Изотопы водорода и свойства его соединений

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВПО «Чувашский государственный педагогический университет

 им. И. Я. Яковлева»

 

 

кафедра химии и биосинтеза

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

 

ЗАРИПОВА АЛИНА ФЕРИТОВНА

 

Изотопы водорода и свойства его соединений

 

факультет естествознания и дизайна среды

гр. ЕХБ-1

Научный руководитель: доцент, Ю. Ю. Пыльчикова

 

Работа представлена на кафедру «__» __________2013 г.

Защита состоялась  «__» __________2013 г., прот. №__        

Результат  _______________ Ю. Ю. Пыльчикова   

    (удовлетворительно, хорошо, отлично)

 

Заведующий кафедрой

д-ор хим. наук, профессор Ю. Н. Митрасов

«__» __________2013 г.

 

 

Чебоксары – 2013

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

В день, когда его запасы иссякнут, жизнь во Вселенной прекратится. Погаснет солнце, не станет воды... Вещество, без которого жизнь невозможна, «сидит» в самом центре нашей планеты - в ядре и вокруг него, и оттуда «мигрирует» наружу. Этот газ -  начало всех начал. Его название - «водород».

Конечно, современная жизнь на Земле возникла при определенном потенциале кислорода. Но если быть объективным, то началом всех начал на нашей планете мы обязаны водороду. Именно динамический цикл водорода, процесс его поступления из недр Земли, а не углерода, как было принято считать раньше, и стал источником зарождения жизни на Земле.  

Каждую секунду Солнце излучает в космическое пространство энергию, эквивалентную примерно 4 млн. т массы. Эта энергия рождается в ходе слияния четырех ядер водорода, протонов, в ядро гелия. На Земле такую реакцию ещё никто не наблюдал: она идёт при температуре и давлении, существующих лишь в недрах звезд и еще не освоенных человеком. Наше Солнце, по меньшей мере, наполовину состоит из водорода. Всего на Солнце обнаружено 69 химических элементов, но водород преобладает. Его в 5,1 раза больше, чем гелия, и в 10 тыс. раз (не по весу, а по числу атомов) больше, чем всех металлов, вместе взятых - этот водород расходуется не только на производство энергии. В ходе термоядерных процессов из него образуются новые химические элементы, а ускоренные протоны выбрасываются в околосолнечное пространство.

Сейчас в земной коре из каждых 100 атомов 17 - это атомы водорода. Но свободного водорода на Земле практически не существует: он входит в состав воды, минералов, угля, нефти, живых существ... Только вулканические газы иногда содержат немного водорода, который в результате диффузии рассеивается в атмосфере. А так как средняя скорость теплового движения молекул водорода из-за их малой массы очень велика - она близка ко второй космической скорости, – то из слоев атмосферы эти молекулы улетают в космическое пространство.

Биологическое значение водорода определяется тем, что он входит в состав молекул воды и всех важнейших групп природных соединений, в том числе белков, нуклеиновых кислот, липидов, углеводов. Примерно 10 % массы живых организмов приходится на водород. Способность водорода образовывать водородную связь играет решающую роль в поддержании пространственной четвертичной структуры белков, а также в осуществлении принципа комплементарности в построении и функциях нуклеиновых кислот (то есть в хранении и реализации генетической информации), вообще в осуществлении «узнавания» на молекулярном уровне. Водород (ион Н+) принимает участие в важнейших динамических процессах и реакциях в организме - в биологическом окислении, обеспечивающим живые клетки энергией, в фотосинтезе у растений, в реакциях биосинтеза, в азотфиксации и бактериальном фотосинтезе, в поддержании кислотно-щелочного равновесия и гомеостаза, в процессах мембранного транспорта.

Таким образом, наряду с кислородом (O) и углеродом (C) водород образует структурную и функциональную основы явлений жизни.

Водород используется в производстве аммиака, метанола, хлороводорода, для гидрирования растительных жиров (при выработке маргарина), также для восстановления металлов (молибдена, вольфрама, индия) из оксидов. Водород-кислородным пламенем (3000°С) сваривают и режут тугоплавкие металлы и сплавы. Жидкий водород служит ракетным топливом. При гидрогенизации угля и нефти бедные водородом низкосортные виды топлива превращаются в высококачественные. Водород используют для охлаждения мощных генераторов электрического тока, а его изотопы находят применение в атомной энергетике. Почти в каждой домашней аптечке имеется пузырек 3%-ого  раствора перекиси водорода Н2О2. Его используют для дезинфекции ран, остановке кровотечений.

Водород повсюду, поэтому более глубокое освещение данной темы поможет каждому человеку понять сущность многих явлений в его жизни. Этим и обусловлена актуальность рассматриваемой темы курсовой работы,

Итак, целью представленной курсовой работы является - исследовать такой вопрос как изотопы водорода и свойства его соединений.

Поставленная цель раскрывается через следующие задачи:

1. дать общую характеристику водорода;
2. кратко рассмотреть такой изотоп водорода как протий;
3. охарактеризовать дейтерий и рассмотреть его соединения;
4. охарактеризовать тритий и также рассмотреть его соединения;
5. подвести итоги проделанной работы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 1. Общая характеристика Водорода 

Еще средневековый ученый Парацельс заметил, что при действии кислот на железо выделяются пузырьки какого-то «воздуха». Но что это такое, он объяснить не мог. Теперь известно, что это был водород.

 «Водород представляет  пример газа, – писал Д. И. Менделеев, – на первый взгляд не отличающегося  от воздуха... Парацельс, открывший, что при действии некоторых  металлов на серную кислоту  получается воздухообразное вещество, не определил его отличия от воздуха. Действительно, водород бесцветен и не имеет запаха, так же, как и воздух; но, при ближайшем знакомстве с его свойствами, этот газ оказывается совершенно отличным от воздуха».

Выделение горючего газа при взаимодействии кислот и металлов наблюдали в XVI-XVII  веках на заре становления химии как науки. Знаменитый английский физик и химик Г. Кавендиш в 1766 г. исследовал этот газ и назвал его «горючим воздухом». При сжигании «горючий воздух» давал воду, но приверженность Кавендиша теории флогистона помешала ему сделать правильные выводы. Французский химик А. Лавуазье совместно с инженером Ж. Менье, используя специальные газометры, в 1783 г. осуществил синтез воды, а затем и ее анализ, разложив водяной пар раскаленным железом. Таким образом, он установил, что «горючий воздух» входит в состав воды и может быть из нее получен. В 1787 г. Лавуазье пришел к выводу, что «горючий воздух» представляет собой простое вещество, и, следовательно, относится к числу химических элементов. Он дал ему название hydrogene (от греческого hydor — вода и gennao — рождаю) — «рождающий воду». Установление состава воды положило конец «теории флогистона». Русское наименование «водород» предложил химик М. Ф. Соловьев в 1824 году. На рубеже XVIII-XIX века было установлено, что атом водорода очень легкий (по сравнению с атомами других элементов), и вес (масса) атома водорода был принят за единицу сравнения атомных масс элементов. Массе атома водорода приписали значение, равное 1.

Водород — наиболее распространенный элемент во Вселенной. Он обычен и на Земле: занимает третье место в ряду по распространенности  (после кислорода и кремния). На водород в химически связанной форме приходится около 15,4% всех атомов в земной коре и океанах. По массе это девятый по распространенности элемент (0,9%) и десятый (0,15%), если рассматривать только горные породы земной коры. Фактически водород образует больше химических соединений, чем любой другой элемент, включая углерод.

Массы атомов у изотопов водорода различаются между собой очень сильно (в разы). Это приводит к заметным различиям в их поведении в физических процессах (дистилляция, электролиз и др.) и к определенным химическим различиям (различия в поведении изотопов одного элемента называют изотопными эффектами, для водорода изотопные эффекты наиболее существенны). Поэтому в отличие от изотопов всех остальных элементов изотопы водорода имеют специальные символы и названия. Водород с массовым числом 1 называют легким водородом, или протием (лат. Protium, от греческого protos - первый), обозначают символом Н, а его ядро называют протоном, символ р. Водород с массовым числом 2 называют тяжелым водородом, дейтерием (лат Deuterium, от греческого deuteros - второй), для его обозначения используют символы 2Н, или D ядро d - дейтрон. Радиоактивный изотоп с массовым числом 3 называют сверхтяжелым водородом, или тритием (лат. Tritum, от греческого tritos - третий), символ 3Н или Т, ядро t - тритон.

 

 

 

 

 

Глава 2. Изотопы водорода

2.1.Протий

Обычный водород, протий (1H) всегда представляет собой протон, вокруг которого вращается один электрон, находящийся от протона на огромном расстоянии (относительно размеров протона). Обе частицы обладают спином, поэтому атомы водорода могут различаться либо спином электрона, либо спином протона, либо и тем, и другим. Водородные атомы, различающиеся спином протона или электрона, называются изомерами. Комбинация двух атомов с параллельными спинами приводит к образованию молекулы "ортоводорода", а с противоположными спинами протонов - к молекуле "параводорода". Химически обе молекулы идентичны. Ортоводород имеет очень слабый магнитный момент. При комнатной или повышенной температуре оба изомера, ортоводород и параводород, находятся обычно в равновесии в соотношении 3:1. При охлаждении до 20 K (-253° C) содержание параводорода возрастает до 99%, так как он более стабилен. При сжижении методами промышленной очистки ортоформа переходит в параформу с выделением теплоты, что служит причиной потерь водорода от испарения. Скорость конверсии ортоформы в параформу возрастает в присутствии катализатора, например древесного угля, оксида никеля, оксида хрома, нанесенного на глинозем.

Протий - необычный элемент, так как в ядре его нет нейтронов. Он составляет 99,9885 ±0,0070% от общего числа атомов водорода во Вселенной и является наиболее распространённым нуклидом в природе среди изотопов всех химических элементов.

2.2.Дейтерий

Дейтерий, тяжёлый водород (D и 2H) - стабильный изотоп водорода с атомной массой, равной 2. Ядро (дейтрон) состоит из одного протона и одного нейтрона. Природное содержание - 0,0115 ± 0,0070 %. Дейтерий был открыт в 1932 г. американским физико-химиком Г. Юри. После того как дейтерий был обнаружен спектроскопически, Эдвард Уошберн предложил разделять изотопы водорода электролизом. 

Дейтерий - верный спутник протия. Там, где есть природная вода или другие водородные соединения, там есть и дейтерий. Основная масса водорода, имеющаяся в природе, входит составной частью в молекулы различных химических соединений. Вместе с углеродом и другими элементами водород образует сложные молекулы живых организмов, нефти, природных газов и так далее. Но самым распространенным химическим соединением водорода является его соединение с кислородом - вода. В воде содержится повесу 11,11%  водорода. При разложении воды его выделяется по объему в два раза больше, чем кислорода. Общее количество воды на Земле, исчисляемое в тоннах, выражается числом с пятнадцатью нулями. Примерно десятую часть от этого количества составляет протий и две стотысячных части - дейтерий. Таким образом, на нашей планете только в воде содержится несколько десятков миллиардов тонн дейтерия.

Дейтерий может быть выделен из любого вещества, который имеет в своем составе водород. Но так как в заметных количествах дейтерий нигде в природе не концентрируется, то для его получения предпочтительнее использовать самое распространенное, легкодоступное и дешевое сырье - обычную воду. Из природной воды можно выделить сначала тяжелую воду, а из нее, например, путем разложения электрическим током получить дейтерий. Но выделить из огромной массы природной воды содержащиеся в ней крохотные количества тяжелой воды очень трудно. Надо переработать тысячу литров воды, чтобы получить всего с полстакана этого драгоценного вещества.

Самый ранний и, по-видимому, лучший метод получения дейтерия - разложение природной воды электрическим током. Основой этому методу послужило наблюдение Юри  и Уошберна, которые заметили, что тяжелая вода разлагается электрическим током труднее на дейтерий и кислород, чем обычная вода на протий и кислород. Поэтому к концу электролиза в оставшейся жидкости концентрация тяжелой воды должна увеличиваться. В производственных условиях электролиз ведут в специальных ваннах. В них протекают те же процессы, что и в маленьком сосуде, в котором химик разлагает воду при анализе. К погруженным внутрь ванны электродам подводится постоянный (одного направления) электрический ток, достигающий тысячи и более ампер, но малого напряжения (всего 2,5 - 3,5В). В ванну наливается обычная вода. Для повышения ее электропроводности добавляется щелочь. Когда основная масса воды разложится, электролиз прекращают. В небольшом количестве оставшейся после электролиза жидкости концентрация тяжелой воды повышается в несколько раз. Чтобы получить чистую тяжелую воду, надо первоначальный объем воды уменьшить в несколько тысяч раз. По мере увеличения концентрации тяжелой воды на электродах наряду с протием выделяется все большее и большее количество дейтерия. Таким образом, на практике одна и та же порция воды многократно подвергается электролизу. Все это связано с большим расходом энергии. На производство одного килограмма тяжелой воды приходится затрачивать свыше 130 000 киловатт-часов электроэнергии. Этой энергии хватило бы для 100-ваттной электрической лампы на 150 лет непрерывного горения.

Температура плавления дейтерия- 254,5 ºC, а температура кипения – 249,5 ºC. Дейтерий растворяется в жидкостях (например, в бензоле, толуоле, октане, гептане, ССl4, CS2) лучше, чем газообразный водород, причем это различие возрастает с понижением температуры.

Молекула D2 может находиться в орто- и пара-состояниях. Ортодейтерий (o-D) имеет параллельную (одного знака) ориентацию ядерных спинов, а парадейтерий (п-D2) - антипараллельную. Это обусловливает различие магнитных, оптических и термических свойств различных модификаций дейтерия. При обычных условиях дейтерий (нормальный н - D2) представляет собой смесь 2/3 орто- и 1/3 пара-модификаций, которые могут взаимно превращаться друг в друга (орто-пара-превращение). Самопроизвольное орто-пара-превращение дейтерия при низких температурах происходит очень медленно, что позволяет получить жидкий дейтерий, близкий по составу к нормальному. Орто - пара-превращение ускоряется в присутствии катализаторов (Fe, Сr, Со, Мn, Pd).