氢家族的三胞胎.pdf
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1、 6 Univ.Chem.2023,38(7),611 收稿:2023-04-26;录用:2023-06-05;网络发表:2023-07-03*通讯作者,Emails:(闫毅);(颜静)基金资助:西北工业大学2023年度校级教育教学改革研究项目(23GZ13187,23GZ13186,23GZ13076);研究生教育部产学合作协同育人项目2022年第二批(19GA210101);西北工业大学本科萌创重点项目;2023年度西北工业大学研究生教育研究基金项目(2023YMs018)科普 doi:10.3866/PKU.DXHX202304095 氢家族的三胞胎氢家族的三胞胎 张文博,徐运鑫,颜静*
2、,耿旺昌,闫毅*西北工业大学化学与化工学院,西安 710129 摘要:摘要:氢的同位素主要有氕、氘、氚,在科学研究和日常生活中有着重要的应用。在化学发展史上,氢元素的出现推翻了燃素说,极大促进了化学的发展。本文通过氕、氘、氚三兄弟的视角,主要介绍了其基本性质、分离方法和应用三个方面,希望能对读者深入了解氕氘氚起到一定的帮助。关键词:关键词:氢的同位素;分离;氢燃料电池;氘水 中图分类号:中图分类号:G64;O6 Three Isotopes of Hydrogen Wenbo Zhang,Yunxin Xu,Jing Yan*,Wangchang Geng,Yi Yan*School of C
3、hemistry and Chemical Engineering,Northwestern Polytechnical University,Xian 710129,China.Abstract:The three isotopes of hydrogen are hydrogen,deuterium,and tritium,and they have important applications in scientific research and daily life.In the history of chemistry,hydrogen first overturned the ph
4、logiston theory and then became a key element in the development of chemical research.This article reviews the basic properties,separation methods,and main applications of hydrogen,deuterium,and tritium,providing readers with a deeper understanding of these three isotopes.Key Words:Isotopes of hydro
5、gen;Separation;Hydrogen fuel cell;Deuterium water 自从1781年卡文迪许发现氢元素以来,氢家族已经有了两百多年的悠久历史。随着分离技术的不断完善,氕、氘、氚三种同位素不断融入到日常生活和国防工业中,并发挥着重要作用,为保障人类的生活质量和增强国家的综合实力做出了巨大贡献。那么,氕、氘、氚为何能有如此大的影响力呢?今天,就让我们揭开氢元素的神秘面纱,一起去探访氢家族的三胞胎。1 初识三兄弟初识三兄弟 带上摄像机和一些食物,我便出发了。刚下车,便见到了这次采访的一个对象一位穿着华丽,腆着个大肚子的男子。“您好,氕先生,我这次来是为了详细了解一下氢的
6、同位素,您能向大家介绍一下你自己吗?”我满怀期待地问道。“大家好!我的名字叫做氕,我是由一个质子和一个电子构成的(如图1所示)。在氢的同位素中,我的含量是最高的,可以占到氢元素的99.98%。”氕先生十分热情地说道。No.7 doi:10.3866/PKU.DXHX202304095 7 图图1 氕、氘、氚结构示意图氕、氘、氚结构示意图 这时又走过来两位外貌相似、体态臃肿的男子,显然是氢家族的另外两个兄弟。看见自己的两个兄弟都过来了,氕先生显得十分惊讶。要知道,氘的丰度已经十分低了,而氚的丰度比氘还要低很多。可想而知,三个兄弟聚在一起有多难。氘先生也显得十分激动,握着他的手说:“真想不到,这么
7、长时间没见过面!”氕先生抑制住内心的喜悦,说道:“你们来得正好,我正在接受采访呢。”接着便向我介绍道:“这是氘,我的二弟,由一个电子、一个质子和一个中子组成。他的丰度只有0.02%,所以我们见面的机会并不多。尽管氘的丰度很低,但功夫不负有心人,在科学家的不懈努力下,1931年底美国科学家尤里在蒸发了大量液体氢后,利用光谱检测的方法发现了氘。尤里先生因此获得1934年的诺贝尔化学奖。值得一提的是,氘的英文名字(deuterium)也是尤里教授命名的,在希腊语中是“第二”的意思。”“氘虽然排行老二,但在家族中的地位却和我不相上下,甚至被称为未来的天然燃料。他可以在聚变时发生热核反应,放出大量的热和
8、射线后形成质量数为3的氦。”然后他又走到氚的身边,紧紧地握着他的手说:“这是我的三弟,比氘多了一个中子,也被称作超重氢。氚在自然界中的含量极少,丰度仅有0.004%。在尤里先生发现氘后不久,大名鼎鼎的卢瑟福先生于1934年在加速器上用加速的氘核轰击氘靶制备出了氚。除了加速轰击的方法,还可以通过中子轰击锂得到氚(如反应(1)所示)。我们三兄弟之间有着密切的联系,通过反应(2)和(3)我们可以实现彼此的转换。”Li?n?H?He?(1)H?n?H?(2)H?n?H?(3)看着这么复杂的反应方程式,听着氕先生不停地讲“轰击”,我不由地问:“氘和氚会不会衰变产生辐射呢?”他微微一笑说:“我们三兄弟中只
9、有氚是具有放射性的,这也是为什么他今天穿着隔离服的原因。他的半衰期大约为12.4年,所以放射性比较强。但是请不要恐慌,毕竟他的丰度很低。”“接下来,让我们带你参观一下氢同位素分离的加工厂吧。”在诺大的厂房中,有着各式各样的化学仪器,一路走来,眼前的设备由简易粗陋变得更加精密,反映了氢家族对科学和真理的不断追求。看着前人智慧的结晶,我感叹良久。2 游览加工厂游览加工厂 进入工厂之前,氘先生介绍道:“氢同位素的分离技术在国防工业中有着重要应用。经过近七十多年的发展,目前较为成熟的方法有低温精馏法、热扩散法、选择性吸附法、含热循环吸附法和钯膜分离法等1”。顺着他的手势,映入眼帘的是许多巨大的不锈钢罐
10、子,嗡嗡地运转个不停。一排排的支架上,不锈钢罐子整齐地摆放着,密密麻麻的管道穿梭在这些银白色的罐子之间,最终汇聚在一起,向前延伸着。8 大 学 化 学 Vol.38氘先生嘴角微微上扬,他无比自豪地介绍道:“这是目前广泛使用的一种氕氘分离方法低温精馏法。这种方法是利用氢同位素沸点与蒸发速率不同进而实现分离的2。”氘先生一边指着罐子的底座一边讲解道:“在分离氕氘时,首先使气体液化,然后采用精馏的方法使气体分离获得氕气和氘气。你看,放在最下面的是再沸器,它的主要作用就是使液体吸收热量,蒸发出低沸点的组分。与此同时,这些气体会在温差的推动下向上流动,而在罐子的顶部放置的冷凝器,同样会使高沸点的组分液化
11、(如图2所示)。当然,仅仅经过一次精馏是不可能达到纯度要求的,因此我们需要反复重复这个过程,使气体分离程度最大化。”图图2 低温精馏法原理示意图低温精馏法原理示意图2 “哦,我明白您的意思了,”我恍然大悟地说道,“所以在收集的时候,可以在罐底得到高沸点的组分,而在罐顶得到低沸点的组分。”氘先生回答道:“是的,而且批量化、快速化的生产特点使低温精馏法得以广泛应用。”看着眼前井然有序的工厂,我呆呆地站在那里,一时间竟然不知道要说些什么,思绪仿佛也跟着气体一起蒸发、液化,再通过密密麻麻的管道,一直向前涌去。直到氘先生拍了拍我的肩膀,我才从幻想中醒来,慌乱地夸赞了几句。接下来,一个像海绵的蓬松物体出现
12、在了我们面前,不同类型的“海绵”被放在一个玻璃管里。源源不断的氢气从左端输入,依次经过不同的吸附材料,滞留下一些物质后便从右端出去了。看着这个似乎是过滤的装置,我好奇地问道:“这些形状各异的海绵是用来干什么的?使氢气更纯吗?”氘先生愉快地笑了笑,回答道:“哈哈,这是含热循环吸附法,也是用来分离氢的同位素的一种方式。这些海绵实际上是不同的吸附剂,你看,它们的孔洞有着不同的形状和大小,代表着它们吸附能力的不同。选择合适材料,并把它们按一定的顺序组合在一起,就可以实现同位素的分离3。”看着这个简便的装置,我在心里暗自想着:“跟刚才的方法相比,吸附似乎更有利于提高纯度,不知道为什么只有这么几个装置?”
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