Изотопы водорода и кислорода
Изотопы водорода и тяжёлая вода
Атомы одного элемента могут различаться числом нейтронов в ядре. Такие разновидности атомов называют изотопами. У изотопов водорода есть собственные названия: протий, дейтерий и тритий.
| Изотоп | Обозначение | Доля | Особенность |
|---|---|---|---|
| Протий | \(\ce{^1H}\) | 99,985 % | В ядре находится один протон. |
| Дейтерий | \(\ce{^2H}\), D | 0,015 % | Изотоп стабилен. |
| Тритий | \(\ce{^3H}\), T | Следы | Тритий β-радиоактивен; для него \(T_{1/2} = 12{,}3\) года. |
history_eduЮри и открытие тяжёлого водорода
Гарольд Юри в 1931 году испарял жидкий водород и по спектру последних порций обнаружил тяжёлый изотоп. За это открытие он получил Нобелевскую премию в 1934 году. Вскоре Гилберт Льюис получил первые капли чистой \(\ce{D2O}\) многократным электролизом: лёгкая вода разлагается быстрее, поэтому тяжёлая вода постепенно накапливается.
Воду, в молекулах которой атомы водорода заменены дейтерием, называют тяжёлой водой. Замена изотопа изменяет её физические свойства:
| Свойство | \(\ce{H2O}\) | \(\ce{D2O}\) |
|---|---|---|
| Плотность при 25 °C, г/мл | 0,997 | 1,104 |
| Температура плавления, °C | 0 | 3,8 |
| Температура кипения, °C | 100,0 | 101,4 |
| \(pK_w\) | 14,0 | 14,9 |
Замена водорода дейтерием может изменить и скорость реакции. Такое изменение называют кинетическим изотопным эффектом. Энергия нулевых колебаний связи с D ниже, поэтому эта связь прочнее и её разрыв может происходить медленнее, нередко в 5–8 раз. Если после замены H на D реакция замедляется, это может указывать на разрыв связи с водородом на стадии, определяющей скорость реакции. Однако одного замедления недостаточно, чтобы установить механизм реакции.
auto_awesomeТяжёлая вода во Второй мировой войне
Во время Второй мировой войны завод Норск Гидро в Норвегии был единственным крупным производителем тяжёлой воды, которую использовали как замедлитель нейтронов в реакторах. В 1943–1944 годах норвежские диверсанты и британские силы препятствовали её производству и перевозке в Германию: сначала были повреждены установки завода, затем потоплен паром с бочками тяжёлой воды. Немецкий ядерный проект так и не построил работающий реактор.
Изотопные метки
Изотопы одного элемента близки по химическим свойствам, но их можно различить, например, по масс-спектру или по радиоактивности. Поэтому изотоп используют как изотопную метку: вводят его в исходное вещество и выясняют, в какой продукт перешёл отмеченный атом.
edit_noteПроисхождение кислорода при фотосинтезе
Суммарное уравнение фотосинтеза \(\ce{6CO2 + 6H2O -> C6H12O6 + 6O2}\) не показывает, откуда берутся атомы выделяющегося кислорода: из углекислого газа или из воды. В 1941 году Сэмюэл Рубен и Мартин Камен дали водорослям воду, обогащённую \(\ce{^18O}\). Выделившийся кислород тоже оказался обогащён этим изотопом. Следовательно, кислород, выделяющийся при фотосинтезе, происходит из воды. С учётом метки суммарную реакцию записывают так: \(\ce{6CO2 + 12H2^{18}O -> C6H12O6 + 6^{18}O2 + 6H2O}\).
edit_noteПроисхождение атомов кислорода при этерификации
В реакции \(\ce{CH3COOH + CH3^{18}OH -> CH3CO^{18}OCH3 + H2O}\) меченый атом кислорода из спирта остаётся в эфире, а вода не содержит метки. Следовательно, при этерификации кислота отдаёт группу OH, а спирт — водород этой группы.
Изотопная метка полезна и тогда, когда атомы переходят из одной молекулы в другую без образования нового вещества. Такой процесс называют изотопным обменом.
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, обычно быстро обмениваются с растворителем, а протоны, связанные с C, в тех же условиях обычно не обмениваются. По такому обмену в спектрах ЯМР распознают протоны, способные переходить к растворителю.
- \(\ce{^6Li + ^1n -> ^3H + ^4He}\) — ядерная реакция, которую используют в реакторах для получения трития (она не относится к изотопному обмену).
Изотопы кислорода и их применение
Природный кислород содержит три изотопа: \(\ce{^16O}\) (99,76 %), \(\ce{^17O}\) (0,04 %) и \(\ce{^18O}\) (0,20 %). Изотопный состав воды зависит от её испарения и конденсации. Поэтому отношение \(\ce{^18O/^16O}\) в древних осадках помогает восстанавливать климат прошлого.
auto_awesomeИзотопный состав льда как показатель климата
Молекулы \(\ce{H2^{16}O}\) испаряются немного 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.
Различия между изотопами кислорода применяют не только для изучения климата. Одни изотопы служат исходным материалом для получения других, а некоторые позволяют наблюдать атомы кислорода методом ЯМР.
scienceПрименение изотопов в медицине и науке
- \(\ce{^18O}\)-вода — служит сырьём для получения \(\ce{^18F}\) в циклотроне (\(\ce{^18O + p -> ^18F + n}\)); полученный изотоп применяют для позитронной томографии.
- \(\ce{H2^{17}O}\) — служит ЯМР-меткой, поскольку у \(\ce{^16O}\) и \(\ce{^18O}\) нет ядерного спина.
- Дейтерированные растворители (\(\ce{CDCl3}\), \(\ce{D2O}\)) — используются в ЯМР-спектроскопии, поскольку практически не создают мешающих сигналов протонов растворителя.
boltМолярная масса природной воды
Молярная масса природной воды с учётом всех изотопов составляет 18,015 г/моль. В задачах с изотопами используйте приведённые значения атомных масс: \(\ce{H}\) 1,008, D 2,014, \(\ce{^16O}\) 15,995, \(\ce{^18O}\) 17,999.
push_pinГлавное
У водорода есть три изотопа: протий \(\ce{^1H}\), дейтерий \(\ce{^2H}\) (D, 0,015 %) и радиоактивный тритий \(\ce{^3H}\) (T, \(T_{1/2} = 12{,}3\) года). Их массы различаются вдвое-втрое, поэтому изотопные эффекты у водорода особенно заметны: \(\ce{D2O}\) плотнее обычной воды (1,104 г/мл), замерзает при 3,8 °C, а разрыв связи O–D в реакции может происходить медленнее разрыва связи O–H. Изотопы кислорода — \(\ce{^16O}\), \(\ce{^17O}\) и \(\ce{^18O}\) (0,2 %) — используют как метки и для изучения климата. Метка \(\ce{^18O}\) показала, что кислород, выделяющийся при фотосинтезе, происходит из воды, а при этерификации кислота отдаёт группу OH.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.