水素の同位体

1927年、Francis William Astonは、自身が発明した質量分析計を用いて、水素の線が化学スケールでの原子量1.00756に相当することを観測しました。 この値は、水素化合物の結合重量に基づく値1.00777と、実験誤差以上の差があった。 他の研究者は、1Hの原子4500個に対して2H（またはD）の原子1個の割合で質量2の水素同位体が存在すると仮定すれば、この食い違いが解消されることを示した。 この問題は、アメリカの化学者ハロルド・C・ユーレイの関心を引き、理論的な根拠から、水素（H2）と重水素（HD）の蒸気圧に差があり、液体水素を蒸留することでこれらの物質を分離できる可能性を予言したのだ。 1931年、ユーレイと2人の共同研究者は、液体水素の蒸留残渣から、その原子スペクトルによって重水素を検出した。 水酸化ナトリウムなどの電解質の水溶液を電気分解すると、陰極に生成する水素は水よりも重水素の割合が少ないため、重水素が残留物に濃縮されるという電解濃縮法によって、重水素が初めて純粋な形で調製された。 溶液を元の体積の0.00001まで減らすと、ほぼ純粋な酸化重水素（D2O、重水）を得ることができる。 重水素は、水の分別蒸留や、次のような様々な化学交換反応によっても濃縮される（gと1はそれぞれ気体および液体の状態を示す）： H2O(g) + HD(g) ⇌ HDO(g) + H2(g); HDO(g) + H2S(g) ⇌ HDS(g) + H2O(g); NH3(l) + HD(g) ⇌ NH2D(l) + H2(g).

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トリチウム（T）は1935年に重水素（重リン酸の形）に高エネルギーの重陽子（重水素原子核）をぶつけて初めて作られました：

トリチウムは天然の水中に微量の濃度で存在しています。 宇宙線による核反応により、高層大気中で継続的に生成されます。 主に高エネルギーの陽子からなる宇宙線は、窒素原子と反応して中性子を作り、中性子はさらに窒素原子と反応してトリチウムを作ります：

この自然にできたトリチウムは最終的には水の形で、雨として地表に届きます。 トリチウムは放射性物質で、半減期は12.5年、非常に柔らかい（エネルギーの低い）負のベータ粒子（電子、正のベータ粒子は陽電子と呼ばれる）とヘリウム3の原子核に分解される。 水の試料を保存しておくと、放射性崩壊により徐々にトリチウムが失われていきます。 このため、水のトリチウムを分析することで、海、大気、川、湖などの水の循環を詳しく知ることができる。 トリチウムは原子炉で熱中性子とリチウムを反応させて人工的につくられます：

水素同位体の化合物は、その物性が若干異なります。 この違いは、表に挙げた水の性質と、次の表に挙げた元素の性質で示される。 その化学的性質についても、熱力学的、動力学的に同じことが言える。 重水素と三重水素は、化学構造の解明や反応機構の研究に有用な同位体トレーサーとして利用されています。 一般にトレーサーの価値は、その質量差や放射能によって検出が可能であるにもかかわらず、その元素の通常の原子と同じように本質的に活性であるという事実から生じるものである。 ほとんどの元素では、1個または数個の質量単位の変化は、全質量に対する割合が非常に小さいため、同位体間の化学的な違いは無視できるほど小さい。 しかし、水素の場合は、同位体の違いによって化学反応の進行速度が大きく異なる。 この運動論的同位体効果は、反応機構の詳細な研究に利用することができる。 重水素やトリチウムを含む化合物の反応速度は、通常、通常の水素の対応する化合物の反応速度よりも小さい。

生物系における重水素の置換は微妙なバランスのプロセスを顕著に変えることがある。

重水素と三重水素は熱核（核融合）反応に関連して興味深いものである。 水爆の爆発は重水素や三重水素を含む軽い原子核の衝突と融合を伴います。 このような核融合のプロセスを制御する方法が見つかれば、初期の原子爆弾の核分裂のプロセスと同様に、実質的に無限のエネルギーを供給するための原料が、水に含まれる重水素の中に存在することになるのである。 3253>

酸化重水素は、原子炉で中性子を減速させるが、捕獲はしない減速材として有用である。 中性子をわずかに吸収する液体であるという利点があります。