Väteisotoper: Protium, deuterium & tritium – egenskaper och fakta

Lär dig allt om väteisotoper: protium, deuterium och tritium — deras egenskaper, stabilitet, radioaktivitet och viktiga fakta på ett tydligt och lättillgängligt sätt.

Väte har tre huvudsakliga isotoper: protium (¹H), deuterium (²H) och tritium (³H). Dessa isotoper bildas naturligt i naturen. Protium och deuterium är stabila. Tritium är radioaktivt och har en halveringstid på cirka 12 år. Forskare har skapat fyra andra väteisotoper (⁴H till⁷ H), men dessa isotoper är mycket instabila och förekommer inte naturligt.

De viktigaste isotoperna av väte är unika eftersom de är de enda isotoperna som har ett namn. Dessa namn används fortfarande idag. Deuterium och tritium får ibland egna symboler, D och T. Internationella unionen för ren och tillämpad kemi gillar dock inte dessa namn särskilt mycket, även om de ofta används. Det finns andra isotoper som hade egna namn när forskarna studerade radioaktivitet. Men deras namn används inte längre i dag.

Egenskaper och nukleära skillnader

Protium (¹H) består av en ensam proton i kärnan och saknar neutroner. Det är den vanligaste formen av väte och står för ungefär 99,985 % av naturligt väte.

Deuterium (²H eller D) har en proton och en neutron i kärnan. Deuterium är stabilt och förekommer i jordens vatten i mycket små mängder — ungefär 0,015–0,02 % av väteatomerna (cirka 150–200 delar per miljon). Den extra neutronen gör att deuteriumatomens massa är ungefär dubbelt så stor som protiums, vilket ger märkbara isotopa effekter i kemiska och fysikaliska egenskaper.

Tritium (³H eller T) har en proton och två neutroner. Det är radioaktivt och sönderfaller via betastrålning med en halveringstid på cirka 12,32 år. Tritium förekommer i spårmängder naturligt (framför allt som följd av kosmisk strålning i atmosfären) men ökas också genom mänskliga aktiviteter som kärnreaktorer och tidigare kärnvapenprov.

Kemiska och fysikaliska konsekvenser

Skillnader i kärnmasseantal leder till isotopa effekter: bindningsstyrkor, vibrationsfrekvenser och reaktionshastigheter skiljer sig mellan H, D och T. Exempelvis är bindningarna till deuterium något starkare och vibrerar med lägre frekvens än motsvarande vätebindningar. Detta ger lägre reaktionshastigheter för många processer (den så kallade kinetiska isotop-effekten).

Ett synligt exempel är tungt vatten (D2O), där väteatomerna i vatten är ersatta med deuterium. Tungt vatten har något högre densitet, högre kokpunkt och andra avvikande fysikaliska egenskaper jämfört med vanligt vatten (H2O). I mycket höga andelar kan tungt vatten störa biologiska processer och vara toxisk för levande organismer.

Naturlig förekomst och tillverkning

Protium och deuterium finns i naturen i vattenmolekyler och i organiskt material. Deuterium separeras industriellt från vanligt vatten genom metoder som destillation, utbytesprocesser och elektrolys för att producera deutererade föreningar och tungt vatten.

Tritium bildas naturligt i atmosfären genom kosmisk strålning (neutroninducerade processer) och kan också bildas i reaktorer, t.ex. genom neutronbestrålning av litium eller som biprodukt i reaktorbränslen och tunga-vatten-reaktorer. Tritium kan också uppstå vid kärnvapenprovsprängningar, vilket historiskt ökade halterna i atmosfären.

Användningsområden

• Deuterium: används i vetenskaplig forskning (deutererade lösningsmedel för NMR-spektroskopi), som tracer i miljö- och biokemiska studier, i tungt vatten som moderator i vissa kärnreaktorer (t.ex. CANDU), och i syntes av tyngre isotopvarianter av kemiska föreningar.
• Tritium: används som radioaktiv källa i självlysande märken och nödbelysning (genom betastrålning som exciterar fosfor), inom forskningen och som bränsle för fusionsforskning (D–T-fusion ger höga energier). På grund av sin radioaktivitet regleras hanteringen noggrant.
• Protium: vanligaste väteformen och basen för alla vanliga kemiska och biologiska processer.

Säkerhet och miljö

Tritium är en lågenergetisk betastrålare och utgör en relativt liten extern strålningsrisk, men är en intern risk om det inhaleras eller intas eftersom det kan införlivas i kroppsvatten och organiska molekyler. Därför krävs särskild kontroll och avfallshantering vid anläggningar som producerar eller använder tritium.

Tungt vatten i mycket höga koncentrationer kan påverka biologiska processer genom isotopisk utspädning av normala vätevägar. Normal exponering för deuterium i miljön utgör dock ingen farlig risk eftersom koncentrationerna är mycket låga.

Övriga isotoper (4H–7H)

Forskarna har framställt isotoperna ⁴H till ⁷H i partikelacceleratorer och andra experimentella anordningar. Dessa kärnor är extremt instabila och sönderfaller mycket snabbt (oftast i loppet av bråkdelar av en sekund), så de förekommer inte naturligt och har inga praktiska tillämpningar utanför kärnfysikforskning.

Sammanfattning

De tre huvudisotoperna av väte — ¹H (protium), ²H (deuterium) och ³H (tritium) — skiljer sig i antal neutroner, massa och därmed i vissa kemiska och fysikaliska egenskaper. De har viktiga tillämpningar inom forskning, energi och industri, men särskilt tritium kräver försiktig hantering på grund av sin radioaktivitet. Internationella rekommendationer (t.ex. från IUPAC) föredrar formella beteckningar som 2H och 3H, även om D och T ofta används i praxis.

Protium (väte-1)

Protium är den vanligaste isotopen av väte. Den utgör mer än 99,98 % av allt väte i universum. Den kallas protium eftersom dess kärna endast har en proton. Protium har en atommassa på 1,00782504(7) u. Symbolen för protium är ¹H.

Protiums proton har aldrig sönderfallit i en observation, så forskarna tror att protium är en stabil isotop. Nya teorier inom partikelfysiken förutsäger att en proton kan sönderfalla, men att detta sönderfall är mycket långsamt. Protonerna sägs ha en halveringstid på 10³⁶ år. Om protonens sönderfall är sant är alla andra kärnor som sägs vara stabila i själva verket bara observationsmässigt stabila, dvs. de ser ut att vara stabila. Nya experiment har visat att om protonernas sönderfall verkligen förekommer skulle det ha en halveringstid på 6,6 × 10³³ år.

Protium, den vanligaste isotopen av väte. Den är speciell eftersom den är den enda isotop som saknar neutroner.

Frågor och svar

F: Hur många huvudisotoper av väte finns det?

F: Är protium och deuterium stabila isotoper?

F: Vad är halveringstiden för tritium?

F: Hur många andra väteisotoper har forskare skapat?

F: Finns dessa fyra ytterligare väteisotoper naturligt?

F: Vad gör de viktigaste väteisotoperna unika?

F: Har deuterium och tritium sina egna symboler?

Sök med bokstav