Sunkusis vanduo (deuterio oksidas): apibrėžimas, savybės ir panaudojimas

Sužinokite apie sunkųjį vandenį (deuterio oksidą): savybės, fizikinės ir cheminės ypatybės, panaudojimas branduolinėse technologijose ir saugos aspektai.

Sunkusis vanduo (deuterio oksidas, ²
H
_2O, D
_2O) yra vandens forma, kurios pagrindą sudaro deuteris.

Jame yra daugiau nei įprastai vandenilio izotopo deuterio (²
H arba D, dar vadinamo sunkiuoju vandeniliu). Įprastame vandenyje yra įprasto vandenilio-1 izotopo (¹
H arba H, dar vadinamas protu). Jis sudaro didžiąją dalį vandenilio įprastame vandenyje. Deuterio buvimas suteikia cheminei medžiagai kitokių branduolinių savybių, o masės padidėjimas suteikia jam kitokių fizikinių ir cheminių savybių, palyginti su įprastu "lengvuoju vandeniu". Kai kuriuose branduoliniuose reaktoriuose, pavyzdžiui, CANDU reaktoriuose, sunkusis vanduo naudojamas kaip neutronų moderatorius. Jis yra efektyvesnis neutronų lėtintojas nei paprastas vanduo, todėl kaip kurą galima naudoti nepraturtintą uraną. Grynas sunkusis vanduo nėra radioaktyvus, tačiau sunkusis vanduo, kuris buvo patekęs į branduolinį reaktorių, yra šiek tiek radioaktyvus.

Fizinės savybės

• Tankis: sunkusis vanduo yra tankesnis už įprastą vandenį — maždaug 1,105 g/cm³ (priklausomai nuo temperatūros), todėl jis nusėda žemiau lengvo vandens.
• Virimo ir užšalimo temperatūra: D2O virimo temperatūra yra kiek aukštesnė (~101,4 °C) ir užšalimo temperatūra taip pat aukštesnė (~3,8 °C) nei H2O.
• Molekulinė masė: apie 20,03 g/mol, palyginti su įprasto vandens ~18,02 g/mol.
• Fizikinės savybės: didesnė klampumas, kitoks paviršiaus įtempimas ir šiluminės savybės dėl sunkesnių izotopų.

Cheminės savybės ir izotopiniai efektai

Deuteris turi papildomą neutroną lyginant su protiu; tai keičia reakcijų kinetiką ir chemines pusiausvyras. Dėl vadinamojo izotopinio ar kinetinio izotopinio efekto cheminės reakcijos, kuriose aktyviai dalyvauja vandenilis prie D, vyksta lėčiau. Tai pasireiškia, pavyzdžiui, stabilesnėmis O–D ryšio pusiausvyromis ir mažesniais reakcijos greičiais lyginant su O–H ryšiais.

Gamyba ir natūralūs šaltiniai

• Natūrali koncentracija: Žemės vandenyse deuterio koncentracija yra labai maža — apie 0,015% (maždaug 150 ppm) viso vandenilio.
• Pramoninė gamyba: sunkusis vanduo gaminamas izotopine atskirtimi: frakcionuota distiliacija, elektrolizė, cheminės mainų procedūros (pvz., Girdler sulfide procesas, vandens–vandenilio darinių mainai) — pastarieji ypač naudojami dideliems kiekiams gauti.
• Gryninimas: siekiant gauti aukštos grynumo D2O (pvz., >99,7%) gali prireikti kelių atskyrimo etapų; tai brangus procesas, todėl sunkusis vanduo yra reikšmingai brangesnis už įprastą.

Panaudojimas

• Branduoliniai reaktoriai: kaip minėta, D2O naudojamas kaip neutronų moderatorius ir kai kuriais atvejais kaip aušintuvas. Dėl mažesnio neutronų sugėrimo nei H2O, leidžia naudoti natūralų arba mažai praturtintą uraną.
• Mokslo ir laboratorijų tyrimai: D2O ir deuteruotos medžiagos naudojamos izotopiniams tyrimams, reakcijų mechanizmų nustatymui ir kaip stabilus izotopinis žymeklis metabolizmo, ekologijos bei geochemijos tyrimuose.
• NMR spektroskopija: deuteruoti tirpikliai (įskaitant D2O) naudojami branduolių magnetinio rezonanso (NMR) analizėje, nes deuteris neturi protoninio signalo, kuris trukdytų matuoti organinių protonų spektrus; D2O taip pat naudojamas kaip „lock“ signalo šaltinis.
• Biomedicininės taikymo sritys: deuterio žymekliai naudojami farmakokinetikos tyrimuose; kai kuriais atvejais deuteruotos vaistų molekulės pasižymi kitokia metaboline stabilumu.
• Analitika ir pramonė: naudojamas cheminėms sintezėms, kur reikalinga mažesnė jautrumo protoniniams mainams zona arba norint ištirti reakcijų mechanikas.

Biologinis poveikis ir sauga

Mažos deuterio koncentracijos organizme yra natūralios ir nekelią pavojaus. Tačiau reikšmingas kūno vandenų pakeitimas D2O (keliolika procentų ir daugiau) trukdo ląstelių dalijimuisi ir biocheminėms reakcijoms; esant labai aukštai koncentracijai (artimai 100% kūno vandens pakeitimui), tai gali būti mirtina. Praktinėje laboratorijoje D2O laikomas cheminiu reagentu: reikia vengti kontakto su akimis ir oda, dirbti gerai vėdinamose patalpose bei laikytis atliekų tvarkymo reikalavimų. Kaip nurodyta anksčiau, grynas D2O nėra radioaktyvus, tačiau sunkusis vanduo, eksploatuotas branduoliniame reaktoriuje, gali būti radioaktyviai aktyvuotas ir turi būti tvarkomas kaip radioaktyvios atliekos.

Matuokliai ir žymėjimas

Deuterio kiekis tirpaluose nustatomas masių spektrometrija, NMR, infraraudonųjų spindulių spektroskopija ir procesų kontroliuojamais cheminiais mainais. Tyrimuose dažnai naudojami ir deuteruoti reagentai bei standartai kiekybiniam analizavimui.

Istorija ir kiti pastebėjimai

Deuteris buvo atrastas 1931 m. Haroldo Urey ir jo kolegų, už ką Urey 1934 m. gavo Nobelio premiją. Sunkusis vanduo tapo svarbus tiek fundamentiniams moksliniams tyrimams, tiek praktiniam pritaikymui energetikoje ir laboratorijose. Nors D2O turi unikalių savybių ir daug naudingų taikymų, dėl kainos ir biologinio poveikio jo naudojimas yra kontroliuojamas ir paskirstomas atsižvelgiant į saugos reikalavimus.

Santrauka

Sunkusis vanduo (deuterio oksidas, D2O) yra vandens izotopinė forma, kurioje vandenilis pakeistas sunkesniu deuteriu. Jis turi skirtingas fizines ir chemines savybes nei įprastas vanduo, naudojamas branduolinėje energetikoje, mokslo tyrimuose ir analitikoje. Nors pats nėra radioaktyvus, jo adaptacijos branduolinėje aplinkoje gali sukelti radioaktyvumą, o didelės D2O koncentracijos organizme yra kenksmingos.

Klausimai ir atsakymai

Klausimas: Kas yra sunkusis vanduo?

K: Kuo sunkusis vanduo skiriasi nuo įprasto "lengvojo" vandens?

K: Kaip naudojamas sunkusis vanduo?

K: Ar grynas sunkusis vanduo yra radioaktyvus?

Klausimas: Ar žmonės gali išgyventi naudodami tik sunkųjį vandenį vietoj įprasto lengvojo?

K.: Ar nedideli sunkaus vandens kiekiai yra toksiški žmonėms?

Paieška pagal raidę