Tritium (10028-17-8) Physikalische und Chemische Eigenschaften
Tritium
Tritium (Wasserstoff‑3) ist ein radioaktives Isotop des Wasserstoffs, das als molekulares Gas oder als tritiiertes Wasser geliefert wird und in der Tracertechnik, Radiomarkierung sowie in spezialisierten lumineszenten und Fusionsanwendungen eingesetzt wird.
| CAS-Nummer | 10028-17-8 |
| Familie | Radionuklide (Wasserstoffisotop) |
| Typische Form | Farbloses Gas (oder tritiertes Wasser) |
| Übliche Qualitätstypen | EP, USP |
Tritium ist das radioaktive Isotop des Wasserstoffs mit der Massenzahl 3 (kernphysikalische Zusammensetzung: ein Proton und zwei Neutronen). Chemisch gehört es zur isotopischen Reihe des Wasserstoffs und liegt in molekularer Form hauptsächlich als zweiatomiges Tritium (T2, oft als 3H2 oder Ditritium geschrieben) sowie als tritiiertes Wasser (HTO oder T2O) nach Oxidation vor. Elektronisch und chemisch verhält sich Tritium wie andere Wasserstoffisotope: Es bildet dieselben Arten kovalenter Bindungen und nimmt an denselben Säure-Base-Gleichgewichten teil wie Protium und Deuterium, jedoch beeinflussen isotopische Massenunterschiede die Schwingungs-Grundzustandsenergien, Reaktionskinetik und Diffusionsverhalten. Die berechneten Strukturmerkmale für Ditritium zeigen eine minimale polare Oberfläche und keine Wasserstoffbrückenfunktionalität: SMILES "[3H][3H]" und ein berechnetes Molekulargewicht von 6.032098563.
Tritium ist ein Beta-Strahler mit niedriger Energie; sein Zerfall produziert ein Elektron und ein Antineutrino und führt zu Helium-3. Die radiologischen Eigenschaften (Halbwertszeit, spezifische Aktivität, Beta-Energiespektrum) bestimmen viele praktische Aspekte: Tritiiertes Wasser ist chemisch nicht von normalem Wasser zu unterscheiden und wird in Umwelt- und biologischen Systemen leicht ausgetauscht und transportiert, was den primären inneren Expositionsweg darstellt. Elementares Tritium (T2 oder HT) ist ein brennbares zweiatomiges Gas, das biologisch wesentlich weniger leicht aufgenommen wird als HTO, jedoch aufgrund hoher Diffusivität und Wasserstoffinduzierten Versprödung vieler Metalle sowie Degradation und Permeation von Polymeren Herausforderungen bei der Behälterdichtigkeit und Materialverträglichkeit darstellt.
Übliche kommerzielle Qualitäten für diesen Stoff sind: EP, USP.
Grundlegende Physikalische Eigenschaften (Dichte, Schmelzpunkt, Siedepunkt)
Atomgewicht
Tritium ist das Wasserstoffisotop mit der Massenzahl 3 (nominale atomare Masse 3). Für das molekulare Ditritium (T2) beträgt das berechnete Molekulargewicht 6.032098563 (Dimension: \(\mathrm{g}\,\mathrm{mol}^{-1}\) als molare Masse).
Aussehen und Aggregatzustand
Tritium liegt in ungebundener Form als zweiatomiges Gas vor. Experimentelle physikalische Beschreibungen vermerken das Vorkommen als Tritiumgas (HT/T2) und als tritiiertes Wasser (HTO), wobei Letzteres die dominierende biologisch relevante Form darstellt.
Dichte
Gemessene und berechnete dichtebezogene Eigenschaften im kondensierten Zustand umfassen: kritisches Volumen \(57.1\ \text{cm}^3/\mathrm{mol}\) (berechnet); Sublimationsenthalpie \(1640\ \mathrm{J}\,\mathrm{mol}^{-1}\); Entropie der Verdampfung \(54.0\ \mathrm{J}\,\mathrm{mol}^{-1}\,\mathrm{K}^{-1}\); sowie molare Dichte der Flüssigkeit bei \(25\ \mathrm{K}\) von \(42.65\ \mathrm{mol}\,\mathrm{L}^{-1}\).
Schmelzpunkt
Experimentell gemeldeter Schmelzpunkt: \(-254.54\ ^\circ\mathrm{C}\) (\(20.62\ \mathrm{K}\)) bei \(162\ \mathrm{mmHg}\).
Siedepunkt
Experimentell gemeldeter Siedepunkt: \(-248.12\ ^\circ\mathrm{C}\) (\(25.04\ \mathrm{K}\)).
Chemische Eigenschaften (Reaktivität und Oxidationsstufen)
Oxidationsstufen
Tritium zeigt dieselben formalen Oxidationsstufen wie Protium: üblicherweise \(-1, 0,\) und \(+1\) je nach chemischem Umfeld. Als Isotop des Wasserstoffs bildet es Hydride (Oxidationsstufe \(-1\)), zweiatomige Gase (Oxidationsstufe \(0\)) und protonische Spezies (Oxidationsstufe \(+1\)) in Säuren und kovalenten Verbindungen.
Reaktivität mit Luft und Wasser
Elementares Tritium (T2 oder HT) ist ein brennbares zweiatomiges Gas mit der Reaktivität von Wasserstoff: Es verbrennt oder bildet unter Zündbedingungen Oxide in Luft und tauscht sich in vielen Reaktionen mit normalem Wasserstoff aus. Oxidation in feuchter Luft oder an katalytischen Oberflächen führt schnell zu tritiiertem Wasser (HTO/T2O). HTO verhält sich chemisch wie normales Wasser und verteilt sich in wässrigen Phasen und biologischen Flüssigkeiten; da HTO chemisch von H2O nicht unterscheidbar ist, stellt es die wichtigste chemische Form für Umwelttransport und biologische Aufnahme dar.
Reaktivität mit Säuren und Basen
Chemisch folgt Tritium der Wasserstoffchemie. Tritium kann in Säuren als kationische Form (T+) und in Metallhydriden als (T−) eingebaut werden. Tritium-markierte Reagenzien und tritierte Verbindungen nehmen an Säure-Base- und Redox-Gleichgewichten analog zu Protium- und Deuterium-Entsprechungen teil, wobei kinetische Isotopeffekte auf die höhere Masse von Tritium zurückzuführen sind.
Isotopische Zusammensetzung
Stabile Isotope
Wasserstoff besitzt zwei stabile Isotope: Protium (\(^1\)H) und Deuterium (\(^2\)H oder D). Tritium (\(^3\)H) ist das nächst schwerere Isotop, jedoch radioaktiv und nicht stabil.
Radioisotope
Tritium (\(^3\)H) ist das radioaktive Wasserstoffisotop. Es liegen mehrere experimentell ermittelte Halbwertszeiten und Zerfallsparameter vor: Halbwertszeiten werden mit \(\text{12,33 Jahre}\), \(\text{12,26 Jahre}\) und \(\text{12,323}\pm\text{0,004 Jahre}\) in verschiedenen Messungen angegeben; der Zerfall erfolgt durch Betaminus-Strahlung (maximale Betastrahlung \(\sim 18,6\ \mathrm{keV}\), mittlere Betastrahlung \(\sim 5,7\ \mathrm{keV}\)). Gemeldete radiochemische Aktivitätswerte umfassen eine maximale spezifische Aktivität von \(1078.9\ \mathrm{GBq}\,\mathrm{mmol}^{-1}\) und eine molare Aktivität von \(2157\ \mathrm{TBq}\,\mathrm{mol}^{-1}\).
Thermodynamische Parameter
Wärmekapazität und verwandte Daten
Direkte Wärmekapazitätswerte sind im vorliegenden Datenkontext nicht angegeben. Gemeldete Phasenübergangsenergieparameter umfassen eine Verdampfungsenthalpie von \(1390\ \mathrm{J}\,\mathrm{mol}^{-1}\) und eine Sublimationsenthalpie von \(1640\ \mathrm{J}\,\mathrm{mol}^{-1}\). Die Verdampfungsentropie wird mit \(54.0\ \mathrm{J}\,\mathrm{mol}^{-1}\,\mathrm{K}^{-1}\) angegeben.
Enthalpie und Gibbs-Energie
Es liegen keine experimentell ermittelten Standardwerte für Bildungsenthalpie oder Gibbs-Energie für Tritium-haltige Referenzspezies im vorliegenden Datenkontext vor.
Identifikatoren und Synonyme
Registrierungsnummern und Codes
- CAS-Nummer: 10028-17-8
- European Community (EC) Nummer: 233-070-8
- UNII: YGG3Y3DAG1
- ChEBI: CHEBI:29298
- DSSTox Stoff-ID: DTXSID80881374
- InChI: InChI=1S/H2/h1H/i1+2T
- InChIKey: UFHFLCQGNIYNRP-JMRXTUGHSA-N
- SMILES: [3H][3H]
Synonyme und gebräuchliche Namen
Gebräuchliche Synonyme und Bezeichnungen für den Stoff umfassen: Tritium; Wasserstoff-3; Ditritium; (3H2)Dihydrogen; Molekulares Tritium; Tritium, Radioaktiv; Tritiummolekül; WASSERSTOFF, ISOTOP MIT MASSENZAHL 3.
Industrielle und kommerzielle Anwendungen
Wesentliche Anwendungsbereiche
Tritium wird eingesetzt, wenn seine Radiomarkierung oder seine Beta-Strahlung mit niedriger Energie von Vorteil ist: Nuklearwaffentechnologie (Ertragssteigerung und Fusionsanwendungen), radiolumineszente Geräte und selbstleuchtende Beschilderungen, Radiotracer-Anwendungen in der Hydrologie, Umwelt- und biologischer Forschung sowie bestimmte analytische/Detektionsanwendungen. Es wird kommerziell durch Neutronenbestrahlung von Lithium-6-haltigen Materialien hergestellt und entsteht außerdem in Reaktorsystemen durch Neutroneneinfang an Deuterium.
Typische Anwendungsbeispiele
- Radiolumineszente Quellen: Tritium, gemischt mit Phosphoren, liefert langlebige, niedrig dosierte Lichtquellen für Notausgangsschilder, Instrumentenskalen und Zielvorrichtungen.
- Radiotracer und Markierung: Tritium-markierte Verbindungen werden in biochemischen und umweltbezogenen Erforschungen als Tracer breit eingesetzt, da Tritium Betastrahlung emittiert ohne begleitende Gamma-Strahlung.
- Fusions- und Kerntechnologie: Tritium dient als Brennstoffkomponente oder Fusionsreaktant sowie als Verstärkerstoff in bestimmten Waffensystemen.
- Forschung und Prozessanwendungen: Kalibrierung von Detektionsgeräten, Quellen für Elektroneneinfang-Detektoren und spezialisierte radiochemische Forschung.
Für eine prägnante Anwendungsübersicht, etwa für Beschaffungs- oder Spezifikationszwecke, erfolgt die Auswahl typischerweise anhand der gewünschten Aktivität (spezifische oder molare Aktivität), der chemischen Form (Gas, Metallhydrid oder wässriges HTO) sowie der erforderlichen Behälter- und Verpackungslösungen.
Sicherheits- und Handhabungsübersicht
Lagerungs- und Handhabungsaspekte
Tritium stellt sowohl radiologische als auch werkstofftechnische Herausforderungen dar. Wichtige Aspekte: - Formen und Behältnisse: Elementares Tritium (T2/HT) ist ein brennbares, diffusibles Gas; tritiiertes Wasser (HTO) verhält sich chemisch wie gewöhnliches Wasser und ist der Hauptaufnahmeweg biologisch. Gasförmige Formen benötigen gasdichte, permeabilitätsarme Behältnisse und druckfeste Gefäße, die Versprödung und Heliumansammlung durch Zerfall minimieren. - Werkstoffverträglichkeit: Tritium diffundiert leicht durch viele Polymere und bestimmte Metalle; zahlreiche Stähle und hydridbildende Metalle sind für langfristigen Einsatz ungeeignet aufgrund wasserstoffinduzierter Versprödung oder Hydridbildung. Polymere können Tritium aufnehmen und durch Strahlung geschädigt werden; gebräuchliche technische Polymere (z.B. LDPE, PTFE) zeigen Permeabilität oder radiolytische Degradation und müssen nur nach Verträglichkeitsprüfung verwendet werden. - Lagerungsformen: Tritium kann gasförmig in Ampullen/ Druckgasflaschen, gebunden in Metalltritiden oder als tritiiertes Wasser in doppelter Behältnisführung gelagert werden. Die Lagerung in Metalltritiden reduziert das freie Gasvolumen, kann aber pyrophore Metallfeinstäube oder Legierungsprobleme bei der Rückgewinnung verursachen. - Freisetzungs- und Kontrollmaßnahmen: Bei HTO-Freisetzungen sind Luft- und Oberflächenkontaminationen zu überwachen; Kontrollmaßnahmen umfassen Isolierung, Flüssigkeitsabsorber und Abfang-/Entlüftungssysteme mit Tritiumfallen (z.B. Wasserbubbler) für Abluftströme.
Für detaillierte Gefahren-, Transport- und Vorschrifteninformationen sollten Anwender das produktbezogene Sicherheitsdatenblatt (SDS) und lokale Gesetzgebungen heranziehen.
Berufliche Exposition und Schutzmaßnahmen
- Radiologische Eigenschaften: Tritium ist ein schwacher Betastrahler, dessen Strahlung die intakte Haut nicht durchdringt; die Hauptgefahr besteht in der inneren Kontamination durch Inhalation, Aufnahme oder dermale Resorption (besonders bei HTO).
- Biologische Verteilung und Überwachung: Tritiiertes Wasser verteilt sich schnell im Körperwasser und hat eine biologische Halbwertszeit beim Menschen typischerweise im Bereich von Tagen (häufig berichtete Werte liegen bei mehreren bis ca. 14 Tagen für die Körperwasserfraktion, mit längerer Retention für organisch gebundenes Tritium). Die routinemäßige Überwachung der beruflichen Exposition erfolgt über Urin-Bioassays mittels Flüssigszintillationszählung.
- Expositionsgrenzwerte und Kontrollen: Für die Arbeitsplanung werden konservative gesetzliche Grenzwerte und abgeleitete Parameter verwendet (Beispiele: maximal zulässige Körperbelastung von \(37\ \mathrm{MBq}\) (entsprechend \(1\ \mathrm{mCi}\)), sowie gesetzliche Trinkwasserleitwerte bei \(20{,}000\ \mathrm{pCi}\,\mathrm{L}^{-1}\)). Abgeleitete Luftkonzepte definieren akzeptable Luftgehalte bei kontinuierlicher beruflicher Exposition; technische Schutzmaßnahmen, Handschuhboxen, Abzugshauben mit Tritiumfallen oder Bubbler-Systemen sowie strenge Eindämmung werden für Arbeiten mit Curie-Mengen empfohlen.
- Persönliche Schutzausrüstung (PSA): Die Auswahl richtet sich auf Vermeidung innerer Aufnahme und Kontrolle der Oberflächenkontamination. Bei luftgetragenem Tritium oder signifikanter Aktivität sind Atemschutzgeräte mit Frischluftversorgung (SCBA oder Vollgesichts-Frischluftmasken) wirksam; im Labor kommen häufig Handschuhboxen, Einweg-Labormaterialien, Schutzkleidung sowie regelmäßige Kontrolle und Wechsel kontaminierter Handschuhe zum Einsatz. Klinisch können forcierte Flüssigkeitszufuhr und Diuretika zur Reduktion der biologischen Verweildauer nach hoher versehentlicher Aufnahme genutzt werden.
- Notfall und Dekontamination: Sofortiges Entfernen aus der Exposition, Entfernen kontaminierter Kleidung und gründliches Waschen sind erste Maßnahmen. Bei signifikanter innerer Aufnahme steht die supportive Versorgung und Dosisreduktion (z.B. forcierte Flüssigkeitszufuhr) im Vordergrund. Die Abfallentsorgung kontaminierter Materialien erfolgt üblicherweise nach etablierten Verfahren für radioaktive Abfälle und kann die Verfestigung wässriger Abfälle vor der Entsorgung umfassen.
Für detaillierte Betriebsprotokolle und Dosismethoden sollten Einrichtungen etablierte Strahlenschutzprogramme, geschultes Strahlenschutzpersonal sowie geltende rechtliche und regulatorische Rahmenbedingungen einsetzen.
