Ισότοπα Υδρογόνου

1Η (πρώτιο), 2Η (δευτέριο) και 3Η (τρίτιο) είναι τα τρία φυσικά ισότοπα υδρογόνου (τρίτιο). Στο εργαστήριο έχουν δημιουργηθεί ασταθείς πυρήνες (4Η έως 7Η), αλλά δεν υπάρχουν στη φύση. Με χρόνο ημιζωής 12,32 χρόνια, το τρίτιο είναι το πιο σταθερό ραδιοϊσότοπο υδρογόνου. Όλα τα βαρύτερα ισότοπα δημιουργούνται τεχνητά και έχουν χρόνο ημιζωής μικρότερο από ένα zeptosecond (10-21 sec). Το πιο σταθερό ισότοπο είναι το 5Η, ενώ το λιγότερο σταθερό είναι το 7Η.

Protium

Η πιο κοινή μορφή ισοτόπου υδρογόνου είναι το 1Η. Ο πυρήνας αυτού του ισοτόπου αποτελείται από ένα μόνο πρωτόνιο, με μάζα 1,007825 AMU. Το υδρογόνο βρίσκεται συνήθως ως το διατομικό αέριο υδρογόνο συμπεριλαμβανομένων άλλων ατόμων. το μονοατομικό υδρογόνο είναι σπάνιο. Με ενθαλπία διάστασης δεσμού 435,88 kJ/mol στους 298 K, ο δεσμός H–H είναι ένας από τους ισχυρότερους της φύσης. Κατά συνέπεια, το Η2 διασπάται μόνο σε μικρή ποσότητα μέχρι να επιτευχθούν υψηλότερες θερμοκρασίες. Ο βαθμός διάστασης στα 3000K είναι μόνο 7,85 τοις εκατό. Τα άτομα υδρογόνου είναι εξαιρετικά αντιδραστικά, συνδυάζονται σχεδόν με κάθε στοιχείο.

Δευτέριο

Το άλλο σταθερό ισότοπο του υδρογόνου είναι το 2H που έχει φυσική αφθονία ~ 156,25 μέρη ανά εκατομμύριο στους ωκεανούς και αποτελεί περίπου το 0,0156 τοις εκατό του συνόλου του υδρογόνου στον πλανήτη. Ο πυρήνας του δευτερίου, γνωστός ως δευτερόνιο, περιέχει ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο (αριθμός μάζας =2), ενώ ο πυρήνας ενός πρωτίου δεν περιέχει νετρόνια. Το δευτέριο έχει περίπου διπλάσια μάζα πρωτίου λόγω του επιπλέον νετρονίου στον πυρήνα (το δευτέριο έχει μάζα 2,014102 amu, σε σύγκριση με τη μέση ατομική μάζα υδρογόνου 1,007947 amu). Το αέριο δευτερίου, με συντομογραφία 2H2 ή D2, βρίσκεται σε μικροσκοπικές ποσότητες στη φύση, αλλά συνήθως βρίσκεται στο σύμπαν συνδεδεμένο με ένα άτομο πρωτίου 1Η, δημιουργώντας δευτερίδιο υδρογόνου.

Το δευτέριο αντιδρά χημικά παρόμοια με το κανονικό υδρογόνο (πρωτίου). Ωστόσο, υπάρχουν διαφορές στην ενέργεια και το μήκος δέσμευσης για σύμπλοκα βαρέων ισοτόπων υδρογόνου που είναι μεγαλύτερες από τις ισοτοπικές διακυμάνσεις οποιουδήποτε άλλου στοιχείου. Οι δεσμοί δευτερίου και τριτίου είναι ελαφρώς ισχυρότεροι από τους αντίστοιχους πρωτίου. Αυτές οι διαφορές είναι αρκετές για να προκαλέσουν σημαντικές αλλαγές στις βιολογικές αποκρίσεις. Το βαρύ νερό (D2O) σχηματίζεται όταν το δευτέριο αντικαθιστά το συμβατικό υδρογόνο στα μόρια του νερού. Το D2O είναι περίπου 10,6 τοις εκατό πιο πυκνό από το κανονικό νερό.

Στα ευκαρυωτικά ζώα, το βαρύ νερό είναι ελαφρώς δηλητηριώδες, με 25% υποκατάσταση του σωματικού νερού που προκαλεί προβλήματα κυτταρικής διαίρεσης και στειρότητα και 50% θάνατο που προκαλείται από κυτταροτοξικό σύνδρομο (ανεπάρκεια μυελού των οστών και ανεπάρκεια γαστρεντερικής επένδυσης ). Η μεγάλη κατανάλωση νερού δεν είναι επιβλαβής για την υγεία των ανθρώπων. Σύμφωνα με εκτιμήσεις, ένα άτομο 70 κιλών μπορεί να καταναλώσει 4,8 λίτρα βαρέος νερού χωρίς σημαντικές επιπτώσεις.

Τρίτιο

Συχνά γνωστό ως τρίτιο, είναι μια άλλη μορφή ισοτόπου υδρογόνου που περιλαμβάνει ένα πρωτόνιο και δύο νετρόνια. Έχει χρόνο ημιζωής 12,32 χρόνια. Το τρίτιο είναι εξαιρετικά σπάνιο στη Γη, όπου ίχνη δημιουργούνται από την αλληλεπίδραση των κοσμικών ακτίνων με την ατμόσφαιρα.

Βαρύτερα, συνθετικά ισότοπα υδρογόνου

Ο πυρήνας του 4H περιλαμβάνει ένα πρωτόνιο και τρία νετρόνια. Στο εργαστήριο, δημιουργήθηκε με ανατίναξη τριτίου με πυρήνες δευτερίου που κινούνται γρήγορα. Οι πυρήνες τριτίου συνέλεξαν νετρόνια από τον ταχέως κινούμενο πυρήνα δευτερίου σε αυτό το πείραμα. Ανιχνεύοντας τα απελευθερωμένα πρωτόνια, προσδιορίστηκε η παρουσία υδρογόνου-4. 4,02781 ± 0,00011 amu είναι η ατομική του μάζα. Έχει χρόνο ημιζωής 1,39 × 10−22 δευτερόλεπτα και διασπάται μέσω της εκπομπής νετρονίων.

Ένα άλλο εξαιρετικά ασταθές ισότοπο βαρέως υδρογόνου είναι το 5H. Ένα πρωτόνιο και τέσσερα νετρόνια αποτελούν τον πυρήνα. Σε ένα εργαστήριο, δημιουργήθηκε με ανατίναξη τριτίου με πυρήνες τριτίου που κινούνται γρήγορα. Δύο νετρόνια από τον έναν πυρήνα τριτίου συλλαμβάνονται από τον άλλο, με αποτέλεσμα έναν πυρήνα με ένα πρωτόνιο και τέσσερα νετρόνια. Το εναπομένον πρωτόνιο μπορούσε να αναγνωριστεί και να προσδιοριστεί το υδρογόνο-5. Έχει χρόνο ημιζωής τουλάχιστον 9,1 × 10−22 δευτερόλεπτα και διασπάται με διπλή εκπομπή νετρονίων.

Το

6H έχει χρόνο ημιζωής 2,90×10−22 δευτερόλεπτα και διασπάται μέσω τριπλής εκπομπής νετρονίων. Ένα πρωτόνιο και πέντε νετρόνια αποτελούν τον πυρήνα.

Τα νετρόνια του ηλίου-8 μεταφέρθηκαν στον πυρήνα του υδρογόνου. Το "τηλεσκόπιο RIKEN", μια συσκευή που αποτελείται από πολυάριθμα στρώματα αισθητήρων τοποθετημένων πέρα ​​από τον στόχο του κυκλοτρονίου δέσμης RI, ανίχνευσε τα δύο εναπομείναντα πρωτόνια.

Συμπέρασμα

Υπάρχουν τρία ισότοπα υδρογόνου στην ατμόσφαιρα. Το υδρογόνο είναι ένα μείγμα δύο μορφών, μιας ορθομορφής και μιας παρά μορφής, που διαφέρουν ως προς τα ηλεκτρονικά και πυρηνικά τους σπιν, εκτός από το ότι είναι μείγμα τριών ισοτόπων. Σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, το ατμοσφαιρικό υδρογόνο αποτελείται από περίπου 34% ορθο-υδρογόνο και 14% παρα-υδρογόνο. Οι φυσικές ιδιότητες των δύο τύπων διαφέρουν ελαφρώς.