дейтерий

ДЕЙТЕРИЙ (тяжелый водород) (от греч. deuteros — второй) D

стабильный изотоп водорода с мас. ч. 2, ат. м. 2,01416219. Ядро атома Д. — дейтрон состоит из одного протона и одного нейтрона, энергия связи между ними 2,23 МэВ. Поперечное сечение ядерной реакции (n,γ) 53∙10⁻³³ м², поперечное сечение захвата тепловых нейтронов дейтронами 15∙10⁻³² м² (для протонов 3∙10⁻²⁹м²). Молекула двухатомна, длина связи 0,07417 нм; осн. частота колебаний атомов 3118,46 см⁻¹; энергия диссоциации 440 кДж/моль, константа диссоциации К = p²_D/p_D2 = 4,173∙10⁻⁷³ (293,15 К). С др. изотопами водорода Д. образует молекулы протодейтерия HD (мол. м. 3,02205) и дейтеротрития DT (мол. м. 5,03034). В прибрежной морской воде соотношение D/(D + Н) составляет (155–156)∙10⁻⁶, в поверхностных водах — (132–151)∙10⁻⁶, в прир. газе — (110–134)∙10⁻⁶.

Свойства. Коэф. сжимаемости Д. (pV/RT) при 273,15 К: 1,0121 (2,0266 МПа), 1,0624(10,133 МПа), 1,130(20,266 МПа). C⁰ [в Дж/(моль∙К)]: 20,81 (20 К), 30,11 (100 К), 29,30 (298 К); теплопроводность 0,135 Вт/(м∙К) (25 К); η 1,23∙10⁻² мПа∙с (293,15 К). Д. раств. в жидкостях (напр., в бензоле, толуоле, октане, гептане, CCl₄, CS₂) лучше, чем H₂, причем это различие возрастает с понижением температуры. Молекула D₂ может находиться в орто- и пара-состояниях. Ортодейтерий (o-D₂) имеет параллельную (одного знака) ориентацию ядерных спинов, а парадейтерий (п-D₂) — антипараллельную. Это обусловливает некоторое различие магн., оптич. и термич. свойств разл. модификаций. При обычных условиях D₂ (нормальный Д., н-D₂) представляет собой смесь ²/₃ орто- и ¹/₃ пара-модификаций, которые могут взаимно превращаться друг в друга (орто-пара-превращение). Каждой данной температуре соответствует определенный равновесный состав (равновесный Д., p-D₂). Так, доля п-D₂ составляет: 0,333 (при 300 К), 0,251 (60 К), 0,148 (40 К), 0,019 (20 К). При низких температурах термодинамически стабилен o-D₂. Самопроизвольное орто-пара-превращение при низких температурах происходит очень медленно, что позволяет получить жидкий Д., близкий по составу к нормальному. Орто-пара-превращение ускоряется в присутствии катализаторов (соед. Fe, Cr, Со, Mn, РЗЭ). Свойства Д. приведены в табл. 1 и 2.

Уравнение температурной зависимости давления пара над твердым и жидким Д.: lg 0,0075p (Па) = А — В/Т + СT (значения А, В и С приведены в табл. 3).

Теплота испарения o-D₂ (в Дж/моль): 1202,9 (24,25 К), 1029,5 (30,53 К). Твердый D₂ имеет тетрагон, объемноцентрированную решетку, а = 0,338 нм, с = 0,560 нм; т. пл. 18,73 К. H₂ и D₂ не изоморфны, обнаружена их ограниченная взаимная растворимость в твердом состоянии. При 4,2 К предельная растворимость D₂ в H₂ ок. 10% по объему, а растворимость H₂ в D₂ 21%. По химическим свойствам D₂ аналогичен H₂, однако скорость реакций при замещении Н на D заметно уменьшается, напр., при окислении орг. соед., взаимод. H₂ с Cl₂ — в 5–10 раз. При электролизе воды D₂ выделяется медленнее, чем H₂. Важное практич. значение имеют реакции изотопного обмена Д. Константа равновесия реакции H₂ + D₂ ⇄ 2HD составляет: 1,345 (50 К), 2,903 (200 К), 3,44 (373,15 К), 3,80 (700 К). Осуществляют ее в присутствии катализатора (Pt, Ni, РЗЭ). Для реакции НDO_(ж) + D_2(г) ⇄ D₂O_(ж) + HD_(г) (где ж — жидкость, г — газ) константа равновесия: 3,96 (223,15 К), 2,92 (323,15 К), 2,40 (373,15 К). Для реакции H₂O_(ж) + HD ⇄ НDO_(ж) + H_2(г) константа равновесия: 4,69 (223,15 К), 3,37 (323,15 К), 2,69 (373,15 К). Изотопный обмен между водой и D₂ или HD может протекать в паровой фазе в присутствии катализаторов (напр., Ni) или в жидкой под давлением (из-за плохой растворимости изотопов водорода в воде) в присутствии катализаторов (в т. ч. гидрофобных) в гомог. или гетерог. системе. Некоторые реакции изотопного обмена Н протекают очень быстро, напр., в группах OH (щелочи, спирты) и NH (NH₃, амины). Важнейшие соед. Д.- тяжелая вода D₂O. Дейтериды соед., аналогичные гидридам. Большое практич. значение имеет дейтерид лития ⁶LiD — осн. компонент заряда термоядерного (водородного) оружия. Для аналит. определения Д. применяют масс-спектрометрич., спектральные, хроматографич., а также денсиметрические (путем измерения плотности) методы изотопного анализа.

Получение. Д. выделяют гл. обр. из тяжелой воды, напр., электролизом, реакцией с металлами. Д. получают также низкотемпературной ректификацией из электролитич. водорода или азотоводородной смеси для синтеза NH₃ (водород которой содержит 250–300 м. д. HD). Исходный водород или азото-водородную смесь после тщательной очистки от примесей (O₂ до 10⁻⁹ мольных долей, остальные газы — до 10⁻⁷–10⁻⁸ мольных долей) сжижают и двухступенчатой ректификацией при 22–24 К выделяют конц. HD. Последний в присутствии катализатора превращается в смесь H₂ + D₂ + HD, из которой низкотемпературной ректификацией получают 99,8%-ный D₂. Сжиганием с воздухом или O₂ последний переводят в тяжелую воду.

Применение. Д. (в виде D₂O) — замедлитель нейтронов в ядерных реакторах. Дейтроны, обычно получаемые путем ионизации атомов Д., используются в качестве бомбардирующих частиц в ядерных реакциях, в частности для получения быстрых нейтронов. Д. применяется также как изотопный индикатор в научных исследованиях в химии, биологии, физиологии, агрохимии и др. (в т. ч. в опытах с живыми организмами и при диагностич. исследованиях человека). Соед. Д. используются также при спектроскопич. исследованиях. Изделия из монокристаллов на основе KD₂PO₄ применяются для создания систем управления и преобразования лазерного излучения. Д. — ядерное топливо для энергетики будущего, основанной на управляемом термоядерном синтезе. В первых энергетич. реакторах такого типа предполагается осуществить реакцию D + T ⇄ He + n + 17,6 МэВ. Д. открыт Г. Юри с сотрудниками в 1932.

^{Лит.: Выделение дейтерия из водорода методом глубокого охлаждения, М., 1961; Тупицын И. Ф., Тяжелые изотопы водорода, дейтерий и тритий, М., 1961; Андреев Б. М., Зельвенский Я. Д., Катальников С. Г., Тяжелые изотопы водорода в ядерной технике, М., 1987}

_{Я. Д. Зельвенский}