Любой химический элемент имеет разновидности природного или искусственного происхождения, называемые изотопами. Различие между ними заключается в неодинаковом количестве нейтронов в ядрах и, следовательно, в атомном весе, а также в степени стабильности. Что касается количества протонов, то оно одинаково, благодаря чему элемент, собственно, и остается самим собой. В этой статье мы обратимся к изотопам водорода – самого легкого и распространенного элемента во Вселенной. Нам предстоит рассмотреть их свойства, роль в природе и область практического применения.

Сколько разновидностей имеет водород

Ответ на этот вопрос зависит от того, какие изотопы водорода имеются в виду.

Для этого элемента установлено три природных изотопных формы: протий – легкий водород, тяжелый дейтерий и сверхтяжелый тритий. Все они обнаружены в естественном виде.

Помимо них, существуют четыре искусственно синтезированных изотопа: квадий, пентий, гексий и септий. Характеризуются данные разновидности чрезвычайной нестабильностью, время жизни их ядер выражается величинами порядка 10-22 – 10-23 секунд.

Таким образом, всего на сегодняшний день у водорода известно семь изотопных разновидностей. На трех из них, имеющих практическое значение, мы и сосредоточим свое внимание.

Легкий водород

Это наиболее просто устроенный атом. Изотоп водорода протий с атомной массой 1,0078 а. е. м. обладает ядром, в состав которого входит только одна частица – протон. Поскольку он стабилен (теоретически время жизни протона оценивается не менее чем в 2,9×1029 лет), то стабилен и атом протия. При записи ядерных реакций он обозначается как 1H1 (нижний индекс – это атомный номер, то есть число протонов, верхний – общее число нуклонов в ядре), иногда просто p – «протон».

Легкий изотоп – это почти 99,99 % всего водорода; лишь чуть более одной сотой процента приходится на остальные формы. Именно протий вносит решающий вклад в распространенность водорода в природе: во Вселенной в целом – около 75 % массы барионного вещества и приблизительно 90 % атомов; на Земле – 1 % массы и целых 17 % атомов всех элементов, входящих в состав нашей планеты. Вообще, протий (точнее сказать, протон как один из главных компонентов Вселенной) смело можно назвать важнейшим элементом. Он обеспечивает возможность термоядерного синтеза в недрах звезд, в том числе и Солнца, и за счет него образуются прочие элементы. Кроме того, легкий водород играет важную роль в построении и функционировании живого вещества.

В молекулярной форме водород вступает в химические взаимодействия при высоких температурах, поскольку для расщепления его достаточно прочной молекулы нужно много энергии. Атомарный водород характеризуется очень высокой химической активностью.

Дейтерий

Тяжелый изотоп водорода имеет более сложно устроенное ядро, состоящее из протона и нейтрона. Соответственно атомная масса дейтерия вдвое больше – 2,0141. Принятое обозначение – 2H1 или D. Эта изотопная форма также стабильна, так как в процессах сильного взаимодействия в ядре протон и нейтрон постоянно превращаются друг в друга, и последний не успевает претерпеть распад.

На Земле водород содержит от 0,011% до 0,016% дейтерия. Концентрация его различна в зависимости от среды: в морской воде этого изотопа больше, а в составе, например, природного газа – существенно меньше. На других телах Солнечной системы отношение дейтерия к легкому водороду может быть иным: так, лед некоторых комет содержит большее количество тяжелого изотопа.

Дейтерий плавится при 18,6 К (легкий водород – при 14 К), а кипит при 23,6 К (соответствующая точка протия – 20,3 К). Тяжелый водород проявляет, в общем, те же химические свойства, что и протий, образуя все характерные для этого элемента типы соединений, однако ему присущи и некоторые особенности, связанные с серьезной разницей в атомной массе – ведь дейтерий тяжелее в 2 раза. Следует заметить, что по этой причине изотопным формам водорода свойственны наибольшие химические различия из всех элементов. В целом для дейтерия характерны более низкие (в 5 – 10 раз) скорости протекания реакций.

Роль дейтерия в природе

Ядра тяжелого водорода принимают участие в промежуточных стадиях термоядерного цикла. Солнце светит благодаря этому процессу, на одном из этапов которого образующийся изотоп водорода дейтерий, сливаясь с протоном, рождает гелий-3.

Вода, в состав которой входит, кроме протия, один атом дейтерия, называется полутяжелой и имеет формулу HDO. В молекуле тяжелой воды D2O дейтерий полностью заменяет легкий водород.

Тяжелая вода характеризуется замедленным течением химических реакций, вследствие чего в больших концентрациях она вредна для живых организмов, особенно высших, таких как млекопитающие и в том числе человек. Если в составе воды четверть водорода замещена дейтерием, длительное употребление ее чревато развитием бесплодия, анемии и других заболеваний. При замещении 50% водорода млекопитающие погибают через неделю употребления такой воды. Что касается кратковременных повышений концентрации тяжелого водорода в воде, она практически безвредна.

Как получают тяжелый водород

Удобнее всего получать этот изотоп в составе воды. Есть несколько способов обогащения воды дейтерием:

• Ректификация – процесс разделения смесей на компоненты, кипящие при разной температуре. Разделение достигается через многократное испарение и конденсацию смеси изотопов в жидком водороде или воде на специальном оборудовании – ректификационных колоннах, в которых потоки газообразной и жидкой фаз идут во встречных направлениях.
• Электролитическое разделение. Метод основан на том, что при электролизе воды от ее молекул более активно отщепляется легкий изотоп. Электролиз проводят в несколько этапов.
• Ионный изотопный обмен, при котором происходит взаимное замещение ионов разных изотопов в составе реагентов. В настоящее время этот способ с использованием воды и сероводорода в качестве реагирующих компонентов является наиболее эффективным и экономичным.

Тритий

Сверхтяжелый изотоп водорода, в ядре которого наличествуют протон и два нейтрона, имеет атомную массу 3,016 – примерно втрое больше, чем у протия. Тритий обозначается символом Т либо 3H1. Он плавится и кипит при еще более высоких температурах: 20,6 К и 25 К соответственно.

Это радиоактивный нестабильный изотоп с периодом полураспада 12,32 года. Образуется он при бомбардировке ядер атмосферных газов, например, азота, частицами космических лучей. Распад изотопа происходит с испусканием электрона (так называемый бета-распад), при этом один нейтрон в ядре претерпевает превращение в протон, а химический элемент повышает атомный номер на единицу, становясь гелием-3. В природе тритий присутствует в следовых количествах – его очень мало.

Сверхтяжелый водород образуется в тяжеловодных ядерных реакторах при захвате дейтерием медленных (тепловых) нейтронов. Часть его доступна для извлечения и служит источником трития. Кроме того, его получают как продукт распада лития при облучении последнего тепловыми нейтронами.

Тритий характеризуется малой энергией распада и представляет некоторую радиационную опасность только в случаях, когда попадает внутрь организма с воздухом или пищей. Для защиты кожных покровов от бета-излучения достаточно резиновых перчаток.

Применение изотопов водорода

Легкий водород используется во множестве отраслей: в химической промышленности, где с его помощью ведется производство аммиака, метанола, соляной кислоты и других веществ, в нефтепереработке и металлургии, где он необходим для восстановления тугоплавких металлов из оксидов. Также он применяется на некоторых стадиях производственного цикла (в производстве твердых жиров) в пищевой и косметической промышленности. Водород служит одним из видов ракетного топлива и используется в лабораторной практике в науке и на производстве.

Дейтерий незаменим в ядерной энергетике как прекрасный замедлитель нейтронов. Он применяется в этом качестве, а также как теплоноситель в тяжеловодных реакторах, позволяющих использовать природный уран, что снижает затраты на обогащение. Он также, наряду с тритием, является компонентом рабочей смеси в термоядерном оружии.

Химические свойства тяжелого водорода позволяют использовать его в производстве медицинских препаратов в целях замедления выведения их из организма. И, наконец, дейтерий (как и тритий) имеет перспективы в качестве топлива в термоядерной энергетике.

Итак, мы видим, что все изотопы водорода так или иначе «находятся при деле» как в традиционных, так и в высокотехнологичных, имеющих прицел на будущее отраслях техники, технологии и научных исследований.

Слова «дейтерий» и «тритий» напоминают нам о том, что сегодня человек располагает мощнейшим источником энергии, высвобождающейся при реакции:

2 1 Н + 3 1 Н > 4 2 Не + 1 0 n + 17,6 МэВ.

Эта реакция начинается при 10 млн. градусов и протекает за ничтожные доли секунды при взрыве термоядерной бомбы, причем выделяется гигантское по масштабам Земли количество энергии.

Водородные бомбы иногда сравнивают с Солнцем. Однако мы уже видели, что на Солнце идут медленные и стабильные термоядерные процессы. Солнце дарует нам жизнь, а водородная бомба - сулит смерть…

Но когда-нибудь настанет время - и это время не за горами, - когда мерилом ценности станет не золото, а энергия. И тогда изотопы водорода спасут человечество от надвигающегося энергетического голода: в управляемых термоядерных процессах каждый литр природной воды будет давать столько же энергии, сколько ее дают сейчас 300 л бензина. И человечество будет с недоумением вспоминать, что было время, когда люди угрожали друг другу животворным источником тепла и света…

Протий, дейтерий, тритий…

Физические и химические свойства изотопов всех элементов, кроме водорода, практически одинаковы: ведь для атомов, ядра которых состоят из нескольких протонов и нейтронов, не так уж и важно - одним нейтроном меньше или одним нейтроном больше. А вот ядро атома водорода - это один-единственный протон, и если к нему присовокупить нейтрон, масса ядра возрастет почти вдвое, а если два нейтрона - втрое. Поэтому легкий водород (протий) кипит при минус 252,6 °C, а температура кипения его изотопов отличается от этой величины на 3,2° (дейтерий) и 4,5° (тритий). Для изотопов это очень большое различие!

Удивительные изотопы распространены в природе неодинаково: один атом дейтерия приходится примерно на 7000, а один атом бета радиоактивного трития - на миллиард миллиардов атомов протия. Искусственным путем получен еще один, крайне неустойчивый изотоп водорода - 4 Н.

Точность - прежде всего

Относительная масса легкого изотопа водорода определена прямо-таки с фантастической точностью: 1,007276470 (если принять массу изотопа углерода 12 С равной 12,0000000). Если бы с такой точностью была измерена, к примеру, длина экватора, то ошибка не превысила бы 4 см!

Но зачем нужна такая точность? Ведь каждая новая цифра требует от экспериментаторов все больших и больших усилий… Секрет раскрывается просто: ядра протия, протоны, принимают участие во многих ядерных реакциях. А если известны массы реагирующих ядер и массы продуктов реакции, то, пользуясь формулой Е = mc 2 , можно рассчитать ее энергетический эффект. А так как энергетические эффекты даже ядерных реакций сопровождаются лишь незначительным изменением массы, то и приходится эти массы измерять как можно точнее.

Водорода имеют собственные названия: H - протий (Н), H - дейтерий (D) и H - тритий (радиоактивен) (T).

Простое вещество водород - H 2 - лёгкий бесцветный газ . В смеси с воздухом или кислородом горюч и взрывоопасен . Нетоксичен . Растворим в этаноле и ряде металлов : железе , никеле , палладии , платине .

История

Еще средневековый ученый Парацельс заметил, что при действии кислот на железо выделяются пузырьки какого-то «воздуха». Но что это такое, он объяснить не мог. Теперь известно, что это был водород. «Водород представляет пример газа, – писал Д.И.Менделеев, – на первый взгляд не отличающегося от воздуха... Парацельс, открывший, что при действии некоторых металлов на серную кислоту получается воздухообразное вещество, не определил его отличия от воздуха. Действительно, водород бесцветен и не имеет запаха, так же, как и воздух; но, при ближайшем знакомстве с его свойствами, этот газ оказывается совершенно отличным от воздуха».

Английские химики 18 в., Генри Кавендиш и Джозеф Пристли, заново открывшие водород, первыми изучили его свойства. Они обнаружили, что это необычайно легкий газ – он в 14 раз легче воздуха. Если надуть им резиновый шарик, он взлетит ввысь. Это свойство водорода использовали раньше для наполнения воздушных шаров и дирижаблей. Правда, первый воздушный шар, построенный братьями Монгольфье, был наполнен не водородом, а дымом от горения шерсти и соломы. Такой странный способ получения горячего воздуха связан с тем, что братья, видимо, не были знакомы с законами физики; они наивно полагали, что эта смесь образует «электрический дым», способный поднять их легкий шар. Физик Шарль, знавший закон Архимеда, решил наполнить шар водородом; в отличие от монгольфьеров, наполненных горячим воздухом, шары с водородом французы называли шарльерами. Первый такой шар (он не нес никакого груза) поднялся с Марсова поля в Париже 27 августа 1783 и за 45 минут пролетел 20 км.

В декабре 1783 Шарль в сопровождении физика Франсуа Робера в присутствии 400 тысяч зрителей предприняли первый полёт на воздушном шаре, заполненном водородом. Гей-Люссак (также совместно с физиком Жаном Батистом Био) поставил в 1804 рекорд высоты, поднявшись на 7000 метров.

Но водород горюч. Более того, его смеси с воздухом взрываются, а смесь водорода с кислородом называют даже «гремучим газом». В мае 1937 пожар за несколько минут уничтожил гигантский немецкий дирижабль «Гинденбург» – в нем было 190 000 кубометров водорода. Тогда погибло 35 человек. После многих несчастных случаев водород в воздухоплавании больше не используют, его заменяют гелием или горячим воздухом.

При горении водорода образуется вода – соединение водорода и кислорода. Это доказал в конце 18 французский химик Лавуазье. Отсюда и название газа – «рождающий воду». Лавуазье также сумел получить водород из воды. Он пропускал водяные пары через раскаленную докрасна железную трубку с железными опилками. Кислород из воды прочно соединялся с железом, а водород выделялся в свободном виде. Сейчас водород тоже получают из воды, но другим способом – с помощью электролиза (см. ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКАЯ ДИССОЦИАЦИЯ. ЭЛЕКТРОЛИТЫ)

Свойства водорода

Водород – самый распространенный химический элемент во Вселенной. Он составляет примерно половину массы Солнца и большинства звезд, является основным элементом в межзвездном пространстве и в газовых туманностях. Распространен водород и на Земле. Здесь он находится в связанном состоянии – в виде соединений. Так, вода содержит 11% водорода по массе, глина – 1,5%. В виде соединений с углеродом водород входит в состав нефти, природных газов, всех живых организмов. Немного свободного водорода содержится в воздухе , но его там совсем мало – всего 0,00005%. Он попадает в атмосферу из вулканов.

Водороду принадлежит много других «рекордов».
Жидкий водород – самая легкая жидкость (плотность 0,067 г/см 3 при температуре –250°С),
Твердый водород – самое легкое твердое вещество (плотность 0,076 г/см 3).
Атомы водорода – самые маленькие из всех атомов . Однако при поглощении энергии электромагнитного излучения внешний электрон атома может удаляться от ядра все дальше и дальше. Поэтому возбужденный атом водорода теоретически может иметь любые размеры. А практически? В книге Мировые рекорды в химии сказано, что в межзвездных облаках якобы обнаружены по их спектрам атомы водорода диаметром 0,4 мм (они зафиксированы по спектральному переходу с 253-й на 252-ю орбиталь). Атомы таких размеров вполне можно увидеть невооруженным глазом! При этом дается ссылка на статью, опубликованную в 1991 в самом известном в мире журнале, посвященном химическому образованию – Journal of Chemical Education (он издается в США). Однако автор статьи ошибся – он завысил все размеры ровно в 100 раз (об этом сообщил тот же журнал год спустя). Значит, обнаруженные атомы водорода имеют диаметр «всего лишь» 0,004 мм, и такие атомы , даже если бы они был «твердыми», невооруженным глазом увидеть нельзя – только в микроскоп. Конечно, по атомным меркам и 0,004 мм – величина огромная, в десятки тысяч раз больше диаметра невозбужденного атома водорода.

Молекулы водорода тоже очень маленькие. Поэтому этот газ легко проходит через самые тонкие щели. Резиновый шарик, надутый водородом, «худеет» намного быстрее шарика, надутого воздухом: молекулы водорода понемногу просачиваются через мельчайшие поры в резине.

Если вдохнуть водород и начать разговаривать, то частота издаваемых звуков будет втрое выше обычной. Этого достаточно, чтобы звук даже низкого мужского голоса оказался неестественно высоким, напоминающим голос Буратино. Происходит это потому, что высота звука , издаваемая свистком, органной трубой или голосовым аппаратом человека, зависит не только от их размеров и материала стенок, но и от газа, которым они наполнены. Чем больше скорость звука в газе, тем выше его тон. Скорость звука зависит от массы молекул газа. Молекулы водорода значительно легче молекул азота и кислорода , из которых состоит воздух , и звук в водороде распространяется почти вчетверо быстрее, чем в воздухе. Однако вдыхать водород рискованно: в легких он неминуемо смешается с остатками воздуха и образует гремучую смесь. И если при выдохе поблизости окажется огонь... Вот какая история произошла с французским химиком, директором Парижского музея науки Пилатром де Розье (1756–1785). Как-то он решил проверить, что будет, если вдохнуть водород; до него никто такого эксперимента не проводил. Не заметив никакого эффекта, ученый решил убедиться, проник ли водород в легкие. Он еще раз хорошо вдохнул этот газ, а затем выдохнул его на огонь свечи, ожидая увидеть вспышку пламени. Однако водород в легких смелого экспериментатора был смешан с воздухом и произошел сильный взрыв. «Я думал, что у меня вылетели все зубы вместе с корнями», – писал он впоследствии, очень довольный опытом, который чуть не стоил ему жизни.

История получения дейтерия и трития

Дейтерий

Помимо «обычного» водорода (протия, от греческого protos – первый), в природе присутствует также его тяжелый изотоп – дейтерий (от латинского deuteros – второй) и в ничтожных количествах сверхтяжелый водород – тритий. Долгие и драматические поиски этих изотопов вначале не давали результата из-за недостаточной чувствительности приборов. В конце 1931 группа американских физиков – Г.Юри со своими учениками, Ф.Брикведде и Дж.Мэрфи, взяли 4 л жидкого водорода и подвергли его фракционной перегонке, получив в остатке всего 1 мл, т.е. уменьшив объем в 4 тысячи раз. Этот последний миллилитр жидкости после ее испарения и был исследован спектроскопическим методом. Опытный спектроскопист Юри заметил на спектрограмме обогащенного водорода новые очень слабые линии, отсутствующие у обычного водорода. При этом положение линий в спектре точно соответствовало проведенному им квантово-механическому расчету нуклида 2H (см. ЭЛЕМЕНТЫ ХИМИЧЕСКИЕ).

После спектроскопического обнаружения дейтерия было предложено разделять изотопы водорода электролизом. Эксперименты показали, что при электролизе воды легкий водород действительно выделяется быстрее, чем тяжелый. Именно это открытие стало ключевым для получения тяжелого водорода. Статья, в которой сообщалось об открытии дейтерия, была напечатана весной 1932, а уже в июле были опубликованы результаты по электролитическому разделению изотопов. В 1934 за открытие тяжелого водорода Гарольд Клейтон Юри получил Нобелевскую премию по химии.

Тритий

17 марта 1934 в выходящем в Англии журнале «Nature» («Природа») была опубликована небольшая заметка, подписанная М.Л.Олифантом, П.Хартеком и Резерфордом (фамилия лорда Резерфорда не требовала при публикации инициалов!). Несмотря на скромное название заметки: Эффект трансмутации, полученный с тяжелым водородом, она сообщала миру о выдающемся результате – искусственном получении третьего изотопа водорода – трития. В 1946 известный авторитет в области ядерной физики, лауреат Нобелевской премии У.Ф.Либби предположил, что тритий непрерывно образуется в результате идущих в атмосфере ядерных реакций. Однако в природе трития так мало (1 атом 1Н на 1018 атомов 3Н), что обнаружить его удалось только по слабой радиоактивности (период полураспада 12,3 года).

Гидриды

Водород образует соединения – гидриды со многими элементами. В зависимости от второго элемента, гидриды очень сильно различаются по свойствам. Наиболее электроположительные элементы (щелочные и тяжелые щелочноземельные металлы) образуют так называемые солеобразные гидриды ионного характера. Они получаются в результате непосредственной реакции металла с водородом под давлением и при повышенной температуре (300–700°С), когда металл находится в расплавленном состоянии. Их кристаллическая решетка содержит катионы металлов и гидрид-анионы H– и построена аналогично решетке NaCl. При нагревании до температуры плавления солеобразные гидриды начинают проводить электрический ток , при этом, в отличие от электролиза водных растворов солей, водород выделяется не на катоде, а на положительно заряженном аноде. Солеобразные гидриды реагируют с водой с выделением водорода и образованием раствора щелочи, легко окисляются и кислородом и используются как сильные восстановители.

Ряд элементов образуют ковалентные гидриды, среди которых наиболее известны гидриды элементов IV–VI групп, например, метан CH 4 , аммиак NH 3 , сероводород H 2 S и т.п. Ковалентные гидриды обладают высокой реакционной способностью и являются восстановителями. Некоторые из этих гидридов малостабильны и разлагаются при нагревании или гидролизуются водой. Примером могут служить SiH 4 , GeH 4 , SnH 4 . С точки зрения строения интересны гидриды бора, например, В 2 Н 6 , В 6 Н 10 , В 10 Н 14 и др., в которых пара электронов связывает не два, как обычно, а три атома В–Н–В. К ковалентным относят и некоторые смешанные гидриды, например, литийалюминийгидрид LiAlH 4 , который нашел широкое применение в органической химии в качестве восстановителя. Гидриды германия, кремния , мышьяка используют для получения высокочистых полупроводниковых материалов.

Гидриды переходных металлов весьма разнообразны по свойствам и строению. Часто это соединения нестехиометрического состава, например, металлоподобные TiH 1,7 , LaH 2,87 и т.п. При образовании подобных гидридов водород сначала адсорбируется на поверхности металла, затем происходит его диссоциация на атомы, которые диффундируют вглубь кристаллической решетки металла, образуя соединения внедрения. Наибольший интерес представляют гидриды интерметаллических соединений, например, содержащие титан, никель, редкоземельные элементы. Число атомов водорода в единице объема такого гидрида может быть в пять раз больше, чем даже в чистом жидком водороде! Уже при комнатной температуре сплавы упомянутых металлов способны быстро поглощать значительные количества водорода, а при нагревании – выделять его. Таким образом получают обратимые «химические аккумуляторы» водорода, которые, в принципе, могут использоваться для создания двигателей, работающих на водородном топливе. Из других гидридов переходных металлов интересен гидрид урана постоянного состава UH 3 , который служит источником других соединений урана высокой чистоты.

Применение

Водород используют в основном для получения аммиака , который нужен для производства удобрений и многих других веществ. Из жидких растительных масел с помощью водорода получают твердые жиры, похожие на сливочное масло и другие животные жиры. Их используют в пищевой промышленности. При производстве изделий из кварцевого стекла требуется очень высокая температура . И здесь водород находит применение: горелка с водородно-кислородным пламенем дает температуру выше 2000 градусов, при которой кварц легко плавится.

В лабораториях и в промышленности широко используется реакция присоединения водорода к различным соединениям – гидрирование. Наиболее распространены реакции гидрирования кратных углерод-углеродных связей. Так, из ацетилена можно получить этилен или (при полном гидрировании) этан, из бензола – циклогексан, из жидкой непредельной олеиновой кислоты – твердую предельную стеариновую кислоту и т.д. Гидрированию подвергаются и другие классы органических соединений, при этом происходит их восстановление. Так, при гидрировании карбонильных соединений (альдегидов, кетонов, сложных эфиров) образуются соответствующие спирты; например, из ацетона получается изопропиловый спирт. При гидрировании нитросоединений образуются соответствующие амины.

Гидрирование молекулярным водородом часто проводят в присутствии катализаторов . В промышленности, как правило, используют гетерогенные катализаторы , к которым относятся металлы VIII группы периодической системы элементов – никель , платина , родий, палладий . Самый активный из этих катализаторов – платина ; с ее помощью можно гидрировать при комнатной температуре без давления даже ароматические соединения. Активность более дешевых катализаторов можно повысить, проводя реакцию гидрирования под давлением при повышенных температурах в специальных приборах – автоклавах. Так, для гидрирования ароматических соединений на никеле требуются давления до 200 атм и температура выше 150°С.

В лабораторной практике широко используют также различные способы некаталитического гидрирования. Один из них – действие водорода в момент выделения. Такой «активный водород» можно получить в реакции металлического натрия со спиртом или амальгамированного цинка с соляной кислотой. Значительное распространение в органическом синтезе получило гидрирование комплексными гидридами – борогидридом натрия NaBH 4 и алюмогидридом лития LiAlH 4 . Реакцию проводит в безводных средах, так как комплексные гидриды мгновенно гидролизуются.

Водород используют во многих химических лабораториях. Его хранят под давлением в стальных баллонах, которые для безопасности с помощью специальных хомутов прикрепляют к стене или даже выносят во двор, а газ поступает в лабораторию по тонкой трубке.

Химические элементы и материалы

« Популярная механика» уже писала о современном ядерном оружии(«ПМ» № 1"2009) на основе зарядов деления. В этом номере — рассказ о еще более мощных боеприпасах синтеза.

За время, прошедшее после первого испытания в Аламогордо, прогремели тысячи взрывов зарядов деления, в каждом из которых добывались драгоценные знания об особенностях их функционирования. Знания эти подобны элементам мозаичного полотна, причем оказалось, что «полотно» это ограничено законами физики: снижению габаритов боеприпаса и его мощности кладет предел кинетика замедления нейтронов в сборке, а достижение энерговыделения, существенно превышающего сотню килотонн, невозможно из-за ядерно-физических и гидродинамических ограничений допустимых размеров докритической сферы. Но сделать боеприпасы более мощными все же возможно, если вместе с делением заставить «работать» ядерный синтез.

Деление плюс синтез

Топливом для синтеза служат тяжелые изотопы водорода. При слиянии ядер дейтерия и трития образуется гелий-4 и нейтрон, энергетический выход при этом — 17,6 МэВ, что в несколько раз больше, чем при реакции деления (в пересчете на единицу массы реагентов). В таком топливе при нормальных условиях не может возникнуть цепная реакция, так что количество его не ограничено, а значит, у энерговыделения термоядерного заряда нет верхнего предела.

Однако для того, чтобы началась реакция синтеза, нужно сблизить ядра дейтерия и трития, а этому мешают силы кулоновского отталкивания. Для их преодоления нужно разогнать ядра навстречу друг другу и столкнуть. В нейтронной трубке при реакции срыва на ускорение ионов высоким напряжением тратится большая энергия. А вот если разогреть топливо до очень высоких температур в миллионы градусов и сохранить его плотность на протяжении необходимого для реакции времени, оно выделит энергию куда большую, чем та, которая затрачена на нагрев. Именно благодаря этому способу реакции и оружие стали называться термоядерными (по составу топлива такие бомбы также называют водородными).

Для нагрева топлива в термоядерной бомбе — в качестве «запала» — и нужен ядерный заряд. Корпус «запала» прозрачен для мягкого рентгеновского излучения, которое при взрыве опережает разлетающееся вещество заряда и превращает в плазму ампулу, содержащую термоядерное топливо. Вещество оболочки ампулы подобрано так, что его плазма существенно расширяется, сжимая топливо к оси ампулы (такой процесс называют радиационной имплозией).

Дейтерий и тритий

Дейтерий «примешан» к природному водороду в еще примерно впятеро меньших количествах, чем «оружейный» уран — к обычному. Но разность масс у протия и дейтерия — двойная, поэтому процессы их разделения в противоточных колоннах более эффективны. Тритий же, подобно плутонию-239, не существует в природе в ощутимых количествах, его добывают, воздействуя мощными нейтронными потоками в ядерном реакторе на изотоп лития-6, получая литий-7, который распадается на тритий и гелий-4.
Как радиоактивный тритий, так и стабильный дейтерий оказались опасными веществами: подопытные животные, которым вводились соединения дейтерия, умирали с симптомами, характерными для старости (охрупчивание костей, потеря интеллекта, памяти). Этот факт послужил основой теории, в соответствии с которой смерть от старости и в естественных условиях наступает при накоплении дейтерия: через организм в процессе жизнедеятельности проходят многие тонны воды и других соединений водорода, и более тяжелые дейтериевые компоненты постепенно накапливаются в клетках. Теория объясняла и долгожительство горцев: в поле земного притяжения концентрация дейтерия действительно незначительно убывает с высотой. Однако многие соматические эффекты оказались противоречащими «дейтериевой» теории, и в итоге она была отвергнута.

Изотопы водорода — дейтерий (D) и тритий (T) — при нормальных условиях представляют собой газы, достаточные количества которых сложно «собрать» в устройстве разумных размеров. Поэтому в зарядах используют их соединения — твердые гидриды лития-6. По мере того как синтез самых «легкозажигаемых» изотопов разогревает топливо, в нем начинают протекать и другие реакции — с участием как содержавшихся в смеси, так и образовавшихся ядер: слияние двух ядер дейтерия с образованием трития и протона, гелия-3 и нейтрона, слияние двух ядер трития с образованием гелия-4 и двух нейтронов, слияние гелия-3 и дейтерия с образованием гелия-4 и протона, а также слияние лития-6 и нейтрона с образованием гелия-4 и трития, так что и литий оказывается не совсем уж «балластом».

…Плюс деление

Хотя энерговыделение двухфазного (деление + синтез) взрыва может быть сколь угодно велико, значительная его часть (для первой из упомянутых реакций — более 80%) уносится из огненного шара быстрыми нейтронами; их пробег в воздухе составляет многие километры, и поэтому они не вносят вклад во взрывные эффекты.

Если же необходим именно взрывной эффект, в термоядерном боеприпасе реализуется еще и третья фаза, для чего ампула окружается тяжелой оболочкой из урана-238. Нейтроны, испускаемые при распаде этого изотопа, имеют слишком малую энергию для поддержания цепной реакции, но зато уран-238 делится под действием «внешних» высокоэнергетичных термоядерных нейтронов. Нецепное деление в урановой оболочке дает прибавку энергии огненного шара, иногда превышающую даже вклад термоядерных реакций! На каждый килограмм веса трехфазных изделий приходится несколько килотонн тротилового эквивалента — они существенно превосходят по удельным характеристикам другие классы ядерного оружия.

Однако у трехфазных боеприпасов есть очень неприятная особенность — повышенный выход осколков деления. Конечно, двухфазные боеприпасы тоже загрязняют местность нейтронами, вызывающими практически во всех элементах ядерные реакции, не прекращающиеся и спустя многие годы после взрыва (так называемая наведенная радиоактивность), осколками деления и остатками «запалов» (в процессе взрыва «расходуется» всего 10−30% плутония, остальное разлетается по окрестностям), но трехфазные превосходят их в этом отношении. Превосходят настолько, что некоторые боеприпасы даже выпускались в двух вариантах: «грязных» (трехфазных) и менее мощных «чистых» (двухфазных) для применения на территории, где предполагались действия своих войск. Например, американская авиабомба В53 выпускалась в двух идентичных по внешнему виду вариантах: «грязном» В53Y1 (9 Мт) и «чистом» варианте В53Y2 (4,5 Мт).

Виды ядерных взрывов: 1. Космический. Применяется на высоте более 65 км для поражения космических целей. 2. Наземный. Производится на поверхности земли или на такой высоте, когда светящаяся область касается грунта. Применяется для разрушения наземных целей. 3. Подземный. Производится ниже уровня земли. Характерен сильным заражением местности. 4. Высотный. Применяется на высоте от 10 до 65 км для поражения воздушных целей. Для наземных объектов опасен только воздействием на электро- и радиоприборы. 5. Воздушный. Производится на высотах от нескольких сотен метров до нескольких километров. Радиоактивное заражение местности практически отсутствует. 6. Надводный. Производится на поверхности воды или на такой высоте, когда световая область касается воды. Характерен ослаблением действия светового излучения и проникающей радиации. 7. Подводный. Производится под водой. Световое излучение и проникающая радиация практически отсутствует. Вызывает сильное радиоактивное заражение воды.

Факторы взрыва

Из энергии 202 МэВ, которую поставляет каждый акт деления, мгновенно выделяются: кинетическая энергия продуктов деления (168 МэВ), кинетическая энергия нейтронов (5 МэВ), энергия гамма-излучения (4,6 МэВ). Благодаря этим факторам ядерное оружие и господствует на поле боя. Если взрыв происходит в сравнительно плотном воздухе, две трети его энергии переходит в ударную волну. Почти весь остаток забирает световое излучение, оставляя лишь десятую часть проникающей радиации, а из этого мизера лишь 6% достается сотворившим взрыв нейтронам. Существенную энергию (11 МэВ) уносят с собой нейтрино, но они настолько неуловимы, что найти им и их энергии практическое применение не удается до сих пор.

Со значительным запаздыванием после взрыва выделяются энергия бета-излучения продуктов деления (7 МэВ) и энергия гамма-излучения продуктов деления (6 МэВ). Эти факторы отвечают за радиоактивное заражение местности — явление, весьма опасное для обеих сторон.

Действие ударной волны понятно, поэтому и мощность ядерного взрыва стали оценивать, сравнивая со взрывом обычной взрывчатки. Не были необычными и эффекты, вызываемые мощной вспышкой света: горели деревянные постройки, получали ожоги солдаты. А вот эффекты, не превращающие цель в головешки или тривиальную, не вызывающую возмущения груду развалин — быстрые нейтроны и жесткое гамма-излучение — конечно же, считались «варварством».

Прямое действие гамма-излучения уступает по боевому эффекту и ударной волне, и свету. Лишь огромные дозы гамма-излучения (десятки миллионов рад) могут причинить неприятности электронике. При таких дозах плавятся металлы, а ударная волна с куда меньшей плотностью энергии уничтожит цель без подобных излишеств. Если плотность энергии гамма-излучения меньше, оно становится безвредным для стальной техники, а ударная волна и тут может сказать свое слово.

С «живой силой» тоже не все очевидно: во‑первых, гамма-излучение существенно ослабляется, например, броней, а во-вторых — особенности радиационных поражений таковы, что даже получившие абсолютно смертельную дозу в тысячи бэр (биологический эквивалент рентгена, доза любого вида излучения, производящая такое же действие в биологическом объекте, как 1 рентген) экипажи танков оставались бы боеспособными в течение нескольких часов. За это время подвижные и сравнительно малоуязвимые машины успели бы сделать многое.

Смерть электронике

Хотя прямое гамма-облучение существенного боевого эффекта не обеспечивает, он возможен за счет вторичных реакций. В результате рассеяния гамма-квантов на электронах атомов воздуха (Комптон-эффект) возникают электроны отдачи. От точки взрыва расходится ток электронов: их скорость существенно выше, чем скорость ионов. Траектории заряженных частиц в магнитном поле Земли закручиваются (а значит, двигаются с ускорением), формируя при этом электромагнитный импульс ядерного взрыва (ЭМИ ЯВ).

Любое соединение, содержащее тритий, нестабильно, потому что половина ядер этого изотопа сама по себе распадается на гелий-3 и электрон за 12 лет, и чтобы поддерживать готовность многочисленных термоядерных зарядов к применению, необходимо непрерывно нарабатывать тритий в реакторах. В нейтронной трубке трития немного, и гелий-3 поглощается там специальными пористыми материалами, а вот из ампулы этот продукт распада надо откачивать насосом, иначе ее просто разорвет давлением газа. Подобные трудности привели, например, к тому, что английские специалисты, получив в 1970-х годах из США ракеты Polaris, предпочли отказаться от американского термоядерного боевого оснащения в пользу разработанных в своей стране по программе Chevaline менее мощных однофазных зарядов деления. В предназначенных для борьбы с танками нейтронных боеприпасах была предусмотрена замена ампул с существенно уменьшившимся количеством трития на «свежие», производимая в арсеналах в процессе хранения. Могли такие боеприпасы применяться и с «холостыми» ампулами — как однофазные ядерные снаряды килотонной мощности. Можно использовать термоядерное топливо и без трития, только на основе дейтерия, но тогда, при прочих равных условиях, энерговыделение существенно снизится. Схема работы трехфазного термоядерного боеприпаса. Взрыв заряда деления (1) превращает ампулу (2) в плазму, сжимающую термоядерное топливо (3). Для усиления взрывного эффекта за счет потока нейтронов используется оболочка (4) из урана-238.

В энергию ЭМИ ЯВ переходит лишь 0,6% энергии гамма-квантов, а ведь их доля в балансе энергии взрыва сама по себе мала. Вклад вносит и дипольное излучение, возникающее за счет изменения плотности воздуха с высотой, и возмущение магнитного поля Земли проводящим плазмоидом. В результате образуется непрерывный частотный спектр ЭМИ ЯВ — совокупность колебаний огромного числа частот. Существенен энергетический вклад излучения с частотами от десятков килогерц до сотен мегагерц. Эти волны ведут себя по‑разному: мегагерцевые и более высокочастотные затухают в атмосфере, а низкочастотные — «ныряют» в естественный волновод, образованный поверхностью Земли и ионосферой, и могут не раз обогнуть земной шар. Правда, «долгожители» эти напоминают о своем существовании лишь хрипением в приемниках, похожим на «голоса» грозовых разрядов, а вот их более высокочастотные родственники заявляют о себе мощными и опасными для аппаратуры «щелчками».

Казалось бы, такие излучения вообще должны быть безразличны военной электронике — ведь любое устройство с наибольшей эффективностью принимает волны того диапазона, в каком их излучает. А принимает и излучает военная электроника в гораздо более высокочастотных, чем ЭМИ ЯВ, диапазонах. Но ЭМИ ЯВ действует на электронику не через антенну. Если ракету длиной в 10 м «накрывала» длинная волна с не поражающей воображение напряженностью электрического поля в 100 В/см, то на металлическом ракетном корпусе наводилась разность потенциалов в 100 000 В! Мощные импульсные токи через заземляющие связи «затекают» в схемы, да и сами точки заземления на корпусе оказывались под существенно отличающимися потенциалами. Токовые перегрузки опасны для полупроводниковых элементов: для того чтобы «сжечь» высокочастотный диод, достаточно импульса мизерной (в десятимиллионную долю джоуля) энергии. ЭМИ занял почетное место могущественного поражающего фактора: иногда им выводилась из строя аппаратура за тысячи километров от ядерного взрыва — такое было не по силам ни ударной волне, ни световому импульсу.

Понятно, параметры вызывающих ЭМИ взрывов были оптимизированы (в основном высота подрыва заряда данной мощности). Разрабатывались и меры защиты: аппаратура снабжалась дополнительными экранами, охранными разрядниками. Ни один образец боевой техники не принимался на вооружение, пока не была доказана испытаниями — натурными или на специально созданных имитаторах — его стойкость к ЭМИ ЯВ, по крайней мере такой интенсивности, которая характерна для не слишком уж больших дистанций от взрыва.

Бесчеловечное оружие

Однако вернемся к двухфазным боеприпасам. Их основной поражающий фактор — потоки быстрых нейтронов. Это породило многочисленные легенды о «варварском оружии» — нейтронных бомбах, которые, как писали в начале 1980-х советские газеты, при взрыве уничтожают все живое, а материальные ценности (здания, технику) оставляют практически неповрежденными. Настоящее мародерское оружие — взорвал, а потом приходи и грабь! На самом деле любые предметы, подвергшиеся воздействию значительных нейтронных потоков, опасны для жизни, потому что нейтроны после взаимодействия с ядрами инициируют в них разнообразные реакции, становящиеся причиной вторичного (наведенного) излучения, которое испускается в течение длительного времени после того, как распадется последний из облучавших вещество нейтронов.

Для чего же было предназначено это «варварское оружие»? Двухфазными термоядерными зарядами оснащались боевые части ракет Lance и 203-мм гаубичные снаряды. Выбор носителей и их досягаемость (десятки километров) указывают на то, что создавалось это оружие для решения оперативно-тактических задач. Нейтронные боеприпасы (по американской терминологии — «с повышенным выходом радиации») предназначались для поражения бронетехники, по численности которой Варшавский пакт превосходил НATO в несколько раз. Танк достаточно стоек к воздействию ударной волны, поэтому после расчетов применения ядерного оружия различных классов против бронетехники, с учетом последствий заражения местности продуктами деления и разрушений от мощных ударных волн, основным поражающим фактором решили сделать нейтроны.

Абсолютно чистый заряд

В стремлении получить такой термоядерный заряд попытались отказаться от ядерного «запала», заменив деление сверхскоростной кумуляцией: головной элемент струи, состоявшей из термоядерного топлива, разогнали до сотни километров в секунду (в момент столкновения температура и плотность значительно возрастают). Но на фоне взрыва килограммового кумулятивного заряда «термоядерная» прибавка оказалась ничтожной, и эффект зарегистрировали лишь косвенно — по выходу нейтронов. Отчет об этих проведенных в США экспериментах был опубликован в 1961 году в сборнике «Атом и оружие», что при тогдашней параноидальной секретности само по себе свидетельствовало о неудаче.
В семидесятых, в «неядерной» Польше, Сильвестр Калиский теоретически рассмотрел сжатие термоядерного топлива сферической имплозией и получил весьма благоприятные оценки. Но экспериментальная проверка показала, что, хотя выход нейтронов, по сравнению со «струйным вариантом», возрос на много порядков, нестабильности фронта не позволяют достичь нужной температуры в точке схождения волны и реагируют только те частицы топлива, скорость которых, из-за статистического разброса, значительно превышает среднее значение. Так что совсем «чистый» заряд создать не удалось.

Рассчитывая остановить навал «брони», в штабах НАТО разработали концепцию «борьбы со вторыми эшелонами», стараясь отнести подальше рубеж применения нейтронного оружия по противнику. Основная задача бронетанковых войск — развитие успеха на оперативную глубину, после того как их бросят в брешь в обороне, пробитую, например, ядерным ударом большой мощности. В этот момент применять радиационные боеприпасы уже поздно: хотя 14-МэВ нейтроны незначительно поглощаются броней, поражения экипажей излучением сказываются на боеспособности не сразу. Поэтому такие удары планировались по выжидательным районам, где изготавливались к введению в прорыв основные массы бронетехники: за время марша к линии фронта на экипажах должны были проявиться последствия облучения.

Нейтронные перехватчики

Еще одним применением нейтронных боеприпасов стал перехват ядерных боеголовок. Перехватить боевой блок противника надо на большой высоте, чтобы даже в случае его подрыва не пострадали объекты, на которые он нацелен. Но отсутствие вокруг воздуха лишает противоракету возможности поразить цель ударной волной. Правда, при ядерном взрыве в безвоздушном пространстве возрастает преобразование его энергии в световой импульс, но помогает это мало, поскольку боевой блок рассчитан на преодоление теплового барьера при входе в атмосферу и снабжен эффективным обгорающим (абляционным) теплозащитным покрытием. Нейтроны же свободно «проскакивают» через такие покрытия, а проскочив, бьют в «сердце» боевого блока — сборку, содержащую делящееся вещество. Ядерный взрыв при этом невозможен — сборка докритична, но нейтроны порождают в плутонии много затухающих цепей деления. Плутоний, который и при нормальных условиях из-за самопроизвольно протекающих ядерных реакций имеет ощутимую при касании повышенную температуру, при мощном внутреннем подогреве плавится, деформируется, а значит, уже не сможет превратиться в нужный момент в сверхкритическую сборку.

Такими двухфазными термоядерными зарядами оснащены американские противоракеты Sprint, охраняющие шахты межконтинентальных баллистических ракет. Конусная форма ракет позволяет выдерживать огромные перегрузки, возникающие во время старта и при последующем маневрировании.

Образует три изотопа с массовыми числами 1, 2, 3:

() - дейтерий;

() - тритий.

В природе водород находится в виде протия (99,98%). 0,0156% природного водорода приходится на долю «тяжелого» водорода - дейтерия, масса которого вдвое больше массы протия. Протий и дейтерий не являются радиоактивными.

Впервые дейтерий был получен в виде тяжелой воды D 2 O путем электролиза природной воды.

Тяжелая вода D 2 O - вода, образованная атомами дейтерия. По своим физико-химическим свойствам отличается от Н 2 О:

В настоящее время дейтерий получают из природной смеси путем изотопного обмена между водой и сероводородом : . Для получения 1 л тяжелой воды требуется 41 т воды и 135 т сероводорода.

Химические реакции в тяжелой воде протекают медленнее, по сравнению с обычной водой, водородные связи с участием дейтерия несколько сильнее обычных. Тяжёлая вода токсична. Тяжелая вода оказывает губительное действие на животных и человека. Например, замена 1/3 Н 2 О на D 2 O приводит к бесплодию, нарушению углеводного баланса и анемии .

Однако некоторые микроорганизмы способны жить в 70%-ной тяжёлой воде (простейшие) и даже в чистой тяжёлой воде (бактерии). Человек может без видимого вреда для здоровья выпить стакан тяжёлой воды, весь дейтерий будет выведен из организма через несколько дней. В этом отношении тяжёлая вода менее токсична, чем, например, поваренная соль.

Тяжелая вода является промышленным продуктом и доступна в больших количествах. Производство тяжёлой воды очень энергоёмко, поэтому её стоимость довольно высока (ориентировочно 200 - 250 долларов за кг).

Ядра дейтерия имеют спин ядра равный 1, с этим связано использование тяжелой воды и других дейтерированных растворителей (дейтерохлороформ CDCl 3) в спектроскопии ядерного магнитного резонанса. Тяжелая вода находит применение в ядерной технике в качестве замедлителя быстрых нейтронов, поскольку она быстро понижет энергию нейтронов ядерного деления, а также вследствие того, что дейтерий имеет низкое сечение захвата нейтронов (не поглощает нейтроны), чем водород, и, следовательно, заметно уменьшает нейтронный поток.

Дейтерий широко применяют при изучении механизмов реакции и при кинетических исследованиях.

От других изотопов тритий отличается тем, что он радиоактивен. В природе тритий встречается в очень малых количествах. Естественное содержание трития - 1 атом на 10 18 атомов водорода, это результат ядерных реакций, протекающих вод действием космических лучей в верхних слоях атмосферы :

После испытаний термоядерного оружия (1954 г.) концентрация трития увеличилась в сотни раз, но в настоящее время она упала в результате запрета на испытания ядерного оружия в атмосфере. Низкое содержание трития в земной коре объясняется и его радиоактивностью с периодом полураспада 12,35 года . В последние годы основным источником техногенного трития в окружающей среде стали атомные электростанции, которые ежегодно выделяют несколько десятков килограммов трития.

В настоящее время тритий получают в ядерных реакторах при облучении лития нейтронами: .

Литий используют в виде сплава с магнием или алюминием, который удерживает в себе много трития, который освобождается при растворении облученного сплава в кислоте.

Прим. Наиболее удобный способ хранения трития состоит в превращении его в UT 3 по реакции с мелко раздробленным ураном. Из данного соединения тритий легко освобождается при нагревании выше 400 ºС.

Тяжелая вода на основе трития T 2 O обладает сильной радиоактивностью. Поэтому обычно используют разбавленные растворы, содержащие 1% тритиевой воды. Тритий является чистым β-излучателем без примеси γ-компоненты, поэтому он относительно безопасен, так как β-частицы обладают низкой проникающей способностью, поэтому задерживаются листом бумаги или слоем воздуха в 3 мм. Тритий - один из наименее токсичных радиоизотопов.

Тритий может служить радиоактивной меткой для изучения различных природных процессов. Анализ атмосферного трития дает ценную информацию о космических лучах. А тритий в осадочных породах может свидетельствовать о перемещениях воздуха и влаги на Земле.

Наиболее богатые природные источники трития - дождь и снег, поскольку почти весь тритий, образующийся под действием космических лучей в атмосфере, переходит в воду. Интенсивность космической радиации изменяется с широтой, поэтому осадки, например, в средней полосе России несут в несколько раз больше трития, чем тропические ливни. И совсем мало трития в дождях, которые идут над океаном, поскольку их источник - в основном та же океаническая вода, а ней трития немного.

Понятно, что глубинный лед Гренландии или Антарктиды совсем не содержит трития - он там давно успел полностью распасться. Зная скорость образования трития в атмосфере, можно рассчитать, как долго влага находится в воздухе - с момента ее испарения с поверхности до выпадения в виде дождя или снега. Оказалось, что, например, в воздухе над океаном этот срок составляет в среднем 9 дней.

Чаще всего тритий применяют как метку при изучении механизмов реакций и их кинетики .

Синтезированный тритий сравнительно дешев и находит применение в научных исследованиях и в промышленности. Широкое применение нашли тритиевые светящиеся краски, которые наносят на шкалы приборов. Эти светосоставы с точки зрения радиации менее опасны, чем традиционные радиевые. Такие светосоставы постоянного действия используют для изготовления указателей, шкал приборов и т.п. На их производство ежегодно расходуют сотни граммов трития.

Тритий присутствует и в человеческом организме. Он поступает в него с пищей, с вдыхаемым воздухом и через кожу. Интересно, что газообразный Т 2 в 500 раз менее токсичен, чем тритиевая вода Т 2 О. Это объясняется тем, что молекулярный тритий, попадая с воздухом в легкие, затем быстро (примерно за 3 мин) выделяется из организма, тогда как тритий в составе воды задерживается в нем на 10 суток и успевает за это время передать ему значительную дозу радиации.

Тритий имеет важное значение в реакциях термоядерного синтеза: , протекающих при взрыве водородной бомбы.