Ciężka woda, HDO lub D2O –
woda
, w której znaczącą część atomów
wodoru
stanowi
izotop
2H[3], czyli
deuter
, którego jądro zbudowane jest z
protonu
i
neutronu
(podczas gdy jądro protu (1H) w zwykłej wodzie zawiera jedynie proton). Zazwyczaj jako "ciężką wodę" traktuje się D2O[4], jednak nazwa ta dotyczy także związku, w którym jedynie jeden proton zastąpiony jest deuterem (HDO)[3].
W "normalnej" wodzie występuje naturalnie ok. 115
ppm
wody "ciężkiej" czyli tlenku deuteru.
Harold Clayton Urey
(
USA
), opublikował w
1931
technikę umożliwiającą oddzielenie tlenku deuteru od tlenku "zwykłego" wodoru, polegającą na wieloetapowym odwirowywaniu wody.
Inną metodą oddzielenia "ciężkiej wody" jest powolna
elektroliza
. Wykorzystuje się tu fakt, że deuter nie bierze w niej udziału. Podczas tego procesu
wodór
i
tlen
uchodzą z
elektrod
, natomiast tlenek deuteru pozostaje w naczyniu. Z elektrolizy 100 000 litrów wody uzyskuje się około 1 litr "ciężkiej wody", co sprawia, że jej otrzymanie jest kosztowne.
Cząsteczki ciężkiej wody mają
masę cząsteczkową
większą o 2 g/mol od "zwykłej wody", co powoduje nieco większą gęstość ciężkiej wody w stosunku do wody "zwykłej". Dzięki temu można oddzielać wodę ciężką od "zwykłej" przez wirowanie. Współcześnie ciężką wodę uzyskuje się głównie za pomocą rozdziału tlenku deuteru od tlenku wodoru na kolumnach sorpcyjnych, wykorzystujących różnice w trwałości
wiązań wodorowych
tworzonych przez tlenek wodoru i tlenek deuteru z wypełnieniem tych kolumn.
Własności chemiczne wody ciężkiej są niemal takie same jak zwykłej wody, z wyjątkiem jej zdolności do tworzenia wiązań wodorowych (tworzy silniejsze wiązania) i
polaryzacji
wiązań
tlen-wodór(deuter), co skutkuje m.in. nieco wyższym
pH
. Woda ciężka znacząco różni się natomiast od zwykłej wody pod względem fizycznym. Ma o kilka stopni wyższą temperaturę wszystkich
przemian fazowych
, większą gęstość, inny
moment dipolowy
, inne
przewodnictwo elektryczne
i
pojemność cieplną
.
Ciężka woda stosowana współcześnie w przemyśle zawiera zwykle od 95 do 99% tlenku deuteru w stosunku do tlenku wodoru. Jest ona stosowana jako
moderator
w
reaktorach atomowych
, gdyż ma ona zdolność do spowalniania
neutronów
prędkich. Zwykła woda też ma taką zdolność, ale – w przeciwieństwie do wody ciężkiej – pochłania wszystkie neutrony, niezależnie od ich prędkości. Oprócz tego woda deuterowana jest stosowana w chemii, jako jeden z rozpuszczalników stosowanych w analitycznej technice
NMR
oraz tanie źródło deuteru, przy badaniu
mechanizmów
reakcji, poprzez
znakowanie izotopowe
i obserwację tzw.
efektu izotopowego
.
Kanada
jest największym na świecie producentem ciężkiej wody, która jest wykorzystywana jako
moderator
w
reaktorach atomowych
typu
CANDU
.
Ze względu na przydatność ciężkiej wody w programach produkcji broni atomowej w niektórych krajach (np.
Australii
) obrót tym związkiem podlega prawnej kontroli.
Porównanie właściwości D2O i H2OParametr | D2O | H2O |
---|
krzepnięcie
(°C) | 3,82 | 0,0 |
wrzenie
(°C) | 101,42 | 100,00 |
gęstość
(w 20 °C, g/cm³) | 1,1056 | 0,9982 |
temp. maksymalnej gęstości (°C) | 11,6 | 4,0 |
lepkość
(w 20 °C,
cp
) | 1,25 | 1,005 |
napięcie powierzchniowe
(w 25 °C,
dyn
·cm) | 71,93 | 71,97 |
ciepło topnienia
(
kcal
/
mol
) | 1,515 | 1,436 |
ciepło parowania
(kcal/mol) | 10,864 | 10,515 |
pH
(w 25 °C) | 7,41 | 7,00 |
Ciężka woda była źródłem niepokoju podczas
II wojny światowej
.
Alianci
podejrzewali że przy jej wykorzystaniu
Niemcy
prowadzili eksperymenty mające na celu zbudowanie
bomby atomowej
. Aby temu zapobiec, w
1942
roku Brytyjczycy wysłali jednostki specjalne aby zniszczyły fabrykę izotopu Vemork w
Norwegii
, w miejscowości
Rjukan
. Fabryka została poważnie uszkodzona na początku
1943
r. w wyniku akcji norweskich komandosów. Mimo że została szybko odbudowana, to jednak w wyniku amerykańskiego nalotu Niemcy podjęli decyzję o przeniesieniu zasobu ciężkiej wody do Niemiec. Nie udało się im jednak przetransportować tych zapasów – na początku
1944
r. bojownicy norweskiego ruchu oporu zatopili prom przewożący do Niemiec ewakuowane z fabryki zapasy ciężkiej wody.[5]
Wpływ wody ciężkiej na żywe organizmy
Z fizykochemicznego punktu widzenia woda ciężka niewiele różni się od wody "zwykłej". Te niewielkie różnice są jednak istotne dla żywych organizmów. W
biopolimerach
takich jak
białka
czy
kwasy nukleinowe
, deuterowanie (czyli wymiana izotopowa
wodoru
na
deuter
) powoduje nieznaczny spadek energii
wiązań wodorowych
. Jest to znany w przyrodzie
efekt Ubbelohde'a
.
Różnica w aktywności wodoru i deuteru w żywych organizmach ma swoje źródło w efektach dynamicznych oddziaływań kooperatywnych, które prowadzą do występowania efektów samoorganizacji izotopowej w układach wiązań wodorowych. Samoorganizacja H/D prowadzi do tego, że deuter niechętnie „wchodzi” np. do
DNA
organizmów żywych.
W czasie umieszczenia żywej komórki w środowisku ciężkiej wody,
aparat mitotyczny
, a dokładniej
wrzeciono eukariotyczne
, które zbudowane jest z
DNA
, tworzą się wiązania typu D-D o mniejszej sile niż H-H, stąd dochodzi do rozrywania tych wiązań i zmniejszenia efektywności
replikacji DNA
[6].
Powoduje to też, że ciężka woda jest słabo
toksyczna
[].
Wpływ na zwierzęta
Eksperymenty na myszach szczurach i psach[7] pokazały, że zawartość 25% deuteru powoduje (czasem nieodwracalną) bezpłodność, ponieważ
gamety
i
zygoty
nie mogą się rozwijać. Wysokie koncentracje ciężkiej wody (90%) gwałtownie zabijają
ryby
,
kijanki
,
płazińce
i
muszki owocowe
. Ssaki, np. szczury, otrzymujące do picia ciężką wodę, umierają po tygodniu, kiedy zawartość deuteru osiąga 50%. Przyczyną śmierci, podobnie jak w
zatruciu cytotoksycznym
(np. podczas
chemioterapii
) i ostrej
chorobie popromiennej
, wydaje się być ogólne zahamowanie
podziałów komórkowych
. Ciężka woda jest bardziej toksyczna dla
komórek nowotworowych
niż zdrowych, jednak stężenia wymagane dla skutecznego działania są zbyt wysokie dla zastosowań terapeutycznych[7]. Podobnie jak w chemioterapii, ssaki zatrute D2O umierają w wyniku niewydolności
szpiku
kostnego (
krwotoki
i
infekcje
) i zaburzeń funkcji jelit (
biegunka
i utrata płynów)
Prokariotyczne
organizmy, takie jak bakterie, u których deuter nie powoduje problemów z
mitozą
, mogą rozwijać się przy całkowitym zastąpieniu wodoru przez deuter, również w białkach i DNA[7]. Pełne zastąpienie zwykłych izotopów cięższymi stabilnymi jest możliwe u organizmów wyższych dla innych pierwiastków (węgiel-13, azot-15, tlen-18), ale nie dla deuteru.
Ciężka woda wykorzystywana jest dla poprawienia skuteczności terapii borowo-neutronowej, gdzie wykorzystuje się zdolność deuteru do
moderowania
neutronów
bez ich wychwytywania[7].
Zobacz też
Przypisy
- ↑
Ciężka woda – podsumowanie
(
ang.
). PubChem Public Chemical Database.
- ↑
Ciężka woda
(
pol.
)
European chemical Substances Information System
.
IHCP
. [dostęp 2010-09-19].
- ↑ 3,0 3,1
"heavy water"
. IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book").
- ↑
Ciężka woda w katalogu Sigma-Aldrich
- ↑
strona WWW fabryki Hydro opisującą szczegółowo wydarzenia z II wojny światowej
- ↑ Helmut Günzler, Hans-Ulrich Gremlich,: IR Spectroscopy: An Introduction. Wiley-VCH, 2002. .
- ↑ 7,0 7,1 7,2 7,3 D. J. Kushner, Alison Baker, and T. G. Dunstall. Pharmacological uses and perspectives of heavy water and deuterated compounds. „Can. J. Physiol. Pharmacol.”. 2 (77), ss. 79–88 (1999).
doi:10.1139/cjpp-77-2-79
.
PMID 10535697
. Cytat: used in boron neutron capture therapy ... D2O is more toxic to malignant than normal animal cells ... Protozoa are able to withstand up to 70% D20. Algae and bacteria can adapt to grow in 100% D2O.