Tungt vann

Strukturell formel
Generell
Etternavn	Tungt vann
andre navn	Deuteriumoksid
Molekylær formel	D 2 O ( 2 H 2 O)
Kort beskrivelse	fargeløs væske
Eksterne identifikatorer / databaser
CAS-nummer 7789-20-0 EF-nummer 232-148-9 ECHA InfoCard 100.029.226 PubChem 24602 Wikidata Q155890
eiendommer
Molarmasse	20,0286 g mol −1
Fysisk tilstand	væske
tetthet	1,107 g cm −3
Smeltepunkt	3,8 ° C
kokepunkt	101,4 ° C
Brytningsindeks	1,328 (20 ° C)
sikkerhetsinstruksjoner
GHS faremerking ingen GHS-piktogrammer H- og P-setninger H: ingen H-setninger P: ingen P-setninger
Så langt som mulig og vanlig, brukes SI-enheter . Med mindre annet er angitt, gjelder oppgitte data standardbetingelser . Brytningsindeks: Na-D-linje , 20 ° C

Fra et kjemisk synspunkt er tungt vann ( deuteriumoksid ) vann med den empiriske formelen D ₂ O. Det skiller seg fra konvensjonelt vann H ₂ O, som også referert til som "lett vann" i denne sammenheng, ved at det normale hydrogenatomer i isotopen protium (symbol H) har blitt erstattet av tunge hydrogenatomer i isotopen deuterium (symbol D). Protium har bare en proton i atomkjernen , mens deuterium har en proton og en nøytron . Følgelig vil molekylvekten og densiteten av tungt vann er høyere enn de med vanlig vann.

Halvtungt vann (hydrodeuteriumoksid) med den empiriske formelen HDO inneholder derimot ett normalt og ett tungt hydrogenatom. Statistisk sett forekommer det mye oftere i naturen enn tungt vann. På jorden er det omtrent ett deuteriumatom for hver 7000 hydrogenatomer (i snø eller regnvann 1: 9000, i sjøvann med høyt saltinnhold 1: 5500).

Tungt vann ( tritiumoksid ) med den empiriske formelen T ₂ O inneholder tritium (symbol T) i stedet for normalt hydrogen.

Utdrag

Tungt vann oppnås ved berikelse fra konvensjonelt vann, der det forekommer i små mengder. Hvis vann elektrolyseres , har tungtvannet en tendens til å forbli spaltet ( kinetisk isotopeffekt ), mens lett vann blir delt i hydrogen og oksygen . Girdlers sulfidprosess er også en berikelse .

En annen prosess involverer destillasjon av ammoniakk eller hydrogensulfid . Utgangsmaterialet er fortrinnsvis avløpsvann fra galvaniseringsanlegg og produksjon av hydrogen ved elektrolyse, da dette allerede er betydelig beriket med HDO på grunn av den foretrukne elektrolyse av lett vann.

eiendommer

Tungt vann er mindre reaktivt enn normalt vann og har lavere løselighet. Årsaken er deuteriumets høyere kjernemasse. Som et resultat har molekylvibrasjonene en lavere frekvens, og nullpunktenergiene til disse vibrasjonene er lavere enn i lett vann. Ved strekkvibrasjoner er effekten omtrent 125 m eV eller 5 k _B T ved romtemperatur. Som et resultat krever dissosiasjon av tungt vann, som er en forutsetning for mange biokjemiske reaksjoner, mer energi og kan reduseres kraftig. I tillegg til dissosiasjon påvirkes dannelsen av hydrogenbindinger , som også er av vesentlig betydning i biokjemiske systemer. På grunn av den “dynamiske isotopeffekten ” er translasjons- og rotasjonsmobiliteten til tungtvannsmolekylene i væsken noe lavere enn for lette vannmolekyler. Ved 25 ° C z. B. selvdiffusjonskoeffisienten for tungt vann med 23% lavere enn for lett vann.

På grunn av disse forskjellige egenskapene er tungt vann litt giftig for de fleste organismer. Eksperimenter med mus viste at celledeling ( mitose ) undertrykkes. Som et resultat blir vev som må byttes ut raskt (f.eks. Magevegg) påvirket av fortsatt inntak av tungt vann. Disse effektene ble tydelige da mus ble erstattet med tungt vann for omtrent 50 prosent av kroppsvannet. Aggressive kreftformer bør også reduseres; fordelene med tungvannsbehandling vil imidlertid sannsynligvis ikke oppveie bivirkningene.

I følge et kort bidrag fra Urey og Failla fra 1935, bør ikke smaken av tungt vann skille seg ut fra destillert "vanlig" vann. Nylige eksperimenter har imidlertid vist at tungt vann har en søtlig smak for mennesker.

	vann
	Normal (H 2 O)	Medium Heavy (HDO)	Tung (D 2 O)	Tung (T 2 O)	H 2 17 O	H 2 18 O	D 2 18 O
Molmasse (g / mol)	18.0153	19.017	20.0286	22.031	19.015	20.015	22.03
Smeltepunktstemperatur	000,00 ° C	002,04 ° C	003,82 ° C	004,49 ° C		000,28 ° C	003,8 ° C
Kokepunkt (ved normalt trykk )	099,97 ° C	100,74 ° C	101,40 ° C	101,51 ° C	100,08 ° C	100,15 ° C	101,4 ° C
Maksimal tetthet ved	003,98 ° C	002,04 ° C	011,24 ° C	013,40 ° C		004,30 ° C
Maksimal tetthet (g / cm³)	0,999975		1.1053	1.21501		1.111249
pK w- verdi ved 25 ° C	13.995		14.869	15.216
Nøytralt punkt	pH 7,00		pH 7,43	pH 7,61

Den høyere tettheten av is fra tungt vann fører til at en isbit av tungt vann synker i vanlig vann (væske). I vann (H ₂ O) på f.eks B. 2 ° C en D ₂ O-isterning smelter ikke, men kan oppløses ved diffusjon i væskefasen.

Bland med vanlig og halvt tungt vann

Gjennom Grotthuss-mekanismen bytter vannmolekyler hydrogenioner med hverandre. Derfor, når like mengder av H ₂ O og D ₂ O er blandet, blir en statistisk fordeling dannet som består av 50% HDO og 25% av hver av H ₂ O og D ₂ O. Av samme grunn kan det ikke være en væske som bare består av HDO-molekyler.

bruk

Tungt vann brukes i tungtvannsreaktorer (for eksempel reaktorer av Candu- typen ) som moderator og kjølevæske , siden det absorberer betydelig færre nøytroner enn vanlig vann med en lignende moderasjonseffekt. Dette betyr at naturlig uran kan brukes i reaktoren og den ellers nødvendige anrikningen kan utelates.

Den deuteron er aktiv i NMR , men vises ikke i H-NMR-spektra på grunn av den omtrent forskjellig frekvens. Tilsetningen av litt tungt vann får derfor linjer i spektrumet til en prøve til å forsvinne som stammer fra hydrogenatomer, som byttes med løsningsmidlet mange ganger i løpet av avslapningstiden.

På grunn av de forskjellige svingningsfrekvensene kan tungt vann med fordel anvendes i svingningsspektroskopi av hydrogenholdige stoffer i vandig løsning.

Tungt vann brukes også til målrettet kjemisk syntese av forbindelser, enten for å introdusere deuterium i produktet eller for å svekke en konkurransedyktig reaksjon der H eller D overføres.

Siden lavere organismer også kan overleve i rent tungt vann, er det mulig å isolere svært komplekse naturlige stoffer fra slike organismer der alle hydrogenatomer er erstattet av deuterium.

Kjemp om tungt vann i andre verdenskrig

I løpet av krigsårene fra 1942 til 1945 var Rjukan i Sør-Norge i Telemark- provinsen åstedet for en eksplosiv konflikt. Siden 1934 har det kjemiske og vannkraftverket i Vemork vært den eneste europeiske fabrikken ( Norsk Hydro ) som var i stand til å produsere betydelige mengder tungt vann takket være det enorme energioverskuddet. Med et smart trekk kom franskmennene foran tyskerne og sikret seg opprinnelig hele lageret på over 160 kg, som ble brakt til USA av den franske kjernefysikeren Hans von Halban via Storbritannia etter invasjonen av Frankrike av den franske kjernefysiske fysiker Hans von Halban .

På slutten av 1930-tallet Otto Hahn , Fritz Strassmann og Lise Meitner oppdaget prinsippet om kjernefysisk kjedereaksjon , som resulterte i et løp med de allierte for kontroll av fabrikken etter utbruddet av andre verdenskrig . For det tyske uranprosjektet var bruk av tungt vann ment som moderator for en testreaktor som blant annet kunne ha blitt produsert plutonium av våpen .

Dermed ble de alliertes oppmerksomhet rettet mot anlegget i Rjukan, og eliminasjonen av den tyske atomforskningen var i stand til å nøytralisere på en gang: Etter flere tilbakeslag, tolv norske motstandsmenn (støttet av Special Operations Executive ), som hadde holdt gjemt på Hardangervidda- platået , utførte rivingen ved høykonsentrasjonsanlegget for tungt vann fra Norsk Hydro-verk . Bare noen få uker senere ble imidlertid skaden utbedret, og de tyske okkupantene lot produksjonen starte opp igjen. Den norsk-franske koproduksjonen Battle for Heavy Water ( Kampen om tungtvannet , 1948), den britiske spillefilmen "Schweres Wasser" ( The Heroes of Telemark , 1965) og den norsk-dansk-britiske TV-miniserien Saboteurs im Eis - Operasjon Schweres Wasser ( Kampen om tungtvannet , 2015) tar for seg disse hendelsene.

Flere allierte bombeangrep på kraftverket og det ombygde anlegget fulgte, til de tyske okkupantene bestemte seg for å gi opp fabrikken og ta 50 fat tungt vann som allerede var produsert. Konsentrasjonen av deuteriumoksyd svingte mellom 1% og 99%; den ble identifisert med et tosifret tall på fatene, som ikke tillot utenforstående å trekke noen konklusjoner om konsentrasjonen.

Rjukanbanen jernbaneferge kalt Hydro , lastet med tungt vann, ble sabotert 20. februar 1944 av en eksplosiv anordning i maskinrommet. Fergen sank i løpet av få minutter på den 460 meter dype Tinnsjø ( norsk for 'innsjø nær Tinn '). Tønner med høyt konsentrert innhold, som bare var delvis fylt, fløt på vannoverflaten etter å ha sunket. De ble gjenopprettet av tyskerne og sendt til Tyskland tre uker etter forliset og senere brukt i Haigerloch-forskningsreaktoren . Da fergen gikk ned, ble fire tyske soldater og 14 sivile drept.

Den undersjøiske arkeolog Brett Phaneuf ble belønnet med en norsk-amerikansk forskerteam 60 år etter senkingen av hydrauliske tillatelse til dykking tur til hydro, men med kravet om å heve nøyaktig et fat siden vraket offisielt regnes som en krigsgrav er ekte.

Det meget godt bevart fat nr. 26 kunne åpnes uanstrengt etter at det ble gjenvunnet, ettersom bunghullets gummipakningsring fremdeles var intakt etter mer enn 60 år. Under undersøkelser om bord og senere i London ble et anrikningsnivå på 1,1 prosent ± 0,2 bestemt. I følge den hemmelige lastelisten fra 1944 inneholdt dette fatet et destillat på 1,64% tungt vann.

produksjon

Fra 1945 ble Girdlers sulfidprosess brukt i industriell skala i USA , og de første tungtvannsreaktorene gikk i drift i 1953. Berikingssystemene ble opprinnelig drevet av DuPont og overtatt av Westinghouse Electric i 1989 .

En av verdens største produsenter av tungt vann er for tiden India . Teknisk utvikling begynte på 1960-tallet som en del av det indiske atomprogrammet . Landet driver syv produksjonsanlegg. 22 av totalt 27 atomreaktorer, hvorav noen fremdeles er under bygging, drives med tungt vann som moderator.

I Iran hadde et anlegg for utvinning av tungt vann vært under bygging i Khonbad nær Arak siden 1996 . Kapasiteten var designet for 8 tonn per år. Produksjonsanlegget ble ferdigstilt i 2003, og det ble samtidig kunngjort en andre utvidelsesfase, slik at produksjonen ville dobles til 16 tonn per år. Tungtvannet kreves for å drive den 40 MW naturlige uranreaktoren IR-40 .

Fram til 2015 var Romania den største produsenten i Europa. Tungt vann produseres også i Argentina, Norge, Canada, Pakistan og Russland.

Individuelle bevis

1. ↑ ^{a b c d e f g} Deuterium oksid datablad fra Sigma-Aldrich , åpnet 23. juni 2011 ( PDF ).
2. ↑ Edme H. Hardy, Astrid Zygar, Manfred D. Zeidler, Manfred Holz, Frank D. Sacher: Isotop virkning på translatorisk og rotasjonsbevegelse i flytende vann og ammoniakk. I: J. Chem Phys. 114, 2001, s. 3174-3181.
3. ^ HC Urey, G. Failla: Angående smaken av tungt vann. I: Science Vol. 81, nr. 2098, s. 273, doi : 10.1126 / science.81.2098.273-a .
4. ↑ Menneskelige smaksløk kan fortelle forskjellen mellom normalt og 'tungt' vann , artikkel av Peter Dockrill fra 11. april 2021 om Science Alert , tilgjengelig 11. april 2021.
5. ^ ^{A b c} Roberto Fernandez-Prini, AH Harvey, DA Palmer: Vandige systemer ved forhøyede temperaturer og trykk Fysisk kjemi i vann-, damp- og hydrotermiske løsninger . Academic Press, 2004, ISBN 978-0-08-047199-0 , pp. 290 ( begrenset forhåndsvisning i Google Book-søk). 
6. ↑ ^{a b c d} Martin Chaplin: Water Properties (inkludert isotopologues). I: Vannstruktur og vitenskap. 11. august 2020, åpnet 21. august 2020 . 
7. ↑ Peter Kurzweil: Vieweg-enhetsleksikonet: termer, formler og konstanter fra naturvitenskap, teknologi og medisin . 2. illustrert utgave. Vieweg + Teubner Verlag, Wiesbaden 2000, ISBN 3-528-16987-7 , pp. 432 . 
8. ↑ Viser isotopforskjeller ved bruk av tetthets (H2O og D2O) demonstrasjonseksperiment, Brad Sieve, Northern Kentucky University, youtube.com, video (2:49). 15. oktober 2012, åpnet 4. september 2016. - Sammenlign: ChemDemos.NKU.edu (NKU Chemistry Demonstration Database).
9. ↑ The ZDF berging strålte 24. juli 2005 som en del av en dokumentasjon ( Memento av 6. august 2005 i en Internet Archive ) ( engelske originalen ) fra.
10. ↑ Om HWB. I: Tungtvannsbrett. Avdeling for atomenergi, Indias regjering, 21. august 2020, åpnet 21. august 2020 . 
11. ↑ Planter i et blikk. I: Tungtvannsbrett. Avdeling for atomenergi, Indias regjering, 21. august 2020, åpnet 21. august 2020 . 
12. ↑ Statistikk fra den IAEA . Hentet 25. desember 2013.
13. ^ Arak - Tungtvannsproduksjonsanlegg. I: GlobalSecurity.org . 15. oktober 2008, arkivert fra originalen 15. januar 2010 ; åpnet 21. august 2020 (engelsk). 
14. ↑ Laurențiu Gheorghe: Sa dus pe Apa Grea a Sâmbetei - moștenirea nucleară pierdută a lui Nicolae Ceaușescu. I: adevarulfinanciar.ro. Adevărul Holding, 22. mai 2015, arkivert fra originalen 29. mai 2015 ; åpnet 21. august 2020 (rumensk). 

weblenker