العلومالكيمياءالكيمياء العضوية

الماء الثقيل واستخداماته

اقرأ في هذا المقال
  • ما هو الماء الثقيل؟
  • الخصائص الفيزيائية للماء الثقيل
  • الخصائص الكيميائية للماء الثقيل
  • طرق تحضير الماء الثقيل
  • أنواع الماء الثقيل
  • استخدامات الماء الثقيل
  • هل يمكن شرب الماء الثقيل وهل هو خطير؟

ما هو الماء الثقيل؟

 

الماء الثقيل (D2O)، ويسمى أيضًا أكسيد الديوتيريوم، والماء المكون من الديوتيريوم ونظير الهيدروجين بكتلة ضعف كتلة الهيدروجين العادي والأكسجين. (الماء العادي له تركيبة يمثلها H2O.)

وهكذا، فإنّ الماء الثقيل له وزن جزيئي يبلغ حوالي 20 (مجموع ضعف الوزن الذري للديوتيريوم وهو 2، بالإضافة إلى الوزن الذري للأكسجين، وهو 16)، بينما يبلغ الوزن الجزيئي للماء العادي حوالي 18 (ضعف الوزن الذري للهيدروجين العادي، وهو 1 بالإضافة إلى الأكسجين، وهو 16).

تحتوي المياه العادية كما يتم الحصول عليها من معظم المصادر الطبيعية على ذرة ديوتيريوم واحدة لكل 6760 ذرة هيدروجين عادية. وبذلك يتم إثراء الماء المتبقي بمحتوى الديوتيريوم. استمرار التحليل الكهربائي لمئات اللترات من الماء حتى يتبقى بضعة مليلتر فقط من إنتاج أكسيد الديوتيريوم النقي عمليًا.

تُعد هذه العملية حتى عام 1943 الطريقة الوحيدة واسعة النطاق المستخدمة، تم استبدالها بعمليات أقل تكلفة، مثل التقطير التجزيئي (يتركز D2O في بقايا السائل لأنّه أقل تطايرًا من H2O). يتم استخدام الماء الثقيل الناتج كمهدئ للنيوترونات في محطات الطاقة النووية. في المختبر، يتم استخدام الماء الثقيل كمتتبع للنظائر في دراسات العمليات الكيميائية والكيميائية الحيوية.

الخصائص الفيزيائية للماء الثقيل:

 

الماء الثقيل له مظهر عديم اللون في STP. في درجة حرارة الغرفة، يوجد كسائل عديم الرائحة، ونظرًا لأنّ كثافة D2O أكبر بنسبة 11٪ تقريبًا من كثافة H2O، فإنّ مكعب ثلج مصنوع من أكسيد الديوتيريوم سيغرق في الماء العادي. يشكل الماء الثقيل خليطًا متجانسًا عند مزجه بالماء العادي.

الخصائص الكيميائية للماء الثقيل:

 

تظهر نظائر الهيدروجين سلوكًا كيميائيًا مختلفًا، بسبب الاختلافات في كتلتها الذرية. يمكن للتغييرات في خصائص المذيبات للماء بسبب وجود كميات كبيرة من الديوتيريوم أن تؤثر سلبًا على النظم البيولوجية. يتفكك الماء العادي إلى حد أكبر عند مقارنته بالماء الثقيل. عند درجة حرارة معينة، يكون تركيز أيونات D + في عينة D2O أقل عمومًا من تركيز أيونات H + في عينة H2O.

 

له كتلة مولارية أكبر من الماء العادي لأن الكتلة الذرية للديوتيريوم أكبر من كتلة البروتيوم. هذا يتسبب في أن يكون للماء الثقيل (D2O) خواص كيميائية وفيزيائية مختلفة قليلاً عند مقارنته بـ H2O.

 

طرق تحضير الماء الثقيل:

 

يتم تحضير الماء الثقيل عن طريق التحليل الكهربائي المطول للماء المحتوي على القلويات:

 

  • المنحل بالكهرباء: ماء يحتوي على هيدروكسيد الصوديوم.

 

  • الكاثود: وعاء فولاذي.

 

  • الأنود: لوح من النيكل بفتحات.

 

يستمر التحليل الكهربائي لسبع قلويات يتم تحييدها بمرور غاز ثاني أكسيد الكربون. المنتج المتبقي هو الماء الثقيل. تحتوي نواة ذرة الديوتيريوم على بروتون واحد ونيوترون واحد، مما يجعلها ضعف وزن البروتيوم تقريبًا (نظير الهيدروجين الموجود في الماء العادي، ويُشار إليه بالرمز 1H). يُعزى حوالي 89٪ من الكتلة الجزيئية لجزيء الماء إلى الأكسجين. لذلك، فإنّ الكتلة الجزيئية لـ D2O ليست أكبر بكثير من كتلة H2 كثافة الماء الثقيل ~ 11٪ أعلى من كثافة الماء العادي.

رابطة الأكسجين والديوتيريوم في (D2O) أقوى من رابطة الأكسجين البروتيوم في H2 D2O ليس مشعًا بطبيعته؛ لأنّ ذرة الديوتيريوم لا تخضع للاضمحلال الإشعاعي. الجرعات العالية من الماء الثقيل يمكن أن تكون سامة للعديد من الكائنات الحية. كان أول إنتاج لأكسيد الديوتيريوم في عام 1932. ويستخدم كمهدئ للنيوترون ومبرد في مفاعلات الماء الثقيل المضغوط (PHWR). يشير مصطلح “الماء الثقيل” عادةً إلى D2O. ومع ذلك، توجد أيضًا أشكال “ثقيلة” أخرى من الماء.

أنواع الماء الثقيل:

 

  • الماء شبه الثقيل (HDO): يُشار إلى هذا الشكل من الماء الثقيل بواسطة صيغة HDO ويتكون من بروتيوم واحد وديوتيريوم واحد وذرة أكسجين واحدة. تميل جزيئات الماء إلى تبادل ذرات الهيدروجين فيما بينها. هذا يعني أنّه يمكن العثور على HDO في عينات من الماء تحتوي على كل من البروتيوم والديوتيريوم. تتكون عينة الماء التي تحتوي على نسبة متساوية من البروتيوم والديوتيريوم من 50٪ ماء شبه ثقيل و25٪ ماء عادي و25٪ ماء ثقيل. في هذه العينة، يوجد توازن ديناميكي بين HDO وD2O وH2.

 

  • ماء الأكسجين الثقيل: يشار إلى الماء الذي يحتوي على نظائر أثقل من الماء مثل 17O و18O باسم ماء الأكسجين الثقيل. كثافته أعلى من الماء العادي، لذلك يصنف على أنّه شكل من أشكال الماء الثقيل. يستخدم الماء الذي يحتوي على الأكسجين الثقيل الذي يحتوي على نظير 18O للأكسجين في إنتاج نظير 18F من الفلور. كما أنّها تستخدم في المشعات الإشعاعية والمستحضرات الصيدلانية المشعة.

 

  • المياه الثلاثية (T2O): إنّه شكل مشع من الماء يحتوي على التريتيوم (يُشار إليه بواسطة T أو 3H) بدلاً من البروتيوم. يطلق عليه عادةً الماء الثقيل للغاية ويشار إليه بالصيغة T2 يمكن استخدام الماء المثلث لتحديد الحجم الكلي للماء في الجسم. الكتلة المولية لـ T2O هي 22.03 جرام لكل مول وكثافتها 1.85 جم / مل.

 

استخدامات الماء الثقيل:

 

يعد أكسيد الديوتيريوم جزءًا لا يتجزأ من المفاعلات النووية التي تعمل بالماء الثقيل، حيث يتم استخدامه كمبرد وكوسيط نيوتروني. بعض التطبيقات الهامة الأخرى للماء الثقيل ما يلي:

  • يستخدم الماء الثقيل لتحضير الديوتيريوم. كمتتبع لدراسة آلية التنفس.

 

  • التمثيل الضوئي: يستخدم D2O في التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي (NMR) والذي يستخدم لمراقبة المجالات المغناطيسية حول نوى الذرات. يتم تحضير النظائر المشعة للعديد من المركبات العضوية بمساعدة أكسيد الديوتيريوم.

 

  • غالبًا ما يستخدم الماء الثقيل بدلاً من الماء العادي في التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء. كوسيط في المفاعل النووي لإبطاء النيوترونات. لأنّه يمكن أن يبطئ النيوترونات سريعة الحركة بحيث يمكنها التفاعل مع نظير 235U بدلاً من نظير 238U.

 

  • يتم اختبار معدل التمثيل الغذائي لدى البشر والحيوانات بمساعدة خليط من D2O والماء الذي يحتوي على أكسجين ثقيل.

 

  • يتشكل التريتيوم وهو المادة الفعالة المستخدمة في تفاعلات الاندماج النووي الخاضعة للرقابة، عندما يلتقط الديوتيريوم الموجود في الماء الثقيل نيوترونًا.

 

  • يستخدم الماء الثقيل في التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي. يتم استخدامه كوسيط في أنواع معينة من المفاعلات النووية كما يستخدم في المجال الطبي لاختبار معدل التمثيل الغذائي للإنسان.

 

هل يمكن شرب الماء الثقيل وهل هو خطير؟

 

في معظم الأوقات عندما يتم التحدث عن الماء الثقيل نميل إلى ربطه بالمفاعلات النووية والمواد المشعة. ومع ذلك، فإنّ الماء الثقيل النقي ليس مشعًا وغير ضار جدًا إذا تناوله الإنسان بكميات قليلة. يكون ضارًا أو خطيرًا فقط إذا تم استهلاك الماء بكميات كبيرة أو إذا تم تناول الماء الثقيل لفترة طويلة من الزمن. قد يحدث تسمم ويؤدي إلى أعراض مثل الدوار وفقدان ضغط الدم.

المصدر
Heavy waterHeavy Water - Uses, Properties and ReactionsHeavy waterUse of Heavy Water (D2O)

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

زر الذهاب إلى الأعلى