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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 |
展開(kāi)
元素性質(zhì)
簡(jiǎn)介
氘（deuterium）為氫的一種穩定形態(tài)同位素，也被稱(chēng)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(diǎn)】-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】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(wú)色無(wú)嗅無(wú)毒可燃性氣體，是普通氫的一種穩定同位素。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，反應速度小一些。
氘無(wú)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(shí)應經(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(mén)進(jìn)行安全檢驗，方能繼續使用。每瓶氣體在使用到尾氣時(shí)，應保留瓶?jì)扔鄩涸?.5MPa，最小不得低于0.25MPa余壓，應將瓶閥關(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(shí)都應分類(lèi)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(jìn)行引弧或電弧，嚴禁野蠻裝卸。
發(fā)現歷史
就在查德威克宣布發(fā)現中子的論文送交《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(shuō)已經(jīng)發(fā)現了質(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)現了重氫（氘，D）。尤里因此在1934年獲得諾貝爾化學(xué)獎。
根據尤里的建議，重氫被命名為“Deuterium”，在希臘語(yǔ)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(shí)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(yáng)極上產(chǎn)生氧氣，但其使用固體電解質(zhì)-磺酸基團結合在聚四氟乙烯上，導電介質(zhì)是水合氘離子（D?D2O），而磺酸基是不移動(dòng)的。
液氫精餾法
氘在天然氫中的含量為0.0139%~0.0156%，D2的沸點(diǎn)為23.5K，H2為20.38K，HD（氘化氫）的沸點(diǎn)為22.13K。由精餾液氫來(lái)制取氘氣，理論上是完全可能的。在低溫精餾時(shí)首先濃縮的是HD，HD必須經(jīng)催化劑轉化為D2，HD、H2的平衡混合后才能繼續精餾濃縮。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、二塔流程及帶有側線(xiàn)返回進(jìn)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(lái)源是空氣在重水中有一定的溶解度以及系統的污染滲透，降低氮氣含量需要做好系統的密封性，同時(shí)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(lái)源于電解水分解的氧，同時(shí)也有管路系統的滲透而引入的氧，利用脫氧催化劑進(jìn)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(guò)低溫吸附分離來(lái)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(guò)一定的時(shí)間再將氫化物進(jìn)行加溫、真空脫附等措施，從而獲得高純氘。
應用
從“進(jìn)口”上說(shuō)，可控核聚變所需的反應原料（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(shí)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(guò)聚變反應釋放的能量相當于300升石油。而氚可通過(guò)中子與鋰反應生成，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(mén)的40L專(zhuān)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(mén)進(jìn)行安全檢驗，方能繼續使用。氘氣瓶裝氣體產(chǎn)品為高壓充裝氣體，使用時(shí)應經(jīng)減壓降壓后方可使用。每瓶氣體在使用到尾氣時(shí)，應保留瓶?jì)扔鄩涸?.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(shí)都應分類(lèi)堆放，應貯存于陰涼、通風(fēng)場(chǎng)所，溫度不宜超過(guò)30 ℃，場(chǎng)所需配置相應品種和數量的消防器材。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(jìn)行引弧或電弧，嚴禁野蠻裝卸。搬運時(shí)輕裝輕卸，防止氣瓶及附件破損。
反氘介紹
發(fā)現者
同位素這個(gè)名詞的西文isotope是英國人索迪（F.Soddy，1877-1956）于1911年開(kāi)始使用的。后來(lái)，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(lái)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)現了很多元素的同位素，他在71種元素之中，陸續找到了202種同位素之多，這為我們認識同位素，開(kāi)始積累了大量資料。
最引人關(guān)注的是，氫有沒(méi)有同位素的問(wèn)題。為了尋找氫的同位素，人們前后用了十幾年的時(shí)間，而沒(méi)有得出肯定的結果。1931年初，有人從理論上推導，認為應該有質(zhì)量數為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(diǎn)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。結果在氫原子光譜的譜線(xiàn)中，得到一些新譜線(xiàn)，它們的位置正好與預期的質(zhì)量為2的氫譜線(xiàn)一致，從而發(fā)現了重氫。尤里對它定了一個(gè)專(zhuān)門(mén)名，稱(chēng)“deuterium”（中文譯為“氘”，符號“D”）。后來(lái)英、美的科學(xué)家們又發(fā)現了質(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(yù)從此飛躍，可是他并未停止不前，后來(lái)還繼續完成了很多重要研究工作。現在最常見(jiàn)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(diǎn)是3.82℃，沸點(diǎn)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(lái)重水成為制造氫彈的重要材料之一。
以上簡(jiǎn)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(jì)，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(gè)農民家庭里。中學(xué)畢業(yè)之后，他先在一個(gè)農村的小學(xué)里教了三年書(shū)。后來(lái)才進(jìn)了蒙大拿州立大學(xué)，他當時(shí)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。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(jìn)修。成績(jì)優(yōu)異，三十歲時(shí)，取得了博士學(xué)位。1923年他又得了出國進(jìn)修的獎學(xué)金，去丹麥跟波爾教授專(zhuān)門(mén)研究原子結構理論。尤里回國以后，先在約翰·霍普金斯大學(xué)擔任講師。1929年到哥倫比亞大學(xué)擔任化學(xué)系副教授，他在這里和別人合作，寫(xiě)了一本專(zhuān)著(zhù)，書(shū)名是《原子、分子和量子》（Atoms、MoleculesandQuanta）。這是用英文寫(xiě)的關(guān)于量子力學(xué)的名著(zhù)之一。這說(shuō)明了尤里對于量子力學(xué)和熱力學(xué)，以及核結構的成就，本來(lái)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)方面公認的權威。經(jīng)過(guò)他的研究，使同位素的分離開(kāi)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。在二次世界大戰時(shí)，他利用同位素化學(xué)的豐富知識對最后戰勝日本起了重大的作用。過(guò)去同位素的分離，只是在極小的范圍內，用實(shí)驗室的規模進(jìn)行的。二次大戰期間，尤里領(lǐng)導了一批助手，使重水分離和鈾同位素的大規模分離，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。戰后，尤里接受了芝加哥大學(xué)的聘請，擔任教授。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(lái)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(wàn)年前海洋的溫度。
他在1952年發(fā)表了宇宙間元素豐度的數據，發(fā)展了元素起源和宇宙學(xué)理論。地的專(zhuān)著(zhù)《行星：其起源和發(fā)展》（ThePlanets：TheirOriginandDevelopment）一書(shū)中，從化學(xué)過(guò)程來(lái)討論太陽(yáng)系演化的學(xué)說(shuō)，指出行星是由圍繞在原始太陽(yáng)周?chē)膲m埃聚集成的。地球的原始大氣應當和現在的木星大氣相似，主要由甲烷、氨和氫所組成。地球現在的大氣是經(jīng)幾個(gè)長(cháng)期階段的變化形成的。1953年尤里和學(xué)生米勒（StanleyL.Miller）設計了一套儀器，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，連續進(jìn)行了一星期的火花放電后，形成了十多種氨基酸。這說(shuō)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(wèn)題開(kāi)展了重要途徑。1968年他六十五歲時(shí)，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(yáng)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(zhuān)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，尤里又擔任重要顧問(wèn)。尤里在四十一歲時(shí)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)潞酮勂罚绹恍┐髮W(xué)授給他十六個(gè)榮譽(yù)博士學(xué)位，其他國家的大學(xué)也曾授予他九個(gè)榮譽(yù)學(xué)位。這說(shuō)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)都應當減少原子武器，使世界長(cháng)期和平可能達到。他在臨終之前，還一再強調，原子能只能用于和平目的。他多年來(lái)所做的大量公開(kāi)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(guān)點(diǎn)，但沒(méi)有人懷疑，他的主張是真誠的和發(fā)自?xún)刃牡摹９_德。尤里的業(yè)績(jì)將永垂于化學(xué)史上。
危害人體
如果把氘（或者說(shuō)重水）說(shuō)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(méi)有任何危害的。如果空氣中氮氣比例過(guò)高，人就會(huì )窒息而亡，但這并不說(shuō)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(méi)有影響，當重水含量很高時(shí)，人體會(huì )受到傷害，而這也并不說(shuō)明氘是有毒物質(zhì)。
研究發(fā)現
2022年12月27日，據環(huán)球網(wǎng)消息，日本東京大學(xué)、新潟大學(xué)等機構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(shuō)，他們分析日本紅外天文衛星ASTRO-F的觀(guān)測數據發(fā)現，在低溫環(huán)境下形成含氮分子的過(guò)程中，紫外線(xiàn)發(fā)揮著(zhù)重要作用，并獲得了氘隱藏于星際空間有機物中的觀(guān)測證據。這將幫助人類(lèi)解開(kāi)宇宙物質(zhì)進(jìn)化之謎。
參考資料
[1]
日本研究發(fā)現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]
相關(guān)合集
核聚變燃料包含的化合物種類(lèi)
共3個(gè)詞條501閱讀
氫燃料
液態(tài)氫燃料
氚
漢語(yǔ)常用字
氘
氫的同位素
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