삼중수소 (10028-17-8) 물리적 및 화학적 특성
삼중수소
삼중수소(수소-3)는 방사성 수소 동위원소로, 분자 기체 형태 또는 삼중수소수로 공급되며, 추적자 작업, 방사선 표지 및 특수 발광 및 핵융합 관련 응용에 사용됩니다.
| CAS Number | 10028-17-8 |
| 분류군 | 방사성핵종(수소 동위원소) |
| 일반 형태 | 무색 기체(또는 삼중수소수) |
| 일반 등급 | EP, USP |
삼중수소는 질량수가 3인 방사성 수소 동위원소로, 핵 구성은 양성자 1개와 중성자 2개입니다. 화학적으로는 수소 동위원소 계열에 속하며, 분자 상태에서는 주로 이원자 분자인 삼중수소(T₂, 종종 ³H₂ 또는 디트리튬으로 표기)와 산화 후 삼중수소수(HTO 또는 T₂O)로 존재합니다. 전자적 및 화학적으로 삼중수소는 기타 수소 동위원소와 유사한 거동을 하며, 동일한 유형의 공유 결합을 형성하고 프로티움 및 중수소와 동일한 산-염기 평형에 참여합니다. 그러나 동위원소 질량의 차이로 인해 진동 영점 에너지, 반응 속도론 및 확산 거동이 달라집니다. 분자 형태에서 디트리튬의 계산된 특성은 최소한의 극성 표면적과 수소 결합 기능이 없음을 반영합니다: SMILES "[3H][3H]", 계산된 분자량은 6.032098563입니다.
삼중수소는 저에너지 베타 방사체로, 붕괴 시 전자와 반중성미자를 방출하며 헬륨-3으로 변환됩니다. 방사선학적 특성(반감기, 특이 활성, 베타 에너지 스펙트럼)은 많은 실제 거동을 조절하는데, 삼중수소수는 일반 물과 화학적으로 구분되지 않으며 환경 및 생물학적 시스템에서 쉽게 교환 및 이동해 주요 내부 노출 경로를 만듭니다. 원소 삼중수소(T₂ 또는 HT)는 가연성 이원자 기체로, HTO보다 생물학적으로 체내에 흡수되기 어렵지만 높은 확산성, 금속의 수소 유발 취성 및 폴리머의 열화/투과성 때문에 보관 및 재료 호환성 문제를 야기합니다.
이 물질에 대해 보고된 일반 상업 등급에는 EP, USP가 포함됩니다.
기본 물리적 특성 (밀도, 녹는점, 끓는점)
원자량
삼중수소는 질량수 3의 수소 동위원소(명목 원자량 3)입니다. 이원자 분자 디트리튬(T₂)의 계산된 분자량은 6.032098563입니다(단위: \(\mathrm{g}\,\mathrm{mol}^{-1}\), 몰질량으로 사용 시).
외관 및 물리 상태
삼중수소는 결합되지 않은 형태에서 이원자 기체입니다. 실험적 물리 기술에는 삼중수소 가스(HT/T₂)와 삼중수소수가 언급되며, 후자가 생물학적으로 우세한 형태입니다.
밀도
보고된 측정 및 계산된 응축상 밀도 관련 특성에는 임계 부피 \(57.1\ \text{cu cm/mol}\)(계산), 승화열 \(1640\ \mathrm{J}\,\mathrm{mol}^{-1}\), 증발 엔트로피 \(54.0\ \mathrm{J}\,\mathrm{mol}^{-1}\,\mathrm{K}^{-1}\), 25 K에서의 액체 몰 농도 \(42.65\ \mathrm{mol}\,\mathrm{L}^{-1}\)가 포함됩니다.
녹는점
실험적으로 보고된 녹는점은 \(-254.54\ ^\circ\mathrm{C}\) (\(20.62\ \mathrm{K}\))이며, \(162\ \mathrm{mm}\,\mathrm{Hg}\)에서 측정되었습니다.
끓는점
실험적으로 보고된 끓는점은 \(-248.12\ ^\circ\mathrm{C}\) (\(25.04\ \mathrm{K}\))입니다.
화학적 특성 (반응성 및 산화 상태)
산화 상태
삼중수소는 화학 환경에 따라 일반적으로 \(-1, 0, +1\)의 프로티움과 동일한 공식 산화 상태를 나타냅니다. 수소 동위원소로서 하이드라이드(산화 상태 \(-1\)), 이원자 기체(산화 상태 \(0\)), 산 및 공유 결합 화합물에서 양성자성 화학종(산화 상태 \(+1\))을 형성합니다.
공기 및 수분과의 반응성
원소 삼중수소(T₂ 또는 HT)는 수소의 전형적인 반응성을 가진 가연성 이원자 기체로, 점화 조건에서 공기 중에서 연소하거나 산화물을 형성하며, 많은 반응에서 일반 수소와 교환 반응을 합니다. 습한 공기 또는 촉매 표면에 의한 산화는 빠르게 삼중수소수(HTO/T₂O)를 생성합니다. HTO는 화학적으로 일반 물과 동일한 거동을 하며 수용액 및 생물학적 체액 내에 분포하며, H₂O와 구분할 수 없기 때문에 환경 수송과 생물학적 흡수에 가장 중요한 화학적 형태입니다.
산 및 염기와의 반응성
삼중수소는 수소 화학을 따릅니다. 삼중수소는 산에서 양이온 형태(T+)로, 금속 하이드라이드에서는 음이온 형태(T−)로 포함될 수 있습니다. 삼중수소 표지 시약 및 삼중수소화 화합물은 프로티움 및 중수소 화합물과 유사하게 산-염기 및 산화-환원 평형에 참여하며, 삼중수소의 더 높은 질량으로 인한 동위원소 효과에 기인한 반응 속도론적 차이를 보입니다.
동위원소 조성
안정 동위원소
수소는 두 가지 안정 동위원소인 프로티움(\(^1\)H)과 중수소(\(^2\)H 또는 D)를 가집니다. 삼중수소(\(^3\)H)는 다음 중량의 동위원소이지만 안정하지 않고 방사성입니다.
방사성 동위원소
삼중수소(\(^3\)H)는 방사성 수소 동위원소입니다. 보고된 실험적 반감기 및 붕괴 파라미터는 다양하게 나타나며, 반감기 값은 각각 \(\text{12.33 years}\), \(\text{12.26 yr}\), \(\text{12.323}\pm\text{0.004 years}\)로 측정되었습니다. 붕괴는 베타 마이너스 방출에 의해 진행되며(최대 베타 에너지 약 18.6 keV, 평균 베타 에너지 약 5.7 keV), 보고된 방사화학적 활성 지표에는 최대 특이 활성 최대값 \(1078.9\ \mathrm{GBq}\,\mathrm{mmol}^{-1}\) 및 몰 활성 \(2157\ \mathrm{TBq}\,\mathrm{mol}^{-1}\)가 포함됩니다.
열역학적 매개변수
열용량 및 관련 데이터
직접적인 열용량 값은 현재 데이터에서 제공되지 않습니다. 보고된 상변화 에너지 매개변수에는 증발열 \(1390\ \mathrm{J}\,\mathrm{mol}^{-1}\) 및 승화열 \(1640\ \mathrm{J}\,\mathrm{mol}^{-1}\)가 포함되며, 증발 엔트로피는 \(54.0\ \mathrm{J}\,\mathrm{mol}^{-1}\,\mathrm{K}^{-1}\)로 보고되었습니다.
엔탈피 및 깁스 에너지
삼중수소 함유 기준 화학종에 대한 실험적으로 확립된 표준 생성 엔탈피 또는 깁스 자유 에너지 값은 현재 데이터에서 제공되지 않습니다.
식별자 및 동의어
등록 번호 및 코드
- CAS 번호: 10028-17-8
- 유럽 공동체(EC) 번호: 233-070-8
- UNII: YGG3Y3DAG1
- ChEBI: CHEBI:29298
- DSSTox 물질 ID: DTXSID80881374
- InChI: InChI=1S/H2/h1H/i1+2T
- InChIKey: UFHFLCQGNIYNRP-JMRXTUGHSA-N
- SMILES: [3H][3H]
동의어 및 일반 명칭
해당 물질에 대한 일반적인 동의어 및 명칭은 다음과 같습니다: 삼중수소; 수소-3; 디트리튬; (3H2)디하이드로겐; 분자 삼중수소; 방사성 삼중수소; 삼중수소 분자; 질량 3 수소 동위원소.
산업 및 상업적 응용
주요 사용 분야
삼중수소는 방사성 표지 또는 저에너지 베타 방출이 유리한 분야에서 사용됩니다: 핵무기 기술(출력 증강 및 융합 응용), 방사광원 장치 및 자체 발광 표지판, 수문학, 환경 및 생물학 연구에서의 방사성 추적자 응용, 그리고 특정 분석/검출 응용 분야입니다. 상업적으로는 리튬-6을 함유한 물질에 중성자를 조사하여 생산되며, 원자로 시스템에서는 중수소의 중성자 포획을 통해서도 생성됩니다.
일반적인 응용 예
- 방사광원: 삼중수소와 형광체를 혼합하여 출구 표지판, 계기 다이얼, 조준 장치용 장수명 저수준 광원을 제공합니다.
- 방사성 추적자 및 표지: 삼중수소 표지 화합물은 베타 방사선을 감마선 없이 방출하기 때문에 생화학 및 환경 추적 연구에 널리 사용됩니다.
- 융합 및 핵 기술: 삼중수소는 연료 구성 요소 또는 융합 반응제로 사용되며, 특정 무기 시스템에서 출력 증강제로 기능합니다.
- 연구 및 공정 용도: 검출 장비의 교정, 전자 포획 검출기용 광원, 특수 방사화학 연구에 활용됩니다.
조달 또는 규격 목적의 간결한 적용 요약이 필요할 경우, 선택은 일반적으로 원하는 활성도(특이 활성도 또는 몰 활성도), 화학적 형태(기체, 금속 수소화물 또는 수용성 HTO), 그리고 함유/포장 요구 사항에 의해 결정됩니다.
안전 및 취급 개요
저장 및 취급 시 고려사항
삼중수소는 방사선학적 및 재료 적합성 측면에서 도전 과제를 제공합니다. 주요 고려사항: - 형태 및 함유: 원소 삼중수소(T2/HT)는 인화성이고 확산성 있는 기체이며, 삼중수소화수(HTO)는 화학적으로 일반 물과 유사하며 생물학적 섭취의 주요 경로입니다. 기체 형태는 기체 밀폐형, 저투과성 함유 및 붕괴 과정에서 발생하는 취성 및 헬륨 축적을 완화하도록 설계된 압력용기 요구됩니다. - 재료 적합성: 삼중수소는 많은 고분자 및 특정 금속을 쉽게 확산하며, 많은 강철 및 수소화물 형성 금속은 수소 유도 취성 또는 수소화물 형성으로 인해 장기간 사용에 부적합합니다. 고분자는 삼중수소를 흡수할 수 있고 방사선으로 인한 열화를 겪으며, 일반적인 공학용 고분자(예: LDPE, PTFE)는 투과성 또는 방사선 분해성을 나타내므로 적합성 평가 후 선택해야 합니다. - 저장 형식: 삼중수소는 암풀 또는 가압 실린더 내 기체 상태로, 금속 수소화물에 결합된 상태로, 또는 이중 함유된 형태의 삼중수소화수로 저장될 수 있습니다. 금속 수소화물 저장은 자유 기체 부피를 줄이지만 회수 시 발화성 금속 미립자 또는 합금화 문제를 일으킬 수 있습니다. - 누출 및 방출 통제: HTO 방출은 공기 중 및 표면 오염 모니터링이 필요하며, 제어 조치는 격리, 액체 흡수제 사용, 삼중수소 트랩(예: 물 버블러)을 통한 배기 배출의 함유/배출 등입니다.
상세한 위험성, 운송 및 규제 정보는 제품별 안전보건자료(SDS)와 지역 법령을 참조해야 합니다.
직업적 노출 및 보호 조치
- 방사선학적 특성: 삼중수소는 방사선이 온전한 피부를 통과하지 않는 약한 베타 방출체이며, 주요 위험은 흡입, 섭취 또는 피부 흡수(특히 HTO의 경우)를 통한 내부 오염입니다.
- 생물학적 행동 및 모니터링: 삼중수소화수는 체내 수분에 신속하게 분포하며 인간에서 보통 수일(체내 수분 성분에 대해 일반적으로 수일에서 약 14일 사이, 유기적 결합 삼중수소는 더 긴 유지 기간을 가짐)의 생물학적 반감기를 가집니다. 소변 생물학적 검사(액체 섬광 계수법)는 직업적 노출 모니터링의 일상적인 방법입니다.
- 노출 한계 및 통제: 엄격한 규제 한계 및 파생량이 작업 계획에 사용됩니다(예: 최대 허용 체내 부하값 \(37\ \mathrm{MBq}\) (즉, \(1\ \mathrm{mCi}\)) 및 규제 음용수 지침값 \(20{,}000\ \mathrm{pCi}\,\mathrm{L}^{-1}\)). 연속 직업적 노출에 대한 허용 가능한 공기 중 농도를 정의하기 위해 파생 공기 농도 개념이 적용되며, ICC 수준의 작업에는 공학적 제어장치, 글러브 박스, 삼중수소 트랩 또는 버블러 시스템이 포함된 후드 및 엄격한 함유가 권장됩니다.
- 개인 보호 장비(PPE): 내부 흡수를 방지하고 표면 오염을 통제하는 데 중점을 둡니다. 공기 중 삼중수소 또는 높은 활성이 있을 경우 공급 공기 호흡기(SCBA 또는 전면공급 공기형)가 효과적이며, 실험실 절차에는 일반적으로 글러브 박스, 일회용실험기구, 보호복, 그리고 오염된 장갑의 빈번한 모니터링 및 교체가 포함됩니다. 높은 우발적 섭취 이후에는 생체 내 잔류 시간을 줄이기 위해 강제 수분 섭취 및 이뇨제를 임상적으로 사용할 수 있습니다.
- 비상 및 오염 제거: 노출 즉시 격리, 오염된 의복 제거, 철저한 세척이 기본 단계입니다. 상당한 내부 섭취가 발생한 경우 의학적 관리에서는 지지 치료 및 선량 완화를 중점으로 진행합니다(예: 강제 수분 공급). 삼중수소 오염 물질의 폐기물 관리는 일반적으로 확립된 방사성 폐기물 절차를 따르며, 폐수 고형화 처리 후 폐기할 수 있습니다.
상세 작업 절차 및 선량 평가 방법론에 대해서는 확립된 방사선 보호 프로그램, 교육받은 방사선 안전 담당자와 적용 법적·규제 프레임워크를 활용해야 합니다.
