氢的同位素

引言

原子核中质子的数量决定了元素的原子序数。同位素被定义为元素族中的成员，其中所有同位素元素都具有相同的质子数，但中子数不同。 简而言之，元素的同位素质量数不同，但原子序数对它们每一个都相同。元素的同位素在化学性质上几乎相同，但由于质量数不同，物理性质不太可能相似。

同位素的元素符号是：^AE_Z。

其中，

• A = 质子数 + 中子数 = 质量数
• Z = 质子数 = 电子数 = 原子序数

氢的同位素

氢是一种非金属化学元素，其原子符号是 (H)，原子序数是 1。 中性氢原子的中子数为 0。因此，中性氢原子中存在的质子、中子和电子的数量分别为 1、0 和 1。因此，它是一个电中性原子，因为它包含一个带正电的质子和一个带负电的电子，由库仑力束缚在原子核上。它是最轻的元素，在元素周期表中占据最顶部的位置。它与第一族元素一起放置，但由于其独特性而略有分离。氢的同位素在元素周期表中占据相同的位置，因为它们都只有一个质子。

氢有三种天然存在的同位素；氕、氘和氚。然而，它也可以有许多人工合成的同位素。下面将讨论这些类别中的每一个。

1. 天然存在的氢同位素：
   氢原子有三种天然存在的同位素；氕、氘和氚。 它们分别用 ¹H₁、²H₁ 和 ³H₁ 表示，其中 1、2 和 3 代表同位素元素的质量数。氢是唯一一种其同位素今天常用不同名称的元素。正如我们所见， ¹H₁（或氢-1）代表氕， ²H₁（或氢-2）代表氘， ³H₁（或氢-3）代表氚。同位素 1H 的原子核中没有中子。 ¹H 和 ²H 是相对稳定的氢同位素，而 3H 的半衰期为 12.32 年，这使得它在自然界中非常不稳定。
2. 人工合成的氢同位素
   还存在较重的氢同位素，它们都是人工合成的，半衰期小于 1 zeptosecond（等于 10?21 s），因此它们不太常用，但正在进行许多科学研究以更好地了解它们。在所有这些中，5H1 是氢最不稳定的同位素，而 7H1 是最稳定的同位素。这些同位素是在实验室合成的，但在自然界中未观察到。

氢同位素的命名法

符号 D 和 T 分别普遍用于氘和氚。国际纯粹与应用化学联合会 (IUPAC) 接受 D 和 T 符号，但建议仅使用标准的同位素符号，即 2H1 和 3H1。这是为了避免在化学式的字母排列和排序中出现混淆。在放射性的早期研究中，一些其他重的放射性人工同位素也被命名，但如今很少使用这些名称，仅在科学研究领域（包括放射性平台相关的科学和技术）中才能看到它们的用途。

氢同位素的含量

1. 氕的含量
   氕在海洋中的总丰度约为 156.25 ppm，占地球上所有氢的约 0.0156%。尚未观察到质子衰变，因此，氢-1（氕）被认为是稳定的同位素，这清楚地描述了该同位素在自然界中的相对丰度。
2. 氘（Deuterium）的含量
   幸运的是，氘在我们环境中很常见。海水中每 5,000 个氢原子中约有 1 个是氘，这表明我们的海洋含有大量的氘。它是由罕见的簇衰变过程产生的，以及轻氢偶尔吸收天然存在的质子产生的。
3. 氚（Tritium）的含量
   氚在宇宙射线撞击空气中的氮分子时在**上层大气中**自然产生。它也作为聚变反应的质子-质子链的子集在太阳中产生。虽然太阳表面附近有持续的氚流被喷射到太空中，但被太阳风带走，在太阳耀斑和日珥期间，有更大流的物质被喷射到太空中。它比其太阳风同伴更具能量，因此，通过这种方式产生的氚直接注入地球的上层大气。它也是在核武器爆炸期间以及核反应堆的副产品产生的。其最常见的形式是氚化水（HTO）。当一个氚原子在常用**的水（H2O）中取代氢原子形成 HTO 时，就会发生这种情况。HTO 与水具有相同的化学性质，并且也无味无色。

同位素的性质

氕的物理和原子性质

氕的原子序数为 1，因为它有一个质子。氕的质量数也为 1，因为氕的原子核中没有中子。氕的原子质量约为 1.00794 amu。氕的符号是 1H。氕的电子构型是 1s1。氕在自然界中可以以双原子气态形式或以 H2O 分子中的氢形式存在。双原子分子中两个原子之间的键具有较高的键解离焓。这主要是因为这些原子很小，并且在它们的双原子分子形式的唯一轨道（s 轨道）中具有完整的电子构型。氕的常见物理和原子性质列在下表中

氘（Deuterium）的物理和化学性质

该氢同位素含有一个质子、一个中子和一个电子。其原子核包含一个质子和一个中子。其符号为 2H；原子序数为 1，质量数为 2。原子质量为 2.014 amu。这也是一种稳定的氢同位素，但丰度较低。地壳中氘的丰度计算为 0.015%。它不具有放射性，因为氘稳定，其原子核中有一个质子和一个中子。氘的常见物理和原子性质列在下表中

氚（Tritium）的物理和化学性质

该氢同位素含有一个质子、两个中子和一个电子。其符号为 ³H；氚的原子序数为 1；氚的原子质量为 3。原子质量可表示为 3.016 amu。由于其中子数量多于质子数量，因此它具有放射性。 氚经常发生 β 衰变，生成氦-3 和大量能量。

氚的半衰期计算为 12.32 年。然而，它在地壳中的含量非常少。氚的常见物理和原子性质列在下表中

氢同位素的应用

1. 氕（Protium）的应用

氕是最常见的氢同位素形式，丰度超过 99.98%。之所以命名为氕，是因为该同位素的原子核仅包含一个质子，因此其命名公式为 ¹H。在所有稳定同位素中，它没有中子，这一点是独一无二的。 氕是一种稀有元素，用途广泛。氕的用途领域如下

• 氕含有作为活性成分的奥美拉唑，在许多制造单元中有用。
• 氕是一种选择性“质子泵抑制剂”，一种可减少胃酸产生的药物。因此，它用于治疗胃和肠道酸相关疾病。
• 氕是一种无毒、无色、无味、无味的液体，主要用作燃料来源。它还用于制造各种化学品和塑料。
• 它用于核反应堆产生能量，用于灯泡产生光，用于电池产生电能。它还用于各种医疗应用。
• 氕用于核反应堆产生能量。该元素用于启动核反应并维持其进行。它还用于核武器制造爆炸。
• 氕用于灯泡制造产生光的灯丝。
• 氕用于电池产生电能。该元素用于制造阳极和阴极，最终产生电能。
• 氕还用于各种医疗应用。它用于制造 MRI 扫描的造影剂，用于诊断和治疗疾病，以及研究人体。

2. 氘（Deuterium）的应用

氘在原子核中含有一个质子和一个中子。氘的历史可以追溯到大爆炸，据认为它是在那时产生的，并且自那时以来一直持续存在。它不具有放射性，也不会代表重大的毒性危害。 氘的用途领域如下

• 重水是富含含有氘而不是普通氢的分子中的水。
• 重水在科学上用作核反应堆的中子慢化剂和冷却剂。
• 重水也在红外光谱（IR spectroscopy）中代替普通水使用。
• 氘及其化合物用作化学实验中的非放射性标记物，以及用于 1H-NMR 光谱法的溶剂。
• 氘也是商业核聚变活动的潜在燃料。

3. 氚（Tritium）的应用

氚是一种天然存在的氢的放射性形式，它在大气中，当宇宙射线干扰空气分子时产生。因此，氚在全球范围内的地下水中含量非常低。它也是生产电力的核电厂的副产品。氚的用途领域如下

• 它广泛用于发光照明和标志。氚气与荧光粉反应会产生发光。光源不需要电力或电线，这使其成为出口标志以及商业建筑、飞机和机场跑道灯的理想选择。
• 氚也用作生物医学和学术研究中的示踪剂。在一些国家，它用作热核武器的燃料。未来，它还可以用于在聚变反应堆中发电。

结论

氢同位素在元素周期表中占据相同的位置，因为它们都含有一个质子。它们的化学行为相似，因为电子构型相似。然而，它们的物理性质由于质量差异而存在相当大的差异。总结表如下

在三种天然氢同位素中，只有氚是放射性的，它发射低能 β 粒子。 由于同位素的电子构型相似，因此它们都具有相同的化学性质。但它们的反应速率有所不同，这是因为键解离焓的不同，它作为质量的函数。由于质量的巨大差异，它们的物理性质也不同。