氘(重氫)

重氫一般指本詞條

(deuterium),氫(H)的同位素,也被稱為重氫,元素符號一般為D或2H。氘原子核中有一個質子和一個中子,其相對原子量為普通氫的二倍。氫中有0.02%的氘,在大自然的含量約為一般氫的七千分之一。氘用於熱核反應,聚變時放出β射線後形成質量數為 3 的氦,並在化學和生物學的研究工作中作示蹤原子。氘被稱為“未來天然燃料”。

基本介紹

  • 中文名:氘
  • 英文名:deuterium
  • 別稱:重氫
  • 化學式:D或2H
  • 分子量:2.014
  • 密度:0.180g/L
漢字釋義,基本釋義,詳細解釋,方言集匯,元素性質,主要用途,常用製法,理化性質,安全防護,發現歷史,反氘介紹,發現者,危害人體,

漢字釋義

基本釋義

氘(名稱):氫的同位素之一,用於熱核反應。舊稱“重(zhòng)氫”,常溫下為無色無臭的氣體。

詳細解釋

氘(化學術語):(H)的同位素,其相對原子質量為普通輕氫的二倍,少量的存在於天然水中,用於核反應,並在化學生物學的研究工作中作示蹤原子(deuterium)——亦稱“重氫”,元素符號D或H2。

方言集匯

粵語:dou1;客家話:【客語拼音字彙】dau1 do1;
字形對比(圖3)字形對比(圖3)
潮州話:dao1 (tau)。

元素性質

主要用途

特種燈泡、核研究、氘核加速器的轟擊粒子、示蹤劑
氘的化合物氘的化合物

常用製法

(1)由重水電解。
(2)由液氫低溫精

理化性質

三相點】-254.4℃;
【液體密度】(平衡狀態,-252.8℃):0.169g/cm3;
比熱容】(101.325kPa,21.2℃】:5.987m3/kg
【氣液容積比】(15℃,100kPa):974L/L;
壓縮係數】:
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℃;
臨界壓強】1664.8kPa;
臨界密度】66.8g/cm3;
【溶化熱】(-254.5℃)(平衡態):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·℃);
比熱比】(101.325kPa,25℃,氣體):Cp/Cv=1.40;
【蒸氣壓強
(正常態,17.703):10.67kPa;
(正常態,21.621):53.33kPa;
(正常態,24.249K): 119.99kPa;
粘度
(氣體,正常態,101.325kPa,0℃):0.010lmPa·S;
(液體,平衡態,-252.8℃):0.040mPa·s;
表面張力】(平衡態,-252.8℃):3.72mN/m;
(氣體101.325kPa,0℃):0.1289w/(m·K);
(液體,-252.8℃):1264W/(m·K);
【折射係數】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色無嗅無毒可燃性氣體,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%。其化學性質與普通氫完全相同,但因質量大,反應速度小一些。

安全防護

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。瓶裝氣體產品為高壓充裝氣體,使用時應經減壓降壓後方可使用。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,方能繼續使用。每瓶氣體在使用到尾氣時,應保留瓶內余壓在0.5MPa,最小不得低於0.25MPa余壓,應將瓶閥關閉,以保證氣體質量和使用安全。瓶裝氣體產品在運輸儲存、使用時都應分類堆放,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。

發現歷史

1931年底,美國科學家哈羅德·克萊頓·尤里(Harold Clayton Urey)在蒸發了大量液體氫之後,利用光譜檢測的方法發現了重氫(氘,D)。尤里因此在1934年獲得諾貝爾化學獎
根據尤里的建議,重氫被命名為“Deuterium”,在希臘語中是“第二”的意思。

反氘介紹

氘的對應反物質是反氘,其原子核擁有一顆反質子反中子,反氘核於1965年最先由歐洲核子研究委員會(CERN)及美國布克海文國家實驗室製成,但至今仍未曾成功造到一顆擁有正電子的完整反氘原子。

發現者

同位素這個名詞的西文isotope是英國人索迪(F. Soddy,1877-1956)於1911年開始使用的。後來,另一位英國人阿斯頓(F. W. Aston,1877-1945)在1919年製成了質譜儀,可以用來分離不同質量的粒子,並且測定它們的質量。這就把研究同位素的方法提高了一大步。阿斯頓先後利用質譜儀發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,開始積累了大量資料。
最引人關注的是,氫有沒有同位素的問題。為了尋找氫的同位素,人們前後用了十幾年的時間,而沒有得出肯定的結果。1931年初,有人從理論上推導,認為應該有質量數為2的氫同位素存在,並且估算出2H:1H=1:4500的比例。1931年年底,美國哥倫比亞大學的尤里教授和他的助手們,把四升液態氫三相點14°K下緩慢蒸發,最後只剩下幾立方毫米液氫,然後用光譜分析。結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期的質量為2的氫譜線一致,從而發現了重氫。尤里對它定了一個專門名,稱“deuterium”(中文譯為“氘”,符號“D”)。後來英、美的科學家們又發現了質量為3的“tritium”(中文譯為“”,符號“T”),是具有放射性的另一重要氫同位素。
氘的發現是科學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獎金。他的聲譽從此飛躍,可是他並未停止不前,後來還繼續完成了很多重要研究工作。現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。重水易於用電解水而取得,所以電費低廉的北歐能大量生產。後來重水成為製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家尤里的重視。他是1981年一月六日才以八十六歲的高齡病故的。下面(此文發表於1982年—編者注)扼要地介紹他的生平和業績,表示我們對他的敬念。哈羅德·克萊頓·尤里(Harold Clayton Urey)於1893年4月29日生在美國西北部印第安納州的一個農民家庭里。中學畢業之後,他先在一個農村的國小里教了三年書。後來才進了蒙大拿州立大學,他當時的主修課是生物學,以化學作為副系。可是他一生的主要成就,卻由副系化學提供了基礎。他畢業後得到了獎學金,從1921年到1923年在美國加州大學進修。成績優異,三十歲時,取得了博士學位。1923年他又得了出國進修的獎學金,去丹麥跟波爾教授專門研究原子結構理論。尤里回國以後,先在約翰·霍普金斯大學擔任講師。1929年到哥倫比亞大學擔任化學系副教授,他在這裡和別人合作,寫了一本專著,書名是《原子、分子和量子》(Atoms、Molecules and Quanta)。這是用英文寫的關於量子力學的名著之一。這說明了尤里對於量子力學和熱力學,以及核結構的成就,本來早已經達到相當高的水平了。在這期間,他用光譜法發現了驚人的氫同位素之一,氘。尤里從此以後,成為同位素化學方面公認的權威。經過他的研究,使同位素的分離開始有了化學方法。由於這種方法的成功,很多同位素才成為化學的、生物學的、地質學等方面的示蹤物。在二次世界大戰時,他利用同位素化學的豐富知識對最後戰勝日本起了重大的作用。過去同位素的分離,只是在極小的範圍內,用實驗室的規模進行的。二次大戰期間,尤里領導了一批助手,使重水分離和鈾同位素的大規模分離,這一技術方面的成功,便使第一批核子彈的生產成為可能。戰後,尤里接受了芝加哥大學的聘請,擔任教授。在這裡,他發表了一篇極重要的論文,這篇論文的題目是《同位素物質的熱力學性質》。此後,尤里利用了高度精確的質譜儀,來檢驗地質和海洋中的氧同位素的百分比。由於這項技術的成功,他能相當準確地計算出七千萬年前海洋的溫度。
他在1952年發表了宇宙間元素豐度的數據,發展了元素起源和宇宙學理論。地的專著《行星:其起源和發展》(The Planets:Their Origin and Development)一書中,從化學過程來討論太陽系演化的學說,指出行星是由圍繞在原始太陽周圍的塵埃聚集成的。地球的原始大氣應當和木星大氣相似,主要由甲烷、氨和氫所組成。地球的大氣是經幾個長期階段的變化形成的。1953年尤里和學生米勒(Stanley L.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,連續進行了一星期的火花放電後,形成了十多種胺基酸。這說明了原始大氣產生蛋白質的可能。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,並認為在別的行星上也可能產生生命。尤里還是研究月球表面的專家。阿波羅登月取回月岩的樣品,就是由尤里主持參加研究的。在海盜號火箭探索火星計畫中,尤里又擔任重要顧問。尤里在四十一歲時榮獲諾貝爾化學獎外,他還先後得到各國政府、學術團體和科學組織授予的三十多種獎章和獎品,美國一些大學授給他十六個榮譽博士學位,其他國家的大學也曾授予他九個榮譽學位。這說明了世界上學術界對他的科學成就之重視。在尤里一生的最後十年中,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,他主張美國和蘇聯都應當減少原子武器,使世界長期和平可能達到。他在臨終之前,還一再強調,原子能只能用於和平目的。他多年來所做的大量公開講演講和文字呼籲,曾經得到美國好些知識分子的同情,儘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自內心的。哈羅德.尤里的業績將永垂於化學史上。

危害人體

如果把氘(或者說重水)說成是有毒物質是完全錯誤的。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,但這並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,這對生命並沒有影響,當重水含量很高時,人體會受到傷害,而這也並不說明氘是有毒物質

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