氘（氢的同位素）
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更新时间：2023-05-17
氘
氢的同位素
基本信息
| 中文名 | 氘 |
| 外文名 | deuterium |
| 别名 | 重氢 |
| 化学式 | D或2H |
| 分子量 | 4.032 |
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元素性质
简介
氘（deuterium）为氢的一种稳定形态同位素，也被称为重氢，元素符号一般为D或2H。它的原子核由一颗质子和一颗中子组成。在大自然的含量约为一般氢的7000分之一。
主要用途
氘
理化性质
【三相点】-254.4℃；
【气液容积比】（15℃，100kPa）：974L/L；
压强（kPa）
100
1000
5000
10000；
温度（℃）
15
50
1.0087
1.0008
1.0060
1.0057
1.0296
1.0296
1.0600
1.0555；
【临界温度】：-234.8℃；
【临界密度】66.8g/cm3；
【溶化热】（-254.5℃）（平衡态）：48.84kJ/kg；
【气化热】ΔHv（-249.5℃）：305kJ/kg；
【比热容】（101.335kPa，25℃，气体）：Cp=7.243kJ/（kg·℃），Cv=5.178kJ/（kg·℃）；
【蒸气压强】
（正常态，17.703）：10.67kPa；
（正常态，21.621）：53.33kPa；
（正常态，24.249K）： 119.99kPa；
【粘度】
（气体，正常态，101.325kPa，0℃）：0.010lmPa·S；
（液体，平衡态，-252.8℃）：0.040mPa·s；
【表面张力】（平衡态，-252.8℃）：3.72mN/m；
（气体101.325kPa，0℃）：0.1289w/（m·K）；
（液体，-252.8℃）：1264W/（m·K）；
【折射系数】nv（101.325kPa，25℃）：1.0001265；
【空气中的燃烧界限】5%～75%（体积）；
【易燃性级别】4；
【毒性级别】0；
【易爆性级别】1；重氢在常温常压下为无色无嗅无毒可燃性气体，是普通氢的一种稳定同位素。它在通常水的氢中含0.0139%～0.0157%。其化学性质与普通氢完全相同，但因质量大，反应速度小一些。
发现历史
制备方法
液氢精馏法
氘在天然氢中的含量为0.0139%~0.0156%，D2的沸点为23.5K，H2为20.38K，HD（氘化氢）的沸点为22.13K。由精馏液氢来制取氘气，理论上是完全可能的。在低温精馏时首先浓缩的是HD，HD必须经催化剂转化为D2，HD、H2的平衡混合后才能继续精馏浓缩。低温精馏分离氢同位素的流程主要有4种，即四塔流程、三塔流程、二塔流程及带有侧线返回进料平衡装置的二塔流程。
纯化技术
杂质氧气的脱除，杂质氧气主要来源于电解水分解的氧，同时也有管路系统的渗透而引入的氧，利用脱氧催化剂进行杂质氧的脱除。
杂质HD的脱除，电解重水制取的氘气中含量最大的杂质是HD，HD的去除可采用热循环吸附工艺（TCAP），该方法使用的工作介质是Pd-Al2O3，HD含量也可利用活性氧化铝、分子筛等在催化剂作用下通过低温吸附分离来降低。
杂质H2的脱除，氘中杂质H2的去除可采用钯膜或金属氢化物法，特别是对于重水电解所得氘气的净化非常合适。氢和氘在金属中都以原子状态存在，氢在金属中的吸附力大于氘，氢杂质优先牢固吸附在金属中形成氢化物，由此氘中氢就被除去，高纯氘流出。经过一定的时间再将氢化物进行加温、真空脱附等措施，从而获得高纯氘。
应用
包装与储运
氘气属是有窒息性和易燃易爆性的气体，一般采用带有CGA350阀门的40L专用钢瓶包装。包装的气瓶上均有使用的年限，凡到期的气瓶必须送往有部门进行安全检验，方能继续使用。氘气瓶装气体产品为高压充装气体，使用时应经减压降压后方可使用。每瓶气体在使用到尾气时，应保留瓶内余压在0.5 MPa，最小不得低于0.25 MPa余压，并将瓶阀关闭，以保证气体质量和使用安全。
氘气瓶装气体产品在运输储存、使用时都应分类堆放，应贮存于阴凉、通风场所，温度不宜超过30 ℃，场所需配置相应品种和数量的消防器材。严禁可燃气体与助燃气体堆放在一起，不准靠近明火和热源，应做到勿近火、勿沾油蜡、勿暴晒、勿重抛、勿撞击，严禁在气瓶身上进行引弧或电弧，严禁野蛮装卸。搬运时轻装轻卸，防止气瓶及附件破损。
发现者
同位素这个名词的西文isotope是英国人索迪（F.Soddy，1877-1956）于1911年开始使用的。后来，另一位英国人阿斯顿（F.W.Aston，1877-1945）在1919年制成了质谱仪，可以用来分离不同质量的粒子，并且测定它们的质量。这就把研究同位素的方法提高了一大步。阿斯顿先后利用质谱仪发现了很多元素的同位素，他在71种元素之中，陆续找到了202种同位素之多，这为我们认识同位素，开始积累了大量资料。
最引人关注的是，氢有没有同位素的问题。为了寻找氢的同位素，人们前后用了十几年的时间，而没有得出肯定的结果。1931年初，有人从理论上推导，认为应该有质量数为2的氢同位素存在，并且估算出2H：1H=1：4500的比例。1931年年底，美国哥伦比亚大学的尤里教授和他的助手们，把四升液态氢在三相点14°K下缓慢蒸发，最后只剩下几立方毫米液氢，然后用光谱分析。结果在氢原子光谱的谱线中，得到一些新谱线，它们的位置正好与预期的质量为2的氢谱线一致，从而发现了重氢。尤里对它定了一个专门名，称“deuterium”（中文译为“氘”，符号“D”）。后来英、美的科学家们又发现了质量为3的“tritium”（中文译为“氚”，符号“T”），是具有放射性的另一重要氢同位素。
氘的发现是科学界在二十世纪三十年代初的一件大事。尤里因此在1934年荣获了诺贝尔化学奖金。他的声誉从此飞跃，可是他并未停止不前，后来还继续完成了很多重要研究工作。现在最常见的是氧化氘（又名重水），它的主要特性：氧化氘最大密度的温度是11.22℃（普通水是4.08℃），熔点是3.82℃，沸点是101.42℃，这些特性与普通水都大不相同。重水易于用电解水而取得，所以电费低廉的北欧能大量生产。后来重水成为制造氢弹的重要材料之一。
以上简单地叙述了一下氘和重水，是想由此引起人们对这位化学家尤里的重视。他是去年一月六日才以八十六岁的高龄病故的。下面(此文发表于1982年—编者注)扼要地介绍他的生平和业绩，表示我们对他的敬念。哈罗德·克莱顿·尤里（HaroldClaytonUrey）于1893年4月29日生在美国西北部印第安纳州的一个农民家庭里。中学毕业之后，他先在一个农村的小学里教了三年书。后来才进了蒙大拿州立大学，他当时的主修课是生物学，以化学作为副系。可是他一生的主要成就，却由副系化学提供了基础。他毕业后得到了奖学金，从1921年到1923年在美国加州大学进修。成绩优异，三十岁时，取得了博士学位。1923年他又得了出国进修的奖学金，去丹麦跟波尔教授专门研究原子结构理论。尤里回国以后，先在约翰·霍普金斯大学担任讲师。1929年到哥伦比亚大学担任化学系副教授，他在这里和别人合作，写了一本专着，书名是《原子、分子和量子》（Atoms、MoleculesandQuanta）。这是用英文写的关于量子力学的名着之一。这说明了尤里对于量子力学和热力学，以及核结构的成就，本来早已经达到相当高的水平了。在这期间，他用光谱法发现了惊人的氢同位素之一，氘。尤里从此以后，成为同位素化学方面公认的权威。经过他的研究，使同位素的分离开始有了化学方法。由于这种方法的成功，很多同位素才成为化学的、生物学的、地质学等方面的示踪物。在二次世界大战时，他利用同位素化学的丰富知识对最后战胜日本起了重大的作用。过去同位素的分离，只是在极小的范围内，用实验室的规模进行的。二次大战期间，尤里领导了一批助手，使重水分离和铀同位素的大规模分离，这一技术方面的成功，便使第一批原子弹的生产成为可能。战后，尤里接受了芝加哥大学的聘请，担任教授。在这里，他发表了一篇极重要的论文，这篇论文的题目是《同位素物质的热力学性质》。此后，尤里利用了高度精确的质谱仪，来检验地质和海洋中的氧同位素的百分比。由于这项技术的成功，他能相当准确地计算出七千万年前海洋的温度。
他在1952年发表了宇宙间元素丰度的数据，发展了元素起源和宇宙学理论。地的专着《行星：其起源和发展》（ThePlanets：TheirOriginandDevelopment）一书中，从化学过程来讨论太阳系演化的学说，指出行星是由围绕在原始太阳周围的尘埃聚集成的。地球的原始大气应当和现在的木星大气相似，主要由甲烷、氨和氢所组成。地球现在的大气是经几个长期阶段的变化形成的。1953年尤里和学生米勒（StanleyL.Miller）设计了一套仪器，模拟原始地球大气的成份和条件，在甲烷、氨、氢和水蒸气混合物中，连续进行了一星期的火花放电后，形成了十多种氨基酸。这说明了原始大气产生蛋白质的可能。这为研究生命起源问题开展了重要途径。1968年他六十五岁时，被加州大学聘为海洋研究所的高级研究员，他又提出了太阳系由陨石形成的理论，并认为在别的行星上也可能产生生命。尤里还是研究月球表面的专家。阿波罗登月取回月岩的样品，就是由尤里主持参加研究的。在海盗号火箭探索火星计划中，尤里又担任重要顾问。尤里在四十一岁时荣获诺贝尔化学奖外，他还先后得到各国政府、学术团体和科学组织授予的三十多种奖章和奖品，美国一些大学授给他十六个荣誉博士学位，其他国家的大学也曾授予他九个荣誉学位。这说明了世界上学术界对他的科学成就之重视。在尤里一生的最后十年中，他把很多精力放在反对原子武器的破坏作用上。他早就认为美国不可能独占核武器，他主张美国和苏联都应当减少原子武器，使世界长期和平可能达到。他在临终之前，还一再强调，原子能只能用于和平目的。他多年来所做的大量公开讲演讲和文字呼吁，曾经得到美国好些知识分子的同情，尽管有人不同意尤里的一些观点，但没有人怀疑，他的主张是真诚的和发自内心的。哈罗德。尤里的业绩将永垂于化学史上。
危害人体
如果把氘（或者说重水）说成是有毒物质是完全错误的。这就好像空气一样，空气中约4/5是氮气，这对生物是没有任何危害的。如果空气中氮气比例过高，人就会窒息而亡，但这并不说明氮气是有毒气体。同样道理，普通水中含有微量的重水，这对生命并没有影响，当重水含量很高时，人体会受到伤害，而这也并不说明氘是有毒物质。
研究发现
参考资料
[1]
日本研究发现宇宙中氘元素的藏身之处 · 今日头条-环球网[引用日期2022-12-27]
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