Agua pesada

Agua pesada : este término generalmente se usa para referirse al agua pesada con hidrógeno , también conocida como óxido de deuterio . El agua con hidrógeno pesado tiene la misma fórmula química que el agua corriente, pero en lugar de dos átomos del isótopo ligero habitual de hidrógeno ( protio ), contiene dos átomos del isótopo de hidrógeno pesado, deuterio, y su oxígeno en la composición isotópica corresponde al aire . oxígeno [1] . La fórmula del agua pesada con hidrógeno generalmente se escribe como D 2 O o 2 H 2 O. Exteriormente, el agua pesada parece ordinaria: un líquido incoloro e inodoro, pero con un sabor dulce [2] . No radiactivo .

Historial de descubrimientos

Las moléculas de agua con hidrógeno pesado fueron descubiertas por primera vez en agua natural por Harold Urey en 1932 , por lo que el científico recibió el Premio Nobel de Química en 1934. Ya en 1933, Gilbert Lewis fue el primero en aislar agua pura con hidrógeno pesado. Durante la electrólisis del agua corriente, que contiene, junto con las moléculas de agua corriente, una cantidad insignificante de moléculas de agua semipesada (HDO) y una cantidad aún menor de moléculas de agua pesada (D 2 O), incluido un isótopo pesado de hidrógeno , el residuo se enriquece gradualmente con moléculas de estos compuestos. A partir de tal residuo, después de repetidas electrólisis, Lewis logró aislar una pequeña cantidad de agua, compuesta casi en un 100% por moléculas de oxígeno compuestas con deuterio y denominadas pesadas. Este método de producción de agua pesada sigue siendo el principal incluso ahora, aunque se usa principalmente en la etapa final de enriquecimiento del 5 al 10 % a >99 % (ver más abajo).

Después del descubrimiento de la fisión nuclear a fines de 1938 y la realización de la posibilidad de usar reacciones en cadena de fisión nuclear inducidas por neutrones, surgió la necesidad de un moderador de neutrones, una sustancia que pueda ralentizar los neutrones de manera efectiva sin perderlos en las reacciones de captura. Los neutrones son moderados con mayor eficacia por los núcleos ligeros, y los núcleos ordinarios de hidrógeno (protium) tendrían que ser el moderador más efectivo, pero tienen una sección transversal de captura de neutrones alta . Por el contrario, el hidrógeno pesado captura muy pocos neutrones (la sección transversal térmica de captura de neutrones para el protio es más de 100 mil veces mayor que para el deuterio). Técnicamente, el compuesto de deuterio más conveniente es el agua pesada, y también puede servir como refrigerante, eliminando el calor liberado del área donde ocurre la reacción en cadena de la fisión. Desde los primeros días de la energía nuclear, el agua pesada ha sido un ingrediente importante en algunos reactores, tanto los que generan energía como los diseñados para producir isótopos de plutonio para armas nucleares. Estos llamados reactores de agua pesada tienen la ventaja de que pueden operar con uranio natural (no enriquecido) sin el uso de moderadores de grafito, que durante la fase de desmantelamiento puede presentar un riesgo de explosión de polvo y contener radiactividad inducida ( carbono-14 y una serie de otros radionucleidos) [3] . Sin embargo, la mayoría de los reactores modernos utilizan uranio enriquecido con "agua ligera" normal como moderador, a pesar de la pérdida parcial de neutrones moderados.

Producción de agua pesada en la URSS

La producción industrial y el uso de agua pesada comenzaron con el desarrollo de la energía nuclear. En la URSS, durante la organización del Laboratorio No. 3 de la Academia de Ciencias de la URSS ( ITEP moderno ), el director del proyecto A. I. Alikhanov recibió la tarea de crear un reactor de agua pesada . Esto condujo a la necesidad de agua pesada, y el consejo técnico del Comité Especial del Consejo de Comisarios del Pueblo de la URSS elaboró un proyecto de Decreto del Consejo de Comisarios del Pueblo de la URSS "Sobre la construcción de instalaciones semiindustriales para la producción del producto 180 ", el trabajo sobre la creación de instalaciones productivas de agua pesada se encomendó al jefe del proyecto nuclear B. L. Vannikov , Comisario del Pueblo de la industria química M. G. Pervukhin , representante de la Comisión Estatal de Planificación N. A. Borisov , Comisario del Pueblo para Asuntos de Construcción de la URSS S. Z. Ginzburg , Comisario del Pueblo de Ingeniería Mecánica e Instrumentación de la URSS P. I. Parshin y Comisario del Pueblo de la Industria del Petróleo de la URSS N. K. Baibakov [4] . M. I. Kornfeld , Jefe del Sector de Laboratorio No. 2 de la Academia de Ciencias de la URSS , se convirtió en el consultor principal en asuntos de agua pesada .

Propiedades

propiedades del agua pesada

Entalpía de formación ΔH	−294,6 kJ/mol (l) (a 298 K)
Energía de Gibbs de formación G	−243,48 kJ/mol (l) (a 298 K)
Entropía de formación S	75,9 J/mol K (l) (a 298 K)
Densidad crítica	0,363 g/cm³

Comparación de las características del agua pesada, semipesada y ordinaria [5]

Parámetro	D2O _ _	HDO	H2O _ _
Punto de fusión, °C	3.82	2.04	0.00
Punto de ebullición, °C	101.42	100.7	99.974
Densidad a 20 °C, g/cm³	1.1056	1.054	0.9982
Densidad del líquido en el punto de fusión, g/cm³	1.10546	—	0.99984
Densidad del hielo en el punto de fusión, g/cm³	1.0175	—	0.91672
Temperatura máxima densidad, °C	11.6	—	4.0
Viscosidad a 20 °C, centipoise	1.2467	1.1248	1.0016
Tensión superficial a 25 °C, dina cm	71.87	71.93	71.98
Disminución molar de volumen durante la fusión, cm³ / mol	1.567		1.634
Calor molar de fusión , kcal /mol	1.515		1.436
Calor molar de vaporización , kcal/mol	10.864	10.757	10.515
pH a 25 °C	7.41	7.266	7.00

Estar en la naturaleza

En aguas naturales, un átomo de deuterio representa 6400-7600 [6] átomos de protio . Casi todo está en la composición de las moléculas de agua semipesada DHO, una de esas moléculas cae sobre 3200-3800 moléculas de agua ligera. Sólo una parte muy pequeña de los átomos de deuterio forman moléculas de agua pesada D 2 O, ya que la probabilidad de que dos átomos de deuterio se encuentren en la composición de una molécula en la naturaleza es pequeña (alrededor de 0,5⋅10 −7 ). Con un aumento artificial en la concentración de deuterio en el agua, esta probabilidad aumenta.

El agua pesada se encuentra en la naturaleza en casi todos los embalses naturales, pero su contenido es de millonésimas de uno por ciento. Al mismo tiempo, en reservorios aislados en áreas donde se observan condiciones climáticas cálidas, así como en las aguas oceánicas del ecuador y los trópicos, el contenido de agua pesada es mayor, y en la Antártida y en el hielo de Groenlandia, su la presencia es mínima [7] . Hoy en día, se ha propuesto la hipótesis de que el hielo del fondo puede contener agua pesada [8] [9] [10] . Sin embargo, no hay confirmación de esta hipótesis.

Rol biológico e impacto fisiológico

El agua pesada es solo ligeramente tóxica, las reacciones químicas en su entorno son algo más lentas en comparación con el agua ordinaria, los enlaces de hidrógeno que involucran al deuterio son un poco más fuertes de lo normal, pero debido a una diferencia doble en la masa de los nucleidos ligeros y pesados, la cinética cambia significativamente ( se ralentiza debido al deuterio) procesos de intercambio iónico en curso. Experimentos en mamíferos (ratones, ratas, perros) [11] demostraron que la sustitución del 25% del hidrógeno de los tejidos por deuterio conduce a una esterilidad, a veces irreversible [12] [13] . Concentraciones más altas conducen a la muerte rápida del animal; así, los mamíferos que bebieron agua abundante durante una semana murieron cuando se deuteró la mitad del agua de su cuerpo; los peces e invertebrados mueren solo con una deuteración del 90% del agua en el cuerpo [14] . Los protozoos pueden adaptarse a una solución al 70 % de agua pesada, mientras que las algas y las bacterias pueden vivir incluso en agua pesada pura [11] [15] [16] [17] [18] . Una persona puede beber varios vasos de agua pesada sin daño visible para la salud, todo el deuterio se eliminará del cuerpo en unos pocos días. Así, en uno de los experimentos para estudiar la relación entre el aparato vestibular y los movimientos oculares involuntarios ( nistagmo ), se pidió a los voluntarios que bebieran de 100 a 200 gramos de agua pesada; como resultado de la absorción de agua pesada más densa por la cúpula (una estructura gelatinosa en los canales semicirculares ), se altera su flotabilidad neutra en la endolinfa de los canales y se producen ligeras alteraciones en la orientación espacial, en particular nistagmo. Este efecto es similar al que se produce al tomar alcohol (sin embargo, en este último caso, la densidad de la cúpula disminuye, ya que la densidad del alcohol etílico es menor que la densidad del agua) [19] . Así, el agua pesada es mucho menos tóxica que, por ejemplo, la sal de mesa . El agua pesada se ha utilizado para tratar la hipertensión en humanos en dosis diarias que oscilan entre 10 y 675 g D 2 O por día [20] .

El cuerpo humano contiene como impureza natural tanto deuterio como 5 gramos de agua pesada; este deuterio se incluye principalmente en las moléculas de agua semipesada HDO, así como en todos los demás compuestos biológicos que contienen hidrógeno.

Algunas personas notan que el agua pesada tiene un sabor dulce; La confirmación científica de este hecho se publicó en 2021. Se ha establecido que el sabor dulzón del agua pesada coincide aproximadamente con el sabor de una solución de sacarosa 0,05 M en agua ordinaria (17 g/l, o media cucharadita de azúcar por vaso de agua) [2] .

Algunos datos

El agua pesada se acumula en el resto del electrolito durante la electrólisis repetida del agua. Al aire libre, el agua pesada absorbe rápidamente los vapores del agua corriente, por lo que podemos decir que es higroscópica . La producción de agua pesada requiere mucha energía, por lo que su costo es bastante alto. En 1935, inmediatamente después del descubrimiento del agua pesada, su precio era de aproximadamente 19 dólares el gramo [21] . Actualmente, el agua pesada con un contenido de deuterio del 99% at. , vendido por proveedores de productos químicos, cuesta alrededor de 1 euro por gramo por 1 kg [22] , pero este precio se refiere a un producto con una calidad controlada y garantizada del reactivo químico; con requisitos de calidad más bajos, el precio puede ser un orden de magnitud más bajo.

Existe el mito entre la población de que cuando el agua natural se hierve durante mucho tiempo, aumenta la concentración de agua pesada en ella, lo que supuestamente puede ser perjudicial para la salud, debido a la publicación de la suposición de V. V. Pokhlebkin en el libro “Té. Sus tipos, propiedades, uso”, publicado en 1968 [23] . En realidad, el aumento de la concentración de agua pesada durante la ebullición es insignificante. El académico Igor Vasilievich Petryanov-Sokolov calculó una vez cuánta agua debe evaporarse de un hervidor para que el contenido de deuterio aumente notablemente en el residuo. Resultó que para obtener 1 litro de agua, en el que la concentración de deuterio es del 0,15%, es decir, solo 10 veces mayor que la natural, se deben agregar a la tetera un total de 2,1⋅10 30 toneladas de agua, que es 300 millones de veces mayor que la masa de la Tierra [24] . El aumento en la concentración de sales disueltas, la transición de sustancias de las paredes de los platos a la solución y la descomposición térmica de las impurezas orgánicas tienen un efecto mucho más fuerte en el sabor y las propiedades del agua durante la ebullición.

Conseguir

El costo de producir agua pesada está determinado por el costo de la energía. Por tanto, a la hora de enriquecer el agua pesada se utilizan sucesivamente diferentes tecnologías, al principio se utilizan tecnologías más económicas, con mayores pérdidas de agua pesada, y al final, más intensivas energéticamente, pero con menos pérdidas de agua pesada.

De 1933 a 1946, el único método de enriquecimiento utilizado fue la electrólisis . Posteriormente, aparecieron tecnologías para la rectificación del hidrógeno líquido y el intercambio de isótopos en los sistemas: hidrógeno - amoníaco líquido , hidrógeno - agua, sulfuro de hidrógeno - agua. La producción en masa moderna en la corriente de entrada utiliza agua destilada del electrolito de los talleres de producción de hidrógeno electrolítico, con un contenido de 0,1-0,2% de agua pesada.

En la primera etapa de concentración, se utiliza una tecnología de sulfuro de hidrógeno en contracorriente de dos temperaturas de intercambio de isótopos, la concentración de salida de agua pesada es del 5 al 10%. En la segunda electrólisis en cascada de una solución alcalina a una temperatura de aproximadamente 0 ° C, la concentración de salida de agua pesada es 99.75-99.995%.

Canadá es el mayor productor mundial de agua pesada, lo que está asociado con el uso de reactores nucleares de agua pesada CANDU en su sector energético .

Aplicación

La propiedad más importante del agua pesada con hidrógeno es que prácticamente no absorbe neutrones , por lo que se utiliza en reactores nucleares para moderar neutrones y como refrigerante. También se utiliza como indicador isotópico en química , biología e hidrología , química agrícola, etc. (incluidos experimentos con organismos vivos y estudios de diagnóstico humanos). En física de partículas, el agua pesada se utiliza para detectar neutrinos ; Así, el mayor detector de neutrinos solares SNO (Canadá) contiene 1000 toneladas de agua pesada.

El deuterio es un combustible nuclear para la energía del futuro, basado en la fusión termonuclear controlada. En los primeros reactores de potencia de este tipo se supone que se lleva a cabo la reacción D + T → 4 He + n + 17,6 MeV [25] .

En algunos países (por ejemplo, en Australia ), la circulación comercial de agua pesada está sujeta a restricciones estatales, lo que se asocia con la posibilidad teórica de utilizarla para crear reactores de uranio natural "no autorizados" aptos para producir plutonio apto para armas .

Otros tipos de agua pesada

Agua pesada ligera

También se distingue el agua semipesada (también conocida como agua de deuterio, agua de monodeuterio , hidróxido de deuterio ), en la que solo se reemplaza un átomo de hidrógeno por deuterio. La fórmula para tal agua se escribe de la siguiente manera: DHO o ²HHO. El agua que tiene la composición formal DHO, debido a las reacciones de intercambio de isótopos , en realidad consistirá en una mezcla de moléculas de DHO, D 2 O y H 2 O (en una proporción de aproximadamente 2:1:1). Esta observación también es válida para THO y TDO.

Agua superpesada

El agua superpesada contiene tritio , que tiene una vida media de más de 12 años. En cuanto a sus propiedades, el agua superpesada ( T 2 O ) difiere aún más notablemente del agua ordinaria: hierve a 104 °C, se congela a +9 °C y tiene una densidad de 1,21 g/cm³ [26] . Conocidas (es decir, obtenidas en forma de muestras macroscópicas más o menos puras) son las nueve variantes de agua superpesada: THO, TDO y T 2 O con cada uno de los tres isótopos estables de oxígeno ( 16 O, 17 O y 18 O) . A veces, el agua superpesada se denomina simplemente agua pesada, a menos que eso pueda causar confusión. El agua superpesada tiene una alta radiotoxicidad .

Modificaciones de isótopos pesados de oxígeno del agua

El término agua pesada también se utiliza en relación con el agua con oxígeno pesado, en la que el oxígeno ligero habitual 16 O se reemplaza por uno de los isótopos estables pesados 17 O o 18 O. Los isótopos pesados de oxígeno existen en una mezcla natural, por lo tanto, en la naturaleza. agua siempre hay una mezcla de ambas modificaciones de oxígeno pesado. Sus propiedades físicas también difieren algo de las del agua ordinaria; por lo tanto, el punto de congelación de 1 H 2 18 O es +0,28 °C [5] .

El agua de oxígeno pesado, en particular, 1 H 2 18 O, se usa en el diagnóstico de enfermedades oncológicas (el isótopo flúor-18 se obtiene en el ciclotrón, que se usa para sintetizar medicamentos para el diagnóstico de enfermedades oncológicas, en particular 18-fdg ).

El número total de modificaciones isotópicas del agua

Si contamos todos los posibles compuestos no radiactivos con la fórmula general H 2 O, entonces el número total de posibles modificaciones isotópicas del agua es nueve (ya que hay dos isótopos estables de hidrógeno y tres de oxígeno):

H 2 16 O - agua ligera, o simplemente agua
H 2 17 O
H 2 18 O - agua con oxígeno pesado
HD 16 O - agua semipesada
HD 17O _
HD 18O _
D 2 16 O - agua pesada
D217O _ _ _
D218O _ _ _

Con tritio, su número aumenta a 18:

T 2 16 O - agua superpesada
T 2 17O _
T 2 18 O
DT 16O _
DT 17O _
DT 18O _
HT 16O _
HT 17O _
HT 18O _

Por lo tanto, además del agua "ligera" habitual 1 H 2 16 O, que es la más común en la naturaleza , hay un total de 17 aguas más pesadas: 8 estables y 9 radiactivas.

En total, el número total de posibles "aguas", teniendo en cuenta todos los isótopos conocidos de hidrógeno (7) y oxígeno (17), es formalmente igual a 476. Sin embargo, la descomposición de casi todos los isótopos radiactivos de hidrógeno y oxígeno ocurre en segundos o fracciones de segundo (una excepción importante es el tritio, cuya vida media es de más de 12 años ). Por ejemplo, todos los isótopos de hidrógeno más pesados que el tritio viven del orden de 10 −20 s ; durante este tiempo, ningún enlace químico simplemente tiene tiempo para formarse y, en consecuencia, no hay moléculas de agua con tales isótopos. Los radioisótopos de oxígeno tienen vidas medias que van desde unas pocas decenas de segundos hasta nanosegundos. Por tanto, no se pueden obtener muestras macroscópicas de agua con tales isótopos, aunque sí moléculas y micromuestras. Curiosamente, algunas de estas modificaciones de radioisótopos de vida corta del agua son más ligeras que el agua "ligera" ordinaria (por ejemplo, 1 H 2 15 O).

Literatura

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Notas

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