Тяжелая вода

Структурная формула
Общий
Фамилия	Тяжелая вода
другие имена	Оксид дейтерия
Молекулярная формула	D 2 O ( 2 H 2 O)
Краткое описание	бесцветная жидкость
Внешние идентификаторы / базы данных
Количество CAS 7789-20-0 Номер ЕС 232-148-9 ECHA InfoCard 100.029.226 PubChem 24602 Викиданные Q155890
характеристики
Молярная масса	20,0286 г моль -1
Физическое состояние	жидкость
плотность	1,107 г см −3
Температура плавления	3,8 ° С
точка кипения	101,4 ° С
Показатель преломления	1,328 (20 ° С)
правила техники безопасности
Маркировка опасности GHS нет пиктограмм GHS H- и P-фразы ЧАС: нет H-фраз П: нет P-фраз
Насколько это возможно и общепринято, используются единицы СИ . Если не указано иное, приведенные данные относятся к стандартным условиям . Показатель преломления: линия Na-D , 20 ° C

С химической точки зрения тяжелая вода ( оксид дейтерия ) представляет собой воду с эмпирической формулой D ₂ O. Она отличается от обычной воды H ₂ O, которую также называют «легкой водой» в этом контексте, тем, что нормальная вода атомы водорода изотопа протия (символ Н), были заменены тяжелыми атомами водорода изотоп дейтерий (символ D). У протия в ядре атома только один протон , а у дейтерия - один протон и один нейтрон . Соответственно, молекулярная масса и плотность тяжелой воды выше, чем у обычной воды.

С другой стороны, полутяжелая вода (оксид гидродейтерия) с эмпирической формулой HDO содержит один нормальный и один тяжелый атом водорода. По статистике, в природе он встречается гораздо чаще, чем тяжелая вода. На Земле на каждые 7000 атомов водорода приходится примерно один атом дейтерия (в снегу или дождевой воде 1: 9000, в морской воде с высоким содержанием соли 1: 5500).

Тяжелая вода ( оксид трития ) с эмпирической формулой T ₂ O содержит тритий (символ T) вместо нормального водорода.

Добыча

Тяжелая вода получается путем обогащения из обычной воды, в которой она встречается в небольших количествах. Если вода подвергается электролизу , тяжелая вода имеет тенденцию оставаться неразложенной ( кинетический изотопный эффект ), в то время как легкая вода расщепляется на водород и кислород . Сульфидный процесс Гирдлера также является обогащением .

Другой способ включает перегонку из аммиака или сероводорода . Исходным материалом предпочтительно является сточная вода от гальванических установок и производства водорода путем электролиза, поскольку она уже значительно обогащена HDO благодаря предпочтительному электролизу легкой воды.

характеристики

Тяжелая вода менее реактивна, чем обычная вода, и имеет более низкую растворимость. Причина - более высокая ядерная масса дейтерия. В результате молекулярные колебания имеют более низкую частоту, а энергии нулевой точки этих колебаний ниже, чем в легкой воде. В случае растяжения вибрации , эффект составляет около 125 м эВ или 5 к _Б Т при комнатной температуре. В результате диссоциация тяжелой воды, которая является предпосылкой для многих биохимических реакций, требует больше энергии и может быть значительно замедлена. Помимо диссоциации , это влияет на образование водородных связей , которые также имеют важное значение в биохимических системах. Из-за «динамического изотопного эффекта » поступательная и вращательная подвижность молекул тяжелой воды в жидкости несколько ниже, чем у молекул легкой воды. При 25 ° C z. Б. коэффициент самодиффузии тяжелой воды на 23% ниже, чем у легкой воды.

Из-за этих различных свойств тяжелая вода немного токсична для большинства организмов. Эксперименты на мышах показали, что деление клеток ( митоз ) подавляется. В результате ткань, которую необходимо быстро заменить (например, стенка желудка), подвергается воздействию продолжительного приема тяжелой воды. Эти эффекты стали очевидны, когда мыши были заменены тяжелой водой примерно на 50 процентов воды в их организме. Следует также замедлить развитие агрессивных раковых заболеваний ; однако преимущества тяжелой водной терапии, вероятно, не перевешивают побочные эффекты.

Согласно краткому сообщению Юри и Файллы от 1935 года, вкус тяжелой воды не должен отличаться от дистиллированной «нормальной» воды. Однако недавние эксперименты показали, что тяжелая вода имеет сладковатый вкус для человека.

Более высокая плотность льда из тяжелой воды заставляет кубик льда из тяжелой воды тонуть в обычной воде (жидкости). В воде (H ₂ O), например, B. 2 ° C кубик льда D ₂ O не тает , но может растворяться путем диффузии в жидкой фазе.

Смешайте с обычной и полутяжелой водой.

Посредством механизма Гроттуса молекулы воды обмениваются друг с другом ионами водорода. Следовательно, когда смешиваются равные количества H ₂ O и D ₂ O , формируется статистическое распределение, которое состоит из 50% HDO и 25% каждого из H ₂ O и D ₂ O. По той же причине не может быть жидкости, состоящей только из молекул HDO.

использовать

Тяжелая вода используется в тяжеловодных реакторах (например, реакторах типа Candu ) в качестве замедлителя и теплоносителя , поскольку она поглощает значительно меньше нейтронов, чем обычная вода с аналогичным эффектом замедления. Это означает, что в реакторе можно использовать природный уран и отказаться от необходимого обогащения .

Дейтронов активен в ЯМР , но не появляется в спектрах Н-ЯМР в связи с разной частотой примерно. Таким образом, добавление небольшого количества тяжелой воды приводит к исчезновению линий в спектре образца, которые происходят от атомов водорода, которые многократно обмениваются с растворителем за время релаксации.

Соответственно, из-за различных частот колебаний тяжелую воду можно успешно использовать в спектроскопии колебаний водородсодержащих веществ в водном растворе.

Тяжелая вода также используется для целенаправленного химического синтеза соединений, чтобы ввести дейтерий в продукт или ослабить конкурентную реакцию, в которой переносится H или D.

Поскольку низшие организмы также могут выжить в чистой тяжелой воде, можно выделить очень сложные природные вещества из таких организмов, в которых все атомы водорода заменены дейтерием.

Битва за тяжелую воду во Второй мировой войне

«Тяжелая вода» от Norsk Hydro

В годы войны с 1942 по 1945 год Рьюкан на юге Норвегии в провинции Телемарк стал ареной взрывоопасного конфликта. С 1934 года химическая и гидроэлектростанция в Веморке была единственной европейской фабрикой ( Norsk Hydro ), которая могла производить тяжелую воду в значительных количествах благодаря огромному избытку энергии. С умным ходом французы опередили немцев и первоначально захватили весь инвентарь весом более 160 кг, который был доставлен в Соединенные Штаты французским физиком-ядерщиком Гансом фон Хальбаном через Великобританию после вторжения во Францию ​​французского физика-ядерщика. Ганс фон Хальбан .

В конце 1930-х годов Отто Хан , Фриц Штрасманн и Лиз Мейтнер открыли принцип цепной ядерной реакции , которая привела к гонке с союзниками за контроль над фабрикой после начала Второй мировой войны . Для немецкого уранового проекта использование тяжелой воды предназначалось в качестве замедлителя испытательного реактора, с помощью которого, помимо прочего, мог производиться оружейный плутоний .

Таким образом, внимание союзников было направлено на объект в Рьюкане, ликвидация которого немецкие ядерные исследования смогли нейтрализовать одним махом: после нескольких неудач двенадцать норвежских бойцов сопротивления (при поддержке Управления специальных операций ), которые сохранили спрятанный на плато Хардангервидда , проводил снос на заводе высокой концентрации тяжелой воды на заводе Norsk Hydro . Однако всего через несколько недель повреждение было устранено, и немецкие оккупанты разрешили возобновить производство. Норвежско-французское совместное производство « Битва за тяжелую воду» ( Kampen om tungtvannet , 1948), британский художественный фильм «Schweres Wasser» ( «Герои Телемарка» , 1965) и норвежско-датско-британский телевизионный мини-сериал Saboteurs im Eis - Operation Schweres Wasser ( Kampen om tungtvannet , 2015) посвящены этим событиям.

Последовало несколько бомбардировок союзниками электростанции и восстановленного объекта, пока немецкие оккупанты не решили отказаться от завода и забрать 50 баррелей уже произведенной тяжелой воды. Концентрация оксида дейтерия колебалась от 1% до 99%, он обозначался двузначным числом на бочках, что не позволяло посторонним делать какие-либо выводы о концентрации.

Железнодорожный паром Рьюканбанен под названием Hydro , груженый тяжелой водой, 20 февраля 1944 года был взорван взрывным устройством в машинном отделении. Паром затонул в течение нескольких минут на глубине 460 метров в Тиннсьё (по- норвежски «озеро возле Тинна »). Бочки с высококонцентрированным содержимым, которые были заполнены лишь частично, после затопления плавали на поверхности воды. Они были извлечены немцами и отправлены в Германию через три недели после затопления, а затем использованы в исследовательском реакторе Хайгерлоха . Когда паром обрушился, четыре немецких солдата и 14 мирных жителей были убиты.

Подводный археолог Brett Phaneuf был награжден норвежским-американской исследовательской группы 60 лет после того , как тонет в гидравлическом разрешения дайвингом на ГЭС, но с требованием поднять только именно бочку , так как остов официально считается военным захоронением в правда.

Очень хорошо сохранившийся ствол № 26 можно было без труда открыть после того, как он был извлечен, поскольку резиновое уплотнительное кольцо люка все еще оставалось нетронутым спустя более 60 лет. Во время исследований на борту, а затем и в Лондоне, был определен уровень обогащения 1,1% ± 0,2. Согласно секретному погрузочному листу от 1944 года, этот бочонок содержал дистиллят с 1,64% тяжелой воды.

производство

С 1945 года сульфидный процесс Гирдлера использовался в промышленных масштабах в Соединенных Штатах ; первые тяжеловодные реакторы были введены в эксплуатацию в 1953 году. Системы обогащения первоначально эксплуатировались DuPont, а затем в 1989 году были переданы Westinghouse Electric .

Одним из крупнейших мировых производителей тяжелой воды в настоящее время является Индия . Техническое развитие началось в 1960-х годах в рамках индийской ядерной программы . В стране действуют семь заводов. 22 из 27 ядерных реакторов, некоторые из которых все еще строятся, работают с тяжелой водой в качестве замедлителя.

В Иране завод по извлечению тяжелой воды строился в Хонбаде недалеко от Арака с 1996 года . Мощность была рассчитана на 8 тонн в год. Производство было завершено в 2003 году, и в то же время было объявлено о втором этапе расширения, чтобы производство удвоилось до 16 тонн в год. Тяжелая вода требуется для работы реактора IR-40 на природном уране мощностью 40 МВт .

До 2015 года Румыния была крупнейшим производителем в Европе. Тяжелая вода также производится в Аргентине, Норвегии, Канаде, Пакистане и России.

Индивидуальные доказательства

1. ↑ ^{a b c d e f g} Лист данных по оксиду дейтерия от Sigma-Aldrich , по состоянию на 23 июня 2011 г. ( PDF ).
2. ↑ Эдме Х. Харди, Астрид Зигар, Манфред Д. Зейдлер, Манфред Хольц, Фрэнк Д. Захер: Изотопный эффект на поступательное и вращательное движение в жидкой воде и аммиаке. В: J. Chem Phys. 114, 2001, стр. 3174-3181.
3. ^ HC Urey, G. Failla: Относительно вкуса тяжелой воды. В: Science Vol. 81, No. 2098, p. 273, DOI : 10.1126 / science.81.2098.273-a .
4. ↑ Вкусовые рецепторы человека могут отличить нормальную воду от «тяжелой» , статья Питера Докрилла от 11 апреля 2021 года в Science Alert , доступ к которой осуществлен 11 апреля 2021 года.
5. ^ ^{A b c} Роберто Фернандес-Прини, А. Х. Харви, Д. А. Палмер: водные системы при повышенных температурах и давлениях. Физическая химия в воде, паре и гидротермальных растворах . Academic Press, 2004, ISBN 978-0-08-047199-0 , стр. 290 ( ограниченный просмотр в поиске Google Книг). 
6. ↑ ^{a b c d} Мартин Чаплин: Свойства воды (включая изотопологи). В кн . : Структура воды и наука. 11 августа 2020, доступ к 21 августа 2020 года . 
7. ↑ Питер Курцвейл: Лексика единиц Vieweg: термины, формулы и константы из естественных наук, технологий и медицины . 2-е иллюстрированное издание. Vieweg + Teubner Verlag, Висбаден 2000, ISBN 3-528-16987-7 , стр. 432 . 
8. ↑ Демонстрационный эксперимент «Показ изотопных различий с использованием плотности (H2O и D2O)» , Брэд Сив, Университет Северного Кентукки, youtube.com, видео (2:49). 15 октября 2012 г., по состоянию на 4 сентября 2016 г. - Сравните: ChemDemos.NKU.edu (Демонстрационная база данных химии НКУ).
9. ↑ ZDF спасательного балочного 24 июля 2005 в рамках документации ( Memento от 6 августа 2005 в Internet Archive ) ( английский оригинал ) с.
10. ↑ О HWB. В: Доска тяжелой воды. Департамент по атомной энергии Правительства Индии, 21 августа 2020, доступ к 21 августа 2020 . 
11. ↑ Краткий обзор растений. В: Доска тяжелой воды. Департамент по атомной энергии Правительства Индии, 21 августа 2020, доступ к 21 августа 2020 . 
12. ↑ Статистика в МАГАТЭ . Проверено 25 декабря 2013 года.
13. ^ Арак - Завод по производству тяжелой воды. В: GlobalSecurity.org . 15 октября 2008, в архиве с оригинала на 15 января 2010 года ; доступ 21 августа 2020 г. (на английском языке). 
14. ↑ Лауренциу Георге: Sa dus pe Apa Grea a Sâmbetei - moștenirea Nucleară pierdută a lui Николае Чаушеску. В: adevarulfinanciar.ro. Adevărul Holding, 22 мая 2015, в архиве с оригинала на 29 мая 2015 года ; доступ 21 августа 2020 г. (румынский). 

веб ссылки