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氘及重水

铜臭 / 2022-08-11

氢的重同位素氘D和重水D₂O。重水除原子能方面的用途外，又是制备各种氘化合物的出发点，氘被广泛用作标記原子，因此从发现它以后三十几年来，引起了大量的研究。

天然水中含0.015克分子百分数D₂O。但是，H₂O和D₂O間呈有下列平衡:

H₂O+D₂O=2HDO

平衡常数在25°时为3.26。实际上普通水中含有的是0.03克分子百分数HDO,几乎沒有D₂O。此外，尚有含O¹⁸和O¹⁷的“重氧水”。普通水主要由下列四种“同位素分子”所組成: 99.73% H₂O¹⁶, 0.20% H₂O¹⁸, 0.04%H₂O¹⁷和0.03%HDO¹⁶。由于含有重的同位素的水分子有着較小的蒸气压，海水比地面水要重一些，相差約1γ(1γ=10-6克/毫升)。

关于正、仲体問題，重氧由于核自旋的不同，和輕氫有着不同的平衡状况，見表27-7。由表可見，在室温时的所前“正常氩" (n-H₂)是以正型:仲型=3:1的混合物而存在的。但是在室温时的“正常氘”(n-D₂)中的比率是正型:仲型=2:1。氘和氫一样，由室温冷却到靠近绝对零度时，例如說以液体躯浴把它冷却到20°K时，如果沒有适当的接触剂(例如活性碳)存在，轉变是非常缓慢的。

表27-7 氢同位素正、仲体的组成
绝对温度°K	正氢 %o—H₂	仲氢 %p—H₂	正氘 %o—D	仲氘
0 >300	0 75	100 25	100 66 2/3	0 33 1/3

表27-8 重氢的性质
性质	n-H₂	n-D₂
三相点沸点熔融热，卡/克分子蒸发热（三相点）离解热，千卡/克分子	13.92 20.38 28 218 102.7	18.58°K 23.50 47 308 104.5

表27-9 重水的性质
性质	H₂O	D₂O
比重，25°C 凝固点，°C 最大密度的温度，°C 沸点，°C 临界温度，°C 凝固点降低，°C 熔融热，卡/克分子蒸发热（100°C），卡/克分子	1 0 3.98 100 374.2 1.86 1436 9719	1.10774 3.81 11.2 101.42 371.5 2.00 1515 9927

表27-8列出氫(n-H₂)和氘(n-D₂)的物理性质，以示它們之間的差别。

重水的分子量为20.028,比普通水的分子量18.016高出約11%。重水的一些重要的物理性质列举于表27-9,其中并示普通水的相应性质以查比較。重水和普通水間物理性质上的差别可以利用来测定重水含量。常用的测定法是根据重水样品的密度或比重(表中重水的比重值系对不含氘的輕水而言)。重水和普通水在40°时具有最大的密度差值，而在370°时密度相等。在通常温度下，重水的蒸汽压較普通水为小，这个差值本身逐渐增大，到 170°时有一个最大值(83 mm),然后又减小，到225°时重水和普通水的蒸汽压相等，而在225°以上时重水的蒸汽压反而比普通水的蒸气压为大。

盐类在重水中的溶解度一般要小些，在25°时1克普通水能溶解0.3592克氯化鈉，但是1克重水只能溶解0.3056克。在25°时，碘在四氯化碳和普通水問的分配系数是85:1,而在四氯化碳和重水間的分配系数是103:1。在20°时，重水对D线的折射率較輕水小0.00470,可以用作分析方法。

重水和化合物中—OH或—NHI基的H立刻发生交换。反之，和一CH基中的H一般不发生交换。例如

CH₃COOH+D₂O⇔CH₃COOD+HDO

重水和空气中的普通水的蒸气(潮气)发生交换,实际上是重水蒸发，普通水蒸气凝聚。当重水暴露于潮湿空气时，它的遗度会逐渐下降。因先在操作时应注意尽量不使重水和空气接触。

所有重氧化合物比相应的程氨化合物具有較小的零点能，也就是有着較大的活化能，因此反应速度就比较小些。例如在20°C时，H₂O₂和MnO₄⁻反应的速度常数比率kD/kH=0.15。

重水对生物有着不利的影响，是否由于气离子浪度等的影响所致，还不清楚(在中性溶液中，D₂O中的D⁺浓度仅有0.44x10⁻⁷,为H₂O中H⁺濃度的44%)。重水对一般动物的致死渡度約为60%，单细胞动物的抵抗力較一般动物要大些。

重氧化合物容易合成，可以下面一些合成的反应式为例

Mg₃N₂+6D₂O→3Mg(OD)₂+2ND₃

MgCl₂+2D₂O(高温)→Mg(OD)₂+2DC1

CaC₂+2D₂O→Ca(OD)₂+C₂D₂

(C₂H₅O)₃Al+3D₂O(加热)→Al(OD)₃+3C₂H₅OD

当然，这些重氧化合物和相应的轻氢化合物有着不同的性质。例如NH₃和ND₃的沸点分别为-33.4°和-30.9°; C₂H₅OH和C₂H₅OD的沸点分别为78.3°和78.8°。

氫的重同位素除稳定的D外，还有质量数等于3的放射性同位素，叫做氚T，系β放射体，半衰期为12.46年。它是用中子照射鋰6而制得的。

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