Apa grea | |||
---|---|---|---|
| |||
General | |||
Nume sistematic |
oxid de deuteriu | ||
Nume tradiționale | apa grea | ||
Chim. formulă | D2O _ _ | ||
Proprietăți fizice | |||
Stat | lichid | ||
Masă molară | 20,04 g/ mol | ||
Densitate | 1,1042 g/cm³ | ||
Vascozitate dinamica | 0,00125 Pa s | ||
Proprietati termice | |||
Temperatura | |||
• topirea | 3,81°C | ||
• fierbere | 101,43°C | ||
Punct critic | |||
• presiune | 21,86 MPa | ||
Mol. capacitate termică | 84,3 J/(mol K) | ||
Oud. capacitate termică | 4,105 J/(kg K) | ||
Entalpie | |||
• educaţie | −294,6 kJ/mol | ||
• topirea | 5,301 kJ/mol | ||
• fierbere | 45,4 kJ/mol | ||
Presiunea aburului |
10 mmHg Artă. la 13,1 °C 100 mmHg Artă. la 54°C |
||
Proprietăți chimice | |||
Solubilitate | |||
• in apa | nelimitat | ||
• trăiesc | Solubil cu moderație | ||
• în etanol | nelimitat | ||
Proprietati optice | |||
Indicele de refracție | 1,32844 (la 20°C) | ||
Clasificare | |||
Reg. numar CAS | 7789-20-0 | ||
PubChem | 24602 | ||
Reg. numărul EINECS | 232-148-9 | ||
ZÂMBETE | [2H]O[2H] | ||
InChI | InChl=1S/H2O/h1H2/i/hD2XLYOFNOQVPJJNP-ZSJDYOACSA-N | ||
RTECS | ZC0230000 | ||
CHEBI | 41981 | ||
ChemSpider | 23004 | ||
Siguranță | |||
NFPA 704 | 0 unu 0 | ||
Datele se bazează pe condiții standard (25 °C, 100 kPa), dacă nu este menționat altfel. | |||
Fișiere media la Wikimedia Commons |
Apă grea - Acest termen este de obicei folosit pentru a se referi la apa grea cu hidrogen , cunoscută și sub numele de oxid de deuteriu . Apa cu hidrogen greu are aceeași formulă chimică ca apa obișnuită, dar în loc de doi atomi ai izotopului ușor obișnuit al hidrogenului ( protium ), conține doi atomi ai izotopului hidrogen greu, deuteriu, iar oxigenul său în compoziția izotopică corespunde aerului . oxigen [1] . Formula apei cu hidrogen greu este de obicei scrisă ca D 2 O sau 2 H 2 O. În exterior, apa grea arată ca obișnuit - un lichid incolor, inodor, dar cu un gust dulceag [2] . Nu radioactiv .
Moleculele de apă cu hidrogen greu au fost descoperite pentru prima dată în apă naturală de Harold Urey în 1932 , pentru care savantul a primit Premiul Nobel pentru Chimie în 1934. Încă din 1933, Gilbert Lewis a fost primul care a izolat apa pură cu hidrogen greu. În timpul electrolizei apei obișnuite, care conține, împreună cu moleculele obișnuite de apă, o cantitate nesemnificativă de molecule de apă semigrea (HDO) și o cantitate și mai mică de molecule de apă grea (D 2 O), inclusiv un izotop greu de hidrogen , reziduul este îmbogățit treptat cu molecule ale acestor compuși. Dintr-un astfel de reziduu, dupa electrolize repetate, Lewis a reusit sa izoleze o cantitate mica de apa, formata aproape 100% din moleculele de oxigen compus cu deuteriu si numit greu. Această metodă de producere a apei grele rămâne cea principală chiar și acum, deși este utilizată în principal în stadiul final de îmbogățire de la 5–10% la >99% (vezi mai jos).
După descoperirea fisiunii nucleare la sfârșitul anului 1938 și realizarea posibilității utilizării reacțiilor în lanț de fisiune nucleară induse de neutroni, a apărut necesitatea unui moderator de neutroni - o substanță care poate încetini efectiv neutronii fără a-i pierde în reacțiile de captare. Neutronii sunt moderați cel mai eficient de nucleele ușoare, iar nucleele obișnuite de hidrogen (protiu) ar trebui să fie moderatorul cel mai eficient, dar au o secțiune transversală mare de captare a neutronilor . Dimpotrivă, hidrogenul greu captează foarte puțini neutroni (secțiunea transversală a captării neutronilor termici pentru proțiu este de peste 100 de mii de ori mai mare decât pentru deuteriu). Din punct de vedere tehnic, cel mai convenabil compus al deuteriului este apa grea și poate servi și ca lichid de răcire, eliminând căldura eliberată din zona în care are loc reacția în lanț de fisiune. Încă din primele zile ale energiei nucleare, apa grea a fost un ingredient important în unele reactoare, atât cele de generare a energiei, cât și cele concepute pentru a produce izotopi de plutoniu pentru arme nucleare. Aceste așa-numite reactoare cu apă grea au avantajul că pot funcționa cu uraniu natural (neîmbogățit) fără utilizarea moderatorilor din grafit, care în faza de dezafectare poate prezenta pericol de explozie a prafului și conține radioactivitate indusă ( carbon-14 și o serie de alți radionuclizi) [3] . Cu toate acestea, majoritatea reactoarelor moderne folosesc uraniu îmbogățit cu „apă ușoară” normală ca moderator, în ciuda pierderii parțiale de neutroni moderați.
Producția industrială și utilizarea apei grele au început odată cu dezvoltarea energiei nucleare. În URSS, în timpul organizării Laboratorului nr. 3 al Academiei de Științe a URSS ( modern ITEP ), managerului de proiect A.I. Alikhanov i-a fost dat sarcina de a crea un reactor cu apă grea . Acest lucru a condus la necesitatea apei grele, iar consiliul tehnic al Comitetului Special din cadrul Consiliului Comisarilor Poporului din URSS a elaborat un proiect de Decret al Consiliului Comisarilor Poporului din URSS „Cu privire la construcția de instalații semi-industriale pentru producția de produs 180", lucrările de creare a instalațiilor productive de apă grea au fost încredințate șefului proiectului nuclear B. L. Vannikov , Comisarul Poporului al industriei chimice M. G. Pervukhin , reprezentantul Comisiei de Stat pentru Planificare N. A. Borisov , Comisarul Poporului pentru afacerile construcțiilor din URSS S. Z. Ginzburg , Comisarul Poporului pentru Inginerie Mecanică și Instrumentare al URSS P. I. Parshin și Comisarul Poporului pentru Industria Petrolieră a URSS N.K. Baibakov [4] . M. I. Kornfeld , şeful Sectorului Laboratorului nr 2 al Academiei de Ştiinţe a URSS , a devenit consultant şef în probleme de apă grea .
Entalpia de formare ΔH | −294,6 kJ/mol (l) (la 298 K) |
Energia Gibbs de formare G | −243,48 kJ/mol (l) (la 298 K) |
Entropia formațiunii S | 75,9 J/mol K (l) (la 298 K) |
Densitatea critică | 0,363 g/cm³ |
Parametru | D2O _ _ | HDO | H2O _ _ |
---|---|---|---|
Punct de topire, °C | 3,82 | 2.04 | 0,00 |
Punct de fierbere, °C | 101.42 | 100,7 | 99.974 |
Densitate la 20 °C, g/cm³ | 1,1056 | 1.054 | 0,9982 |
Densitatea lichidului la punctul de topire, g/cm³ | 1,10546 | — | 0,99984 |
Densitatea gheții la punctul de topire, g/cm³ | 1,0175 | — | 0,91672 |
Temperatura de densitate maximă, °C | 11.6 | — | 4.0 |
Vâscozitate la 20 °C, centipoise | 1,2467 | 1,1248 | 1,0016 |
Tensiune superficială la 25 °C, dyne cm | 71,87 | 71,93 | 71,98 |
Scăderea molară a volumului în timpul topirii, cm³/ mol | 1.567 | 1.634 | |
Căldura molară de fuziune , kcal /mol | 1.515 | 1.436 | |
Căldura molară de vaporizare , kcal/mol | 10.864 | 10.757 | 10.515 |
pH la 25 °C | 7.41 | 7.266 | 7.00 |
În apele naturale, un atom de deuteriu reprezintă 6400-7600 [6] atomi de proțiu . Aproape toate se află în compoziția moleculelor de apă semigrea DHO, o astfel de moleculă cade pe 3200-3800 de molecule de apă ușoară. Doar o parte foarte mică din atomii de deuteriu formează molecule grele de apă D 2 O, deoarece probabilitatea ca doi atomi de deuteriu să se întâlnească în compoziția unei molecule în natură este mică (aproximativ 0,5⋅10 −7 ). Cu o creștere artificială a concentrației de deuteriu în apă, această probabilitate crește.
Apa grea se găsește în natură în aproape toate rezervoarele naturale, dar conținutul ei este de milioane de procente. În același timp, în rezervoare izolate din zonele în care se observă condiții climatice calde, precum și în apele oceanice ale ecuatorului și tropicelor, conținutul de apă grea este mai mare, iar în Antarctica și în gheața Groenlandei, prezența este minimă [7] . În zilele noastre, a fost formulată o ipoteză că apa grea poate fi conținută în gheața de fund [8] [9] [10] . Cu toate acestea, nu există nicio confirmare a acestei ipoteze.
Apa grea este doar ușor toxică, reacțiile chimice din mediul său sunt oarecum mai lente în comparație cu apa obișnuită, legăturile de hidrogen care implică deuteriu sunt puțin mai puternice decât de obicei, dar datorită unei diferențe duble în masa nuclizilor ușori și grei, cinetica se schimbă semnificativ ( încetinește de la deuteriu) procese de schimb ionic în curs. Experimentele pe mamifere (șoareci, șobolani, câini) [11] au arătat că înlocuirea a 25% din hidrogen din țesuturi cu deuteriu duce la sterilitate, uneori ireversibilă [12] [13] . Concentrațiile mai mari duc la moartea rapidă a animalului; astfel, mamiferele care au băut apă grea timp de o săptămână au murit când jumătate din apa din corpul lor a fost deuterat; peștii și nevertebratele mor doar cu 90% deuterare a apei în organism [14] . Protozoarele sunt capabile să se adapteze la o soluție de 70% de apă grea, în timp ce algele și bacteriile sunt capabile să trăiască chiar și în apă grea pură [11] [15] [16] [17] [18] . O persoană poate bea mai multe pahare de apă grea fără a afecta sănătatea, tot deuteriul va fi îndepărtat din organism în câteva zile. Deci, într-unul dintre experimentele pentru a studia relația dintre aparatul vestibular și mișcările involuntare ale ochilor ( nistagmus ), voluntarilor li s-a cerut să bea de la 100 la 200 de grame de apă grea; ca urmare a absorbției apei grele mai dense de către cupulă (o structură gelatinoasă în canalele semicirculare ), flotabilitatea sa neutră în endolimfa canalelor este perturbată și apar ușoare perturbări în orientarea spațială, în special nistagmus. Acest efect este similar cu cel care apare la consumul de alcool (totuși, în ultimul caz, densitatea cupulei scade, deoarece densitatea alcoolului etilic este mai mică decât densitatea apei) [19] . Astfel, apa grea este mult mai puțin toxică decât, de exemplu, sarea de masă . Apa grea a fost folosită pentru tratarea hipertensiunii arteriale la oameni în doze zilnice cuprinse între 10 și 675 g D 2 O pe zi [20] .
Corpul uman contine ca impuritate naturala cat deuteriu cat 5 grame de apa grea; acest deuteriu este inclus în principal în moleculele de apă semi-grele HDO, precum și în toți ceilalți compuși biologici care conțin hidrogen.
Unii oameni notează că apa grea are un gust dulce; confirmarea științifică a acestui fapt a fost publicată în 2021. S-a stabilit că gustul dulceag al apei grele coincide aproximativ cu gustul unei soluții de zaharoză 0,05 M în apă obișnuită (17 g/l, sau jumătate de linguriță de zahăr per pahar de apă) [2] .
Apa grea se acumulează în restul electrolitului în timpul electrolizei repetate a apei. În aer liber, apa grea absoarbe rapid vaporii apei obișnuite, așa că putem spune că este higroscopică . Producția de apă grea consumă foarte mult energie, deci costul acesteia este destul de mare. În 1935, imediat după descoperirea apei grele, prețul acesteia era de aproximativ 19 USD pe gram [21] . În prezent, apă grea cu un conținut de deuteriu de 99% at. , vândut de furnizorii de produse chimice, costă aproximativ 1 euro pe gram pentru 1 kg [22] , dar acest preț se referă la un produs cu o calitate controlată și garantată a reactivului chimic; cu cerințe de calitate mai scăzute, prețul poate fi cu un ordin de mărime mai mic.
Există un mit în rândul populației că, atunci când apa naturală este fiartă mult timp, concentrația de apă grea în ea crește, ceea ce se presupune că poate fi dăunătoare sănătății, datorită publicării presupunerii lui V. V. Pokhlebkin în cartea „Ceai. Tipurile sale, proprietățile, utilizarea”, publicată în 1968 [23] . În realitate, creșterea concentrației de apă grea în timpul fierberii este neglijabilă. Academicianul Igor Vasilievich Petryanov-Sokolov a calculat odată câtă apă trebuie să se evapore dintr-un ibric pentru ca conținutul de deuteriu să crească vizibil în reziduu. S-a dovedit că pentru a obține 1 litru de apă, în care concentrația de deuteriu este de 0,15%, adică de numai 10 ori mai mare decât cea naturală, în ibric trebuie adăugate un total de 2,1⋅10 30 de tone de apă, care este de 300 de milioane de ori mai mare decât masa Pământului [24] . Creșterea concentrației de săruri dizolvate, trecerea substanțelor din pereții vaselor în soluție și descompunerea termică a impurităților organice au un efect mult mai puternic asupra gustului și proprietăților apei în timpul fierberii.
Costul producerii apei grele este determinat de costul energiei. Prin urmare, la îmbogățirea apei grele se folosesc succesiv tehnologii diferite - la început se folosesc tehnologii mai ieftine, cu pierderi mai mari de apă grea, iar în final, mai consumatoare de energie, dar cu pierderi mai mici de apă grea.
Din 1933 până în 1946, singura metodă de îmbogățire folosită a fost electroliza . Ulterior au apărut tehnologii pentru rectificarea hidrogenului lichid și schimbul de izotopi în sisteme: hidrogen - amoniac lichid , hidrogen - apă, hidrogen sulfurat - apă. Producția modernă de masă în fluxul de intrare folosește apă distilată din electrolitul magazinelor de producție de hidrogen electrolitic, cu un conținut de 0,1-0,2% apă grea.
La prima etapă de concentrare, se folosește o tehnologie de schimb de izotopi cu hidrogen sulfurat în contracurent cu două temperaturi , concentrația de ieșire a apei grele este de 5-10%. La a doua electroliză în cascadă a unei soluții alcaline la o temperatură de aproximativ 0 ° C, concentrația de ieșire a apei grele este de 99,75-99,995%.
Canada este cel mai mare producător de apă grea din lume, ceea ce este asociat cu utilizarea reactoarelor nucleare cu apă grea CANDU în sectorul său energetic .
Cea mai importantă proprietate a apei cu hidrogen greu este că practic nu absoarbe neutroni , de aceea este folosită în reactoare nucleare pentru a modera neutronii și ca lichid de răcire. De asemenea, este utilizat ca indicator izotop în chimie , biologie și hidrologie , chimie agricolă etc. (inclusiv experimente cu organisme vii și studii de diagnosticare la om). În fizica particulelor, apa grea este folosită pentru a detecta neutrini ; Astfel, cel mai mare detector de neutrini solari SNO (Canada) conține 1000 de tone de apă grea.
Deuteriul este un combustibil nuclear pentru energia viitorului, bazat pe fuziunea termonucleară controlată. În primele reactoare de putere de acest tip, se presupune că se realizează reacția D + T → 4 He + n + 17,6 MeV [25] .
În unele țări (de exemplu, în Australia ), circulația comercială a apei grele este supusă restricțiilor de stat, ceea ce este asociat cu posibilitatea teoretică de a o utiliza pentru a crea reactoare cu uraniu natural „neautorizate”, adecvate pentru producerea de plutoniu pentru arme .
Se distinge și apa semigrea (cunoscută și sub denumirea de apă cu deuteriu , apă monodeuterică , hidroxid de deuteriu ), în care doar un atom de hidrogen este înlocuit cu deuteriu. Formula pentru o astfel de apă este scrisă după cum urmează: DHO sau ²HHO. Apa având compoziția formală DHO, datorită reacțiilor de schimb de izotopi , va consta de fapt dintr-un amestec de molecule DHO, D2O și H2O (într-un raport de aproximativ 2:1:1). Această remarcă este valabilă și pentru THO și TDO.
Apa supergrea conține tritiu , care are un timp de înjumătățire de peste 12 ani. În ceea ce privește proprietățile sale, apa supergrea ( T 2 O ) diferă și mai mult de apa obișnuită: fierbe la 104 °C, îngheață la +9 °C și are o densitate de 1,21 g/cm³ [26] . Cunoscute (adică obținute sub formă de probe macroscopice mai mult sau mai puțin pure) sunt toate cele nouă variante de apă supergrea: THO, TDO și T 2 O cu fiecare dintre cei trei izotopi stabili ai oxigenului ( 16 O, 17 O și 18 O) . Uneori, apa supergrea este pur și simplu denumită apă grea, cu excepția cazului în care aceasta poate provoca confuzie. Apa supergrea are o radiotoxicitate mare .
Termenul de apă grea este folosit și în legătură cu apa cu oxigen greu, în care oxigenul ușor obișnuit 16 O este înlocuit cu unul dintre izotopii stabili grei 17 O sau 18 O. Izotopii grei de oxigen există într-un amestec natural, prin urmare, în mod natural apă există întotdeauna un amestec de ambele modificări grele de oxigen. Proprietățile lor fizice diferă oarecum de cele ale apei obișnuite; astfel, punctul de îngheț al 1 H 2 18 O este de +0,28 °C [5] .
Apa cu oxigen greu, în special, 1 H 2 18 O, este utilizată în diagnosticarea bolilor oncologice (izotopul fluor-18 este obținut din el la ciclotron, care este utilizat pentru a sintetiza medicamente pentru diagnosticarea bolilor oncologice, în special 18-fdg ).
Dacă numărăm toți compușii neradioactivi posibili cu formula generală H2O , atunci numărul total de modificări izotopice posibile ale apei este nouă (deoarece există doi izotopi stabili ai hidrogenului și trei ai oxigenului):
Cu tritiu, numărul lor crește la 18:
Astfel, pe lângă apa obișnuită „ușoară” 1 H 2 16 O, care este cea mai comună în natură , există un total de 17 ape mai grele - 8 stabile și 9 radioactive.
În total, numărul total de „ape” posibile, luând în considerare toți izotopii cunoscuți ai hidrogenului (7) și oxigenului (17), este formal egal cu 476. Cu toate acestea, dezintegrarea aproape tuturor izotopilor radioactivi ai hidrogenului și oxigenului are loc în secunde sau fracțiuni de secundă (o excepție importantă este tritiul, al cărui timp de înjumătățire este de peste 12 ani ). De exemplu, toți mai grei decât izotopii de tritiu ai hidrogenului trăiesc de ordinul a 10 -20 s ; în acest timp, nicio legătură chimică nu are pur și simplu timp să se formeze și, în consecință, nu există molecule de apă cu astfel de izotopi. Radioizotopii de oxigen au timpi de înjumătățire variind de la câteva zeci de secunde până la nanosecunde. Prin urmare, probe macroscopice de apă cu astfel de izotopi nu pot fi obținute, deși se pot obține molecule și microprobe. Interesant este că unele dintre aceste modificări radioizotopice de scurtă durată ale apei sunt mai ușoare decât apa „ușoară” obișnuită (de exemplu 1 H 2 15 O).
Dicționare și enciclopedii | |
---|---|
În cataloagele bibliografice |
|