Википедија

Teška voda

Teška voda je prilično slobodan naziv koji se najčešće odnosi na deuterijum oksid, D2O ili 2H2O. Njene fizičke i hemijske osobine su veoma slične osobinama lake vode, H2O. Vodonični atomi u molekulu potiču od težeg izotopa, deuterijuma, čije atomsko jezgro pored jednog protona (koji čini atomsko jezgro lakog vodonika) sadrži i jedan neutron. Dodatni neutron udvostručuje masu jezgra što dovodi do relativno velikog izotopskog efekta što se ispoljava u promeni fizičkih i hemijskih osobina vode.

Teška voda
Spacefill model of heavy water
Nazivi
IUPAC naziv
(2H2)voda[3]
Drugi nazivi
  • Deuterijum oksid[1]
  • Water-d2[2]
  • Deuterijum monoksid
Identifikacija
3D model (Jmol)
ChEBI
ChemSpider
ECHA InfoCard 100.029.226
EC broj 232-148-9
Gmelin Referenca 97
KEGG[4]
MeSH Deuterium+Oxide
RTECS ZC0230000
UNII
  • InChI=1S/H2O/h1H2/i/hD2 DaY
    Ključ: XLYOFNOQVPJJNP-ZSJDYOACSA-N DaY
  • [2H]O[2H]
Svojstva
D
2O
Molarna masa 20,0276 g mol−1
Agregatno stanje Bezbojna tečnost
Miris Bez mirisa
Gustina 1,107 g mL−1
Tačka topljenja 3,82 °C; 38,88 °F; 276,97 K
Tačka ključanja 101,4 °C (214,5 °F; 374,5 K)
meša se
log P −1,38
Indeks refrakcije (nD) 1,328
Viskoznost 1,25 mPa s (na 20 °C)
Dipolni moment 1,87 D
Opasnosti
NFPA 704
NFPA 704 four-colored diamondKod zapaljivosti 0: Neće goreti (npr. voda)Health code 1: Exposure would cause irritation but only minor residual injury. E.g., turpentineKod reaktivnosti 0: Normalno stabilan, čak i pod stanjem izloženosti vatri; nije reaktivan s vodom (npr. tečni azot)Special hazards (white): no code
0
1
0
Ukoliko nije drugačije napomenuto, podaci se odnose na standardno stanje materijala (na 25°C [77°F], 100 kPa).
DaY verifikuj (šta je DaYNeN ?)
Reference infokutije

Uvek kada postoji smeša izotopa vodonika nastaje poluteška voda, HDO, jer se između molekula vode u tečnosti odvija brza izmena vodonika pa se prvobitni, H2O и D2O vrlo brzo preobrate u HDO. Voda koja sadrži 50% H i 50% D u stvari sadrži 50% HDO i po 25% H2O i D2O, koji su u dinamičkoj ravnoteži.

Tešku vodu ne treba poistovećivati sa tvrdom vodom ili tritrisanom vodom. (Tritrisana voda sadrži treći izotop vodonika tricijum.)

Objašnjenje uredi

Deuterijum je izotop vodonika sa jezgrom koje sadrži neutron i proton; jezgro atoma protijuma (normalnog vodonika) sadrži samo proton. Dodatni neutron čini atom deuterijuma oko dva puta težim od atoma protijuma.

Molekul teške vode ima dva atoma deuterijuma umesto dva atoma protijuma prisutna u obično „lakoj” vodi. Težina molekula teške vode, međutim, nize znatno različita od molekula normalne vode, jer oko 89% molekulske težine vode potiče od jednog atoma kiseonika, dok dva atoma vodonika sačinjavaju ostatak. Kolokvijalni termin teška voda se odnosi na visoko obogaćenu vodenu smešu koja uglavnom sadrži deuterijum oksid D
2O, ali takođe i delom vodonik-deuterijum oksid (HDO) i malu količinu običnog vodonik oksida H
2O. Na primer, teška voda koja se koristi u KANDU reaktorima je 99,75% obogaćena, što znači da je 99,75% atoma vodonika teškog tipa. Poređenja radi, obična voda („obična voda” korištena za deuterijumski standard) sadrži samo oko 156 atoma deuterijuma na milion atoma vodonika, što znači da su 0,0156% atoma vodonika teškog tipa.

Teška voda nije radioaktivna. U svojoj čistoj formi, ona ima oko 11% veću gustinu od vode, ali je inače fizički i hemijski slična. Ipak, mnoge razlike u vodi koja sadrži deuterijum (posebno u pogledu bioloških svojstva) su veće nego kod bilo kojeg drugog široko zastupljenog jedinjenja sa supstituisanim izotopima, jer je deuterijum jedinstven među teškim stabilnim izotopima po tome što je dva puta teži od svog lakšeg izotopa. Ova razlika povećava jačinu vodonik-kiseonik veza vode, i to je dovoljno da uzrokuje razlike koje su važne u pojedinim biohemijskim reakcijama. Ljudsko telo prirodno sadrži deuterijumski ekvivalent od oko pet grama teške vode, što je bezopasno. Kad je velika frakcija vode (> 50%) u višim organizmima zamenjena teškom vodom, dolazi do ćelijske disfunkcije i smrti.[7]

Teška voda je prvi put proizvedena 1932. godine, nekoliko meseci nakon otkrića deuterijuma.[8] Sa otkrićem nuklearne fisije krajem 1938. godine, i potrebom za neutronskim moderatorom koji zarobljava neutrone, teška voda je postala komponenta ranog istraživanja nuklearne energije. Od tada, teška voda je bila esencijalna komponenta u pojedinim tipovima reaktora, uključujući one koji se koriste kao elektrane i one koji su dizajnirani da proizvode izotope za nuklearno oružje. Ovi reaktori s teškom vodom imaju prednost da mogu da budu pokretani prirodnim uranijumom bez upotrebe grafitnih moderatora koji predstavljaju radiološki hazard[9] i mogu da dovedu do eksplozija prašine[10] u dekomisionoj fazi. Većina modernih reaktora koristi obogaćeni uranijum sa običnom vodom kao moderatorom.

Druge teške forme vode uredi

Poluteška voda uredi

Poluteška voda, HDO, postoji kad god postoji voda sa lakim vodonikom (protijum, 1
H) i deuterijumom (D ili 2
H) u smeši. Do toga dolazi zato što se atomi vodonika (vodonik-1 i deuterijum) brzo razmenjuju između molekula vode. Voda koja sadrži 50% H i 50% D u svom vodoniku zapravo sadrži oko 50% HDO i po 25% H
2O i D
2O, u dinamičkoj ravnoteži. U normalnoj vodi, oko 1 molekul u 3.200 je HDO (jedan vodonik u 6.400 je u formi D), a molekuli teške vode (D
2O) je javljaju jedino u proporciji od oko 1 molekul u 41 milion (tj. jedan u 6.4002). Stoga su molekuli semiteške vode daleko češći od „čistih” (homoizotopnih) molekula teške vode.

Voda sa teškim kiseonikom uredi

Voda obogaćena težim kiseoničnim izotipima 17
O i 18
O je takođe komercijalno dostupna, npr., za upotrebu pri neradioaktivnom izotopskom obeležavanju. To je „teška voda” jer je gušća od normalne vode (H
218
O je približno gusta kao D
2O, dok je gustina H
217
O između gustine H
2O i D
2O) — ali se retko naziva teškom vodom, jer ne sadrži deuterijum koji daje D2O njena neobična nuklearna i biološka svojstva. Ona je skuplja od D2O, jer je separacija 17O i 18O teža.[11] H218O se isto tako koristi za produkciju fluora-18 za radiofarmaceutske svrhe i pozitronsku emisionu tomografiju.

Tricijumska voda uredi

Tricijumska voda sadrži tricijum (3H) umesto vodonika (1H) ili deuterijuma (2H), i stoga je radioaktivna.

Istorija uredi

Harold Juri je otkrio izotop deuterijum 1931. godine i kasnije je uspeo da ga koncentriše u vodi.[12] Jurijev mentor Gilbert Njuton Luis je izolovao prvi uzorak čiste teške vode putem elektrolize 1933. godine.[13][14][15] Đerđ de Heveš i Erih Hofer su koristili tešku vodu 1934. godine u jednom od prvih eksperimenata biološkog obeležavanja, da procene brzinu prometa vode u ljudskom telu.[16] Istorija produkcije velikih količina i upotrebe teške vode u ranim nuklearnim eksperimentima je data ispod.[17] Emilijan Bratu i Oto Redlič su izučavali autodisocijaciju teške vode 1934. godine.[18]

U Drugom svetskom ratu Nemci su prebacivali tešku vodu iz Norveške u Nemačku kako bi izradili atomsko naoružanje, međutim saveznici su potapali nemačke brodove koji su prevozili tešku vodu i time sprečili Nemce da proizvedu atomsku bombu jer nisu imali dovoljno vode za proces izrade bombe.

Upotreba uredi

Nuklearna magnetna rezonancija uredi

Deuterijum oksid se u nuklearnoj magnetnoj rezonanciji (NMR) koristi kada se snimaju protonski spektri u vodenom rastvoru. Protonski signal iz obične vode (rastvarača) višestruko nadmašuje signal iz uzorka. Deuterijum ima vrlo različitu rezonantnu frekvenciju pa stoga ne doprinosi signalu na rezonanciji vodonika (protona).

Moderator neutrona uredi

U nekim tipovima nuklearnih reaktora teška voda se koristi kao moderator neutrona, medijum koji usporava neutrone koji tek pri malim brzinama mogu da reaguju sa jezgrima uranijuma u reaktoru. Obična (laka) voda takođe može da se koristi kao moderator, međutim, pošto laka voda takođe apsorbuje neutrone tada obogaćeni uranijum mora da se koristi kao gorivo.

Fizičke osobine (u poređenju sa lakom vodom) uredi

Fizičke osobine izotopologa vode[19]
Osobina D2O (Teška voda) HDO (Poluteška voda) H2O (Obična (laka) voda)
Tačka topljenja 3,82 °C (38,88 °F) (276,97 K) 2,04 °C (35,67 °F) (275,19 K) 0,0 °C (32,0 °F) (273,15 K)
Tačka ključanja 101,4 °C (214,5 °F) (374,55 K) 100,7 °C (213,3 °F) (373,85 K) 100,0 °C (212,0 °F) (373,15 K)
Gustina pri STP (g/mL) 1,1056 1,054 0,9982
Temp. maksimalne gustine 11,6 °C Neprovereno 3,98 °C[20]
Dinamička viskoznost (na 20 °C, mPa·s) 1,2467 1,1248 1,0016
Površinski napon (na 25 °C, N/m) 0,07187 0,07193 0,07198
Toplota topljenja (kJ/mol) 6,132 6,227 6,00678
Toplota isparavanja (kJ/mol) 41,521 Neprovereno 40,657
pH (na 25 °C)[21] 7,44 (pD) 7,266 (pHD) 7,0
pKb (na 25 °C)[21] 7,44 (pKb D2O) Neprovereno 7,0
Indeks prelamanja (na 20 °C, 0,5893 μm)[22] 1,32844 Neprovereno 1,33335

Fizička svojstva vode i teške vode razlikuju se u nekoliko aspekata. Teška voda je manje disocirana od lake vode na datoj temperaturi, i prava koncentracija D+ jona je manja nego što bi bila koncentracija  H+ jona u uzorku lake vode na istoj temperaturi. Isto važi za odnos OD− i  OH− jona. Za tešku vodu Kw D2O (25,0 °C) = 1,35 × 10−15, i [D+ ] mora biti jednako [OD− ] za neutralnu vodu. Stoga pKw D2O = p[OD−] + p[D+] = 7,44 + 7,44 = 14,87 (25,0 °C), i p[D+] neutralne vode na 25,0 °C je 7,44.

pD teške vode se generalno meri koristeći pH elektrode što daje pH vrednosti, ili pHa, i na raznim temperaturama prave kiselinske pD vrednosti se mogu proceniti iz direktno merenih pHa vrednosti pH metrom, tako da je pD+ = pHa (očitavanje sa pH metra) + 0,41. Elektrodna korelacija za alkalne uslove je 0,456 za tešku vodu. Alkalna korelacija je pD+ = pHa(očitana vrednost sa pH metra) + 0,456. Ove korelacije se donekle razlikuju od odstupanja u p[D+] i p[OD-] od 0,44 od korespondirajućih u teškoj vodi.[23]

Teška voda je 10,6% gušća od obične vode, i fizički različita svojstva teške vode se mogu videti bez opreme ako se zamrznuti uzorak ispusti u normalnu vodu, jer će potonuti. Ako je voda ledeno hladna, viša tačka topljenja teškog leda se isto tako može uočiti: on se topi na 3,7 °C, i stoga se ne topi u normalnoj ledeno hladnoj vodi.[24]

Jedan rani eksperiment je utvrdio da nema nikakve razlike u ukusu između obične i teške vode.[25] Međutim, pacovi koji su imali izbor između destilovane normalne i teške vode su uspešno izbegavali tešku vodu na bazi mirisa, i moguće je da teška voda ima različiti ukus.[26] Neki ljudi su izvestili da teška voda proizvodi „goruću senzaciju ili sladak ukus”.

Reference uredi

  1. ^ Parpart, Arthur K. (decembar 1935). „The permeability of the mammalian erythrocyte to deuterium oxide (heavy water)”. Journal of Cellular and Comparative Physiology. 7 (2): 153—162. doi:10.1002/jcp.1030070202. 
  2. ^ Svishchev, I. M.; Kusalik, P. G. (januar 1994). „Dynamics in liquid water, water-d2, and water-t2: a comparative simulation study”. The Journal of Physical Chemistry. 98 (3): 728—733. doi:10.1021/j100054a002. 
  3. ^ Međunarodna unija za čistu i primenjenu hemiju (2005). Nomenclature of Inorganic Chemistry (IUPAC Recommendations 2005). Cambridge (UK): Royal Society of Chemistry – International Union of Pure and Applied Chemistry. ISBN 0-85404-438-8. p. 306. Electronic version.
  4. ^ Joanne Wixon; Douglas Kell (2000). „Website Review: The Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes — KEGG”. Yeast. 17 (1): 48—55. doi:10.1002/(SICI)1097-0061(200004)17:1<48::AID-YEA2>3.0.CO;2-H. 
  5. ^ Li Q, Cheng T, Wang Y, Bryant SH (2010). „PubChem as a public resource for drug discovery.”. Drug Discov Today. 15 (23-24): 1052—7. PMID 20970519. doi:10.1016/j.drudis.2010.10.003.  uredi
  6. ^ Evan E. Bolton; Yanli Wang; Paul A. Thiessen; Stephen H. Bryant (2008). „Chapter 12 PubChem: Integrated Platform of Small Molecules and Biological Activities”. Annual Reports in Computational Chemistry. 4: 217—241. doi:10.1016/S1574-1400(08)00012-1. 
  7. ^ Kushner, D. J.; Baker, Alison; Dunstall, T. G. (1999). „Pharmacological uses and perspectives of heavy water and deuterated compounds”. Can. J. Physiol. Pharmacol. 77 (2): 79—88. PMID 10535697. doi:10.1139/cjpp-77-2-79. 
  8. ^ „Harold Clayton Urey (1893–1981)”. Columbia University. 
  9. ^ „RADIOACTIVE GRAPHITE MANAGEMENT AT UK MAGNOX NUCLEAR POWER STATIONS” (PDF). Pub-iaea.org. Pristupljeno 11. 1. 2017. 
  10. ^ „Archived copy” (PDF). Arhivirano iz originala (PDF) 22. 4. 2014. g. Pristupljeno 25. 8. 2012. 
  11. ^ Mosin, O. V, Ignatov, I. (2011) Separation of Heavy Isotopes Deuterium (D) and Tritium (T) and Oxygen (18O) in Water Treatment, Clean Water: Problems and Decisions, Moscow, No. 3–4, pp. 69–78.
  12. ^ Urey, H. C.; Brickwedde, Ferdinand G.; Murphy, G. M. (1932). „A Hydrogen Isotope of Mass 2”. Physical Review. 39 (1): 164—165. Bibcode:1932PhRv...39..164U. doi:10.1103/PhysRev.39.164. 
  13. ^ Lewis; MacDonald, R. T. (1933). „Concentration of H2 Isotope”. The Journal of Chemical Physics. 1 (6): 341. Bibcode:1933JChPh...1..341L. doi:10.1063/1.1749300. 
  14. ^ Lewis (1933). „The Isotopes of Hydrogen”. Journal of the American Chemical Society. 55 (3): 1297—1298. doi:10.1021/ja01330a511. 
  15. ^ Washburn and Urey; Urey, HC (1932). „Concentration of the H2 Isotope of Hydrogen by the Fractional Electrolysis of Water”. Proc. Natl. Acad. Sci. 18 (7): 496—8. Bibcode:1932PNAS...18..496W. PMC 1076263  . PMID 16577457. doi:10.1073/pnas.18.7.496. 
  16. ^ Hevesy, George de; Hofer, Erich (1934). „Elimination of Water from the Human Body”. Nature. 134 (3397): 879. Bibcode:1934Natur.134..879H. doi:10.1038/134879a0. 
  17. ^ Chris Waltham (20. 6. 2002). „An Early History of Heavy Water”. arXiv:physics/0206076  . 
  18. ^ Em. Bratu, E. Abel, O. Redlich, Die elektrolytische Dissoziation des schweren Wassers; vorläufige Mitttelung, Zeitschrift für physikalische Chemie, 170, 153 (1934)
  19. ^ Chaplin, Martin. „Water Properties (including isotopologues)”. Arhivirano iz originala 20. 05. 2017. g. Pristupljeno 4. 12. 2017. 
  20. ^ Kotz, John; Teichel, Paul; Townsend, John (2008). Chemistry and Chemical Reactivity, Volume 1 (7th izd.). Cengage Learning. str. 15. ISBN 978-0-495-38711-4.  Extract of page 15
  21. ^ a b discussion of pD,
  22. ^ „RefractiveIndex.INFO”. Pristupljeno 21. 1. 2010. 
  23. ^ discussion of pD+,
  24. ^ Gray, Theodore (2007). „How 2.0”. Popular Science. Arhivirano iz originala 16. 12. 2007. g. Pristupljeno 21. 1. 2008. 
  25. ^ Urey, HC; Failla, G (15. 3. 1935). „CONCERNING THE TASTE OF HEAVY WATER”. Science. 81 (2098): 273. Bibcode:1935Sci....81..273U. PMID 17811065. doi:10.1126/science.81.2098.273-a. Pristupljeno 14. 8. 2010. 
  26. ^ Miller, Inglis J.; Mooser, Gregory (1979). „Taste responses to deuterium oxide”. Physiology. 23: 69—74. doi:10.1016/0031-9384(79)90124-0. 

Spoljašnje veze uredi

Preuzeto iz „https://sr.wikipedia.org/w/index.php?title=Тешка_вода&oldid=27680007”