氢的存在和同位素

原子序数为 1 的氢是元素周期表中的第一个元素。它是已知最轻的元素。 1766 年，亨利·卡文迪许发现了它。他通过将铁溶解在稀硫酸中来制造气体。拉瓦锡提出了氢这个术语，因为它在与氧气一起燃烧时会产生水（“hydro”是指水，“gene”是指生产）。氢气在工业中很重要，因为它可用于制造多种化学品。下面将进一步描述氢及其同位素的出现。

氢气的产生

The most abundant element in the universe is hydrogen, as well as on Earth. Hydrogen atoms make up nearly nine out of every ten atoms in the universe. Hydrogen can be found in the free state of some volcanic gases as well as the outer atmospheres of the sun and other stars in the universe. According to astronomers, hydrogen atoms make up 90% of the universe’s atoms. 

氢贡献了大约一半的太阳和其他几颗恒星的质量。木星和土星主要是氢基行星。太阳和恒星的异常高温使氢原子能够进行核聚变，从而释放出巨大的能量。

在氧和硅之后，它是地球表面第三丰富的元素。氢可能是所有元素中最简单的。它的原子通常由一个质子和一个电子组成。氢元素在化合物中的发现比其他任何化合物都多。水是地球上最普遍的氢化合物。

氢在地球上以多种形式存在，主要以水的形式与氧结合，在动植物组织中以有机物、碳水化合物、蛋白质等形式与碳、氮和卤素结合物质。氢存在于多种矿物中，包括煤、石油、石油和天然气。它占地壳和海洋的 15.4%。在我们的大气层中没有发现它，因为地球的引力不足以容纳轻氢分子。它在水晶岩石的丰度数量级中排名第十。氢原子约占地球上所有原子的 15%。

氢的同位素

Isotopes are distinct forms of the same element with different mass numbers but the same atomic number. Hydrogen has three isotopes, each with a mass number of 1, 2, or 3. Protium, deuterium, and tritium are the three naturally occurring hydrogen isotopes. 

由于每种同位素中的中子数量不同，因此同位素也不同。在自然界中，三种同位素的相对丰度分别为1：1.56×10 ^-2 ：1×10 ^-18 。氕原子构成了自然界中发现的大部分氢。氕中没有中子，而氘中存在一个中子，氚中存在两个中子。氘是最常见的氢形式，氘占地球表面所有氢的 0.0156%。

在这三种氢同位素中，只有氚具有放射性并产生低能 β 粒子。同位素具有相似的化学性质，因为它们的电排列是相同的。然而，由于不同的键解离焓，它们具有不同的反应速率。由于质量的巨大差异，它们具有不同的物理性质。

所有三种氢同位素的外壳都有一个电子，而原子核只有一个质子。然而，它们在中子数量方面确实不同。它们的化学性质应该相似，因为同位素具有相同的原子序数和电子构型。

氕 ( ₁ H ¹ )

基本的氢原子，氕，有一个被一个电子包围的质子。元素的同位素被描述为具有相同数量的质子但不同数量的中子的原子。字母 H 用于表示氕，它是氢的正常形式。氕由一个质子组成，没有中子。与具有1个质子、1个电子和0个中子的普通氢原子相比，氘具有1个中子和1个质子。

它是最常见的氢同位素之一。它在自然界中含量丰富，丰度高达 99.98%。造成这种情况的原因之一是这种同位素的原子核仅由一个质子组成，从未有过衰变记录。 Protium 的质量为 1.007825 amu。 H2 是氢与化合物中其他原子结合的常见例子（双原子氢气）。由于这种同位素的原子核仅由一个质子组成，因此它被赋予了描述性但很少使用的术语 protium。

氚的用途

• 泮托拉唑作为 Protium 的活性成分提供。
• 它可用于治疗由胃和肠酸引起的疾病。
• Protium 也是一种选择性“质子泵抑制剂”，一种降低胃酸产生量的药物。

氘 ( ₁ H ² )

Heavy hydrogen, often known as deuterium, is one of the stable isotopes of hydrogen. Deuterium gets its name from the Greek word deuterons, which means “second.” A deuteron is a name for the nucleus of a hydrogen-deuterium atom, which contains one proton and one neutron. In the oceans, deuterium is found in a natural abundance of around one atom for every 6420 hydrogens. As a result, deuterium accounts for about 0.025% (0.03% by mass) of all hydrogens found naturally in the seas, whereas protium provides for the remaining 99.98%.

一个质子和一个中子组成它的原子核。氘核是氢 2 的原子核。它不是放射性物质。其化合物用作氢 1 溶剂和化学分析。重水富含氘基分子而不是氕基分子。它被用作中子慢化剂和冷却剂。核聚变也使用氢 2 作为燃料。它在自然界中以氘气的形式存在。

氘是另一种稳定的氢同位素，其原子核包含一个质子和一个中子。宇宙中的所有氘都被认为是在大爆炸时产生的，并且从那时起一直存在。氘没有放射性，也没有重大的毒性风险。重水是分子中含有氘而不是常规氢的水。重水在核反应堆中用作中子慢化剂和冷却剂。氘可能被用作商业核聚变燃料。

氘的用途

以下是氘原子的用途。

• 在重水慢化裂变反应堆中，它们被用作核聚变反应堆中的示踪剂以减慢中子的速度。
• 在原型聚变反应堆中，通常使用氘原子。氘原子也用于军事、工业和科学应用。
• 在化学研究和 1H-NMR 光谱的溶剂中，氘及其衍生物被用作非放射性标记。

氚 ( ₁ H ³ )

Due to the instability and radioactivity of its nucleus, tritium is the rarest isotope of hydrogen. Two neutrons and one proton make up its nucleus. Due to the interaction of cosmic rays with atmospheric gases, small amounts of hydrogen 3 or tritium can be found in nature. They’re also released in small amounts after nuclear test explosions. It is radioactive, and beta decay transforms it to helium 3. Also, 3.0160492 u is the atomic mass of hydrogen 3.

它具有足够的放射性，可用作发光涂料，使其有助于钟表中的玻璃缓和逸出的辐射量。当宇宙射线与大气气体相互作用时，会自然产生少量的氚。在核武器试验期间也产生了氚。它用于核聚变反应、同位素地球化学示踪剂和自供电照明设备。氚已被用作化学和生物标记研究中的放射性标记。

氚的用途

以下是氚原子的用途。

• 在生物学中，氚被广泛用于指示氢，因此也用于代谢研究。结果，我们能够将人体内的生物半衰期降低到 6 到 9 天。
• 氚在日常生活中的手表和导航设备的发光表盘制造中已经取代了镭。
• 根据海洋学家的说法，在《部分禁止试验条约》通过之前发生的高水平大气核武器试验出人意料地有益。大量排放到海洋上层的氧化氚已被用来确定上层和下层之间的混合速率。
• 氚可以在后处理设施和军事基地产生的放射性废物中找到，因为它可以通过三元裂变工艺在反应堆堆芯核燃料中制造，这非常罕见。

示例问题

问题1：最常见的氢同位素是什么？

回答：

Protium is the most prevalent isotope of hydrogen. It contains more than 99.98 percent of all hydrogen in the universe. It’s termed protium because its nucleus only has one proton.

问题2：哪些氢同位素具有放射性？

回答：

Tritium is the most stable radioisotope of hydrogen. Tritium, in other words, is the least radioactive of all the hydrogen isotopes. Researchers created four more radioactive hydrogen isotopes, however, they are extremely volatile and simply do not exist.

问题3：氢含有多少种同位素？

回答：

Hydrogen has three isotopes, that are protium, deuterium, and tritium. Each of us has a single proton, but the number of neutrons differs. In hydrogen, there is no neutron; in deuterium, there is one neutron; and in tritium, there are two neutrons.

问题4：同位素是危险的，准确吗？

回答：

Radioactive isotopes are chemical elements created by atoms decaying naturally. Radiation is often thought to be harmful to the human body, however, radioisotopes are extremely useful in medicine, notably for illness detection and therapy.

问题5：氚是危险物质吗？

回答：

Tritium has no chemically hazardous properties, and its ability to emit ionizing radiation (the beta particle) is the only risk to human health. As a result of this radiation exposure, the risk of having cancer during one’s lifetime may be somewhat enhanced.