Ciężka woda

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania
Ciężka woda
Ciężka woda Ciężka woda
Historyczna próbka ciężkiej wody z fabryki Norsk Hydro
Historyczna próbka ciężkiej wody z fabryki Norsk Hydro
Nazewnictwo
Ogólne informacje
Wzór sumaryczny D2O
Inne wzory 2H2O
Masa molowa 20,03 g/mol
Identyfikacja
Numer CAS 7789-20-0
PubChem 24602[1]
Jeżeli nie podano inaczej, dane dotyczą
stanu standardowego (25 °C, 1000 hPa)

Ciężka woda, HDO lub D2O – woda, w której znaczącą część atomów wodoru stanowi izotop 2H[2], czyli deuter, którego jądro zbudowane jest z protonu i neutronu (podczas gdy jądro protu (1H) w zwykłej wodzie zawiera jedynie proton). Zazwyczaj jako "ciężką wodę" traktuje się D2O[3], jednak nazwa ta dotyczy także związku, w którym jedynie jeden prot zastąpiony jest deuterem (HDO)[2].

W "normalnej" wodzie występuje naturalnie ok. 115 ppm wody "ciężkiej" czyli tlenku deuteru. Harold Clayton Urey (USA), opublikował w 1931 technikę umożliwiającą oddzielenie tlenku deuteru od tlenku "zwykłego" wodoru, polegającą na wieloetapowym odwirowywaniu wody.

Inną metodą oddzielenia „ciężkiej wody” jest powolna elektroliza. Wykorzystuje się tu fakt, że deuter nie bierze w niej udziału. Podczas tego procesu wodór i tlen uchodzą z elektrod, natomiast tlenek deuteru pozostaje w naczyniu. Z elektrolizy 100 000 litrów wody uzyskuje się około 1 litr "ciężkiej wody", co sprawia, że jej otrzymanie jest kosztowne.

Właściwości[edytuj | edytuj kod]

Cząsteczki ciężkiej wody mają masę cząsteczkową większą o 2 g/mol od "zwykłej wody", co powoduje nieco większą gęstość ciężkiej wody w stosunku do wody „zwykłej”. Dzięki temu można oddzielać wodę ciężką od „zwykłej” przez wirowanie. Współcześnie ciężką wodę uzyskuje się głównie za pomocą rozdziału tlenku deuteru od tlenku protu na kolumnach sorpcyjnych, wykorzystujących różnice w trwałości wiązań wodorowych tworzonych przez tlenek protu i tlenek deuteru z wypełnieniem tych kolumn.

Właściwości chemiczne wody ciężkiej są niemal takie same jak zwykłej wody, z wyjątkiem jej zdolności do tworzenia wiązań wodorowych (tworzy silniejsze wiązania) i polaryzacji wiązań tlen-wodór(deuter), co skutkuje m.in. nieco wyższym pH. Woda ciężka znacząco różni się natomiast od zwykłej wody pod względem fizycznym. Ma o kilka stopni wyższą temperaturę wszystkich przemian fazowych, większą gęstość, inny moment dipolowy, inne przewodnictwo elektryczne i pojemność cieplną.

Porównanie właściwości D2O, HDO i H2O
Parametr D2O HDO H2O
krzepnięcie (°C) 3,82 0,00
wrzenie (°C) 101,42 100,7 100,00
gęstość (w 20 °C, g/cm³) 1,1056 1,054 0,9982
temp. maksymalnej
gęstości (°C)
11,6 4,0
lepkość (w 20 °C, cp) 1,25 1,1248 1,005
napięcie powierzchniowe
(w 25 °C, dyn·cm)
71,87 71,93 71,98
ciepło topnienia (kcal/mol) 1,515 1,436
ciepło parowania (kcal/mol) 10,864 10,757 10,515
pH (w 25 °C) 7,41 7.266 7,00

Zastosowanie w technikach jądrowych[edytuj | edytuj kod]

Ciężka woda stosowana współcześnie w przemyśle zawiera zwykle od 95 do 99% tlenku deuteru w stosunku do tlenku wodoru. Jest ona stosowana jako moderator w reaktorach atomowych, gdyż ma ona zdolność do spowalniania neutronów prędkich. Zwykła woda też ma taką zdolność, ale – w przeciwieństwie do wody ciężkiej – pochłania wszystkie neutrony, niezależnie od ich prędkości. Oprócz tego woda deuterowana jest stosowana w chemii, jako jeden z rozpuszczalników stosowanych w analitycznej technice NMR oraz tanie źródło deuteru, przy badaniu mechanizmów reakcji, poprzez znakowanie izotopowe i obserwację tzw. efektu izotopowego.

Kanada jest największym na świecie producentem ciężkiej wody, która jest wykorzystywana jako moderator w reaktorach atomowych typu CANDU.

Ze względu na przydatność ciężkiej wody w programach produkcji broni atomowej w niektórych krajach (np. Australii) obrót tym związkiem podlega prawnej kontroli.

Ciężka woda była źródłem niepokoju podczas II wojny światowej. Alianci podejrzewali, że przy jej wykorzystaniu Niemcy prowadzili eksperymenty mające na celu zbudowanie bomby atomowej. Aby temu zapobiec, w 1942 roku Brytyjczycy wysłali jednostki specjalne w celu zniszczenia fabryki izotopu Vemork w Norwegii, w miejscowości Rjukan. Fabryka została poważnie uszkodzona na początku 1943 r. w wyniku akcji norweskich komandosów. Mimo że została szybko odbudowana, to jednak w wyniku amerykańskiego nalotu Niemcy podjęli decyzję o przeniesieniu zasobu ciężkiej wody do Niemiec. Nie udało się im jednak przetransportować tych zapasów – na początku 1944 r. bojownicy norweskiego ruchu oporu zatopili prom przewożący do Niemiec ewakuowane z fabryki zapasy ciężkiej wody[4].

Information icon.svg Osobny artykuł: Bitwa o ciężką wodę.

Wpływ wody ciężkiej na żywe organizmy[edytuj | edytuj kod]

Z fizykochemicznego punktu widzenia woda ciężka niewiele różni się od wody „zwykłej”. Te niewielkie różnice są jednak istotne dla żywych organizmów. W biopolimerach takich jak białka czy kwasy nukleinowe, deuterowanie (czyli wymiana izotopowa wodoru na deuter) powoduje nieznaczny spadek energii wiązań wodorowych. Jest to znany w przyrodzie efekt Ubbelohdego.

Różnica w aktywności wodoru i deuteru w żywych organizmach ma swoje źródło w efektach dynamicznych oddziaływań kooperatywnych, które prowadzą do występowania efektów samoorganizacji izotopowej w układach wiązań wodorowych. Samoorganizacja H/D prowadzi do tego, że deuter niechętnie „wchodzi” np. do DNA organizmów żywych.

W czasie umieszczenia żywej komórki w środowisku ciężkiej wody, aparat mitotyczny, a dokładniej wrzeciono eukariotyczne, które zbudowane jest z DNA, tworzą się wiązania typu D–D o mniejszej sile niż H–H, stąd dochodzi do rozrywania tych wiązań i zmniejszenia efektywności replikacji DNA[5].

Wpływ na zwierzęta[edytuj | edytuj kod]

Eksperymenty na myszach, szczurach i psach[6] pokazały, że zawartość 25% deuteru powoduje (czasem nieodwracalną) bezpłodność, ponieważ gamety i zygoty nie mogą się rozwijać. Wysokie stężenia ciężkiej wody (90%) gwałtownie zabijają ryby, kijanki, płazińce i muszki owocowe. Ssaki, np. szczury, otrzymujące do picia ciężką wodę, umierają po tygodniu, kiedy zawartość deuteru osiąga 50%. Przyczyną śmierci, podobnie jak w zatruciu cytotoksycznym (np. podczas chemioterapii) i ostrej chorobie popromiennej, wydaje się być ogólne zahamowanie podziałów komórkowych. Ciężka woda jest bardziej toksyczna dla komórek nowotworowych niż zdrowych, jednak stężenia wymagane dla skutecznego działania są zbyt wysokie dla zastosowań terapeutycznych[6]. Podobnie jak w chemioterapii, ssaki zatrute D2O umierają w wyniku niewydolności szpiku kostnego (krwotoki i infekcje) i zaburzeń funkcji jelit (biegunka i utrata płynów).

Prokariotyczne organizmy, takie jak bakterie, u których deuter nie powoduje problemów z mitozą, mogą rozwijać się przy całkowitym zastąpieniu wodoru przez deuter, również w białkach i DNA[6]. Pełne zastąpienie zwykłych izotopów cięższymi stabilnymi jest możliwe u organizmów wyższych dla innych pierwiastków (węgiel-13, azot-15, tlen-18), ale nie dla deuteru.

Ciężka woda wykorzystywana jest dla poprawienia skuteczności terapii borowo-neutronowej, gdzie wykorzystuje się zdolność deuteru do moderowania neutronów bez ich wychwytywania[6].

Zobacz też[edytuj | edytuj kod]

Przypisy

  1. Ciężka woda – podsumowanie (ang.). PubChem Public Chemical Database.
  2. 2,0 2,1 Heavy water (ang.) [w:] A.D. McNaught, A. Wilkinson: IUPAC. Compendium of Chemical Terminology („Gold Book”). Wyd. 2. Oksford: Blackwell Scientific Publications, 1997. Wersja internetowa: M. Nic, J. Jirat, B. Kosata: Heavy water (ang.), aktualizowana przez A. Jenkins. doi:10.1351/goldbook.H02758
  3. Ciężka woda (ang. • pol.) w katalogu produktów Sigma-Aldrich.
  4. strona WWW fabryki Hydro opisującą szczegółowo wydarzenia z II wojny światowej
  5. Helmut Günzler, Hans-Ulrich Gremlich,: IR Spectroscopy: An Introduction. Wiley-VCH, 2002. ISBN 3-527-28896-1.
  6. 6,0 6,1 6,2 6,3 D. J. Kushner, Alison Baker, and T. G. Dunstall. Pharmacological uses and perspectives of heavy water and deuterated compounds. „Can. J. Physiol. Pharmacol.”. 2 (77), s. 79–88, 1999. doi:10.1139/cjpp-77-2-79. PMID 10535697. Cytat: used in boron neutron capture therapy ... D2O is more toxic to malignant than normal animal cells ... Protozoa are able to withstand up to 70% D20. Algae and bacteria can adapt to grow in 100% D2O.