Se denomina agua pesada, formalmente óxido de deuterio, a una molécula de composición química equivalente al agua, en la que los dos átomos del isótopo más abundante del hidrógeno, el protio, son sustituidos por dos de deuterio, un isótopo pesado del hidrógeno (también conocido como «hidrógeno pesado»). Su fórmula química es: D2O o ²H2O.
Introducción El agua pesada es una forma de agua que contiene una cantidad más grande de lo normal de deuterio, un isótopo del hidrógeno, (también conocido como "hidrógeno pesado") en lugar del isótopo común de hidrógeno-1 o protio, del que está compuesta la mayor parte del agua normal. Por lo tanto, algunos o la mayoría de los átomos de hidrógeno del agua pesada contienen un neutrón, lo que provoca que cada átomo de hidrógeno sea aproximadamente dos veces más pesado que un átomo de hidrógeno normal (aunque el peso de las moléculas de agua solo se ve moderadamente afectado, ya que aproximadamente el 89% del peso molecular reside en el átomo de oxígeno). El aumento de peso del hidrógeno en el agua hace que sea un poco más densa.
El término coloquial agua pesada a menudo también se utiliza para referirse a una mezcla altamente enriquecida de agua que contiene principalmente óxido de deuterio, pero que también contiene algunas moléculas de agua ordinarias. Así por ejemplo el agua pesada que se utiliza en los reactores CANDU es de un enriquecimiento del 99,75% por cada átomo de hidrógeno, lo que significa que el 99,75% de los átomos de hidrógeno son del tipo pesado (deuterio). En comparación, en el agua ordinaria, a veces llamada «agua ligera», solo hay alrededor de 156 átomos de deuterio por cada millón de átomos de hidrógeno.
El agua pesada no es radiactiva. En su forma pura, tiene una densidad aproximadamente un 11% mayor que la del agua, pero, por lo demás, es física y químicamente similar. Sin embargo, las diversas diferencias entre las aguas que contienen deuterio (que afectan especialmente a las propiedades biológicas) son mayores que en cualquier otro compuesto común con sustitución isotópica debido a que el deuterio es único entre los isótopos estables en ser dos veces más pesado que el isótopo más ligero. Esta diferencia aumenta la fuerza de los enlaces hidrógeno-oxígeno del agua, y esto a su vez es suficiente para causar diferencias que son importantes para algunas de las reacciones bioquímicas. El cuerpo humano contiene de forma natural deuterio equivalente a aproximadamente cinco gramos de agua pesada, que es inofensivo. Cuando una fracción grande de agua (>50%) de los organismos superiores se sustituye por agua pesada, el resultado es la disfunción celular y la muerte.
El agua pesada se sintetizó por primera vez en 1932, pocos meses después del descubrimiento del deuterio.Harold Clayton Urey (1893–1981) Con el descubrimiento de la fisión nuclear a finales de 1938, y la necesidad de un moderador de neutrones que capturara pocos neutrones, el agua pesada se convirtió en un componente de investigación de la primera energía nuclear. Desde entonces, el agua pesada ha sido un componente esencial en algunos tipos de reactores, tanto de los que generan energía como de los diseñados para producir isótopos para armas nucleares. Estos reactores de agua pesada tienen la ventaja de poder emplear uranio natural sin el uso de los moderadores de grafito (que pueden plantear en la fase de desmantelamiento riesgos radiológicoshttp://www-pub.iaea.org/MTCD/publications/PDF/ngwm-cd/PDF-Files/paper%2017%20(Holt).pdf o de explosión del polvo).https://web.archive.org/web/20140422132744/http://cigr.ageng2012.org/images/fotosg/tabla_137_C0371.pdf Los reactores más modernos utilizan uranio enriquecido con «agua ligera» normal (H2O) como moderador.
Otras formas de agua pesada Agua semipesada El agua semipesada, HDO, existe siempre que haya agua con hidrógeno ligero (Protio, 1H) y el deuterio (D o ²H) en la mezcla. Esto se debe a que los átomos de hidrógeno (hidrógeno-1 y deuterio) se intercambian rápidamente entre las moléculas de agua. El agua que contiene 50% de H y 50% de D en su hidrógeno en realidad contiene aproximadamente el 50% HDO y 25% cada uno de H2O y D2O, en equilibrio dinámico. En el agua normal, alrededor de 1 molécula de cada 3200 es HDO (un hidrógeno de cada 6.400 es en forma de D), y las moléculas de agua pesada (D2O) sólo se dan en una proporción de aproximadamente 1 molécula en 41 millones (es decir, una en 6.400²). Por lo tanto, las moléculas de agua semipesadas son mucho más comunes que las moléculas de agua pesada "puras" (homoisotópicas).
El agua pesada-oxígeno También está disponible comercialmente agua enriquecida en los isótopos de oxígeno más pesados 17O y 18O, por ejemplo, para uso como trazador isotópico no radiactivo. Se trata de "agua pesada", ya que es más densa que el agua normal (el H218O es aproximadamente tan densa como D2O, y el H217O está a medio camino entre el H2O y D2O), pero rara vez se llama agua pesada, ya que no contiene el deuterio que le dan al D2O sus propiedades nucleares y biológicas inusuales. Es más cara que el D2O debido a la mayor dificultad en la separación del 17O y18O.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, N.º3-4, pp.69-78.
Agua tritiada El agua tritiada contiene tritio en lugar de protio o deuterio. La fórmula química del agua tritiada, óxido de tritio o agua superpesada es: T2O o 3H2O. Esta forma es radiactiva.
Además hay otras variedades isotópicas como una forma sin nombre que correspondería a un "agua semi-superpesada", cuya fórmula química es HTO, THO o 1H3H O. Esta forma es radiactiva.
Propiedades Esta diferencia en los elementos del núcleo modifica algunas de sus propiedades físicas, tales como la densidad o el punto de ebullición. El agua pesada se encuentra presente, en pequeñas cantidades, mezclada con el agua normal, y puede ser separada de ésta por destilación fraccionada. También se puede separar del agua por absorción con amoniaco que contenga deuterio. PropiedadD2O(agua pesada)H2O(agua común)Punto de fusión (°C)3,820,0Punto de ebullición (°C)101,4100,0Densidad (a 20°C, g/mL)1,10560,9982Temp. de máxima densidad (°C)11,64,0Viscosidad (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 descubrió el isótopo deuterio en 1931 y más tarde fue capaz de concentrarlo en agua. El mentor de Urey, Gilbert Newton Lewis, aisló la primera muestra de agua pesada pura por electrólisis en 1933. George de Hevesy y Hoffer utilizaron agua pesada en 1934, en uno de los primeros experimentos de trazadores biológicos, para estimar la tasa de renovación del agua en el cuerpo humano. Emilian Bratu y Otto Redlich estudiaron la autodisociación de agua pesada en 1934.Em. Bratu, E. Abel, O. Redlich, Die elektrolytische Dissoziation des schweren Wassers; vorläufige Mitttelung, Zeitschrift für physikalische Chemie, 170, 153 (1934). Desde finales de los años treinta y durante la Segunda Guerra Mundial se realizaron grandes avances en la producción y uso de agua pesada en gran cantidad en los primeros experimentos nucleares. Muchos de estos experimentos se mantuvieron en secreto debido a la importancia militar.
Producción En la Tierra, el agua deuterada, HDO, se encuentra de forma natural en el agua normal en una proporción de aproximadamente 1 molécula en 3200. Esto significa que 1 de cada 6400 átomos de hidrógeno es deuterio, que es 1 parte en 3200 en peso (peso del hidrógeno). El HDO se puede separar del agua normal mediante destilación o electrólisis y también por varios procesos de intercambio químico, los cuales aprovechan el efecto isotópico cinético.
La diferencia de masa entre los dos isótopos de hidrógeno se traduce en una diferencia en la energía del punto cero y por lo tanto en una ligera diferencia en la velocidad a la que avanza la reacción. Una vez que el HDO se convierte en una fracción significativa del agua, el agua pesada se hace más prevalente ya que las moléculas de agua intercambian átomos de hidrógeno muy frecuentemente. La producción de agua pesada pura por destilación o electrólisis requiere una gran cascada de alambiques o cámaras de electrólisis y consume grandes cantidades de energía, por lo que generalmente se prefieren los métodos químicos.
El proceso más rentable para producir agua pesada es el proceso de sulfuros de intercambio de doble temperatura (conocido como el proceso de sulfuros Girdler) desarrollado en paralelo por Karl-Hermann Geib y Jerome S. Spevack en 1943.
Un proceso alternativo, patentado por , utiliza láseres para disociar selectivamente hidrofluorocarbonos deuterados para formar fluoruro de deuterio, que luego se puede separar por medios físicos. Aunque el consumo de energía para este proceso es mucho menor que para el proceso de sulfuro de Girdler, actualmente este método es antieconómico debido al gasto que supone la obtención de los hidrofluorocarbonos necesarios.
Como se ha señalado el agua pesada comercial moderna se conoce casi universalmente y se vende como óxido de deuterio. Se vende con mayor frecuencia en varios grados de pureza, desde el 98% de enriquecimiento hasta el 99,75-99,98% de enriquecimiento de deuterio (grado de reactor nuclear) y ocasionalmente incluso una mayor pureza isotópica.
Plantas productoras La Unión Soviética: inició la producción en 1934 en Dnepropetrovsk, pero fue interrumpida debido a la Operación Barbarroja. Después de 1946 se construyeron cinco plantas con una producción anual total de 20 toneladas. Argentina: es el principal productor y exportador, produciendo en una planta con capacidad de 200t/año; está ubicada en Arroyito (provincia del Neuquén), operada por la empresa estatal ENSI. Estados Unidos: produjo agua pesada hasta la década de 1980. En 1953, los Estados Unidos comenzaron a utilizar agua pesada en los reactores de producción de plutonio de Savannah River Site (SRS). El primero de los cinco reactores de agua pesada entró en línea en 1953, y el último fue puesto en parada fría en 1996. Los reactores de SRS eran reactores de agua pesada que permitían producir tanto el plutonio como el tritio para el programa de armas nucleares de Estados Unidos. Estados Unidos desarrolló el método de Geib-Spevack basado en el intercambio químico, que se empleó por primera vez a gran escala en una planta construida en Dana, Indiana, en 1945 y en la planta del río Savannah, Carolina del Sur en 1952. La SRP fue operada por DuPont para el USDOE hasta el 1 de abril de 1989 cuando fue adquirida por Westinghouse. Canadá: fue el mayor productor mundial hasta el cierre de la planta de agua pesada en 1997. Como parte de su contribución al Proyecto Manhattan, Canadá construyó y operó una planta electrolítica con una capacidad de producción de 6 toneladas por año de agua pesada en Trail, Columbia Británica, que comenzó a funcionar en 1943. El reactor de potencia diseñado por Atomic Energy of Canada Limited (AECL) requiere grandes cantidades de agua pesada para actuar como moderador de neutrones y refrigerante. AECL pidió dos plantas de agua pesada que se construyeron y operaron en el Atlántico canadiense una en Glace Bay (por Deuterio of Canada Limited) y la otra en Port Hawkesbury, Nueva Escocia (por General Electric Canada). Estas plantas resultaron tener importantes problemas de diseño, construcción y producción y así AECL construyó la Planta de Agua Pesada Bruce, que más tarde vendió a Ontario Hydro, para asegurar un suministro confiable de agua pesada para las centrales futuras. Las dos plantas de Nueva Escocia fueron cerradas en 1985, cuando su producción resultó ser innecesaria.