Tungt vatten

Tungt vatten - Denna term används vanligtvis för att hänvisa till tungt vätevatten , även känt som deuteriumoxid . Tungvätevatten har samma kemiska formel som vanligt vatten, men istället för två atomer av den vanliga lätta isotopen av väte ( protium ), innehåller det två atomer av den tunga väteisotopen, deuterium, och dess syre i isotopsammansättning motsvarar luft syre [1] . Formeln för tungt vätevatten skrivs vanligtvis som D 2 O eller 2 H 2 O. Utåt ser tungt vatten ut som vanligt - en färglös, luktfri vätska, men med en sötaktig smak [2] . Inte radioaktivt .

Upptäcktshistorik

Molekyler av tungt vätevatten upptäcktes först i naturligt vatten av Harold Urey 1932 , för vilket vetenskapsmannen tilldelades Nobelpriset i kemi 1934. Redan 1933 var Gilbert Lewis först med att isolera rent tungt vätevatten. Under elektrolysen av vanligt vatten, som innehåller, tillsammans med vanliga vattenmolekyler, en obetydlig mängd molekyler av halvtungt vatten (HDO) och en ännu mindre mängd tungvattenmolekyler (D 2 O), inklusive en tung isotop av väte återstoden gradvis berikas med molekyler av dessa föreningar. Från en sådan rest, efter upprepad elektrolys, lyckades Lewis isolera en liten mängd vatten, bestående nästan 100% av molekylerna av syreförening med deuterium och kallas tung. Denna metod för produktion av tungt vatten förblir den viktigaste även nu, även om den huvudsakligen används i slutskedet av anrikningen från 5–10 % till >99 % (se nedan).

Efter upptäckten av kärnklyvning i slutet av 1938 och insikten om möjligheten att använda kärnklyvningskedjereaktioner inducerade av neutroner, uppstod ett behov av en neutronmoderator – ett ämne som effektivt kan bromsa neutroner utan att förlora dem i infångningsreaktioner. Neutroner modereras mest effektivt av lätta kärnor, och vanliga väte (protium) kärnor måste vara den mest effektiva moderatorn, men de har ett högt neutronfångstvärsnitt . Tvärtom fångar tungt väte väldigt få neutroner (det termiska neutroninfångningstvärsnittet för protium är mer än 100 tusen gånger högre än för deuterium). Tekniskt sett är den mest bekväma föreningen av deuterium tungt vatten, och det kan också fungera som ett kylmedel, vilket tar bort den frigjorda värmen från området där klyvningskedjereaktionen inträffar. Från kärnkraftens tidigaste dagar har tungt vatten varit en viktig ingrediens i vissa reaktorer, både kraftgenererande och de som är utformade för att producera plutoniumisotoper för kärnvapen. Dessa så kallade tungvattenreaktorer har fördelen att de kan drivas på naturligt (obeberikat) uran utan användning av grafitmoderatorer, vilket under avvecklingsfasen kan utgöra en dammexplosionsrisk och innehålla inducerad radioaktivitet ( kol-14 och ett antal andra radionuklider) [3] . Men de flesta moderna reaktorer använder anrikat uran med normalt "lätt vatten" som moderator, trots den partiella förlusten av modererade neutroner.

Produktion av tungt vatten i Sovjetunionen

Industriell produktion och användning av tungt vatten började med utvecklingen av kärnenergi. I Sovjetunionen fick projektledaren A.I. Alikhanov uppdraget att skapa en tungvattenreaktor under organisationen av laboratorium nr 3 vid USSR:s vetenskapsakademi ( modern ITEP ) . Detta ledde till behovet av tungt vatten, och det tekniska rådet för specialkommittén under rådet för folkkommissarier i Sovjetunionen utvecklade ett utkast till dekret från rådet för folkkommissarier i Sovjetunionen "Om konstruktion av semi-industriella installationer för produktion av produkt 180", arbetet med att skapa produktiva installationer av tungt vatten anförtroddes till chefen för kärnkraftsprojektet B. L. Vannikov , folkkommissarie för den kemiska industrin M. G. Pervukhin , representant för statens planeringskommission N. A. Borisov , folkkommissarie för byggnadsfrågor i USSR S. Z. Ginzburg , folkkommissarie för maskinteknik och instrumentering i Sovjetunionen P. I. Parshin och folkkommissarie för oljeindustrin i Sovjetunionen N.K. Baibakov [4] . M. I. Kornfeld , chef för sektorn för laboratorie nr 2 vid USSR Academy of Sciences , blev chefskonsult i frågor om tungt vatten .

Egenskaper

egenskaper hos tungt vatten

Entalpi av bildning ΔH	−294,6 kJ/mol (l) (vid 298 K)
Gibbs bildningsenergi G	−243,48 kJ/mol (l) (vid 298 K)
Entropi av formation S	75,9 J/mol K (l) (vid 298 K)
Kritisk densitet	0,363 g/cm³

Jämförelse av egenskaperna hos tungt, halvtungt och vanligt vatten [5]

Parameter	D2O _ _	HDO	H2O _ _
Smältpunkt, °C	3,82	2.04	0,00
Kokpunkt, °C	101,42	100,7	99,974
Densitet vid 20 °C, g/cm³	1,1056	1,054	0,9982
Vätskedensitet vid smältpunkt, g/cm³	1,10546	—	0,99984
Isdensitet vid smältpunkt, g/cm³	1,0175	—	0,91672
Maximal densitetstemperatur, °C	11.6	—	4.0
Viskositet vid 20 °C, centipoise	1,2467	1,1248	1,0016
Ytspänning vid 25 °C, dyn cm	71,87	71,93	71,98
Molär volymminskning under smältning, cm³ / mol	1,567		1,634
Molär smältvärme , kcal /mol	1,515		1,436
Molärt förångningsvärme , kcal/mol	10,864	10,757	10,515
pH vid 25°C	7,41	7,266	7.00

Att vara i naturen

I naturliga vatten står en deuteriumatom för 6400-7600 [6 ] protiumatomer . Nästan allt finns i sammansättningen av molekylerna av halvtungt vatten DHO, en sådan molekyl faller på 3200-3800 molekyler lätt vatten. Endast en mycket liten del av deuteriumatomerna bildar tungvattenmolekyler D 2 O, eftersom sannolikheten för två deuteriumatomer att mötas i sammansättningen av en molekyl i naturen är liten (ca 0,5⋅10 −7 ). Med en artificiell ökning av koncentrationen av deuterium i vatten ökar denna sannolikhet.

Tungt vatten finns i naturen i nästan alla naturliga reservoarer, men dess innehåll är miljondelar av en procent. Samtidigt, i isolerade reservoarer i områden där heta klimatförhållanden observeras, såväl som i ekvatorns och tropikernas oceaniska vatten, är halten av tungt vatten högre, och i Antarktis och på Grönlands is närvaron är minimal [7] . Numera har en hypotes framförts att tungt vatten kan finnas i bottenis [8] [9] [10] . Det finns dock ingen bekräftelse på denna hypotes.

Biologisk roll och fysiologisk påverkan

Tungt vatten är endast något giftigt, kemiska reaktioner i dess omgivning är något långsammare jämfört med vanligt vatten, vätebindningar som involverar deuterium är något starkare än vanligt, men på grund av en dubbel skillnad i massan av lätta och tunga nuklider, förändras kinetiken avsevärt ( saktar ner från deuterium) pågående jonbytesprocesser. Experiment på däggdjur (möss, råttor, hundar) [11] visade att ersättning av 25 % av väte i vävnader med deuterium leder till sterilitet, ibland irreversibel [12] [13] . Högre koncentrationer leder till snabb död hos djuret; alltså däggdjur som drack tungt vatten i en vecka dog när hälften av vattnet i deras kropp deutererades; fiskar och ryggradslösa djur dör endast med 90 % deuteration av vatten i kroppen [14] . Protozoer kan anpassa sig till en 70% lösning av tungt vatten, medan alger och bakterier kan leva även i rent tungt vatten [11] [15] [16] [17] [18] . En person kan dricka flera glas tungt vatten utan synlig skada på hälsan, allt deuterium kommer att tas bort från kroppen om några dagar. Så, i ett av experimenten för att studera förhållandet mellan den vestibulära apparaten och ofrivilliga ögonrörelser ( nystagmus ), ombads frivilliga att dricka från 100 till 200 gram tungt vatten; som ett resultat av absorptionen av tätare tungt vatten av cupula (en gelatinös struktur i de halvcirkelformade kanalerna ), störs dess neutrala flytförmåga i kanalernas endolymfa, och mindre störningar i rumslig orientering uppstår, i synnerhet nystagmus. Denna effekt liknar den som uppstår när man tar alkohol (i det senare fallet minskar dock kupolens densitet, eftersom densiteten av etylalkohol är mindre än densiteten för vatten) [19] . Tungt vatten är alltså mycket mindre giftigt än till exempel bordssalt . Tungt vatten har använts för att behandla hypertoni hos människor i dagliga doser från 10 till 675 g D 2 O per dag [20] .

Människokroppen innehåller som en naturlig förorening lika mycket deuterium som 5 gram tungt vatten; detta deuterium ingår huvudsakligen i HDO-halvtunga vattenmolekyler, såväl som i alla andra biologiska föreningar som innehåller väte.

Vissa människor noterar att tungt vatten smakar sött; vetenskaplig bekräftelse på detta faktum publicerades 2021. Det har konstaterats att den söta smaken av tungt vatten ungefär sammanfaller med smaken av en 0,05 M sackaroslösning i vanligt vatten (17 g/l, eller en halv tesked socker per glas vatten) [2] .

Viss information

Tungt vatten ansamlas i resten av elektrolyten under upprepad elektrolys av vatten. I det fria absorberar tungt vatten snabbt ångorna från vanligt vatten, så vi kan säga att det är hygroskopiskt . Produktionen av tungt vatten är mycket energikrävande, så kostnaden är ganska hög. 1935, omedelbart efter upptäckten av tungt vatten, var priset cirka 19 dollar per gram [21] . För närvarande tungt vatten med en deuteriumhalt på 99% vid. , som säljs av kemikalieleverantörer, kostar cirka 1 euro per gram för 1 kg [22] , men detta pris avser en produkt med en kontrollerad och garanterad kvalitet på det kemiska reagenset; med lägre kvalitetskrav kan priset vara en storleksordning lägre.

Det finns en myt bland befolkningen att när naturligt vatten kokas under en lång tid ökar koncentrationen av tungt vatten i det, vilket förmodligen kan vara skadligt för hälsan, på grund av publiceringen av V. V. Pokhlebkins antagande i boken "Tea. Dess typer, egenskaper, användning”, publicerad 1968 [23] . I verkligheten är ökningen av koncentrationen av tungt vatten under kokning försumbar. Akademikern Igor Vasilievich Petryanov-Sokolov beräknade en gång hur mycket vatten som skulle avdunsta från en vattenkokare för att deuteriumhalten skulle öka märkbart i återstoden. Det visade sig att för att få 1 liter vatten, där koncentrationen av deuterium är 0,15%, det vill säga endast 10 gånger högre än den naturliga, måste totalt 2,1⋅10 30 ton vatten tillsättas vattenkokaren, som är 300 miljoner gånger högre än jordens massa [24] . Ökningen av koncentrationen av lösta salter, övergången av ämnen från diskens väggar till lösningen och den termiska nedbrytningen av organiska föroreningar har en mycket starkare effekt på vattnets smak och egenskaper under kokning.

Får

Kostnaden för att producera tungt vatten bestäms av kostnaden för energi. Därför, när man berikar tungt vatten, används successivt olika tekniker - till en början används billigare tekniker, med större förluster av tungt vatten och i slutet mer energikrävande, men med mindre förlust av tungt vatten.

Från 1933 till 1946 var den enda anrikningsmetoden som användes elektrolys . Därefter uppträdde tekniker för korrigering av flytande väte och isotoputbyte i system: väte - flytande ammoniak , väte - vatten, vätesulfid - vatten. Modern massproduktion i ingående ström använder vatten destillerat från elektrolyten från elektrolytiska väteproduktionsbutiker, med en halt av 0,1-0,2% tungt vatten.

I det första koncentrationssteget används en tvåtemperaturs motströmsvätesulfidteknologi för isotopbyte , utgående koncentration av tungt vatten är 5–10%. Vid den andra kaskadelektrolysen av en alkalilösning vid en temperatur av cirka 0 ° C är uteffektkoncentrationen av tungt vatten 99,75-99,995%.

Kanada är världens största producent av tungt vatten, vilket är förknippat med användningen av CANDU tungvattenkärnreaktorer i sin energisektor .

Applikation

Den viktigaste egenskapen hos tungt vätevatten är att det praktiskt taget inte absorberar neutroner , därför används det i kärnreaktorer för att moderera neutroner och som kylmedel. Det används också som en isotopindikator inom kemi , biologi och hydrologi , jordbrukskemi, etc. (inklusive experiment med levande organismer och mänskliga diagnostiska studier). Inom partikelfysik används tungt vatten för att detektera neutriner ; Således innehåller den största solneutrinodetektorn SNO (Kanada) 1000 ton tungt vatten.

Deuterium är ett kärnbränsle för framtidens energi, baserat på kontrollerad termonukleär fusion. I de första kraftreaktorerna av denna typ är det tänkt att den ska utföra reaktionen D + T → 4 He + n + 17,6 MeV [25] .

I vissa länder (till exempel i Australien ) är den kommersiella cirkulationen av tungt vatten underställd statliga restriktioner, vilket är förknippat med den teoretiska möjligheten att använda det för att skapa "otillåtna" naturliga uranreaktorer som är lämpliga för att producera plutonium av vapenkvalitet .

Andra typer av tungt vatten

Lätt tungt vatten

Halvtungt vatten särskiljs också (även känt som deuteriumvatten , monodeuteriumvatten , deuteriumhydroxid ), där endast en väteatom ersätts av deuterium. Formeln för sådant vatten skrivs enligt följande: DHO eller ²HHO. Vatten med den formella sammansättningen DHO kommer på grund av isotopbytesreaktioner faktiskt att bestå av en blandning av DHO-, D2O- och H2O- molekyler ( i ett förhållande av ungefär 2:1:1). Denna anmärkning gäller även för THO och TDO.

Supertungt vatten

Supertungt vatten innehåller tritium , som har en halveringstid på över 12 år. När det gäller egenskaperna skiljer sig supertungt vatten ( T 2 O ) ännu mer märkbart från vanligt vatten: det kokar vid 104 °C, fryser vid +9 °C och har en densitet på 1,21 g/cm³ [26] . Kända (det vill säga erhållna i form av mer eller mindre rena makroskopiska prover) är alla nio varianter av supertungt vatten: THO, TDO och T 2 O med var och en av de tre stabila syreisotoperna ( 16 O, 17 O och 18 O) . Ibland kallas supertungt vatten helt enkelt som tungt vatten, om det inte kan orsaka förvirring. Supertungt vatten har en hög radiotoxicitet .

Modifieringar av tunga syreisotoper i vatten

Termen tungt vatten används också i förhållande till tungt syrevatten, där det vanliga lätta syre 16 O ersätts av en av de tunga stabila isotoper 17 O eller 18 O. Tunga syreisotoper finns i en naturlig blandning, därför i naturliga vatten finns det alltid en blandning av både tunga syremodifieringar. Deras fysikaliska egenskaper skiljer sig också något från de hos vanligt vatten; således är fryspunkten för 1 H 2 18 O +0,28 °C [5] .

Tungt syrevatten, i synnerhet, 1 H 2 18 O, används vid diagnos av onkologiska sjukdomar (fluor-18-isotopen erhålls från det vid cyklotronen, som används för att syntetisera läkemedel för diagnos av onkologiska sjukdomar, i synnerhet 18-fdg ).

Det totala antalet isotopiska modifieringar av vatten

Om vi räknar alla möjliga icke-radioaktiva föreningar med den allmänna formeln H 2 O, är det totala antalet möjliga isotopiska modifieringar av vatten nio (eftersom det finns två stabila isotoper av väte och tre av syre):

H 2 16 O - lätt vatten, eller bara vatten
H 2 17 O
H 2 18 O - tungt syrevatten
HD 16 O - halvtungt vatten
HD 17O _
HD 18O _
D 2 16 O - tungt vatten
D217O _ _ _
D218O _ _ _

Med tritium ökar deras antal till 18:

T 2 16 O - supertungt vatten
T 2 17O _
T 2 18O _
DT 16O _
DT 17O _
DT 18O _
HT 16O _
HT 17O _
HT 18O _

Utöver det vanliga "lätta" vattnet 1 H 2 16 O, som är det vanligaste i naturen , finns det alltså totalt 17 tyngre vatten - 8 stabila och 9 radioaktiva.

Totalt är det totala antalet möjliga "vatten", med hänsyn tagen till alla kända isotoper av väte (7) och syre (17), formellt lika med 476. Men sönderfallet av nästan alla radioaktiva isotoper av väte och syre sker på sekunder eller bråkdelar av en sekund (ett viktigt undantag är tritium, vars halveringstid är över 12 år ). Till exempel lever alla tyngre än tritiumisotoper av väte i storleksordningen 10 −20 s ; under denna tid hinner inga kemiska bindningar helt enkelt bildas, och följaktligen finns det inga vattenmolekyler med sådana isotoper. Syreradioisotoper har halveringstider som sträcker sig från några tiotals sekunder till nanosekunder. Därför kan makroskopiska prover av vatten med sådana isotoper inte erhållas, även om molekyler och mikroprover kan erhållas. Intressant nog är några av dessa kortlivade radioisotopmodifieringar av vatten lättare än vanligt "lätt" vatten (t.ex. 1 H 2 15 O).

Litteratur

Isotopanalys av vatten. 2:a uppl. - M .: Förlag för USSR:s vetenskapsakademi, 1957.
Andreev B. M., Zelvensky Ya. D., Katalnikov S. G. Tunga isotoper av väte i kärnteknik. 2:a uppl. — M.: Förlag, 2000.

Anteckningar

↑ Petryanov I.V. Det mest ovanliga ämnet // Kemi och liv . - 1965. - Nr 3 . - S. 2-14 .
↑ 1 2 Ben Abu N. et al. Söt smak av tungt vatten (engelska) // Communications Biology. - 2021. - Vol. 4 , iss. 1 . — S. 1–10 . — ISSN 2399-3642 . - doi : 10.1038/s42003-021-01964-y . Arkiverad från originalet den 13 augusti 2021.
↑ Källa . Datum för åtkomst: 17 december 2014. Arkiverad från originalet 3 mars 2016. (obestämd)
↑ Dokumentprotokoll nr 9 från mötet i specialkommittén under rådet för folkkommissarier i Sovjetunionen. Moskva, Kreml 30 november 1945 i Wikisource
↑ 1 2 Chaplin M. Vattenegenskaper . — Vattenstruktur och vetenskap.
↑ Zelvensky Ya. D. Deuterium // Chemical Encyclopedia : i 5 volymer / Ch. ed. I. L. Knunyants . - M .: Soviet Encyclopedia , 1990. - T. 2: Duff - Medi. - S. 16-17. — 671 sid. — 100 000 exemplar. — ISBN 5-85270-035-5 .
↑ Alekseev V. R. Denna mystiska vanliga is // Vetenskap och teknik i Yakutia. - 2019. - Utgåva. 2 (37) . - S. 98-106 . - doi : 10.24411/1728-516X-2019-10050 . Arkiverad från originalet den 29 januari 2021.
↑ Adzhiev M. E. Fenomenet med kryogen koncentration av tungt vatten // Material för glaciologiska studier. - T. 65. 1989. S. 65
↑ Adzhiev M.E. Varning, tungt vatten! Arkiverad 29 augusti 2020 på Wayback Machine // Science and Life. 1988, nr 10
↑ Adzhiev M. E. Tungt vatten? Varför inte! Arkiverad kopia av 8 augusti 2018 på Wayback Machine - M .: Knowledge. 1989, nr 3.
↑ 1 2 D. J. Kushner, Alison Baker och T. G. Dunstall. Farmakologiska användningar och perspektiv av tungt vatten och deutererade föreningar (engelska) // Can. J Physiol. Pharmacol. : journal. - 1999. - Vol. 77 , nr. 2 . - S. 79-88 . - doi : 10.1139/cjpp-77-2-79 . — PMID 10535697 . Arkiverad från originalet den 5 mars 2016. . - "används i borneutroninfångningsterapi ... D 2 O är giftigare för maligna än normala djurceller ... Protozoer kan motstå upp till 70 % D 2 O. Alger och bakterier kan anpassa sig för att växa i 100 % D 2 O".
↑ Lobyshev V. N., Kalinichenko L. P. Isotopeffekter av D 2 O i biologiska system. — M .: Nauka, 1978. — 215 sid.
↑ Vertes A. Fysiologiska effekter av tungt vatten. Element och isotoper: bildning, transformation, distribution (engelska) . Dordrecht: Kluwer Acad. Publ., 2004. - 112 sid.
↑ Trotsenko, YA, Khmelenina, VN, Beschastny, AP (1995) The Ribulose Monophosphate (Quayle) Cycle: News and Views. Microbial Growth on C1 Compounds, i: Proceedings of the 8th International Symposium on Microbial Growth on C1 Compounds (Lindstrom ME, Tabita FR, eds.). San Diego (USA), Boston: Kluwer Academic Publishers, s. 23-26
↑ Mosin O. V., Shvets V. I., Skladnev D. A., Ignatov I. Mikrobiell syntes av deuteriummärkt L-fenylalanin av den fakultativa metylotrofiska bakterien Brevibacterium Methylicum på media med olika koncentrationer av tungt vatten // Biopharmaceutical Journal. - 2012. - V. 4 , nr. 1 . - S. 11-22 .
↑ Mosin O. V., Ignatov I. Deuterium-isotopeffekter i bakterie- och mikroalgceller under tillväxt på tungt vatten (D 2 O) // Vatten: kemi och ekologi. - 2012. - Utgåva. 3 . - S. 83-94 .
↑ Crespi HL Helt deutererade mikroorganismer: verktyg för magnetisk resonans och neutronspridning. Syntes och tillämpningar av isotopiskt märkta föreningar / i: Proceedings of an International Symposium. Baillie T, Jones JR eds. Amsterdam: Elsevier. 1989. s. 329-332.
↑ Mosin OV, Ignatov I. Mikrobiologisk syntes av 2H -märkt fenylalanin, alanin, valin och leucin/isoleucin med olika grader av deuteriumberikning genom den grampositiva fakultativa metylotrofiska bakterien Methylotrophic Bacterium of Biorevibacterium/Biorevibacterium International . - 2013. - Vol. 3 , iss. 2 . - S. 132-138 .
↑ Money KE, Myles WS Tungvattennystagmus och effekter av alkohol // Nature . - 1974. - Vol. 247 , nr. 5440 . - S. 404-405 . - doi : 10.1038/247404a0 . — . — PMID 4544739 .
↑ US-patent nr 5 223 269, 29 juni 1993. Metod och sammansättning för behandling av hypertoni . Beskrivning av patentet på US Patent and Trademark Offices webbplats .
↑ Farmakolog dricker tungt vatten i experiment (eng.) (otillgänglig länk) . Science News Staff (9 februari 1935). Hämtad 7 september 2013. Arkiverad från originalet 9 september 2013.
↑ Deuteriumoxid, 99 atom % D | D2O | Sigma Aldrich
↑ Finns deuterium i en tekanna? // Kemi och liv . - 1969. - Nr 2 . - S. 24-25 .
↑ Ilya Leenson. Tungt vatten . Encyclopedia Around the World. Hämtad 7 september 2013. Arkiverad från originalet 31 juli 2019. (obestämd)
↑ Andreev B. M., Zelvensky Ya. D., Katalnikov S. G. Tunga isotoper av väte inom kärnteknik. — M .: Energoatomizdat, 1987.
↑ Zelvensky Ya. D. Tritium // Chemical Encyclopedia : i 5 volymer / Ch. ed. N.S. Zefirov . - M . : Great Russian Encyclopedia , 1998. - V. 5: Tryptofan - Iatrokemi. - S. 5-7. — 783 sid. — 10 000 exemplar. — ISBN 5-85270-310-9 .

Ordböcker och uppslagsverk	Stor dansk Stor katalanska Stor norsk Stor ryss runt världen Britannica (online)
I bibliografiska kataloger	BNF : 12152774m GND : 4149228-6 J9U : 987007550419805171 LCCN : sh85037319