾授予他九個榮譽學(xué)位。這說明了世界上學(xué)術(shù)界對他的科學(xué)成就之重視。在尤里一生的最后十年中，他把很多精力放在反對原子武器的破壞作用上。他早就認為美國不可能獨占核武器，他主張美國和蘇聯(lián)都應(yīng)當減少原子武器，使世界長期和平可能達到。他在臨終之前，還一再強調(diào)，原子能只能用于和平目的。他多年來所做的大量公開講演講和文字呼吁，曾經(jīng)得到美國好些知識分子的同情，盡管有人不同意尤里的一些觀點，但沒有人懷疑，他的主張是真誠的和發(fā)自內(nèi)心的。哈羅德。尤里的業(yè)績將永垂于化學(xué)史上。
危害人體
如果把氘（或者說重水）說成是有毒物質(zhì)是完全錯誤的。這就好像空氣一樣，空氣中約4/5是氮氣，這對生物是沒有任何危害的。如果空氣中氮氣比例過高，人就會窒息而亡，但這并不說明氮氣是有毒氣體。同樣道理，普通水中含有微量的重水，這對生命并沒有影響，當重水含量很高時，人體會受到傷害，而這也并不說明氘是有毒物質(zhì)。
研究發(fā)現(xiàn)
2022年12月27日，據(jù)環(huán)球網(wǎng)消息，日本東京大學(xué)、新潟大學(xué)等機構(gòu)研究人員在新一期美國《天體物理學(xué)雜志》上發(fā)表論文說，他們分析日本紅外天文衛(wèi)星ASTRO-F的觀測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在低溫環(huán)境下形成含氮分子的過程中，紫外線發(fā)揮著重要作用，并獲得了氘隱藏于星際空間有機物中的觀測證據(jù)。這將幫助人類解開宇宙物質(zhì)進化之謎。
參考資料
[1]
日本研究發(fā)現(xiàn)宇宙中氘元素的藏身之處 · 今日頭條-環(huán)球網(wǎng)[引用日期2022-12-27]
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