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氘（氢的同位素）

次浏览 | 更新时间：2023-05-17

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氘

氢的同位素

氘（dāo），氢（H）的同位素，也被称为重氢，元素符号一般为D或2H。氘原子核中有一个质子和一个中子，其相对原子量为普通氢的二倍。氢中有0.02%的氘，在大自然的含量约为一般氢的七千分之一。氘用于热核反应，聚变时放出β射线后形成质量数为 3 的氦，并在化学和生物学的研究工作中作示踪原子。氘被称为“未来天然燃料”。

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

特种灯泡、核研究、氘核加速器的轰击粒子、示踪剂。

常用制法

（1）由重水电解。

（2）由液氢低温精镏。

理化性质

【三相点】-254.4℃；

【液体密度】（平衡状态，-252.8℃）：169g/cm³；

【气体密度】（101.325kPa，0℃）：0.180g/cm³；

【比热容】（101.325kPa，21.2℃】：5.987m3/kg

【气液容积比】（15℃，100kPa）：974L/L；

【压缩系数】：

压强（kPa）

100

1000

5000

10000；

温度（℃）

1.0087

1.0008

1.0060

1.0057

1.0296

1.0600

1.0555；

【临界温度】：-234.8℃；

【临界压强】1664.8kPa；

【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·℃）；

【比热比】（101.325kPa，25℃，气体）：Cp/Cv=1.40；

【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；

【导热系数】

（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。

安全防护

氘无毒，有窒息性。重氢有易燃易爆性，所以对此须引起足够的重视。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。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。每瓶气体在使用到尾气时，应保留瓶内余压在0.5MPa，最小不得低于0.25MPa余压，应将瓶阀关闭，以保证气体质量和使用安全。瓶装气体产品在运输储存、使用时都应分类堆放，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、勿沾油腊、勿爆晒、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。

发现历史

就在查德威克宣布发现中子的论文送交《自然》杂志的第二天，美国的《物理学报》收到了美国哥伦比亚大学教授尤里（H.C.Urey，1893-1981）等的一篇重要文章，报告说已经发现了质量为2的氢的同位素氘。

1931年底，美国科学家哈罗德·克莱顿·尤里（Harold Clayton Urey）在蒸发了大量液体氢之后，利用光谱检测的方法发现了重氢（氘，D）。尤里因此在1934年获得诺贝尔化学奖。

根据尤里的建议，重氢被命名为“Deuterium”，在希腊语中是“第二”的意思。

制备方法

氘气的分离原理可分为两类：一种是直接利用质量同位素效应，不同质量的单个同位素分子、离子在重力场、电场中的运动差异；另一种是利用同位素的统计特性差异，氘的主要制备方法有液氢精馏法、电解重水法、钯/合金薄膜或金属氢化物法等。

电解重水法

氘主要的化合物为重水（D2O），气态氘可用钠或赤热的铁分解重水，或在碳酸钠存在时电解重水获得，重水电解是制取氘的主要方法。重水电解制氘原理与电解水制氢原理完全相同，在阴极上产生氘气，在阳极上产生氧气，但其使用固体电解质-磺酸基团结合在聚四氟乙烯上，导电介质是水合氘离子（D・D2O），而磺酸基是不移动的。

采用普通电解水装置，以氘氧化物为电解质（如：KOD、NaOD），或者采用SPE（ SolidPolymer Elec-trolyte）膜电解槽电解重水，在阴极上可得到丰度为99%的氘气，再经过分离、净化可得到高纯氘产品。此法技术含量高，规模可大可小，易于控制，安全可靠。

钯膜或金属氢化物法

由于氘化物的分解压高于氢化物的分解压，同一金属对氢、氘吸收平衡压与分解平衡压不同，利用这种压差特性以及它们的活化能差别就可以进行氢、氘的分离，其适合于对含氘气体进行分离净化使用及核电站托卡马克废气的回收利用。

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

电解重水制备的氘气中主要杂质有 N2、O2、HD和少量H2等。

杂质氮气的脱除，杂质氮气主要来源是空气在重水中有一定的溶解度以及系统的污染渗透，降低氮气含量需要做好系统的密封性，同时也可利用活性炭、硅胶或分子筛等吸附剂在低温情况下吸附使氮气降低。

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

从“进口”上说，可控核聚变所需的反应原料（氘原子和氚原子），在地球上非常丰富。氘在海水中储量极大，热核聚变实验堆一旦研究成功，就能利用海水发电，一升海水中提取的氘经过聚变反应释放的能量相当于300升石油。而氚可通过中子与锂反应生成，在地壳和海水中，锂都是大量存在的。

氢灯和氘灯是紫外区的常用光源，它们在180~375nm波长范围内产生连续辐射，在相同操作条件下，氘灯的发射强度比氢灯约大4倍。玻璃对这段波长范围内的辐射有强烈吸收，必须采用石英光窗。紫外可见分光光度计同时配有紫外和可见两种光源。

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。

反氘介绍

氘

氘的对应反物质是反氘，其原子核拥有一颗反质子及反中子，反氘核于1965年最先由欧洲核子研究委员会（CERN）及美国布克海文国家实验室制成，但至今仍未曾成功造到一颗拥有正电子的完整反氘原子。

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

2022年12月27日，据环球网消息，日本东京大学、新潟大学等机构研究人员在新一期美国《天体物理学杂志》上发表论文说，他们分析日本红外天文卫星ASTRO-F的观测数据发现，在低温环境下形成含氮分子的过程中，紫外线发挥着重要作用，并获得了氘隐藏于星际空间有机物中的观测证据。这将帮助人类解开宇宙物质进化之谜。

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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