Ciężka woda - Polski Serwis Naukowy

Ciężka woda, HDO lub D2O – woda, w której znaczącą część atomów wodoru stanowi izotop H, czyli deuter, którego jądro zbudowane jest z protonu i neutronu (podczas gdy jądro protu (H) w zwykłej wodzie zawiera jedynie proton). Zazwyczaj jako "ciężką wodę" traktuje się D2O, jednak nazwa ta dotyczy także związku, w którym jedynie jeden prot zastąpiony jest deuterem (HDO).

ppm (ang. parts per million) - to przyjęty na świecie sposób wyrażania stężenia bardzo rozcieńczonych roztworów związków chemicznych. Stężenie to jest pochodną ułamka molowego i określa ile cząsteczek związku chemicznego przypada na 1 milion cząsteczek roztworu.

Niemcy (Republika Federalna Niemiec, RFN; do traktatu pomiędzy RFN a Polską Rzecząpospolitą Ludową (1970) w Polsce stosowana była oficjalnie nazwa Niemiecka Republika Federalna, NRF; niem.: Deutschland lub Bundesrepublik Deutschland, BRD) – państwo federacyjne położone w Europie, będące członkiem Unii Europejskiej (UE), Unii Zachodnioeuropejskiej (UZE), G8, ONZ oraz NATO. Stolicą Niemiec jest Berlin (przed połączeniem z NRD – Bonn, obecnie noszące tytuł miasta federalnego). Językiem oficjalnym jest język niemiecki.

W "normalnej" wodzie występuje naturalnie ok. 115 ppm wody "ciężkiej" czyli tlenku deuteru. Harold Clayton Urey (USA), opublikował w 1931 technikę umożliwiającą oddzielenie tlenku deuteru od tlenku "zwykłego" wodoru, polegającą na wieloetapowym odwirowywaniu wody.

Inną metodą oddzielenia "ciężkiej wody" jest powolna elektroliza. Wykorzystuje się tu fakt, że deuter nie bierze w niej udziału. Podczas tego procesu wodór i tlen uchodzą z elektrod, natomiast tlenek deuteru pozostaje w naczyniu. Z elektrolizy 100 000 litrów wody uzyskuje się około 1 litr "ciężkiej wody", co sprawia, że jej otrzymanie jest kosztowne.

Elektroliza — w chemii i fizyce - ogólna nazwa na wszelkie zmiany struktury chemicznej substancji, zachodzące pod wpływem przyłożonego do niej zewnętrznego Elektrolizie towarzyszyć może (choć nie musi) szereg dodatkowych zjawisk, takich jak dysocjacja elektrolityczna, transport jonów do elektrod, wtórne przemiany jonów na elektrodach i inne. W sensie technologicznym przez elektrolizę rozumie się wszystkie te procesy łącznie.

Biegunka (łac. diarrhoea; również rozwolnienie) to objaw kliniczny polegający na znacznym zwiększeniu liczby wypróżnień w ciągu doby, lub zmianą konsystencji stolca na płynną lub półpłynną. Biegunką określa się również stan, gdy nawet jednorazowo w stolcu pojawia się treść patologiczna, taka jak śluz, ropa lub krew. Biegunce towarzyszy wzmożona perystaltyka jelit i często kurczowe bóle brzucha. Stan chorobowy trwający do 10 dni określany jest jako biegunka ostra, natomiast utrzymywanie się objawów chorobowych ponad 10 dni nosi nazwę biegunki przewlekłej. W krajach Trzeciego Świata biegunka jest główną przyczyną śmierci niemowląt, zabijając ponad 1,5 miliona dzieci rocznie.

Cząsteczki ciężkiej wody mają masę cząsteczkową większą o 2 g/mol od "zwykłej wody", co powoduje nieco większą gęstość ciężkiej wody w stosunku do wody "zwykłej". Dzięki temu można oddzielać wodę ciężką od "zwykłej" przez wirowanie. Współcześnie ciężką wodę uzyskuje się głównie za pomocą rozdziału tlenku deuteru od tlenku wodoru na kolumnach sorpcyjnych, wykorzystujących różnice w trwałości wiązań wodorowych tworzonych przez tlenek wodoru i tlenek deuteru z wypełnieniem tych kolumn.

Stany Zjednoczone, Stany Zjednoczone Ameryki (ang.: United States, United States of America, US, USA) – państwo w Ameryce Północnej graniczące z Kanadą od północy, Meksykiem od południa, Oceanem Spokojnym od zachodu, Oceanem Arktycznym od północnego zachodu, Oceanem Atlantyckim od wschodu.

Wiązanie chemiczne według klasycznej definicji to każde trwałe połączenie dwóch atomów. Wiązania chemiczne powstają na skutek uwspólnienia dwóch lub więcej elektronów pochodzących bądź z jednego, bądź z obu łączących się atomów lub przeskoku jednego lub więcej elektronów z jednego atomu na atom i utworzenia w wyniku tego tzw. pary jonowej.

Własności chemiczne wody ciężkiej są niemal takie same jak zwykłej wody, z wyjątkiem jej zdolności do tworzenia wiązań wodorowych (tworzy silniejsze wiązania) i polaryzacji wiązań tlen-wodór(deuter), co skutkuje m.in. nieco wyższym pH. Woda ciężka znacząco różni się natomiast od zwykłej wody pod względem fizycznym. Ma o kilka stopni wyższą temperaturę wszystkich przemian fazowych, większą gęstość, inny moment dipolowy, inne przewodnictwo elektryczne i pojemność cieplną.

Pojemność cieplna (oznaczana jako C, często z indeksami) – wielkość fizyczna, która charakteryzuje ilość ciepła, jaka jest niezbędna do zmiany temperatury ciała o jednostkę temperatury.

Izotopy – odmiany pierwiastka chemicznego różniące się liczbą neutronów w jądrze atomu (z definicji atomy tego samego pierwiastka mają tę samą liczbę protonów w jądrze). Izotopy tego samego pierwiastka różnią się liczbą masową (łączną liczbą neutronów i protonów w jądrze), ale mają tę samą liczbę atomową (liczbę protonów w jądrze).

Ciężka woda stosowana współcześnie w przemyśle zawiera zwykle od 95 do 99% tlenku deuteru w stosunku do tlenku wodoru. Jest ona stosowana jako moderator w reaktorach atomowych, gdyż ma ona zdolność do spowalniania neutronów prędkich. Zwykła woda też ma taką zdolność, ale – w przeciwieństwie do wody ciężkiej – pochłania wszystkie neutrony, niezależnie od ich prędkości. Oprócz tego woda deuterowana jest stosowana w chemii, jako jeden z rozpuszczalników stosowanych w analitycznej technice NMR oraz tanie źródło deuteru, przy badaniu mechanizmów reakcji, poprzez znakowanie izotopowe i obserwację tzw. efektu izotopowego.

Wodór (H, łac. hydrogenium) – pierwiastek chemiczny, niemetal z bloku s układu okresowego. Jest to najprostszy możliwy pierwiastek o liczbie atomowej 1, składający się z jednego protonu i jednego elektronu.

Wrzeciono podziałowe - właściwie: wrzeciono kariokinetyczne - to wrzecionowata struktura zbudowana z włókien białka (tzw. mikrotubul). Włókna te są kurczliwe i zawierają niewielkie ilości RNA. Wrzeciono kariokinetyczne odgrywa ważną rolę w procesie "wędrówki" chromosomów do przeciwległych biegunów komórki.

Kanada jest największym na świecie producentem ciężkiej wody, która jest wykorzystywana jako moderator w reaktorach atomowych typu CANDU.

Ze względu na przydatność ciężkiej wody w programach produkcji broni atomowej w niektórych krajach (np. Australii) obrót tym związkiem podlega prawnej kontroli.

Ciężka woda była źródłem niepokoju podczas II wojny światowej. Alianci podejrzewali, że przy jej wykorzystaniu Niemcy prowadzili eksperymenty mające na celu zbudowanie bomby atomowej. Aby temu zapobiec, w 1942 roku Brytyjczycy wysłali jednostki specjalne aby zniszczyły fabrykę izotopu Vemork w Norwegii, w miejscowości Rjukan. Fabryka została poważnie uszkodzona na początku 1943 r. w wyniku akcji norweskich komandosów. Mimo że została szybko odbudowana, to jednak w wyniku amerykańskiego nalotu Niemcy podjęli decyzję o przeniesieniu zasobu ciężkiej wody do Niemiec. Nie udało się im jednak przetransportować tych zapasów – na początku 1944 r. bojownicy norweskiego ruchu oporu zatopili prom przewożący do Niemiec ewakuowane z fabryki zapasy ciężkiej wody.

II wojna światowa – największy konflikt zbrojny w historii świata, trwający od 1 września 1939 do 2 września 1945 (w Europie do 8 maja 1945), obejmujący zasięgiem działań wojennych prawie całą Europę, wschodnią i południowo-wschodnią Azję, północną Afrykę, część Bliskiego Wschodu i wszystkie oceany. Niektóre epizody wojny rozgrywały się nawet w Arktyce i Ameryce Północnej. Poza większością państw europejskich i ich koloniami, brały w niej udział państwa Ameryki Północnej i Ameryki Południowej oraz Azji. Głównymi stronami konfliktu były państwa osi i państwa koalicji antyhitlerowskiej (alianci).

Australia (Związek Australijski, Commonwealth of Australia) – kraj położony na półkuli południowej, obejmujący najmniejszy kontynent świata, wyspę Tasmanię i inne znacznie mniejsze wyspy na Oceanie Indyjskim i Spokojnym. Australia na powierzchni nie sąsiaduje z żadnym krajem, natomiast poprzez morza krajami sąsiadującymi z Australią na północy są: Indonezja, Timor Wschodni i Papua-Nowa Gwinea; na północnym wschodzie: Wyspy Salomona, Vanuatu oraz Nowa Kaledonia; na południowym wschodzie: Nowa Zelandia. Australia jest jedynym państwem, które jest również kontynentem.

Osobny artykuł: Bitwa o ciężką wodę.

Wpływ wody ciężkiej na żywe organizmy

Z fizykochemicznego punktu widzenia woda ciężka niewiele różni się od wody "zwykłej". Te niewielkie różnice są jednak istotne dla żywych organizmów. W biopolimerach takich jak białka czy kwasy nukleinowe, deuterowanie (czyli wymiana izotopowa wodoru na deuter) powoduje nieznaczny spadek energii wiązań wodorowych. Jest to znany w przyrodzie efekt Ubbelohde'a.

Elektroda - końcowy element niektórych układów lub urządzeń elektrycznych, przewodnik elektryczny wysyłający ładunek elektryczny lub przyjmujący go z otoczenia, albo kształtujący pole elektrostatyczne w swoim otoczeniu.

Spektroskopia NMR, Spektroskopia Magnetycznego Rezonansu Jądrowego ( – jedna z najczęściej stosowanych obecnie technik spektroskopowych w chemii i medycynie.

Różnica w aktywności wodoru i deuteru w żywych organizmach ma swoje źródło w efektach dynamicznych oddziaływań kooperatywnych, które prowadzą do występowania efektów samoorganizacji izotopowej w układach wiązań wodorowych. Samoorganizacja H/D prowadzi do tego, że deuter niechętnie „wchodzi” np. do DNA organizmów żywych.

Proton, p <(gr.) πρῶτον – "pierwsze" (l.poj., rodz. nijaki)> - trwała cząstka elementarna z grupy barionów o ładunku +1 i masie spoczynkowej równej ok. 1 u. Protony są głównym składnikiem pierwotnego promieniowania kosmicznego. Protony wraz z neutronami (→ nukleony) tworzą jądra atomowe pierwiastków chemicznych. Liczba protonów w jądrze danego atomu jest równa jego liczbie atomowej, która z kolei jest podstawą uporządkowania atomów w układzie okresowym pierwiastków.

Polaryzacja wiązań chemicznych – zjawisko nierównomiernego rozkładu cząstkowego ładunku elektrycznego na atomach połączonych wiązaniem chemicznym.

W czasie umieszczenia żywej komórki w środowisku ciężkiej wody, aparat mitotyczny, a dokładniej wrzeciono eukariotyczne, które zbudowane jest z DNA, tworzą się wiązania typu D-D o mniejszej sile niż H-H, stąd dochodzi do rozrywania tych wiązań i zmniejszenia efektywności replikacji DNA.

Ryby, ryby właściwe (Pisces) – tradycyjna nazwa zmiennocieplnych kręgowców wodnych oddychających skrzelami, posiadających szczęki i poruszających się za pomocą płetw. Niezwykle zróżnicowane pod względem budowy zewnętrznej i wewnętrznej, ubarwienia oraz przystosowania do warunków środowiska. Stanowią najliczniejszą grupę współcześnie żyjących kręgowców (ponad połowę). Na świecie znanych jest ponad 30 tys. współcześnie żyjących, naukowo opisanych gatunków. Ryby są najstarszymi kręgowcami świata, pojawiły się około 480 mln lat temu. W Polsce występuje około 120 gatunków.

Moderator w reaktorze jądrowym substancja służąca do zmniejszenia energii kinetycznej (prędkości) neutronów, aż do osiągnięcia przez nie stanu tzw. neutronów termicznych. Powolne neutrony znacznie wydajniej powodują rozszczepienie jąder w materiale paliwa jądrowego.

Powoduje to też, że ciężka woda jest słabo toksyczna.

Wpływ na zwierzęta

Eksperymenty na myszach, szczurach i psach pokazały, że zawartość 25% deuteru powoduje (czasem nieodwracalną) bezpłodność, ponieważ gamety i zygoty nie mogą się rozwijać. Wysokie koncentracje ciężkiej wody (90%) gwałtownie zabijają ryby, kijanki, płazińce i muszki owocowe. Ssaki, np. szczury, otrzymujące do picia ciężką wodę, umierają po tygodniu, kiedy zawartość deuteru osiąga 50%. Przyczyną śmierci, podobnie jak w zatruciu cytotoksycznym (np. podczas chemioterapii) i ostrej chorobie popromiennej, wydaje się być ogólne zahamowanie podziałów komórkowych. Ciężka woda jest bardziej toksyczna dla komórek nowotworowych niż zdrowych, jednak stężenia wymagane dla skutecznego działania są zbyt wysokie dla zastosowań terapeutycznych. Podobnie jak w chemioterapii, ssaki zatrute D2O umierają w wyniku niewydolności szpiku kostnego (krwotoki i infekcje) i zaburzeń funkcji jelit (biegunka i utrata płynów).

Kwasy nukleinowe - biopolimery zbudowane z nukleotydów. Zasadniczo są dwa rodzaje kwasów nukleinowych: kwas rybonukleinowy (RNA) oraz kwas deoksyrybonukleinowy (DNA). Oba mogą występować pod postacią zarówno pojedynczej jak i podwójnej nici, przy czym zazwyczaj DNA tworzy nić podwójną, a RNA pojedynczą.

Choroba popromienna – ogólna nazwa chorobowych zmian ogólnoustrojowych powodowanych przez promieniowanie jonizujące oddziałujące na całe (lub prawie całe) ciało.

Prokariotyczne organizmy, takie jak bakterie, u których deuter nie powoduje problemów z mitozą, mogą rozwijać się przy całkowitym zastąpieniu wodoru przez deuter, również w białkach i DNA. Pełne zastąpienie zwykłych izotopów cięższymi stabilnymi jest możliwe u organizmów wyższych dla innych pierwiastków (węgiel-13, azot-15, tlen-18), ale nie dla deuteru.

Chemioterapia – używanie syntetycznych związków chemicznych w celu zwalczania chorób wywołanych przez drobnoustroje i pasożyty, a także chorób nowotworowych. Pojęcie chemioterapii wprowadził do medycyny Paul Ehrlich (1854-1915).

Kijanka - postać larwalna płazów. Po pewnym czasie przekształca się w dorosłego płaza, jednak przed całkowitym przeobrażeniem fizycznym, prezentuje wiele cech typowych dla ryb - prowadzi wodny tryb życia, porusza się, odżywia i wygląda podobnie do ryby, oddycha skrzelami, ma ogon pionowo otoczony płetwą, stanowiący główną siłę napędową. Po wylęgu są one zaopatrzone w specjalne narządy, które służą im do przymocowywania się do różnych przedmiotów, co ma je zabezpieczyć przed upadkiem na dno. U płazów ogoniastych jest to narząd balansyjny zwany narządem Rusconiego, a u płazów bezogonowych jest to podkowiasta przylga.

Ciężka woda wykorzystywana jest dla poprawienia skuteczności terapii borowo-neutronowej, gdzie wykorzystuje się zdolność deuteru do moderowania neutronów bez ich wychwytywania.

Zobacz też

reaktor jądrowy ciężkowodny CANDU

Przypisy

Ciężka woda – podsumowanie (ang.). PubChem Public Chemical Database.
↑ Heavy water (ang.) [w:] A.D. McNaught, A. Wilkinson: IUPAC. Compendium of Chemical Terminology („Gold Book”). Wyd. 2. Oksford: Blackwell Scientific Publications, 1997. Wersja internetowa: M. Nic, J. Jirat, B. Kosata: Heavy water (ang.), aktualizowana przez A. Jenkins. doi:10.1351/goldbook.H02758
Ciężka woda (ang. • pol.) w katalogu produktów Sigma-Aldrich.
strona WWW fabryki Hydro opisującą szczegółowo wydarzenia z II wojny światowej
Helmut Günzler, Hans-Ulrich Gremlich,: IR Spectroscopy: An Introduction. Wiley-VCH, 2002. ISBN 3-527-28896-1.
↑ D. J. Kushner, Alison Baker, and T. G. Dunstall. Pharmacological uses and perspectives of heavy water and deuterated compounds. „Can. J. Physiol. Pharmacol.”. 2 (77), s. 79–88, 1999. doi:10.1139/cjpp-77-2-79. PMID 10535697. Cytat: used in boron neutron capture therapy ... D2O is more toxic to malignant than normal animal cells ... Protozoa are able to withstand up to 70% D20. Algae and bacteria can adapt to grow in 100% D2O.