Smagais ūdens (deitērija oksīds, D2O) — definīcija, īpašības un pielietojums

Smagais ūdens (D2O) — kas tas ir, īpašības, fizikālās un ķīmiskās atšķirības, pielietojums kodoltehnikā, zinātnē un rūpniecībā, drošība un praktiski pielietojumi.

Smagais ūdens (deitērija oksīds, ²
H
_2O, D
_2O) ir ūdens forma, kuras molekulās ūdeņradis galvenokārt ir izotopa deitērija (D). Deitērijs ir ūdeņraža stabilais izotops ar vienu protonu un vienu neitronu, un to reizēm sauc par smago ūdeņradi. Parastajā ūdenī dominē vieglākais ūdeņraža izotops — proti (¹
H), kas sastopams gandrīz visā dabiskajā ūdenī.

Fizikālās un ķīmiskās īpašības

Deitērija klātbūtne molekulā piešķir smagajam ūdenim atšķirīgas īpašības salīdzinājumā ar parasto "vieglā ūdens" molekulu. Galvenie atšķirību aspekti:

• Blīvums: D2O blīvums ir aptuveni par 10 % lielāks nekā H2O (apmēram 1,10 g/cm³ pie istabas temperatūras), tāpēc smagais ūdens ir blīvāks un izgāžas citādi hidrodinamikā.
• Kūstošais un viršanas punkts: Smagā ūdens saldēšanās temperatūra ir augstāka — aptuveni +3,82 °C, bet viršanas temperatūra ir nedaudz augstāka — aptuveni +101,4 °C (pie normālā spiediena).
• Molekulmasa: D2O mola masa ir apmēram 20,03 g/mol, kas ir lielāka nekā H2O (aptuveni 18,02 g/mol).
• Ķīmiskā reaģētspēja: D–O saites ir nedaudz stiprākas nekā H–O saites; tas ietekmē reakciju ātrumus (izotopu efekts) un reakciju mehānismus organiskajās un bioķīmiskajās reakcijās.
• Citas fizikālās īpašības: mazliet lielāka viskozitāte un cita vielas dielektriskā konstante; citas termodinamiskas īpašības arī atšķiras nelielā apjomā no parastā ūdens.

Dabiskā sastopamība

Deitērija dabiskā izplatība ūdenī ir ļoti zema — apmēram 0,015–0,016 % no ūdeņraža atoma ieturot deitēriju (dažreiz norāda kā ~156 ppm). Lai iegūtu smago ūdeni, parasti nepieciešama bagātināšana, kuras procesi ievāc un koncentrē deitēriju no liela ūdens daudzuma.

Ražošanas metodes

Smagā ūdens ieguvei izmanto vairākas rūpnieciski attīstītas metodes, piemēram:

• Girdlera sēra (Girdler sulfide) process: šķērsmaiņa procesu virkne, kur deitērijs tiek pakāpeniski pārnests no ūdens uz H2S un atpakaļ, ir bijis plaši izmantots rūpnieciskā mērogā.
• Difūzijas un frakcionētās destilācijas metodes: izmanto atšķirības fizikālajās īpašībās starp H2O un D2O.
• Elektrolīze: ilgstoša elektrolīze var atstāt ūdenī bagātinātu deitēriju koncentrāciju, jo parastais ūdeņradis izdalās nedaudz ātrāk.

Pielietojums

Smagajam ūdenim ir vairākas nozīmīgas lietojuma jomas:

• Neitronu moderators kodolreaktoros: smagais ūdens darbojas kā efektīvs neitronu moderators. To izmanto dažos kodolreaktoros — piemēram, CANDU reaktoru tipā —, jo D2O samazina neitronu ātrumu, nezaudējot tos tik strauji kā citas vielas. Tas ļauj kā kurināmo izmantot nepaplašinātu urānu, jo smagais ūdens absorbē mazāk neitronu nekā parastais ūdens.
• NMR spektroskopijā: ²
  H saturošais D2O tiek plaši izmantots kā šķīdinātājs kodolmagnētiskās rezonanses (NMR) mērījumos, jo tas neizdala intensīvu 1H signālu, kas traucētu analīzi.
• Izotopu marķēšana un pētniecība: D2O kalpo kā marķieris fizioloģiskos un bioķīmiskos pētījumos (ūdens plūsmas, metabolisma izpēte, hidrologija) un kā tracera viela ekosistēmu un ķīmisko reakciju izpētē.
• Industrijas un rūpniecības pielietojumi: dažkārt izmanto laboratorijās kā kontrolētu izotopu avotu vai fizikāli ķīmisku reakciju pētījumos.

Radioaktivitāte, drošība un vides aspekti

Tīrs smagais ūdens pats par sevi nav radioaktīvs. Tomēr, ja smagais ūdens tiek izmantots kodolreaktorā vai pakļauts intensīvai neitronu plūsmai, tajā var rasties viegli radioaktīvi izotopi, piemēram, tritijs (3H), kas veidojas neitronu uztveres rezultātā. Tāpēc smagā ūdens aprite reaktoros prasa uzraudzību un īpašu apsaimniekošanu, jo izplūdes vai noplūdes gadījumā var rasties radioaktīvu vielu izplatīšanās risks.

Par ķīmisko toksicitāti — D2O ķīmiski līdzīga H2O; nelielas devas nav īpaši kaitīgas, bet ļoti augstas D2O koncentrācijas organismā traucē šūnu dalīšanos un dabiskos bioķīmiskos procesus. Liela smagā ūdens devu ilgstoša lietošana (piem., liela daļa organismā aizvietojot H ar D) var būt toksiska un letāla. Parasti industrijā un laboratorijās tiek ievērotas drošības vadlīnijas un ierobežojumi darbam ar D2O.

Ekonomiskie un ģeopolitiskie aspekti

Smagā ūdens ražošana ir energoietilpīga un dārga, tāpēc D2O ir salīdzinoši reta un vērtīga izejviela. Tā izmantošana kodoltehnoloģijās un ražošana ir saistīta ar drošības un neizplatīšanas jautājumiem, jo piekļuve smagajam ūdenim var ietekmēt spēju darbināt noteiktus reaktoru tipus.

Kopsavilkums

Smagais ūdens (deitērija oksīds, D2O) ir ūdens, kurā ūdeņradis galvenokārt sastāv no deitērija. Tam ir citādas fizikālās un ķīmiskās īpašības nekā parastajam ūdenim — lielāks blīvums, augstāks saldēšanas un viršanas punkts un citādi reakciju ātrumi izotopu efekta dēļ. D2O plaši izmanto kā neitronu moderatoru kodolreaktoros, kā arī laboratorijās (piem., NMR) un pētniecībā. Lai gan tīrs D2O nav radioaktīvs, izmantošana kodolreaktoros var to padarīt nedaudz radioaktīvu (tritija piesārņojums), tāpēc nepieciešama rūpīga drošības uzraudzība.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir smagais ūdens?

J: Ar ko smagais ūdens atšķiras no parastā "vieglā" ūdens?

J: Kādi ir daži smagā ūdens izmantošanas veidi?

J: Vai tīrs smagais ūdens ir radioaktīvs?

J: Vai cilvēki var izdzīvot, lietojot tikai smago ūdeni, nevis parasto vieglo ūdeni?

J: Vai neliels daudzums smagā ūdens ir toksisks cilvēkiem?

Meklēt pēc burta