トリチウム (10028-17-8) の物理的および化学的性質
トリチウム
トリチウム（水素‑3）は水素の放射性同位体で、分子ガスとして、またはトリチウム標識水として供給され、トレーサー作業、放射標識および特殊な発光や核融合関連用途に使用されます。
| CAS番号 | 10028-17-8 |
| ファミリー | 放射性核種（水素同位体） |
| 形態 | 無色ガス（またはトリチウム標識水） |
| 一般グレード | EP, USP |
トリチウムは質量数3の放射性水素同位体で（核組成：1つの陽子と2つの中性子）、化学的には水素同位体系列に属します。分子状態では主に二原子分子トリチウム（T2、しばしば3H2やジトリチウムと表記）として存在し、酸化後にはトリチウム標識水（HTOまたはT2O）として存在します。電子的および化学的には、トリチウムは他の水素同位体と同様に振る舞い、同じ種類の共有結合を形成し、プロチウムやデューテリウムと同様の酸塩基平衡に参加しますが、同位体質量の違いにより振動ゼロ点エネルギー、反応速度論、および拡散挙動が変化します。分子形態でのジトリチウムの計算された記述子は、ごく小さい極性表面積と水素結合機能を持たないことを示しています：SMILESは「[3H][3H]」、計算された分子量は6.032098563です。
トリチウムは低エネルギーのベータ線放出体であり、その崩壊は電子と反ニュートリノを生成してヘリウム-3へ変換します。放射線特性（半減期、比放射能、ベータ線エネルギースペクトル）は多くの実用的挙動を支配します：トリチウム標識水は化学的に普通の水と区別できず、環境および生物学的システム内で容易に交換および輸送され、主な内部被曝経路を形成します。元素状トリチウム（T2またはHT）は可燃性の二原子ガスで、HTOに比べて生物学的吸収は大幅に低いですが、高い拡散性と多くの金属の水素誘起もろさ、ポリマーの劣化・浸透のために封じ込めおよび材料適合性の課題を生じます。
この物質について報告されている一般的な商用グレードには、EP、USPが含まれます。
基本的な物理的性質（密度、融点、沸点）
原子量
トリチウムは質量数3の水素同位体（標準原子質量3）です。二原子分子ジトリチウム（T2）の計算分子量は6.032098563（単位はモル質量として\(\mathrm{g}\,\mathrm{mol}^{-1}\)）です。
外観および物理状態
単体トリチウムは二原子分子ガスです。実験的物理的記述では、トリチウムガス（HT/T2）とトリチウム標識水（HTO）の形態が確認されており、後者が生物学的に主要な存在形態です。
密度
報告された測定および計算された凝縮相密度関連の性質には、臨界体積 \(57.1\ \text{cm}^3/\mathrm{mol}\)（計算値）、昇華熱 \(1640\ \mathrm{J}\,\mathrm{mol}^{-1}\)、蒸発エントロピー \(54.0\ \mathrm{J}\,\mathrm{mol}^{-1}\,\mathrm{K}^{-1}\)、25 Kにおける液体のモル密度 \(42.65\ \mathrm{mol}\,\mathrm{L}^{-1}\) が含まれます。
融点
実験的融点は \(-254.54\ ^\circ\mathrm{C}\)（20.62 K）、圧力162 mmHgで報告されています。
沸点
実験的沸点は \(-248.12\ ^\circ\mathrm{C}\)（25.04 K）です。
化学的性質（反応性および酸化状態）
酸化状態
トリチウムはプロチウムと同様の形式的酸化状態を示し、化学環境により一般的に−1、0、+1をとります。水素同位体として、水素化物（酸化状態−1）、二原子分子ガス（酸化状態0）、酸や共有結合化合物中のプロトン種（酸化状態+1）を形成します。
空気および水との反応性
元素状トリチウム（T2またはHT）は水素の特性を持つ可燃性二原子ガスであり、点火条件下で空気中で燃焼または酸化物を形成し、多くの反応で通常の水素と交換反応を起こします。湿った空気中や触媒表面での酸化により迅速にトリチウム標識水（HTO/T2O）が生成されます。HTOは化学的に普通の水として振る舞い、水性相や生体液を介して分布し、環境輸送および生物学的取り込みにおける主要な化学形態となります。
酸および塩基との反応性
トリチウムの化学は水素化学に準じます。トリチウムは酸中で陽イオン形態（T+）として、金属水素化物中で陰イオン形態（T−）として取り込まれます。トリチウム標識試薬および標識化合物は、水素および重水素含有類似体と同様の酸塩基および酸化還元平衡に参加し、トリチウムの高い質量に由来する動的同位体効果が観察されます。
同位体組成
安定同位体
水素には2種類の安定同位体があり、プロチウム（\(^1\)H）およびデューテリウム（\(^2\)HまたはD）です。トリチウム（\(^3\)H）はそれよりも重い同位体ですが、安定ではなく放射性です。
放射性同位体
トリチウム（\(^3\)H）は放射性水素同位体です。複数の実験的半減期値および崩壊パラメータが報告されており、半減期は測定により12.33年、12.26年、12.323±0.004年などが示されています。崩壊はベータマイナス崩壊で進行し、最大ベータエネルギーは約18.6 keV、平均ベータエネルギーは約5.7 keVです。報告された放射化学的活性値には最大比放射能1078.9 GBq mmol⁻¹、およびモル活性2157 TBq mol⁻¹が含まれます。
熱力学パラメータ
熱容量および関連データ
直接的な熱容量値は本データにはありません。報告された相変化エネルギーパラメータには蒸発熱1390 J mol⁻¹、昇華熱1640 J mol⁻¹が含まれます。蒸発エントロピーは54.0 J mol⁻¹ K⁻¹と報告されています。
エンタルピーおよびギブズエネルギー
本データにはトリチウム含有参照種の実験的に確立された標準生成エンタルピーまたはギブズ自由エネルギーの値はありません。
識別子および別名
レジストリ番号およびコード
- CAS番号: 10028-17-8
- 欧州コミュニティ（EC）番号: 233-070-8
- UNII: YGG3Y3DAG1
- ChEBI: CHEBI:29298
- DSSTox物質ID: DTXSID80881374
- InChI: InChI=1S/H2/h1H/i1+2T
- InChIKey: UFHFLCQGNIYNRP-JMRXTUGHSA-N
- SMILES: [3H][3H]
同義語および一般名
この物質の一般的な同義語および名称は、トリチウム、水素-3、ジトリチウム、(3H2)ジ水素、分子トリチウム、放射性トリチウム、トリチウム分子、質量3の水素同位体（HYDROGEN, ISOTOPE OF MASS 3）などがあります。
産業および商業的応用
主要な使用分野
トリチウムは、その放射性標識および低エネルギーβ線放出が有利となる用途で使用されます：核兵器技術（爆発力増強および核融合応用）、放射性発光装置および自発光標識、地球水文学・環境および生物学的研究における放射性トレーサー応用、一部の分析・検出用途。商業的にはリチウム6を含む材料に中性子照射して製造され、また原子炉システム内で重水素への中性子捕捉によって生成されます。
典型的な応用例
- 放射性発光源：トリチウムを蛍光体と混合することで、出口標識、計器盤、照準装置用の長寿命低輝度光源を提供します。
- 放射性トレーサーおよび標識：トリチウム標識化合物は、孵化線のないβ線放出により、生化学および環境トレーサー研究で広く使用されています。
- 核融合および核技術：トリチウムは燃料成分または核融合反応物として、また特定の兵器システムで爆発力増強剤として用いられます。
- 研究およびプロセス用途：検出装置の較正、電子捕獲検出器の放射源、特殊な放射化学研究など。
調達や仕様のために簡潔な用途概要が必要な場合、選択は通常、望ましい放射能（比放射能またはモル放射能）、化学形態（気体、金属水素化物、または水溶性HTO）、および封入・包装形態によって決定されます。
安全性および取り扱い概要
保管および取り扱いの考慮事項
トリチウムは放射線特性と材料適合性の両面に課題があります。主な考慮点は以下の通りです： - 形態と封入：元素トリチウム（T2/HT）は可燃性で拡散性の高い気体です。三重水素化水（HTO）は化学的には通常の水と同様で、生物学的摂取の主な経路となります。気体形態は気密性が高く低透過性の容器に封入し、脆化および崩壊によるヘリウム蓄積を防ぐ耐圧容器が必要です。 - 材料適合性：トリチウムは多くの高分子および特定の金属を容易に拡散します。多くの鋼種や水素脆化および水素化物形成を生じる金属は長期使用に不適切です。高分子はトリチウムを吸収し放射線による劣化を受けます。一般的な工業用高分子（例：低密度ポリエチレン（LDPE）、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE））は透過性や放射分解を示すため、適合性評価の上で慎重に選定する必要があります。 - 保管形態：トリチウムはアンプルや加圧シリンダー内の気体、金属トリチドとしての結合体、または二重封入の三重水素化水として保存可能です。金属トリチド保管は自由気体容積を減少させますが、回収時に自然発火性の金属微粉や合金化の問題を引き起こす可能性があります。 - 漏えい・放出制御：HTOの放出には空気中および表面の汚染モニタリングが必要です。制御策として隔離、液体用吸収剤、排気ストリームのトリチウム捕集器（例：水バブラー）による封じ込め・換気が含まれます。
詳細な危険性、輸送および規制情報については、製品固有の安全データシート（SDS）および地域の法令を参照してください。
作業者の被ばくと防護対策
- 放射線特性：トリチウムは皮膚を通過しない低エネルギーβ線を放出する弱いβ線核種です。主な危険は吸入、摂取、皮膚吸収（特にHTOによる）による内部被ばくです。
- 生物学的挙動およびモニタリング：三重水素化水は体内の水分に速やかに分布し、生物学的半減期は通常数日から約14日程度（体水分成分の代表値）、有機結合トリチウムではより長い保持成分を持ちます。尿中生物検査は液体シンチレーション計数法による職業被ばくの定常的なモニタリング方法です。
- 被ばく限度および管理：厳格な規制値および導出指標が業務計画に使用されます（例として許容される最大体内蓄積量は37MBq（1mCiに相当）、規制上の飲料水基準値は20,000pCi/Lです）。導出空気濃度概念により、継続的な職業被ばくに許容される気中濃度を定めます。キュリー級量のトリチウムを扱う場合は、エンジニアリングコントロール、グローブボックス、トリチウム捕集器またはバブラーシステム付きドラフトフード、および厳重な封じ込めが推奨されます。
- 個人用防護具（PPE）：内部被ばく防止および表面汚染制御を重視して選定されます。空気中トリチウムや高活性度の取り扱いには給気式呼吸器（SCBAまたは全面給気式）が有効です。実験室作業ではグローブボックス、使い捨て器具、防護服、汚染グローブの頻繁な交換とモニタリングが一般的です。高濃度の誤摂取後は強制飲水や利尿剤使用により生物学的残留時間の短縮が図られます。
- 緊急時および除染措置：暴露からの即時隔離、汚染衣服の除去、十分な洗浄が基本的対応です。高濃度の内部摂取時は支持療法および被ばく軽減（強制補液など）に重点が置かれます。トリチウム汚染廃棄物の管理は通常の放射性廃棄物管理に準じ、水溶性廃液の固化処理を含む場合があります。
詳細な運用手順および線量評価方法については、確立された放射線防護プログラム、訓練を受けた放射線安全担当者、および適用される法令・規制を利用してください。
