Тежка вода (деутериев оксид D2O) — свойства, употреба и безопасност

Тежка вода (деутериев оксид D2O) — свойства, приложения в ядрена енергетика, рискове и мерки за безопасност. Научете употреба, влияние и защита.

Тежка вода (деутериев оксид, ²
H
_2O, D
_2O) е форма на вода, базирана на деутерий.

В него има по-голямо от нормалното количество от водородния изотоп деутерий (²
H или D, известен също като тежък водород). Обикновената вода има обичайния изотоп водород-1 (¹
H или H, наричан още протий). Той съставлява по-голямата част от водорода в обикновената вода. Наличието на деутерий придава на химикала различни ядрени свойства, а увеличаването на масата му дава различни физични и химични свойства в сравнение с обикновената "лека вода". Тежката вода се използва като неутронен модератор в някои ядрени реактори, като например реакторите CANDU. Тя е по-ефективен неутронен модератор от обикновената вода, което позволява използването на необогатен уран като гориво. Чистата тежка вода не е радиоактивна, но тежката вода, която е преминала през ядрен реактор, е слабо радиоактивна.

Физични свойства

Тежката вода (D2O) е течност с химични свойства близки до тези на обикновената вода, но с някои забележими разлики поради по-голямата маса на деутерия. Най-важните разлики са:

• Плътност: D2O е по-плътна от H2O — около 1.105 g/cm³ при 25 °C (приблизително 10 % по-голяма плътност).
• Точки на замръзване и кипене: точката на замръзване на D2O е около 3.82 °C (вместо 0 °C), а точката на кипене е леко по-висока — около 101.4 °C.
• Вискозитет и рефракция: D2O има малко по-голяма вискозитет и различен коефициент на пречупване в сравнение с H2O.
• Оптични и спектроскопски свойства: заместителите с деутерий променят честотите на колебание във вибрационните спектри, което прави D2O полезна при спектроскопски изследвания.

Химични свойства и изотопен ефект

Присъствието на деутерий води до по-силни O–D връзки в сравнение с O–H връзките. Това дава възникването на кинетичен изотопен ефект, при който скоростите на химичните реакции с участието на връзки към деутерий са по-ниски. На практика това означава, че много реакции протичат по-бавно в D2O, отколкото в обикновена вода.

Производство и разделяне

Тъй като естествената вода съдържа само малък процент деутерий (~0.015% от всички водородни ядра), за получаване на търговски количества D2O се използват специални методи за разделяне и обогатяване. Най-често срещаните методи са:

• Girdler–Sulfide процес: химическа обмяна между вода и водороден сулфид при различни температури, използван исторически за големи обеми.
• Електролиза: последователно отделяне на водород при електролиза, което обогатява оставащата вода с деутерий.
• Дестилация и фракциониране: при многократна дестилация могат да се постигнат по-високи концентрации, макар процесът да е енергийно интензивен.
• Химични обмени: процеси с амоняк, водород/вода и други системи за изотопна обмяна.

За ядрени и изследователски нужди се произвежда D2O с високо качество и висока чистота (>99.75% D2O при някои приложения).

Приложения

• Ядрени реактори: като неутронен модератор (например в реактори CANDU). Тежката вода позволява по-ефикасно забавяне на неутроните и използване на естествен уран като гориво.
• Научни изследвания: разпространена като разтворител в ядрения магнитен резонанс (NMR) и в други спектроскопски техники, където H/D заместването намалява фоновите сигнали от протони.
• Неутронни експерименти: D2O се използва в неутронни разсейвателни експерименти, където тя служи като «невидим» разтворител за водородни атоми поради различния неутронен сечение.
• Тракери и биология: деутерият може да се използва като тракер при метаболитни изследвания и в клинични изследвания на кинетиката на вещества.
• Индустриални и специализирани приложения: в някои аналитични и технологични процеси, където изотопните свойства са желани.

Безопасност и здраве

Тежката вода в чист вид не е радиоактивна и при обичайните концентрации не представлява радиационен риск. Въпреки това има токсикологични аспекти:

• При малки количества D2O (като следи в питейна вода или при лабораторни употреби) няма доказани остри вредни ефекти за хората.
• При по-големи замествания на телесната вода с D2O (на порядъка на няколко десетки процента) могат да се появят физиологични нарушения—проблеми в деленето на клетките, нарушения в метаболизма и други ефекти. Постепенното и пълно заместване на телесната вода с D2O е вредно и при високи нива може да бъде смъртоносно.
• При работа с концентрирана D2O следва да се използват стандартни мерки за безопасност: носене на ръкавици, защита за очите, добро етикетиране и съхранение в съответните съдове.

Радиационни аспекти и регулиране

Чистата тежка вода не е радиоактивна, но когато бъде изложена на потоци неутрони (например в ядрен реактор), в нея могат да се образуват радиоактивни изотопи (например тритий, при взаимодействие с незначителни примеси). Поради това D2O, използвана в реакторни системи, може да стане слабо радиоактивна и изисква специално третиране, мониторинг и регулирано управление.

Освен това производството, притежанието и износът на големи количества тежка вода са предмет на международни споразумения и национални регулации заради връзката им с ядрената енергетика и възможни рискове за нерегламентирано използване.

Практически бележки

• За лабораторни нужди се закупува D2O с определена чистота; използва се като разтворител в NMR и други техники.
• Съхранявайте D2O в плътно затворени съдове, далеч от източници на замърсяване. Висококачествената тежка вода е скъп реагент.
• При работа с материали, изложени на неутрони, следете радиационните показатели и спазвайте изискванията за третиране на активирани вещества.

В обобщение, тежката вода (деутериев оксид) е важна както в ядрената енергетика, така и в научните изследвания. Тя притежава сходни, но отличими физични и химични свойства спрямо обикновената вода, което я прави ценен инструмент в множество приложения; същевременно изисква внимателно третиране и регулация при промишлено и реакторно използване.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява тежката вода?

В: По какво се различава тежката вода от обикновената "лека" вода?

В: Какви са някои приложения на тежката вода?

В: Радиоактивна ли е чистата тежка вода?

Въпрос: Могат ли хората да оцелеят само с тежка вода вместо с обикновена лека вода?

В: Токсични ли са малки количества тежка вода за хората?

Търсене по буква