Tungt vand
| Strukturformel | ||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ||||||||||||||||
| Generel | ||||||||||||||||
| Efternavn | Tungt vand | |||||||||||||||
| andre navne |
Deuteriumoxid |
|||||||||||||||
| Molekylær formel | D 2 O ( 2 H 2 O) | |||||||||||||||
| Kort beskrivelse |
farveløs væske |
|||||||||||||||
| Eksterne identifikatorer / databaser | ||||||||||||||||
| ||||||||||||||||
| ejendomme | ||||||||||||||||
| Molar masse | 20,0286 g mol −1 | |||||||||||||||
| Fysisk tilstand |
væske |
|||||||||||||||
| massefylde |
1,107 g cm −3 |
|||||||||||||||
| Smeltepunkt |
3,8 ° C |
|||||||||||||||
| kogepunkt |
101,4 ° C |
|||||||||||||||
| Brydningsindeks |
1,328 (20 ° C) |
|||||||||||||||
| Sikkerhedsinstruktioner | ||||||||||||||||
| ||||||||||||||||
| Så vidt muligt og sædvanligt anvendes SI -enheder . Medmindre andet er angivet, gælder de givne data for standardbetingelser . Brydningsindeks: Na-D-linje , 20 ° C | ||||||||||||||||
Fra et kemisk synspunkt er tungt vand ( deuteriumoxid ) vand med den empiriske formel D 2 O. Det adskiller sig fra konventionelt vand H 2 O, som også omtales som "let vand" i denne sammenhæng, idet den normale hydrogenatomer i isotopen protium (symbol H) er blevet erstattet af tunge hydrogenatomer i isotopen deuterium (symbol D). Protium har kun en proton i atomkernen , mens deuterium har en proton og en neutron . Følgelig er molekylvægten og densiteten af tungt vand højere end almindeligt vand.
Halvtungt vand (hydrodeuteriumoxid) med den empiriske formel HDO indeholder på den anden side et normalt og et tungt hydrogenatom. Statistisk set forekommer det meget hyppigere i naturen end tungt vand. På jorden er der omkring et deuteriumatom for hver 7000 brintatomer (i sne eller regnvand 1: 9000, i havvand med et højt saltindhold 1: 5500).
Tungt vand ( tritiumoxid ) med den empiriske formel T 2 O indeholder tritium (symbol T) i stedet for normalt brint.
Udvinding
Tungt vand opnås ved berigelse fra konventionelt vand, hvor det forekommer i små mængder. Hvis vandet elektrolyseres , har det tunge vand en tendens til at forblive ukomponeret ( kinetisk isotopeffekt ), mens let vand opdeles i brint og ilt . Girdlersulfidprocessen er også en berigelse .
En anden proces involverer destillation af ammoniak eller hydrogensulfid . Udgangsmaterialet er fortrinsvis spildevand fra galvaniseringsanlæg og produktion af hydrogen ved elektrolyse, da dette allerede er betydeligt beriget med HDO på grund af den foretrukne elektrolyse af let vand.
ejendomme
Tungt vand er mindre reaktivt end normalt vand og har en lavere opløselighed. Årsagen er deuteriums højere kernemasse. Som et resultat heraf har molekylvibrationerne en lavere frekvens, og nulpunktsenergierne for disse vibrationer er lavere end i let vand. I tilfælde af en strækningsvibration , effekten er omkring 125 m eV eller 5 k B T ved stuetemperatur. Som følge heraf kræver dissociationen af tungt vand, som er en forudsætning for mange biokemiske reaktioner, mere energi og kan i høj grad sænkes. Udover dissociation påvirkes dannelsen af hydrogenbindinger , som også er af væsentlig betydning i biokemiske systemer. På grund af den "dynamiske isotopeffekt " er translationel og rotationsmobilitet for tungvandsmolekylerne i væsken noget lavere end letvandsmolekylernes. Ved 25 ° C z. B. selvdiffusionskoefficienten for tungt vand med 23% lavere end for let vand.
På grund af disse forskellige egenskaber er tungt vand let giftigt for de fleste organismer. Eksperimenter med mus viste, at celledeling ( mitose ) undertrykkes. Som følge heraf påvirkes væv , der skal udskiftes hurtigt (f.eks. Mavevæg) ved fortsat indtagelse af tungt vand. Disse effekter blev tydelige, da mus blev udskiftet med tungt vand for omkring 50 procent af deres kropsvand. Aggressive kræftformer bør også sænkes; fordelene ved tungtvandsbehandling ville imidlertid sandsynligvis ikke opveje bivirkningerne.
Ifølge et kort bidrag fra Urey og Failla fra 1935 bør smagen af tungt vand ikke afvige fra destilleret "normalt" vand. Nylige forsøg har imidlertid vist, at tungt vand har en sødlig smag for mennesker.
| vand | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 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 | |
| Molar masse (g / mol) | 18.0153 | 19.017 | 20.0286 | 22.031 | 19.015 | 20.015 | 22.03 |
| Smeltepunktstemperatur | 0,00 ° C | 2,04 ° C | 3,82 ° C | 4,49 ° C | 0,28 ° C | 3,8 ° C | |
| Kogepunkt (ved normalt tryk ) | 99,97 ° C | 100,74 ° C | 101,40 ° C | 101,51 ° C | 100,08 ° C | 100,15 ° C | 101,4 ° C |
| Maksimal densitet kl | 3,98 ° C | 2,04 ° C | 11,24 ° C | 13,40 ° C | 4,30 ° C | ||
| Maksimal densitet (g / cm³) | 0,999975 | 1.1053 | 1.21501 | 1.111249 | |||
| pK w -værdi ved 25 ° C | 13.995 | 14.869 | 15.216 | ||||
| Neutralt punkt | pH 7,00 | pH 7,43 | pH 7,61 | ||||
Den højere tæthed af is fra tungt vand får en isterning af tungt vand til at synke i normalt vand (væske). I vand (H 2 O) af f.eks. B. 2 ° C a D 2 O isterning smelter ikke, men kan opløses ved diffusion i væskefasen.
Bland med normalt og halvtungt vand
Gennem Grotthuss -mekanismen udveksler vandmolekyler hydrogenioner med hinanden. Derfor, når lige store mængder af H 2 O og D 2 O er blandet, en statistisk fordeling dannes der består af 50% HDO og 25% af hver af H 2 O og D 2 O. Af samme grund kan der ikke være en væske, der kun består af HDO -molekyler.
brug
Tungt vand bruges i tunge vandreaktorer (f.eks. Reaktorer af Candu -typen ) som moderator og kølevæske , da det absorberer betydeligt færre neutroner end normalt vand med en lignende modererende virkning. Det betyder, at naturligt uran kan bruges i reaktoren, og den ellers nødvendige berigelse kan undværes.
Den deuteron er aktiv i NMR , men synes ikke i H-NMR-spektre på grund af groft forskellig frekvens. Tilsætning af lidt tungt vand får derfor linjer i spektrets spektrum til at forsvinde, der stammer fra hydrogenatomer, som udveksles med opløsningsmidlet mange gange i løbet af afslapningstiden.
På grund af de forskellige oscillationsfrekvenser kan tungt vand på tilsvarende måde med fordel anvendes i oscillationsspektroskopi af hydrogenholdige stoffer i vandig opløsning.
Tungt vand bruges også til målrettet kemisk syntese af forbindelser, enten for at indføre deuterium i produktet eller for at svække en konkurrencedygtig reaktion, hvor H eller D overføres.
Da lavere organismer også kan overleve i rent tungt vand, er det muligt at isolere meget komplekse naturstoffer fra sådanne organismer , hvor alle brintatomer erstattes af deuterium.
Kamp om tungt vand i anden verdenskrig
I krigsårene fra 1942 til 1945 var Rjukan i det sydlige Norge i Telemark -provinsen stedet for en eksplosiv konflikt. Siden 1934 har kemi- og vandkraftværket i Vemork været den eneste europæiske fabrik ( Norsk Hydro ), der kunne producere tungt vand i betydelige mængder takket være dets enorme energioverskud. Med et smart træk kom franskmændene foran tyskerne og sikrede i første omgang hele beholdningen på over 160 kg, som blev bragt til USA af den franske atomfysiker Hans von Halban via Storbritannien efter den franske atomfysikers invasion af Frankrig Hans von Halban .
I slutningen af 1930'erne Otto Hahn , Fritz Strassmann og opdagede Lise Meitner princippet om den nukleare kædereaktion , hvilket resulterede i et kapløb med de allierede til styring af fabrikken efter udbruddet af Anden Verdenskrig . Til det tyske uranprojekt var brugen af tungt vand tænkt som en moderator af en testreaktor, som blandt andet kunne have produceret plutonium af våbenkvalitet .
De allierede henvendte sig således til anlægget i Rjukan, hvis eliminering af tysk atomforskning i ét slag kunne neutraliseres: Efter flere tilbageslag, tolv norske modstandsfolk (støttet af Special Operations Executive ), der havde holdt sig skjult på plateau af Hardangervidda , udførte nedrivningen på højkoncentrationsanlægget til tungt vand fra Norsk Hydro -værkerne . Bare et par uger senere blev skaden dog repareret, og de tyske besættere tillod produktionen at starte op igen. Den norsk-franske samproduktion Battle for Heavy Water ( Kampen om tungtvannet , 1948), den britiske spillefilm "Schweres Wasser" ( Telemarks helte , 1965) og de norsk-dansk-britiske tv-miniserier Saboteurs im Eis-Operation Schweres Wasser ( Kampen om tungtvannet , 2015) omhandler disse begivenheder.
Flere allierede bombeangreb på kraftværket og det genopførte anlæg fulgte, indtil de tyske besættere besluttede at opgive fabrikken og tage 50 tønder tungt vand, der allerede var produceret. Koncentrationen af deuteriumoxid svingede mellem 1% og 99%; det blev identificeret med et tocifret tal på tønderne, hvilket ikke tillod udenforstående at drage nogen konklusioner om koncentrationen.
Rjukanbanen jernbanefærge kaldet Hydro , lastet med tungt vand, blev saboteret den 20. februar 1944 af en eksplosiv indretning i maskinrummet. Færgen sank inden for få minutter på den 460 meter dybe Tinnsjø ( norsk for 'sø nær Tinn '). Tønder med et meget koncentreret indhold, som kun var delvist fyldt, flød på overfladen af vandet efter at have synket. De blev genoprettet af tyskerne og sendt til Tyskland tre uger efter forliset og senere brugt i Haigerloch -forskningsreaktoren . Da færgen gik ned, blev fire tyske soldater og 14 civile dræbt.
Den undersøiske arkæolog Brett Phaneuf blev belønnet med en norsk-amerikansk forskerhold 60 år efter forliset af det hydrauliske tilladelse til en dykning tur til vandkraft, men med kravet om at hæve lige præcis en tønde, da vraget officielt betragtes en krig grav er sand.
Den meget velbevarede tønde nr. 26 kunne åbnes ubesværet, efter at den blev genoprettet, da bungholeets gummitætningsring stadig var intakt efter mere end 60 år. Under undersøgelser om bord og senere i London blev et berigelsesniveau på 1,1 procent ± 0,2 bestemt. Ifølge den hemmelige lasteliste fra 1944 indeholdt denne tønde et destillat på 1,64% tungt vand.
produktion
Fra 1945 blev Girdlersulfidprocessen brugt i industriel skala i USA ; de første tungtvandsreaktorer blev taget i drift i 1953. Berigelsessystemerne blev oprindeligt drevet af DuPont og derefter overtaget af Westinghouse Electric i 1989 .
En af verdens største producenter af tungt vand er i øjeblikket Indien . Teknisk udvikling begyndte i 1960'erne som en del af det indiske atomprogram . Landet driver syv produktionsanlæg. 22 af de i alt 27 atomreaktorer, hvoraf nogle stadig er under opførelse, drives med tungt vand som moderator.
I Iran havde et anlæg til udvinding af tungt vand været under opførelse i Khonbad nær Arak siden 1996 . Kapaciteten blev designet til 8 tons om året. Produktionsanlægget blev afsluttet i 2003, og et andet ekspansionsfase blev annonceret på samme tid, så produktionen ville blive fordoblet til 16 tons om året. Det tunge vand er påkrævet for at drive den 40 MW naturlige uranreaktor IR-40 .
Indtil 2015 var Rumænien den største producent i Europa. Tungt vand produceres også i Argentina, Norge, Canada, Pakistan og Rusland.
Individuelle beviser
- ↑ a b c d e f g Datablad om Deuteriumoxid fra Sigma-Aldrich , åbnet den 23. juni 2011 ( PDF ).
- ^ Edme H. Hardy, Astrid Zygar, Manfred D. Zeidler, Manfred Holz, Frank D. Sacher: Isotopeffekt på translationel og rotationsbevægelse i flydende vand og ammoniak. I: J. Chem Phys. 114, 2001, s. 3174-3181.
- ^ HC Urey, G. Failla: angående smag af tungt vand. I: Science Vol. 81, nr. 2098, s. 273, doi : 10.1126 / science.81.2098.273-a .
- ^ Menneskelige smagsløg kan fortælle forskellen mellem normalt og 'tungt' vand , artikel af Peter Dockrill fra 11. april 2021 om Science Alert , tilgængelig den 11. april 2021.
- ^ A b c Roberto Fernandez-Prini, AH Harvey, DA Palmer: Vandige systemer ved forhøjede temperaturer og tryk Physical Chemistry i vand, damp og Hydrotermiske Solutions . Academic Press, 2004, ISBN 978-0-08-047199-0 , s. 290 ( begrænset forhåndsvisning i Google Bogsøgning).
- ↑ a b c d Martin Chaplin: Vandegenskaber (inklusive isotopologer). I: Vandstruktur og videnskab. 11. august 2020, adgang til 21. august 2020 .
- ^ Peter Kurzweil: Vieweg -enhedens leksikon: termer, formler og konstanter fra naturvidenskab, teknologi og medicin . 2. illustrerede udgave. Vieweg + Teubner Verlag, Wiesbaden 2000, ISBN 3-528-16987-7 , s. 432 .
- ↑ Viser isotopforskelle ved hjælp af demonstrationseksperiment med densitet (H2O og D2O) , Brad Sieve, Northern Kentucky University, youtube.com, video (2:49). 15. oktober 2012, adgang til 4. september 2016. - Sammenlign: ChemDemos.NKU.edu (NKU Chemistry Demonstration Database).
- ↑ Den ZDF bjærgning strålede den 24. juli 2005 som led i en dokumentation ( Memento af 6. august 2005 på Internet Archive ) ( engelsk original ) fra.
- ↑ Om HWB. I: Heavy Water Board. Institut for Atomenergi, Indiens regering, 21. august 2020, tilgås 21. august 2020 .
- ↑ Oversigt over planter. I: Heavy Water Board. Institut for Atomenergi, Indiens regering, 21. august 2020, tilgås 21. august 2020 .
- ↑ Statistik af den IAEA . Hentet 25. december 2013.
- ^ Arak - Heavy Water Production Plant. I: GlobalSecurity.org . 15. oktober 2008, arkiveret fra originalen den 15. januar 2010 ; adgang til den 21. august 2020 (engelsk).
- ↑ Laurențiu Gheorghe: Sa dus pe Apa Grea a Sâmbetei - moștenirea nucleară pierdută og lui Nicolae Ceaușescu. I: adevarulfinanciar.ro. Adevărul Holding, 22. maj 2015, arkiveret fra originalen den 29. maj 2015 ; adgang til den 21. august 2020 (rumænsk).