Água pesada - Heavy water

Modelo de preenchimento de espaço de água pesada
Nomes
Nome IUPAC
( 2 H 2 ) Água
Outros nomes
Identificadores
Modelo 3D ( JSmol )
ChEBI
ChEMBL
ChemSpider
ECHA InfoCard 100.029.226 Edite isso no Wikidata
Número EC
97
KEGG
Malha Deutério + óxido
Número RTECS
UNII
  • InChI = 1S / H2O / h1H2 / i / hD2 ☒N
    Chave: XLYOFNOQVPJJNP-ZSJDYOACSA-N ☒N
  • [2H] O [2H]
Propriedades
D
2
O
Massa molar 20,0276 g mol −1
Aparência Líquido incolor
Odor Inodoro
Densidade 1,107 g mL −1
Ponto de fusão 3,82 ° C; 38,88 ° F; 276,97 K
Ponto de ebulição 101,4 ° C (214,5 ° F; 374,5 K)
Miscível
log P -1,38
1.328
Viscosidade 1,25 mPa s (a 20 ° C)
1,87 D
Perigos
NFPA 704 (diamante de fogo)
1
0
0
Exceto onde indicado de outra forma, os dados são fornecidos para materiais em seu estado padrão (a 25 ° C [77 ° F], 100 kPa).
☒N (o que é   ?) VerificaY☒N
Referências da Infobox

Água pesada ( óxido de deutério ,2
H
2
O
, D
2
O
) é uma forma de água que contém apenas deutério (2
H
ou D, também conhecido como hidrogênio pesado ) em vez do isótopo comum de hidrogênio-1 (1
H
ou H, também chamado de protium ) que compõe a maior parte do hidrogênio na água normal. A presença do isótopo de hidrogênio mais pesado dá à água propriedades nucleares diferentes, e o aumento da massa dá a ela propriedades físicas e químicas ligeiramente diferentes quando comparada à água normal.

Explicação

Deutério é um isótopo de hidrogênio com um núcleo contendo um nêutron e um próton ; o núcleo de um átomo de prótio (hidrogênio normal) consiste apenas em um próton. O nêutron adicional torna um átomo de deutério quase duas vezes mais pesado que um átomo de prótio .

Uma molécula de água pesada tem dois átomos de deutério no lugar dos dois átomos de prótio da água "leve" comum. Na verdade, o termo água pesada, conforme definido pelo Livro de Ouro da IUPAC, também pode se referir à água na qual uma proporção maior do que o normal de átomos de hidrogênio é deutério em vez de prótio. Para comparação, a água comum (a "água comum" usada para um padrão de deutério) contém apenas cerca de 156 átomos de deutério por milhão de átomos de hidrogênio, o que significa que 0,0156% dos átomos de hidrogênio são do tipo pesado. Assim, a água pesada, conforme definido pelo Livro do Ouro, inclui óxido de hidrogênio-deutério (HDO) e outras misturas de D
2
O
, H
2
O
e HDO em que a proporção de deutério é maior que o normal. Por exemplo, a água pesada usada nos reatores CANDU é uma mistura de água altamente enriquecida que contém principalmente óxido de deutério D
2
O
, mas também um pouco de óxido de hidrogênio-deutério (HDO) e uma quantidade menor de óxido de hidrogênio comum H
2
O
. É 99,75% enriquecido pela fração do átomo de hidrogênio - o que significa que 99,75% dos átomos de hidrogênio são do tipo pesado; no entanto, a água pesada no sentido do Livro de Ouro não precisa ser tão enriquecida. Onde este artigo usa água pesada, porém, isso significa D
2
O
. O peso de uma molécula de água pesada, no entanto, não é substancialmente diferente do peso de uma molécula de água normal, porque cerca de 89% do peso molecular da água vem de um único átomo de oxigênio , e não dos dois átomos de hidrogênio.

A água pesada não é radioativa . Em sua forma pura, tem uma densidade cerca de 11% maior do que a água, mas é física e quimicamente semelhante. No entanto, as várias diferenças na água contendo deutério (afetando especialmente as propriedades biológicas) são maiores do que em qualquer outro composto substituído por isótopo de ocorrência comum porque o deutério é único entre os isótopos estáveis ​​pesados por ser duas vezes mais pesado que o isótopo mais leve. Essa diferença aumenta a força das ligações de hidrogênio-oxigênio da água e isso, por sua vez, é suficiente para causar diferenças importantes para algumas reações bioquímicas. O corpo humano contém naturalmente deutério equivalente a cerca de cinco gramas de água pesada, o que é inofensivo. Quando uma grande fração de água (> 50%) em organismos superiores é substituída por água pesada, o resultado é disfunção celular e morte.

A água pesada foi produzida pela primeira vez em 1932, alguns meses após a descoberta do deutério. Com a descoberta da fissão nuclear no final de 1938 e a necessidade de um moderador de nêutrons que capturasse poucos nêutrons, a água pesada tornou-se um componente das primeiras pesquisas sobre energia nuclear . Desde então, a água pesada tem sido um componente essencial em alguns tipos de reatores, tanto aqueles que geram energia quanto aqueles projetados para produzir isótopos para armas nucleares. Esses reatores de água pesada têm a vantagem de poder funcionar com urânio natural sem o uso de moderadores de grafite que apresentam riscos radiológicos e de explosão de poeira na fase de descomissionamento. A maioria dos reatores modernos usa urânio enriquecido com água comum como moderador.

Outras formas pesadas de água

Água Semi Pesada

Água semi-pesada , HDO, existe sempre que há água com hidrogênio leve (protium,1
H
) e deutério (D ou2
H
) na mistura. Isso ocorre porque os átomos de hidrogênio (hidrogênio-1 e deutério) são trocados rapidamente entre as moléculas de água. Água contendo 50% de H e 50% de D em seu hidrogênio, na verdade, contém cerca de 50% de HDO e 25% de cada H
2
O
e D
2
O
, em equilíbrio dinâmico . Na água normal, cerca de 1 molécula em 3.200 é HDO (um hidrogênio em 6.400 está na forma de D), e moléculas de água pesadas ( D
2
O
) ocorrem apenas em uma proporção de cerca de 1 molécula em 41 milhões (ou seja, uma em 6.400 2 ). Assim, as moléculas de água semi-pesadas são muito mais comuns do que as moléculas de água pesadas "puras" (homoisotópicas).

Água com alto teor de oxigênio

Água enriquecida com os isótopos de oxigênio mais pesados 17
O
e18
O
também está disponível comercialmente, por exemplo, para uso como um traçador isotópico não radioativo . É "água pesada", pois é mais densa do que a água normal ( H
2
18
O
é aproximadamente tão denso quanto D
2
O
, H
2
17
O
está a meio caminho entre H
2
O
e D
2
O
) - mas raramente é chamada de água pesada, uma vez que não contém o deutério que dá ao D 2 O suas propriedades nucleares e biológicas incomuns. É mais caro que o D 2 O devido à separação mais difícil de 17 O e 18 O. H 2 18 O também é usado para a produção de flúor-18 para radiofármacos e radiotraçadores e para tomografia por emissão de pósitrons .

Água tritiada

A água tritiada contém trítio ( 3 H) no lugar do prótio ( 1 H) ou deutério ( 2 H) e, como o próprio trítio é radioativo, a água tritiada também é radioativa.

Propriedades físicas

Propriedades físicas dos isotopólogos da água
Propriedade D 2 O (água pesada) HDO (água semi-pesada) H 2 O (água Luz)
Ponto de fusão
( pressão padrão )
3,82 ° C (38,88 ° F; 276,97 K) 2,04 ° C (35,67 ° F; 275,19 K) 0,0 ° C (32,0 ° F; 273,1 K)
Ponto de ebulição 101,4 ° C (214,5 ° F; 374,5 K) 100,7 ° C (213,3 ° F; 373,8 K) 100,0 ° C (212,0 ° F; 373,1 K)
Densidade em STP (g / mL ) 1,1056 1.054 0,9982
Temp. de densidade máxima 11,6 ° C Não verificado 3,98 ° C
Viscosidade dinâmica (a 20 ° C, mPa · s ) 1,2467 1,1248 1,0016
Tensão superficial (a 25 ° C, N / m ) 0,07187 0,07193 0,07198
Calor de fusão ( kJ / mol ) 6,132 6.227 6,00678
Calor de vaporização (kJ / mol) 41.521 Não verificado 40,657
pH (a 25 ° C) 7,44 ("pD") 7,266 ("pHD") 7,0
p K b (a 25 ° C) 7,44 ("p K b D 2 O") Não verificado 7,0
Índice de refração (a 20 ° C, 0,5893 μm ) 1.32844 Não verificado 1,33335

As propriedades físicas da água e da água pesada diferem em vários aspectos. A água pesada é menos dissociada do que a água leve em determinada temperatura, e a verdadeira concentração de íons D + é menor do que a de íons H + seria para uma amostra de água leve na mesma temperatura. O mesmo é verdadeiro para íons OD - vs. OH - . Para água pesada Kw D 2 O (25,0 ° C) = 1,35 × 10 −15 , e [D +  ] deve ser igual a [OD -  ] para água neutra. Assim pKw D 2 O = P [OD - ] + P [D + ] = 7,44 + 7,44 = 14,87 (25,0 ° C), e o p [D + ] de água pesada neutro a 25,0 ° C é 7,44.

O pD de água pesada é geralmente medido usando eletrodos de pH dando um valor de pH (aparente), ou pHa, e em várias temperaturas um verdadeiro pD ácido pode ser estimado a partir do medidor de pH diretamente medido pHa, de modo que pD + = pHa (leitura aparente de medidor de pH) + 0,41. A correção do eletrodo para condições alcalinas é 0,456 para água pesada. A correção alcalina é então pD + = pH a (leitura aparente do medidor de pH) + 0,456. Essas correções são ligeiramente diferentes das diferenças em p [D +] ep [OD-] de 0,44 dos correspondentes em água pesada.

A água pesada é 10,6% mais densa do que a água comum, e as propriedades fisicamente diferentes da água pesada podem ser vistas sem equipamento se uma amostra congelada cair na água normal, pois ela afundará. Se a água estiver gelada, a temperatura de derretimento mais alta do gelo pesado também pode ser observada: ele derrete a 3,7 ° C e, portanto, não derrete em água normal gelada.

Um experimento anterior não relatou a "menor diferença" no sabor entre a água comum e a pesada. Um estudo concluiu que o sabor da água pesados "distintamente mais doce" para os seres humanos, e é mediada pela TAS1R2 / TAS1R3 receptor de sabor. Os ratos que puderam escolher entre água destilada normal e água pesada foram capazes de evitar a água pesada com base no cheiro, e ela pode ter um sabor diferente. Algumas pessoas relatam que os minerais na água afetam o sabor, por exemplo, o potássio confere um sabor doce à água dura, mas há muitos fatores de um sabor percebido na água além do conteúdo mineral.

A água pesada não tem a cor azul característica da água clara; isso ocorre porque os harmônicos de vibração molecular , que na água leve causam absorção fraca na parte vermelha do espectro visível, são deslocados para o infravermelho e, portanto, a água pesada não absorve a luz vermelha.

Nenhuma propriedade física é listada para água semipesada "pura", porque ela é instável como um líquido a granel. No estado líquido, algumas moléculas de água estão sempre em um estado ionizado , o que significa que os átomos de hidrogênio podem ser trocados entre diferentes átomos de oxigênio. A água semipesada poderia, em teoria, ser criada por meio de um método químico, mas se transformaria rapidamente em uma mistura dinâmica de 25% de água leve, 25% de água pesada e 50% de água semipesada. No entanto, se fosse feito na fase gasosa e diretamente depositado em um sólido, a água semipesada na forma de gelo poderia ser estável. Isso se deve ao fato de as colisões entre as moléculas de vapor d'água serem quase completamente desprezíveis na fase gasosa em temperaturas padrão e, uma vez cristalizadas, as colisões entre as moléculas cessam completamente devido à estrutura rígida do gelo sólido.

História

O cientista americano e ganhador do Nobel Harold Urey descobriu o isótopo deutério em 1931 e mais tarde foi capaz de concentrá-lo na água. O mentor de Urey, Gilbert Newton Lewis, isolou a primeira amostra de água pura pura por eletrólise em 1933. George de Hevesy e Erich Hofer usaram água pesada em 1934 em um dos primeiros experimentos com traçadores biológicos, para estimar a taxa de renovação da água no corpo humano . A história da produção em grande quantidade e do uso de água pesada, nos primeiros experimentos nucleares, é descrita a seguir.

Emilian Bratu e Otto Redlich estudaram a autodissociação da água pesada em 1934.

Efeito nos sistemas biológicos

Diferentes isótopos de elementos químicos têm comportamentos químicos ligeiramente diferentes, mas para a maioria dos elementos as diferenças são muito pequenas para ter um efeito biológico. No caso do hidrogênio, ocorrem diferenças maiores nas propriedades químicas entre o prótio (hidrogênio leve), o deutério e o trítio , porque a energia da ligação química depende da massa reduzida do sistema núcleo-elétron; isso é alterado em compostos de hidrogênio pesado (óxido de hidrogênio-deutério é a espécie mais comum) mais do que na substituição de isótopos pesados ​​envolvendo outros elementos químicos. Os efeitos isotópicos são especialmente relevantes em sistemas biológicos, que são muito sensíveis até mesmo às mudanças menores, devido às propriedades isotopicamente influenciadas da água quando atua como solvente.

A água pesada afeta o período de oscilações circadianas , aumentando consistentemente a duração de cada ciclo. O efeito foi demonstrado em organismos unicelulares, plantas verdes, isópodes, insetos, pássaros, ratos e hamsters. O mecanismo é desconhecido.

Para realizar suas tarefas, as enzimas contam com suas redes finamente ajustadas de ligações de hidrogênio , tanto no centro ativo com seus substratos, quanto fora do centro ativo, para estabilizar suas estruturas terciárias . Como uma ligação de hidrogênio com deutério é ligeiramente mais forte do que uma envolvendo hidrogênio comum, em um ambiente altamente deuterado, algumas reações normais nas células são interrompidas.

Particularmente afetados pela água pesada são os delicados conjuntos de formações do fuso mitótico necessárias para a divisão celular em eucariotos . As plantas param de crescer e as sementes não germinam quando recebem apenas água pesada, porque a água pesada interrompe a divisão das células eucarióticas. A célula de deutério é maior e é uma modificação da direção da divisão. A membrana celular também muda e reage primeiro ao impacto da água pesada. Em 1972, foi demonstrado que um aumento no teor percentual de deutério na água reduz o crescimento das plantas. Pesquisas realizadas sobre o crescimento de microrganismos procariotos em condições artificiais de um ambiente de hidrogênio pesado mostraram que, nesse ambiente, todos os átomos de hidrogênio da água poderiam ser substituídos por deutério. Experimentos mostraram que as bactérias podem viver em 98% da água pesada. Concentrações acima de 50% são letais para organismos multicelulares, porém algumas exceções são conhecidas como switchgrass ( Panicum virgatum ) que é capaz de crescer em 50% de D 2 O; a planta Arabidopsis thaliana (70% de D 2 O); a planta Vesicularia dubyana (85% D 2 O); a planta Funaria hygrometrica (90% D 2 O); e as espécies anidrobióticas do nematóide Panagrolaimus superbus (quase 100% D 2 O). Um estudo abrangente de água pesada na levedura de fissão Schizosaccharomyces pombe mostrou que as células exibiam um metabolismo de glicose alterado e crescimento lento em altas concentrações de água pesada. Além disso, as células ativaram a via de resposta ao choque térmico e a via de integridade celular, e os mutantes na via de integridade celular exibiram maior tolerância à água pesada.

Efeito em animais

Experimentos com camundongos, ratos e cães mostraram que um grau de 25% de deuteração causa esterilidade (às vezes irreversível), porque nem gametas nem zigotos podem se desenvolver. Altas concentrações de água pesada (90%) matam rapidamente peixes , girinos , platelmintos e Drosophila . A única exceção conhecida é o nematóide anidrobiótico Panagrolaimus superbus , que é capaz de sobreviver e se reproduzir em 99,9% de D 2 O. Mamíferos (por exemplo, ratos ) que recebem água pesada para beber morrem após uma semana, no momento em que a água do corpo se aproxima cerca de 50% de deuteração. O modo de morte parece ser o mesmo que no envenenamento por citotóxicos (como a quimioterapia ) ou na síndrome da radiação aguda (embora o deutério não seja radioativo) e é devido à ação do deutério em geralmente inibir a divisão celular. É mais tóxico para as células malignas do que as células normais, mas as concentrações necessárias são muito altas para o uso regular. Como pode ocorrer na quimioterapia, os mamíferos envenenados por deutério morrem de falha da medula óssea (produzindo sangramento e infecções) e das funções de barreira intestinal (produzindo diarreia e perda de fluidos ).

Apesar dos problemas das plantas e animais em viver com muito deutério, organismos procarióticos como as bactérias, que não têm os problemas mitóticos induzidos pelo deutério, podem ser cultivados e propagados em condições totalmente deuteradas, resultando na substituição de todos os átomos de hidrogênio no proteínas bacterianas e DNA com o isótopo de deutério.

Em organismos superiores, a substituição completa com isótopos pesados ​​pode ser realizada com outros isótopos pesados ​​não radioativos (como carbono-13, nitrogênio-15 e oxigênio-18), mas isso não pode ser feito para o deutério. Isso é uma consequência da razão das massas nucleares entre os isótopos de hidrogênio, que é muito maior do que para qualquer outro elemento.

O óxido de deutério é usado para melhorar a terapia de captura de nêutrons de boro , mas esse efeito não depende dos efeitos biológicos ou químicos do deutério, mas sim da capacidade do deutério de moderar (reduzir a velocidade) nêutrons sem capturá-los.

Evidências experimentais recentes indicam que a administração sistêmica de óxido de deutério (30% de suplementação com água potável) suprime o crescimento do tumor em um modelo de camundongo padrão de melanoma humano , um efeito atribuído à indução seletiva de sinalização de estresse celular e expressão gênica em células tumorais.

Toxicidade em humanos

Porque seria necessária uma grande quantidade de água pesada para substituir 25% a 50% da água corporal de um ser humano (a água sendo, por sua vez, 50-75% do peso corporal) por água pesada, o envenenamento acidental ou intencional com água pesada é improvável ao ponto de desconsideração prática. O envenenamento exigiria que a vítima ingerisse grandes quantidades de água pesada sem uma ingestão normal significativa de água por muitos dias para produzir quaisquer efeitos tóxicos perceptíveis.

Doses orais de água pesada na faixa de vários gramas, bem como oxigênio pesado 18 O, são rotineiramente usadas em experimentos metabólicos humanos. (Ver teste de água duplamente rotulado .) Uma vez que um em cada 6.400 átomos de hidrogênio é deutério, um ser humano de 50 kg (110,23 lbs) contendo 32 kg (70,55 lbs) de água corporal normalmente conteria deutério suficiente (cerca de 1,1 g ou 0,04 onças) para fazer 5,5 g (0,19 onças) de água pura e pesada, então aproximadamente essa dose é necessária para dobrar a quantidade de deutério no corpo.

Uma perda de pressão arterial pode explicar parcialmente a incidência relatada de tontura após a ingestão de água pesada. No entanto, é mais provável que esse sintoma possa ser atribuído à função vestibular alterada .

Confusão de contaminação de radiação de água pesada

Embora muitas pessoas associem a água pesada principalmente ao seu uso em reatores nucleares, a água pesada pura não é radioativa. A água pesada de qualidade comercial é ligeiramente radioativa devido à presença de pequenos traços de trítio natural , mas o mesmo é verdadeiro para a água comum. A água pesada que tem sido usada como refrigerante em usinas nucleares contém substancialmente mais trítio como resultado do bombardeio de nêutrons do deutério na água pesada (o trítio é um risco à saúde quando ingerido em grandes quantidades).

Em 1990, um funcionário insatisfeito da Estação de Geração Nuclear de Point Lepreau, no Canadá, obteve uma amostra (estimada em cerca de "meia xícara") de água pesada do circuito primário de transporte de calor do reator nuclear e carregou-a em um distribuidor de bebidas de lanchonete . Oito funcionários beberam um pouco da água contaminada. O incidente foi descoberto quando os funcionários começaram a deixar amostras de urina do bioensaio com níveis elevados de trítio . A quantidade de água pesada envolvida estava muito abaixo dos níveis que poderiam induzir à toxicidade da água pesada, mas vários funcionários receberam altas doses de radiação de trítio e produtos químicos ativados por nêutrons na água. Este não foi um incidente de envenenamento por água pesada, mas sim um envenenamento por radiação de outros isótopos na água pesada.

Alguns serviços de notícias não tiveram o cuidado de distinguir esses pontos, e parte do público ficou com a impressão de que a água pesada é normalmente radioativa e mais gravemente tóxica do que realmente é. Mesmo se água pura e pesada tivesse sido usada no refrigerador de água indefinidamente, não é provável que o incidente fosse detectado ou causado danos, uma vez que nenhum funcionário deveria obter muito mais do que 25% de sua água potável diária de tal fonte .

Produção

Na Terra , a água deuterada, HDO , ocorre naturalmente na água normal em uma proporção de cerca de 1 molécula em 3.200. Isso significa que 1 em 6.400 átomos de hidrogênio é deutério, que é 1 parte em 3.200 em peso (peso de hidrogênio). O HDO pode ser separado da água normal por destilação ou eletrólise e também por vários processos de troca química, todos os quais exploram um efeito isotópico cinético . Com o enriquecimento parcial ocorrendo também em corpos d'água naturais sob condições particulares de evaporação. (Para obter mais informações sobre a distribuição isotópica de deutério na água, consulte Vienna Standard Mean Ocean Water .) Em teoria, o deutério para água pesada poderia ser criado em um reator nuclear, mas a separação da água comum é o processo de produção em massa mais barato.

A diferença de massa entre os dois isótopos de hidrogênio se traduz em uma diferença na energia do ponto zero e, portanto, em uma ligeira diferença na velocidade da reação. Uma vez que o HDO se torna uma fração significativa da água, a água pesada se torna mais prevalente, pois as moléculas de água trocam átomos de hidrogênio com muita frequência. A produção de água pura pura por destilação ou eletrólise requer uma grande cascata de destilarias ou câmaras de eletrólise e consome grandes quantidades de energia, então os métodos químicos são geralmente preferidos.

O processo mais econômico para a produção de água pesada é o processo de sulfeto de troca dupla de temperatura (conhecido como processo de sulfeto de Girdler ) desenvolvido em paralelo por Karl-Hermann Geib e Jerome S. Spevack em 1943.

Um processo alternativo, patenteado por Graham M. Keyser, usa lasers para dissociar seletivamente hidrofluorocarbonos deuterados para formar fluoreto de deutério , que pode então ser separado por meios físicos. Embora o consumo de energia para esse processo seja muito menor do que para o processo de sulfeto de Girdler, esse método atualmente não é econômico devido ao custo de aquisição dos hidrofluorocarbonos necessários.

Conforme observado, a água pesada comercial moderna é quase universalmente referida e vendida como óxido de deutério . É mais frequentemente vendido em vários graus de pureza, de 98% de enriquecimento a 99,75-99,98% de enriquecimento de deutério (grau de reator nuclear) e, ocasionalmente, pureza isotópica ainda mais alta.

Argentina

A Argentina é o principal produtor de água pesada, usando uma planta baseada na troca de amônia / hidrogênio fornecida pela empresa Sulzer da Suíça . É também um grande exportador para Canadá, Alemanha, Estados Unidos e outros países. A instalação de produção de água pesada localizada em Arroyito é a maior instalação de produção de água pesada do mundo. A Argentina produz 200 toneladas curtas (180 toneladas) de água pesada por ano usando o método de troca isotópica monotérmica de amônia-hidrogênio .

União Soviética

Em outubro de 1939, os físicos soviéticos Yakov Borisovich Zel'dovich e Yulii Borisovich Khariton concluíram que a água pesada e o carbono eram os únicos moderadores viáveis ​​para um reator de urânio natural e, em agosto de 1940, junto com Georgy Flyorov , apresentou um plano à Academia Russa de Ciências calculam que 15 toneladas de água pesada seriam necessárias para um reator. Como a União Soviética não tinha minas de urânio na época, jovens trabalhadores da Academia foram enviados a lojas fotográficas de Leningrado para comprar nitrato de urânio, mas todo o projeto de água pesada foi interrompido em 1941 quando as forças alemãs invadiram durante a Operação Barbarossa .

Em 1943, os cientistas soviéticos descobriram que toda a literatura científica relacionada à água pesada havia desaparecido do Ocidente, o que Flyorov em uma carta alertou o líder soviético Joseph Stalin , e nessa época havia apenas 2–3 kg de água pesada em todo o país. No final de 1943, a comissão de compras soviética nos Estados Unidos obteve 1 kg de água pesada e mais 100 kg em fevereiro de 1945 e, com o fim da Segunda Guerra Mundial , o NKVD assumiu o projeto.

Em outubro de 1946, como parte dos Alsos russos , o NKVD deportou da Alemanha para a União Soviética os cientistas alemães que haviam trabalhado na produção de água pesada durante a guerra, incluindo Karl-Hermann Geib , o inventor do processo de sulfeto Girdler . Esses cientistas alemães trabalharam sob a supervisão do físico-químico alemão Max Volmer no Instituto de Físico-Química de Moscou com a planta que construíram produzindo grandes quantidades de água pesada em 1948.

Estados Unidos

Durante o Projeto Manhattan, os Estados Unidos construíram três usinas de produção de água pesada como parte do Projeto P-9 em Morgantown Ordnance Works, perto de Morgantown, West Virginia ; nas Obras de Artilharia do Rio Wabash, perto de Dana e Newport, Indiana ; e na Fábrica de Artilharia do Alabama, perto de Childersburg e Sylacauga, Alabama . Água pesada também foi adquirida da fábrica da Cominco em Trail, British Columbia , Canadá. O reator experimental Chicago Pile-3 usava água pesada como moderador e tornou-se crítico em 1944. As três fábricas de produção doméstica foram fechadas em 1945 após produzirem cerca de 20 toneladas métricas (20.000 litros) do produto. A planta de Wabash retomou a produção de água pesada em 1952.

Em 1953, os Estados Unidos começaram a usar água pesada em reatores de produção de plutônio em Savannah River Site . O primeiro dos cinco reatores de água pesada entrou em operação em 1953, e o último foi colocado em paralisação fria em 1996. Os reatores SRS eram reatores de água pesada para que pudessem produzir tanto plutônio quanto trítio para o programa de armas nucleares dos Estados Unidos.

Os EUA desenvolveram o processo de produção de troca química de sulfeto Girdler - que foi demonstrado pela primeira vez em grande escala na fábrica de Dana, Indiana em 1945 e na fábrica de Savannah River, Carolina do Sul em 1952. A DuPont operou o SRP para o USDOE até 1º de abril de 1989 , quando Westinghouse assumiu.

Índia

A Índia é um dos maiores produtores mundiais de água pesada por meio de seu Conselho de Água Pesada e também exporta para países como a República da Coréia e os Estados Unidos. O desenvolvimento do processo de água pesada na Índia aconteceu em três fases: a primeira fase (final dos anos 1950 a meados dos anos 1980) foi um período de desenvolvimento de tecnologia, a segunda fase foi de implantação da tecnologia e estabilização do processo (meados dos anos 1980 ao início dos anos 1990) e a terceira fase viu a consolidação e uma mudança em direção à melhoria na produção e conservação de energia.

Império do Japão

Na década de 1930, os Estados Unidos e a União Soviética suspeitaram que o químico austríaco Fritz Johann Hansgirg construiu uma planta-piloto para o Império do Japão no Japão que governava o norte da Coreia para produzir água pesada usando um novo processo que ele havia inventado.

Noruega

"Água pesada" feita por Norsk Hydro

Em 1934, a Norsk Hydro construiu a primeira usina comercial de água pesada em Vemork , Tinn , produzindo 4 kg (8,8 lb) por dia. A partir de 1940 e durante a Segunda Guerra Mundial , a usina estava sob controle alemão e os Aliados decidiram destruir a usina e suas águas pesadas para inibir o desenvolvimento alemão de armas nucleares. No final de 1942, um ataque planejado chamado Operação Freshman por tropas aerotransportadas britânicas falhou, os dois planadores caíram. Os invasores foram mortos no acidente ou posteriormente executados pelos alemães.

Na noite de 27 de fevereiro de 1943, a Operação Gunnerside foi bem-sucedida. Comandos noruegueses e a resistência local conseguiram demolir pequenas, mas importantes partes das células eletrolíticas, despejando a água pesada acumulada nos ralos da fábrica.

Em 16 de novembro de 1943, as forças aéreas aliadas lançaram mais de 400 bombas no local. O ataque aéreo aliado levou o governo nazista a mover toda a água pesada disponível para a Alemanha para proteção. Em 20 de fevereiro de 1944, um guerrilheiro norueguês afundou a balsa M / F  Hydro transportando água pesada através do Lago Tinn , ao custo de 14 vidas de civis noruegueses, e a maior parte da água pesada foi presumivelmente perdida. Alguns dos barris estavam apenas meio cheios e, portanto, podiam flutuar e podem ter sido recuperados e transportados para a Alemanha.

Uma investigação recente dos registros de produção na Norsk Hydro e a análise de um barril intacto que foi recuperado em 2004 revelou que, embora os barris nesta remessa contivessem água de pH  14 - indicativo do processo de refinamento eletrolítico alcalino - eles não continham altas concentrações de D 2 O. Apesar do tamanho aparente da remessa, a quantidade total de água pesada pura era muito pequena, a maioria dos barris contendo apenas 0,5-1% de água pesada pura. Os alemães precisariam de um total de cerca de 5 toneladas de água pesada para colocar um reator nuclear em funcionamento. O manifesto indicava claramente que havia apenas meia tonelada de água pesada sendo transportada para a Alemanha. Hydro carregava muito pouca água pesada para um reator, quanto mais as 10 ou mais toneladas necessárias para produzir plutônio suficiente para uma arma nuclear.

Israel admitiu operar o reator Dimona com água pesada norueguesa vendida em 1959. Por meio da reexportação usando a Romênia e a Alemanha, a Índia provavelmente também usou água pesada norueguesa.

Canadá

Como parte de sua contribuição para o Projeto Manhattan , o Canadá construiu e operou uma planta eletrolítica de água pesada de 1.000 libras (450 kg) a 1.200 libras (540 kg) por mês (capacidade projetada) em Trail, British Columbia , que começou a operar em 1943.

O projeto do reator de energia Atomic Energy of Canada Limited (AECL) requer grandes quantidades de água pesada para atuar como um moderador de nêutrons e refrigerante. A AECL encomendou duas usinas de água pesada, que foram construídas e operadas no Canadá Atlântico em Glace Bay , Nova Scotia (pela Deuterium of Canada Limited) e Port Hawkesbury , Nova Scotia (pela General Electric Canada). Essas fábricas provaram ter problemas significativos de design, construção e produção. Consequentemente, a AECL construiu a Usina de Água Pesada de Bruce ( 44,1854 ° N 81,3618 ° W ), que mais tarde foi vendida para a Ontario Hydro , para garantir um fornecimento confiável de água pesada para futuras usinas. As duas fábricas da Nova Escócia foram fechadas em 1985, quando sua produção se revelou desnecessária. 44 ° 11′07 ″ N 81 ° 21′42 ″ W /  / 44,1854; -81,3618 ( Bruce Heavy Water Plant )

A Bruce Heavy Water Plant (BHWP) em Ontário foi a maior planta de produção de água pesada do mundo, com uma capacidade de 1.600 toneladas por ano em seu pico (800 toneladas por ano por planta cheia, duas plantas totalmente operacionais em seu pico). Usou o processo de sulfeto Girdler para produzir água pesada e exigiu 340.000 toneladas de água de alimentação para produzir uma tonelada de água pesada. Fazia parte de um complexo que incluía oito reatores CANDU , que forneciam calor e energia para a usina de água pesada. O local estava localizado na Estação Geradora Nuclear Douglas Point / Bruce perto de Tiverton, Ontário, no Lago Huron, onde tinha acesso às águas dos Grandes Lagos .

A AECL emitiu o contrato de construção em 1969 para a primeira unidade BHWP (BHWP A). O comissionamento do BHWP A foi feito pela Ontario Hydro de 1971 a 1973, com a planta entrando em operação em 28 de junho de 1973 e a capacidade de produção projetada sendo alcançada em abril de 1974. Devido ao sucesso do BHWP A e à grande quantidade de água pesada que Para o grande número de projetos de construção de usinas nucleares CANDU planejados, a Ontario Hydro comissionou três usinas de produção de água pesada adicionais para o local de Bruce (BHWP B, C e D). O BHWP B foi colocado em serviço em 1979. Essas duas primeiras plantas foram significativamente mais eficientes do que o planejado, e o número de projetos de construção CANDU acabou sendo significativamente menor do que o originalmente planejado, o que levou ao cancelamento da construção da BHWP C&D. 1984 BHWP A foi encerrado. Em 1993, a Ontario Hydro produziu água pesada suficiente para atender a todas as suas necessidades domésticas previstas (que eram menores do que o esperado devido à maior eficiência no uso e reciclagem de água pesada), então eles desligaram e demoliram metade da capacidade do BHWP B A capacidade remanescente continuou a operar para atender a demanda de exportação de água pesada até o seu desligamento definitivo em 1997, após o que a planta foi gradualmente desmontada e o local foi limpo.

A AECL está atualmente pesquisando outros processos mais eficientes e ambientalmente benignos para a criação de água pesada. Isso é relevante para os reatores CANDU, uma vez que a água pesada representou cerca de 15-20% do custo de capital total de cada planta CANDU nas décadas de 1970 e 1980.

Irã

Desde 1996, uma planta para produção de água pesada estava sendo construída em Khondab, perto de Arak . Em 26 de agosto de 2006, o presidente iraniano Ahmadinejad inaugurou a expansão da usina de água pesada do país. O Irã indicou que a instalação de produção de água pesada operará em conjunto com um reator de pesquisa de 40 MW que tinha uma data de conclusão programada em 2009.

O Irã produziu solventes deuterados no início de 2011 pela primeira vez.

O núcleo do IR-40 deve ser redesenhado com base no acordo nuclear de julho de 2015.

O Irã tem permissão para armazenar apenas 130 toneladas métricas (140 toneladas curtas ) de água pesada. O Irã exporta o excesso de produção depois de exceder sua cota, tornando o Irã o terceiro maior exportador mundial de água pesada.

Paquistão

A 50 MW th água pesada e reator de pesquisa de urânio natural em Khushab, na província de Punjab, é um elemento central do programa do Paquistão para a produção de plutónio, deutério e trítio para ogivas compactas avançadas (ie termonucleares armas ). O Paquistão conseguiu adquirir uma planta de purificação e armazenamento de trítio e materiais precursores de deutério e trítio de duas empresas alemãs.

Outros países

A Romênia costumava produzir água pesada na agora desativada fábrica de sulfeto de Drobeta Girdler para fins domésticos e de exportação.

A França operou uma pequena fábrica durante as décadas de 1950 e 1960.

Água pesada existe em concentração elevada no hipolimnião do Lago Tanganica, na África Oriental . É provável que concentrações elevadas semelhantes existam em lagos com limnologia semelhante , mas este é apenas 4% de enriquecimento (24 vs 28) e as águas superficiais são geralmente enriquecidas em D
2
O
por evaporação em uma extensão ainda maior por H mais rápido
2
O
evaporação.

Formulários

Ressonância magnética nuclear

O óxido de deutério é usado em espectroscopia de ressonância magnética nuclear quando se usa água como solvente se o nuclídeo de interesse for hidrogênio. Isso ocorre porque o sinal das moléculas de solvente de água leve ( 1 H 2 O) interfere no sinal da molécula de interesse nela dissolvida. O deutério tem um momento magnético diferente e, portanto, não contribui para o sinal de 1 H-NMR na frequência de ressonância do hidrogênio-1.

Para alguns experimentos, pode ser desejável identificar os hidrogênios lábeis em um composto, ou seja, os hidrogênios que podem ser facilmente trocados como íons H + em algumas posições em uma molécula. Com a adição de D 2 O, às vezes referido como um shake D 2 O , hidrogênios lábeis são trocados e substituídos por átomos de deutério ( 2 H). Estas posições na molécula não aparecem no espectro de 1 H-NMR.

Química orgânica

O óxido de deutério é freqüentemente usado como fonte de deutério para a preparação de isotopólogos especificamente marcados de compostos orgânicos. Por exemplo, ligações CH adjacentes a grupos carbonil cetônicos podem ser substituídas por ligações CD, usando catálise ácida ou básica. Iodeto de trimetilsulfoxônio , feito de dimetilsulfóxido e iodeto de metila pode ser recristalizado de óxido de deutério e então dissociado para regenerar iodeto de metila e dimetilsulfóxido, ambos marcados com deutério. Nos casos em que a dupla marcação específica por deutério e trítio é contemplada, o pesquisador deve estar ciente de que o óxido de deutério, dependendo da idade e origem, pode conter algum trítio.

Espectroscopia infravermelha

O óxido de deutério é freqüentemente usado em vez de água ao coletar espectros FTIR de proteínas em solução. H 2 O cria uma banda forte que a sobreposição com a amida região I de proteínas. A banda de D 2 O é deslocada para longe da região da amida I.

Moderador de nêutrons

A água pesada é usada em certos tipos de reatores nucleares , onde atua como um moderador de nêutrons para desacelerar os nêutrons de modo que eles sejam mais propensos a reagir com o urânio-235 físsil do que com o urânio-238 , que captura nêutrons sem fissão. O reator CANDU usa este projeto. A água leve também atua como um moderador, mas como a água leve absorve mais nêutrons do que a água pesada, os reatores que usam água leve como moderador devem usar urânio enriquecido em vez de urânio natural, caso contrário, a criticidade é impossível. Uma fração significativa de reatores de potência desatualizados, como os reatores RBMK na URSS, foi construída usando água normal para resfriamento, mas grafite como moderador . No entanto, o perigo do grafite nos reatores de energia (os incêndios de grafite levaram em parte ao desastre de Chernobyl ) levou à descontinuação do grafite nos projetos de reatores padrão.

Por não exigirem o enriquecimento de urânio , os reatores de água pesada são mais preocupantes no que diz respeito à proliferação nuclear . A criação e extração de plutônio pode ser uma rota relativamente rápida e barata para a construção de uma arma nuclear , pois a separação química do plutônio do combustível é mais fácil do que a separação isotópica do U-235 do urânio natural. Entre os Estados com armas nucleares atuais e anteriores , Israel, Índia e Coréia do Norte usaram primeiro o plutônio de reatores moderados de água pesada queimando urânio natural , enquanto a China, a África do Sul e o Paquistão construíram armas usando urânio altamente enriquecido .

Nos Estados Unidos, no entanto, o primeiro reator atômico experimental (1942), bem como os reatores de produção do Manhattan Project Hanford que produziram o plutônio para o teste Trinity e bombas Fat Man , todos usaram moderadores de nêutrons de carbono puro (grafite) combinados com água normal tubos de refrigeração. Eles funcionaram sem urânio enriquecido nem com água pesada. A produção de plutônio da Rússia e da Grã-Bretanha também usou reatores moderados com grafite.

Não há evidências de que reatores civis de energia de água pesada - como os projetos CANDU ou Atucha - tenham sido usados ​​para produzir materiais físseis militares. Em nações que ainda não possuem armas nucleares, o material nuclear nessas instalações está sob as salvaguardas da AIEA para desencorajar qualquer desvio.

Devido ao seu potencial para uso em programas de armas nucleares , a posse ou importação / exportação de grandes quantidades industriais de água pesada está sujeita ao controle governamental em vários países. Fornecedores de água pesada e tecnologia de produção de água pesada normalmente aplicam salvaguardas administradas pela IAEA (Agência Internacional de Energia Atômica) e contabilidade de material para água pesada. (Na Austrália, o Não-Proliferação Nuclear (salvaguardas) Act 1987 ). Nos EUA e Canadá, quantidades não industriais de água pesada (isto é, na grama de gama kg) estão rotineiramente disponíveis sem licença especial através de distribuidores de fornecimento de químicos e empresas comerciais, como o antigo grande produtor mundial Ontario Hydro .

Detector de neutrino

O Sudbury Neutrino Observatory (SNO) em Sudbury , Ontário , usa 1.000 toneladas de água pesada emprestada da Atomic Energy of Canada Limited . O detector de neutrino está a 6.800 pés (2.100 m) de profundidade em uma mina, para protegê-lo dos múons produzidos por raios cósmicos . SNO foi construído para responder à questão de saber se neutrinos do tipo elétron produzidos por fusão no Sol (o único tipo que o Sol deveria estar produzindo diretamente, de acordo com a teoria) podem ser capazes de se transformar em outros tipos de neutrinos no caminho para Terra. SNO detecta a radiação Cherenkov na água de elétrons de alta energia produzidos a partir de neutrinos do tipo elétron à medida que eles sofrem interações de corrente carregada (CC) com nêutrons em deutério , transformando-os em prótons e elétrons (no entanto, apenas os elétrons são rápidos o suficiente para produzir Radiação Cherenkov para detecção).

O SNO também detecta eventos de espalhamento de elétrons de neutrino (ES), onde o neutrino transfere energia para o elétron, que então passa a gerar radiação Cherenkov distinguível daquela produzida por eventos CC. A primeira dessas duas reações é produzida apenas por neutrinos do tipo elétron, enquanto a segunda pode ser causada por todos os sabores de neutrino. O uso de deutério é crítico para a função SNO, porque todos os três "sabores" (tipos) de neutrinos podem ser detectados em um terceiro tipo de reação, desintegração de neutrino, na qual um neutrino de qualquer tipo (elétron, múon, ou tau) dispersa a partir de um núcleo de deutério ( deutério ), a transferência de energia suficiente para quebrar o deutério fracamente ligada numa livre de neutrões e de protões através de uma interacção corrente de neutro (NC).

Este evento é detectado quando o nêutron livre é absorvido pelo 35 Cl - presente do NaCl deliberadamente dissolvido na água pesada, causando a emissão de raios gama característicos de captura. Assim, neste experimento, a água pesada não apenas fornece o meio transparente necessário para produzir e visualizar a radiação Cherenkov, mas também fornece deutério para detectar neutrinos exóticos do tipo mu (μ) e tau (τ), bem como um moderador não absorvente meio para preservar nêutrons livres dessa reação, até que possam ser absorvidos por um isótopo ativado por nêutron facilmente detectável.

Teste de taxa metabólica em fisiologia e biologia

Água pesada é empregada como parte de uma mistura com H 2 18 O para um teste comum e seguro da taxa metabólica média em humanos e animais em suas atividades normais.

Produção de trítio

O trítio é a substância ativa na iluminação com alimentação própria e na fusão nuclear controlada, seus outros usos incluem a autorradiografia e a marcação radioativa . Também é usado no projeto de armas nucleares para armas de fissão reforçada e iniciadores . Algum trítio é criado em reatores moderados de água pesada quando o deutério captura um nêutron. Esta reação tem uma seção transversal pequena (probabilidade de um único evento de captura de nêutrons) e produz apenas pequenas quantidades de trítio, embora o suficiente para justificar a limpeza do trítio do moderador a cada poucos anos para reduzir o risco ambiental de escape de trítio.

Produzir muito trítio desta forma exigiria reatores com fluxos de nêutrons muito altos, ou com uma proporção muito alta de água pesada para combustível nuclear e absorção de nêutrons muito baixa por outro material de reator. O trítio teria então que ser recuperado por separação de isótopos de uma quantidade muito maior de deutério, ao contrário da produção de lítio-6 (o presente método), onde apenas a separação química é necessária.

Secção transversal de absorção de deutério para neutrões térmicos é 0,52 mili celeiros (5,2 x 10 -32 m 2 ; 1 barn = 10 -28 m 2 ), enquanto aqueles de oxigénio-16 e oxigénio-17 são de 0,19 e 0,24 milibarns, respectivamente. 17 O compõe 0,038% do oxigênio natural , fazendo com que a seção transversal geral seja 0,28 milibar. Portanto, em D 2 O com oxigênio natural, 21% das capturas de nêutrons são em oxigênio, aumentando mais à medida que 17 O se acumula na captura de nêutrons em 16 O. Além disso, 17 O pode emitir uma partícula alfa na captura de nêutrons, produzindo carbono radioativo. 14 .

Veja também

Referências

links externos