Tungt vand

Tungt vand - Dette udtryk bruges normalt til at henvise til tungt brintvand , også kendt som deuteriumoxid . Tungbrintvand har samme kemiske formel som almindeligt vand, men i stedet for to atomer af den sædvanlige lette isotop af brint ( protium ), indeholder det to atomer af den tunge brintisotop, deuterium, og dets ilt i isotopsammensætning svarer til luft ilt [1] . Formlen for tungt brintvand skrives normalt som D 2 O eller 2 H 2 O. Udadtil ser tungt vand ud som almindeligt - en farveløs, lugtfri væske, men med en sødlig smag [2] . Ikke radioaktivt .

Opdagelseshistorie

Molekyler af tungt brintvand blev først opdaget i naturligt vand af Harold Urey i 1932 , som videnskabsmanden blev tildelt Nobelprisen i kemi for i 1934. Så tidligt som i 1933 var Gilbert Lewis den første til at isolere rent tungt brintvand. Under elektrolyse af almindeligt vand, som sammen med almindelige vandmolekyler indeholder en ubetydelig mængde molekyler af halvtungt vand (HDO) og en endnu mindre mængde tungtvandsmolekyler (D 2 O), inklusive en tung isotop af brint , bliver resten gradvist beriget med molekyler af disse forbindelser. Fra en sådan rest, efter gentagen elektrolyse, lykkedes Lewis at isolere en lille mængde vand, bestående næsten 100% af molekylerne af oxygenforbindelse med deuterium og kaldet tung. Denne metode til produktion af tungt vand forbliver den vigtigste selv nu, selvom den hovedsageligt bruges i det sidste trin af berigelse fra 5-10 % til >99 % (se nedenfor).

Efter opdagelsen af nuklear fission i slutningen af 1938 og erkendelsen af muligheden for at bruge nuklear fission kædereaktioner fremkaldt af neutroner, opstod der et behov for en neutronmoderator – et stof, der effektivt kan bremse neutronerne uden at miste dem i indfangningsreaktioner. Neutroner modereres mest effektivt af lette kerner, og almindelige brint (protium) kerner skal være den mest effektive moderator, men de har et højt neutronfangst tværsnit . Tværtimod fanger tungt brint meget få neutroner (det termiske neutronfangst tværsnit for protium er mere end 100 tusind gange højere end for deuterium). Teknisk set er den mest bekvemme forbindelse af deuterium tungt vand, og det kan også tjene som et kølemiddel, der fjerner den frigivne varme fra det område, hvor fissionskædereaktionen opstår. Fra atomkraftens tidligste dage har tungt vand været en vigtig ingrediens i nogle reaktorer, både kraftgenererende og dem, der er designet til at producere plutoniumisotoper til atomvåben. Disse såkaldte tungtvandsreaktorer har den fordel, at de kan operere på naturligt (uberiget) uran uden brug af grafitmoderatorer, som i nedlukningsfasen kan udgøre en støveksplosionsfare og indeholde induceret radioaktivitet ( kulstof-14 og en række f.eks. andre radionuklider) [3] . De fleste moderne reaktorer bruger dog beriget uran med normalt "let vand" som moderator, på trods af det delvise tab af modererede neutroner.

Produktion af tungt vand i USSR

Industriel produktion og brug af tungt vand begyndte med udviklingen af atomenergi. I USSR fik projektlederen A.I. Alikhanov til opgave at skabe en tungtvandsreaktor under organisationen af Laboratorium nr. 3 af USSR's Videnskabsakademi ( moderne ITEP ) . Dette førte til behovet for tungt vand, og det tekniske råd i Specialkomitéen under Rådet for Folkekommissærer i USSR udviklede et udkast til dekret fra Rådet for Folkekommissærer i USSR "Om opførelse af semi-industrielle installationer til produktion af produkt 180", arbejdet med oprettelsen af produktive installationer af tungt vand blev betroet lederen af atomprojektet B. L. Vannikov , folkekommissær for den kemiske industri M. G. Pervukhin , repræsentant for statens planlægningskommission N. A. Borisov , folkekommissær for byggeanliggender i USSR S. Z. Ginzburg , Folkekommissær for Mekanisk Teknik og Instrumentering i USSR P. I. Parshin og Folkekommissær for USSR's olieindustri N.K. Baibakov [4] . M. I. Kornfeld , leder af sektoren for laboratorie nr. 2 af USSR Academy of Sciences , blev chefkonsulent i spørgsmål om tungt vand .

Egenskaber

egenskaber ved tungt vand

Entalpi af dannelse ΔH	−294,6 kJ/mol (l) (ved 298 K)
Gibbs dannelsesenergi G	−243,48 kJ/mol (l) (ved 298 K)
Entropi af formation S	75,9 J/mol K (l) (ved 298 K)
Kritisk tæthed	0,363 g/cm³

Sammenligning af karakteristika for tungt, halvtungt og almindeligt vand [5]

Parameter	D2O _ _	HDO	H2O _ _
Smeltepunkt, °C	3,82	2.04	0,00
Kogepunkt, °C	101,42	100,7	99,974
Massefylde ved 20 °C, g/cm³	1,1056	1.054	0,9982
Væskedensitet ved smeltepunkt, g/cm³	1,10546	—	0,99984
Isdensitet ved smeltepunkt, g/cm³	1,0175	—	0,91672
Maksimal densitetstemperatur, °C	11.6	—	4.0
Viskositet ved 20 °C, centipoise	1,2467	1,1248	1,0016
Overfladespænding ved 25 °C, dyne cm	71,87	71,93	71,98
Molært fald i volumen under smeltning, cm³ / mol	1.567		1.634
Molær fusionsvarme , kcal /mol	1.515		1.436
Molær fordampningsvarme , kcal/mol	10,864	10,757	10,515
pH ved 25 °C	7,41	7,266	7.00

At være i naturen

I naturlige farvande udgør et deuteriumatom 6400-7600 [6 ] protiumatomer . Næsten alt er i sammensætningen af molekylerne af halvtungt vand DHO, et sådant molekyle falder på 3200-3800 molekyler let vand. Kun en meget lille del af deuteriumatomer danner tungtvandsmolekyler D 2 O, da sandsynligheden for at to deuteriumatomer mødes i sammensætningen af et molekyle i naturen er lille (ca. 0,5⋅10 −7 ). Med en kunstig stigning i koncentrationen af deuterium i vand øges denne sandsynlighed.

Tungt vand findes i naturen i næsten alle naturlige reservoirer, men dets indhold er milliontedele af en procent. Samtidig er indholdet af tungt vand i isolerede reservoirer i områder, hvor der observeres varme klimatiske forhold, samt i de oceaniske farvande i ækvator og troperne højere, og i Antarktis og i Grønlands is er det tilstedeværelsen er minimal [7] . Nu om dage er der fremsat en hypotese om, at tungt vand kan være indeholdt i bundisen [8] [9] [10] . Der er dog ingen bekræftelse af denne hypotese.

Biologisk rolle og fysiologisk indvirkning

Tungt vand er kun lidt giftigt, kemiske reaktioner i dets omgivelser er noget langsommere sammenlignet med almindeligt vand, hydrogenbindinger, der involverer deuterium, er lidt stærkere end normalt, men på grund af en dobbelt forskel i massen af lette og tunge nuklider, ændres kinetikken betydeligt ( bremser fra deuterium) igangværende ionbytningsprocesser. Eksperimenter på pattedyr (mus, rotter, hunde) [11] viste, at udskiftning af 25 % af brint i væv med deuterium fører til sterilitet, nogle gange irreversibel [12] [13] . Højere koncentrationer fører til hurtig død af dyret; således døde pattedyr , der drak tungt vand i en uge, når halvdelen af vandet i deres krop blev deuteret; fisk og hvirvelløse dyr dør kun med 90% deuteration af vand i kroppen [14] . Protozoer er i stand til at tilpasse sig en 70% opløsning af tungt vand, mens alger og bakterier er i stand til at leve selv i rent tungt vand [11] [15] [16] [17] [18] . En person kan drikke flere glas tungt vand uden synlig skade på helbredet, alt deuterium vil blive fjernet fra kroppen om et par dage. Så i et af eksperimenterne for at studere forholdet mellem det vestibulære apparat og ufrivillige øjenbevægelser ( nystagmus ) blev frivillige bedt om at drikke fra 100 til 200 gram tungt vand; som følge af cupulas optagelse af tættere tungt vand (en gelatinøs struktur i de halvcirkelformede kanaler ) forstyrres dens neutrale opdrift i kanalernes endolymfe, og der opstår lette forstyrrelser i den rumlige orientering, især nystagmus. Denne effekt svarer til den, der opstår, når man tager alkohol (i det sidste tilfælde falder dog kuppelens tæthed, da densiteten af ethylalkohol er mindre end densiteten af vand) [19] . Tungt vand er således meget mindre giftigt end for eksempel bordsalt . Tungt vand er blevet brugt til at behandle hypertension hos mennesker i daglige doser fra 10 til 675 g D 2 O om dagen [20] .

Den menneskelige krop indeholder som en naturlig urenhed lige så meget deuterium som 5 gram tungt vand; dette deuterium indgår hovedsageligt i HDO semi-tunge vandmolekyler, såvel som i alle andre biologiske forbindelser, der indeholder brint.

Nogle mennesker bemærker, at tungt vand smager sødt; en videnskabelig bekræftelse af dette faktum blev offentliggjort i 2021. Det er blevet fastslået, at den sødlige smag af tungt vand tilnærmelsesvis falder sammen med smagen af en 0,05 M saccharoseopløsning i almindeligt vand (17 g/l, eller en halv teskefuld sukker pr. glas vand) [2] .

Nogle oplysninger

Tungt vand ophobes i resten af elektrolytten under gentagen elektrolyse af vand. I det fri optager tungt vand hurtigt dampene fra almindeligt vand, så vi kan sige, at det er hygroskopisk . Produktionen af tungt vand er meget energikrævende, så omkostningerne er ret høje. I 1935, umiddelbart efter opdagelsen af tungt vand, var dets pris cirka 19 dollars pr. gram [21] . I øjeblikket er tungt vand med et deuteriumindhold på 99 % kl. , der sælges af kemikalieleverandører, koster omkring 1 euro pr. gram for 1 kg [22] , men denne pris refererer til et produkt med en kontrolleret og garanteret kvalitet af det kemiske reagens; med lavere kvalitetskrav kan prisen være en størrelsesorden lavere.

Der er en myte blandt befolkningen om, at når naturligt vand koges i lang tid, stiger koncentrationen af tungt vand i det, hvilket angiveligt kan være sundhedsskadeligt, på grund af offentliggørelsen af V. V. Pokhlebkins antagelse i bogen "Tea. Dens typer, egenskaber, anvendelse”, udgivet i 1968 [23] . I virkeligheden er stigningen i koncentrationen af tungt vand under kogning ubetydelig. Akademiker Igor Vasilievich Petryanov-Sokolov beregnede engang, hvor meget vand der skulle fordampe fra en kedel, for at deuteriumindholdet kunne stige mærkbart i resten. Det viste sig, at for at opnå 1 liter vand, hvori koncentrationen af deuterium er 0,15%, det vil sige kun 10 gange højere end den naturlige, skal der i alt tilsættes 2,1⋅10 30 tons vand til kedlen, som er 300 millioner gange højere end Jordens masse [24] . Stigningen i koncentrationen af opløste salte, overgangen af stoffer fra skålenes vægge til opløsningen og den termiske nedbrydning af organiske urenheder har en meget stærkere effekt på smagen og egenskaberne af vand under kogning.

Henter

Omkostningerne ved at producere tungt vand er bestemt af omkostningerne til energi. Derfor, når man beriger tungt vand, anvendes successivt forskellige teknologier - i første omgang bruges billigere teknologier, med større tab af tungt vand, og i sidste ende mere energikrævende, men med mindre tab af tungt vand.

Fra 1933 til 1946 var den eneste anvendte berigelsesmetode elektrolyse . Efterfølgende dukkede teknologier til ensretning af flydende brint og isotopudveksling i systemer op: brint - flydende ammoniak , brint - vand, hydrogensulfid - vand. Moderne masseproduktion i inputstrømmen bruger vand destilleret fra elektrolytten fra elektrolytiske brintproduktionsbutikker med et indhold på 0,1-0,2% tungt vand.

I det første koncentrationstrin anvendes en to-temperatur modstrøms hydrogensulfidteknologi til isotopudveksling, udgangskoncentrationen af tungt vand er 5-10%. Ved den anden - kaskadeelektrolyse af en alkaliopløsning ved en temperatur på omkring 0 ° C er udgangskoncentrationen af tungt vand 99,75-99,995%.

Canada er verdens største producent af tungt vand, hvilket er forbundet med brugen af CANDU tungtvands atomreaktorer i sin energisektor .

Ansøgning

Den vigtigste egenskab ved tungt brintvand er, at det praktisk talt ikke absorberer neutroner , derfor bruges det i atomreaktorer til at moderere neutroner og som kølemiddel. Det bruges også som en isotopindikator i kemi , biologi og hydrologi , landbrugskemi osv. (herunder eksperimenter med levende organismer og humane diagnostiske undersøgelser). I partikelfysik bruges tungt vand til at detektere neutrinoer ; Den største solneutrino-detektor SNO (Canada) indeholder således 1000 tons tungt vand.

Deuterium er et nukleart brændsel til fremtidens energi, baseret på kontrolleret termonuklear fusion. I de første kraftreaktorer af denne type er det meningen, at den skal udføre reaktionen D + T → 4 He + n + 17,6 MeV [25] .

I nogle lande (for eksempel i Australien ) er den kommercielle cirkulation af tungt vand underlagt statslige restriktioner, hvilket er forbundet med den teoretiske mulighed for at bruge det til at skabe "uautoriserede" naturlige uranreaktorer, der er egnede til at producere plutonium af våbenkvalitet .

Andre typer tungt vand

Let tungt vand

Der skelnes også mellem halvtungt vand (også kendt som deuteriumvand , monodeuteriumvand , deuteriumhydroxid ), hvor kun ét brintatom er erstattet af deuterium. Formlen for sådant vand er skrevet som følger: DHO eller ²HHO. Vand med den formelle sammensætning DHO vil på grund af isotopudvekslingsreaktioner faktisk bestå af en blanding af DHO-, D2O- og H2O - molekyler (i et forhold på ca. 2:1:1). Denne bemærkning gælder også for THO og TDO.

Supertungt vand

Supertungt vand indeholder tritium , som har en halveringstid på over 12 år. Med hensyn til dets egenskaber adskiller supertungt vand ( T 2 O ) sig endnu mere mærkbart fra almindeligt vand: det koger ved 104 °C, fryser ved +9 °C og har en densitet på 1,21 g/cm³ [26] . Kendt (det vil sige opnået i form af mere eller mindre rene makroskopiske prøver) er alle ni varianter af supertungt vand: THO, TDO og T 2 O med hver af de tre stabile iltisotoper ( 16 O, 17 O og 18 O) . Nogle gange omtales supertungt vand blot som tungt vand, medmindre det kan forårsage forvirring. Supertungt vand har en høj radiotoksicitet .

Tunge iltisotop-modifikationer af vand

Begrebet tungt vand bruges også i forhold til tungt iltvand, hvor det sædvanlige lette ilt 16 O er erstattet af en af de tunge stabile isotoper 17 O eller 18 O. Tunge iltisotoper findes i en naturlig blanding, derfor i naturlige vand er der altid en blanding af begge tunge iltmodifikationer. Deres fysiske egenskaber adskiller sig også noget fra almindeligt vands; således er frysepunktet for 1 H 2 18 O +0,28 °C [5] .

Tungt oxygenvand, især 1 H 2 18 O, bruges til diagnosticering af onkologiske sygdomme (fluor-18-isotopen opnås fra det ved cyklotronen, som bruges til at syntetisere lægemidler til diagnosticering af onkologiske sygdomme, især 18-fdg ).

Det samlede antal isotopiske modifikationer af vand

Hvis vi tæller alle mulige ikke-radioaktive forbindelser med den generelle formel H 2 O, så er det samlede antal mulige isotopiske modifikationer af vand ni (da der er to stabile isotoper af brint og tre af oxygen):

H 2 16 O - let vand, eller bare vand
H 2 17 O
H 2 18 O - tungt iltvand
HD 16 O - halvtungt vand
HD 17O _
HD 18O _
D 2 16 O - tungt vand
D217O _ _ _
D218O _ _ _

Med tritium stiger deres antal til 18:

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

Ud over det sædvanlige "lette" vand 1 H 2 16 O, som er det mest almindelige i naturen , er der således i alt 17 tungere farvande - 8 stabile og 9 radioaktive.

I alt er det samlede antal mulige "vande", under hensyntagen til alle kendte isotoper af brint (7) og oxygen (17), formelt lig med 476. Henfaldet af næsten alle radioaktive isotoper af brint og oxygen sker dog på sekunder eller brøkdele af et sekund (en vigtig undtagelse er tritium, hvis halveringstid er over 12 år ). For eksempel lever alle tungere end tritiumisotoper af brint i størrelsesordenen 10 −20 s ; i løbet af denne tid har ingen kemiske bindinger blot tid til at dannes, og følgelig er der ingen vandmolekyler med sådanne isotoper. Oxygenradioisotoper har halveringstider, der strækker sig fra et par tiere af sekunder til nanosekunder. Derfor kan makroskopiske prøver af vand med sådanne isotoper ikke opnås, selvom molekyler og mikroprøver kan opnås. Interessant nok er nogle af disse kortlivede radioisotopmodifikationer af vand lettere end almindeligt "let" vand (f.eks . 1 H 2 15 O).

Litteratur

Isotopanalyse af vand. 2. udg. - M .: Forlag for Videnskabsakademiet i USSR, 1957.
Andreev B. M., Zelvensky Ya. D., Katalnikov S. G. Tunge isotoper af brint i nuklear teknologi. 2. udg. — M.: Forlag, 2000.

Noter

↑ Petryanov I.V. Det mest usædvanlige stof // Kemi og liv . - 1965. - Nr. 3 . - S. 2-14 .
↑ 1 2 Ben Abu N. et al. Sød smag af tungt vand (engelsk) // Communications Biology. - 2021. - Bd. 4 , iss. 1 . — S. 1–10 . — ISSN 2399-3642 . - doi : 10.1038/s42003-021-01964-y . Arkiveret fra originalen den 13. august 2021.
↑ Kilde . Dato for adgang: 17. december 2014. Arkiveret fra originalen 3. marts 2016. (ubestemt)
↑ Dokument referat nr. 9 fra mødet i specialkomitéen under Rådet for Folkekommissærer i USSR. Moskva, Kreml 30. november 1945 i Wikisource
↑ 1 2 Chaplin M. Vandegenskaber . — Vandstruktur og Videnskab.
↑ Zelvensky Ya. D. Deuterium // Chemical Encyclopedia : i 5 bind / Kap. udg. I. L. Knunyants . - M .: Soviet Encyclopedia , 1990. - T. 2: Duff - Medi. - S. 16-17. — 671 s. — 100.000 eksemplarer. — ISBN 5-85270-035-5 .
↑ Alekseev V. R. Denne mystiske almindelige is // Videnskab og teknologi i Yakutia. - 2019. - Udgave. 2 (37) . - S. 98-106 . - doi : 10.24411/1728-516X-2019-10050 . Arkiveret fra originalen den 29. januar 2021.
↑ Adzhiev M. E. Fænomenet med kryogen koncentration af tungt vand // Materialer af glaciologiske undersøgelser. - T. 65. 1989. S. 65
↑ Adzhiev M.E. Forsigtig, tungt vand! Arkiveret 29. august 2020 på Wayback Machine // Science and Life. 1988, nr. 10
↑ Adzhiev M. E. Tungt vand? Hvorfor ikke! Arkiveret kopi af 8. august 2018 på Wayback Machine - M .: Knowledge. 1989, nr. 3.
↑ 1 2 D. J. Kushner, Alison Baker og T. G. Dunstall. Farmakologiske anvendelser og perspektiver af tungt vand og deutererede forbindelser (engelsk) // Can. J Physiol. Pharmacol. : journal. - 1999. - Bd. 77 , nr. 2 . - S. 79-88 . - doi : 10.1139/cjpp-77-2-79 . — PMID 10535697 . Arkiveret fra originalen den 5. marts 2016. . - "brugt i borneutronindfangningsterapi ... D 2 O er mere giftig for ondartede end normale dyreceller ... Protozoer er i stand til at modstå op til 70 % D 2 O. Alger og bakterier kan tilpasse sig til at vokse i 100 % D 2 O".
↑ Lobyshev V. N., Kalinichenko L. P. Isotopvirkninger af D 2 O i biologiske systemer. — M .: Nauka, 1978. — 215 s.
↑ Vertes A. Fysiologiske virkninger af tungt vand. Grundstoffer og isotoper: dannelse, transformation, fordeling (engelsk) . Dordrecht: Kluwer Acad. Publ., 2004. - 112 s.
↑ 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, red.). San Diego (USA), Boston: Kluwer Academic Publishers, pp. 23-26
↑ Mosin O. V., Shvets V. I., Skladnev D. A., Ignatov I. Mikrobiel syntese af deuterium-mærket L-phenylalanin af den fakultative methylotrofiske bakterie Brevibacterium Methylicum på medier med forskellige koncentrationer af tungt vand // Biopharmaceutical Journal. - 2012. - V. 4 , no. 1 . - S. 11-22 .
↑ Mosin O. V., Ignatov I. Deuterium-isotopvirkninger i bakterie- og mikroalgeceller under vækst på tungt vand (D 2 O) // Vand: kemi og økologi. - 2012. - Udgave. 3 . - S. 83-94 .
↑ Crespi HL Fuldt deutererede mikroorganismer: værktøjer til magnetisk resonans og neutronspredning. Syntese og anvendelser af isotopisk mærkede forbindelser / i: Proceedings of an International Symposium. Baillie T, Jones JR eds. Amsterdam: Elsevier. 1989. s. 329-332.
↑ Mosin OV, Ignatov I. Mikrobiologisk syntese af 2H -mærket phenylalanin, alanin, valin og leucin/isoleucin med forskellige grader af deuteriumberigelse af den grampositive fakultative methylotrofiske bakterie Methylotrophic Bacterium of Biorevibacterium Вrevibacterium International . - 2013. - Bd. 3 , iss. 2 . - S. 132-138 .
↑ Money KE, Myles WS Tungvandsnystagmus og virkninger af alkohol // Nature . - 1974. - Bd. 247 , nr. 5440 . - S. 404-405 . - doi : 10.1038/247404a0 . — . — PMID 4544739 .
↑ US patent nr. 5.223.269, 29. juni 1993. Fremgangsmåde og sammensætning til behandling af hypertension . Beskrivelse af patentet på webstedet for US Patent and Trademark Office .
↑ Farmakolog drikker tungt vand i forsøg (eng.) (utilgængeligt link) . Science News Staff (9. februar 1935). Hentet 7. september 2013. Arkiveret fra originalen 9. september 2013.
↑ Deuteriumoxid, 99 atom % D | D2O | Sigma Aldrich
↑ Er deuterium i en tekande? // Kemi og liv . - 1969. - Nr. 2 . - S. 24-25 .
↑ Ilya Leenson. Tungt vand . Encyclopedia Around the World. Hentet 7. september 2013. Arkiveret fra originalen 31. juli 2019. (ubestemt)
↑ Andreev B. M., Zelvensky Ya. D., Katalnikov S. G. Tunge isotoper af brint i nuklear teknologi. — M .: Energoatomizdat, 1987.
↑ Zelvensky Ya. D. Tritium // Chemical Encyclopedia : i 5 bind / Ch. udg. N.S. Zefirov . - M . : Great Russian Encyclopedia , 1998. - V. 5: Tryptofan - Iatrochemistry. - S. 5-7. — 783 s. — 10.000 eksemplarer. — ISBN 5-85270-310-9 .

Ordbøger og encyklopædier	Flot dansk Fantastisk catalansk Fantastisk norsk Stor russer jorden rundt Britannica (online)
I bibliografiske kataloger	BNF : 12152774m GND : 4149228-6 J9U : 987007550419805171 LCCN : sh85037319