Isotope von Wasserstoff - Isotopes of hydrogen

Hauptisotope von Wasserstoff   ( 1 H)
Isotop Verfall
Fülle Halbwertszeit ( t 1/2 ) Modus Produkt
1 Std [0,999 72 , 0,999 99 ] stabil
2 H [0,000 01 , 0,000 28 ] stabil
3 Stunden verfolgen 12.32(2) ja β − 3 Er
Standardatomgewicht A r, Standard (H) [1.007 84 , 1.008 11 ] konventionell: 1.008
Die drei stabilsten Isotope von Wasserstoff: Protium ( A = 1), Deuterium ( A = 2) und Tritium ( A = 3).

Wasserstoff ( 1 H) hat drei natürlich vorkommende Isotope , manchmal als 1 H, 2 H und 3 H bezeichnet. 1 H und 2 H sind stabil, während 3 H eine Halbwertszeit von 12,32 ± 0,02 Jahren hat. Es gibt auch schwerere Isotope, die alle synthetisch sind und eine Halbwertszeit von weniger als einer Zeptosekunde (10 −21 s) haben. Von diesen ist 7 H am stabilsten und 5 H am wenigsten.

Wasserstoff ist das einzige Element, dessen Isotope unterschiedliche Namen haben, die bis heute gebräuchlich sind: das 2 H (oder Wasserstoff-2) Isotop ist Deuterium und das 3 H (oder Wasserstoff-3) Isotop ist Tritium . Die Symbole D und T werden manchmal für Deuterium und Tritium verwendet. Die IUPAC akzeptiert die D- und T-Symbole, empfiehlt jedoch stattdessen die Verwendung von Standardisotopensymbolen ( 2 H und 3 H), um Verwechslungen bei der alphabetischen Sortierung chemischer Formeln zu vermeiden . Das Isotop 1 H ohne Neutronen wird manchmal als Protium bezeichnet . (Während der frühen Erforschung der Radioaktivität wurden einigen anderen schweren radioaktiven Isotopen Namen gegeben , aber solche Namen werden heute selten verwendet.)

Liste der Isotope

Nuklid
 Z n Isotope Masse ( Da )
 Halbes Leben
 Decay-
Modus
 Tochter -
Isotop
 Spin und
Parität
 Natürliche Häufigkeit (Molbruch) Notiz
Normaler Anteil Variationsbreite
1 Std 1 0 1,007 825 031 898 ± 0,000 000 000 014 Stabil 1/2+ [0,999 72 ,0,999 99 ] Protium
2 Stunden (T) 1 1 2.014 101 777 844 ± 0.000 000 000 015 Stabil 1+ [0,000 01 ,0,000 28 ] Deuterium
3 Stunden (T) 1 2 3.016 049 281 320 ± 0.000 000 000 081 12,32 ± 0,02 Jahre β − 3
Er
 		1/2+ Verfolgen Tritium
4
h
 		1 3 4,026 431 867 ± 0,000 107 354 139 ± 10 Jahre n 3
h
 		2−
5
h
 		1 4 5.035 311 492 ± 0.000 096 020 86 ± 6 Jahre 2n 3
h
 		(1/2+)
6
h
 		1 5 6.044 955 437 ± 0,000 272 816 294 ± 67 Jahre 3n 3
h
 		2−#
4n 2
h
7
h
 		1 6 7,052 749 ± 0,001 078 # 652 ± 558 Jahre 4n 3
h
 		1/2+#
Diese Tabellenkopf- und Fußzeile:
  1. ^ ( ) – Unsicherheit (1 σ ) wird in knapper Form in Klammern nach den entsprechenden letzten Ziffern angegeben.
  2. ^ Zerfallsarten:
    n: Neutronenemission
  3. ^ Fettgedrucktes Symbol als Tochter – Tochterprodukt ist stabil.
  4. ^ ( ) Spin-Wert – Zeigt Spin mit schwachen Zuweisungsargumenten an.
  5. ^ # – Mit # gekennzeichnete Werte sind nicht rein aus experimentellen Daten abgeleitet, sondern zumindest teilweise aus Trends benachbarter Nuklide (TNN).
  6. ^ Es sei denn, es tritt ein Protonenzerfall ein.
  7. ^ Dies und 3 He sind die einzigen stabilen Nuklide mit mehr Protonen als Neutronen.
  8. ^ Produziert während der Urknall-Nukleosynthese .
  9. ^ Einer der wenigen stabilen ungeraden Kerne
  10. ^ Produziert während der Urknall-Nukleosynthese, aber nicht primordial, da alle diese Atome seitdem zu 3 He zerfallen sind.
  11. ^ Kosmogen

Wasserstoff-1 (Protium)

Protium, das häufigste Isotop von Wasserstoff, besteht aus einem Proton und einem Elektron. Einzigartig unter allen stabilen Isotopen, es hat keine Neutronen. (Siehe Diproton für eine Diskussion darüber, warum andere nicht existieren)
Hauptartikel: Wasserstoffatom

1 H (Atommasse1.007 825 031 898 ± 0.000 000 000 014  Da ) ist das häufigste Wasserstoffisotop mit einer Häufigkeit von über 99,98 %. Da der Kern dieses Isotops nur aus einem einzigen Proton besteht , wird es formal als Protium bezeichnet .

Der Zerfall des Protons wurde nie beobachtet, und Wasserstoff-1 gilt daher als stabiles Isotop. Einige große vereinheitlichte Theorien, die in den 1970er Jahren vorgeschlagen wurden, sagen voraus, dass der Protonenzerfall mit einer Halbwertszeit zwischen 10 28 und 10 36 Jahren auftreten kann. Wenn sich diese Vorhersage als wahr herausstellt, dann sind Wasserstoff-1 (und tatsächlich alle Kerne, die heute als stabil gelten) nur beobachtungsstabil . Bisher haben Experimente gezeigt, dass die minimale Protonenhalbwertszeit über 10 34 Jahre liegt.

Wasserstoff-2 (Deuterium)

Hauptartikel: Deuterium
Ein Deuteriumatom enthält ein Proton, ein Neutron und ein Elektron.

2 H (Atommasse2.014 101 777 844 ± 0.000 000 000 015  Da ), das andere stabile Wasserstoffisotop, ist als Deuterium bekannt und enthält in seinem Kern ein Proton und ein Neutron. Der Kern von Deuterium wird Deuteron genannt. Deuterium umfasst 0,0026–0,0184% (nach Bevölkerung, nicht nach Masse) der Wasserstoffproben auf der Erde, wobei die niedrigere Zahl tendenziell in Proben von Wasserstoffgas zu finden ist und die höhere Anreicherung (0,015 % oder 150 ppm) typisch für Ozeanwasser ist. Deuterium auf der Erde wurde in Bezug auf seine anfängliche Konzentration im Urknall und im äußeren Sonnensystem (ca. 27 ppm, nach Atomanteil) und seine Konzentration in älteren Teilen der Milchstraße (ca. 23 ppm) angereichert. Vermutlich ist die unterschiedliche Konzentration von Deuterium im inneren Sonnensystem auf die geringere Flüchtigkeit von Deuteriumgas und -verbindungen zurückzuführen, die Deuteriumfraktionen in Kometen und Planeten anreichern, die über Milliarden von Jahren der Entwicklung des Sonnensystems der erheblichen Sonnenwärme ausgesetzt waren.

Deuterium ist nicht radioaktiv und stellt keine signifikante Toxizitätsgefahr dar. Wasser, das mit Molekülen angereichert ist, die Deuterium anstelle von Protium enthalten, wird als schweres Wasser bezeichnet . Deuterium und seine Verbindungen werden als nicht-radioaktiver Marker in chemischen Experimenten und in Lösungsmitteln für die 1 H- NMR-Spektroskopie verwendet . Schweres Wasser wird als Neutronenmoderator und Kühlmittel für Kernreaktoren verwendet. Deuterium ist auch ein potenzieller Brennstoff für die kommerzielle Kernfusion .

Wasserstoff-3 (Tritium)

Hauptartikel: Tritium
Ein Tritiumatom enthält ein Proton, zwei Neutronen und ein Elektron.

3 H (Atommasse3.016 049 281 320 ± 0.000 000 000 081  Da ) wird als Tritium bezeichnet und enthält in seinem Kern ein Proton und zwei Neutronen. Es ist radioaktiv und zerfällt durch β−-Zerfall in Helium-3 mit einer Halbwertszeit von12,32 ± 0,02 Jahre . Spuren von Tritium treten natürlicherweise aufgrund der Wechselwirkung kosmischer Strahlung mit atmosphärischen Gasen auf. Tritium wurde auch bei Atomwaffentests freigesetzt . Es wird in thermonuklearen Fusionswaffen verwendet, als Tracer in der Isotopengeochemie und ist auf batterielose Beleuchtungsgeräte spezialisiert .

Die gebräuchlichste Methode zur Herstellung von Tritium besteht darin, ein natürliches Lithiumisotop, Lithium-6 , mit Neutronen in einem Kernreaktor zu beschießen .

Tritium wurde einst routinemäßig in chemischen und biologischen Markierungsexperimenten als radioaktiver Marker verwendet . Dies ist seltener geworden, passiert aber immer noch. Die DT -Kernfusion verwendet Tritium als Hauptreaktant, zusammen mit Deuterium , das Energie durch den Masseverlust freisetzt , wenn die beiden Kerne kollidieren und bei hohen Temperaturen verschmelzen.

Wasserstoff-4

4 H ( Atommasse 4,026 431 867 ± 0,000 107 354 ) enthält ein Proton und drei Neutronen in seinem Kern. Es ist ein sehr instabiles Wasserstoffisotop. Es wurde im Labor synthetisiert, indem Tritium mit sich schnell bewegenden Deuteriumkernen beschossen wurde . In diesem Experiment fing der Tritiumkern ein Neutron aus dem sich schnell bewegenden Deuteriumkern ein. Die Anwesenheit von Wasserstoff-4 wurde durch Nachweis der emittierten Protonen abgeleitet. Es zerfällt durch Neutronenemission in Wasserstoff-3 (Tritium) mit einer Halbwertszeit von139 ± 10 Jahre (oder(1,39 ± 0,10) × 10 –22  s ).

In dem satirischen Roman The Mouse That Roared von 1955 wurde dem Wasserstoff-4-Isotop der Name Quadium gegeben, das die Q-Bombe antrieb , die das Herzogtum Grand Fenwick aus den Vereinigten Staaten erbeutete.

Wasserstoff-5

5 H ( Atommasse 5.035 311 492 ± 0.000 096 020 ) ist ein sehr instabiles Wasserstoffisotop. Der Kern besteht aus einem Proton und vier Neutronen. Es wurde im Labor synthetisiert, indem Tritium mit sich schnell bewegenden Tritiumkernen beschossen wurde. In diesem Experiment fängt ein Tritiumkern zwei Neutronen vom anderen ein und wird zu einem Kern mit einem Proton und vier Neutronen. Das verbleibende Proton kann nachgewiesen und die Existenz von Wasserstoff-5 abgeleitet werden. Es zerfällt durch doppelte Neutronenemission in Wasserstoff-3 (Tritium) und hat eine Halbwertszeit von86 ± 6 Jahre ((8,6 ± 0,6) × 10 –23  s ).

Wasserstoff-6

6 H ( Atommasse 6,044 955 437 ± 0,000 272 816 ) zerfällt entweder durch dreifache Neutronenemission in Wasserstoff-3 (Tritium) oder vierfache Neutronenemission in Wasserstoff-2 (Deuterium) und hat eine Halbwertszeit von294 ± 67 Jahre ((2,94 ± 0,67) × 10 –22  s ).

Wasserstoff-7

7 H ( Atommasse 7.052 749 ± 0.001 078 ) besteht aus einem Proton und sechs Neutronen . Es wurde erstmals 2003 von einer Gruppe russischer, japanischer und französischer Wissenschaftler in der Radioactive Isotope Beam Factory von RIKEN synthetisiert, indem Wasserstoff mit Helium-8- Atomen beschossen wurde . Bei der resultierenden Reaktion wurden alle sechs Helium-8-Neutronen an den Wasserstoffkern abgegeben. Die beiden verbleibenden Protonen wurden vom "RIKEN-Teleskop", einem Gerät aus mehreren Sensorschichten, das hinter dem Target des RI-Beam-Zyklotrons positioniert war, nachgewiesen. Wasserstoff-7 hat eine Halbwertszeit von652 ± 558 Jahre .

Zerfallsketten

Die meisten schweren Wasserstoffisotope zerfallen direkt zu 3 H, das dann in das stabile Isotop 3 He zerfällt . Es wurde jedoch gelegentlich beobachtet , dass 6 H direkt in stabiles 2 H zerfällt.

Die Zerfallszeiten sind in Yoktosekunden (10 -24 s) für alle diese Isotope mit Ausnahme von 3 H, das in Jahren ausgedrückt wird.

Siehe auch

Anmerkungen

Verweise

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