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📜  重水——定义、发生、制备、性质

📅  最后修改于: 2022-05-13 01:57:10.293000             🧑  作者: Mango

重水——定义、发生、制备、性质

化学元素氢的符号为 H，原子序数为 1。最轻的元素是氢。在正常情况下，氢气是由分子式为H 2的双原子分子组成的气体。它无味、无色、无毒且极易燃。氢是宇宙中最丰富的化学元素，约占所有普通物质的 75%。例如，太阳主要由处于等离子体状态的氢组成。地球上的大部分氢以分子形式存在，如水和有机物质。最常见的氢同位素（符号1 H）的每个原子都有一个质子、一个电子和没有中子。

质子（氢的原子核）的产生始于早期宇宙大爆炸后的第一秒。在重组期间，当等离子体冷却到足以让电子与质子保持结合时，大约 37 万年后，中性氢原子出现在整个宇宙中。

什么是重水？

重水的发生

当普通水中的两个氢原子被氘原子取代时，就会产生重水。氧化氘 D2O 是化学重水。

Urey 因发现重水而受到赞誉。在大约 6000 份的普通水中，发现了一份重水。刘易斯和唐纳德能够使用连续电解从含有微量碱的水中提取几毫升纯重水。它是在喜马拉雅山脉的积雪融化后留下的残渣中发现的。在榕树叶和降雨中也可以检测到微量元素。

重水的制备

  • 重水多级电解

电解水时，氢气的释放速度明显快于氘。结果，H 2 O 键比D 2 O 键更容易断裂（容易18 倍）。结果，当电解持续到只剩下少量水时，残留物是纯D 2 O。我们从30升水中电解得到了大约1ml的重水。

重水是通过在钢槽中长时间电解 0.5M 氢氧化钠溶液制成的。阳极是圆柱形穿孔镍片，而阴极是电池本身。

  • 交换反应

重水 D 2 O 也可以通过交换过程产生。例如，当 H 2 S 气体通过热水时，H 2 S 中的氢原子被水中存在的 D 2 O 中的氘原子取代。结果，D 2 S 被添加到 H 2 S 中。当这种富含 D 2 S 的 H 2 S 通过冷水时，来自 D 2 S 的氘和来自 H 2 O 的氢再次交换位置。重复该过程，冷水逐渐富含 D 2 O。

  • 分馏

分馏过程可能会影响重水与普通水的分离。在此过程中使用普通水 (100°C) 和重水 (101.42°C) 的沸点差异。结果，较轻的部分首先蒸馏，留下较重的富含水的残留物 (D 2 O)。

重水的性质

重水的物理性质

重水是一种无色、无臭、无味的流动液体，类似于普通水。以下是水和重水的一些物理性质。

  • 重水的分子量 (20 g) 比水 (18 g) 大，因此具有各种物理常数，例如沸点、冰点、比热、密度、粘度、最大密度温度和汽化潜热，重水比水高。
  • 另一方面，重水的介电常数比水低。
  • 因此，溶解在重水中的离子化学物质的溶解度低于水中。

Property

Heavy Water (D2O)

Ordinary water (H2O)

Density at 293 K

1.017

0.998

Melting point

276.8 K

273 K

Boiling point

374.4 K

373 K

Dielectric constant

80.5

82

Refractive index at 293 K

1.3284

1.3329

Viscosity at 293 K

12.6

10.09

Solubility NaCl/100 g at 293 K

30.5

35.9

重水的化学性质

重水可能参与水可以参与的任何化学过程。另一方面，重水的反应比水慢。重水的反应性低于水，因为 O-D 键的解离能高于 O-H 键。

  • 氘解：某些无机盐被水水解。当使用重水时，会发生类似的过程，称为盐氘解。

AlCl 3 + 3D 2 O → Al(OD) 3 + 3DCl

BaS + 2D 2 O → Ba (OD) 2 + D 2 S

  • 对金属的作用：重水与钠和钙等活性金属发生反应，释放氘并产生重碱。

2Na + 2D 2 O → 2NaOD + D 2

  • 对金属氧化物的作用：一氧化钠和氧化钙等碱性氧化物与重水结合形成重碱。

Na 2 O + D 2 O → 2NaOD

  • 对非金属氧化物的作用：当重水与酸性非金属氧化物如三氧化硫、五氧化二氮等结合时，会形成氘酸。
  • 金属氮化物、磷化物和碳化物的作用：对于金属氮化物，重水会释放出重氨。

Mg 3 N 2 + 6D 2 O → 3Mg(OD) 2 + 2ND 3

使用金属磷化物时会产生氘膦。

Ca 3 P 2 + 6D 2 O → 3Ca(OD) 2 + 2PD 3

当使用金属碳化物时，它会产生氘乙炔或氘甲烷。

CaC 2 + 2D 2 O → 3Ca(OD) 2 + C 2 D 2

  • 盐氘酸盐的形成：盐氘酸盐是由重水形成的。当盐从重水中的溶液中结晶出来时，就会产生这些氘酸盐。示例：CuSO 4 .5D 2 O、MgSO 4 .7D 2 O。
  • 交换反应：重水与各种含有易氢原子的物质相互作用，导致氢原子部分或完全被氘取代。如果化合物包含离子（极性）氢原子，则更可能发生交换过程。

NaOH + D 2 O → NaOD + HDO

HCl + D 2 O → DCl + HDO

  • 生物效应：植物和动物在重水中发育较慢。种子在纯净的重水中不会发芽，小鱼也会死亡。此外，具有高浓度 D 2 O 的水是有毒的。

重水的用途

  1. 作为杀菌剂和杀菌剂，使用重水。
  2. 利用重水的交换反应特性研究了几种含氧酸的结构和碱度。
  3. 氘是由重水通过电解或与钠等活性金属反应产生的。
  4. 在核反应堆中，重水被用作慢化剂。铀原子的裂变需要速度较慢的中子。通过流过充当慢化剂的重水，中子被减速。
  5. 在芳香族亲电取代反应、代谢活动和其他过程的研究中，重水经常被用作示踪剂。

示例问题

问题1：在重水中，存在哪种氢同位素？

回答：

问题2：重水的目的是什么？

回答：

问题3：如何制备重水？

回答：

问题4：什么是氘化？

回答：

问题5：重水的性质是什么？

回答：

问题 6：什么是分馏？

回答：