Изотопы водорода и кислорода
Изотопы водорода и тяжёлая вода
| Изотоп | Обозначение | Доля | Особенность |
|---|---|---|---|
| протий | \(\ce{^1H}\) | 99,985 % | ядро — протон |
| дейтерий | \(\ce{^2H}\), D | 0,015 % | стабилен |
| тритий | \(\ce{^3H}\), T | следы | β-радиоактивен, \(T_{1/2} = 12{,}3\) года |
history_eduЮри и тяжёлый водород
Гарольд Юри в 1931 году испарял жидкий водород и в последних порциях по спектру нашёл тяжёлый изотоп. Нобелевская премия 1934 года. Вскоре Гилберт Льюис получил первые капли чистой \(\ce{D2O}\) многократным электролизом: лёгкая вода разлагается быстрее, и тяжёлая накапливается.
| Свойство | \(\ce{H2O}\) | \(\ce{D2O}\) |
|---|---|---|
| плотность при 25 °C, г/мл | 0,997 | 1,104 |
| т. пл., °C | 0 | 3,8 |
| т. кип., °C | 100,0 | 101,4 |
| \(pK_w\) | 14,0 | 14,9 |
Кинетический изотопный эффект. Связь с D прочнее (ниже нулевая энергия колебаний), и её разрыв медленнее в 5–8 раз. Если скорость реакции уменьшается при замене H на D, значит, в лимитирующей стадии рвётся связь с водородом.
auto_awesome«Тяжеловодная битва»
Во время Второй мировой войны завод Норск Гидро в Норвегии был единственным крупным производителем тяжёлой воды — замедлителя нейтронов для реакторов. В 1943–1944 годах норвежские диверсанты и британские силы сорвали вывоз тяжёлой воды в Германию: сначала подорвали цеха, затем потопили паром с бочками. Немецкий ядерный проект так и не построил работающий реактор.
Изотопные метки
Изотоп — «метка», которая позволяет проследить путь атома в реакции. Химически он почти не отличается, но его видно в масс-спектре или по радиоактивности.
edit_noteОткуда кислород фотосинтеза
\(\ce{6CO2 + 6H2O -> C6H12O6 + 6O2}\) — откуда \(\ce{O2}\): из углекислого газа или из воды? В 1941 году Сэмюэл Рубен и Мартин Камен дали водорослям воду, обогащённую \(\ce{^18O}\): выделившийся кислород был обогащён так же. Кислород фотосинтеза — из воды. Правильная запись: \(\ce{6CO2 + 12H2^{18}O -> C6H12O6 + 6^{18}O2 + 6H2O}\).
edit_noteКто теряет OH при этерификации
\(\ce{CH3COOH + CH3^{18}OH -> CH3CO^{18}OCH3 + H2O}\): метка остаётся в эфире, вода — без метки. Значит, кислота отдаёт группу OH, а спирт — только водород.
scienceИзотопный обмен
- \(\ce{H2O + D2O <=> 2HDO}\) — в смеси быстро устанавливается равновесие (\(K \approx 3{,}8\), близко к статистическому 4).
- \(\ce{NH4+ + D2O <=> NH3D+ + HDO}\) — протоны, связанные с N и O, обмениваются с растворителем быстро, связанные с C — нет. Так в спектрах ЯМР узнают «подвижные» протоны.
- \(\ce{^6Li + ^1n -> ^3H + ^4He}\) — получение трития в реакторах.
Изотопы кислорода и их применение
Кислород: \(\ce{^16O}\) (99,76 %), \(\ce{^17O}\) (0,04 %), \(\ce{^18O}\) (0,20 %). Небольшие различия в скорости испарения и конденсации изотопных молекул воды делают отношение \(\ce{^18O/^16O}\) «термометром» прошлого.
auto_awesomeПалеотермометр
Молекулы \(\ce{H2^{16}O}\) испаряются чуть легче, чем \(\ce{H2^{18}O}\). В холодные эпохи снег, выпадавший в Антарктиде, был беднее \(\ce{^18O}\). По изотопному составу ледяных кернов станции «Восток» восстановили климат Земли за 400 тысяч лет — четыре ледниковых цикла.
scienceИзотопы в медицине и науке
- \(\ce{^18O}\)-вода — сырьё для получения \(\ce{^18F}\) в циклотроне (\(\ce{^18O + p -> ^18F + n}\)) для позитронной томографии.
- \(\ce{H2^{17}O}\) — ЯМР-метка (у \(\ce{^16O}\) и \(\ce{^18O}\) нет ядерного спина).
- Дейтерированные растворители (\(\ce{CDCl3}\), \(\ce{D2O}\)) — стандарт в ЯМР-спектроскопии: они не дают сигналов протонов.
boltСредняя молярная масса
Молярная масса природной воды — 18,015 г/моль (с учётом всех изотопов). Для задач с изотопами берите массы нуклидов: \(\ce{H}\) 1,008, D 2,014, \(\ce{^16O}\) 15,995, \(\ce{^18O}\) 17,999.
push_pinГлавное
Протий \(\ce{^1H}\), дейтерий \(\ce{^2H}\) (D, 0,015 %), тритий \(\ce{^3H}\) (T, радиоактивен, \(T_{1/2} = 12{,}3\) года). Изотопы водорода различаются по массе вдвое-втрое — изотопные эффекты у них самые сильные: \(\ce{D2O}\) плотнее (1,104 г/мл), замерзает при 3,8 °C, реакции со связью O–D медленнее. Кислород: \(\ce{^16O}\), \(\ce{^17O}\), \(\ce{^18O}\) (0,2 %). Метка \(\ce{^18O}\) показала, что кислород фотосинтеза — из воды, а при этерификации кислота теряет OH.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.