Тешка вода (деутериум оксид, ) — форма на вода која содржи само деутериум ( или D, исто така познат како тежок водород), наместо обичниот изотоп на водород-1 ( или H, исто така наречени протиум) што го сочинува најголемиот дел од водородот во нормалната вода. Присуството на потешкиот водороден изотоп и дава на водата различни јадрени својства, а зголемувањето на масата и дава малку поинакви физички и хемиски својства во споредба со нормалната вода.
Состав Деутериум е водороден изотоп со јадро што содржи неутрон и протон; јадрото на атом на протиум (нормален водород) се состои од само протон. Дополнителниот неутрон го прави атом на деутериум приближно двапати потежок од атом на протиум.
Молекулата на тешка вода има два атоми на деутериум на местото на двата атоми на протиум на обичната „лесна“ вода. Терминот тешка вода како што е дефинирано во Златната книга на IUPAC може да се однесува и на вода во која поголем од вообичаениот дел од атоми на водород се деутериум наместо протиум. За споредба, обичната вода („обична вода“ што се користи за стандард на деутериум) содржи само околу 156 атоми на деутериум на милион атоми на водород, што значи дека 0,0156% од атомите на водород се од тежок тип. Така, тешката вода како што е дефинирана во Златната книга вклучува водород-деутериум оксид (HDO) и други мешавини на , и HDO кај кои процентот на деутериум е поголем од вообичаеното. На пример, тешката вода што се користи во реакторите CANDU е високо збогатена водена мешавина која содржи претежно деутериум оксид но и малку водород-деутериум оксид и помала количина на обичен водороден оксид . Тој е 99,75% збогатен со фракција на атом на водород - што значи дека 99,75% од атомите на водород се од тежок тип; сепак, тешката вода во смисла на Златната книга не треба да биде толку многу збогатена. Тежината на молекулата на тешка вода, сепак, не е суштински различна од онаа на нормалната молекула на вода, бидејќи околу 89% од молекуларната тежина на водата доаѓа од единечниот атом на кислород, а не од двата водородни атоми.
Тешката вода не е радиоактивна. Во својата чиста форма, има густина околу 11% поголема од водата, но инаку е физички и хемиски слична. Како и да е, различните разлики во водата што содржи деутериум (особено влијае на биолошките својства) се поголеми отколку во кое било друго вообичаено супституирано со изотоп соединение бидејќи деутериумот е единствен меѓу тешките стабилни изотопи по тоа што е двапати потежок од најлесниот изотоп. Оваа разлика ја зголемува јачината на водородно-кислородните врски на водата, а тоа пак е доволно за да предизвика разлики кои се важни за некои биохемиски реакции. Човечкото тело природно содржи деутериум што е еквивалентно на околу пет грама тешка вода, што е безопасно. Кога голем дел од водата (> 50%) во повисоките организми се заменува со тешка вода, резултатот е клеточна дисфункција и смрт.
Тешката вода првпат била произведена во 1932 година, неколку месеци по откривањето на деутериумот. Со откривањето на јадреното цепење кон крајот на 1938 година, и потребата за модератор на неутрони кој заробува неколку неутрони, тешката вода станала компонента на раното истражување на јадрената енергија. Оттогаш, тешката вода е суштинска компонента во некои типови реактори, и оние кои генерираат енергија и оние дизајнирани да произведуваат изотопи за јадрено оружје. Овие реактори за тешка вода ја имаат предноста што можат да работат на природен ураниум без да користат графитни модератори кои претставуваат опасност од радиолошка и експлозија на прашина во фазата на деактивирање. Советскиот дизајн RBMK со умерен графит се обидел да избегне да користи ниту збогатен ураниум ниту тешка вода (наместо тоа да се лади со обична „лесна“ вода) што го произвел позитивниот коефициент на празнина што бил еден од низата недостатоци во дизајнот на реакторот што довело до катастрофата во Чернобил. Повеќето современи реактори користат збогатен ураниум со обична вода како модератор.
Други тешки форми на вода
Полутешка вода десно|мини|120x120пкс| Структура на полутешка вода Полутешка вода, HDO, постои секогаш кога има вода со лесен водород (протиум, ) и деутериум (D или ) во смесата. Тоа е затоа што атомите на водород (водород-1 и деутериум) брзо се разменуваат помеѓу молекулите на водата. Водата која содржи 50% H и 50% D во својот водород всушност содржи околу 50% HDO и 25% секој од и во динамичка рамнотежа. Во нормална вода, околу 1 молекула на 3.200 е HDO (еден водород на 6.400 е во форма на D), а молекули на тешка вода ( ) се јавуваат само во пропорција од околу 1 молекула на 41 милион (т.е. една од 6.400 2 ). Така, полутешките молекули на вода се многу почести од молекулите на „чистата“ (хомоизотопска) тешка вода.
Тешка кислородна вода Вода збогатена со потешки изотопи на кислород и е исто така комерцијално достапна. Таа е „тешка вода“ бидејќи е погуста од нормалната вода ( ) е приближно густо како е околу половина пат помеѓу и ) - но ретко се нарекува тешка вода, бидејќи не содржи деутериум кој му дава на D 2 O неговите необични јадрени и биолошки својства. Тој е поскап од D 2 O поради потешкото одвојување на 17 O и 18 O.Mosin, O. V, Ignatov, I. (2011) Separation of Heavy Isotopes Deuterium (D) and Tritium (T) and Oxygen (18O) in Water Treatment, Clean Water: Problems and Decisions, Moscow, No. 3–4, pp. 69–78. H 2 18 O исто така се користи за производство на флуор-18 за радиофармацевтски производи и радиотрасери и за позитронска емисиона томографија. Мали количини од и се природно присутни во водата и повеќето процеси кои ја збогатуваат тешката вода, исто така, ги збогатуваат потешките изотопи на кислород како несакан ефект. Ова е непожелно ако тешката вода треба да се користи како модератор на неутрони во јадрените реактори, бидејќи може да биде подложен на фаќање неутрони, проследено со емисија на алфа честичка, произведувајќи радиоактивно . Сепак, двојно означената вода, која содржи и тежок кислород и тежок водород, е корисна како нерадиоактивен изотопски трагач.
Во споредба со изотопската промена на атомите на водородот, изотопската промена на кислородот има помал ефект врз физичките својства.Steckel, F., & Szapiro, S. (1963).
Трициумска вода Водата со трициум содржи трициум (3 H) наместо протиум (1 H) или деутериум (2 H), а бидејќи самиот трициум е радиоактивен, тритиираната вода е исто така радиоактивна.
Физички својства +Физички својства на изотополози на водата Својство D 2 O (Тешка вода) HDO (полутешка вода) H2O (лесна вода) Точка на топење(стандарден притисок ) Точка на вриење Густина на STP (g/ mL ) 1.1056 1.054 0,9982 Темп. со максимална густина 11.6 °C Непроверено 3,98 °C Динамички вискозитет (на 20 °C, mPa · s ) 1,2467 1,1248 1.0016 Површински напон (на 25 °C, N / m ) 0,07187 0,07193 0,07198 Топлина на соединување ( kJ / mol ) 6.132 6.227 6.00678 Топлина на испарување (kJ/mol) 41.521 Непроверено 40.657 pH (на 25 °C) discussion of pD, 7,44 („pD“) 7.266 („pHD“) 7.0 p K b (на 25 °C) 7,44 („p K b D 2 O“) Непроверено 7.0 Индекс на рефракција (на 20 °C, 0,5893 μm ) 1,32844 Непроверено 1,33335 Физичките својства на водата и тешката вода се разликуваат во неколку аспекти. Тешката вода е помалку дисоцирана од лесната вода на дадена температура, а вистинската концентрација на јоните D + е помала од H + јоните би биле за примерок од лесна вода на иста температура. Истото важи и за OD − vs. јони. За тешка вода Kw D 2 O (25.0 °C) = 1,35 × 10 −15 и [D + ] мора да биде еднаква на [OD − ] за неутрална вода. Така pKw D 2 O = p[OD − ] + p[D + ] = 7,44 + 7,44 = 14,87 (25,0 °C), а p[D + ] на неутрална тешка вода на 25,0 °C е 7,44.
pD на тешката вода генерално се мери со користење на pH електроди кои даваат pH (очигледна) вредност, или pHa, а на различни температури може да се процени вистинска кисела pD од директно измерениот pH метар pHa, така што pD+ = pHa (очигледно читање од рН метар) + 0,41. Корекцијата на електродата за алкални услови е 0,456 за тешка вода. Тогаш алкалната корекција е pD+ = pH a (привидно отчитување од рН метар) + 0,456. Овие корекции се малку различни од разликите во p[D+] и p[OD-] од 0,44 од соодветните во тешка вода.discussion of pD+,
Тешката вода е 10,6% погуста од обичната вода, а физичките различни својства на тешката вода може да се видат без опрема ако замрзнатиот примерок се фрли во нормална вода, бидејќи ќе потоне. Ако водата е ладна, може да се забележи и повисока температура на топење на тешкиот мраз: се топи на 3,7 °C, и на тој начин не се топи во ледено ладна нормална вода.
Експериментот од 1935 година не пријавил „најмала разлика“ во вкусот помеѓу обичната и тешката вода. Една студија заклучила дека тешката вода има „извонредно посладок вкус“ за луѓето и е посредувана од рецепторот за вкус TAS1R2 / TAS1R3 . Стаорците на кои им бил даден избор помеѓу дестилирана нормална вода и тешка вода, можеле да ја избегнат тешката вода заснована на мирис, а таа можела да има поинаков вкус. Некои луѓе велат дека минералите во водата влијаат на вкусот, на пр. калиумот дава сладок вкус на тврдата вода, но има многу фактори за воочениот вкус на водата покрај содржината на минералите.
На тешката вода ѝ недостасува карактеристичната сина боја на светлата вода; тоа е затоа што хармониците на молекуларните вибрации, кои во лесната вода предизвикуваат слаба апсорпција во црвениот дел од видливиот спектар, се префрлаат во инфрацрвениот дел и на тој начин тешката вода не ја апсорбира црвената светлина.
Не се наведени физички својства за „чиста“ полутешка вода, бидејќи таа е нестабилна како рефус течност. Во течна состојба, неколку молекули на вода се секогаш во јонизирана состојба, што значи дека атомите на водород можат да се разменуваат меѓу различни атоми на кислород. Полутешката вода, теоретски, може да се создаде преку хемиски метод, но брзо ќе се трансформира во динамична мешавина од 25% лесна вода, 25% тешка вода и 50% полутешка вода. Меѓутоа, доколку би бил направен во гасовита фаза и директно депониран во цврста, полутешка вода во форма на мраз би можела да биде стабилна. Ова се должи на судирите меѓу молекулите на водена пареа кои се речиси целосно занемарливи во гасната фаза на стандардни температури, а откако ќе се кристализираат, судирите меѓу молекулите целосно престануваат поради цврстата решеткаста структура на цврстиот мраз.
Историја Американскиот научник и нобеловец Харолд Ури го открил изотопот деутериум во 1931 година и подоцна можел да го концентрира во вода. Менторот на Ури, Гилберт Њутн Луис, го изолирал првиот примерок од чиста тешка вода со електролиза во 1933 година Џорџ де Хевеси и Ерих Хофер користеле тешка вода во 1934 година во еден од првите експерименти за биолошки трагачи, за да ја проценат стапката на обрт на вода во човечкото тело. Историјата на големо количество производство и употреба на тешка вода, во раните јадрени експерименти, е опишана подолу.
Емилијан Брату и Ото Редлич ја проучувале автодисоцијацијата на тешката вода во 1934 година Em. Bratu, E. Abel, O. Redlich, Die elektrolytische Dissoziation des schweren Wassers; vorläufige Mitttelung, Zeitschrift für physikalische Chemie, 170, 153 (1934)
Ефект врз биолошките системи Различни изотопи на хемиски елементи имаат малку поинакво хемиско однесување, но за повеќето елементи разликите се премногу мали за да имаат биолошки ефект. Во случај на водород, се јавуваат поголеми разлики во хемиските својства меѓу протиумот (лесниот водород), деутериумот и трициумот, бидејќи енергијата на хемиската врска зависи од намалената маса на системот јадро-електрон; ова е изменето во тешките водородни соединенија (водород-деутериум оксид е најчестиот вид) повеќе отколку за замена со тешки изотоп што вклучува други хемиски елементи. Ефектите на изотоп се особено релевантни во биолошките системи, кои се многу чувствителни на дури и помали промени, поради изотопски под влијание на својствата на водата кога таа делува како растворувач.