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重水素 (Deuterium)

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重水素(deuterium)とは、質量数 2 の水素の安定同位体。Dあるいは2Hと表記される。化学では反応機構研究や分光学的研究に用いられる[1]。1931年に Harold C. Urey ら (当時 Columbia University) によって発見された[2]

構造

自然界に存在するほとんどの水素原子は、陽子1つと電子1つからなる軽水素 (プロチウム、protium, 1H) である(存在比 99.98%、図1 左)。安定同位体であり、放射性はない。質量は1.01 u。

これに対して、重水素(デューテリウム、deuterium, 2H)は陽子1つと中性子1つ、電子1つから構成される(図1 中央)。天然に存在する水素のうち、約 0.02% は重水素である。重水素も安定同位体であり、放射性はない。質量は2.01 u。

なお、三重水素(トリチウム、tritium, 3H)は陽子1つと中性子2つ、電子1つから構成される(図1 右)。天然にはごくわずかしか存在しない(存在比は 0.000000000000000001%)。三重水素は放射性があり、半減期は約12年である。質量は3.02 u。

 

2. 化学における性質と用途

重水素は軽水素と比べて質量が約二倍ある。また、核スピンの磁気回転比も大きく異なる[3]。軽水素核は I = 1/2 の核スピン量子数をもつのに対して、重水素核の核スピン量子数は I = 1 である。これらの性質を反映して、重水素化された物質(重水素化物質、重水素標識化合物)では、結合解離エネルギーや密度、沸点、融点といった物性や、赤外分光や Raman 分光、NMR、質量分析、中性子散乱、化学反応性、燐光寿命などで差がでる。重水素化物質には、反応機構研究や分光学的研究、機器測定溶媒、トレーサー、プローブ、光ファイバー、医薬品など幅広い用途が存在する。

参考文献

  1. 標準化学用語辞典(第二版、日本化学会編纂、丸善)
  2. Ferdinand G. Brickwedde, Harold Urey and the discovery of deuterium. Physics Today 1982, 35, 34.DOI: 10.1063/1.2915259
  3. 化学便覧基礎編(改訂6版、日本化学会編纂、丸善)

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