Nehézvíz | |||
---|---|---|---|
| |||
Tábornok | |||
Szisztematikus név |
deutérium-oxid | ||
Hagyományos nevek | nehézvíz | ||
Chem. képlet | D2O _ _ | ||
Fizikai tulajdonságok | |||
Állapot | folyékony | ||
Moláris tömeg | 20,04 g/ mol | ||
Sűrűség | 1,1042 g/cm³ | ||
Dinamikus viszkozitás | 0,00125 Pa s | ||
Termikus tulajdonságok | |||
Hőfok | |||
• olvadás | 3,81 °C | ||
• forralás | Olvadáspont: 101,43 °C | ||
Kritikus pont | |||
• nyomás | 21,86 MPa | ||
Mol. hőkapacitás | 84,3 J/(mol K) | ||
Oud. hőkapacitás | 4,105 J/(kg K) | ||
Entalpia | |||
• oktatás | −294,6 kJ/mol | ||
• olvadás | 5,301 kJ/mol | ||
• forralás | 45,4 kJ/mol | ||
Gőznyomás |
10 Hgmm Művészet. 13,1 °C-on 100 Hgmm Művészet. 54 °C-on |
||
Kémiai tulajdonságok | |||
Oldhatóság | |||
• vízben | korlátlan | ||
• élőben | mérsékelten oldódik | ||
• etanolban | korlátlan | ||
Optikai tulajdonságok | |||
Törésmutató | 1,32844 (20 °C-on) | ||
Osztályozás | |||
Reg. CAS szám | 7789-20-0 | ||
PubChem | 24602 | ||
Reg. EINECS szám | 232-148-9 | ||
MOSOLYOK | [2H]O[2H] | ||
InChI | InChI=1S/H2O/h1H2/i/hD2XLYOFNOQVPJJNP-ZSJDYOACSA-N | ||
RTECS | ZC0230000 | ||
CHEBI | 41981 | ||
ChemSpider | 23004 | ||
Biztonság | |||
NFPA 704 | 0 egy 0 | ||
Az adatok standard körülményeken (25 °C, 100 kPa) alapulnak, hacsak nincs másképp jelezve. | |||
Médiafájlok a Wikimedia Commons oldalon |
Nehézvíz – Ezt a kifejezést általában a nehéz hidrogénes vízre , más néven deutérium -oxidra használják . A nehézhidrogén-víz kémiai képlete megegyezik a közönséges vízéval, de a hidrogén szokásos könnyű izotópjának ( protium ) két atomja helyett a nehézhidrogén-izotóp, a deutérium két atomja van, és izotópos összetételében az oxigén a levegőnek felel meg. oxigén [1] . A nehézhidrogén víz képletét általában D 2 O vagy 2 H 2 O formátumban írják le. Külsőleg a nehézvíz úgy néz ki, mint a közönséges – színtelen, szagtalan folyadék, de édeskés ízű [2] . Nem radioaktív .
A nehézhidrogén víz molekuláit először Harold Urey fedezte fel a természetes vízben 1932 -ben , amiért a tudós 1934-ben kémiai Nobel-díjat kapott. Gilbert Lewis volt az első , aki 1933-ban izolált tiszta nehézhidrogénvizet. A közönséges víz elektrolízise során, amely a közönséges vízmolekulák mellett jelentéktelen mennyiségű félnehéz víz (HDO) és még kisebb mennyiségű nehézvíz molekulát (D 2 O) tartalmaz, beleértve a hidrogén nehéz izotópját. , a maradék fokozatosan feldúsul ezeknek a vegyületeknek a molekuláival. Egy ilyen maradványból ismételt elektrolízis után Lewisnak sikerült kis mennyiségű vizet izolálnia, amely a deutériumot tartalmazó oxigénvegyület molekuláinak csaknem 100%-át alkotta, és nehéznek nevezett. Ez a nehézvíz-előállítási módszer ma is a fő, bár főleg az 5-10%-ról >99%-ra történő dúsítás végső szakaszában alkalmazzák (lásd alább).
A maghasadás 1938 végén történt felfedezése és a neutronok által kiváltott maghasadási láncreakciók alkalmazásának lehetőségének felismerése után felmerült az igény egy neutronmoderátorra - egy olyan anyagra, amely hatékonyan képes lelassítani a neutronokat anélkül, hogy elveszítené azokat a befogási reakciókban. A neutronokat a leghatékonyabban a könnyű atommagok moderálják, és a közönséges hidrogén (protium) atommagoknak kellene a leghatékonyabb moderátornak lenniük, de nagy neutronbefogási keresztmetszetük van . Éppen ellenkezőleg, a nehézhidrogén nagyon kevés neutront köt be (a protium termikus neutronbefogási keresztmetszete több mint 100 ezerszer nagyobb, mint a deutérium esetében). Technikailag a deutérium legkényelmesebb vegyülete a nehézvíz, és hűtőfolyadékként is szolgálhat, eltávolítva a felszabaduló hőt a hasadási láncreakció helyszínéről. A nukleáris energia legkorábbi napjaitól kezdve a nehézvíz fontos összetevője volt egyes reaktoroknak, mind az energiatermelő, mind az atomfegyverekhez való plutónium izotópok előállítására tervezett reaktorokban. Ezeknek az úgynevezett nehézvizes reaktoroknak az az előnyük, hogy természetes (dúsítatlan) uránnal üzemeltethetők grafit moderátorok használata nélkül, ami a leszerelési szakaszban porrobbanás veszélyt jelenthet, és indukált radioaktivitást ( szén-14 és számos egyéb radionuklidok) [3] . A legtöbb modern reaktor azonban normál "könnyű vízzel" dúsított uránt használ moderátorként, a mérsékelt neutronok részleges elvesztése ellenére.
A nehézvíz ipari termelése és felhasználása az atomenergia fejlődésével kezdődött. A Szovjetunióban a Szovjetunió Tudományos Akadémia 3. számú laboratóriumának ( modern ITEP ) megszervezése során A. I. Alikhanov projektmenedzser feladatot kapott egy nehézvizes reaktor létrehozására . Ez nehézvíz szükségességéhez vezetett, és a Szovjetunió Népbiztosainak Tanácsa alá tartozó Különbizottság műszaki tanácsa kidolgozta a Szovjetunió Népbiztosai Tanácsának rendelettervezetét „A félipari létesítmények építéséről A 180-as termék gyártása", a nehézvíz-termelési létesítmények létrehozásával kapcsolatos munkát B. L. Vannikov nukleáris projekt vezetőjére , M. G. Pervukhin vegyipari népbiztosra, N. A. Boriszov Állami Tervezési Bizottság képviselőjére , a nukleáris projekt építésügyi népbiztosára bízták . a Szovjetunió S. Z. Ginzburg , a Szovjetunió gépészmérnöki és műszerészeti népbiztosa, P. I. Parshin és a Szovjetunió olajipari népbiztosa N. K. Baibakov [4] . M. I. Kornfeld , a Szovjetunió Tudományos Akadémia 2. számú laboratóriumának szektorvezetője lett a nehézvízügyi főtanácsadó .
A képződés entalpiája ΔH | −294,6 kJ/mol (l) (298 K-en) |
A G képződés Gibbs-energiája | −243,48 kJ/mol (l) (298 K-en) |
Az S formáció entrópiája | 75,9 J/mol K (l) (298 K-en) |
Kritikus sűrűség | 0,363 g/cm³ |
Paraméter | D2O _ _ | HDO | H2O _ _ |
---|---|---|---|
Olvadáspont, °C | 3.82 | 2.04 | 0,00 |
Forráspont, °C | 101.42 | 100,7 | 99.974 |
Sűrűség 20 °C-on, g/cm³ | 1.1056 | 1.054 | 0,9982 |
Folyadék sűrűsége olvadásponton, g/cm³ | 1.10546 | — | 0,99984 |
A jég sűrűsége olvadásponton, g/cm³ | 1,0175 | — | 0,91672 |
Maximális sűrűségi hőmérséklet, °C | 11.6 | — | 4.0 |
Viszkozitás 20 °C-on, centipoise | 1,2467 | 1.1248 | 1,0016 |
Felületi feszültség 25 °C-on, dyne cm | 71,87 | 71,93 | 71,98 |
Moláris térfogatcsökkenés olvadás közben, cm³ / mol | 1.567 | 1.634 | |
Moláris olvadási hő , kcal /mol | 1.515 | 1.436 | |
Moláris párolgási hő , kcal/mol | 10.864 | 10.757 | 10.515 |
pH 25 °C-on | 7.41 | 7.266 | 7.00 |
A természetes vizekben egy deutériumatom 6400-7600 [6] protiumatomot tesz ki . Szinte az egész a félnehéz víz DHO molekuláinak összetételében van, egy ilyen molekula 3200-3800 könnyű víz molekulájára esik. A deutériumatomoknak csak nagyon kis része alkot D 2 O nehézvízmolekulákat , mivel kicsi annak a valószínűsége, hogy a természetben egy molekula összetételében két deutérium atom találkozik (kb. 0,5⋅10 −7 ). A vízben a deutérium koncentrációjának mesterséges növelésével ez a valószínűség növekszik.
Nehézvíz a természetben szinte minden természetes tározóban megtalálható, de tartalma milliomod százalék. Ugyanakkor az elszigetelt víztározókban olyan területeken, ahol meleg éghajlati viszonyok figyelhetők meg, valamint az egyenlítői és a trópusi óceáni vizekben a nehézvíz-tartalom magasabb, az Antarktiszon és Grönland jegén pedig jelenléte minimális [7] . Napjainkban olyan hipotézist terjesztettek elő, hogy a fenékjég tartalmazhat nehéz vizet [ 8] [9] [10] . Ennek a hipotézisnek azonban nincs megerősítése.
A nehézvíz csak kismértékben mérgező, a környezetében a kémiai reakciók a közönséges vízhez képest valamivel lassabbak, a deutériumot tartalmazó hidrogénkötések valamivel erősebbek a szokásosnál, de a könnyű és nehéz nuklidok tömegének kétszeres különbsége miatt a kinetika jelentősen megváltozik ( lelassul a deutériumtól) zajló ioncsere folyamatok. Emlősökön (egereken, patkányokon, kutyákon) végzett kísérletek [11] kimutatták, hogy a szövetekben lévő hidrogén 25%-ának deutériummal való helyettesítése sterilitáshoz vezet, amely néha visszafordíthatatlan [12] [13] . A magasabb koncentráció az állat gyors elhullásához vezet; így azok az emlősök , akik egy hétig nehéz vizet ittak, meghaltak, amikor a testükben lévő víz felét deuterálták; a halak és a gerinctelenek csak a víz 90%-os deuterációjával pusztulnak el [14] . A protozoonok képesek alkalmazkodni a nehézvíz 70%-os oldatához, míg az algák és a baktériumok még tiszta nehézvízben is képesek megélni [11] [15] [16] [17] [18] . Egy személy több pohár nehéz vizet is ihat anélkül, hogy láthatóan károsítaná az egészségét, néhány napon belül az összes deutérium eltávolítható a szervezetből. Így a vesztibuláris apparátus és az akaratlan szemmozgások ( nystagmus ) közötti kapcsolat tanulmányozására irányuló egyik kísérletben az önkénteseket megkérték, hogy igyanak meg 100-200 gramm nehéz vizet; a sűrűbb nehézvíz kupulák általi felszívódása következtében (a félkör alakú csatornákban kocsonyás szerkezet ), a csatornák endolimfájában a semleges felhajtóerő megbomlik, és enyhe térbeli tájékozódási zavarok lépnek fel, különösen nystagmus. Ez a hatás hasonló az alkoholfogyasztáshoz (utóbbi esetben azonban a kupula sűrűsége csökken, mivel az etil-alkohol sűrűsége kisebb, mint a víz sűrűsége) [19] . Így a nehézvíz sokkal kevésbé mérgező, mint például a konyhasó . Nehéz vizet alkalmaztak magas vérnyomás kezelésére embereknél napi 10-675 g D 2 O/nap dózisban [20] .
Az emberi szervezet természetes szennyeződésként annyi deutériumot tartalmaz, mint 5 gramm nehézvíz; ez a deutérium főként a HDO félnehéz vízmolekuláiban, valamint minden más hidrogént tartalmazó biológiai vegyületben található meg.
Vannak, akik megjegyzik, hogy a nehéz víz édes ízű; ennek a ténynek a tudományos megerősítését 2021-ben tették közzé. Megállapítást nyert, hogy a nehézvíz édeskés íze hozzávetőlegesen egybeesik a 0,05 M szacharóz oldat ízével közönséges vízben (17 g/l, vagyis fél teáskanál cukor/pohár víz) [2] .
A víz ismételt elektrolízise során nehéz víz halmozódik fel az elektrolit többi részében . A szabad levegőn a nehézvíz gyorsan felszívja a közönséges víz gőzeit, tehát higroszkóposnak mondható . A nehézvíz előállítása nagyon energiaigényes, ezért költsége meglehetősen magas. 1935-ben, közvetlenül a nehézvíz felfedezése után, grammonkénti ára megközelítőleg 19 dollár volt [21] . Jelenleg 99%-os deutériumtartalmú nehézvíz at. , amelyet vegyszerbeszállítók árulnak, grammonként körülbelül 1 euróba kerül 1 kg [22] , de ez az ár olyan termékre vonatkozik, amelynek a vegyi reagens minősége ellenőrzött és garantált; alacsonyabb minőségi követelmények mellett az ár egy nagyságrenddel alacsonyabb is lehet.
A lakosság körében él egy mítosz , hogy ha a természetes vizet hosszú ideig forralják, megnő a nehézvíz koncentrációja benne, ami állítólag káros lehet az egészségre, V. V. Pokhlebkin feltevésének a „Tea. Típusai, tulajdonságai, felhasználása”, 1968-ban megjelent [23] . A valóságban a nehézvíz koncentrációjának növekedése forrás közben elhanyagolható. Igor Vasziljevics Petrjanov-Szokolov akadémikus egyszer kiszámolta, mennyi víznek kell elpárolognia egy vízforralóban ahhoz, hogy a deutériumtartalom érezhetően megnőjön a maradékban. Kiderült, hogy ahhoz, hogy 1 liter vizet kapjunk, amelyben a deutérium koncentrációja 0,15%, azaz csak 10-szerese a természetesnek, összesen 2,1⋅10 30 tonna vizet kell a kannába önteni, amely 300 milliószor nagyobb a Föld tömegénél [24] . Az oldott sók koncentrációjának növekedése, az anyagoknak az edények faláról az oldatba való átmenete és a szerves szennyeződések hőbomlása sokkal erősebben befolyásolja a víz ízét és tulajdonságait forrás közben.
A nehézvíz előállításának költségét az energia költsége határozza meg. Ezért a nehézvíz dúsítása során egymás után különböző technológiákat alkalmaznak - eleinte olcsóbb technológiákat alkalmaznak, nagyobb nehézvízveszteséggel, végül energiaigényesebb, de kisebb nehézvízveszteséggel.
1933 és 1946 között az egyetlen dúsítási módszer az elektrolízis volt . Ezt követően megjelentek a folyékony hidrogén és az izotópcsere rendszerekben történő rektifikálására szolgáló technológiák: hidrogén -folyékony ammónia , hidrogén-víz, hidrogén-szulfid -víz. A korszerű tömeggyártás a bemeneti áramban elektrolitikus hidrogéngyártó üzemek elektrolitjából desztillált vizet használ, 0,1-0,2% nehézvíz tartalommal.
A koncentrálás első szakaszában kéthőmérsékletű, ellenáramú hidrogén-szulfidos izotópcsere technológiát alkalmaznak, a nehézvíz kimeneti koncentrációja 5-10%. A második - lúgos oldat kaszkádelektrolízisekor körülbelül 0 ° C hőmérsékleten a nehézvíz kimeneti koncentrációja 99,75-99,995%.
Kanada a világ legnagyobb nehézvíz-termelője, amely a CANDU nehézvizes atomreaktorok energiaszektorában történő használatához kapcsolódik .
A nehézhidrogénes víz legfontosabb tulajdonsága, hogy gyakorlatilag nem nyeli el a neutronokat , ezért atomreaktorokban neutronok mérséklésére és hűtőközegként használják. Izotóp-indikátorként is használják a kémiában , a biológiában és a hidrológiában , a mezőgazdasági kémiában stb. (beleértve az élő szervezetekkel végzett kísérleteket és az emberi diagnosztikai vizsgálatokat). A részecskefizikában nehézvizet használnak a neutrínók kimutatására ; Így a legnagyobb napneutrínó-detektor, az SNO (Kanada) 1000 tonna nehézvizet tartalmaz.
A deutérium a jövő energiájának nukleáris üzemanyaga, amely szabályozott termonukleáris fúzión alapul. Az első ilyen típusú nagy teljesítményű reaktorokban a D + T → 4 He + n + 17,6 MeV reakciót kell végrehajtani [25] .
Egyes országokban (például Ausztráliában ) a nehézvíz kereskedelmi forgalomba hozatala állami korlátozás alá esik, ami azzal az elméleti lehetőséggel jár, hogy fegyvertiszta plutónium előállítására alkalmas "jogosulatlan" természetes urán reaktorok létrehozására használják fel .
Megkülönböztetik a félnehéz vizet is (más néven deutériumvíz , monodeutériumvíz , deutérium-hidroxid ), amelyben csak egy hidrogénatomot deutérium helyettesít. Az ilyen víz képlete a következő: DHO vagy ²HHO. A DHO formális összetételű víz az izotópcsere- reakciók következtében valójában DHO, D 2 O és H 2 O molekulák keverékéből áll (körülbelül 2:1:1 arányban). Ez a megjegyzés igaz a THO-ra és a TDO-ra is.
A szupernehéz víz tríciumot tartalmaz , amelynek felezési ideje több mint 12 év. Tulajdonságait tekintve a szupernehéz víz ( T 2 O ) még jobban eltér a közönséges víztől: 104 °C-on forr, +9 °C-on megfagy, sűrűsége 1,21 g/cm³ [26] . Ismert (vagyis többé-kevésbé tiszta makroszkopikus minták formájában nyert) a szupernehéz víz mind a kilenc változata: THO, TDO és T 2 O mindhárom stabil oxigénizotóppal ( 16 O, 17 O és 18 O). . Néha a szupernehéz vizet egyszerűen nehéz víznek nevezik, hacsak ez nem okozhat zavart. A szupernehéz víznek nagy a radiotoxicitása .
A nehézvíz kifejezést a nehéz oxigénes vízre is használják, amelyben a szokásos 16 O könnyű oxigént a 17 O vagy 18 O nehéz stabil izotópok valamelyike helyettesíti. A nehéz oxigén izotópok természetes keverékben léteznek, ezért a természetes természetes anyagokban. a víz mindig mindkét nehézoxigén-módosítás keverékét tartalmazza. Fizikai tulajdonságaik némileg eltérnek a közönséges vízétől; így az 1 H 2 18 O fagyáspontja +0,28 °C [5] .
A nehéz oxigénes vizet, különösen az 1 H 2 18 O-t az onkológiai betegségek diagnosztizálására használják (a ciklotronból nyerik ki belőle a fluor-18 izotópot, amelyet az onkológiai betegségek diagnosztizálására szolgáló gyógyszerek szintetizálására használnak, különösen 18-fdg ).
Ha az összes lehetséges , H 2 O általános képletű nem radioaktív vegyületet megszámoljuk , akkor a víz lehetséges izotópos módosulásának teljes száma kilenc (mivel a hidrogénnek két stabil izotópja és három az oxigén izotópja van):
A tríciummal számuk 18-ra nő:
Így a természetben legelterjedtebb 1 H 2 16 O szokásos „könnyű” vízen kívül összesen 17 nehezebb víz létezik – 8 stabil és 9 radioaktív.
Összességében a lehetséges „vizek” száma, figyelembe véve a hidrogén (7) és oxigén (17) összes ismert izotópját, formálisan 476. A hidrogén és oxigén szinte valamennyi radioaktív izotópjának bomlása azonban másodpercek alatt, ill. másodperc töredékei (fontos kivétel a trícium, amelynek felezési ideje több mint 12 év ). Például a hidrogén tríciumnál nehezebb izotópjai 10-20 másodpercig élnek ; ezalatt egyetlen kémiai kötésnek sem egyszerűen van ideje kialakulni, következésképpen nincsenek ilyen izotópokkal rendelkező vízmolekulák. Az oxigén radioizotópjainak felezési ideje néhány tíz másodperctől nanoszekundumig terjed. Ezért ilyen izotópokkal makroszkópos vízmintákat nem lehet nyerni, bár molekulákat és mikromintákat lehet szerezni. Érdekes módon a víz e rövid életű radioizotópos módosulatai közül néhány könnyebb, mint a közönséges „könnyű” víz (pl . 1 H 2 15 O).
Szótárak és enciklopédiák | |
---|---|
Bibliográfiai katalógusokban |
|