Apa grea
| Apa grea | |
|---|---|
 | |
| Numele IUPAC | |
| monoxid de deuteriu | |
| Denumiri alternative | |
| apa grea oxid de deuteriu deuteroxid apă deuterată | |
| Caracteristici generale | |
| Formula moleculară sau brută | D 2 O (sau 2 H 2 O) |
| Masa moleculară ( u ) | 20.0267 |
| Aspect | lichid incolor |
| numar CAS | |
| Numărul EINECS | 232-148-9 |
| PubChem | 24602 |
| ZÂMBETE | O |
| Proprietăți fizico-chimice | |
| Densitate (g / cm 3 , în cs ) | 1.11 |
| Temperatură de topire | 3,82 ° C (276,97 K) |
| Temperatura de fierbere | 101,4 ° C (374,55 K) |
| Punct triplu | 276,97 K (3,82 ° C) 659,3 Pa |
| Punct critic | 643,85 K (370,7 ° C) 2.1671 × 10 7 Pa |
| Presiunea de vapori ( Pa ) la 293,15 K. | 2186,48 |
| Informații de siguranță | |
| Fraze H | --- |
| Sfaturi P | --- [1] |
Apa grea este apa care conține un procent semnificativ din hidrogen izotop deuteriu , comparativ cu apa obișnuită, care conține în mare parte stră- unchi . Formula sa brută este aceeași cu apa: H 2 O.
Deuteriul (D sau 2 H) apare în mod natural în molecula de apă în cantități de aproximativ 156 de părți pe milion [2] (rețineți că datorită diferenței în greutatea specifică, moleculele de apă care conțin deuteriu tind să se concentreze pe fundul oceanului). Acesta poate fi prezent sub formă de oxid de deuteriu (D 2 O sau 2 H 2 O) sau ca deuteriu și oxid unchiul (HDO sau 1 H 2 HO) [3] . Apa grea, produsă artificial, este foarte îmbogățită, până la 100%, în deuteriu, care modifică energia legăturii hidrogen - oxigen prin modificarea caracteristicilor fizice, chimice și, mai presus de toate, biologice. Apa grea pură nu este radioactivă și este cu aproximativ 11% mai densă decât apa normală.
Istorie
Apa grea a fost izolată pentru prima dată din apa simplă în 1933 de către Gilbert Lewis prin electroliză . [4] [5] [6] George de Hevesy și Erich Hoffer au folosit apă grea în 1934 într-unul din primele experimente ca trasor biologic pentru a estima rata schimbului de apă în corpul uman.
Odată cu descoperirea fisiunii nucleare la sfârșitul anului 1938 și necesitatea unui moderator care să capteze puțini neutroni, apa grea a devenit o componentă importantă a primelor programe de energie nucleară în timpul celui de-al doilea război mondial (1939-1945). Germania nazistă nu a reușit să construiască un reactor nuclear funcțional în timpul războiului, din cauza disponibilității rare a apei grele, din care, ca parte a raidului Telemark , o încărcătură mare a fost distrusă de patru parașutiști britanici care au aruncat în aer barca care o transporta. . [7] Apa grea este o componentă esențială în proiectarea unor reactoare nucleare, atât pentru producția de energie electrică, cât și pentru producerea izotopilor nucleari, cum ar fi plutoniul -239. Majoritatea reactoarelor nucleare actuale care funcționează cu uraniu îmbogățit folosesc apă obișnuită pentru moderarea neutronilor.
Comparație între apa grea și apa ușoară
| Proprietate [8] | D 2 O (apă grea) | H 2 O (apă ușoară) |
|---|---|---|
| Punct de topire ( ° C ) | 3,82 | 0,0 |
| Punct de fierbere (° C) | 101.4 | 100,0 |
| Densitate (20 ° C, g / ml ) | 1.1056 | 0,9982 |
| Densitatea maximă de temperatură (° C) | 11.6 | 4.0 |
| Punct triplu (° C, Pa ) | 3,82 - 659,3 | 0,01 - 611,73 |
| Punct critic (° C, kPa) | 370,7 - 21671 | 374,0 - 22064 |
| Presiunea vaporilor (20 ° C, Pa) | 2186,48 | 2338,54 |
| Indicele de refracție (20 ° C) | 1.328 | 1.333 |
| Viscozitate (20 ° C, mPa s ) | 1,25 | 1.005 |
| Tensiunea superficială (25 ° C, μJ ) | 7.193 | 7.197 |
| Entalpia de topire ( cal / mol ) | 1,515 | 1,436 |
| Entalpia de vaporizare (cal / mol) | 10.864 | 10.515 |
| pH (25 ° C) | 7.41 (numit și "PD") | 7.00 |
Producție
Apa grea se obține, în general, prin separarea moleculelor care conțin deuteriu de apa demineralizată prin distilare , datorită diferenței de temperatură de fierbere în comparație cu moleculele formate de unchiul mare; deoarece această diferență este foarte mică, procesul este destul de lung și necesită coloane de distilare foarte mari (adică cu multe „plăci echivalente”) și un raport ridicat de reflux. O altă metodă foarte comună și deosebit de convenabilă în cazul în care electricitatea este disponibilă la costuri mai mici, utilizează electroliza. [9] Alte metode utilizează diferite procese de schimb chimic, cum ar fi procesul de sulfură Girdler dezvoltat de Statele Unite în anii 1940 și aplicat ulterior la scară industrială.
Aplicații
Moderator de neutroni
Apa grea joacă un rol important în tehnologia centralelor de fisiune nucleară, în special în reactoarele PHWR (lanțul de aprovizionare CANDU este foarte frecvent), deși are o singură capacitate de moderare (adică să încetinească și să facă „termice” neutronii rapizi emise în momentul fisiunii), mai mică decât apa ușoară ( apa normală pe care o bem sau pe care navigăm) captează mai puțini neutroni decât aceștia din urmă, deoarece deuteriul este un absorbant de neutroni rău în comparație cu hidrogenul. Neutronii „termici” se numesc astfel deoarece energia lor cinetică este comparabilă cu cea legată de agitația termică a nucleelor dintr-un material la temperatură. Reglarea energiei lor la acest nivel, printr-un mijloc numit moderator , crește probabilitatea ca un neutron să fie captat de un nucleu care provoacă fisiunea acestuia, din acest motiv această substanță moderatoare este prezentă în reactoarele nucleare termice. În alte tipuri de reactoare nucleare în loc de apă grea, grafitul sau apa ușoară sunt utilizate pentru a modera viteza neutronilor. Există, de asemenea, reactoare (acum dezafectate, cum ar fi Superphénix francez lângă Grenoble ) care utilizează neutroni rapizi și, prin urmare, fac lipsă de apă grea și alte mijloace de moderare.
Viteza mai mică a neutronilor este necesară pentru a crește așa-numita secțiune transversală a nucleului țintă, ceea ce reprezintă probabilitatea ca un neutron să lovească un nucleu de uraniu și, prin urmare, poate provoca fisiunea acestuia. Pentru a înțelege mai bine acest concept, puteți încerca să utilizați analogia gloanțelor trase de o mitralieră montată pe un avion cu elice: cu cât gloanțele sunt mai rapide, cu atât sunt mai puține șanse să lovească elicea; în timp ce, dacă sunt lente, în timpul în care trec în traiectoria elicei, aceasta le poate lovi (declanșând un șoc / fisiune).
Rezonanță magnetică nucleară
Oxidul de deuteriu este utilizat în rezonanța magnetică nucleară atunci când solventul implicat este apa și nuclida implicată este hidrogenul ( 1 RMN). Acest lucru se întâmplă deoarece semnalul apei normale ar interfera cu semnalul moleculei examinate. Într-adevăr, deuteriul are un moment magnetic diferit de cel al hidrogenului și nu contribuie la semnalul general RMN la frecvența de rezonanță a hidrogenului.
Chimie organica
Oxidul de deuteriu este adesea folosit ca sursă de deuteriu pentru prepararea izotopilor specifici „marcați” (etichetați) în poziții în care compușii organici sunt ocupați de orice atom de hidrogen . De exemplu, legăturile CH adiacente grupării cetone pot fi înlocuite cu legături CD, utilizând fie cataliză acidă , fie bazică. Iodura de trimetilsulfoxoniu , constând din dimetil sulfoxid și iodură de metil, poate fi recristalizată din oxid de deuteriu și apoi disociată pentru a regenera iodura de metil și dimetil sulfoxid , ambele fiind etichetate cu deuteriu. În cazurile în care este necesară "etichetarea dublă" specifică cu deuteriu și tritiu , cercetătorul trebuie să știe că oxidul de deuteriu, în funcție de vârstă și origine, poate conține cantități mici de tritiu ( radioactiv , cu timpul de înjumătățire de 12 ani).
Spectroscopie transformată Fourier
Oxidul de deuteriu este adesea folosit ca înlocuitor al apei în colectarea spectrelor FTIR de proteine în soluție. Formația derivând din D2O este deplasată de regiune amidă I.
Detector de neutrini
Observatorul Neutrino Sudbury (SNO) , din orașul Sudbury , Ontario , folosește mii de tone de apă grea de la compania canadiană AECL. Detectorul de neutrini este situat într-o mină la o adâncime de peste doi kilometri, pentru a permite rocii să filtreze muonii produși de razele cosmice . SNO a fost construit pentru a înțelege dacă neutrinii electronici (singurul tip de neutrini care, conform teoriei, ar trebui să fie produși direct din fuziunea termonucleară a Soarelui ) pot, în drumul lor către Pământ , să mute în alte tipuri de neutrini. SNO detectează radiațiile Čerenkov din apă de la electronii de mare energie produși de neutrini electronici atunci când sunt supuși la reacții cu neutroni în deuteriu, transformându-i în protoni și electroni (doar electronii se mișcă suficient de repede pentru a fi detectați în acest mod). SNO detectează, de asemenea, aceeași radiație din evenimentele de împrăștiere a neutronilor / electronilor, care produc din nou electroni cu energie ridicată. Aceste două reacții sunt produse exclusiv de neutrini electronici.
Utilizarea deuteriului este crucială pentru funcția SNO, deoarece cele trei tipuri de neutrini [10] pot fi detectate într-un al treilea tip de reacție, dezintegrarea neutrino, în care un neutrino de orice tip (electronic, muon, sau tauonic) dă împrăștiere cu un nucleu de deuteriu ( deuteron ), transferând suficientă energie pentru a sparge deuteronul legat slab într-un neutron și un proton liber. Acest eveniment este detectat atunci când neutronul liber este absorbit de ionul 35 Cl - prezent în clorura de sodiu dizolvată în mod deliberat în apa grea, provocând emisia de raze gamma caracteristice de captare. Prin urmare, în acest experiment, apa grea oferă nu numai mediul transparent necesar pentru a produce și face evidentă radiația Čerenkov, dar oferă și deuteriu pentru a detecta neutrinii exotici μ și τ, precum și un mediu moderator non-absorbant pentru a preveni neutronii liberi suferă această reacție până când pot fi absorbiți de un izotop activat ușor de detectat.
Testul ratei metabolice în fiziologie / biologie
Apa grea este utilizată ca parte a unui amestec cu H 2 18 O pentru un test comun și sigur al ratei metabolice medii la oameni și animale care își desfășoară activitățile normale. Acest test metabolic este denumit în mod obișnuit „testul de apă dublu etichetat”. [11]
Producția de tritiu
Tritiul este substanța activă utilizată în iluminarea tritiului și a fuziunii nucleare controlate, celelalte utilizări ale sale includ autoradiografia și utilizarea ca trasor radioactiv. Este, de asemenea, utilizat pentru producerea de arme nucleare intensificate și inițiatori de neutroni. O anumită cantitate de tritiu este creată în reactoarele cu apă grea atunci când deuteriul captează un neutron. Această reacție are o secțiune transversală mică (zona imaginară de captare a neutronilor din jurul nucleului) și produce doar cantități mici de tritiu, deși suficientă pentru a garanta curățarea periodică a moderatorului pentru a reduce riscul de mediu al scurgerii de tritiu.
Producerea unor cantități mari de tritiu în acest mod ar necesita reactoare cu fluență neutronică foarte mare sau cu un raport foarte mare de apă grea la combustibil nuclear și absorbție foarte mică de neutroni de către alte materiale ale reactorului. Tritiul ar trebui apoi recuperat prin separarea izotopică dintr-o cantitate mai mare de deuteriu, spre deosebire de producția din litiu -6 (metoda actuală), unde este necesară doar separarea chimică.
Secțiunea transversală a deuteriului pentru neutroni termici este de 0,52 mili hambar , în timp ce pentru oxigen -16 este 0,19 milibarn și pentru oxigen-17 0,24 hambar. 17 O constituie 0,038% oxigen natural, producând secțiunea transversală totală de 0,28 milibarn. Deci, în D 2 O cu oxigen natural, 21% din captarea neutronilor are loc pe oxigen, crescând pe măsură ce crește cantitatea de 17 O produsă ca urmare a captării neutronilor cu 16 O. În plus, 17 O emite o particulă α cu captare, producând carbon radioactiv -14.
Toxicitate
Experimentele efectuate pe șoareci , șobolani și câini au arătat că o epuizare a conținutului fiziologic al apei ușoare cu un grad de deuterare de 25%, datorită aportului de apă grea, provoacă sterilitate, chiar ireversibilă din cauza imposibilității gametilor și zigotilor . să se dezvolte. [12] Concentrațiile mari de apă grea (90%) ucid rapid pești , mormoloci , viermi plat și drosophila . Administrând apă grea mamiferelor, cum ar fi șobolanii, timp de câteva zile, aceștia mor după o săptămână după deuterizarea a aproximativ 50% din conținutul lor de apă. Cauza morții pare să fie cauzată de otrăvirea citotoxică .
La om , efectele toxice ar putea apărea în urma consumului prelungit de apă grea, necesitând o cantitate mare din aceasta în scopul deuterizării apei prezente în organism. În special, luând în considerare cantitatea medie de apă normală din care este compus organismul și înlocuirea aportului mediu normal de apă ușoară cu aceeași cantitate de apă grea, după cel puțin 5 zile se va ajunge la 25% deuterare și după aproximativ 11 zile ar ajunge la 50% cu manifestări de stare de rău ale unei anumite entități și risc de deces în decurs de 2 săptămâni de la administrarea continuă. O otrăvire ipotetică poate fi contracarată prin administrarea intravenoasă a unei soluții fiziologice pentru a înlocui apa grea cu apă normală (un diuretic ar fi de ajutor suplimentar). [ fără sursă ] .
Cultură de masă
- În benzile desenate DC, Jay Garrick, primul Flash, câștigă puteri datorită unui experiment cu apă grea.
- Bătălia pentru bomba atomică ( Kampen om tungtvannet ), film din 1948 , regizat de Jean Dréville și Titus Vibe-Muller. Povestea planului lui Hitler de a crea bomba atomică în Germania în timpul celui de-al doilea război mondial și sabotarea apei grele în Rjukan , Norvegia, de către rezistență. Mai mulți protagoniști: omul de știință german Werner Karl Heisenberg , directorul general al Norsk Hydro , Henriksen, profesorul de fizică Leif Tronstad și soldații norvegieni și britanici în misiunea de sabotaj a uzinei de apă.
- Eroii din Telemark filmului din 1965 , în regia lui Anthony Mann .
- I delitti del BarLume , un serial de televiziune din 2013 regizat de Eugenio Cappuccio .
Notă
- ^ Sigma Aldrich; rev. din 09.05.2012
- ^ Heavy Water. Arhivat 19 decembrie 2015 la Internet Archive ., La Observatorul Neutrino Sudbury
- ^ IUPAC Gold Book
- ^ Lewis; MacDonald, Concentration of H2 Isotope , în The Journal of Chemical Physics , vol. 1, 1933, p. 341, DOI : 10.1063 / 1.1749300 .
- ^ Lewis, Isotopii hidrogenului , în Jurnalul Societății Americane de Chimie , vol. 55, 1933, p. 1297, DOI : 10.1021 / ja01330a511 .
- ^ Washburn; Urey, Concentrația izotopului H2 al hidrogenului prin electroliza fracționată a apei , în Proc. Nut. Acad. Sci. ,, Vol. 18, 1932, p. 496, DOI : 10.1073 / pnas.18.7.496 .
- ^ Nino Nava, The Sergeant Arms , ed. Fermi, Geneva 1973
- ^ (EN) Water Properties , pe martin.chaplin.btinternet.co.uk. Accesat la 2 aprilie 2020 (arhivat din original la 25 septembrie 2006) .
- ^ Rolla , p. 290 .
- ^ Detectorul SNO , la sno.phy.queensu.ca , Institutul Sudbury Neutrino Observatory, Universitatea Queen's din Kingston. Adus pe 29 martie 2011 (arhivat din original la 7 mai 2021) .
- ^ Schoeller, DA; van Santen, E. (1982) Măsurarea cheltuielilor de energie la om cu apă dublu etichetată. J. Appl. Fiziol., 53, 955-959
- ^ Canadian Journal of Physiology and Pharmacology 77 (2): 79-88 (1999) Arhivat 14 decembrie 2005 la Internet Archive .
Bibliografie
- Luigi Rolla, Chimie și mineralogie. Pentru licee , ediția a 29-a, Dante Alighieri, 1987.
- Marco Malvaldi, cea mai mare carte . Sellerio, 2012.
Elemente conexe
Alte proiecte
-
Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre apa grea
linkuri externe
- ( EN ) Apă grea , în Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.
- (RO)Apa grea este atât de periculoasă? , la straightdope.com .
| Controlul autorității | Tezaur BNCF 21410 · LCCN (EN) sh85037319 · GND (DE) 4149228-6 · BNF (FR) cb12152774m (data) |
|---|
