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Wasserstoff-Isotope

Neben dem leichten Wasserstoff (Protium), H1, existieren noch die schwereren Isotope Deuterium, H2 (= D, schwerer Wasserstoff), und Tritium, H3 (= T, superschwerer Wasserstoff), die in ihren Atomkernen neben einem Proton ein bzw. zwei Neutronen enthalten.

Natürlich vorkommender Wasserstoff besteht zu 99,9855 % aus dem Molekülisotop H12, der verbleibende Rest verteilt sich auf die Isotopenkombinationen H22 (= D2), H32 (= T2), H1H2 (= HD), H1H3 (= HT) und H2H3 (= DT). Unter Berücksichtigung des Auftretens einer jeweiligen ortho- und para-Form bei H2, D2 und T2 (s.o.) ergeben sich damit für natürlichen Wasserstoff insgesamt neun verschiedene Molekülsorten.

Infolge der großen relativen Massendifferenz unterscheiden sich die IsotopeH1, H2 und H3 in ihren physikalischen und chemischen Eigenschaften wesentlich stärker voneinander als die Isotope aller anderen Elemente des Periodensystems (Isotopeneffekt).

Tab.1
Wichtige Kenndaten von molekularem Wasserstoff, Deuterium und Tritium
Wasserstoff Deuterium Tritium
Formel H2 D2 T2
relative Molekülmasse [u] 2,0157 4,0282 6,0321
Schmelzpunkt K 13,95 18,73 20,62
Siedepunkt K 20,39 23,67 25,04
Bindungsenergie [kJ mol-1] 436,8 443,3 446,9
Tab.2
Wichtige Kenndaten von Wasser, schwerem und superschwerem Wasser
Wasser schweres Wassersuperschweres Wasser
Formel H2O D2O T2O
relative Molekülmasse [u] 18,015 20,028 22,032
Schmelzpunkt [K] 273,15 276,96 277,63
Schmelzpunkt [°C] 0,00 3,81 4,48
Siedepunkt [K] 373,15 374,57 374,66
Siedepunkt [°C] 100,00 101,42 101,51
Dichte kg m-3 (bei 298 K 0,99701 1,1044 1,2138

Durch die höheren Bindungsenergien bei Deuterium und deuterierten Verbindungen sind deren Reaktionsgeschwindigkeiten in der Regel kleiner als die der entsprechenden H-Verbindungen. Derartige Unterschiede finden bei der Anreicherung und Isolierung von Deuterium-Verbindungen aus dem natürlichen Isotopengemisch praktische Anwendung. So lässt sich z.B. Deuteriumoxid, D2O, (schweres Wasser) durch Elektrolyse von Wasser im Rückstand anreichern, da H2O-Moleküle an der Kathode schneller reduziert werden als die deuterierte Verbindung. Darüber hinaus besitzen D2 und D-Verbindungen einen geringeren Dampfdruck und eine kleinere Diffusionsgeschwindigkeit als die analogen H-Verbindungen, so dass eine Trennung auch durch fraktionierte Destillation gelingt. Eine weitere Möglichkeit zur Anreicherung von schwerem Wasser ist die Ausnutzung temperaturabhängiger Austauschgleichgewichte. Wenn z.B. Wasser und Schwefelwasserstoff durch mehrere hintereinander geschaltete kalte und heiße Austauschkolonnen geleitet werden, führt die ständige Neueinstellung der Gleichgewichte zu einer Anreicherung von D2O auf einen Stoffmengenanteil von bis zu 15 Mol-%. Oft wird ein solches Konzentrat als Ausgangsprodukt für die technische Darstellung von D2O genutzt, wobei die Reindarstellung durch mehrfache Elektrolyse erfolgt.

Deuteriumoxid wird in beträchtlichen Mengen in Kernreaktoren als Moderator benötigt, da es durch Abbremsen der schnellen Neutronen die für die Kernspaltung erforderlichen langsamen Neutronen erzeugt.

Gasförmiges D2 wird meist durch Elektrolyse von D2O gewonnen, dem wasserfreies Natriumcarbonat als Elektrolyt zugesetzt wird. Von den beiden möglichen Formen ist im Unterschied zum H2 das ortho-D2 stabiler als das para-D2. o-Deuterium kann deshalb gemäß der Gleichgewichtslage bei tiefen Temperaturen rein erhalten werden.

Viele deuterierte Verbindungen lassen sich auch durch Isotopenaustausch herstellen. So entstehen bei der Reaktion von gasförmigem H2 bzw. H2O mit D2 in Gegenwart fein verteilter Platin-Katalysatoren durch partiellen Austausch HD bzw. HDO als Zwischenprodukte, die auch in reiner Form isoliert werden können. H-Verbindungen wie Ammoniumsalze und Hydrogensalze mehrwertiger Säuren lassen sich durch mehrfaches Lösen in D2O und Eindampfen der Lösung vollständig deuterieren. In anderen Fällen führt die solvolytische Spaltung mit D2O zur gewünschten Verbindung, z.B.:

SiCl4+ 2D2O SiO2+ 4DCl

Deuterium-Verbindungen werden häufig eingesetzt, um komplizierte Bindungsfragen oder Details eines Reaktionsablaufs zu klären. Ein schneller Austausch von H-Atomen gegen D-Atome lässt beispielsweise auf eine Ionenbindung bzw. stark polare Bindung schließen. Aus dem unterschiedlichen kinetischen Verhalten von H- und D-Verbindungen können Hinweise zur Aufklärung des Mechanismus einer Wasserstoffübertragung erhalten werden. Der Vergleich der Infrarot- und der kernmagnetischen Resonanzspektren von H-Verbindungen mit den Spektren der entsprechenden D-Substrate ist häufig für Strukturaufklärungen von Bedeutung.

Auf höhere Organismen wirken deuterierte Verbindungen giftig!

Das dritte Wasserstoff-Isotop Tritium, T, kommt in der Natur nur in äußerst geringen Mengen vor. In 10 mL Luft ist durchschnittlich lediglich ein Tritium-Atom enthalten. Das natürlich vorkommende Tritium entsteht in den häufigsten Schichten der Atmosphäre aus Stickstoff-Atomen durch Einfang von Neutronen aus der Höhenstrahlung:

N14+ n1 H3+ C12

Künstlich lässt sich Tritium durch Bestrahlung von Lithium mit thermischen Neutronen herstellen:

Li6+ n1 H3+ He4

Tritium ist radioaktiv und zerfällt unter Aussendung von β-Strahlen mit einer Halbwertszeitvon 12,4 Jahren in He3. Es eignet sich deshalb zur radioaktiven Markierung von Wasserstoff-Verbindungen, die dann insbesondere im Rahmen von Untersuchungen zur Klärung von Reaktionsmechanismen zum Einsatz kommen.

Das Prinzip der Wasserstoffbombe beruht auf Kernfusionsprozessen von Tritium- und Deuterium-Atomen unter Bildung stabiler Heliumkerne:

H3+ H3 He4+ 2n1 H3+ H2 He4+ n1

Die Kernreaktionen werden durch die Explosion einer Uran- oder Plutoniumbombe eingeleitet und führen zur Freisetzung enormer Energiemengen.

Die Kernverschmelzung der schweren Wasserstoff-Isotope ist auch die Grundlage der Energieerzeugung in der Sonne. Ein wichtiges Ziel heutiger Forschung ist nach wie vor die technische Realisierung der Kernfusion als gesteuerte thermonukleare Reaktion. Das in den natürlichen Wasserreservoirs als D2O enthaltene Deuterium könnte dabei als Rohstoffvorrat dienen.