לכל היסודות יש אטומים כיחידה הבסיסית שלהם, ואטום מכיל שלושה חלקיקים בסיסיים, שהם אלקטרונים בעלי מטען שלילי, פרוטונים בעלי מטען חיובי ונויטרונים של חלקיקים ניטרליים. מספר הפרוטונים והנייטרונים הנמצאים בגרעין נקרא מספר המסה של היסודות, ומספר הפרוטונים נקרא המספר האטומי. אותם יסודות שהאטומים שלהם מכילים מספר זהה של פרוטונים אך מספר שונה של נויטרונים נקראים איזוטופים. דוגמה לכך היא מימן, שיש לו שלושה איזוטופים. זהו מימן עם אפס נויטרונים, דאוטריום המכיל נויטרון אחד, וטריטיום - הוא מכיל שני נויטרונים. מאמר זה יתמקד באיזוטופ של מימן הנקרא דאוטריום, הידוע גם בשם מימן כבד.
מה זה דאוטריום?
דאוטריום הוא איזוטופ של מימן השונה ממימן בניוטרון אחד. בדרך כלל, למימן יש רק פרוטון אחד, ואילו לדוטריום יש פרוטון אחד ונייטרון אחד. זה נמצא בשימוש נרחב בתגובותחטיבה.
Deuterium (סמל כימי D או ²H) הוא איזוטופ יציב של מימן המצוי בטבע בכמויות קטנות במיוחד. גרעין הדויטריום, הנקרא דויטרון, מכיל פרוטון אחד ונייטרון אחד, בעוד שגרעין המימן הנפוץ הרבה יותר מכיל רק פרוטון אחד וללא נויטרונים. לכן, לכל אטום של דאוטריום יש מסה שהיא בערך פי שניים מאטום מימן רגיל, ודוטריום נקרא גם מימן כבד. מים שבהם אטומי מימן רגילים מוחלפים באטומי דאוטריום נקראים מים כבדים.
תכונות עיקריות
מסה איזוטופית של דאוטריום - 2, 014102 יחידות. לדוטריום יש זמן מחצית חיים יציב מכיוון שהוא איזוטופ יציב.
האנרגיה העודפת של דאוטריום היא 13,135.720 ± 0.001 keV. אנרגיית הקישור לגרעין הדאוטריום היא 2224.52 ± 0.20 keV. דאוטריום מתחבר עם חמצן ויוצר D2O (2H2O), הידוע גם בשם מים כבדים. דאוטריום אינו איזוטופ רדיואקטיבי.
דאוטריום אינו מסוכן לבריאות, אך ניתן להשתמש בו ליצירת נשק גרעיני. דאוטריום אינו מיוצר באופן מלאכותי, מכיוון שהוא מצוי בשפע באופן טבעי במי האוקיינוס ויכול לשרת דורות רבים של אנשים. הוא מופק מהאוקיינוס באמצעות תהליך צנטריפוגה.
מימן כבד
מימן כבד הוא שמו של כל אחד מהאיזוטופים הגבוהים יותר של מימן, כגון דאוטריום וטריטיום. אבל לעתים קרובות יותר הוא משמש עבור דאוטריום. המסה האטומית שלו היאבערך 2, והגרעין שלו מכיל פרוטון אחד ונייטרון אחד. לפיכך, המסה שלו כפולה מזו של מימן רגיל. הנייטרון הנוסף בדוטריום הופך אותו לכבד יותר ממימן רגיל, וזו הסיבה שהוא נקרא מימן כבד.
מימן כבד התגלה על ידי הרולד אורי בשנת 1931 - תגלית זו זכה בפרס נובל לכימיה בשנת 1934. Urey חזה את ההבדל בין לחץ האדים של המימן המולקולרי (H2) לבין המולקולה המקבילה עם אטום מימן אחד שהוחלף בדאוטריום (HD), ובכך את האפשרות להפריד את החומרים הללו על ידי זיקוק של מימן נוזלי. דאוטריום נמצא בשאריות מזיקוק מימן נוזלי. הוא הוכן בצורתו הטהורה על ידי ג.נ. לואיס בשיטת הריכוז האלקטרוליטי. כאשר המים מחושמלים, נוצר גז מימן המכיל כמות קטנה של דאוטריום, ולכן הדאוטריום מרוכז במים. כאשר כמות המים מצטמצמת לכמאה אלפיות מנפחם המקורי על ידי אלקטרוליזה מתמשכת, מסופקת תחמוצת דאוטריום כמעט טהורה, המכונה מים כבדים. שיטת הכנת מים כבדים זו שימשה במהלך מלחמת העולם השנייה.
אטימולוגיה וסמל כימי
השם "דאוטריום" בא מהמילה היוונית דיוטרוס, שפירושה "שני". זה מצביע על כך שעם גרעין אטום המורכב משני חלקיקים, דאוטריום הוא האיזוטופ השני אחרי מימן רגיל (או קל).
Deuterium מסומן לעתים קרובות על ידי הכימיקלסמל D. כאיזוטופ של מימן עם מספר מסה של 2, הוא מיוצג גם כ-H. הנוסחה לדאוטריום היא 2H. האיגוד הבינלאומי לכימיה טהורה ויישומית (IUPAC) מאפשר גם D וגם H, למרות ש-H מועדף.
איך משיגים דאוטריום ממים?
השיטה המסורתית של ריכוז דאוטריום במים משתמשת בחילופי איזוטופים בגז מימן גופרתי, אם כי שיטות טובות יותר מפותחות. הפרדה של איזוטופים שונים של מימן יכולה להיעשות גם באמצעות כרומטוגרפיה גז וזיקוק קריוגני, המשתמשים בהבדלים בתכונות הפיזיקליות כדי להפריד בין איזוטופים.
מי דיוטריום
מי דיוטריום, הידועים גם כמים כבדים, דומים למים רגילים. הוא נוצר על ידי שילוב של דאוטריום וחמצן ומסומן כ-2H2O. מי דאוטריום הם צמיגים יותר ממים רגילים. מים כבדים צפופים ב-10.6% ממים רגילים, כך שהקרח של מים כבדים שוקע במים רגילים. עבור חלק מבעלי החיים, מי דאוטריום הם רעילים, בעוד שאחרים יכולים לשרוד במים כבדים, אך יתפתחו בהם לאט יותר מאשר במים רגילים. מי דאוטריום אינם רדיואקטיביים. גוף האדם מכיל כ-5 גרם דאוטריום, והוא אינו מזיק. אם מים כבדים חודרים לגוף בכמויות גדולות (לדוגמה, כ-50% מהמים בגוף הופכים כבדים), זה יכול להוביל לתפקוד לקוי של התאים, ובסופו של דבר למוות.
הבדלים במים כבדים:
- נקודת הקיפאון היא 3.82°C.
- טמפרטורהנקודת הרתיחה היא 101.4 מעלות צלזיוס.
- הצפיפות של מים כבדים היא 1.1056 גרם/מ"ל (מים רגילים הם 0.9982 גרם/מ"ל).
- ה-pH של מים כבדים הוא 7.43 (מים רגילים הם 6.9996).
- יש הבדל קל בטעם ובריח בין מים רגילים למים כבדים.
שימוש בדוטריום
מדענים פיתחו שימושים רבים לדאוטריום ולתרכובותיו. לדוגמה, דאוטריום הוא חומר מעקב איזוטופ לא רדיואקטיבי לחקר תגובות כימיות ומסלולים מטבוליים. בנוסף, זה שימושי לחקר מקרומולקולות באמצעות פיזור נויטרונים. ממיסים מנומרים (כמו מים כבדים) משמשים בדרך כלל בספקטרוסקופיה של תהודה מגנטית גרעינית (NMR) מכיוון שממיסים אלו אינם משפיעים על ספקטרום ה-NMR של התרכובות הנחקרות. תרכובות מפושטות שימושיות גם עבור ספקטרוסקופיה של אינפרא אדום פמט-שנייה. דאוטריום הוא גם דלק לתגובות היתוך גרעיני, שיום אחד יוכל לשמש לייצור חשמל בקנה מידה תעשייתי.
