Wodorowe trojaczki

Wodór to jeden z najbardziej rozpoznawalnych pierwiastków. Przez rozpoznawalność mam na myśli fakt, że statystyczny Ziemianin (w tym Polak) poproszony o wymienienie kilku nazw pierwiastków z pewnością wymieni wśród nich także wodór (skądinąd, ciekawe czy w Familiadzie było kiedyś takie pytanie).

Wodór rzeczywiście wart jest zapamiętania, bowiem kategorii, w których jest „naj” jest sporo: to pierwiastek najczęściej występujący we Wszechświecie, o najmniejszej gęstości, o najmniejszej masie atomu itd. Wodór jest znany z tego także, że jest bezwonny, bez smaku i barwy, ale na pewno większość z nas kojarzy, że jest wybitnie łatwopalny.

W tym momencie przychodzi mi do głowy anegdotka o Cavendishu, osiemnastowiecznym odkrywcy wodoru, który chciał sprawdzić, czy jest on przyswajany przez organizm człowieka. Jak się domyślacie, w jego czasach metody pozwalające na identyfikację wodoru były dość prymity…. to znaczy chciałem powiedzieć niedoskonałe. Aby więc potwierdzić, że w wydychanym powietrzu jest wodór, chemik po prostu po wciągnięciu do płuc tego gazu chuchnął nim na płomień świecy (wiedział, że wodór jest palny, więc zakładał, że wzrost płomienia potwierdzi jego obecność). Hmmm, pewnie się domyślacie, czym się to skończyło: małą acz widowiskową eksplozją. Jakkolwiek Cavendish przeżył. Jak sam wspominał „myślałem, że wylecą mi wszystkie zęby”.

O związkach wodoru można pisać i pisać. Praktycznie z każdym innym pierwiastkiem jest w stanie stworzyć osobny i trwały (mniej lub bardziej) związek. Z metalami tworzy więc wodorki, a z niemetalami… no tu już nie ma nazwy dla tej grupy związków, ale należą do nich na przykład amoniak, metan, chlorowodór, siarkowodór i oczywiście woda (zwana przez niektórych fanatyków nomenklatury chemicznej „tlenkiem wodoru”). A bardziej złożone związki? O, to już temat-morze, albo nawet temat lepiej powiedzieć temat-ocean.

Wróćmy jednak dzisiaj do zeszłotygodniowego tematu. Wiemy już, że w jądrze atomowym spotykamy protony, nadające mu ładunek (i dzięki temu „trzymające” na orbitach wokół niego elektrony), oraz neutrony stabilizujące jądro. Wodór jednak ma tylko jeden proton. Czy więc potrzebne są mu neutrony do stabilizacji jądra? Zasadniczo nie. W gruncie rzeczy obchodzi się bez nich doskonale, ale jak już się jakiś neutron przyczepi, to… w sumie może sobie zostać. I wtedy mamy do czynienia z drugim izotopem wodoru, czyli deuterem.

Deuter bywa czasem oznaczany literką „D”, ale to tylko zwyczajowe oznaczenie, nie mające charakteru symbolu chemicznego, bo taki przysługuje tylko pierwiastkom, a wodór zwykły (bez neutronu w jądrze) i deuter to jeden i ten sam pierwiastek. Deuter jest stabilnym izotopem, a jego zawartość w przyrodzie wynosi ok. 0,015% całkowitej ilości wodoru.

Ze względu na małą średnicę i małą masę atomy deuteru świetnie spowalniają wolne neutrony. Gdybyście więc mieli problem z nisko latającymi neutronami to kupcie wtedy sobie trochę deuteru 😉 A tak na serio, to ciężka woda (tj. cząsteczki wody zawierające jeden lub dwa deutery zamiast „zwykłego” wodoru) jest stosowana często w reaktorach jądrowych do moderowania (spowalniania) powstających w czasie rozpadu promieniotwórczego neutronów. A więc fizycy (jądrowi) deuter lubią i to bardzo.

A co z chemikami? Jak wspominałem tydzień temu właściwości chemiczne izotopów są takie same. Właściwie więc istnienie deuteru mogą chemicy zignorować, ale… tak nie do końca. Deuterowane, związki chemiczne, czyli zawierające deuter (zamiast „zwykłego” wodoru) mają ciekawe zastosowania. Na przykład pozwalają lepiej poznać mechanizmy wielu reakcji chemicznych, w tym także tych biochemicznych, zachodzących w żywych organizmach. Załóżmy, że chcemy się dowiedzieć, gdzie migrują cząsteczki podanego pacjentowi leku? Podajemy mu lek zawierający związek deuterowany a potem pobieramy próbki tkanek, żeby sprawdzić gdzie jest więcej niż zwykle deuteru. Można stosować (i stosuje się) także związki znakowane innymi izotopami, np. fosforu lub węgla, ale związki deuterowane są relatywnie tanie a przede wszystkim bezpieczne.

Do takich analiz porównawczych zawartości izotopów idealne są spektrometry mas, o których pisałem w tekście „Masówka”. Zainteresowanych pozwolę sobie odesłać do tego wpisu.

Spośród naturalnie występujących w przyrodzie izotopów wodoru znany jest jeszcze tryt (T), zawierający dwa neutrony w jądrze. To nietrwały izotop (o czasie półtrwania nieco ponad 12 lat), który powstaje w wyniku niektórych przemian jądrowych (także rozpadu naturalnie występujących w przyrodzie radioizotopów) a także w wyniku działania promieniowania kosmicznego na atomy wodoru.

Jego znaczenie praktyczne jest stosunkowo niewielkie. W górnictwie stosuje się wodę trytową (wodę superciężką), aby śledzić migrację wód podziemnych. Po nastrzyknięciu takiej wody do odwiertu można potem czujnikami promieniowania (typu beta) śledzić jej rozprzestrzenianie się w złożu górniczym. Czasem wykorzystywana jest radioluminescencja trytu, czyli emisja promieniowania świetlnego towarzysząca jego rozpadowi promieniotwórczemu.

Warto dodać, że tryt wzbudza wielkie nadzieje w kontekście możliwości przeprowadzenia kontrolowanej fuzji jądrowej i pozyskiwania energii na drodze łączenia się jąder trytu w cięższe pierwiastki, czemu towarzyszy wydzielanie energii. Jakkolwiek na razie wszystko jest w fazie eksperymentów.

Zapytacie może, czy istnieją cięższe izotopy wodoru? Odpowiem enigmatycznie – i tak i nie. Tak, ponieważ fizykom udało się takie otrzymać (z trzema, czterema, pięcioma, a nawet sześcioma neutronami). Nie, ponieważ te izotopy istniały w laboratorium niecałą zeptosekundę tzn. 0,000 000 000 000 000 000 001 s. Powiedzmy sobie szczerze – z naszego punktu widzenia to tyle co nic.

Na koniec jeszcze jedna ciekawostka. Otóż ten „zwykły” izotop wodoru, z jednym tylko protonem w jadrze nazywany jest „prot”. Znamy więc już imiona każdego z tytułowych wodorowych trojaczków: Prot, Deuter i Tryt. Tak przy okazji, słyszałem o chemiczce, która tak nazwała swoje trzy koty. Przyznajcie, że pomysł miała przedni 🙂

Wojciech Smułek