Težka voda (devterijev oksid D2O) – definicija, lastnosti in uporaba

Težka voda (devterijev oksid, ²
H
_2O, D
_2O) je oblika vode na osnovi devterija. Vsebuje večjo količino vodikovega izotopa devterija kot običajno (D ali težki vodik), medtem ko navadna voda vsebuje pretežno izotop vodika-1 (H ali protim). Zaradi večje atomske mase devterija se lastnosti devterijevega oksida razlikujejo od običajne (lahke) vode: pojavijo se razlike v gostoti, tališču, vrelišču, viskoznosti in kemijski kinetiki reakcij. Težka voda se uporablja predvsem kot moderator nevtronov v nekaterih jedrskih reaktorjih, kot so reaktorji CANDU. Čista težka voda ni radioaktivna, vendar lahko postane rahlo radioaktivna, če je izpostavljena delcem v jedrskem reaktorju.

Fizikalne in kemijske lastnosti

Glavne fizikalne značilnosti težke vode v primerjavi z navadno vodo:

Gostota: D2O je gostejša; pri 25 °C je gostota približno 1,105 g/cm³ (navadna voda ~0,997 g/cm³).
Tališče in vrelišče: Tališče D2O je približno 3,8 °C višje, vrelišče pa približno 1,5 °C višje kot pri H2O.
Viskoznost in površinska napetost: nekoliko višji kot pri navadni vodi.
Spektralne lastnosti: vibracijski in rotacijski spektri se premaknejo zaradi drugačne mase jedra, kar je koristno pri spektroskopiji in študijah dinamike molekul.
Kemijska kinetika: presnovne in kemijske reakcije z devterijem potekajo običajno počasneje (izotopni učinek), kar vpliva na hitrosti reakcij in ravnovesne konstante.

Pridobivanje in obogatitev

Devetrij se pojavlja v naravi v sledovih (približno 0,015 % vodika v morjski vodi). Glavne metode pridobivanja in obogatitve težke vode so:

Destilacija in frakcioniranje: zaradi majhnih razlik v vreliščih H2O in D2O je mogoče postopoma koncentirati devterij.
Elektroliza: počasno elektroliziranje vode ob koncentriranju vodika pripelje do povišane vsebnosti devterija v preostali tekočini.
Girdlerjev žveplov proces (Girdler sulfide): industrijski postopek, ki izkorišča izotopne izmenjave med vodo in vodikovim sulfidom pri različnih temperaturah.
Membranske in izmenjevalne tehnologije: nove metode za učinkovitejše ločevanje izotopov.

Uporaba

Jedrski reaktorji: glavna uporaba je kot nevtronski moderator v reaktorjih, kjer D2O manj absorbira upočasnjene nevtrone kot običajna voda, zato omogoča uporabo neobogatenega urana kot goriva in podaljšuje življenjsko dobo loma nevtronov.
Raziskave in kemija: D2O se uporablja kot topilo za nuklearno magnetno resonanco (NMR), v spektroskopiji IR in za izotopno označevanje pri študijah reakcijskih mehanizmov.
Biološke študije: sledni deleži devterija služijo kot sledi v metabolnih študijah, fotosintezi in dinamiki vode v organizmih.
Kalibracija in standardi: v analitičnih metodah in inženirskih aplikacijah za merjenje transportnih pojavov.

Varnost in biološki učinki

V manjših količinah je izpostavljenost težki vodi za ljudi in večino organizmov neškodljiva. Vendar pa dolgotrajna zamenjava velikega deleža telesne vode z D2O moti biokemijske procese. Pri koncentracijah nad približno 20–25 % je pri sesalcih lahko opazna toksčnost, pri skoraj popolni zamenjavi pa življenje ni možno. Zato je treba z D2O ravnati previdno, predvsem v laboratorijih in industrijskih okoljih.

Zgodovina in razširjenost

Devterij je bil odkrit leta 1931 (Harold Urey in sodelavci), kmalu zatem pa je bila izolirana tudi težka voda. V naravi je razmerje D/H nizko, zato je težka voda relativno redka in draga za proizvodnjo v čistih količinah.

Radioaktivnost in ravnanje po izpostavitvi v reaktorju

Čista D2O ni radioaktivna. Če pa tekočina kroži skozi jedrski reaktor, se lahko zlahka začne tvotiti aktivnost zaradi zajema nevtronov in tvorbe radioaktivnih izotopov v sledovih nečistoč ali v sami mreži. Po takšni uporabi je potrebno varno skladiščenje in nadzor aktivnosti, dokler se radioaktivnost ne zmanjša na sprejemljive vrednosti.

Sklep

Težka voda (devterijev oksid, D2O) je kemično podobna navadni vodi, vendar z značilnimi razlikami, ki izhajajo iz večje mase devterija. Zaradi svojih lastnosti je ključna v jedrski tehnologiji kot učinkovit moderator nevtronov, hkrati pa najde široko rabo v znanstvenih raziskavah. Zaradi stroškov pridobivanja in možnih bioloških tveganj se její uporaba omejuje in nadzoruje.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je težka voda?

O: Težka voda je oblika vode na osnovi devterija, ki ima večjo količino vodikovega izotopa, imenovanega devterij (2H ali D), kot je običajno.

V: V čem se težka voda razlikuje od običajne "lahke" vode?

O: Prisotnost devterija daje težki vodi drugačne jedrske lastnosti, njena večja masa pa ji daje drugačne fizikalne in kemijske lastnosti v primerjavi z navadno lahko vodo.

V: Kako se težka voda uporablja?

O: Težka voda se uporablja kot moderator nevtronov v nekaterih jedrskih reaktorjih, kot so reaktorji CANDU. Uporablja se lahko tudi za uporabo neobogatenega urana kot goriva.

V: Ali je čista težka voda radioaktivna?

O: Ne, čista težka voda ni radioaktivna, ker je devterij stabilen izotop. Če pa je šla skozi jedrski reaktor, bo rahlo radioaktivna.

V: Ali lahko ljudje preživijo samo s težko vodo namesto z navadno lahko vodo?

O: Ne, kemija težke vode je dovolj drugačna, da ljudje ne morejo preživeti samo s to vrsto H2O namesto z navadno lahko vodo.

V: Ali so majhne količine težke vode strupene za ljudi?

O: Ne, majhne količine niso strupene za ljudi in ljudje lahko za presnovne poskuse običajno spijejo več gramov, ne da bi pri tem zboleli.