Ciężka woda
Ogólne informacje
Nomenklatura systematyczna ( IUPAC ):
tlenek deuteru
Inne nazwy	woda-d2
Wzór sumaryczny	D2O
Inne wzory	2H2O
Masa molowa	20,03 g / mol
Identyfikacja
Numer CAS	7789-20-0
PubChem	24602[1]
Właściwości Temperatura topnienia 3,82 °C Temperatura wrzenia 101,42 °C Lepkość 1,25 cP (20 °C) Napięcie powierzchniowe 71,93 dyn·cm
Niebezpieczeństwa
MSDS	Zewnętrzne dane MSDS
Zagrożenia wg  Dyrektywy 67/548/EWG , zał. I[2]
Brak piktogramu
Numer RTECS	ZC0230000
Jeżeli nie podano inaczej, dane dotyczą warunków standardowych (25 °C, 1000 hPa)

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.

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

• reaktor jądrowy ciężkowodny CANDU

Przypisy