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氘

（氫的同位素）

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氘是氫的同位素，又稱重氫，化學符號為D或2H，常温下氘氣是一種無色、無味的可燃性氣體，在地球上的丰度為0.015%，它在普氫中的含量很少，且大多以重水D2O即氧化氘形式存在於海水與普通水中。
氘是氫的同位素，由一個質子、一個中子和一個電子組成，由1931年美國 H.C.尤里和 F.G.布里克維德在液氫中發現氘。海水中氘的質量濃度大約為 30 mg/L。氘氣在軍事、熱核實驗和光纖製造上均有廣泛的應用。 [1] 
中文名
氘
外文名
deuterium
別    名
重氫
化學式
D或2H
熔    點
18.73 K
沸    點
23.65 K
外    觀
無色、無味氣體
相對原子質量
2.01410 [1] 
丰    度
在地球上丰度為0.015% [1] 

目錄

  1. 1 理化性質
  2. 2 發現歷史
  1. 3 製備方法
  2. 4 純化技術
  1. 5 應用
  2. 6 包裝與儲運

氘理化性質

如下表：
氘的主要理化性質
性能
單位
數值
性能
單位
數值
分子量

4.028
導熱係數
w/(m·K)
0.1289（氣體101.325kPa，0℃）
密度
kg/m3
0.180（101.325kPa，0℃）
1264（液體，-252.8℃）
169（平衡狀態，-252.8℃）
比容
m3/kg
5.987（101.325kPa，21.2℃）
臨界温度
℃
-234.8
熔點
K
18.73
臨界壓力
kPa
1664.8
沸點
K
23.65
[1] 

氘發現歷史

就在查德威克宣佈發現中子的論文送交《自然》雜誌的第二天，美國的《物理學報》收到了美國哥倫比亞大學教授尤里（H.C.Urey，1893-1981）等的一篇重要文章，報告説已經發現了質量數為2的氫的同位素氘。 [2] 
關於天然元素的同位素問題，從1913年開始科學家就進行了研究，當時研究的目的主要是想精確測量原子量。後來人們仔細研究了某些元素的帶光譜，在氧和氮中發現了稀有的同位素。尤里和他的同事們重新考慮了氫，他們用分餾液態氫的方法以濃縮稀有同位素，終於從光譜上顯示出了氘。氘是核物理學中一種非常重要的同位素，它在核反應堆的研發工作中得到了實際的應用。由於發現了氘，尤里獲得了1934年的諾貝爾化學獎。 [2] 

氘製備方法

氘氣的分離原理可分為兩類：一種是直接利用質量同位素效應，不同質量的單個同位素分子、離子在重力場、電場中的運動差異；另一種是利用同位素的統計特性差異，氘的主要製備方法有液氫精餾法、電解重水法、鈀/合金薄膜或金屬氫化物法等。 [1] 
電解重水法
氘主要的化合物為重水（D2O），氣態氘可用鈉或赤熱的鐵分解重水，或在碳酸鈉存在時電解重水獲得，重水電解是製取氘的主要方法。重水電解制氘原理與電解水制氫原理完全相同，在陰極上產生氘氣，在陽極上產生氧氣，但其使用固體電解質-磺酸基團結合在聚四氟乙烯上，導電介質是水合氘離子（D+・D2O），而磺酸基是不移動的。 [1] 
採用普通電解水裝置，以氘氧化物為電解質（如：KOD、NaOD），或者採用SPE（ SolidPolymer Elec-trolyte）膜電解槽電解重水，在陰極上可得到丰度為99%的氘氣，再經過分離、淨化可得到高純氘產品。此法技術含量高，規模可大可小，易於控制，安全可靠。 [1] 
鈀膜或金屬氫化物法
由於氘化物的分解壓高於氫化物的分解壓，同一金屬對氫、氘吸收平衡壓與分解平衡壓不同，利用這種壓差特性以及它們的活化能差別就可以進行氫、氘的分離，其適合於對含氘氣體進行分離淨化使用及核電站託卡馬克廢氣的回收利用。 [1] 
液氫精餾法
氘在天然氫中的含量為0.0139%~0.0156%，D2的沸點為23.5K，H2為20.38K，HD（氘化氫）的沸點為22.13K。由精餾液氫來製取氘氣，理論上是完全可能的。在低温精餾時首先濃縮的是HD，HD必須經催化劑轉化為D2，HD、H2的平衡混合後才能繼續精餾濃縮。低温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、二塔流程及帶有側線返回進料平衡裝置的二塔流程。 [1] 

氘純化技術

電解重水製備的氘氣中主要雜質有 N2、O2、HD和少量H2等。 [1] 
雜質氮氣的脱除，雜質氮氣主要來源是空氣在重水中有一定的溶解度以及系統的污染滲透，降低氮氣含量需要做好系統的密封性，同時也可利用活性炭、硅膠或分子篩等吸附劑在低温情況下吸附使氮氣降低。 [1] 
雜質氧氣的脱除，雜質氧氣主要來源於電解水分解的氧，同時也有管路系統的滲透而引入的氧，利用脱氧催化劑進行雜質氧的脱除。 [1] 
雜質HD的脱除，電解重水製取的氘氣中含量最大的雜質是HD，HD的去除可採用熱循環吸附工藝（TCAP），該方法使用的工作介質是Pd-Al2O3，HD含量也可利用活性氧化鋁、分子篩等在催化劑作用下通過低温吸附分離來降低。 [1] 
雜質H2的脱除，氘中雜質H2的去除可採用鈀膜或金屬氫化物法，特別是對於重水電解所得氘氣的淨化非常合適。氫和氘在金屬中都以原子狀態存在，氫在金屬中的吸附力大於氘，氫雜質優先牢固吸附在金屬中形成氫化物，由此氘中氫就被除去，高純氘流出。經過一定的時間再將氫化物進行加温、真空脱附等措施，從而獲得高純氘。 [1] 

氘應用

從“進口”上説，可控核聚變所需的反應原料（氘原子和氚原子），在地球上非常豐富。氘在海水中儲量極大，熱核聚變實驗堆一旦研究成功，就能利用海水發電，一升海水中提取的氘經過聚變反應釋放的能量相當於300升石油。而氚可通過中子與鋰反應生成，在地殼和海水中，鋰都是大量存在的。
氫燈和氘燈是紫外區的常用光源，它們在180~375nm波長範圍內產生連續輻射，在相同操作條件下，氘燈的發射強度比氫燈約大4倍。玻璃對這段波長範圍內的輻射有強烈吸收，必須採用石英光窗。紫外可見分光光度計同時配有紫外和可見兩種光源。 [3] 
2022年12月，研究發現，在低温環境下形成含氮分子的過程中，紫外線發揮着重要作用，並獲得了氘隱藏於星際空間有機物中的觀測證據。 [4] 
2023年，奧地利因斯布魯克大學物理學家將氘（氫的同位素）引入一個離子阱，使其冷卻，然後用氫氣填充離子阱。首次在實驗中觀察到量子隧穿效應。 [5] 

氘包裝與儲運

氘氣屬是有窒息性和易燃易爆性的氣體，一般採用帶有CGA350 閥門的40L專用鋼瓶包裝。包裝的氣瓶上均有使用的年限，凡到期的氣瓶必須送往有部門進行安全檢驗，方能繼續使用。氘氣瓶裝氣體產品為高壓充裝氣體，使用時應經減壓降壓後方可使用。每瓶氣體在使用到尾氣時，應保留瓶內餘壓在0.5 MPa，最小不得低於0.25 MPa餘壓，並將瓶閥關閉，以保證氣體質量和使用安全。 [1] 
氘氣瓶裝氣體產品在運輸儲存、使用時都應分類堆放，應貯存於陰涼、通風場所，温度不宜超過30 ℃，場所需配置相應品種和數量的消防器材。嚴禁可燃氣體與助燃氣體堆放在一起，不準靠近明火和熱源，應做到勿近火、勿沾油蠟、勿暴曬、勿重拋、勿撞擊，嚴禁在氣瓶身上進行引弧或電弧，嚴禁野蠻裝卸。搬運時輕裝輕卸，防止氣瓶及附件破損。 [1] 
參考資料