水素の同位体の 1 つは重水素と呼ばれます。 1 つの水素分子には、1 つの陽子と 1 つの電子があり、中性子はありません。陽子、電子、および中性子は、原子を構成する構成粒子です。水素-重水素ガスは、宇宙で最も一般的な元素です。中性子を含まない水素の形態であるプロチウムは、海洋で自然に発生する水素の 99.9% を占めています。対照的に、重水素の存在はわずか 0.02% です。
重水素の意味
最初に、天然に存在する水素-重水素の比率は、そのイオン形態で決定されました。しかし、その後、地球の大気のスペクトルに基づいて再度測定されたとき、質量分析計を使用してその化学構造を分解しました。それは水素ガスの安定同位体であり、単一の陽子と単一の中性子で構成されています。水素には名前が付いた 3 つの同位体があるという事実が、他のすべての元素とは一線を画しています。水素が存在する可能性のある形態の 1 つは、重水素と呼ばれます。その構成には、1 つの陽子と 1 つの中性子があります。水素の最も豊富な同位体であるプロチウムは、その原子構造に陽子を 1 つだけ含み、中性子を含みません。重水素には中性子が含まれているため、重水素はプロチウムよりもはるかに重量があります。
重水素はしばしば重水素と呼ばれます。各トリチウム原子は 1 つの陽子と 2 つの中性子で構成されているため、重水素と呼ばれることがよくあります。トリチウムは、水素の 3 番目で最後の同位体の名前です。
歴史
原子核を構成する2つの粒子について、「重水素」という用語は、「2番目」を意味するギリシャ語の「deuterons」に由来します。 1931 年、ハロルド・ユーリーは、重水素の命名につながる発見を行いました。ユーリーは、1932 年の中性子の発見によって可能になった「重水素の発見」により、1934 年にノーベル賞を受賞しました。これにより、重水素の核構造を理解することが可能になりました。重水素の発見直後、ユーリーらは、重水素の存在量が大幅に増幅された、いわゆる「重水」のサンプルを生成しました。
量子物理学によると、原子内の電子のエネルギー準位は、電子と原子核で構成される系の質量の減少に依存します。水素-重水素原子の場合、減少した質量の役割は、原子のボーア モデルの最も単純な形で見ることができます。減少した質量は、このモデルのリュードベリ定数とリュードベリ方程式の簡単な計算で見ることができます。ただし、減少した質量は、原子エネルギー準位の計算に使用されるシュレディンガー方程式とディラック方程式でも見ることができます。
重水素の使用
- 磁気共鳴分光法では、低重水素水が必要な要素です。
- 原子炉内では、モデレーターの役割を果たします。
- それを利用することは、人体がエネルギーのために燃料を燃焼するペースを確認する 1 つの方法です。
- 主要なトレーサー要素として、植物の光合成のプロセスを監視するために使用されます。
- 磁場の完全性を維持することは、核磁気共鳴分光法で重水素を使用することで可能になります。
- さまざまな化合物のアイソトポローグを決定するプロセスで役割を果たします。
- 重水の形で、赤外分光法の分野で使用されます。
- トリチウムは、核融合プロセスの重要な構成要素であり、さまざまな形で存在する可能性があります。重水素は、その制御を維持するために使用されます。
重水素の特性
- 重水素とトリチウムはどちらも、通常の水素 (プロチウム) によって形成されるものよりもはるかに安定した化学結合を形成できます。
- 通常の水素の三重点、沸点、気化点、融解熱、気化熱は、はるかに大きな値を持つ重水素よりも低くなります。
- 重水素ガスには識別可能な色合いがありません。イオン化すると、独特のピンク色の光を放ちます。
- 結合が強いため、重水は通常の水の約 10.6 倍の密度 (1.624 g/cm3) になります。通常の水は重水の氷を沈めますが、重水自体は通常の水の氷を浮き上がらせます。
- さらに、重水は通常の水に比べて粘度が高くなります。 (300 K で 12.6 μPa·s)。
- 記号 D は、重水素を表すために使用できます。
- プロチウムは、重水素よりもはるかに多く含まれています。天然水素の割合はわずか 0.0156% です。
- 重水素核は、重陽子またはデュートンと呼ばれます。
- 重水素は、奇数の中性子と奇数の陽子を含む 5 つの安定同位体の 1 つです。残りの 4 つは、水素、ヘリウム、ネオン、酸素です。ほとんどの場合、2 重奇数原子は不安定で、ベータ プロセスによって崩壊します。
- 重水素が太陽系外の惑星や他の星の内部にある可能性があるという証拠があります.太陽系の巨大ガス惑星における重水素の濃度は、互いに匹敵します。
- 自然発生する重水素の量は、その供給源によって大きく異なります。
- 重水素 (プロチウムと同様) は、途方もない圧力で液体金属になります。
- 反重陽子は、反陽子と反中性子で構成され、素粒子物理学の標準モデルの重陽子に対応する反物質粒子です。反重水素は反重水素と呼ばれ、反重陽子に加えて陽電子で構成されています。
- 別の言い方をすれば、重水素には放射性がありません。
- 海洋では、重水素の自然な濃度は約 156.25 ppm であり、これは水素原子 6,400 個ごとに原子 1 個に相当します。
- 別の言い方をすれば、海洋中の水素の 99.98% がプロチウムです。対照的に、重水素はわずか 0.0156% (質量で 0.0312%) です。
- さまざまな水源の重水素の自然量には、わずかではあるが識別可能な違いがあります。
- Harold Urey は、1931 年に重水素を発見した人物です。彼は、新たに発見されたタイプの水素を使用して、重水のサンプルをいくつか作成しました。 1934 年、ユーリーはノーベル化学賞を受賞しました。
- 生物学的プロセスでは、重水素は通常の水素とは異なる方法で作用します。たとえば、少量の重水や低重水素水を飲んでも死には至りませんが、大量に摂取すると致命的な結果を招く可能性があります。
重水素酸化物の種類
重水として知られる重水素酸化物の最も一般的な種類は次のとおりです。
1.低重水素水
HDO は、この種の重水の化学的注釈の略です。陽子1個、重水素原子1個、酸素原子1個で構成されています。水の動的平衡は、互いに独立して振る舞う同量のプロチウムと重水素が含まれているという事実から生じます。
2.重酸素水
さらに、密度の高い水と呼ぶこともあります。これは、17O や 18O など、いくつかの水の同位体があるためです。放射性トレーサーと放射性医薬品は、この物質の典型的な用途です。
3.トリチウム水
記号 3H で表されるトリチウムは、陽子ではなく水に含まれています。
結論
重水素とトリチウムとして知られる水素の同位体によって形成される化学結合は、プロチウムによって形成されるものよりもはるかに強力です。重水素から炭素を抽出することがより困難であるという事実は、薬理学の分野に関連しています。重水は通常の水に比べて粘度が高くなります。通常の水の10.6倍の密度です。太陽系の最も遠い範囲にある惑星の重水素含有量は匹敵します。現在存在する重水素のほとんどは、ビッグバンの核合成過程で生成されたと一般に認められています。太陽や他の恒星には微量の重水素が含まれています。恒星は、陽子 - 陽子プロセスが重水素を生成できる速度よりも速いペースで重水素を使い果たします。
よくある質問
1.濃い水は飲めますか?
重水は、原子炉やその他の放射性元素など、人間の健康に害を及ぼし、環境に危険を及ぼすものと常に関連していることはよく知られています。一方、重水は放射性物質ではないため、純粋な重水では放射能や毒性は問題になりません。人間は純粋な重水を消費することがありますが、その量は限られています。この水のかなりの量が長期間にわたって飲まれたとします。その場合、人体に害を及ぼす可能性があります。大量の重水を摂取すると、めまいや血圧低下などの症状を伴う中毒を引き起こす可能性があります。
2.プロチウムは水素の同位体ですか?
最も多く存在する水素の同位体は陽子と呼ばれます。宇宙の全水素の 99.98% 以上を担っています。 Protium という名前は、原子核に陽子が 1 つだけ含まれていることから付けられました。プロチウムの質量は、原子スケールで 1.00782504(7) u です。
3.重水素の原子質量は?
重水素の原子質量は 2.014 amu であることが確認されています。
