Deutérium és nehézvíz
1932-ben, egyik a másik után, majd ezt követően figyelemre méltó felfedezések területén a fizika: az első ciklotron és kitalált elektronmikroszkóppal végzett az első nukleáris fúziós reakció kísérletileg mért molekulák sebessége fedezték neutron és egy pozitron, kifejlesztett proton-neutron elmélet a atommagok szerkezetének és a relativisztikus kvantummechanika, épül. Nem csoda, hogy a fizika úgynevezett idén anno mirabilis # 150; annus mirabilis. Ugyanebben az évben felnyitjuk, és egy második izotóp hidrogén, deutérium nevezett (a görög deuteros # 150; Másodszor, a szimbólum D).
A felfedezés a deutérium szolgálhat kitűnően illusztrálja a paradox első pillantásra, mondván, a francia fizikai kémikus Anri Chatelier, egy hívás, hogy tanítványainak: „A hiba nem csak a fiatal kutatók, de sok középkorú, nagy tapasztalattal és gyakran tehetséges tudósok, hogy irányítja a figyelmet, hogy a felbontása nagyon összetett problémákat, ami nem elég elő a talaj. Ha azt szeretnénk, hogy valami igazán nagy tudomány, ha azt akarjuk, hogy valami alapvető, tartsa a legrészletesebb felmérés, úgy tűnik, hogy a végén a vizsgált kérdéseket. Éppen ezek a látszólag egyszerű, és nem rejt semmi új objektumok és a forrás, amelyből képes lesz arra, hogy vonja le a készség a legértékesebb és olykor váratlan adatokat. "
Sőt, mi várható a vizsgálat a fizikai tulajdonságai rendes tiszta víz # 150; azokat vizsgálták, mint mondják, messze a 19. században. Emlékezzünk azonban, hogy végzett 1893-ban a rutinszerű meghatározása a sűrűsége a nitrogéngáz, másként nyert (liter nitrogén levegőből lemért 1,257 g, és nyert kémiai # 150; 1,251 g), eredményezett kiemelkedő felfedezése # 150; Ar első, és a mögötte és más nemesgázok.
1917-ben, a német tudós K.Sheringer azt javasolta, hogy az atomok különböző elemek épülnek nemcsak ellene (a görög protos # 150; első), azaz „Light” hidrogén atom tömege 1, és eltér a hidrogén izotópok. Ekkorra már ismert, hogy egy és ugyanaz az elem lehet izotópok különböző tömegeket. Hatásos előrehaladás a felfedezés számos, nem-radioaktív izotópok az elemek elérte a brit fizikus Francis William Aston épített használja őket tömegspektrográf. Ebben a készülékben a vizsgált atomok vagy molekulák bombázzák egy merevítőrúd elektronok és vált pozitív töltésű ionok. A sugár ezen ionok ezután kitéve az elektromos és mágneses mező, és az útjukba eltérített egy egyenes vonal. Ez az eltérés az erősebb, annál több ionos töltés, és a kisebb a tömege. A kapott értékek közvetlenül eltérítő feszültségek relatív tömegének az ionok. És az intenzitás a ionsugaras egy adott tömegű lehet megítélni a relatív bőségét a mintában ezeknek az ionoknak.
A 1931 végén egy csoport amerikai fizikus # 150; Harold Jyri a tanulók, Ferdinand Brickwedde és George Murphy vette 4 liter folyékony hidrogén és frakcionált desztillációnak vetjük alá, majd a maradékot 1 ml, azaz a csökkentve az időt 4000. Ez az utolsó milliliter folyékony bepárlás után, és vizsgáltuk spektroszkópikusan. Tehetséges spektroszkópiai Garold Kleyton Jurij megfigyelt spektrogramját dúsított hidrogén új, nagyon gyenge kötések hiányoznak a közönséges hidrogén. A helyzet a vonalak a spektrumban pontosan megfelel végzett azok kvantummechanikai számítás a tervezett atomarány 2 H. új vonal intenzitások izotóp (deutérium Jyri nevezte) és közönséges hidrogén azt mutatta, hogy a vizsgált mintában új izotóp dúsított 800-szor kisebb, mint a hagyományos hidrogén- . Így a kezdeti hidrogén nehéz izotópja kevesebb. De hogyan?
Próbálják értékelni az úgynevezett dúsítási faktorral a párolgás folyékony hidrogén, a kutatók felismerték, hogy a kísérleteikben alkalmazott a lehető legrosszabb hidrogén forrás. Az a tény, hogy már megkapta a szokásos módon, a víz elektrolízise. De az elektrolízis egy könnyű hidrogén kell felosztani gyorsabban nehéz. Kiderült, hogy a mintát először kimerült nehézhidrogénből, majd dúsított őket!
Amikor a neutron fedezték fel, világossá vált, hogy a sejtmagban deutérium, ellentétben Protium, mint a neutron mellett a proton. Ezért, a nucleus deutérium # 150; deuteront kétszer olyan nehéz, mint a proton; annak tömege szénatomos egységeket egyenlő 2,0141018. Átlagban, természetes hidrogén tartalmaz 0,0156% deutérium. A parti tengervíz egy kicsit inkább a felszíni vizek a föld # 150; kevesebb földgázt # 150; még kevésbé (0,011 # 150; 0,013%). Kémiai tulajdonságai hasonlóak a deutérium ellen, de egy nagy különbség a tömegek vezet jelentős lassítani képződésével járó reakciókat deutériumatomokkal. Tehát a reakció-deuterált szénhidrogén R # 150; D klórral vagy oxigén lelassul, a hőmérséklettől függően, 5 # 150; 10, összehasonlítva a választ R # 150; H. A rendszer segítségével a deutérium lehet „tag” hidrogént tartalmazó molekulák és tanulmányozza a mechanizmusok a reakcióikat. Így különösen, már vizsgálták az ammónia szintézis reakciót szénhidrogén oxidációs számos fontos folyamatok.
Nehézvíz. Miután az alapvető munkáját Washburn és Urey tanulmány új izotóp indult rohamos fejlődésnek. Hamarosan felfedezése után deutérium természetes vizekben fedezték nehéz fajta. Tiszta vizet főleg molekulák 1 H 2 O. Ha azonban a természetes hidrogénatom szennyező jelentése deutérium, majd a szokásos vízben kell a szennyező NDO és D 2 O. És ha víz elektrolízis H 2 szabadul gyorsabb ütemben, mint a HD-t és D 2. idővel az elektrolitikus cella felhalmozódnak nehézvíz. 1933-ban, Gilbert Lewis és az amerikai fizikai kémikus Ronald McDonald számolt be, hogy ennek eredményeként a hosszantartó elektrolízis közönséges víz nem látták volna valaki, hogy erre az újfajta víz # 150; nehézvíz.
A következő kísérletsorozatban, 20 l víz, szintén több lépésben kapott 0,5 ml vizet, amelynek sűrűsége 1,075 tartalmazó már 65,7% D 2O Az ilyen kísérletek, lehetséges volt, hogy végre kap 0,3 ml vizet, a sűrűség ahol (1,1059, 25 ° C-on) nem csökkenésével nőtt térfogata hogy az elektrolízis 0,12 ml. Ezek és néhány csepp volt az első a történelem, a Föld csaknem tiszta csepp nehézvíz. Megfelelő számítások azt mutatták, hogy a korábbi becslések az arány nehéz hidrogén és hagyományos jellegűek voltak túl optimista: azt találtuk, hogy a közönséges víz amely csak 0,017% (tömeg) deutérium, amely az arány a D: H = 1: 6800.
Ahhoz, hogy megkapja méltó mennyiségű nehézvíz szükséges kutatókat, kellett alávetni elektrolízis már óriási idején térfogata normál víz. Például, 1933-ban egy csoport amerikai kutatók Ahhoz, hogy teljes 83 ml D 2 O 99% tisztaságú -edik már figyelembe 2.3 tonna víz, amelynek bomláspontja 7 lépésben. Egyértelmű volt, hogy ezek a módszerek a kutatók nem tudnak mindenkit nehézvíz. Aztán kiderült, hogy a nehézvíz kitűnő neutronmoderátor, ezért lehet használni a nukleáris kutatás, beleértve az atomerőművek építését. A kereslet a nehézvíz nőtt annyira, hogy világossá vált, hogy szükség van a ipari termelés. A nehézség az, hogy így 1 tonna D 2 O feldolgozásához szükséges mintegy 40 tonna víz fordított a 60 millió kilowattóra villamos energia # 150; annyira költenek 3000 tonna alumínium olvasztására!
Az első kísérleti üzem volt vékony. 1935-ben való beépítéshez Berkeley heti így 4 g csaknem tiszta D 2O, amely költségek US $ 80 per gramm # 150; ez nagyon drága, ha figyelembe vesszük, hogy az elmúlt néhány évben a dollár „esett” tucatszor. Hatékonyabb beállít egy kémia laborban a Princeton Egyetemen # 150; ez adta, napi 3 g D 2 O költsége $ 5 gramm (40 év után, a költségek a nehézvíz csökkent 14 cent per gramm). A leginkább időigényes bizonyult nagyon első szakaszban az elektrolízis, ahol a koncentrációja a nehézvíz-ra növeljük 5 # 150; 10%, mert ezen a ponton feldolgozásához szükséges hatalmas mennyiségű közönséges víz. További összefonódás nem okoz problémát, hogy sor kerül a laboratóriumban. Ezért, az előnyeit egyre azon ipari üzemek, amelyek ki nagy mennyiségű víz elektrolízis.
Mass molekula D 2 O meghaladja a 11% tömeg H 2 O. Ez a különbség eredményez lényeges különbségek vannak a fizikai, kémiai és, ami a legfontosabb, a biológiai tulajdonságai nehézvíz. Nehéz víz forrni kezd, 101,44 ° C-on, megfagy 3,82 ° C, sűrűsége 20 ° C-on 1,10539 g / cm 3. A sűrűség és a maximális bekövetkezik nem 4 ° C-on, mint a közönséges víz, és 11 2 ° C (1,10602 g / cm 3). Kristályok D2O azonos szerkezetűek, mint a hagyományos jég, de ezek nehezebb (0,982 g / cm 3 0 ° C-on, mint a 0,917 g / cm3 a hagyományos jég). A keverékeket a közönséges vízzel nagy sebességgel izotópos játszódik: H 2O + D 2O 2HDO. Ezért, a híg oldatok a deutérium atomok vannak jelen főleg HDO. A nehézvíz környezet jelentősen lassul a biokémiai reakciók, és ez a víz nem támogatja az állati és növényi élet.
Jelenleg számos hatékony módszerek előállítására nehézvíz: elektrolízis, izotópos csere, a hidrogén elégetésekor dúsított deutérium. Jelenleg a nehézvíz termelt ezer tonna évente. Ezt használják egy neutron moderátor és a hűtőközeg a nukleáris reaktorok (egy töltésére nagy modern atomreaktor 100 igényel # 150; 200 tonna nehézvizet tisztasága legalább 99,8%); a deuteronok D + a részecskegyorsítókban; oldószerként a proton mágneses rezonancia spektroszkópia (protonok a szokásos víz keni a kép). Lehetőség van arra, hogy a szerepe a nehézvíz jelentősen növekedni fog, ha az ipari fúziós kerül sor.
„Harc a víz.” A kereskedelmi nehézvíz előállítására nagyon fontos, hogy a rendelkezésre álló olcsó áram. Már a háború előtt világossá vált, hogy az ideális feltételek ehhez a Norvégiában, ami már régóta dolgozott erős elektrolízis berendezés hidrogén előállítására. nehézvíz termelő üzem kezdte meg működését 1934-ben; 1938 előállított 40 kg D 2 O-ben, és 1939-ben # 150; második tovább. Abban az időben már nyilvánvalóvá válik, óriási stratégiai jelentőségét nehézvíz nukleáris fegyverek fejlesztését. Ezért nem meglepő, hogy a németek megszállták Norvégiát 1940 májusában vette legenergikusabb intézkedéseket a növény titokban nehézvíz és annak megőrzése. Végére 1941, Németország exportált Norvégia 361 kg tiszta D 2O, és egy évvel később # 150; Már 800 kg.