（deuterium），也稱重氫，氫的同位素之一，元素符號為D或2H。其原子核包括一個中子和一個質(zhì)子，質(zhì)量數(shù)為2。氘氣為無色、無味氣體，熔點為-254.43℃，沸點為-249.49℃。氘具有較低的零點能量和較小的碰撞頻率，導(dǎo)致其化學(xué)反應(yīng)性比氫低。氘的核自旋量子數(shù)為1，所以D?分子存在正仲分子。氘可以生成各種含氘化合物，最重要的氘化合物是重水。
氘主要是來自天然水（普通的氫氣中含有0.02%的氘），其次是天然氣和石油。宇宙中除地球外，其他星球也存在氘，如火星、海爾-博普彗星等。其可用重水與鈉、鎂、鈾[yóu]反應(yīng)制得，也可電解重水和液氫精餾法制得。
氘主要以重水的形式被使用。在涉及氫的化學(xué)反應(yīng)和生物化學(xué)反應(yīng)研究工作中，氘被廣泛用作示蹤原子。氘和氚[chuān]能夠比較迅速地進(jìn)行核聚變反應(yīng)而放出能量來，是重要的核燃料；它也常用作離子源；用經(jīng)加速器加速的氘核轟擊其他原子核，可進(jìn)行核反應(yīng)的研究。在工業(yè)領(lǐng)域，氘可用來制作氘燈。在醫(yī)藥領(lǐng)域，氘代藥物常被用于提高藥物生物利用度，增加藥物療效等，如氘丁苯那嗪[qín]可治療抗精神病藥引起的遲發(fā)性運(yùn)動障礙。 此外，有機(jī)化合物中的氫原子被氘取代可以帶來額外的特性和功能。
相關(guān)歷史
1919年F.W.阿斯頓（F.W.Aston）用質(zhì)譜儀發(fā)現(xiàn)大多數(shù)元素有同位素，此后，人們一直試圖發(fā)現(xiàn)氫的同位素。1919年O.斯特恩（O.Steane）和M.?福爾默爾（M.Folmer）用擴(kuò)散法分離氫同位素，但是未得到預(yù)期的結(jié)果。1927年阿斯頓·馬丁以16O的原子量為16.00000作基準(zhǔn)測得氫的原子量為1.00778，其數(shù)值與化學(xué)法測得的氫原子量1.00777相符，由此阿斯頓認(rèn)為氫是單一同位素的元素。
1931年R.T. 伯奇（R.T. Birch）和D.H.門澤爾（D.H.Menzel）根據(jù)阿斯頓1929年發(fā)現(xiàn)的氧原子量化學(xué)標(biāo)度和物理標(biāo)度的差異指出，應(yīng)有質(zhì)量數(shù)為2的氫同位素存在，并估計出2H:1H=1:4500。
1931年底?H.C.哈羅德·尤里（H.C.Yuri）、F.G.布里克韋德（F.G.Brickwade）和通用汽車?默菲(G.M.Murfee)通過對液氫蒸發(fā)后的殘液進(jìn)行光柵光譜分析，結(jié)果在約翰·巴耳末線中發(fā)現(xiàn)質(zhì)量數(shù)為2的氫同位素的譜線，從而發(fā)現(xiàn)了重氫。尤里通過進(jìn)一步的研究認(rèn)識到，重氫的某些性質(zhì)明顯地不同于氫，他建議將重氫命名為“deuterium”，并用現(xiàn)代實驗的方法確定了氘的性質(zhì)。尤里因此獲得1934年諾貝爾化學(xué)獎。加利福尼亞大學(xué)將氘核命名為“deuton”，這兩個術(shù)語在美國科學(xué)出版物中被廣泛使用。但是，美國科學(xué)家和英國科學(xué)家對氘的命名意見不統(tǒng)一，英國物理學(xué)家，劍橋大學(xué)的卡文迪什實驗室主任納爾遜·盧瑟福，在一次皇家學(xué)會關(guān)于重氫的討論中，主張采用“diplogen”重氫原子的名稱，采用“diplon”作為氘原子核的名稱。
1939?年9月26日，在研究原子彈的過程中，科學(xué)家海森伯格（heisenberg）指出石墨和重水都可以作為減速劑，制造出一種“鈾燃燒器”作為能源以提供巨大的能量。但哈特克（Hartke）卻認(rèn)為用重水做減速劑比較好——這是德國人失敗的主要原因。因為重水的生產(chǎn)是極其困難和昂貴的，第二次世界大戰(zhàn)前世界最大的重水生產(chǎn)廠——挪威的電解水廠每月只能提供10公斤重水，德國本土沒有這種設(shè)施。其間，曾獲諾貝爾物理學(xué)獎的德國物理學(xué)家博特（Bothe）也開始了用氧化鈾和重水的核實驗，并且他根據(jù)實驗斷言：純石墨由于吸取過多的中子而不宜做減速劑。由于博特的權(quán)威性影響，別的實驗室就沒有用石墨做過重復(fù)實驗。與此同時，恩里科·費(fèi)米（Fermi）在美國測出純石墨非常適合做減速劑，這才奠定了美國的成功。由于重水做減速劑非常困難，延緩了德國研鈾的速度，再加之蘇聯(lián)戰(zhàn)場的失利，被迫于1941年底放棄核試驗。
氫彈中的核聚變反應(yīng)主要是氘氚反應(yīng)（氫彈的熱核裝料是固體氘化鋰，其在幾千萬度高溫下分解成氘和鋰，鋰在中子作用下產(chǎn)生氚，氚再和氘進(jìn)行聚變反應(yīng)）。J.H.泰勒（Taylor）從1943年開始研究氫彈，第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，其要求美國政府把核武器發(fā)展的重點轉(zhuǎn)到氫彈上，由于廣島事件的影響，其他科學(xué)家都不愿意繼續(xù)核武器研究。隨著1949年蘇聯(lián)原子彈實驗成功，哈里·S·杜魯門總統(tǒng)下令研制氫彈。1952年11月1日，美國在太平洋埃尼威托克環(huán)礁進(jìn)行了第一次氫彈爆炸實驗。
來源
氘的最豐富的來源是天然水，其它可能的來源是天然氣和石油。在這些來源中，天然水是最為重要的。工業(yè)上正在利用由天然氣或石油經(jīng)過化學(xué)轉(zhuǎn)化得到的氫氣和氨合成氣作為氘的來源。但是，這些工業(yè)來源能得到的重水的總量很小，不能滿足重水堆的需要。
天然水中氘的含量隨地點、時間而異，這是因為，當(dāng)水從陸地、海洋蒸發(fā)或從空氣中冷凝時，產(chǎn)生了同位素分餾。在熱帶海水中，氘的含量約為0.0156%（原子）。在與海水平衡的空氣中的水汽中，?氘的原子分?jǐn)?shù)約比海水中氘的原子分?jǐn)?shù)低7%。這是由于H?O的蒸汽壓比HDO的蒸汽壓高而引起的。所以在海洋上空的水汽中，氘的含量應(yīng)為0.0156%（原子）/1.07=?0.0146%（原子）。由這些水汽冷凝降下的初始雨水中，氘含量大于0.0146%（原子），這也是由于HDO的蒸汽壓較低之故。當(dāng)海洋上空的濕空氣從熱帶經(jīng)過大陸流走時，其中的氘含量穩(wěn)步下降。在山的背風(fēng)坡下的雨和在南北極區(qū)下的雪，其氘含量低于0.0146%（原子）。因為在那些地方，空氣中的水汽大部分都已被冷凝了下來。由于陸地上水的蒸發(fā)引起的水中氘含量的變化可以忽略，所以天然水中氘含量的變化是很小的。
宇宙中除地球外，其他星球也存在氘，如火星、海爾-博普彗星等。其中根據(jù)美國的探測發(fā)現(xiàn)，海爾-波普彗星上水中的氘比例與地球海水中的比例相同，說明兩處的水有近似起源。
研究表明，在宇宙大爆炸3分鐘后，宇宙溫度降至10億K以下，核反應(yīng)開始啟動。質(zhì)子和中子聚變?yōu)?a href="/hebeideji/7268107831604232231.html">原子核，形成了最初的四種物質(zhì)：氫、氦、氘和鋰。美國的唐·路博維希（Tang Lubovich）等2004年研究了距銀心僅32光年的射手座星云光譜，發(fā)現(xiàn)氘的豐度比按照大爆炸理論標(biāo)準(zhǔn)模型計算結(jié)果高出約10萬倍。由此推斷，可能在過去數(shù)十億年里銀河系中央曾經(jīng)存在過一個類星體，它消亡后留下大量氘元素；也可能在宇宙射線的作用下，碳等重元素崩解產(chǎn)生了氘。經(jīng)相關(guān)計算表明，類星體殘留的氘應(yīng)當(dāng)比現(xiàn)在多得多，而銀河系中央?yún)^(qū)域的宇宙射線密集程度又不足以使碳產(chǎn)生這么多氘，由此得出，有些氘可能是從銀河系外部區(qū)域跌落到銀河系中央的，它們產(chǎn)生于宇宙剛剛誕生后不久。
理化性質(zhì)
物理性質(zhì)
氘的元素符號為D或2H ，其原子核包括一個中子和一個質(zhì)子，質(zhì)量數(shù)為2，原子量為2.014741，而普通氫沒有中子。氘化光譜是化合物中若干個氫原子被重氫取代后的紅外光譜，用重氫取代后基團(tuán)的振動頻率移向低頻。氘氣為無色、無味、無毒無害的可燃性氣體。氘具有較低的零點能量和較小碰撞頻率，導(dǎo)致其化學(xué)反應(yīng)性比氫低。D2與H2的部分物理性質(zhì)對比如下：
氘核性質(zhì)
氘核只有一個束縛能級，就是它的基態(tài)能級，-2.22兆電子伏。所以很難從它的能級推究核力的性質(zhì)。?但氘核還另有一些可測量的性質(zhì)，從而可以探索二核子間相互作用的情況。這些性質(zhì)是：
的。
化學(xué)性質(zhì)
氘的化學(xué)反應(yīng)性能不及普通氫活潑，能形成一些與普通氫相似的化合物，如D2O，ND3等。
乙與氘進(jìn)行反應(yīng)時，在90~140℃間的反應(yīng)與200℃的反應(yīng)是不同的。
(90~140℃）
(200℃）
當(dāng)氘通至氯化銀（700℃）上時，即有氯化氘形成。
以上第二個反應(yīng)產(chǎn)生的氚核，又可以相當(dāng)快地和另外的氘核作用，進(jìn)行第二輪反應(yīng)：
應(yīng)用領(lǐng)域
示蹤領(lǐng)域
氘主要以重水的形式被使用。由于重水比普通水約重10%，它在一種水溶液中的存在量即使少到十萬分之一也能檢出。因此重水和氘在研究化學(xué)和生理變化中是一種寶貴的示蹤材料。例如，用稀重水灌溉某些樹木，可以測知水在這些植物中運(yùn)行速度極快，每小時可行十幾公尺到幾十公尺。把金魚養(yǎng)在含有少量重水的水中，可以確定水在魚體與周圍介質(zhì)之間的全部交換在四小時內(nèi)已經(jīng)完成。測定飲過大量稀D2O的人尿中氘的含量，證明水分子在人體中停留時間平均14天。可見，用氘代替普通氫，可以研究動植物的消化和新陳代謝過程。
人們也常采用重水作為示蹤物研究土壤水分的變化：利用氘氣和氫氣的熱傳導(dǎo)性不同，土壤經(jīng)過預(yù)處理去除雜質(zhì)，利用氣相色譜檢測氘量，從而計算土壤中水分的變化。
核研究
由于氘和氚能夠比較迅速地進(jìn)行核聚變發(fā)應(yīng)而放出能量來，所以氘是重要的熱核燃料（因發(fā)生核聚變而提供能量的核素稱為熱核原料）。其中氘核燃料比鈾核燃料更加耐燒，1公斤氘核燃料燃燒產(chǎn)生的能量比鈾核燃料高3倍多。例如，重水電解后得到的氘可作為制造氫彈的原料，在這個過程中，氘核和氘核可以進(jìn)行核聚變生成氦核，氘核和氚核也可以生成氦核，從而產(chǎn)生大量的熱。不過這種聚變需要幾千萬度甚至幾億度的高溫下才能發(fā)生，氫彈爆炸時，先引爆原子彈，由原子彈的裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)提供高溫，再引起聚變反應(yīng)。
氘常用作離子源，脈沖中子源實驗使用的脈沖中子管包括氘離子源、加速電極、氚靶等。不工作時，氘離子源的氘儲存在由鈦粉做成的氘儲存器內(nèi)，工作時，加適當(dāng)?shù)碾娏魇闺畾庖砸欢ǖ尼尫怕梳尫懦鰜怼?/p>
用經(jīng)加速器加速的氘核轟擊其他原子核，可進(jìn)行核反應(yīng)的研究。人工加速的氘核能參與許多核反應(yīng)。液態(tài)氘用在氣泡室中研究基本粒子氘核的反應(yīng)。另外，在熱核反應(yīng)中能釋放出較大的能量。
重水堆核電廠采用重水作為中子慢化劑。重水對熱中子的吸收率遠(yuǎn)小于氫，使得重水堆可以使用天然鈾作為燃料。由于重水吸收熱中子的概率小，可以產(chǎn)生更多的熱中子，除了維持鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)外，剩余中子可以用來生產(chǎn)同位素。
工業(yè)領(lǐng)域
工業(yè)上可利用氘制作電燈，即氘燈。其是充有純氘氣能輻射出160~400nm連續(xù)光譜的熱陰極弧光放電燈。對于紫外分光光度計，氘燈是最理想的光源，可連續(xù)進(jìn)行掃描。
醫(yī)藥領(lǐng)域
氘代藥物常被用于提高藥物生物利用度，增加藥物療效。例如，在麻醉劑丁巴比妥分子結(jié)構(gòu)中已發(fā)生氧化反應(yīng)的位置上用氘代后，該藥物的麻醉作用沒有改變，但是其血液中實際藥物濃度卻能較長時間維持在治療水平上，大大延長了丁巴比妥的生物半衰期，提高了藥效。此外，含氘的藥物如氘丁苯那嗪可治療抗精神病藥引起的遲發(fā)性運(yùn)動障礙。同時氘的化合物重水也有助于疫苗保存，它可使長的生物分子保持原來形狀。
其他
有機(jī)化合物中的氫原子被氘取代可以帶來額外的特性和功能。例如α氘代氨基酸作為一種高效的蛋白質(zhì)標(biāo)記，已被應(yīng)用于核磁共振（在核磁共振波譜中，可用氘代溶劑中殘留的質(zhì)子信號作為化學(xué)位移參考值）；x射線晶體學(xué)和拉曼效應(yīng)顯微學(xué)；氫氘交換質(zhì)譜（同位素內(nèi)標(biāo)），由于氘同位素資源豐富、廉價易得、活性適中，其內(nèi)標(biāo)試劑普遍用在食品安全、生物學(xué)、環(huán)境檢測等行業(yè)。
制備
金屬鎂與重水反應(yīng)可以很快地制得較大量的D?，并且能夠利用水中所含的全部氘。
該方法的優(yōu)點是：它可以在制備?D?的同時就把發(fā)生的氣體以UD?的形態(tài)儲積起來，以后隨時可以由這個UD?熱分解釋出所需數(shù)量的很高純度的D?。
該方法是用D?O作電解液，加25%D2SO4酸化。先用較小的電流電解，經(jīng)過短時間之后可把電流加大到5安培，調(diào)節(jié)冷卻水使電解液的溫度不致升高。其制得的D?中還含有少量的O?和?D?O蒸氣。如果隨后將它在鲌棉上加熱，再用液態(tài)空氣干燥，就可以得到很純的D?。
氘在天然氫中的含量為0.0139%～0.0156%，D?的沸點為23.5K，H?為20.38K，HD（氘化氫）的沸點為22.13K。由精餾液氫來制取氘氣，理論上是完全可能的。在低溫精餾時首先濃縮的是HD，HD必須經(jīng)催化劑轉(zhuǎn)化為D?，HD、H?的平衡混合后才能繼續(xù)精餾濃縮。低溫精餾分離氫同位素的流程主要有4種，即四塔流程、三塔流程、二塔流程及帶有側(cè)線返回進(jìn)料平衡裝置的二塔流程。
安全事宜
安全標(biāo)識象形圖
GHS分類
毒性
相關(guān)研究表明：對維管植物使用較低含量的氘后，其生長明顯減慢。低濃度的氘可導(dǎo)致小鼠和大鼠不育，而注射高濃度的氘，大鼠和小鼠有神經(jīng)肌肉紊亂、精細(xì)肌肉震顫和抽搐的傾向，并且可能發(fā)生腎功能受損、貧血、糖類代謝紊亂、中樞神經(jīng)系統(tǒng)紊亂和腎上腺功能改變。氘還具有窒息性。
危害及處理
當(dāng)氘暴露在高溫、火焰、火花和氧化劑中時，很容易引起火災(zāi)或爆炸。
當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時，小火可用干性化學(xué)品或二氧化碳滅火劑滅火；大火時，用水霧滅火。如果是天然氣池火災(zāi)，不能用水，使用干化學(xué)品或高膨脹泡沫滅火劑。
儲存
使用氘氣鋼瓶儲存氘氣，不要將氘儲存在裝有氧氣的鋼瓶中，或與其他高度氧化性或易燃的材料放一起。
參考資料 >
Deuterium.pubchem.2023-12-22