Denominar agua pesao, formalmente óxidu de deuteriu, a una molécula de composición química equivalente al agua, na que los dos átomos del isótopu más abondosu del hidróxenu, el protio, son sustituyíos por dos de deuteriu, un isótopu pesáu del hidróxenu (tamién conocíu como "hidróxenu pesáu"). La so fórmula química ye: D2O o 2H2O.
Introducción L'agua pesao ye una forma d'agua que contién una cantidá más grande de lo normal de deuteriu, un isótopu del hidróxenu, (tamién conocíu como "hidróxenu pesáu") en llugar del isótopu común d'hidróxenu-1 o protio, del que ta compuesta la mayor parte de l'agua normal. Poro, dalgunos o la mayoría de los átomos d'hidróxenu de l'agua pesao contienen un neutrón, lo que provoca que cada átomu d'hidróxenu seya aproximadamente dos veces más pesáu qu'un átomu d'hidróxenu normal (anque'l pesu de les molécules d'agua nun se ve sustancialmente afeutáu, yá qu'aprosimao'l 89 % del pesu molecular mora nel átomu d'oxíxenu). L'aumentu de pesu del hidróxenu na agua fai que seya un pocu más trupa.
El términu coloquial agua pesao de cutiu tamién s'utiliza pa referise a un amiestu altamente arrequiercíu d'agua que contién principalmente óxidu de deuteriu, pero que tamién contién delles molécules d'agua ordinariu. Asina por casu l'agua pesao que s'utiliza nos reactores CANDU ye d'un arrequiercimientu del 99,75 % por cada átomu d'hidróxenu, lo que significa que'l 99,75 % de los átomos d'hidróxenu son del tipu pesáu (deuteriu). En comparanza, na agua ordinario, dacuando llamada "agua llixero", solo hai alredor de 156 átomos de deuteriu por cada millón d'átomos d'hidróxenu.
L'agua pesao nun ye radiactiva. Na so forma pura, tien una densidá aproximadamente un 11 % mayor que la de l'agua, pero, otra manera, ye física y químicamente similar. Sicasí, les diverses diferencies ente les agües que contienen deuteriu (qu'afecten especialmente a les propiedaes biolóxiques) son mayores qu'en cualesquier otru compuestu común con sustitución isotópica por cuenta de que'l deuteriu ye únicu ente los isótopos estables en ser dos veces más pesáu que l'isótopu más llixeru. Esta diferencia aumenta la fuercia d'enllazar hidróxenu-oxíxenu de l'agua, y esto de la mesma ye abonda pa causar diferencies que son importantes pa delles de les reaiciones bioquímiques. El cuerpu humanu contién de forma natural deuteriu equivalente a aproximadamente cinco gramos d'agua pesao, que ye inofensivu. Cuando una fraición grande d'agua (> 50 %) de los organismos cimeros sustituyir por agua pesao, el resultáu ye la disfunción celular y la muerte.
L'agua pesao producir per primer vegada en 1932, pocos meses dempués del descubrimientu del deuteriu.Harold Clayton Urey (1893–1981) Col descubrimientu de la fisión nuclear a finales de 1938, y la necesidá d'un moderador de neutrones que prindara pocos neutrones, l'agua pesao convertir nun componente d'investigación de la primer enerxía nuclear. De magar, l'agua pesao foi un componente esencial en dellos tipos de reactores, tanto de los que xeneren enerxía como de los diseñaos pa producir isótopos p'armes nucleares. Estos reactores d'agua pesao tienen la ventaya de poder emplegar uraniu natural ensin l'usu de los moderadores de grafitu (que pueden plantegar na fase de desmantelamiento riesgo radiolóxicoshttp://www-pub.iaea.org/MTCD/publications/PDF/ngwm-cd/PDF-Files/paper%2017%20(Holt).pdf o d'esplosión del polvu).https://web.archive.org/web/20140422132744/http://cigr.ageng2012.org/images/fotosg/tabla_137_C0371.pdf Los reactores más modernos utilicen uraniu arrequiercíu con "agua llixero" normal (H2 O) como moderador.
Otres formes d'agua pesao
Agua semipesao L'agua semipesao, HDO, esiste siempres qu'haya agua con hidróxenu llixeru (Protio, 1H) y el deuteriu (D o 2H) nel amiestu. Esto debe a que los átomos d'hidróxenu (hidróxenu-1 y deuteriu) intercámbiense rápido ente les molécules d'agua. L'agua que contién 50 % de H y 50 % de D nel so hidróxenu en realidá contién aproximadamente'l 50 % HDO y 25 % cada unu de H2O y D2O, en equilibriu dinámicu. En normal d'agua, alredor de 1 molécula en 3200 ye HDO (un hidróxenu en 6400 ye D), y les molécules d'agua pesao (D2O) solo prodúcense nuna proporción d'aproximadamente 1 molécula en 41 millones (esto ye, unu de cada 6.400²). Asina, les molécules d'agua semipesao son muncho más comunes que les molécules homoisotópicas d'agua pesao "pura".
L'agua pesao-oxíxenu Agua arrequiercío nos isótopos d'oxíxenu más pesáu 17 O y 18 O tamién ta disponible comercialmente, por casu, pa usu como trazador isotópicu non radiactivu. Trátase de "agua pesao", yá que ye más trupa que l'agua normal (H2 18O ye aproximadamente tan trupu como D2 O, y el H217O ta a mediu camín ente'l H2O y D2O), pero escasamente llámase agua pesao, yá que nun contién el deuteriu que da D2O les sos propiedaes nuclear y biolóxicu inusuales. Ye más cara que D2O por cuenta de la mayor dificultá na separación del 17 O 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, páxs. 69–78.
Agua tritiao L'agua tritiao contién tritiu en llugar de protiu o deuteriu. La fórmula química de l'agua tritiao, óxidu de tritiu o agua superpesao ye:T2O o ³H2O. Esta forma ye radiactiva.
Amás hai otres variedaes isotópiques como una forma ensin nome que correspondería a una «agua semi-superpesao», que la so fórmula química ye HTO, THO o 1H³H O. Esta forma ye radiactiva.
Propiedaes Esta diferencia nos elementos del nucleu modifica dalgunes de los sos propiedaes físiques, tales como la densidá o'l puntu de bullidura. L'agua pesao atópase presente, en pequeñes cantidaes, entemecida cola agua normal, y puede ser dixebrada d'ésta por destilación fraccionada. Tamién puede dixebrase de l'agua por absorción con amoniacu que contenga deuteriu. PropiedáD2O (agua pesao)H2O (agua común)Puntu de fusión (°C)3,820,0Puntu de bullidura (°C)101,4100,0Densidá (a 20 °C, g/mL)1,10560,9982Temp. de máxima densidá (°C)11,64,0Mafa (a 20 °C, centipoise)1,251,005Tensión superficial (a 25 °C, dyn•cm)71,9371,97Entalpía de fusión (cal/mol)1,5151,436Entalpía de vaporización (cal/mol)10,86410,515pH (a 25 °C)7,417,00
Historia Harold Urey afayó l'isótopu deuteriu en 1931 y más tarde foi capaz de concentrase na agua. El mentor de Urey, Gilbert Newton Lewis, aislló la primer muestra d'agua pesao pura por electrólisis en 1933. George de Hevesy y Hoffer utilicen agua pesao en 1934, nún de los primeros esperimentos de trazadores biolóxicos, pa envalorar la tasa de recambiu d'agua nel cuerpu humanu. Emilian Bratu y Otto Redlich estudiaron la autodisociación d'agua pesao en 1934.Em. Bratu, Y. Abel, O. Redlich, Die elektrolytische Dissoziation des schweren Wassers; vorläufige Mitttelung, Zeitschrift für physikalische Chemie, 170, 153 (1934) Dende finales de los años trenta y mientres la Segunda Guerra Mundial realizáronse grandes meyores na producción y usu d'agua pesao en gran cantidá nos primeros esperimentos nucleares munchos caltuviéronse de callao por cuenta de la importancia militar.
Producción Na Tierra, l'agua deuterada, HDO, atopar de forma natural na agua normal nuna proporción d'aproximadamente 1 molécula en 3200. Esto significa que 1 de cada 6400 átomos d'hidróxenu ye deuteriu, que ye 1 parte en 3200 por pesu (pesu d'hidróxenu). El HDO puede dixebrase de l'agua normal por aciu destilación o electrólisis y tamién por dellos procesos d'intercambiu químicu, qu'aprovechen l'efeutu isotópicu cinéticu. (Pa llograr más información sobre la distribución isotópica del deuteriu na agua, vease Vienna Standard Mean Ocean Water.)
La diferencia de masa ente los dos isótopos d'hidróxenu traducir nuna diferencia na enerxía del puntu cero y polo tanto nuna llixera diferencia na velocidá a la qu'avanza la reaición. La producción d'agua pesao pura por aciu destilación o electrólisis requier una gran cascada d'imáxenes fixes o cámares d'electrólisis y consume grandes cantidaes d'enerxía, polo que, xeneralmente, prefiérense los métodos químicos. Históricamente'l métodu químicu más importante ye'l métodu de Geib-Spevack.
Un procesu alternativu, patentáu por Graham M. Keyser, utiliza láseres pa disociar selectivamente hidrofluorocarbonos deuterados pa formar deuteriu fluoruro, que depués se puede dixebrar per medios físicos. Anque'l consumu d'enerxía pa esti procesu ye enforma menor que pal procesu de sulfuru de Girdler, esti métodu ye anguaño pocu económicu por cuenta de los gastos d'alquisición de los hidrofluorocarbonos necesaries.
Como se señaló, modernamente l'agua pesao comercial ye cuasi universalmente conocida, y viéndese como, óxidu de deuteriu. Con mayor frecuencia vender en diversos graos de pureza, a partir de 98 % d'arrequiercimientu de 99,75 a 99,98 % d'arrequiercimientu de deuteriu (grau reactor nuclear) y n'ocasiones inclusive mayor pureza isotópica.
Plantes productores Xunión Soviética. Empecipió la producción en 1934 en Dnepropetrovsk, pero atayar por cuenta de la Operación Barbarossa. Dempués de 1946 construyéronse cinco plantes con una producción añal total de 20 tonelaes. Arxentina. Ye'l principal productor y esportador, produciendo nuna planta con capacidá de 200 t/añu; ta allugada n'Arroyito (provincia de Neuquén), operada pola empresa estatal ENSI. Estaos Xuníos. Produció agua pesao hasta la década de 1980. En 1953, los Estaos Xuníos empezaron a utilizar agua pesao nos reactores de producción de plutoniu de Savannah River Site (SRS). El primeru de los cinco reactores d'agua pesao entró en llinia en 1953, y el postreru foi puestu en parada fría en 1996. Los reactores de SRS yeren reactores d'agua pesao que dexaben producir tanto'l plutoniu como'l tritiu pal programa d'armes nucleares d'Estaos Xuníos. Estaos Xuníos desenvolvió'l métodu de Geib-Spevack basáu nel intercambiu químicu, que s'emplegó per primer vegada a gran escala nuna planta construyida en Dana), Indiana, en 1945 y na planta del ríu Savannah, Carolina del Sur en 1952. La SRP yera operada por DuPont pal USDOE hasta'l 1 d'abril de 1989 cuando foi adquirida por Westinghouse. Canadá. Foi'l mayor productor mundial hasta'l zarru de la planta d'agua pesao en 1997. Como parte de la so contribución al Proyeutu Manhattan, Canadá construyó y operó una planta electrolítica con una capacidá de producción de 6 tonelaes per añu d'agua pesao en Trail, Columbia Británica, qu'empezó a funcionar en 1943. El reactor de potencia diseñáu por Atomic Energy of Canada Limited (AECL) requier grandes cantidaes d'agua pesao p'actuar como moderador de neutrones y refrigerante. AECL pidió dos plantes d'agua pesao que se construyeron y operaron nel Atlánticu canadianu una en Glace Bay (por Deuteriu of Canada Limited) y la otra en Port Hawkesbury, Nueva Escocia (Canadá por General Electric). Estes plantes resultaron tener importantes problemes de diseñu, construcción y producción y asina AECL construyó la Planta d'Agua Pesao Bruce ( 44.3273 ° N 81.5921 ° W ), que más tarde vendió a Ontario Hydro, p'asegurar un suministru confiable d'agua pesao pa les centrales futures. Les dos plantes de Nueva Escocia fueron cerraes en 1985, cuando la so producción resultó ser innecesaria. La Planta d'Agua Pesao Bruce en Ontario foi la planta de producción d'agua pesao más grande del mundu, con una capacidá de 700 tonelaes per añu. Emplegaba'l procesu de sulfuru de Girdler pa producir agua pesao, y riquía 340 000 tonelaes d'agua d'alimentación pa producir una tonelada d'agua pesao. Yera parte d'un complexu qu'incluyía ocho reactores CANDU qu'apurren calor y enerxía pa la planta d'agua pesao. El sitiu atópase en Douglas Point cerca de Tiverton, Ontario, el Llagu Huron, onde tuvo accesu a les agües de los Grandes Llagos.