Trenutno je poznanih 7 vodikovih izotopov, od 1H do 7H. 1H in 2H sta edina stabilna izotopa. 1H je v bistvu le proton in elektron in je tako najenostavnejša oblika atoma. Je eden izmed dveh stabilnih izotopov z manj nevtroni kot protoni (drugi je 3He) in edini stabilen izotop brez nevtronov. 2H je drugi stabilni vodikov izotop in ima v jedru en proton in en nevtron. Je eden izmed štirih izotopov, ki so stabilni ter imajo liho število tako protonov kot nevtronov. 3H je še sorazmerno stabilen z razpolovno dobo dobrih 12 let. V temi se zaradi razpada sveti. Izotopi od 4H do 7H so izredno nestabilni. Njihovi razpolovni časi so veliko krajši od sekunde; najstabilnejši izmed njih, 5H ima razpolovno dobo najbrž okoli 1·10−21 s oz. 1 zs. Ostali imajo vsi razpolovne dobe nekaj sto joktosekund. Za nadaljnjo proizvodnjo izotopov ni velikega zanimanja, je pa blizu izotop 9H, ki ima 8 nevtronov, kar je magično število.
V naravi se pojavljajo trije izotopi – 1H, 2H in 3H. Velika večina vodika v vesolju je 1H, ki predstavlja kar 99,9885% vsega vodika. Drugi najpogostejši izotop je 2H, ki predtsavlja dobro stotino odstotka. Tretji, radioaktivni izotop vodika, se pojavlja v zelo majhnih količinah, ki jih ne moremo natančno določiti – torej se pojavlja le v sledovih. V vodi je približno 10−16% atomov vodika radioaktivnega.
Izotopi vodika so edinstveni v tem, da so vsi trije naravni izotopi poimenovani in imajo svoje kemične simbole. 2H se pogosto imenuje devterij in ima simbol D. Lahko se ga imenuje tudi težki vodik, saj je približno dvakrat težji od večine vodika. Njegov oksid (D2O) imenujemo težka voda. 3H se imenuje tritij in ima oznako T. 1H se imenuje protij, vendar se to ime redkeje uporablja, saj že ob besedi vodik pomislimo na ta izotop. Ima tudi svojo oznako (P), ki pa se jo še redkeje uporablja. Trend poimenovanja bi lahko nadaljevali tudi na težje izotope in tako bi 4H bil poimenovan tetrij, vendar se tega imena in ostalih nadaljnjih imen ne uporablja v znanstvenih publikacijah. Čeprav je kar pogosto, da se uporabljata simbola D in T, ju IUPAC odsvetuje.
Uvod
Seznam
Stabilni izotopi V naravi se pojavljajo trije izotopi vodika, to so 1H, 2H in 3H, od tega je večina vodika protij, tritij pa se pojavlja le v sledovih. Vsi imajo en proton in en elektron, zato so kemične lastnosti večinoma enake. Večinoma se razlikujejo v fizikalnih lastnostih; najbolj opazna je razlika v atomskih masah. Devterij je dvakrat težji od protija, tritij celo trikrat, kar je edinstveno za vodik. Pri nobenem drugem elementu se ne pojavljajo tako velike razlike v atomski masi pri naravnih izotopih.
Protij levo|sličica|156x156_pik|Protij ima v jedru le en proton in je edini stabilni izotop brez nevtronov. 1H, znan tudi kot protij, v jedrski fiziki tudi kot monoproton oz. le proton, še posebej če nastane kot produkt razpada in je brez elektronov. Je najenostavnejši atom, sestavljen le iz protona in elektrona. Je edini stabilni izotop brez nevtronov in eden izmed dveh stabilnih izotopov, ki ima več protonov kot nevtronov. Je najbolj pogost izotop v vesolju – to izvira iz njegove preprostosti. Večina ga je nastala pri velikem poku; vsi protoni, ki niso naleteli na nevtron, so postali protij. Njegova atomska masa je približno 1,0078, kar je izredno blizu atomske mase elementa. Ker predstavlja veliko večino vodika so običajno podatki navedeni pod vodikom navedeni za protij in protij je običajno prvi izotop, na katerega pomislimo. Na primer, vrelišče H2 je 20,271, vrelišče P2 pa 20,39. Elektron v protijevem atomu kroži s hitrostjo 1/137 svetlobne hitrosti.
Večina protija danes je nastalo pri velikem poku. V manjših količinah na Zemljo pride tudi s kozmičnimi žarki. 87% kozmičnih žarkov predstavlja protij. Nekaj malega ga nastane tudi kot produkt fuzije in fisije. Nastane tudi pri emisiji protona – kot že ime samo pove, nestabilno jedro izvrže proton, ki je jedro protija. Količina protija se v vesolju zmanjšuje, saj se v zvezdah porablja za fuzijo devterija in težjih nuklidov. Pri fuziji se manjša količina proizvaja pri fuziji helija-3 v helij-4, kjer sta proizvedena 2 atoma protija. V litosferi je protija približno približno 1400 delcev na milijon.
Protij je prvi odkriti izotop vodika. Atomska masa protija je bila določena leta 1920, ko je Ernest Rutherford ugotovil, da vsi ostali izotopi vsebujejo jedro vodika. V poskusu, ko je zlil skupaj jedro helija-4 in dušika, kar je naredilo kisik, je opazil, da so nastali tudi vodikovi atomi in tako je prišel do zaključka, da mora biti sestavni del vsakega izotopa vodik (takrat edini znani izotop vodika). Rutherford je poimenoval jedro vodika proton, po protilu, teoretičnem delcu, ki ga je predvidil William Prout, ki naj bi bil osnovni gradnik vseh elementov. Kasneje se je atomska masa elementa določala po masi protija, saj je masa vseh težjih izotopov (približno) večkratnik protijeve atomske mase. Masa protija je v sedanjih enotah po ogljiku-12 približno 1,0078, ne daleč od takratne lestvice.
Protij se kot izotop uporablja za ustvarjanje novih delcev. Protoni se lahko zdužijo z drugimi delci in tvorijo nove izotope. Uporablja se tudi v protonski terapiji, kjer protone z veliko hitrostjo iztrelijo v rakaste celice ali benigdne tumorje, da jih tako pobije. Prednost te pred navadno radiokativno terapijo je ta, da se lahko protone bolje usmeri in tako se ne poškoduje toliko zdravih celic. Kljub temu se protonska terapija ne uporablja pogosto, predvsem zaradi tega, ker še ni dobro raziskana. Najnižja cena protija leta 2002 je bila 0,70$/kg.
Devterij
sličica|156x156_pik|Jedro devterija sestavlja en proton in en nevtron. 2H, znan tudi kot devterij, v jedrski fiziki tudi devteron, še posebej če nima elektronov je atom, sestavljen iz protona, nevtrona in elektrona. Je eden izmed štirih stabilnih izotopov z lihim številom tako protonov kot nevtronov. Ima najnižjo energijo vezanja na nukleon izmed vseh izotopov (poleg protija, seveda, ki ima energijo vezanja 0, saj proton ni vezan z drugim delcem), ki je le 1112,283 eV. Njegova masa je približno 2, kar je dvakrat težje od najpogstejšega izotopa vodika – protija. To je edinstveno za vodik, saj niti pri naslednjem elementu, heliju, se ne pojavlja dvakrat težji izotop v naravi. Je eden izmed najpogostejših izotopov v vesolju, kar izvira iz njegove preprostosti. Nastal je lahko že pri velikem poku, kjer ga je tudi največ nastalo. Kljub temu, da je drugi najpreprostejši stabilni izotop, ga je nastalo bistveno manj kot protija. V prvih minutah po nastalem vesolju, pri nekaj milijardah stopinjah celzija, je nastal z združevanjem protona in nevtrona. Takrat je nastalo več devterija, kot ga je sedaj, saj se je ob ohlajanju zdužil v didevteron, 4He. Fizikalne količine devterija se rahlo razlikujejo od običajno navedenih vrednosti, saj so te napisane za protij, oz. naravno razmerje izotopov. Kemijske značilnosti so bolj ali manj enake, vendar je malce manj reaktiven kot njegov lažji sorodnik.
Veliko devterija je nastalo pri velikem poku. Ostali devterij je nastal predvsem v zvezdah pri fuziji protija v devterij oz. natančneje pri redkem razpadu diprotona (2He), pri katerem namesto protija nastane devterij. 2H se nato naprej zlije v 3He. Nekateri sintetični izotopi tudi izvržejo devteron pri razpadu. Devetrija je na zemlji v majhni količini v primerjavi s protijem; razlog za to je veliko bolj zapletena formacija kot je pri protiju. V litosferi se pojavlja približno 161 delcev na milijardo drugih. sličica|149x149_pik|Vodik v visokonapetnostnem polju. sličica|150x150_pik|Devterij v visokonapetostnem polju. Protij je drugi odkriti izotop vodika. Leta 1932 ga je odkril ameriški kemik Harold C. Urey, za kar je tudi leta 1934 dobil Nobelovo nagrado, ter Ferdinand G. Brickwede in George M. Murphy. Urey je izkoristil razliko v parnem tlaku diprotija (P2) in protijevega devterida (PD) ter je lahko tako destiliral tekoči P2. PD ni izhlapel in ga je Urey lahko zaznal z spektroskopijo atomov. Čisti devterij je prvič ustvaril Gilbert N. Lewis leta 1933 z elektrolizo vode. Protijeva voda je hitreje razpadla in tako se je skoncentriral devterij v vodi. Ko se je količina voda znižala na približno eno stotisočino osnovnega volumna, je dobil čisti devterijev(I) oksid (D2O). To je najbolj poznana devterijeva molekula. Znana je tudi kot težka voda, saj ima gostoto 1,10538 g/ml in je težja od navadne (protijeve) vode. Za razliko od navadne vode ima sladek okus, vendar znanstveniki še niso ugotovili zakaj. Kljub temu je strupena; ob zastupitvi se pokažejo isti znaki kot pri zastrupitvi z radiacijo. Nevarna je v koncentracijah nad 50%; nad to mejo se sme popiti le nekaj mililitrov. Težka voda je imela pomembno vlogo v 2. svetovni vojni. Norvežani, takrat največji proizvajalci težke vode, so jo raje popili in se z njo zastrupili kot pa predali nemcem.
Devterij se v maloprodaji prodaja predvsem kot devterijev(I) oksid zaradi saldkega okusa. Veliko zbirateljev kupi tudi devterij zaradi bolj rožnatega žarjenja v visokonapetostnem polju. Drugače se devterij v obliki oksida uporablja v jedrskih reaktorjih, saj nevtrone upočasni, vendar ne absorbira, kar je idealno za potek fisije. Nevtrone lahko tako upočasni, da se 238U ne cepi, temveč sprejme nevtron ter spremeni v 239Pu, ki se uporablja v jedrskem orožju. Uporablja se tudi v protonski NMR spektroskopiji. Ker ni dominanten izotop se lahko uporablja kot sledilec v organizmih. Ima tudi velik potencial za uporabo v fuzijskih reaktorjih, kjer bi lahko bil začetno gorivo. Je veliko bolj zaželen kot protij, saj je prehod med protonijem in devterijem težaven in dolgotrajen.
Ločevanje izotopov Ločevanje izotopov še vedno poteka z elektrolizo. Skozi vodo teče električni tok, kar povzroči, da se vodikovi ioni (H+) ločijo od kisika in izhlapijo. To se hitreje dogaja za protij kot za devterij, zato devterij večinoma ostaja v vodi, protij pa izhaja kot plin. Vodik, ki izhaja lahko ujamemo in tako dobimo čisti protij. Ko se loči ena stotisočina volumna vode, dobimo čisti devterijev(I) oksid. Devterij lahko iz vode dobimo z nadaljnjo elektrolizo. Protij se večinoma uporabi pri stvareh, pri katerih izotop ni tako pomemben, saj ni tako velikega zanimanja za čisti protij. Devterij, po drugi strani, se uporablja skoraj izključno za zgoraj navedene uporabe. Prva tovarna, ki je ločevala izotopa vodika, je bila ustanovljena leta 1934 na Norveškem, sedaj pa sta največji izvoznici devterija Kanada in Indija, sledijo pa jima Argentina, Iran, Romunija in Rusija.
Vodikovi izotopi v naravi Razmerje med protijem in devterijem niha glede na vir; devterij se lahko pojavlja v količinah med 0,001 do 0,028 odstotka. Naravni vodik, ki ni v zraku, ima najnižjo koncentracijo devterija, sledita mu vodik v prodaji in vodik v izpušnih plinih. Največ devterija se pojavlja v sintetičnih organskih spojinah in v vodiku v zraku. Zaradi take velike negotovosti (0,07%) ne moremo vodiku določiti enotne atomske mase, bolj natančne od 1,008, zato se zapiše najnižjo in najvišjo možno vrednost. To je značilno le za 12 elementov; vodik je izmed vseh na drugem mestu po razponu, večjega ima le litij [6,938; 6,997].
Tritij
levo|sličica|165x165_pik|Tritijevo jedro je sestavljeno iz enega protona ter dveh nevtronov. 3H, znan tudi kot tritij ali triton, je najlažji radioaktivni izotop vodika, vendar še vedno približno trikrat težji od protija. Je najstabilnejši radioaktivni izotop vodika z razpolovno dobo 12,32 leta in edini ki se pojavlja v naravi. Njegova energija vezanja na nukleon je 2827,265 eV, višje od njegovega stabilnega izobara 3He. V naravi se pojavlja v zelo majhnih količinah, ki jih ne moremo natančno izmeriti. Na Zemlji je zelo redek, zato ni velike skrbi njegove radiacije. Fizikalne količine tritija se rahlo razlikujejo od drugih izotopov, vendar je merjenje le-teh oteženo zaradi radioaktivnosti. Zaradi radiacije se tritij v temi sveti, razpade pa na 3He.