Химическая энциклопедия

ДЕЙТЕРИЙ (от греч. deuteros-второй) (тяжелый водород) D, стабильный изотоп водорода с мас. ч. 2, ат. м. 2,01416219. Ядро атома Д. - дейтрон состоит из одного протона и одного нейтрона, энергия связи между ними 2,23 МэВ. Поперечное сечение ядерной р-ции (n,g) 53.10^-33 м², поперечное сечение захвата тепловых нейтронов дейтронами 15.10^-32 м² (для протонов 3.10^-29м²). Молекула двухатомна, длина связи 0,07417 нм; осн. частота колебаний атомов 3118,46 см^-1; энергия диссоциации 440 кДж/моль, константа диссоциации К = p²_D/p_D2 = 4,173.10^-73 (293,15 К). С др. изотопами водорода Д. образует молекулы протодейтерия HD (мол. м. 3,02205) и дейтеротрития DT (мол. м. 5,03034). В прибрежной морской воде соотношение D/(D + Н) составляет (155-156).10^-6, в поверхностных водах - (132-151).10^-6, в прир. газе - (110-134).10^-6.
Свойства. Коэф. сжимаемости Д. (pV/RT)при 273,15 К: 1,0121 (2,0266 МПа), 1,0624(10,133 МПа), 1,130(20,266 МПа). С° [в Дж/(моль.К)]: 20,81 (20 К), 30,11 (100 К), 29,30 (298 К); теплопроводность 0,135 Вт/(м.К) (25 К); h 1,23.10^-2 мПа.с (293,15 К). Д. раств. в жидкостях (напр., в бензоле, толуоле, октане, гептане, ССl₄, CS₂) лучше, чем Н₂, причем это различие возрастает с понижением т-ры. Молекула D₂ может находиться в орто- и пара-состояниях. Ортодейтерий (o-D₂) имеет параллельную (одного знака) ориентацию ядерных спинов, а парадейтерий (п-D₂) -антипараллельную. Это обусловливает нек-рое различие магн., оптич. и термич. св-в разл. модификаций. При обычных условиях D₂ (нормальный Д., н-D₂) представляет собой смесь ²/₃ орто- и ¹/₃ пара-модификаций, к-рые могут взаимно превращаться друг в друга (орто-пара-превращение). Каждой данной т-ре соответствует определенный равновесный состав (равновесный Д., p-D₂). Так, доля п-D₂ составляет: 0,333 (при 300 К), 0,251 (60 К), 0,148 (40 К), 0,019 (20 К). При низких т-рах термодинамически стабилен o-D₂. Самопроизвольное орто-пара-превращение при низких т-рах происходит очень медленно, что позволяет получить жидкий Д., близкий по составу к нормальному. Орто-пара-превращение ускоряется в присут. катализаторов (соед. Fe, Сr, Со, Мn, РЗЭ). Св-ва Д. приведены в табл. 1 и 2.

Ур-ние температурной зависимости давления пара над твердым и жидким Д.: lg 0,0075p (Па) = А - В/Т + СT (значения А, В и С приведены в табл. 3).

Теплота испарения o-D₂ (в Дж/моль): 1202,9 (24,25 К), 1029,5 (30,53 К). Твердый D₂ имеет тетрагон, объемноцентрированную решетку, а = 0,338 нм, с = 0,560 нм; т. пл. 18,73 К. Н₂ и D₂ не изоморфны, обнаружена их ограниченная взаимная р-римость в твердом состоянии. При 4,2 К предельная р-римость D₂ в Н₂ ок. 10% по объему, а р-римость Н₂ в D₂ 21%. По хим. св-вам D₂ аналогичен Н₂, однако скорость р-ций при замещении Н на D заметно уменьшается, напр., при окислении орг. соед., взаимод. Н₂ с Сl₂ - в 5-10 раз. При электролизе воды D₂ выделяется медленнее, чем Н₂. Важное практич. значение имеют р-ции изотопного обмена Д. Константа равновесия р-ции Н₂ + D₂ D 2HD составляет: 1,345 (50 К), 2,903 (200 К), 3,44 (373,15 К), 3,80 (700 К). Осуществляют ее в присут. катализатора (Pt, Ni, РЗЭ). Для р-ции НDО_(ж) + D_2(г) D D₂О_(ж) + HD_(г) (где ж -жидкость, г - газ) константа равновесия: 3,96 (223,15 К), 2,92 (323,15 К), 2,40 (373,15 К). Для р-ции Н₂О_(ж) + HD D НDО_(ж) + Н_2(г) константа равновесия: 4,69 (223,15 К), 3,37 (323,15 К), 2,69 (373,15 К). Изотопный обмен между водой и D₂ или HD может протекать в паровой фазе в присут. катализаторов (напр., Ni) или в жидкой под давлением (из-за плохой р-римости изотопов водорода в воде) в присут. катализаторов (в т. ч. гидрофобных) в гомог. или гетерог. системе. Нек-рые р-ции изотопного обмена Н протекают очень быстро, напр., в группах ОН (щелочи, спирты) и NH (NН₃, амины). Важнейшие соед. Д.- тяжелая вода D₂O. Дейтериды соед., аналогичные гидридам. Большое практич. значение имеет дейтерид лития ⁶LiD - ocн. компонент заряда термоядерного (водородного) оружия. Для аналит. определения Д. применяют масс-спектрометрич., спектральные, хроматографич., а также денсиметрические (путем измерения плотности) методы изотопного анализа.
Получение. Д. выделяют гл. обр. из тяжелой воды, напр., электролизом, р-цией с металлами. Д. получают также низкотемпературной ректификацией из электролитич. водорода или азотоводородной смеси для синтеза NH₃ (водород к-рой содержит 250-300 м. д. HD). Исходный водород или азото-водородную смесь после тщательной очистки от примесей (О₂ до 10^-9 мольных долей, остальные газы - до 10^-7-10^-8 мольных долей) сжижают и двухступенчатой ректификацией при 22-24 К выделяют конц. HD. Последний в присут. катализатора превращается в смесь Н₂ + D₂ + HD, из к-рой низкотемпературной ректификацией получают 99,8%-ный D₂. Сжиганием с воздухом или О₂ последний переводят в тяжелую воду.
Применение. Д. (в виде D₂О) - замедлитель нейтронов в ядерных реакторах. Дейтроны, обычно получаемые путем ионизации атомов Д., используются в качестве бомбардирующих частиц в ядерных р-циях, в частности для получения быстрых нейтронов. Д. применяется также как изотопный индикатор в научных исследованиях в химии, биологии, физиологии, агрохимии и др. (в т.ч. в опытах с живыми организмами и при диагностич. исследованиях человека). Соед. Д. используются также при спектроскопич. исследованиях. Изделия из монокристаллов на основе KD₂PO₄ применяются для создания систем управления и преобразования лазерного излучения. Д. - ядерное топливо для энергетики будущего, основанной на управляемом термоядерном синтезе. В первых энергетич. реакторах такого типа предполагается осуществить р-цию D + T D He + n + 17,6 МэВ. Д. открыт Г. Юри с сотрудниками в 1932. Лит.: Выделение дейтерия из водорода методом глубокого охлаждения, М., 1961; Тупицын И. Ф., Тяжелые изотопы водорода, дейтерий и тритий, М., 1961; Андреев Б. М., Зельвенский Я. Д., Катальников С. Г., Тяжелые изотопы водорода в ядерной технике, М., 1987 Я. Д. Зельвенский.