重水素

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重水素
概要
名称、記号 デューテリウム,2H or D
中性子 1
陽子 1
核種情報
天然存在比 0.015%
同位体質量 2.01410178 u
スピン角運動量 1+
余剰エネルギー 13135.720± 0.001 keV
結合エネルギー 2224.52± 0.20 keV

重水素(じゅうすいそ、英語: Heavy hydrogen)またはデューテリウム (英語: Deuterium) とは、原子核陽子1つと中性子1つとで構成されている、水素の安定同位体の1つである。重水素は 2H で表し、略号として Dd で表記されることも多い。例えば重水の分子式は D2O と表記される。なお重水素と言うと、2Hと3Hの両方を指す場合もあるので、三重水素3H)と区別するために、2Hは二重水素と呼ばれる事もある。なお、この2Hの原子核は、重陽子と呼ばれる場合もある。

概要[編集]

1931年アメリカ化学者ハロルド・ユーリーが発見した(ユーリーはこの功績で1934年ノーベル化学賞を受賞した)。

軽水素(1H)の原子核が陽子1つなのに対して、重水素の原子核は陽子1つと中性子1つから構成される。なお、この重水素の原子核は、重陽子とも呼ばれる。

通常の場合、地球上の水素全体の中で、軽水素と重水素の存在割合は、軽水素が99.985%、重水素が0.015%である。広義には 2H と 3H を併せて重水素と定義しているが、存在比が極く僅かで時間が経つとヘリウム33He)に変わる放射性同位体の三重水素を別として、安定同位体である二重水素のみを指して「重水素」と呼ぶ場合がほとんどである。

性質・製法[編集]

重水素原子が2つ結合した分子 (D2) も重水素と呼ぶ。常温、常圧で無色無臭の気体融点 18.7 K、沸点 23.8 Kで、普通の水素分子 H2 の値(融点 14.0 K、沸点 20.6 K) に比べ高い。これは重水素原子が水素原子のほぼ2倍の質量があるためで、他の物理的性質も通常水素と異なり、また化学反応のしやすさも異なることがある(重水素効果)。例えば電気分解すると 1H2 の方が発生しやすいので重水が濃縮され、この方法で100 %重水を製造することができる。なお一般に植物は軽水を吸収しやすい性質があるため、種類によっては7割近くまで重水を濃縮することが可能である。

水素、重水素、三重水素のモデル

その他にも、重水の方が普通の水よりも1°沸点が高い事を利用した分別蒸留法(fractional distillation)[1]や重水素をHDの形で含んだ水素ガスを水にとおすと重水素が水の分子に置換する(ただし触媒が必要である)ことを利用した交換反応法(catalytic exchange)[2]などがある[3]

重水素原子2個を原子核融合させると3Hや3Heが生成されると共に莫大なエネルギーが放出され(D-D反応)、恒星の初期の核融合反応がこれに当たる。なお、褐色矮星準褐色矮星は、D-D反応が起こるか起こらないかで区別されている。また、核融合発電の実験や水素爆弾では、主にD-D反応より反応温度条件の低い、重水素と三重水素の核融合反応(D-T反応)が用いられる。重水素は海水中に大量に存在するため、核融合燃料として有望視されている。

用途[編集]

核融合燃料としての利用の他、原子核反応での中性子の減速剤、化学生物学では同位体効果の研究に使用されている。また、NMR溶媒として重水素原子で置換された溶媒(重水や重クロロホルムなど、重溶媒と呼ばれる)が用いられている。

製薬業界では、既存の薬の水素原子を重水素原子に置換することで、新薬として特許出願する手法が広がっている[4][5]。重水素効果のために反応性が低下し、代謝分解されるまでの時間が長くなるため、従来品に比べ薬効が高くなることが実際に確認された例もある[6]。しかし、進歩性新規性に欠けるために特許化が困難な場合もある[7]

関連項目[編集]

脚注[編集]

  1. ^ この原理にもとづいた重水の分離工場がduPont社によって1944年に事業として操業された。
  2. ^ この原理にもとづいた重水の分離工場は Consolidated Mining and Smelting 社が British Columbia Trail に建設したことがある。
  3. ^ 原子核工学(1955) pp.70-71
  4. ^ 特許公開2008-222724
  5. ^ 特許公開2007-119489
  6. ^ "Big interest in heavy drugs", Nature 2009. doi:10.1038/458269a
  7. ^ 特許公開2005-343904(拒絶査定)

参考文献[編集]

  • Raymond L.Murray 『原子核工学』 杉本 朝雄(訳)、丸善、1955年