Die Worte „Deuterium“ und „Tritium“ erinnern uns daran, dass der Mensch heute über eine starke Energiequelle verfügt, die bei der Reaktion freigesetzt wird:

2 1 H + 3 1 H > 4 2 He + 1 0 N+ 17,6 MeV.

Diese Reaktion beginnt bei 10 Millionen Grad und läuft während der Explosion im Bruchteil einer Sekunde ab thermonukleare Bombe, und eine gigantische Menge an Energie wird auf der Skala der Erde freigesetzt.

Wasserstoffbomben werden manchmal mit der Sonne verglichen. Allerdings haben wir bereits gesehen, dass auf der Sonne langsame und stabile thermonukleare Prozesse ablaufen. Die Sonne schenkt uns Leben und die Wasserstoffbombe verspricht den Tod ...

Aber eines Tages wird die Zeit kommen – und diese Zeit ist nicht mehr fern –, in der der Maßstab des Wertes nicht Gold, sondern Energie sein wird. Und dann werden Wasserstoffisotope die Menschheit vor dem drohenden Energiemangel bewahren: In kontrollierten thermonuklearen Prozessen wird jeder Liter natürliches Wasser so viel Energie liefern wie heute 300 Liter Benzin. Und die Menschheit wird sich mit Fassungslosigkeit daran erinnern, dass es eine Zeit gab, in der sich die Menschen gegenseitig mit einer lebensspendenden Wärme- und Lichtquelle bedrohten ...

Protium, Deuterium, Tritium...

Die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Isotope aller Elemente außer Wasserstoff sind praktisch gleich: Denn für Atome, deren Kerne aus mehreren Protonen und Neutronen bestehen, ist es nicht so wichtig – ein Neutron weniger oder ein Neutron mehr. Aber der Kern eines Wasserstoffatoms ist ein einzelnes Proton, und wenn ihm ein Neutron hinzugefügt wird, verdoppelt sich die Masse des Kerns fast, und wenn zwei Neutronen vorhanden sind, verdreifacht sie sich. Daher siedet leichter Wasserstoff (Protium) bei minus 252,6 °C und der Siedepunkt seiner Isotope weicht von diesem Wert um 3,2 ° (Deuterium) bzw. 4,5 ° (Tritium) ab. Bei Isotopen ist das ein sehr großer Unterschied!

Überraschenderweise sind Isotope in der Natur nicht gleichmäßig verteilt: Ein Atom Deuterium besteht aus etwa 7000, und ein Atom betaradioaktives Tritium besteht aus einer Milliarde Milliarden Protiumatomen. Ein weiteres, äußerst instabiles Wasserstoffisotop, 4 H, wurde künstlich gewonnen.

Präzision zuerst

Die relative Masse des leichten Wasserstoffisotops wird mit fantastischer Genauigkeit bestimmt: 1,007276470 (wenn wir die Masse des Kohlenstoffisotops 12 C gleich 12,0000000 annehmen). Wenn beispielsweise die Länge des Äquators so genau gemessen würde, würde der Fehler 4 cm nicht überschreiten!

Aber warum ist eine solche Präzision notwendig? Schließlich erfordert jede neue Figur immer mehr Anstrengungen von Experimentatoren ... Das Geheimnis wird einfach gelüftet: Protiumkerne, Protonen, nehmen an vielen Kernreaktionen teil. Und wenn die Massen der reagierenden Kerne und die Massen der Reaktionsprodukte bekannt sind, dann verwenden Sie die Formel E = mc 2 kann seine Energiewirkung berechnet werden. Und da die Energieeffekte selbst bei Kernreaktionen nur mit einer geringen Massenänderung einhergehen, müssen diese Massen möglichst genau gemessen werden.

Um die Bedeutung dieses oder jenes Elements hervorzuheben, sagt man normalerweise: Wenn es nicht da wäre, dann würde das und das passieren. Aber in der Regel ist das nichts weiter als ein rhetorisches Mittel. Aber Wasserstoff könnte eines Tages wirklich nicht mehr sein, denn er verbrennt in den Tiefen der Sterne kontinuierlich und verwandelt sich in träges Helium. Und wenn die Wasserstoffreserven aufgebraucht sind, wird das Leben im Universum unmöglich – sowohl weil die Sonne erlischt als auch weil es kein Wasser mehr gibt ...

Wasserstoff und das Universum

Einst vergötterten die Menschen die Sonne. Mittlerweile ist es jedoch zum Gegenstand präziser Forschung geworden, und wir denken kaum noch darüber nach, dass unsere Existenz vollständig von den auf ihm ablaufenden Prozessen abhängt.

Jede Sekunde strahlt die Sonne Energie im Äquivalent von etwa 4 Millionen Tonnen Masse in den Weltraum ab. Diese Energie entsteht bei der Verschmelzung von vier Wasserstoffkernen, Protonen, zu einem Heliumkern; Die Reaktion verläuft in mehreren Stufen und ihr Gesamtergebnis lautet wie folgt:

4 1 1 H + → 4 2 He 2+ + 2e + + 26,7 MeV.

Ist es viel oder wenig -26,7 MeV pro Elementarakt? Eine Menge: Beim „Verbrennen“ von 1 g Protonen wird 20 Millionen Mal mehr Energie freigesetzt als bei der Verbrennung von 1 g Kohle. Auf der Erde hat noch niemand eine solche Reaktion beobachtet: Sie findet bei einer Temperatur und einem Druck statt, die nur in den Tiefen der Sterne herrschen und vom Menschen noch nicht beherrscht werden.

Es ist unmöglich, sich eine Kraft vorzustellen, die einem Massenverlust von 4 Millionen Tonnen pro Sekunde entspricht: Selbst bei der stärksten thermonuklearen Explosion wird nur etwa 1 kg Materie in Energie umgewandelt. Wenn wir jedoch die gesamte von der Sonne abgestrahlte Energie auf ihre Gesamtmasse zurückführen, wird sich das Unglaubliche herausstellen: Die spezifische Leistung der Sonne wird sich als vernachlässigbar herausstellen – viel geringer als die Leistung eines solchen „wärmeerzeugenden Geräts“. als der Mensch selbst. Und Berechnungen zeigen, dass die Sonne noch mindestens 30 Milliarden Jahre scheinen wird, ohne abzuschwächen.

Unnötig zu sagen, genug für unser Leben.

Unsere Sonne besteht mindestens zur Hälfte aus Wasserstoff. Auf der Sonne wurden insgesamt 69 chemische Elemente gefunden, wobei Wasserstoff überwiegt. Es ist 5,1-mal mehr als Helium und 10.000-mal (nicht nach Gewicht, sondern nach Anzahl der Atome) mehr als alle Metalle zusammen. Dieser Wasserstoff wird nicht nur zur Energieerzeugung verwendet. Im Zuge thermonuklearer Prozesse werden daraus neue chemische Elemente gebildet und beschleunigte Protonen in den zirkumsolaren Raum geschleudert.

Das letzte Phänomen, „Sonnenwind“ genannt, wurde erst vor relativ kurzer Zeit bei der Erforschung des Weltraums mit künstlichen Satelliten entdeckt. Es stellte sich heraus, dass bei chromosphärischen Flares besonders starke Böen dieses „Windes“ auftreten. Der von ihr eingefangene Protonenstrom erreicht die Erde Magnetfeld, verursacht Polarlichter und stört den Funkverkehr, und für Astronauten stellt der „Sonnenwind“ eine ernsthafte Gefahr dar.

Aber ist die Auswirkung des Flusses solarer Wasserstoffkerne auf die Erde nur darauf beschränkt? Scheinbar nicht. Erstens führt der Protonenfluss dazu, dass sekundäre kosmische Strahlung die Erdoberfläche erreicht; zweitens können magnetische Stürme Lebensprozesse beeinflussen; Drittens können die vom Erdmagnetfeld eingefangenen Wasserstoffkerne nur den Stofftransport mit dem Weltraum beeinflussen.

Urteilen Sie selbst: jetzt Erdkruste Von 100 Atomen sind 17 Wasserstoffatome. Aber freier Wasserstoff existiert auf der Erde praktisch nicht: Er ist Bestandteil von Wasser, Mineralien, Kohle, Öl, Lebewesen ... Lediglich vulkanische Gase enthalten manchmal etwas Wasserstoff, der sich durch Diffusion in der Atmosphäre verflüchtigt. Da die Durchschnittsgeschwindigkeit thermische Bewegung Wasserstoffmoleküle aufgrund ihrer geringen Masse sehr groß sind – sie liegt nahe an der zweiten kosmischen Geschwindigkeit – dann fliegen diese Moleküle aus den Schichten der Atmosphäre in den Weltraum.

Aber wenn die Erde Wasserstoff verliert, warum kann sie ihn dann nicht von derselben Sonne beziehen? Da es sich beim „Sonnenwind“ um Wasserstoffkerne handelt, die vom Erdmagnetfeld eingefangen werden, warum sollten sie dann nicht darauf bleiben?

Schließlich gibt es in der Erdatmosphäre Sauerstoff; Es reagiert mit den eingeflogenen Wasserstoffkernen, bindet diese und kosmischer Wasserstoff wird früher oder später in Form von gewöhnlichem Regen auf die Oberfläche des Planeten fallen. Darüber hinaus zeigt die Berechnung, dass die im Wasser aller Ozeane, Meere, Seen und Flüsse der Erde enthaltene Wasserstoffmasse genau der Masse der Protonen entspricht, die der „Sonnenwind“ im Laufe der Erdgeschichte getragen hat. Was ist das – ein reiner Zufall?

Wir müssen erkennen, dass unsere Sonne, unsere Wasserstoffsonne, nur ein gewöhnlicher Stern im Universum ist und dass es unzählige ähnliche Sterne gibt, die Hunderte, Tausende und Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt sind. Und wer weiß – vielleicht ist es im Bereich der Radioemission von interstellarem Wasserstoff (denken Sie daran: 21 Zentimeter!), dass die Menschheit zum ersten Mal in der Lage sein wird, mit außerirdischen Zivilisationen in Kontakt zu treten ...

Wasserstoff und Leben

Noch einmal darüber, dass es absurd ist zu sagen: „Wenn die Natur dies und das nicht hätte, dann gäbe es dies und das nicht.“ Tatsache ist, dass sich das Bild der Welt, das wir jetzt beobachten können, genau aufgrund dessen entwickelt hat, was in der Realität existiert ...

Schriftsteller bewohnen beispielsweise gerne Planeten, auf denen Wasser durch Fluorwasserstoff oder Ammoniak ersetzt wird und das Leben nicht auf Kohlenstoff, sondern auf Silizium basiert. Aber warum gibt es auf unserem Planeten, wo es mehr als genug Silizium gibt, kein „Silizium“-Leben? Liegt es daran, dass Silizium einfach keine geeignete Lebensgrundlage ist?

Wenn jedoch sowohl Kohlenstoff als auch Sauerstoff manchmal durch eine ausgeklügelte menschliche Vorstellungskraft ersetzt werden, kann Wasserstoff durch nichts ersetzt werden. Tatsache ist, dass alle Elemente Analoga haben, Wasserstoff jedoch nicht. Der Kern dieses Atoms ist ein Elementarteilchen, und dies kann nur Auswirkungen auf die Eigenschaften des Atoms haben.

Jedes Atom, mit Ausnahme des Wasserstoffatoms, kann unter normalen Bedingungen nicht alle Elektronen verlieren: Es hat noch mindestens eine weitere Elektronenhülle und diese Hülle, die es trägt negative Ladungen, schirmt den Kernel ab. Aber das Wasserstoffion ist ein „nacktes“, positiv geladenes Proton und kann von den Elektronenhüllen anderer Atome angezogen werden, während es vom Kern eine nicht besonders starke Abstoßung erfährt.

Und hier ist, was passiert. Nehmen wir an, in einem Wassermolekül sind beide Valenzen des Sauerstoffatoms gesättigt und es scheint, dass keine zusätzliche Bindung zwischen den beiden Molekülen entstehen kann. Wenn sich jedoch das Wasserstoffatom eines Wassermoleküls dem Sauerstoffatom eines anderen Moleküls nähert, beginnt eine zusätzliche Anziehungskraft zwischen dem Proton und der Elektronenhülle des Sauerstoffs zu herrschen und es entsteht eine spezielle, sogenannte Wasserstoffbindung:

Solche Verbindungen sind zwanzigmal schwächer als gewöhnliche, aber dennoch ist ihre Rolle enorm. Nehmen wir zum Beispiel dasselbe Wasser: Viele seiner erstaunlichen Eigenschaften werden genau durch ungewöhnlich entwickelte Wasserstoffbrückenbindungen bestimmt. Versuchen Sie zumindest, seinen Schmelzpunkt vorherzusagen, basierend auf den Konstanten von Wasserstoffverbindungen mit den Nachbarn von Sauerstoff im Periodensystem – Stickstoff und Fluor oder Analoga – Schwefel und Selen.

Ammoniak schmilzt bei -77,7 °C, Fluorwasserstoff bei -92,3 °C; Daher scheint Wasser einen mittleren Schmelzpunkt von etwa -85 °C zu haben. Selenwasserstoff schmilzt bei -64 °C, Schwefelwasserstoff bei -82,9 °C; Daher sollte der Schmelzpunkt von Wasser als ähnlichem Derivat mit niedrigerem Molekulargewicht sogar noch niedriger sein ... Aber nein, sein tatsächlicher Schmelzpunkt liegt fast hundert Grad höher als theoretisch vorhergesagt, und der Grund dafür ist schwach, aber zahlreich intermolekulare Wasserstoffbrückenbindungen, die Sauerstoff aufgrund der spezifischen Struktur der Elektronenhülle in viel größerem Maße bilden kann als Stickstoff, Fluor, Schwefel oder Selen.

Wasserstoffbrückenbindungen liegen den subtilsten Phänomenen des Lebens zugrunde. Dank dieser Bindungen sind Enzyme beispielsweise in der Lage, gezielt die Stoffe zu erkennen, deren Reaktionen sie beschleunigen. Tatsache ist, dass die Proteinkette jedes Enzyms eine streng definierte räumliche Konfiguration aufweist, die durch eine Vielzahl intramolekularer Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Atomgruppen C = O und N – H festgelegt wird. Ein Substanzmolekül wiederum hat Gruppen, die Wasserstoff bilden können bindet sich an einen bestimmten Teil des Enzymmoleküls – das sogenannte aktive Zentrum. Dadurch werden intramolekulare Bindungen in dieser Substanz geschwächt und das Enzym „beißt“ das Molekül buchstäblich an.

Dies schränkt jedoch nicht die Rolle schwacher Wasserstoffbrückenbindungen in Lebensprozessen ein. Dank dieser Verbindungen erfolgt die exakte Kopie des DNA-Moleküls, das alle genetischen Informationen von Generation zu Generation weitergibt; Wasserstoffbrückenbindungen bestimmen die Spezifität der Wirkung vieler Medikamente; Sie sind sowohl für Geschmacksempfindungen als auch für die Kontraktionsfähigkeit unserer Muskeln verantwortlich ... Kurz gesagt, in der Tierwelt ist das Wasserstoffatom wirklich unersetzlich.

Wasserstoff und Wissenschaft

Ganz am Ende des 18. und Anfang des 19. Jahrhunderts. In der Chemie begann eine Phase der Etablierung quantitativer Gesetze: 1803 formulierte John Dalton das Gesetz der multiplen Verhältnisse (Substanzen reagieren miteinander in Gewichtsverhältnissen, die ein Vielfaches ihrer chemischen Äquivalente sind). Gleichzeitig erstellte er die erste Tabelle in der Geschichte der chemischen Wissenschaft über die relativen Atomgewichte der Elemente. In dieser Tabelle stand Wasserstoff an erster Stelle, und die Atomgewichte anderer Elemente wurden in Zahlen nahe der ganzen Zahl ausgedrückt.

Die Sonderstellung, die Wasserstoff von Anfang an einnahm, musste die Aufmerksamkeit von Wissenschaftlern auf sich ziehen, und 1811 konnten Chemiker die Hypothese von William Prout kennenlernen, der die Idee der Philosophen entwickelte antikes griechenlandüber die Einheit der Welt und schlug vor, dass alle Elemente aus Wasserstoff wie aus dem leichtesten Element gebildet werden. Jens Jakob Berzelius, der dabei war, die Atomgewichte zu verfeinern, widersprach Prout: Aus seinen Experimenten ging hervor, dass die Atomgewichte der Elemente nicht in einem ganzzahligen Verhältnis zum Atomgewicht von Wasserstoff stehen. „Aber“, wandten Prouts Anhänger ein, „die Atomgewichte sind noch nicht genau genug bestimmt“ – und als Beispiel verwiesen sie auf die Experimente von Jean Stas, der 1840 das Atomgewicht von Kohlenstoff von 11,26 korrigierte (dieser Wert wurde von festgelegt). Berzelius) auf 12, 0.

Dennoch musste Prouts attraktive Hypothese für eine Weile aufgegeben werden: Bald stellte derselbe Stas durch sorgfältige und unbestreitbare Forschungen fest, dass beispielsweise das Atomgewicht von Chlor 35,45 beträgt, d.h. kann niemals als Vielfaches des Atomgewichts von Wasserstoff ausgedrückt werden ...

Aber im Jahr 1869 erstellte Dmitri Iwanowitsch Mendelejew seine eigene periodische Klassifikation der Elemente, basierend auf den Atomgewichten der Elemente als ihren größten grundlegendes Merkmal. Und an erster Stelle im System der Elemente stand natürlich Wasserstoff.

Mit der Eröffnung periodisches Gesetz Es wurde deutlich, dass die chemischen Elemente eine einzige Reihe bilden, deren Aufbau einer gewissen inneren Gesetzmäßigkeit unterliegt. Und dies konnte nicht umhin, Prouts Hypothese erneut zum Leben zu erwecken – wenn auch in leicht abgewandelter Form: 1888 schlug William Crookes vor, dass alle Elemente, einschließlich Wasserstoff, durch die Verdichtung einer Primärmaterie entstanden seien, die er Protyl nannte. Und da Protyle, so argumentierte Crookes, offenbar ein sehr kleines Atomgewicht hat, ist daraus auch die Entstehung gebrochener Atomgewichte verständlich.

Gegen diese Hypothese wandte Mendelejew ein: „... Geben Sie etwas Individualisiertes und es wird leicht, die Möglichkeit sichtbarer Vielfalt zu verstehen.“ Wie könnte der Eine sonst viele geben? Das heißt, nach Ansicht des Schöpfers des Periodensystems kann eine Art von Teilchen nicht als Grundlage für den Aufbau eines Systems von Elementen mit so unterschiedlichen Eigenschaften dienen.

Aber hier ist das Interessante. Mendeleev selbst beschäftigte sich ungewöhnlich mit der Frage: Warum sollte das Periodensystem gerade mit Wasserstoff beginnen? Was verhindert die Existenz von Elementen mit einem Atomgewicht von weniger als eins? Und 1905 nennt Mendelejew ein solches Element ... „Weltäther“. Darüber hinaus ordnet er es der Nullgruppe über Helium zu und berechnet sein Atomgewicht – 0,000001! Ein Edelgas mit einem so geringen Atomgewicht müsste laut Mendelejew alldurchdringend sein und seine elastischen Schwingungen könnten Lichtphänomene erklären ...

Leider sollte diese Vorhersage des großen Wissenschaftlers nicht wahr werden. Aber Mendelejew hatte Recht, als er feststellte, dass die Elemente nicht aus identischen Teilchen bestehen: Wir wissen jetzt, dass sie aus Protonen, Neutronen und Elektronen bestehen.

Aber lassen Sie mich ausrufen, denn das Proton ist der Kern des Wasserstoffatoms. Also hatte Prout doch recht?

Ja, er hatte tatsächlich auf seine Weise Recht. Aber es war sozusagen vorzeitig richtig. Denn damals konnte es weder wirklich bestätigt noch wirklich widerlegt werden...

Wasserstoff selbst hat jedoch in der Geschichte der Entwicklung des wissenschaftlichen Denkens eine bedeutende Rolle gespielt. Im Jahr 1913 formulierte Niels Bohr seine berühmten Postulate, die auf der Grundlage der Quantenmechanik die Strukturmerkmale des Atoms erklärten innere Essenz Periodizitätsgesetz. Und Bohrs Theorie wurde anerkannt, weil das auf ihrer Grundlage berechnete Wasserstoffspektrum vollständig mit dem beobachteten übereinstimmte.

Und doch ist die Geschichte der Idee, die vor mehr als 150 Jahren geäußert wurde, noch nicht zu Ende. Eine der rätselhaftesten Aufgaben der heutigen Wissenschaft besteht darin, ein Muster in den Eigenschaften der sogenannten Elementarteilchen zu finden, von denen es mittlerweile viele Dutzend gibt. Ученые делают попытки свести их в своеобразную периодическую систему, но разве это не указывает на то, что все-таки существуют какие-то «кирпичи мироздания», из которых и построены все элементарные частицы, – и атомы, и молекулы, и мы с вами , schließlich?

Physiker haben die Existenz solcher Teilchen vermutet und sie sogar Quarks genannt. Das einzige Problem ist, dass bisher niemand auf der Welt beweisen konnte, dass solche Teilchen eine Realität und kein Mythos sind ...

Aber denken Sie an Prout und das Schicksal seiner Hypothese. Die Idee der Teilchen, aus denen alles aufgebaut ist, ist nach wie vor so attraktiv wie vor zwei Jahrtausenden und anderthalb Jahrhunderten. Und selbst wenn sich herausstellt, dass Quarks nicht das sind, was moderne Wissenschaftler über sie denken, ist es wichtig, dass die Idee der Einheit der Welt lebt und sich entwickelt. Und es wird die Zeit kommen, in der es seine logische Schlussfolgerung erhält.

Wasserstoff und Praxis

Machen wir gleich einen Vorbehalt: Im Gegensatz zur „Wissenschaft“ als reinem Ideenfeld nennen wir „Praxis“ alles, was der praktischen Tätigkeit eines Menschen dient – ​​auch wenn es sich um die Tätigkeit eines experimentellen Wissenschaftlers handelt.

Der Chemiker beschäftigt sich mit Wasserstoff vor allem als Stoff mit den Eigenschaften eines idealen Reduktionsmittels.

Aber wo bekommt man Wasserstoff? Am einfachsten geht es natürlich mit einem Ballon. Aus einem grünen Zylinder mit roter Aufschrift „Wasserstoff“ und einem Ventil mit „Links“-Gewinde ( brennbares Gas!). Aber wenn kein Ballon zur Hand ist?

Wasserstoff kann durch Reaktion von Metallen mit Säuren hergestellt werden:

Zn + H 2 SO 4 → ZnSO 4 + H 2.

Dieser Wasserstoff kann jedoch nicht vollkommen rein sein, da ein vollkommen reines Metall und eine Säure benötigt werden. Reiner Wasserstoff wurde auch von Lavoisier gewonnen, indem er Wasserdampf durch einen auf einer Kohlenpfanne erhitzten Kanonenlauf leitete:

4H 2 O + 3Fe → Fe 3 O 4 + 4H 2.

Aber auch diese Methode ist nicht sehr praktisch, obwohl man in einem modernen Labor mit einem mit Eisenspänen gefüllten und in einem Elektroofen erhitzten Quarzrohr auskommen kann.

Elektrolyse! Destilliertes Wasser, dem zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit etwas Schwefelsäure zugesetzt wird, zersetzt sich beim Durchleiten von Gleichstrom:

2H 2 O → 2H 2 + O 2.

Zu Ihren Diensten – Wasserstoff von nahezu perfekter Reinheit, er muss nur von kleinsten Wassertröpfchen befreit werden. (In der Industrie wird dem Wasser Alkali und keine Säure zugesetzt, damit Metallgeräte nicht zusammenbrechen.)

Und nun werden wir diesen Wasserstoff langsam durch Wasser leiten, in dem Palladiumchlorid gerührt ist. Die Erholung beginnt fast sofort und der Niederschlag wird schwarz – Sie erhalten Palladiumschwarz:

PdCl 2 + H 2 → Pd + 2HCl.

Palladiumschwarz ist ein hervorragender Katalysator für die Hydrierung verschiedener organischer Verbindungen. Hier wird ein Katalysator benötigt, denn molekularer Wasserstoff ist sehr träge: Selbst mit Sauerstoff reagiert er unter normalen Bedingungen ungewöhnlich langsam. Schließlich muss ein Wasserstoffmolekül zunächst in Atome zerfallen, und dafür müssen für jedes Mol Wasserstoff 104 kcal aufgewendet werden (also nur 2 g!) Aber auf der Oberfläche des Katalysators ist dies der Fall der Prozess ist im Gange Mit viel weniger Energieaufwand wird Wasserstoff schnell aktiviert.

Vielleicht lohnt es sich nicht, viel über die Rolle von Katalysatoren in der modernen chemischen Technologie zu sprechen: Die überwiegende Mehrheit der Prozesse wird in ihrer Gegenwart durchgeführt. Und die wichtigste davon ist die Synthese von Ammoniak aus Wasserstoff und Luftstickstoff:

3H 2 + N 2 → 2NH 3.

Dabei entsteht Wasserstoff entweder aus Wasser und Methan nach der sogenannten Konvertierungsreaktion:

CH 4 + 2H 2 O → 4H 2 + CO 2.

oder durch Spaltung natürlicher Kohlenwasserstoffe in einer Reaktion, die die Umkehrung der Hydrierungsreaktion ist:

CH 3 - CH 3 - CH 2 \u003d CH 2 + H 2.

Synthetisches Ammoniak ist bei der Herstellung von Stickstoffdüngern unverzichtbar. Doch nicht nur zur Herstellung von Ammoniak wird Wasserstoff benötigt. Bei der Umwandlung flüssiger pflanzlicher Fette in feste Ersatzstoffe für tierisches Öl, bei der Umwandlung fester Kohle minderer Qualität in flüssige Brennstoffe und bei vielen anderen Prozessen kommt es auf elementaren Wasserstoff an. Es stellt sich heraus, dass Wasserstoff Nahrung für Menschen, Pflanzen und Maschinen ist ...

Aber zurück zum Labor. Dabei wird Wasserstoff nicht nur in reiner Form eingesetzt, sondern auch in Form seiner Verbindungen mit Metallen – zum Beispiel Lithiumaluminiumhydrid LiAlH 4 , Natriumborhydrid NaBH 4 . Diese Verbindungen stellen bestimmte Atomgruppen in organischen Substanzen einfach und gezielt wieder her:

Wasserstoffisotope – Deuterium (2 H oder D) und Tritium (3 H oder T) – ermöglichen die Untersuchung der feinsten Mechanismen chemischer und chemischer Prozesse biochemische Prozesse. Diese Isotope werden als „Tags“ verwendet, da Deuterium- und Tritiumatome alle chemischen Eigenschaften des üblichen leichten Isotops – Protium – behalten und es in organischen Verbindungen ersetzen können. Aber Deuterium kann von Protium durch seine Masse und Tritium durch seine Radioaktivität unterschieden werden. Dadurch ist es möglich, das Schicksal jedes einzelnen Fragments des markierten Moleküls zu verfolgen.

Wasserstoff und die Zukunft

Die Worte „Deuterium“ und „Tritium“ erinnern uns daran, dass der Mensch heute über eine starke Energiequelle verfügt, die bei der Reaktion freigesetzt wird:

2 1 H + 3 1 H → 4 2 He + 1 0 N+ 17,6 MeV.

Diese Reaktion beginnt bei 10 Millionen Grad und läuft bei der Explosion einer thermonuklearen Bombe in einem winzigen Bruchteil einer Sekunde ab, wobei eine gigantische Energiemenge im Erdmaßstab freigesetzt wird.

Wasserstoffbomben werden manchmal mit der Sonne verglichen. Allerdings haben wir bereits gesehen, dass auf der Sonne langsame und stabile thermonukleare Prozesse ablaufen. Die Sonne schenkt uns Leben und die Wasserstoffbombe verspricht den Tod ...

Aber eines Tages wird die Zeit kommen – und diese Zeit ist nicht mehr fern –, in der der Maßstab des Wertes nicht Gold, sondern Energie sein wird. Und dann werden Wasserstoffisotope die Menschheit vor dem drohenden Energiemangel bewahren: In kontrollierten thermonuklearen Prozessen wird jeder Liter natürliches Wasser so viel Energie liefern wie heute 300 Liter Benzin. Und die Menschheit wird sich mit Fassungslosigkeit daran erinnern, dass es eine Zeit gab, in der sich die Menschen gegenseitig mit einer lebensspendenden Wärme- und Lichtquelle bedrohten ...

Protium, Deuterium, Tritium...

Die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Isotope aller Elemente außer Wasserstoff sind nahezu gleich: Denn für Atome, deren Kerne aus mehreren Protonen und Neutronen bestehen, ist es nicht so wichtig – ein Neutron weniger oder ein Neutron mehr. Aber der Kern eines Wasserstoffatoms ist ein einzelnes Proton, und wenn ihm ein Neutron hinzugefügt wird, verdoppelt sich die Masse des Kerns fast, und wenn zwei Neutronen vorhanden sind, verdreifacht sie sich. Daher siedet leichter Wasserstoff (Protium) bei minus 252,6°C und der Siedepunkt seiner Isotope weicht von diesem Wert um 3,2° (Deuterium) bzw. 4,5° (Tritium) ab. Bei Isotopen ist das ein sehr großer Unterschied!

Überraschenderweise sind Isotope in der Natur nicht gleichmäßig verteilt: Ein Atom Deuterium besteht aus etwa 7000, und ein Atom betaradioaktives Tritium besteht aus einer Milliarde Milliarden Protiumatomen. Ein weiteres äußerst instabiles Wasserstoffisotop, 4 H, wurde künstlich gewonnen.

Präzision steht an erster Stelle

Die relative Masse des leichten Wasserstoffisotops wird mit fantastischer Genauigkeit bestimmt: 1,007276470 (wenn wir die Masse des Kohlenstoffisotops 12 C gleich 12,0000000 annehmen). Wenn beispielsweise die Länge des Äquators so genau gemessen würde, würde der Fehler 4 cm nicht überschreiten!

Aber warum ist eine solche Präzision notwendig? Schließlich erfordert jede neue Figur immer mehr Anstrengungen von Experimentatoren... Das Geheimnis wird einfach gelüftet: Protiumkerne, Protonen, nehmen an vielen Kernreaktionen teil. Und wenn die Massen der reagierenden Kerne und die Massen der Reaktionsprodukte bekannt sind, dann verwenden Sie die Formel E = mc 2 kann seine Energiewirkung berechnet werden. Und da die Energieeffekte selbst bei Kernreaktionen nur mit einer geringen Massenänderung einhergehen, müssen diese Massen möglichst genau gemessen werden.

Erster oder Siebter?

Welchen Platz sollte Wasserstoff im Periodensystem einnehmen? Es scheint eine lächerliche Frage zu sein: Natürlich die erste! Ja, aber in welche Gruppe soll ich es einordnen? Lange Zeit wurde Wasserstoff über Lithium gestellt, da es wie alle einwertigen Metalle über ein Valenzelektron verfügt. (Übrigens ist die Wärmeleitfähigkeit von Wasserstoff für ein Gas ungewöhnlich hoch – Wasserstoffmoleküle bewegen sich viel schneller als Moleküle anderer Gase und übertragen daher Wärme intensiver.)

In der modernen Elementtabelle wird Wasserstoff in die Gruppe VII über Fluor eingeordnet. Tatsache ist, dass die Logik des Periodizitätsgesetzes erfordert, dass sich die Ladung der Kerne der analogen Elemente der ersten drei Perioden um acht Einheiten unterscheidet; Daher sollte Wasserstoff (Ordnungszahl 1) als analog zu Fluor (Ordnungszahl 9) und nicht als analog zu Lithium (Ordnungszahl 3) betrachtet werden. Dabei ist jedoch zu bedenken, dass die Analogie hier nicht vollständig ist: Obwohl Wasserstoff wie Fluor in der Lage ist, mit Metallen Verbindungen (Hydride) einzugehen, ist das Wasserstoffion ein Proton, ein nacktes Elementarteilchen, mit dem man überhaupt nicht vergleichen kann alle anderen Ionen.

Alkali oder Säure?

Stoffe, die in Lösungen ein Wasserstoffion, ein Proton, abspalten, nennt man Säuren, solche, die dieses Ion hinzufügen, heißen Laugen. Die Protonenkonzentration charakterisiert die Reaktion des Mediums: 1 Liter einer neutralen wässrigen Lösung sowie 1 Liter reines Wasser enthalten 10–7 Gramm Wasserstoffionen; Ist die Protonenkonzentration höher, wird das Medium sauer, ist sie niedriger, wird es alkalisch. (Der Logarithmus dieser Konzentration mit umgekehrtem Vorzeichen ist der „Wasserstoffindex“ oder pH-Wert.)

Es sollte jedoch beachtet werden, dass es in wässrigen Lösungen keine freien Protonen gibt und auch nicht geben kann: Der Kern des Wasserstoffatoms ist so klein, dass er in die Elektronenhülle von Wasser eingeführt zu werden scheint und eine spezielle Verbindung bildet – das Oxoniumion:

H + + H 2 O → H 3 O +.

Allerdings ist die Situation hier eher umgekehrt: Es entsteht nicht das Oxonium-Ion, weil das Proton von der Säure abgespalten wird, sondern die Säure dissoziiert, weil das Oxonium-Ion entsteht. Daher sollte das Dissoziationsschema beispielsweise von Chlorwasserstoff wie folgt geschrieben werden:

HCl + H 2 O → H 3 O + + Cl -.

Das bedeutet, dass sich Wasser, wenn darin Chlorwasserstoff gelöst ist, wie ein Alkali verhält (es bindet ein Proton); löst sich darin beispielsweise Ammoniak, dann wirkt Wasser bereits als Säure:

NH 3 + H 2 O → NH 4 + + OH -.

Mit einem Wort: Alles auf der Welt ist relativ ...

Wunder der Okklusion

Stellen Sie sich ein solches Erlebnis vor. Bei einem Wasserelektrolysegerät besteht die Kathode aus einer Platte. Sie schalten den Strom ein und... die Platte beginnt sich von selbst zu verbiegen! Das Geheimnis dieses Tricks liegt darin, dass die Platte aus Palladium besteht und auf einer Seite mit einer Lackschicht überzogen ist. Bei der Elektrolyse wird Wasserstoff auf der nicht lackierten Seite der Platte freigesetzt und löst sich sofort im Metall; und wenn das Volumen des Palladiums zunimmt, entsteht eine Kraft, die die Platte verbiegt.

Aber Moment, sagen Sie, lösen sich Gase in Metallen? Im Allgemeinen ist dieses als Okklusion bezeichnete Phänomen nicht überraschend. Überraschend ist noch etwas: In einem Volumen Palladium sind bis zu 850 Volumina Wasserstoff gelöst! Das ist etwas weniger als die Menge an Ammoniak, die in einem Volumen Wasser gelöst werden kann – und welches Gas löst sich besser in Wasser! Wasserstoff hingegen löst sich in Wasser nur sehr geringfügig – etwa 0,02 Volumen pro Volumen Wasser.

In statu nascendi

Bei der Verbrennung von Wasserstoff in reinem Sauerstoff entstehen Temperaturen bis zu 2800 °C – eine solche Flamme schmilzt problemlos Quarz und die meisten Metalle. Doch mit Hilfe von Wasserstoff lassen sich noch höhere Temperaturen erreichen, wenn man ihn nicht als Quelle, sondern als Träger und Konzentrator von Energie nutzt.

So wird es gemacht. Ein Wasserstoffstrahl wird durch die Flamme eines Voltaic-Lichtbogens geleitet. Unter dem Einfluss hoher Temperaturen zerfallen seine Moleküle, zerfallen in Atome und absorbieren eine große Energiemenge. Der entstehende atomare Wasserstoff verbindet sich nicht sofort zu Molekülen: Schließlich müssen Atome ihre gespeicherte Energie zunächst abgeben. Und wenn ein Strahl atomaren Wasserstoffs auf eine feste Oberfläche gerichtet wird, dann werden die Atome dort zu Molekülen verbunden: Dissoziationsenergie wird freigesetzt und die Oberflächentemperatur steigt auf 3500...4000°C. Mit Hilfe eines solchen atomaren Wasserstoffbrenners können selbst hochschmelzende Metalle verarbeitet werden.

Atomarer Wasserstoff entsteht nicht nur in einer Lichtbogenflamme: Er entsteht auch, wenn Säuren mit Metallen reagieren. Im Moment seiner Freisetzung (lateinisch: in statu nascendi) weist Wasserstoff eine erhöhte Aktivität auf und Chemiker nutzen ihn zur Wiederherstellung organischer Substanzen.

Wie viele Wasserstoffatome gibt es?

Wir haben bereits über vier Arten von Wasserstoff gesprochen – seine Isotope. Und doch gibt es in der Natur noch viel mehr verschiedene „Wasserstoffe“, wenn wir nicht nur über die Atome dieses Elements, sondern auch über seine Moleküle sprechen. Der Punkt ist, dass bei normale Bedingungen molekularer Wasserstoff ist eine Mischung aus zwei ungewöhnlichen Isomeren – dem sogenannten Ortho- und Dampfwasserstoff, die sich in der Orientierung unterscheiden magnetische Momente Kerne ihrer Atombestandteile. Für Orthowasserstoff haben diese Momente die gleiche Orientierung und für Wasserstoffdampf die entgegengesetzte Orientierung; Ortho- und Para-Isomere unterscheiden sich in ihrer physikalische Eigenschaften. Und da sowohl Deuterium als auch Tritium ähnliche Isomere haben und HD-, HT- und DT-Moleküle existieren können, die offenbar jeweils auch in Form von Ortho- und Paraisomeren existieren können, bedeutet dies, dass es zwölf Arten von molekularem Wasserstoff gibt .

Aber das ist nicht alles. Vor nicht allzu langer Zeit gelang es Wissenschaftlern, Antiwasserstoff zu gewinnen – ein Atom, das aus einem Antiproton und einem Positron aufgebaut war – und danach wurden in Hochenergiebeschleunigern Antideuterium- und Antitritiumkerne gewonnen. Und dann gibt es noch Mesoatome, bei denen ein Proton oder ein Elektron durch das eine oder andere Meson ersetzt wird. Sie können auch als besondere Isotope des Wasserstoffs betrachtet werden...

Erster metallischer Wasserstoff

Wasserstoff hat, wie wir wissen, heute mindestens drei Hoffnungen: für thermonukleare Energie, für eine nahezu verlustfreie Energieübertragung (in supraleitenden Geräten bei der Temperatur von flüssigem Wasserstoff, nicht von flüssigem Helium) und als umweltverträglicher Brennstoff . Und all diese Hoffnungen sind vor allem mit metallischem Wasserstoff verbunden, also solcher Wasserstoff, der ist solide, was hat hohe elektrische Leitfähigkeit und andere Eigenschaften des Metalls. Kompakter metallischer Wasserstoff sollte der bequemste Wasserstoffbrennstoff sein. Darüber hinaus gibt es theoretische Voraussetzungen, nach denen metallischer Wasserstoff bei gewöhnlichen Temperaturen existieren kann und dabei ein Supraleiter bleibt.

Sie versuchten (und versuchen es weiterhin), metallischen Wasserstoff zu gewinnen verschiedene Wege, wobei gewöhnlicher fester Wasserstoff statischen oder dynamischen Belastungen ausgesetzt wird. Der erste Bericht über mögliche Erfolge bei der Lösung dieses wichtigen und komplexen Problems wurde im Februar 1975 von einer Gruppe von Wissenschaftlern des Instituts für Hochdruckphysik der Akademie der Wissenschaften der UdSSR (unter der Leitung des Akademiemitglieds L. F. Wereschtschagin) veröffentlicht. Durch die Abscheidung einer dünnen Wasserstoffschicht auf auf 4,2 °K gekühlten Diamantambossen und die Einwirkung eines sehr hohen Drucks wurde ein ungewöhnliches Phänomen beobachtet. Der elektrische Widerstand von Wasserstoff hat sich millionenfach verringert – er ist in einen metallischen Zustand übergegangen. Dies geschah unter einem statischen Druck von etwa 3 Millionen atm. Als der Druck zu sinken begann, fand bereits bei etwa einem dreifachen Druckabfall (1 Million atm) der umgekehrte Übergang des Wasserstoffs vom metallischen Zustand in den üblichen dielektrischen Zustand statt. Allerdings empfanden die Forscher diesen Umstand nicht als fatalen Fehler, also als Unmöglichkeit der Existenz von metallischem Wasserstoff normaler Druck. Sie hoffen, dass metallischer Wasserstoff irgendwie „gehärtet“ und schließlich Wissenschaftlern verschiedener Fachrichtungen zugänglich gemacht werden kann. Und was die Technik betrifft, offenbar auch.

Bei der Spaltung schwerer Kerne in einem Reaktor wird Energie freigesetzt. Wo ist die Quelle dieser Energie? Warum wird es in dem Moment freigegeben, in dem der Kern in zwei Teile zerfällt?

Der Uran-235-Kern besteht aus 92 Protonen und 143 Neutronen. Dabei handelt es sich nicht um eine einfache mechanische Mischung aus Elementarteilchen, wie beispielsweise eine Mischung aus Eisenspänen und Schwefelpulver. Die Teilchen, aus denen der Atomkern besteht, sind durch die sogenannten Kernkräfte sehr stark aneinander gebunden. Diese Bindung der Teilchen im Kern ist viele Millionen Mal stärker als die Bindung, die zwischen den Atomen im Molekül einer chemischen Verbindung besteht. Zündet man die gleichen mit Schwefel vermischten Eisenspäne an, erhält man eine chemische Verbindung – Eisensulfid. Um alle Eisensulfidmoleküle in die in einem Gramm enthaltenen Eisen- und Schwefelatome zu zerlegen, wird Energie in der Menge von etwa einer großen Kalorie benötigt. Und um alle Kerne, die in einem ein Gramm schweren Stück Uran enthalten sind, in Elementarteilchen zu zerstören, wäre Energie in der Größenordnung von 170 Millionen großen Kalorien erforderlich. Diese Energiemenge wird bei der Verbrennung von fast 20 Tonnen Benzin freigesetzt.

Neutronen und Protonen in den Kernen verschiedener chemischer Elemente sind auf unterschiedliche Weise aneinander gebunden: Bei manchen sind sie stärker, bei anderen schwächer. Bei der Spaltung des Urankerns entstehen, wie bereits erwähnt, zwei „Bruchstücke“, die Kerne der Atome der Mitte Periodensystem Elemente von Mendelejew, zum Beispiel die Kerne von Barium- und Kryptonatomen. Die Protonen und Neutronen in diesen Kernen sind stärker aneinander gebunden als in den Kernen von Uran oder anderen schweren Elementen am Ende des Periodensystems. Die Zerstörung eines Bariumkerns und eines Kryptonkerns zu Elementarteilchen (Protonen und Neutronen) würde zehn Prozent mehr Energie erfordern als die Zerstörung eines Urankerns.

Wird für die Aufspaltung eines Kerns in einzelne Elementarteilchen eine bestimmte Energie benötigt, so muss bei der Bildung von Kernen aus diesen Teilchen nach dem Energieerhaltungssatz die gleiche Energie freigesetzt werden.

Teilen wir den Prozess der Spaltung des Urankerns gedanklich in zwei Phasen ein. Die erste Stufe ist die Zerstörung des Urankerns in Protonen und Neutronen; Dies verbraucht Energie in Höhe von 170 Millionen großen Kalorien pro Gramm reinem Uran. Die zweite Stufe ist die Bildung von Barium- und Kryptonkernen aus Elementarteilchen, die bei der Zerstörung von Urankernen entstehen. Dieser Prozess geht mit der Freisetzung von Energie in Höhe von etwa 190 Millionen großen Kalorien einher. Durch die Durchführung beider Reaktionsstufen wird ein Energiegewinn von 20 Millionen großen Kalorien erzielt. Um diese Energiemenge zu gewinnen, müssen etwa zwei Tonnen Benzin verbrannt werden. So ist der „Heizwert“ von Uran bei seiner Spaltung zwei Millionen Mal höher als bei der Verbrennung von Benzin.

Lassen Sie uns unsere Argumentation anhand des folgenden Beispiels erläutern. Nehmen wir an, Sie stehen an einem Berghang und schöpfen Wasser aus einem zwei Meter tiefen Brunnen. Für jedes Kilogramm Wasser verbrauchen Sie Arbeit von zwei Kilogrammmetern. Anschließend schüttet man dieses Wasser durch die Rutsche auf das fünf Meter tiefer liegende Turbinenrad. Wenn wir alle Arten von Energieverlusten vernachlässigen, verrichtet die Turbine eine Arbeit von fünf Kilogrammmetern. Dadurch bekommen wir drei Kilogrammmeter mehr Arbeit, als wir verbrauchen.

Bei der Spaltung der Kerne schwerer Elemente zerfallen diese nicht in einzelne Elementarteilchen, sondern spalten sich lediglich in zwei Teile – Fragmente. In den entstehenden Fragmenten kommt es augenblicklich zu einer Neuordnung der Elementarteilchen; Sie werden dichter „gepackt“, und dieser Prozess geht mit der Freisetzung von Energie einher, und es wird mehr Energie freigesetzt, als für die Zerstörung eines schweren Kerns aufgewendet wird.

Berechnungen zeigen, dass bei der Spaltung schwerer Kerne nur ein Teil der im Kern gespeicherten Energie freigesetzt wird. Deutlich mehr Energie wird gewonnen, wenn die gleichen Barium- und Kryptonkerne direkt aus Protonen und Neutronen synthetisiert (zusammengesetzt) ​​werden. Dann müssen Sie nicht die Energie von 170 Millionen großen Kalorien aufwenden, um schwere Kerne zu zerstören. Im Beispiel mit Wasser entspräche dies der Tatsache, dass man es nicht aus dem Brunnen holen muss, sondern das Becken nutzen muss, dessen Wasser sich auf Höhe der Oberkante der Dachrinne befindet.

Doch für die Synthese von Atomkernen aus Neutronen und Protonen ist es zunächst notwendig, über diese Elementarteilchen zu verfügen. IN fertig Sie kommen in der Natur nicht vor. Sie können nur künstlich gewonnen werden. Im freien Zustand isolierte Neutronen und Protonen können jedoch nicht für eine zukünftige Verwendung gespeichert werden. Protonen sind Protiumatome, denen ein einzelnes Elektron fehlt; unter normalen Bedingungen können sie nicht lange existieren. Die Protonen finden ihre verlorenen Elektronen wieder und verwandeln sich wieder in elektrisch neutrale Protiumatome.

Neutronen dringen leicht in die Atomkerne ein und werden von ihnen eingefangen. Darüber hinaus sind Neutronen radioaktiv. Die Lebensdauer von Neutronen im freien Zustand beträgt nur wenige Minuten. Gelingt es dem Neutron, dem Einfang durch den Kern zu entgehen, verwandelt es sich spontan in ein Proton und ein Elektron. Woher kam das Elektron bei der radioaktiven Umwandlung des Neutrons? Tatsache ist, dass sowohl das Neutron als auch das Proton im Wesentlichen dasselbe Elementarteilchen sind, nur dass es sich in unterschiedlichen Energiezuständen befindet. Um die Gemeinsamkeit dieser Teilchen hervorzuheben: Wenn sie zusammen eine Art Atomkern bilden, werden sie sogar mit einem Namen bezeichnet – Nukleonen. So heißt es beispielsweise, der Kern des Isotops Chlor-35 bestehe aus 35 Nukleonen, ohne diese in Protonen und Neutronen zu unterteilen. Der Übergang eines Neutrons in ein Proton ist ein spontaner Übergang von einem höheren Energieniveau zu einem niedrigeren; gleichzeitig wird ein Elektron „geboren“. Ein spontaner Übergang eines Protons in ein Neutron ist unmöglich; dies würde einem Übergang von einem niedrigen Energieniveau auf ein höheres entsprechen, was dem Energieerhaltungssatz widerspricht. Ein am Boden liegender Stein, niemals von selbst, ohne Eingriff äußere Kraft, wird nicht steigen. Wird dem Proton hingegen von außen die nötige Energiemenge zugeführt, kann es sich in ein Neutron umwandeln, wobei mit diesem Vorgang ein elektronenähnliches, aber positiv geladenes Teilchen entsteht. Es wird, wie wir bereits wissen, Positron genannt. So stellt sich heraus, dass Neutronen zwar keine Elektronen und Protonen keine Positronen enthalten, diese Teilchen jedoch bei ihrer gegenseitigen Umwandlung freigesetzt werden.

Wenn es also möglich ist, Neutronen und Protonen in freier Form zu gewinnen, müssen sie sofort für die Synthese von Atomkernen verwendet werden.

Die Zerstörung schwerer Kerne wie Uran in Elementarteilchen (Nukleonen) ist mit einem großen Energieaufwand verbunden. Aber gibt es in der Natur keine solchen Kerne, in denen Protonen und Neutronen nicht so stark aneinander gebunden sind wie im Urankern? Wenn solche Kerne verfügbar wären, würde die erste mentale Stufe der Reaktion – die Zerstörung des Kerns – weniger Energie erfordern. Um auf das Beispiel mit einem Brunnen und einer Dachrinne zurückzukommen: Man sollte nach Möglichkeit nach einem flachen Brunnen suchen.

Hier kommt Wasserstoff mit seinen schweren Isotopen ins Spiel, und zwar nicht nur eines, sondern zwei.

Welche Rolle spielte Deuterium beim Betrieb eines Kernreaktors? Seine Rolle bestand darin, schnelle Neutronen auf thermische Geschwindigkeit abzubremsen. Er war nicht direkt an der Freisetzung von Kernenergie beteiligt. Wie Sie bereits wissen, werden in vielen Reaktoren Kohlenstoff in Form von Graphitblöcken oder gewöhnliches Wasser erfolgreich als Neutronenmoderatoren eingesetzt. Es gibt Reaktoren überhaupt ohne Moderator – das sind Reaktoren, die mit schnellen Neutronen arbeiten. In den Prozessen, die wir nun kennenlernen werden, sind Wasserstoffisotope von entscheidender Bedeutung für die Freisetzung nuklearer Energie.

Neben dem schweren Wasserstoffisotop – Deuterium – gibt es auch ein superschweres Isotop – Tritium; es wird mit dem Buchstaben T bezeichnet. Der Tritiumkern enthält neben dem Proton nicht ein Neutron wie im Deuterium, sondern zwei (Abb. 13). Im Gegensatz zu Deuterium

(Weiße Kreise bezeichnen Protonen, schwarze Kreise bezeichnen Neutronen, aus denen Kerne bestehen).

Die Hälfte aller verfügbaren Tritiumatome zerfällt in 12,2 Jahren. Dieser Zeitraum ist zwar nicht lang, aber völlig ausreichend, um Tritium immer in der richtigen Menge vorrätig zu haben.

Tritium ist ein komplexeres Wasserstoffisotop. In seinen Eigenschaften unterscheidet es sich stärker vom Protium als vom Deuterium.

Wie die ersten beiden Isotope kann Tritium zu einer Flüssigkeit kondensiert werden. Der Siedepunkt von flüssigem Tritium liegt bereits 4,65 Grad höher als der Siedepunkt von Protium. Seine Verdampfungswärme ist sogar höher als die von Deuterium. Wenn sich Tritium mit Sauerstoff verbindet, entsteht Wasser, das Tritium oder superschweres Wasser genannt wird. Wie Deuterium ergibt Tritium in Kombination mit Protayl-, Deuterium- und Sauerstoffisotopen Wasser mit unterschiedlichen Isotopenzusammensetzungen. Zu den neun Wasserarten, die Deuterium hervorbrachte, kommen nun ebenso viele neue hinzu, zu deren Molekülen Tritiumatome gehören. Die Formeln dieser Moleküle können wie folgt geschrieben werden:

MSW16, LLP17 und LLP18.

Wir argumentieren auf die gleiche Weise wie bei der Spaltung von Urankernen (siehe S. 50) und teilen den Prozess gedanklich in zwei Phasen ein: Die erste ist die Zerstörung von Deuterium- und Tritiumkernen in einzelne Nukleonen, die zweite ist die Synthese von Heliumkerne aus ihnen. Neutronen und Protonen sind in Deuterium- und Tritiumkernen deutlich weniger stark aneinander gebunden als in Heliumkernen. Daher verbraucht die Zerstörung der Kerne zweier Wasserstoffisotope insgesamt weniger Energie, als bei der Synthese eines Heliumkerns aus den resultierenden Elementarteilchen freigesetzt wird. Die Berechnung zeigt, dass bei der Bildung von nur einem Gramm Helium-4-Isotopenatomen aus Deuterium- und Tritiumkernen etwa hundert Millionen große Kalorien freigesetzt werden. Das ist das Fünffache der Energie, die bei der Spaltung eines Gramms Uran unter dem Einfluss von Neutronen freigesetzt wird.

Um die Fusionsreaktion von Heliumkernen durchzuführen, ist es notwendig, die Kerne von Deuterium und Tritium miteinander zur Kollision zu bringen. Dies ist die Hauptschwierigkeit bei der Durchführung der Fusionsreaktion von Heliumkernen. Schließlich sind beide kollidierenden Kerne positiv geladen und elektrisch gleich geladene Körper stoßen sich gegenseitig ab. Um die elektrischen Abstoßungskräfte zu überwinden, ist es notwendig, die Kerne anzugreifen
Lege große Kraft auf. Wie es geht? Offenbar ist es notwendig, den Kernen eine solche Bewegungsenergie zu verleihen, die ausreicht, um die zwischen ihnen wirkenden Abstoßungskräfte zu überwinden.

Die durchschnittliche Geschwindigkeit der zufälligen Bewegung von Teilchen und damit ihre Energie wird durch die Temperatur bestimmt. Je höher die Körpertemperatur, desto höher ist die durchschnittliche Energie der Teilchen und desto schneller bewegen sie sich. Das bedeutet, dass unsere Isotope auf eine sehr hohe Temperatur erhitzt und erhitzt werden müssen, in der Größenordnung von einer Million Grad und noch höher. Nur bei solchen Temperaturen reicht die Energie der Teilchen aus, um die elektrischen Abstoßungskräfte zwischen den Kernen zu überwinden. Wenn wir bedenken, dass selbst auf der Sonnenoberfläche die Temperatur nur 6000 Grad beträgt, wird die Schwierigkeit, Körper auf eine Million Grad zu erhitzen, offensichtlich. Die einzige in unserer Zeit bekannte Quelle, mit deren Hilfe solche Temperaturen erreicht werden können, ist eine Explosion. Atombombe, also ein Kettenprozess der Spaltung von Uran- oder Plutoniumkernen. In der Zone einer solchen Explosion existieren Deuterium und Tritium in Form von Plasma – einem Medium, das aus „nackten“ Atomkernen ohne Elektronenhüllen besteht. Unter solchen Bedingungen erhalten die Kerne von Wasserstoffisotopen die Möglichkeit, sich bei ihrem Zusammentreffen zu Heliumkernen zu verbinden, es kommt zur sogenannten thermonuklearen Reaktion. Dieser oder ein ähnlicher Vorgang findet bei einer Explosion statt. Wasserstoffbombe.

Um die bei thermonuklearen Reaktionen freigesetzte Energie für friedliche Zwecke nutzen zu können, muss man lernen, solche Reaktionen zu kontrollieren. Wissenschaftler aus vielen Ländern der Welt beschäftigen sich derzeit mit der Lösung dieses sehr schwierigen Problems. Große Forschung in dieser Richtung werden hier in der Sowjetunion durchgeführt. Die erfolgreiche Lösung dieses Problems wird der Menschheit die Sorge um die Suche nach neuen Energiequellen nehmen und zu einem beispiellosen Aufschwung von Wissenschaft und Technologie führen.

Nur zweieinhalb Jahrzehnte trennen uns von der Entdeckung des schweren Wassers und der Zeit, als es in Mengen gewonnen wurde, die auf den Boden eines kleinen Reagenzglases passten. Schweres Wasser hat in dieser kurzen Zeit einen festen Platz in der Kernenergietechnik erobert. Es stellte sich heraus, dass es der beste Moderator für Kernreaktoren war

Yushchikh über thermische Neutronen. Dies ist jedoch nicht das Wichtigste. Schweres Wasser kommt bei der Durchführung thermonuklearer Reaktionen eine zentrale Bedeutung zu. Für diese Reaktionen ist es zunächst notwendig, über genügend Rohstoffe, also Deuterium und Tritium, zu verfügen. Deuteriumatome sind Bestandteil schwere Wassermoleküle. Tritiumatome können, wie wir gesehen haben, aus Deuteriumatomen gewonnen werden. Folglich ist schweres Wasser die Quelle, die die notwendigen Elemente für die Durchführung der Fusionsreaktion von Heliumkernen liefert. Daher erfolgt die Produktion von schwerem Wasser in vielen Ländern der Welt mittlerweile im großen Fabrikmaßstab.

Ich denke, dass die Kinder, die heute gerade das Krabbeln lernen, ein angemessenes Alter erreichen werden, um die Übertragungen der ersten ITER-Starts bewundernd anzusehen. Und heute werden wir über den Brennstoff sprechen, der für thermonukleare Reaktoren benötigt wird, die zukünftige Zukunft Russlands und unser Mondprogramm.

Was ist der Zusammenhang? Lass es uns herausfinden.

Lass uns erinnern

In einem thermonuklearen Reaktor findet eine Fusionsreaktion statt, d.h. Durch die Erwärmung werden leichte Atomkerne beschleunigt und zu einem schwereren Atomkern verbunden. Während der Verbindung wird ein Energiemeer freigesetzt, um dessen willen alles in Gang gesetzt wird.

Bei der Konstruktion eines thermonuklearen Reaktors gibt es viele Schwierigkeiten, die jedoch gelöst werden. In Frankreich hat die gemeinsame Anstrengung mehrerer Länder, darunter Russland, bereits mit dem Bau des erwähnten ITER begonnen. Aber ich habe bereits darüber geschrieben.

Eine der Schwierigkeiten bei der industriellen Inbetriebnahme eines thermonuklearen Reaktors ist der Brennstoff. Es ist geplant, verschiedene Möglichkeiten zu nutzen.

Deuterium + Tritium

Dies ist die einfachste Möglichkeit, um den Ablauf der Reaktion sicherzustellen. Deuterium ist schwerer Wasserstoff. Es zu bekommen ist kein Problem. Allein im Wasser befinden sich Dutzende Milliarden Tonnen davon.Wir nehmen Wasser. Wir gewinnen daraus schweres Wasser und dann Deuterium. Seine Produktion auf der Erde in momentan- Zehntausende Tonnen pro Jahr. Wir können es schaffen.

Tritium ist schwieriger. Tritium ist superschwerer Wasserstoff. Es entsteht in den hohen Schichten der Atmosphäre, wenn Teilchen der kosmischen Strahlung mit den Atomkernen kollidieren. Wie Sie wissen, gibt es davon überhaupt nicht viel und es ist nicht möglich, es in der Höhe zu fangen.

Daher wird Tritium auf der Erde in Kernreaktoren hergestellt. Stellen Sie sich vor, insgesamt wurden von 1955 bis 1999 beispielsweise in den USA 225 kg eingenommen.

Auch unsere Reaktoren sind dazu in der Lage. Ein Kilogramm dieser Freude kostet fast 2 Milliarden Rubel.Tolle Investition? Ja, es war nicht da.

Das Problem hierbei ist, dass die Halbwertszeit von Tritium -12+ Jahre beträgt. Das heißt, nach 12 Jahren ab 1 kg. Tritium wird nur ein halbes Kilo bleiben. Nicht der beste Weg, Ihr Geld zu behalten.Nur ein ITER-Start erfordert 3 kg. Zum Starten des Fusionsreaktors der nächsten Generation DEMO – 4-10 kg. Und auf der Welt gibt es jetzt nur noch 18 kg. diese Güte.

Ja, und ich beeile mich, mich zu freuen: Ein funktionierender thermonuklearer Reaktor mit einem Kraftwerk, das Gigawatt Strom produziert, verbraucht pro Gigawatt * Jahr 56 kg (!) Tritium.

Wo bekommt man so viele davon? Ja, thermonukleare Energie ist nicht billig.

elegante Lösung

Schon jetzt muss das thermonukleare Kraftwerk DEMO Tritium für seinen Bedarf selbst und noch mehr für andere Reaktoren produzieren. Tatsächlich ist dies einer der Zwecke von DEMO – zu beweisen, dass der Reaktor sich selbst mit Tritium versorgen und einen Überschuss produzieren kann. Wie so?

Bei der Kernfusion werden aus Deuterium und Tritium ein Heliumkern und ein hochenergetisches Neutron gewonnen. Genau dieses Neutron, das schneller als der Wind rast, muss die elektromagnetische Kammer verlassen und auf eine meterlange Lithiumhülle treffen. Wenn ein Neutron und ein Lithiumkern kollidieren, entsteht Tritium.

Na ja, mit Lithium hatten wir nie Probleme. Jeder, der sich dafür interessiert, wie es abgebaut wird, kann einen Blick darauf werfen.

Was ist, wenn nicht?

Wenn Tritium nicht in großen Mengen produziert werden kann, braucht es dann die Station selbst? Was ist, wenn die Ausgabe sehr klein ist?Eine thermonukleare Station gibt es nicht Zauberstab: einer wurde gebaut und das ist alles, das Problem des Energieverbrauchs ist gelöst. Sie müssen überall auf der Welt gebaut werden.

Wenn Sie jedoch nicht genug von Tritium allein haben, können Sie stattdessen auf Helium-3 zurückgreifen.

Deuterium + Helium-3

Äußerst schwierig, an der Grenze der möglichen Reaktion. Und das alles wegen der unvorstellbar hohen Plasmatemperaturen, die erreicht werden müssen. Aber wer hat gesagt, dass es einfach sein würde?

Am Ausgang werden beim Verbinden von Deuterium- und Heliumatomen 3 Helium 4, ein Proton und 18,4 MeV erhalten.

Wir haben das Problem mit Deuterium gelöst. Aber mit Helium 3 Probleme.In der Natur befindet er sich in einem Mantel, dort liegt er seit der Erschaffung der Erde. Es gelangt durch Vulkane und Verwerfungen aller Art in die Atmosphäre.Bisher ist es uns nicht gelungen, etwas aus dem Erdmantel zu extrahieren, und in der Atmosphäre ist so wenig Helium 3 vorhanden, dass dies eine katastrophale Aufgabe ist.Wir müssen es künstlich gewinnen, zum Beispiel beim Zerfall von Tritium.

Und dann Tritium?! Ja, nein, wenn dies die einzige Option wäre, würde Helium 3 nicht 65.000 Rubel pro Liter kosten.Es gibt eine weitere Möglichkeit, Lithium mit Alphateilchen zu bombardieren.

Aber auf jeden Fall ist die Sache ziemlich kostspielig und kompliziert, und wir reden hier von Kilogramm, ganz zu schweigen von der industriellen Produktion.

Wo bekommt man Helium-3?

Wir starten gerade einen Satelliten zur Kartierung der Mondoberfläche.

Es wird ein Raumschiff gebaut, das in die Erdumlaufbahn fliegen soll. Viele Menschen tun das, auch wir. Doch obwohl unsere Ingenieure bei den Starttests im Rückstand sind, planen sie, das Schiff weiter von der Erdumlaufbahn weg zu schicken – zum Mond! Der Bau einer Mondbasis ist geplant.Was zum Teufel brauchen wir von diesem Stück Stein?

Tatsache ist, dass sich im Mondboden 10 Millionen Tonnen Helium-3 angesammelt haben – t eine notwendige und nützliche Substanz.

Und Sie dachten, wir würden aus Neugier zum Mond fliegen? Wir sind keine eitlen Amerikaner. Sie haben auf einem Flug zum Mond eine PR-Kampagne gemacht, und wir werden Helium-3 im industriellen Maßstab aufrütteln. Wir haben sogar einen Plan.

Planen

Bis 2025 werden wir vier interplanetare Stationen zum Erdtrabanten schicken. Ihre Aufgaben werden die Erkundung des Polarregoliths mit Wassereis sowie die Suche in der Gegend sein Südpol guter Ort für eine Basis.

Bis in die frühen 1930er Jahre flogen bemannte Expeditionen zum Mond, ohne auf der Oberfläche zu landen. In den 1930er und 1940er Jahren werden die ersten Landungen auf der Mondoberfläche und die erste Verlegung der künftigen Infrastruktur der Basis stattfinden.

Bis 2050Basis zu sein!

Und dort werden wir die ersten automatischen Maschinen sehen, die ihre Spuren auf dem Mondboden hinterlassen haben. Bulldozer-Roboter werden aus Rohstoffen neue Mondberge formen und die Anreicherungsanlage wird rund um die Uhr arbeiten und Helium-3 produzieren. Und nur der Start interplanetarer Frachtschiffe wird die stille Routine dieser Arbeiten durchbrechen.

Und auf der Erde werden wir in den Kommentaren immer noch die Regierung beschimpfen, ohne überhaupt darüber nachzudenken, welchen Weg die Elektrizität vom thermonuklearen Reaktor zu unserem Gerät nimmt.

Kandidat der chemischen Wissenschaften Alexander Semyonov, Chefexperte von JSC VNIIIM

Seit der Entdeckung schwerer Wasserstoffisotope sind mehr als 85 Jahre vergangen, doch das Interesse an ihnen wächst jedes Jahr. Sie geben Hoffnung auf einen Ausweg aus der Energiekrise, können aber gleichzeitig die Existenz allen Lebens auf unserem Planeten gefährden. Die Menschheit spürte diese Gefahr bereits vor einem halben Jahrhundert.

Originalmodelle von Atom- und Wasserstoffbomben (im Vordergrund) im Museum für Atomwaffen (Sarow). Foto von Alexander Semjonow.

Das Verhältnis von schwerem und leichtem Wasser in einer natürlichen Mischung. Foto von Alexander Semjonow.

RCTU-Student Boris Ivanov (links) absolviert ein Praktikum in der Tritiumabteilung von JSC VNIINM. Rechts ist der Autor des Artikels. Foto: JSC VNIINM.

Der Glaszylinder einer Vakuumanlage, verdunkelt durch jahrelange Einwirkung von Tritium-Beta-Strahlung. Foto: JSC VNIINM.

Radioluminogramm einer Tritium ausgesetzten Edelstahlprobe. verschiedene Farben Es werden Diagramme angezeigt, die unterschiedliche Mengen dieses Isotops enthalten. Foto: JSC VNIINM.

In den Jahren 1931–1932 gelang es dem amerikanischen Physikochemiker Harold Urey und seinen Kollegen, eine ungewöhnliche Fraktion aus gewöhnlichem, wohlbekanntem Wasserstoff zu isolieren. Wasserstoff aus dieser Fraktion hatte ein großes Atomgewicht und eine hohe Atomdichte und ergab im Emissionsspektrum bisher unbekannte Linien, die an die klassischen Linien des Wasserstoffspektrums erinnerten, aber gleichzeitig leicht verschoben waren. Dies bedeutete, dass es im natürlichen Wasserstoff mehrere Arten von Atomen gibt, die sich in ihren Eigenschaften unterscheiden. So wurde das erste der schweren Wasserstoffisotope, Deuterium, entdeckt. Bald wurde „schweres Wasser“ – Deuteriumoxid – in reiner Form gewonnen. Es hatte eine um 10 % höhere Dichte, also mehr hohe Temperaturen Obwohl es schmolz und siedete als gewöhnliches Wasser, war es schwieriger, es durch elektrischen Strom zu zersetzen, was bald die Grundlage für eine der ersten Methoden zu seiner Gewinnung bildete. Durch die langfristige, mehrstufige Elektrolyse von Wasser war es möglich, Deuterium zu konzentrieren und vom leichten Wasserstoffisotop zu reinigen.

Ein weiteres schweres Isotop, Tritium, wurde zwei Jahre später an der Universität Cambridge von den Physikern Ernest Rutherford, Mark Oliphant und dem physikalischen Chemiker Paul Harteck entdeckt, als sie Ziele aus deuteriumhaltigen Verbindungen mit Deuteriumkernen bombardierten. Gleichzeitig begegneten Forschern erstmals der Kernfusion – der künstlichen Umwandlung eines Kerns in einen anderen. Wie sich herausstellte, ist das dritte Isotop des Wasserstoffs stark radioaktiv (Halbwertszeit 12,32 Jahre) und kann sich daher in der Natur nicht in nennenswerten Mengen anreichern.

Für die Entdeckung von Deuterium wurde G. Urey 1934 ausgezeichnet Nobelpreis in Chemie.

Zunächst wurde Deuterium durch die elektrolytische Methode hergestellt, die erforderlich war hohe Kosten Strom und war teuer. Und die Reaktorbetriebszeit von Gewichtsmengen Tritium hätte selbst nach konservativsten Schätzungen sagenhaftes Geld kosten müssen. Wer hätte damals gedacht, dass zwei Jahrzehnte nach ihrer Entdeckung die Produktion von Deuterium und Tritium in großem Maßstab in mehreren Ländern der Welt erfolgen würde! Der Grund für die Beliebtheit schwerer Wasserstoffisotope lag darin, dass sie zur Grundlage der stärksten aller Waffen wurden, die es je gab. Diese Waffe wurde thermonuklear oder Wasserstoff genannt.

Wenn man sich an die Ära des Kalten Krieges erinnert, in der der Autor dieses Artikels zufällig geboren wurde, ist es erwähnenswert, dass der bedrohliche und heute fast vergessene Ausdruck „Wasserstoffbombe“ lange Zeit war in aller Munde und verursachte einen unangenehmen Schauer in der Seele des Bewohners die Sowjetunion. Jeder lebte unter dem Damoklesschwert Atomkrieg was, wie es schien, jeden Moment beginnen könnte. In den politischen Cartoons des Crocodile-Magazins holte der unfreundliche „Uncle Sam“ in der Regel eine ausdrucksstarke schwarze Bombe mit dem Emblem „H“, was „Wasserstoff“ bedeutete, oder mit dem Emblem aus seiner Brust oder hielt sie in der Hand „N“, was Bombenneutron bedeutete, stand für mehr moderner Typ Wasserstoffbomben. Nicht jeder verstand, dass es sich nicht um Wasserstoff selbst handelte, sondern nur um seine schweren Isotope, aus denen eine thermonukleare Ladung besteht. Die Fülle an Cartoons zu diesem Thema hat dazu geführt, dass Atom- und Wasserstoffbomben oft in Kinderzeichnungen gelangten und bei vielen Kindern Ängste auslösten.

Was ist das Geheimnis der beispiellosen Kraft, die in den schweren Wasserstoffisotopen steckt? Es liegt an der hohen Energiewirkung der Fusionsreaktion von Deuterium- und Tritiumkernen und an der rekordtiefen Energiebarriere, die überwunden werden muss, damit ihre Kerne verschmelzen. Wenn eine gewöhnliche Uran- oder Plutonium-Kernladung zum Zünden einer thermonuklearen Reaktion verwendet wird, kann ihre Energie um das 600-fache oder mehr erhöht werden. Der große Vorteil einer solchen Ladung besteht darin, dass Deuterium und Tritium beim Verschmelzen nicht nur keine langlebigen radioaktiven Produkte ergeben, sondern auch zu einer vollständigeren Verbrennung der Kernsicherung selbst beitragen. Und so die Thermo Nuklearwaffe Im Einsatz verursacht es deutlich weniger Umweltschäden und hinterlässt eine geringere radioaktive Kontamination des Gebiets als eine Atomwaffe gleicher Stärke. Dies eröffnete nicht nur militärische, sondern auch friedliche Perspektiven für seinen Einsatz – beim Bau unterirdischer Gasspeicher, beim Löschen von Bränden in Ölquellen sowie für die schnelle und relativ sichere Anlage künstlicher Gruben und Kanäle durch eine Reihe kleinerer thermonukleare Explosionen.

Der absolute Champion unter allen Arten von Sprengkörpern, die jemals von Menschenhand geschaffen wurden, sollte die sowjetische Wasserstoffbombe AN602 heißen, die am 30. Oktober 1961 auf dem Atomtestgelände Dry Nose im Nowaja Semlja-Archipel getestet wurde. MIT leichte Hand Der Generalsekretär der Kommunistischen Partei der UdSSR, N. S. Chruschtschow, schlug diese Bombe ein Weltgeschichte genannt „Kuzkins Mutter“. Darüber hinaus wird diese Ladung in Analogie zur Zarenkanone und der Zarenglocke oft als „Zarenbombe“ bezeichnet. Es wurde unter der Leitung des Akademikers der Akademie der Wissenschaften der UdSSR IV Kurtschatow entwickelt. Seine gemessene Leistung in TNT-Äquivalent betrug 58,6 Megatonnen.

Wie viele schwere Wasserstoffisotope gibt es in der Natur? Deuterium kommt in der Natur nicht so wenig vor. Seine Konzentration im Verhältnis zu Protium beträgt etwa 0,016 % at., aber angesichts des weiten Vorkommens von Wasserstoff selbst können die Deuteriumreserven als unerschöpflich angesehen werden. Die größten Mengen befinden sich in den Ozeanen; Deuteriumkonzentration in Meereswasser ist aufgrund der Fraktionierung von Wasserisotopen im atmosphärischen Wasserkreislauf auch deutlich höher als in Flussgewässern (siehe Artikel „Wissenschaft und Leben“ Nr. 5, 2011). In den Gewässern der Weltmeere gibt es sogar noch mehr Deuterium als chemische Elemente wie Fluor und Jod. Natürliche Schwankungen im Verhältnis von Deuterium- und Protiumisotopen liegen zwischen 5.500 und 11.000 leichten Wasserstoffatomen pro schwerem Wasserstoffatom – das ist eine Art Rekord unter den natürlichen Schwankungen aller stabilen Isotope. Die niedrigsten Deuteriumkonzentrationen werden in den Gletschern der Antarktis beobachtet, die höchsten in geschlossenen Reservoirs der Sahara.

Tritium kommt in der Natur zehn- und hundertmillionenmal weniger vor als Deuterium. Wegen radioaktiver Zerfall Tritium kommt in von der Atmosphäre isolierten Objekten praktisch nicht vor, beispielsweise in Ölkohlenwasserstoffen und Erdgas. Die natürliche Produktion von Tritium auf der Erde erfolgt ständig unter dem Einfluss kosmischer Strahlung auf die Stickstoff- und Sauerstoffkerne in der oberen Atmosphäre. Daher ist der Niederschlag am reichsten an natürlichem Tritium: Regen und Schnee. Eine solche natürliche Produktion von Tritium steht im Gleichgewicht mit seinem Zerfall und beträgt für den gesamten Globus nicht mehr als 7 kg.

In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts stieg die Menge an Tritium in der Natur während der Zeit intensiver Tests thermonuklearer Waffen um ein Vielfaches an. Bei der Explosion einer Wasserstoffbombe mit einer Leistung von einer Megatonne entsteht sie und fällt hinein Umfeld bis zu 2 kg Tritium. Während der gesamten Zeit der Boden- und Lufttests thermonuklearer Waffen sammelten sich Hunderte Kilogramm Tritium in der Atmosphäre. Nach ihrem Verbot sank die Menge an Tritium in Erdatmosphäre ist aufgrund seines radioaktiven Zerfalls deutlich zurückgegangen und übersteigt jetzt nicht mehr zehn Kilogramm. Eine wichtige Quelle für den Eintrag von Tritium in die Umwelt sind Kernkraftwerke, die jährlich Kilogramm Tritium produzieren (vergleichbar mit der natürlichen Produktion). Davon gelangt höchstens ein Siebtel in die Umwelt.

Wie trennt man Wasserstoffisotope? Der bekannte Wissenschaftler und Publizist I. V. Petryanov-Sokolov zeigte Ende der 1960er Jahre anhand einfacher mathematischer Berechnungen, wie utopisch der Mythos der „Ansammlung von schwerem Wasser“ in einem Wasserkocher bei längerem Kochen ist. Um mindestens einen Liter Wasser zu erhalten, das nur zehnmal mehr als natürlich mit Deuterium angereichert ist, müsste man eine solche Menge davon verdampfen, deren Masse um ein Vielfaches größer ist als die Masse des gesamten Sonnensystems. Der Grund ist Nähe physikalische und chemische Eigenschaften gewöhnliches und Deuteriumwasser, ein kleiner Wert des Trennfaktors dieser Isotope während der Destillation. Durch den Einsatz mehrstufiger Gegenstromverfahren kann die Trenneffizienz deutlich verbessert werden. Am besten beherrscht und industriell umgesetzt sind Methoden zur Gewinnung von Deuterium wie die Rektifikation von flüssigem Wasserstoff, die Zweitemperatur-Schwefelwasserstoffmethode und die auf chemischem Austausch im System „Wasser-Wasserstoff“ basierende Methode. Bei der Gewinnung von konzentriertem Tritium muss mit dessen Radioaktivität gerechnet werden. In diesem Fall können nur Verfahren angewendet werden, bei denen Wasserstoff in molekularer Form vorliegt, da sowohl Wasser als auch tritiumhaltiger Schwefelwasserstoff durch Autoradiolyse stark zersetzt werden. Bei der Gewinnung von Deuterium wird natürliches Wasser als Rohstoff verwendet. Tritium kann in Reaktoren nur durch Bestrahlung eines der Lithiumisotope mit Neutronen gewonnen werden.

Es ist erfreulich festzustellen, dass unser Unternehmen, JSC „VNIINM“, sie bedient. Der Akademiker A. A. Bochvar, der früher NII-9 hieß, steht am Ursprung der Entwicklung aller heimischen Tritiumtechnologien. Sowohl die Reaktorbetriebszeit von Tritium als auch seine Reinigung von begleitenden Verunreinigungen sowie die Probleme seiner sicheren Handhabung – all diese Probleme wurden auf einmal erfolgreich gelöst.

Von Beginn des Atomprojekts der UdSSR an stand das Problem der Tritiumgewinnung an zweiter Stelle nach der Herstellung einer Kernladung. Tritium sollte per Reaktor aus dem leichten Lithiumisotop 6Li hergestellt werden. Die Lösung dieses Problems wurde dem NII-9-Team anvertraut, das aus Spezialisten verschiedener Fachgebiete bestand. Mit ihrer Hilfe entstand in der Sowjetunion die Tritiumproduktion, die heute im FSUE PO Mayak (Ozyorsk) betrieben wird.

Prozesse zur Wasserstoffisotopentrennung in unserem Land hauptsächlich entwickelt am Moskauer Institut für Chemische Technologie (heute RKhTU, benannt nach D. I. Mendeleev). An derselben Stelle empfing A. I. Brodsky 1934 mithilfe einer speziell dafür vorgesehenen Laboranlage das erste sowjetische Schwerwasser. Jedes Jahr bildet die Abteilung für Isotopentechnologie der RCTU Dutzende Spezialisten auf diesem Gebiet aus.

Die größte Menge Deuterium in unserem Land wurde offenbar durch die Methode der Niedertemperaturrektifikation hergestellt, obwohl hierfür in der ersten Stufe aktiv eine sehr energieaufwendige Methode zur Herstellung von schwerem Wasser durch Elektrolyse eingesetzt wurde. Die Deuteriumproduktion wurde im ganzen Land verteilt, wobei der Schwerpunkt auf der Verfügbarkeit von kostenlosem Strom und der Möglichkeit der Nutzung von Abfallwasserstoff, insbesondere in Stickstoffdüngemittelfabriken, lag. Eine der größten Deuteriumproduktionsanlagen existierte in der Stadt Chirchik; Schweres Wasser wurde auch in Dneprodzerzhinsk, Stalinogorsk, Leningrad, Norilsk, Kamenka, Berezniki, Gorlovka und in vielen anderen Städten der UdSSR gefördert. Das in der Stadt Aleksin angewandte Zwei-Temperatur-Schwefelwasserstoffverfahren zur Herstellung von schwerem Wasser ist in unserem Land weniger verbreitet, während es weltweit eine der Hauptmethoden zur Gewinnung dieses Wassers ist.

Historisch gesehen war Norwegen das erste Land, das schweres Wasser in großem Umfang produzierte. Dies ist darauf zurückzuführen, dass darin eine große Menge überschüssiger Elektrizität vorhanden ist, die für die elektrolytische Produktion von D2O erforderlich ist. Es wird allgemein angenommen, dass Hitlerdeutschland, wenn es über Vorräte an norwegischem Schwerwasser verfügt hätte, durchaus Zeit gehabt hätte, diese zu erzeugen seine eigenen Atomwaffen vor seiner Niederlage. Glücklicherweise geschah dies aufgrund der durchgeführten Sonderaktion nicht: Die für den Transport nach Deutschland vorgesehene Fähre mit norwegischem Schwerwasser wurde zerstört. Heute sind Indien, China und der Iran die größten Schwerwasserproduzenten der Welt, die die Schwerwasserrichtung ihrer Kernenergie aktiv weiterentwickeln. Riesige Reserven an schwerem Wasser besitzen Kanada und die Vereinigten Staaten, die aufgrund von Überproduktion sogar einige ihrer Unternehmen einstellen mussten Umweltprobleme. Beim Betrieb von Schwerwasser-Kernkraftwerken muss Kanada das Kühlmittel regelmäßig sowohl von Protium (es stört die Kernreaktion) als auch vom erzeugten Tritium (erhöht die Strahlenbelastung des Personals) reinigen. Gleichzeitig erhält Kanada übrigens bis zu 2 kg Tritium pro Jahr als wertvolles Nebenprodukt aus dem Betrieb seiner Schwerwasser-Kernkraftwerke. Rumänien verfügt über eine eigene Schwerwasserproduktion.

In unserem Land werden schweres Wasser und Deuterium derzeit von einem einzigen Unternehmen produziert – PIYaF im. B. P. Konstantinov in Gatschina. Als Ausgangsrohstoffe werden die in der UdSSR angesammelten Vorräte verwendet. Deuterium wird derzeit in unserem Land nicht aus natürlichen Rohstoffen isoliert.

Wenn man über inländische Tritiumtechnologien spricht, darf man nicht umhin, das RFNC-VNIIEF (Sarov) zu erwähnen, dessen Spezialisten sich seit vielen Jahren sowohl im Rahmen von Verteidigungsaufgaben als auch für die Bedürfnisse der Grundlagenwissenschaft mit diesem Thema befassen. Insbesondere entwickelten sie ein Tritium-Kryo-Target zur Gewinnung superschwerer Isotope leichter Elemente, das am JINR (Dubna) in der ACULINA-Anlage eingesetzt wird, die Gewinnung des fünften Wasserstoffisotops ermöglichte und in der Grundlagenforschung immer noch gefragt ist .

Wo werden Tritium und Deuterium verwendet? Es ist so passiert offener Mann Kolossale Energiequellen der Kernspaltung und -fusion sollten ursprünglich zur Zerstörung genutzt werden, und erst dann wurden sie beherrscht friedliche Nutzung. Darüber hinaus gibt es viele Anwendungen dieser Isotope, die überhaupt nichts mit der Fusionsreaktion zu tun haben.

Einer der wichtigsten inländischen Verbraucher von Tritium und Hersteller von Tritiumprodukten ist FSUE „VNIIA im. N. L. Dukhov. Dieses Unternehmen entwickelt und produziert Neutronengeneratoren – Beschleunigergeräte, in die Deuteriumkerne eintreten, wenn sie auf ein Ziel treffen Kernreaktion Tritium enthaltend. In diesem Fall haben die emittierten Neutronen eine konstante Energie von 14,1 MeV und das Gerät selbst ist sehr einfach zu bedienen. Ohne Beschleunigungsspannung werden keine Neutronen emittiert (im Gegensatz zu Radioisotop-Neutronenquellen) und radioaktives Tritium befindet sich im Inneren der Neutronenröhre und ist in dieser Form praktisch sicher (seine weiche Betastrahlung kann nicht einmal ein Blatt Papier durchdringen).

Neutronengeneratoren werden überall dort eingesetzt, wo kompakte autonome Neutronenquellen benötigt werden. Sie sind bei Geologen sehr gefragt, die sie bei der geophysikalischen Erkundung von Bohrlöchern mittels Neutronenmessung einsetzen. (Das Wort „Holzeinschlag“ kommt vom französischen Wort „carotte“ – Karotte, was durch die Ähnlichkeit der Form des aus dem Boden gewonnenen Kerns mit Karotten erklärt wird.) Die Methode der Neutronenaktivierung ermöglicht in diesem Fall eine schnelle Gewinnung volle InformationÖ chemische Zusammensetzung aller Gesteine ​​entlang der Tiefe des Bohrlochs, indem einfach eine Neutronensonde mit einem Detektor hineingelassen wird. Der bei VNIIA hergestellte Neutronengenerator befindet sich sogar auf dem Rover Curiosity („Curiosity“; übersetzt aus dem Englischen bedeutet „Neugier“) als Teil des DAN-Geräts (Albedo Neutron Detector), das am IKI RAS entwickelt wurde. Die Hauptaufgabe dieses Geräts besteht darin, auf dem Mars unter der Erde nach Wasser zu suchen, und es gibt bereits erste positive Ergebnisse. VNIIIM trug zu diesem internationalen Projekt bei, indem es VNIIA mit mit Tritium gesättigten Targets belieferte.

Die Tatsache, dass Tritium ein weicher Betastrahler mit hoher Radioaktivität ist, bestimmt seine Verwendung in Radioisotopen-Licht- und Elektrizitätsquellen. Viele Uhren und Instrumente mit Leuchtzeigern verwenden Tritium-aktivierte Leuchtstoffe. Die Tritiumbeleuchtung der Waffenvisiere verbessert die Schussgenauigkeit bei Nacht erheblich.

Jetzt beteiligt sich JSC VNIIIM im Auftrag von Roskosmos und unter der Leitung von Solar-Sea LLC an der Entwicklung einer heimischen Beta-Voltaik-Stromquelle auf Tritiumbasis – einer „Tritiumbatterie“. Diese Stromversorgung wird an kritischen Standorten benötigt, die über viele Jahre hinweg eine stabile, unterbrechungsfreie Stromversorgung benötigen. Seine Entstehung wird entscheiden eigentliche Frage Importsubstitution, da Russland derzeit keine ähnlichen Stromversorgungen herstellt.

Die größten Mengen an Deuterium werden durch Kernkraft verbraucht. Schweres Wasser, das es enthält, ist einer der besten Neutronenmoderatoren und so effektiv, dass es die Kernspaltungsreaktion sogar in Uran mit natürlicher Anreicherung des U-235-Isotops „zünden“ kann, während alle anderen Arten von Kernreaktoren angereichertes Uran benötigen. Durch den Einsatz von schwerem Wasser als Moderator lässt sich der Abbrand von Kernbrennstoffen steigern. Dies ist der Weg der kanadischen Kernenergieindustrie, die CANDU-Schwerwasserreaktoren für sich selbst herstellt und weltweit auf Bestellung baut.

Sowohl Deuterium als auch Tritium werden aktiv bei der Herstellung markierter Verbindungen eingesetzt. An diesen Produkten interessieren sich vor allem Biologen und Mediziner, die mithilfe einer Isotopenmarkierung die Mechanismen biochemischer Reaktionen bestimmen. In unserem Land werden tritiummarkierte Verbindungen traditionell am Institut für Molekulargenetik der Russischen Akademie der Wissenschaften hergestellt.

Die verlockendste Aussicht bei der Verwendung von Deuterium und Tritium ist die Erzeugung einer kontrollierten thermonuklearen Reaktion. Wenn dies gelingt, steht der Menschheit eine unerschöpfliche Energiequelle zur Verfügung. Leider erwies sich diese Aufgabe als äußerst schwierig. Seit mehr als einem halben Jahrhundert werden weltweit Entwicklungen in diesem Bereich durchgeführt, aber wir sind noch weit davon entfernt, einen solchen thermonuklearen Reaktor zu schaffen, der mehr Energie produzieren würde, als er verbraucht. Derzeit blickt die ganze Welt mit Hoffnung auf den internationalen thermonuklearen Reaktor ITER, der in der südfranzösischen Stadt Cadarache gebaut wird. Mit seiner Hilfe hoffen Physiker, der Energieerzeugung näher zu kommen, indem sie die Energie der Fusion von Tritium- und Deuteriumkernen nutzen und in Zukunft auf die Verwendung eines einzelnen Deuteriums umsteigen, dessen Kerne miteinander interagieren können.

Einst hat unser Unternehmen es nacherzählt Lustige Geschichte, als einer der neu ernannten Beamten, der das Gebiet von VNIIIM durchquerte, verlangte, dass ihm „Tritium gezeigt“ werde, und war sehr empört darüber, dass dies nicht getan wurde. Sie erklärten ihm, dass Tritium ein durchsichtiges und daher unsichtbares Gas sei, dennoch resümierte der neue Chef streng: „Hier ist etwas nicht sauber!“. Versuchen wir zu verstehen, ob Wasserstoffisotope „gesehen“ werden können.

Was Tritium betrifft, dann ist es natürlich möglich, und zwar ohne zusätzliche Geräte. In konzentrierter Form leuchtet dieses Wasserstoffisotop aufgrund der Selbstionisierung blau. Der Betastrahlungsfluss von Tritium kann bei längerem Kontakt die Farbe von Glas verändern und führt zu einer Verdunkelung der Emulsion von Fotoplatten, auf der er basiert klassische Methode Autoradiographische Analyse, bei der die Konzentration eines radioaktiven Isotops durch die Intensität der Verdunkelung der fotografischen Emulsion bestimmt wird. In letzter Zeit erfreut sich eine neue Methode der Tritiumanalyse großer Beliebtheit, die es ermöglicht, ihre Verteilung über die Oberfläche von Proben sichtbar zu machen – die Radioluminographie. Die Methode basiert auf der Bildung eines latenten Bildes in einigen Leuchtstoffen unter dem Einfluss von Strahlung. Dieses Bild wird von einem speziellen Laserscanner gelesen und die Intensität der Lumineszenz ist proportional zur Aktivität der Probe. Die Konzentration von Tritium kann mit Hilfe der Radioluminographie recht anschaulich und farbenfroh dargestellt werden. Die Radioaktivität von Tritium ermöglicht die Bestimmung selbst unbedeutender Mengen davon durch die Methode der Flüssigkeitsszintillation, bei der die Intensität des Leuchtens einiger Flüssigkeiten bestimmt wird, die proportional zum Gehalt des darin enthaltenen radioaktiven Isotops ist, und durch Gas Ionisationsmethoden unter Verwendung der Eigenschaft Gasgemische verändern ihre Strom-Spannungs-Charakteristik, wenn sie ionisierender Strahlung ausgesetzt werden. Darüber hinaus können sowohl Deuterium und Tritium als auch das leichteste Wasserstoffisotop, Protium, leicht „gesehen“ werden moderne Methoden Atomemission, IR und Massenspektrometrie.

Vergessen Sie nicht die Gefahr, die von schweren Wasserstoffisotopen ausgeht. Das Furchtbarste und Unheimlichste davon ist in den thermonuklearen Waffen verborgen, die während der Jahrzehnte des Kalten Krieges hergestellt wurden. Es gab einmal Berichte in der Presse, dass die Kraft der angesammelten Waffen ausreichte, um immer wieder alles Leben auf unserem Planeten zu zerstören. Selbst ein kleiner Teil davon kann, wenn er genutzt wird, eine globale Umweltkatastrophe auslösen, die als „nuklearer Winter“ bekannt ist. Zweifellos besteht die wichtigste Aufgabe der gesamten Menschheit darin, die Entwicklung eines solchen Szenarios in der Weltgeschichte zu verhindern.

Aber auch das nicht in Waffen verwendete Tritium stellt eine erhebliche Gefahr für den Menschen dar, da es ein hochgiftiges radioaktives Isotop ist. Das Risiko einer Belastung des Personals mit Tritium ist sehr hoch, da dieses Isotop von modernen Atemschutzfiltersystemen nicht zurückgehalten wird und in die Haut eindringen kann. Gleichzeitig ist Tritium in Form von tritiumhaltigem Wasser 10.000-mal giftiger als in Form von molekularem Wasserstoff, da Dämpfe von tritiumhaltigem Wasser selbst bei Raumtemperatur fast augenblicklich Wasserstoffisotope austauschen und dadurch sofort in den menschlichen Körper gelangen. Ein erheblicher Teil des Tritiums wird bei der Verarbeitung radioaktiver Abfälle in die Atmosphäre abgegeben oder gelangt in die Ozeane. Und die Entsorgung tritiumhaltiger Abfälle (insbesondere von Abfällen mit geringem Gehalt, von denen es viele gibt) ist immer noch ein Problem ernstes Problem wartet auf seine Entscheidung.

Wer hätte vor 100 Jahren vorhersagen können, dass das allererste und einfachste chemische Element, Wasserstoff, uns so viele Überraschungen, so viele Freuden und Ängste, Hoffnungen und Enttäuschungen bringen würde? Heute möchte ich glauben, dass das gesamte von der Menschheit gewonnene Wissen nur auf die Schöpfung und nicht auf die Zerstörung gerichtet sein wird und dass Wasserstoffisotope mit ihren erstaunlichen Eigenschaften uns mehr als einmal helfen werden, in die innersten Tiefen der Natur zu blicken und viele interessante und interessante Dinge zu schaffen nützliche Entdeckungen.

Der Autor dankt G. M. Ter-Akop'yan (JINR), A. A. Yukhimchuk (RFNC-VNIIEF), L. A. Rivkis, M. I. Belyakov, A. N. Bukin, A. S. Anikin, N E. Zabirova, A. V. Lizunov und der gesamten Tritiumabteilung von JSC. VNIIIM" ihnen. Akademiker A. A. Bochvar sowie Spezialisten der nach ihm benannten Abteilung für Isotopentechnologie der Russischen Chemisch-Technischen Universität. D. I. Mendeleev, insbesondere M. B. Rozenkevich und Yu. S. Pak, die bei der Vorbereitung des Materials behilflich waren.

Nicht nur die schweren Isotope des Wasserstoffs haben ihre eigenen schöne Namen. Auch das leichteste und häufigste uns bekannte Wasserstoffisotop trägt eine besondere Bezeichnung – Protium. Alle drei Namen dieser Isotope tauchten bereits vor der Entdeckung von Tritium auf, als G. Urey, D. Murphy und F. Brickwedde sie am 5. Juni 1933 in einem Brief an den Herausgeber der Fachzeitschrift The Journal of Chemical Physics vorschlugen. Die Namen der Wasserstoffisotope stammen von den griechischen Wörtern „protos“ (erster), „deuteros“ (zweiter) und „tritos“ (dritter). Es ist interessant festzustellen, dass der Name „Protium“ der breiten Öffentlichkeit weniger bekannt ist als die Namen seiner schweren und viel selteneren „Brüder“. Neuerdings tauchen im Internet Namen wie „Quadium“, „Pentium“, „Hexium“ und „Septium“ auf, die sich auf extrem kurzlebige Wasserstoffisotope mit einer Masse von 4 bis 7 und Halbwertszeiten von 10–22 beziehen - 10–23 Sek. Allerdings entbehren diese Namen offenbar jeder Grundlage und gehören zu den „Fälschungen“ des Internets. Insbesondere Professor G. M. Ter-Akopyan, der zusammen mit dem JINR-Team (Dubna) im Jahr 2001 erstmals Kerne des fünften Wasserstoffisotops erhielt, gab ihm nicht den Namen „Pentium“ und hörte einen solchen Begriff nie in wissenschaftlichen Veröffentlichungen usw Konferenzen.