Отворите главни мени

Тешка вода је прилично слободан назив који се најчешће односи на деутеријум оксид, D2O или 2H2O. Њене физичке и хемијске особине су веома сличне особинама лаке воде, H2O. Водонични атоми у молекулу потичу од тежег изотопа, деутеријума, чије атомско језгро поред једног протона (који чини атомско језгро лаког водоника) садржи и један неутрон. Додатни неутрон удвостручује масу језгра што доводи до релативно великог изотопског ефекта што се испољава у промени физичких и хемијских особина воде.

Тешка вода
Spacefill model of heavy water
Називи
IUPAC назив
(2H2)вода[3]
Други називи
  • Деутеријум оксид[1]
  • Water-d2[2]
  • Деутеријум моноксид
Идентификација
3D модел (Јмол)
ChEBI
ChemSpider
ECHA InfoCard 100.029.226
EC број 232-148-9
Гмелин Референца 97
KEGG[4]
MeSH Deuterium+Oxide
RTECS ZC0230000
UNII
Својства
D
2
O
Моларна маса 20,0276 g mol−1
Агрегатно стање Безбојна течност
Мирис Без мириса
Густина 1,107 g mL−1
Тачка топљења 3,82 °C; 38,88 °F; 276,97 K
Тачка кључања 101,4 °C (214,5 °F; 374,5 K)
меша се
log P −1,38
Индекс рефракције (nD) 1,328
Вискозност 1,25 mPa s (на 20  °C)
Диполни момент 1,87 D
Опасности
NFPA 704
Код запаљивости 0: Неће горети (нпр. вода)Health code 1: Exposure would cause irritation but only minor residual injury. E.g., turpentineКод реактивности 0: Нормално стабилан, чак и под стањем изложености ватри; није реактиван с водом (нпр. течни азот)Special hazards (white): no codeNFPA 704 four-colored diamond
0
1
0
Уколико није другачије напоменуто, подаци се односе на стандардно стање материјала (на 25 °C [77 °F], 100 kPa).
ДаY верификуј (шта је ДаYНеН ?)
Референце инфокутије

Увек када постоји смеша изотопа водоника настаје полутешка вода, HDO, јер се између молекула воде у течности одвија брза измена водоника па се првобитини, H2O и D2O врло брзо преобрате у HDO. Вода која садржи 50% H и 50% D у ствари садржи 50 % HDO и по 25 % H2O и D2O, који су у динамичкој равнотежи.

Тешку воду не треба поистовећивати са тврдом водом или тритрисаном водом. (Тритрисана вода садржи трећи изотоп водоника трицијум.)

Садржај

ОбјашњењеУреди

Деутеријум је изотоп водоника са језгром које садржи неутрон и протон; језгро атома протијума (нормалног водоника) садржи само протон. Додатни неутрон чини атом деутеријума око два пута тежим од атома протијума.

Молекул тешке воде има два атома деутеријума уместо два атома протијума присутна у обично „лакој” води. Тежина молекула тешке воде, међутим, низе знатно различита од молекула нормалне воде, јер око 89% молекулске тежине воде потиче од једног атома кисеоника, док два атома водоника сачињавају остатак. Колоквијални термин тешка вода се односи на високо обогаћену водену смешу која углавном садржи деутеријум оксид D
2
O
, али такође и делом водоник-деутреријум оксид (HDO) и малу количину обичног водоник оксида H
2
O
. На пример, тешка вода која се користи у КАНДУ реакторима је 99,75% обогаћена, што значи да је 99,75% атома водоника тешког типа. Поређења ради, обична вода („обична вода” кориштена за деутеријумски стандард) садржи само око 156 атома деутеријума на милион атома водоника, што значи да су 0,0156% атома водоника тешког типа.

Тешка вода није радиоактивна. У својој чистој форми, она има око 11% већу густину од воде, али је иначе физички и хемијски слична. Ипак, многе разлике у води која садржи деутеријум (посебно у погледу биолошких својства) су веће него код било којег другог широко заступљеног једињења са супституисаним изотопима, јер је деутеријум јединствен међу тешким стабилним изотопима по томе што је два пута тежи од свог лакшег изотопа. Ова разлика повећава јачину водоник-кисеоник веза воде, и то је довољно да узрокује разлике које су важне у појединим биохемијским реакцијама. Људско тело природно садржи деутеријумски еквивалент од око пет грама тешке воде, што је безопасно. Кад је велика фракција воде (> 50%) у вишим организмима замењена тешком водом, долази до ћелијске дисфункције и смрти.[7]

Тешка вода је први пут произведена 1932. године, неколико месеци након открића деутеријума.[8] Са отркићем нуклеарне фисије крајем 1938. године, и потребом за неутронским модератором који заробљава неутроне, тешка вода је постала компонента раног истраживања нуклеарне енергије. Од тада, тешка вода је била есенцијална компонента у појединим тимповима реактора, укључујући оне који се користе као електране и оне који су дизајнирани да производе изотопе за нуклеарно оружје. Ови реактори с тешком водом имају предност да могу да буду покретани природним уранијумом без употребе графитних модератора који представљају радиолошки хазард[9] и могу да доведу до експлозија прашине[10] у декомисионој фази. Већина модерних реактора користи обогаћени уранијум са обичном водом као модератором.

Друге тешке форме водеУреди

Полутешка водаУреди

Полутешка вода, HDO, постоји кад год постоји вода са лаким водоником (протијум, 1
H
) и деутеријумом (D или 2
H
) у смеши. До тога долази зато што се атоми водоника (водоник-1 и деутеријум) брзо размењују између молекула воде. Вода која садржи 50% H и 50% D у свом водонику заправо садржи око 50% HDO и по 25% H
2
O
и D
2
O
, у динамичкој равнотежи. У нормалној води, око 1 молекул у 3.200 је HDO (један водоник у 6.400 је у форми D), а молекули тешке воде (D
2
O
) је јављају једино у пропорцији од око 1 молекул у 41 милион (i.e. један у 6.4002). Стога су молекули семитешке воде далеко чешћи од „чистих” (хомоизотопних) молекула тешке воде.

Вода са тешким кисеоникомУреди

Вода обогаћена тежим кисеоничним изотипима 17
O
и 18
O
је такође комерцијално доступна, e.g., за употребу при нерадиоактивном изотопском обележавању. То је „тешка вода” јер је гушћа од нормалне воде (H
2
18
O
је апроксимативно густа као D
2
O
, док је густина H
2
17
O
између густине H
2
O
и D
2
O
) — али се ретко назива тешком водом, јер не садржи деутеријум који даје D2O њена необична нуклеарна и биолошка својства. Она је скупља од D2O, јер је сепарација 17O и 18O тежа.[11] H218O се исто тако користи за продукцију флуора-18 за радиофармацеутске сврхе и позитронску емисиону томографију.

Трицијумска водаУреди

Трицијумска вода садржи трицијум (3H) уместо водоника (1H) или деутеријума (2H), и стога је радиоактивна.

ИсторијаУреди

Харолд Јури је открио изотоп деутеријум 1931. године и касније је успео да га концентрише у води.[12] Јуријев ментор Гилберт Њутон Луис је изоловао први узорак чисте тешке воде путем електролизе 1933. године.[13][14][15] Ђерђ де Хевеш и Ерих Хофер су користили тешку воду 1934. године у једном од првих експеримената биолошког обележавања, да процене брзину промета воде у људском телу.[16] Историја продукције великих количина и употребе тешке воде у раним нуклеарним експериментима је дата испод.[17] Емилијан Брату и Ото Редлич су изучавали аутодисоцијацију тешке воде 1934. године.[18]

У Другом светском рату Немци су пребацивали тешку воду из Норвешке у Немачку како би израдили атомско наоружање, међутим савезници су потапали немачке бродове који су превозили тешку воду и тиме спречили Немце да произведу атомску бомбу јер нису имали довољно воде за процес израде бомбе.

УпотребаУреди

Нуклеарна магнетна резонанцијаУреди

Деутеријум оксид се у нуклеарној магнентној резонанцији (НМР) користи када се снимају протонски спектри у воденом раствору. Протонски сигнал из обичне воде (растварача) вишеструко надмашује сигнал из узорка. Деутеријум има врло различиту резонантну фреквенцију па стога не доприноси сигналу на резонанцији водоника (протона).

Модератор неутронаУреди

У неким типовима нуклеарних реактора тешка вода се користи као модератор неутрона, медијум који успорава неутроне који тек при малим брзинама могу да реагују са језгрима уранијума у реактору. Обична (лака) вода такође може да се користи као модератор, међутим, пошто лака вода такође апсорбује неутроне тада обогаћени уранијум мора да се користи као гориво.

Физичке особине (у поређењу са лаком водом)Уреди

Физичке особине изотополога воде[19]
Особина D2O (Тешка вода) HDO (Полутешка вода) H2O (Обична (лака) вода)
Тачка топљења 3,82  °C (38,88 °F) (276,97 K) 2,04  °C (35,67 °F) (275,19 K) 0,0  °C (32 °F) (273,15 K)
Тачка кључања 101,4  °C (214,5 °F) (374,55 K) 100,7  °C (213,3 °F) (373,85 K) 100,0  °C (212 °F) (373,15 K)
Густина при СТП (g/mL) 1,1056 1,054 0,9982
Темп. максималне густине 11,6  °C Непроверено 3,98  °C[20]
Динамичка вискозност (на 20  °C, mPa·s) 1,2467 1,1248 1,0016
Површински напон (на 25  °C, N/m) 0,07187 0,07193 0,07198
Топлота топљења (kJ/mol) 6,132 6,227 6,00678
Топлота испаравања (kJ/mol) 41,521 Непроверено 40,657
pH (на 25 °C)[21] 7,44 (pD) 7,266 (pHD) 7,0
pKb (на 25  °C)[21] 7,44 (pKb D2O) Непроверено 7,0
Индекс преламања (на 20  °C, 0,5893 μm)[22] 1,32844 Непроверено 1,33335

Физичка својства воде и тешке воде разликују се у неколико аспеката. Тешка вода је мање дисоцирана од лаке воде на датој температури, и права концентрација D+ јона је мања него што би била концентрација H+ јона у узорку лаке воде на истој температури. Исто важи за однос OD и OH јона. За тешку воду Kw D2O (25,0  °C) = 1,35 × 10−15, и [D+] мора бити једнако [OD] за неутралну воду. Стога pKw D2O = p[OD] + p[D+] = 7,44 + 7,44 = 14,87 (25,0  °C), и p[D+] неутралне воде на 25,0  °C је 7,44.

pD тешке воде се генерално мери користећи pH електроде што даје pH вредности, или pHa, и на разним температурама праве киселинске pD вредности се могу проценити из директно мерених pHa вредности pH метром, тако да је pD+ = pHa (очитавање са pH метра) + 0,41. Електродна корелација за алкалне услове је 0,456 за тешку воду. Алкална корелација је pD+ = pHa(очитана вредност са pH метра) + 0,456. Ове корелације се донекле разликују од одступања у p[D+] и p[OD-] од 0,44 од кореспондирајућих у тешкој води.[23]

Тешка вода је 10,6% гушћа од обичне воде, и физички различита својства тешке воде се могу видети без опреме ако се замрзунути узорак испусти у нормалну воду, јер ће потонути. Ако је вода ледено хладна, виша тачка топљења тешког леда се исто тако може уочити: он се топи на 3,7  °C, и стога се не топи у нормалној ледено хладној води.[24]

Један рани експеримент је утврдио да нема никакве разлике у укусу између обичне и тешке воде.[25] Међутим, пацови који су имали избор између дестиловане нормалне и тешке воде су успешно избегавали тешку воду на бази мириса, и могуће је да тешка вода има различити укус.[26] Неки људи су известили да тешка вода производи „горућу сензацију или сладак укус”.

РеференцеУреди

  1. ^ Parpart, Arthur K. (децембар 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. (јануар 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.  уреди
  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, T. G.; Baker, Alison; Dunstall (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. Приступљено 11. 1. 2017. 
  10. ^ „Archived copy” (PDF). Архивирано из оригинала (PDF) на датум 22. 4. 2014. Приступљено 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, G. M.; Brickwedde, Ferdinand G.; Murphy (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, G. N.; 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)”. Приступљено 4. 12. 2017. 
  20. ^ Kotz, John; Teichel, Paul; Townsend, John (2008). Chemistry and Chemical Reactivity, Volume 1 (7th изд.). Cengage Learning. стр. 15. ISBN 978-0-495-38711-4.  Extract of page 15
  21. 21,0 21,1 discussion of pD,
  22. ^ „RefractiveIndex.INFO”. Приступљено 21. 1. 2010. 
  23. ^ discussion of pD+,
  24. ^ Gray, Theodore (2007). „How 2.0”. Popular Science. Архивирано из оригинала на датум 16. 12. 2007. Приступљено 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. Приступљено 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. 

Спољашње везеУреди