Těžká voda

Strukturní vzorec
Všeobecné
Příjmení	Těžká voda
ostatní jména	Oxid deuteria
Molekulární vzorec	D 2 O ( 2 H 2 O)
Stručný popis	bezbarvá kapalina
Externí identifikátory / databáze
Číslo CAS 7789-20-0 Číslo ES 232-148-9 Informační karta ECHA 100,029,226 PubChem 24602 Wikidata Q155890
vlastnosti
Molární hmotnost	20,0286 g mol −1
Fyzický stav	tekutina
hustota	1,107 g cm −3
Bod tání	3,8 ° C
bod varu	101,4 ° C
Index lomu	1,328 (20 ° C)
bezpečnostní instrukce
Označování nebezpečnosti GHS žádné piktogramy GHS Fráze H a P. H: žádné H-věty P: žádné P-věty
Pokud je to možné a obvyklé, používají se jednotky SI . Pokud není uvedeno jinak, uvedené údaje platí pro standardní podmínky . Index lomu: Na-D čára , 20 ° C

Z chemického hlediska je těžká voda ( oxid deuteria ) voda s empirickým vzorcem D ₂ O. Liší se od konvenční vody H ₂ O, která je v tomto kontextu také označována jako „lehká voda“ v tom, že normální vodíkové atomy izotop protium (symbol H) byly nahrazeny těžkých atomů vodíku izotop deuteria (symbol D). Protium má v atomovém jádru pouze jeden proton , zatímco deuterium má jeden proton a jeden neutron . V důsledku toho je molekulová hmotnost a hustota těžké vody jsou vyšší než u obyčejné vody.

Polotěžká voda (oxid hydrodeuteria) s empirickým vzorcem HDO na druhé straně obsahuje jeden normální a jeden těžký atom vodíku. Statisticky vzato se v přírodě vyskytuje mnohem častěji než těžká voda. Na Zemi je asi jeden atom deuteria na každých 7 000 atomů vodíku (ve sněhu nebo dešťové vodě 1: 9 000, v mořské vodě s vysokým obsahem soli 1: 5500).

Těžká voda ( oxid tritia ) s empirickým vzorcem T ₂ O obsahuje místo normálního vodíku tritium (symbol T).

Extrakce

Těžká voda se získává obohacením z konvenční vody, ve které se vyskytuje v malých množstvích. Pokud je voda elektrolyzována , těžká voda má tendenci zůstat nerozložená ( kinetický izotopový efekt ), zatímco lehká voda je rozdělena na vodík a kyslík . Girdlerův sulfidový proces je také obohacením .

Další způsob zahrnuje destilaci z amoniaku nebo sirovodíku . Výchozím materiálem je s výhodou odpadní voda z galvanických zařízení a výroba vodíku elektrolýzou, protože ta je již významně obohacena o HDO díky výhodné elektrolýze lehké vody.

vlastnosti

Těžká voda je méně reaktivní než normální voda a má nižší rozpustnost. Příčinou je vyšší jaderná hmotnost deuteria. Výsledkem je, že molekulární vibrace mají nižší frekvenci a energie nulového bodu těchto vibrací jsou nižší než v lehké vodě. V případě roztahovacích vibrací je účinek asi 125 m eV nebo 5 k _B T při pokojové teplotě. V důsledku toho disociace těžké vody, která je předpokladem mnoha biochemických reakcí, vyžaduje více energie a lze ji velmi zpomalit. Kromě disociace je ovlivněna tvorba vodíkových vazeb , které mají také zásadní význam v biochemických systémech. Díky „dynamickému izotopovému efektu “ je translační a rotační pohyblivost molekul těžké vody v kapalině poněkud nižší než u molekul lehké vody. Při 25 ° C z. B. koeficient vlastní difúze těžké vody o 23% nižší než koeficient lehké vody.

Díky těmto různým vlastnostem je těžká voda pro většinu organismů mírně toxická. Experimenty na myších ukázaly, že buněčné dělení ( mitóza ) je potlačeno. V důsledku toho je tkáň, kterou je třeba rychle vyměnit (např. Stěna žaludku), ovlivněna pokračujícím požitím těžké vody. Tyto účinky se projevily, když byly myši nahrazeny těžkou vodou pro přibližně 50 procent jejich tělesné vody. Agresivní druhy rakoviny by měly být také zpomaleny; přínosy terapie těžkou vodou by však pravděpodobně nepřevážily vedlejší účinky.

Podle stručného příspěvku Urey a Failla z roku 1935 by se chuť těžké vody neměla lišit od destilované „normální“ vody. Nedávné experimenty však ukázaly, že těžká voda má pro člověka sladkou chuť.

Vyšší hustota ledu z těžké vody způsobí, že se těžká vodní kostka ledu ponoří do normální vody (kapaliny). Ve vodě (H ₂ O) např. B. 2 ° C a kostka ledu D ₂ O se neroztaje , ale může být rozpuštěna difúzí v kapalné fázi.

Smíchejte s normální a polotěžkou vodou

Prostřednictvím Grotthussova mechanismu si molekuly vody navzájem vyměňují vodíkové ionty. Z tohoto důvodu, když stejné množství H ₂ O a D ₂ O jsou smíchány, statistické rozdělení je vytvořena, která se skládá z 50% HDO a 25% každého z H ₂ O a D ₂ O. Ze stejného důvodu nemůže existovat kapalina tvořená pouze molekulami HDO.

použití

Těžká voda se používá v těžkých vodních reaktorech (například reaktorech typu Candu ) jako moderátor a chladivo , protože absorbuje podstatně méně neutronů než normální voda s podobným zmírňujícím účinkem. To znamená, že v reaktoru může být použit přírodní uran a může být upuštěno od jinak nezbytného obohacení .

Deuteron je aktivní v NMR , ale nezdá se v 'H-NMR spektra v důsledku zhruba jinou frekvenci. Přidání trochu těžké vody proto způsobí, že ve spektru vzorku zmizí čáry pocházející z atomů vodíku, které se během relaxační doby mnohokrát vymění s rozpouštědlem.

Odpovídajícím způsobem může být kvůli různým frekvencím oscilací těžká voda výhodně použita v oscilační spektroskopii látek obsahujících vodík ve vodném roztoku.

Těžká voda se také používá k cílené chemické syntéze sloučenin, a to buď k zavedení deuteria do produktu, nebo k oslabení kompetitivní reakce, při které se přenáší H nebo D.

Jelikož nižší organismy mohou přežít i v čisté těžké vodě, je možné izolovat vysoce komplexní přírodní látky z takových organismů, ve kterých jsou všechny atomy vodíku nahrazeny deuteriem.

Bitva o těžkou vodu ve druhé světové válce

„Těžká voda“ od společnosti Norsk Hydro

Během válečných let od roku 1942 do roku 1945 byl Rjukan v jižním Norsku v provincii Telemark dějištěm explozivního konfliktu. Od roku 1934 je chemická a vodní elektrárna ve Vemorku jedinou evropskou továrnou ( Norsk Hydro ), která díky obrovskému energetickému přebytku dokáže vyrábět ve značném množství těžkou vodu. Francouzi se chytrým tahem dostali před Němce a zpočátku zajistili celý inventář přes 160 kg, který do USA přivezl francouzský jaderný fyzik Hans von Halban přes Velkou Británii po invazi Francie francouzským jaderným fyzikem Hans von Halban .

Na konci 30. let Otto Hahn , Fritz Straßmann a Lise Meitner objevili princip jaderné řetězové reakce , která vyústila v závod se Spojenci o ovládnutí továrny po vypuknutí druhé světové války . Pro německý uranový projekt bylo použití těžké vody zamýšleno jako moderátor testovacího reaktoru, s nímž bylo mimo jiné možné vyrábět plutonium pro zbraně .

Spojenci tak obrátili svou pozornost na zařízení v Rjukanu, jehož likvidaci dokázal německý jaderný výzkum neutralizovat na jeden zátah: Po několika nezdarech se dvanáct norských odbojářů (podporovaných výkonným ředitelem zvláštních operací ) schovalo na náhorní plošině Hardangervidda , provedl demolici v závodě s vysokou koncentrací těžké vody norských vodních děl . Jen o několik týdnů později však byla škoda opravena a němečtí okupanti povolili výrobu znovu spustit. Norsko-francouzská koprodukce Bitva o těžkou vodu ( Kampen om tungtvannet , 1948), britský velkofilm „Schweres Wasser“ ( Hrdinové Telemarku , 1965) a norsko-dánsko-britská televizní minisérie Saboteurs im Eis-Operace Schweres Wasser ( Kampen om tungtvannet , 2015) se těmito událostmi zabývají.

Následovalo několik spojeneckých náletů na elektrárnu a přestavěné zařízení, dokud se němečtí okupanti nerozhodli továrnu vzdát a vzít 50 již vyrobených sudů těžké vody. Koncentrace oxidu deuteria kolísala mezi 1% a 99%; byla identifikována dvouciferným číslem na sudech, což nedovolovalo cizincům vyvodit ohledně koncentrace žádné závěry.

Železniční trajekt Rjukanbanen s názvem Hydro , naložený těžkou vodou, byl 20. února 1944 sabotován výbušným zařízením ve strojovně. Trajekt se během několika minut potopil na 460 metrů hlubokém Tinnsjø ( norský výraz pro „jezero poblíž Tinn “). Sudy s vysoce koncentrovaným obsahem, které byly naplněny jen částečně, po potopení plavaly na hladině vody. Byly získány zpět Němci a poslány do Německa tři týdny po potopení a později použity ve výzkumném reaktoru Haigerloch . Když trajekt klesl, byli zabiti čtyři němečtí vojáci a 14 civilistů.

Podvodní archeolog Brett Phaneuf získal s norským-americký výzkumný tým 60 let po potopení hydraulického povolení k potápění výlet na hydro, avšak s požadavkem na zvýšení přesně za barel, protože vrak oficiálně považován za válečný hrob je skutečný.

Velmi dobře zachovaný sud č. 26 bylo možné po jeho získání bez námahy otevřít, protože gumový těsnicí kroužek zátky byl po více než 60 letech stále neporušený. Během vyšetřování na palubě a později v Londýně byla stanovena úroveň obohacení 1,1 procenta ± 0,2. Podle tajného nakládacího seznamu z roku 1944 obsahoval tento sud destilát 1,64% těžké vody.

Výroba

Od roku 1945 byl v průmyslovém měřítku ve Spojených státech používán Girdlerův sulfidový proces ; první těžkovodní reaktory byly uvedeny do provozu v roce 1953. Systémy obohacování zpočátku provozovala společnost DuPont a poté je v roce 1989 převzala společnost Westinghouse Electric .

Jedním z největších světových producentů těžké vody je v současné době Indie . Technický vývoj začal v 60. letech minulého století jako součást indického jaderného programu . Země provozuje sedm výrobních závodů. 22 z celkem 27 jaderných reaktorů, z nichž některé jsou stále ve výstavbě, je provozováno s těžkou vodou jako moderátorem.

V Íránu se v Khonbadu poblíž Araku stavěl od roku 1996 závod na těžbu těžké vody . Kapacita byla navržena na 8 tun za rok. Výrobní závod byl dokončen v roce 2003 a současně byla oznámena druhá expanzní fáze, takže produkce se zdvojnásobí na 16 tun ročně. Těžká voda je nutná k provozu 40 MW reaktoru na přírodní uran IR-40 .

Do roku 2015 bylo Rumunsko největším výrobcem v Evropě. Těžká voda se vyrábí také v Argentině, Norsku, Kanadě, Pákistánu a Rusku.

Individuální důkazy

1. ↑ ^{a b c d e f g} Datový list oxidu deuteria od Sigma-Aldrich , přístup 23. června 2011 ( PDF ).
2. ^ Edme H. Hardy, Astrid Zygar, Manfred D. Zeidler, Manfred Holz, Frank D. Sacher: Izotopový účinek na translační a rotační pohyb v kapalné vodě a amoniaku. In: J. Chem Phys. 114, 2001, s. 3174-3181.
3. ^ HC Urey, G. Failla: Co se týče chuti těžké vody. In: Science Vol.81, No. 2098, p. 273, doi : 10,1126 / science.81.2098.273-a .
4. ↑ Lidské chuťové pohárky dokážou rozeznat rozdíl mezi normální a „těžkou“ vodou , článek Petera Dockrilla z 11. dubna 2021 o Science Alert , přístup 11. dubna 2021.
5. ^ ^{A b c} Roberto Fernandez-Prini, AH Harvey, DA Palmer: Vodní systémy při zvýšených teplotách a tlacích Fyzikální chemie ve vodních, parních a hydrotermálních roztocích . Academic Press, 2004, ISBN 978-0-08-047199-0 , s. 290 ( omezený náhled v Google Book Search). 
6. ↑ ^{a b c d} Martin Chaplin: Vlastnosti vody (včetně izotopologů). In: Struktura vody a věda. 11. srpna 2020, přístup 21. srpna 2020 . 
7. ↑ Peter Kurzweil: Lexikon jednotky Vieweg: termíny, vzorce a konstanty z přírodních věd, technologie a medicíny . 2. ilustrované vydání. Vieweg + Teubner Verlag, Wiesbaden 2000, ISBN 3-528-16987-7 , s. 432 . 
8. ↑ Zobrazování rozdílů izotopů pomocí hustoty (H2O a D2O) demonstrační experiment , Brad Sieve, Northern Kentucky University, youtube.com, video (2:49). 15. října 2012, přístup 4. září 2016. - Porovnání: ChemDemos.NKU.edu (NKU Chemistry Demonstration Database).
9. ↑ ZDF záchrana zazářil dne 24. července 2005 jako součást dokumentace ( Memento ze dne 6. srpna 2005 na Internet Archive ) ( anglický originál ) z.
10. ↑ O HWB. In: Board pro těžkou vodu. Oddělení pro atomovou energii, indická vláda, 21. srpna 2020, přístup 21. srpna 2020 . 
11. ↑ Rostliny v kostce. In: Board pro těžkou vodu. Oddělení pro atomovou energii, indická vláda, 21. srpna 2020, přístup 21. srpna 2020 . 
12. ↑ Statistiky v IAEA . Citováno 25. prosince 2013.
13. ^ Arak - závod na těžkou vodu. In: GlobalSecurity.org . 15. října 2008, archivováno z originálu 15. ledna 2010 ; přístupné 21. srpna 2020 (anglicky). 
14. ↑ Laurențiu Gheorghe: Sa dus pe Apa Grea a Sâmbetei - moștenirea nucleară pierdută a lui Nicolae Ceaușescu. In: adevarulfinanciar.ro. Adevărul Holding, 22.května 2015, archivovány od originálu dne 29. května 2015 ; přístupné 21. srpna 2020 (rumunština). 

webové odkazy