Utente:Paulatz/Sandbox2

L'acqua pesante o ossido di deuterio o deuterossido (simbolo D₂O, o più correttamente ²H₂O) è acqua che, al posto del normale idrogeno, ha due atomi di un isotopo pesante dell'idrogeno, il deuterio il cui nucleo contiene un neutrone, oltre al protone dell'isotopo più diffuso. La molecola d'acqua con un solo deuterio non viene solitamente considerata acqua pesante.

La differente massa del deuterio rispetto all'idrogeno altera l'energia dei legami e le energie rotovibrazionali della molecola, modificandone le proprietà fisiche, chimiche e biologiche.

Altri significati

Acqua semi-pesante

La molecola di acqua semipesante, HDO, contiene un deuterio e un idrogeno-1. Poiché le molecole di acqua scambiano molto spesso gli idrogeni l'una con l'altra una miscela contenete al 50% idrogeno-1 e al 50% deuterio sarà composta al 50% da acqua semipesante, e al 25% di H₂O e D₂O, in condizioni di equilibrio.

L'acqua semi-pensate compone all'incirca una parte su 3200 dell'acqua presente in natura, di conseguenza solo una molecola su 41 milioni è di acqua pesante.

Acqua con ossigeno pesante

L'ossigeno presenta due isotopi stabili pesanti: ¹⁸O e ¹⁷O, tuttavia l'acqua contenente uno di questi isotopi non viene normalmente indicata come acqua pesante. L'acqua contenete ¹⁸O è disponibile sul mercato e viene usata come tracciante isotopico non radioattivo in medicina; l'acqua contenete ¹⁷O è estremamente costosa e non viene usata diffusamente.

L'acqua contenente ossigeno pesante ha proprietà chimiche e fisiche praticamente identiche all'acqua normale.

Caratteristiche fisiche (confrontate all'acqua leggera)

Proprietà	D2O (Acqua pesante)	H2O (Acqua leggera)
Temperatura di congelamento (°C)	3.82	0.0
Temperatura di ebollizione (°C)	101.4	100.0
Densità (a 20°C, g/mL)	1.1056	0.9982
Temp. di massima densità (°C)	11.6	4.0
Viscosità (at 20°C, mPa·s)	1.25	1.005
tensione superficiale (at 25°C, μJ)	7.193	7.197
Calore latente di fusione (cal/mol)	1,515	1,436
Calore latente di evaporazione (cal/mol)	10,864	10,515
pH (at 25°C)	7.41 (a volte indicato con "pD")	7.00

Non sono riportate le caratteristiche dell'acqua semi-pesante poiché non è possibile isolarla in sufficiente quantità: le molecole in un campione di acqua semi-pesante scambiano rapidamente i propri idrogeni diventando acqua semi-pesante al 50% e acqua pesante e leggera per il 25% ognuna.

Poiché l'acqua pesante è leggermente più densa dell'acqua leggera il ghiaccio di acqua pesante affonda nell'acqua normale, inoltre poiché la sua temperatura di fusione è più elevata, il ghiaccio pesante può essere mantenuto solido nell'acqua leggera liquida, a temperatura inferiore ai 3,8°C per un tempo indefinito.

Storia

Harold Urey scoprì il [deuterio]] nel 1931 a riuscì successivamente a concentrarlo nell'acqua; il primo campione di acqua pesante ragionevolmente pura fu isolato da Gilbert Newton Lewis per elettrolisi nel 1933. George de Hevesy e Hoffer usarono l'acqua pesante nel 1934 per il primo esperimento biologico di tracciamento isotopico, con lo scopo di stimare la durata del ciclo dell'acqua nel corpo umano.

Effetti sugli organismi biologici

Gli isotopi pesanti degli elementi chimici hanno, normalmente, proprietà chimiche leggermente diverse; normalmente queste differenze sono così piccole da non avere alcun effetto sugli organismi biologici. Tuttavia poiché il rapporto tra la massa del deuterio e la massa dell'idrogeno-1 è insolitamente alto (il primo pesa circa il doppio del secondo) gli effetti isotopici sono piuttosto consistenti per l'acqua pesante e per tutti i composti contenenti deuterio. Queste differenze sono amplificate negli organsmi biologici che sono molto sensibili alle variazioni delle proprietà dell'acqu.

Gli enzimi contengono numerosissimi legami a idrogeno sia nella struttura molecolare che nell'interazione con altre molecole; poiché il legame a idrogeno contenente il deuterio è leggermente più forte che per l'idrogeno-1 in un ambiente molto ricco di deuterio alcune normali funzioni cellulari vengono comrpomesse.

In particolare la deuterazione impedisce la condensazione del cromosomi nella profase della mitosi impedendo, di fatto, la riproduzione cellulare negli organismi eucarioti.

Effetti sugli animali

Esperimenti su topi, ratti e cani hanno dimostrato come una deuterazione del 25% causa (a volte in modo irreversibile) la sterilità, poiché impedisce la formazione di gameti e zigoti. Alte concentrazioni di acqua pesante (90%) provocano la morte di pesci, girini, drosofile e altri animali. mammiferi, in particolare ratti, che vengano nutriti esclusivamente con acqua pesante muoiono dopo circa una settimana, quando la percentuale di deuterio, sull'idrogeno totale, nell'organismo raggiunge il 50%. La causa della morte è l'inibizione dei processi di divisione cellulare, con conseguente deterioramento del midollo osseo (che comporta infezioni e emorragie) e riduzione della barriera intestinale (con consegunte diarrea e perdita disidratazione) in modo analogo a quanto causato dalle citotossine usate dalla chemioterapia; l'acqua pesante è stata anche testata come agente chemioterapeutico, ma non presenta vantaggi rispetto ai farmaci già esistenti.

Tossicità per gli esseri umani

Poiché è richiesta una grande quantità di acqua pesante per rimpiazzare una percentuale consistente (25-50%) dell'acqua corporea (circa 70% dell'organismo in peso) con acqua pesante è estremamente improbabile che si possa avere un avvelenamento. In particolare è necessaria l'ingestione esclusiva di acqua pesante per molti giorni per produrre effetti tossici significativi.

Ad esempio una persona di 70kg, contenente circa 50kg d'acqua, dovrebbe bere 3 litri di acqua pesant pura al giorno per 5 giorni per raggiungere il 25% di deuterazione, e circa 11 giorni per il 50%. Di conseguenza una persona, non bevendo altro che acqua pesante, presenterebbe i primi sintomi di avvelenamento dopo una settimana e subirebbe gravi danni, o la morte, dopo 10-15 giorni. Nel caso improbabile in cui una persona dovesse rimanere intossicata da acqua pesante il trattamento richiederebbe il rimpiazzo dell'acqua presente nel sangue per via endovenosa (a causa di possibili disfunzioni intestinali e problemi nell'assorbimento dei liquidi).

Dosi orali di acqua pesante e acqua con ¹⁸O sono usate normalmente in esperimenti sul metabolismo umano. Poiché circa un idrogeno su 6400 e pesante una persona di 70kg contiene abbastanza deuterio da formare 8.5 grammi di acqua pesante; tuttavia il deuterio sarà quasi esclusivamente presente in molecole di acqua semi-pesante per un totale di crica 17 grammi.

Informazioni erronee sull'intossicazione da acqua pesante

Nel 1990 un dipendente della centrale nucleare di Point Lepreau in Canada prelevò un campione di acqua pesante (si stima circa mezza tazza) dal sistema di raffreddamento primario del reattore nucleare e la versò in un contenitorè di acqua potabile per i dipendenti. Otto persone bevetterò l'acqua contaminata mostrando sintomi di avvelenamento, il fatto venne scoperto quando l'esame delle urine rilevò alte percentuali di trizio radioattivo. Tuttavia la tossicità della soluzione non era dovuta alla semplice presenza di acqua pesante, ma dalla presenza di isotopi radioattivi nell'acqua. Alcuni media riportarono che l'avvelenamento era dovuto all'acqua pesante, diffondendo così nel pubblico la credenza che l'acqua pesante sia più tossica di quanto realmente è. Anche se l'acqua potabile fosse stata totalmente sostituita con acqua pesante difficilmente le vittime avrebbero subito qualche danno.

Produzione

Sulla terra circa una molecola d'acqua su 3200 è semi-pesante (HDO ), questo significa che un atomo di idrogeno su 6400 è deuterio. Poiché l'HDO ha massa e proprietà chimiche leggermente diverse dall'acqua leggera la sua concentrazione può essere aumentata tramite distillazione o idrolisi e vari mecanismi chimici di scambio che sfruttano l'effetto isotopico.

Una volta che la frazione di HDO abbia ragiunto livelli considerevoli anche la frazione di acqua pesante (approssimativamente il quadrato della frazione di HDO) diventa rilevante. A questo punto l'acqua pesante può essere ulteriormente isoltata fino a renderla pura.

Il procedimento di purificazione richiede l'utilizzo di colonne di distillazione con molti piatti, o di molte celle elettrolitiche, di conseguenza la purificazione chimica viene preferita quando praticabile.

Stati Uniti d'America

Per la produzione di acqua pesante il governo americano fece sviluppare e utilizzare il procedimento chimico "Girdler" impiegato per la prima volta, su grande scala, a Dana (Indiana) nel 1945 e poi nel 1952 presso il Savannah River Site. L'impianto era gestito dalla DuPont fino al 1989 e poi dalla Westinghouse.

Gli Stati Uniti utilizzarono acqua pesante a partire nei reattori per la produzione di plutonio presso il Savannah River Site. Il primo dei cinque reattori venne attivato nel 1953 e funzionarono fino allo spegnimento definitivo dell'ultimo reattore nel 1996. I reattori usavano acqua pesante per la produzione di plutonio e trizio per l'arsenale nucleare deli Stati Uniti.

Norway

In 1934, Norsk Hydro built the first commercial heavy water plant at Vemork, Tinn, with a capacity of 12 tonnes per year. From 1940 and throughout World War II, the plant was under German control and the allies decided to destroy the plant and its heavy water to inhibit German development of nuclear weapons. In late 1942, a raid by British paratroopers failed when the gliders they were in crashed. All the raiders were killed in the crash or shot by German army troops. But in the night of February 27-28 Operation Gunnerside succeeded. Norwegian commandos managed to demolish small but key bits of the electrolytic cells, dumping the accumulated heavy water down the factory drains. Arguably (see below) this prevented Germany from building a nuclear reactor (German nuclear weapons would not have automatically followed the reactor for many reasons). The Norsk Hydro operation is one of the great commando/sabotage operations of the war.

On 16 November 1943, the allied air forces dropped more than 400 bombs on the site. The allied air raid prompted the Nazi government to move all available heavy water to Germany for safekeeping. On 20 February 1944, a Norwegian partisan sank the ferry M/F Hydro carrying the heavy water across Lake Tinn, at the cost of 14 Norwegian civilians, and most of the heavy water was presumably lost. A few of the barrels were only half full, and therefore could float, and may have been salvaged and transported to Germany. However, recent investigation of production records at Norsk Hydro and analysis of an intact barrel that was salvaged in 2004 revealed that although the barrels in this shipment contained water of pH 14 — indicative of the alkaline electrolytic refinement process — they did not contain high concentrations of D₂O. Despite the apparent size of shipment, the total quantity of pure heavy water was quite small, each barrel only containing between 1/2-1% pure heavy water. The Germans would have needed a total of about 5 tons of heavy water to get a nuclear reactor running. The manifest clearly indicated that there was only half a ton of heavy water being transported to Germany. The Hydro was carrying far too little heavy water for even one reactor, let alone the 10 or more tons needed to make enough plutonium for a nuclear weapon. The Hydro shipment on 20 February 1944 was probably destined for an experimental reactor project.

Canada

As part of its contribution to the Progetto Manhattan, Canada built and operated a 6 tonnes per year electrolytic heavy water plant at Trail, BC, which started operation in 1943.

The Atomic Energy of Canada Limited (AECL) design of power reactor requires large quantities of heavy water to act as a neutron moderator and coolant. AECL ordered two heavy water plants which were built and operated in Atlantic Canada at Glace Bay (by Deuterium of Canada Limited) and Port Hawkesbury, Nova Scotia (by General Electric Canada). These plants proved to have significant design, construction and production problems and so AECL built the Bruce Heavy Water Plant, which it later sold to Ontario Hydro, to ensure a reliable supply of heavy water for future power plants. The two Nova Scotia plants were shut down in 1985 when their production proved to be unnecessary.

The Bruce Heavy Water Plant in Ontario was the world's largest heavy water production plant with a capacity of 700 tonnes per year. It used the Girdler sulfide process to produce heavy water, and required 340,000 tonnes of feed water to produce one tonne of heavy water. It was part of a complex that included 8 CANDU reactors which provided heat and power for the heavy water plant. The site was located at Douglas Point in Bruce County on Lake Huron where it had access to the waters of the Great Lakes.

The Bruce plant was commissioned in 1979 to provide heavy water for a large increase in Ontario's nuclear power generation. The plants proved to be significantly more efficient than planned and only three of the planned four units were eventually commissioned. In addition, the nuclear power programme was slowed down and effectively stopped due to a perceived oversupply of electricity, later shown to be temporary, in 1993. Improved efficiency in the use and recycling of heavy water plus the over-production at Bruce left Canada with enough heavy water for its anticipated future needs. Also, the Girdler process involves large amounts of hydrogen sulfide, raising environmental concerns if there should be a release. The Bruce plant was finally shut down in 1997. The plant was gradually dismantled and the site cleared.

Atomic Energy of Canada Limited (AECL) is currently researching other more efficient and environmentally benign processes for creating heavy water. This is essential for the future of the CANDU reactors since heavy water represents about 20% of the capital cost of each reactor.

India

India is the world's second largest producer of heavy water through its Heavy Water Board [2].

Iran

On August 26, 2006, Iranian President Ahmadinejad inaugurated an expansion of the country's heavy-water plant near Arak. Iran has indicated that the heavy-water production facility will operate in tandem with a 40 MW research reactor that has a scheduled completion date in 2009. [3] In an interview which aired on the Iranian News Channel (IRINN) on August 27, 2006, Iranian Nuclear Chief Mohammad Sa'idi claimed that heavy water could be used to treat AIDS and cancer. Daily consumption was recommended. *"Iranian Nuclear Chief Mohammad Sa'idi Explains Why Iran Produces Heavy Water: Drinking It Helps Fight Cancer and AIDS"aired on the Iranian News Channel (IRINN) on August 27, 2006

Other countries

Argentina is another declared producer of heavy water, using an ammonia/hydrogen exchange based plant supplied by Switzerland's Sulzer company.

Romania also produces heavy water at the Drobeta Girdler Sulfide plant and has exported from time to time.

France operated a small plant during the 1950s and 1960s.

Utilizzi

Risonanza magnetica nucleare

L'acqua pesante viene usata nella risonanza magnetica nucleare (RMN) quando la si vuole applicare ai nuclei di idrogeno di una specie disciolta in acqua. Il motivo è che il segnale RMN proveniente dal deuterio e dall'idrogeno-1 sono diversi, a causa del differente momento magnetico. Di conseguenza l'impiego di D₂O permette di misurare il segnale proveniente dall'idrogeno riducendo (nel caso ideale eliminando) le inteferenze.

Moderatore di neutroni

In alcuni tipi di reattori nucleari l'acqua pesante viene utilizzata come moderatore, per rallentare i neutroni liberi in modo da favorirne la reazione con i nuclei di uranio.

Anche l'aqua leggera agisce come moderatore, ma è meno efficiente poiché assorbe una frazione maggiore di neutroni. Di conseguenza richiede l'utilizzo di uranio maggiormente arricchito e diminuisce l'efficienz.a della reazione

I reattori ad acqua pesante sono anche più efficienti per la produzione di plutonio (dall'uranio-238o uranio-233 (dal torio-232). Poiché la purificazione chimica del plutonio è molto più semplice della separazione isotopica dell'uranio-235 fissile, i reattori ad acqua pesante sono stati il mezzo principale per la produzione di combustibile nucleare a fini bellici.

There is no evidence that civilian heavy water power reactors, such as the CANDU or Atucha designs, have been used for military production of fissile materials. In states which do not already possess nuclear weapons, the nuclear material at these facilities is under IAEA safeguards to discourage any such diversion.

Due to its potential for use in nuclear weapons programs, the possession or import/export of large industrial quantities of heavy water are subject to government control in several countries. Suppliers of heavy water and heavy water production technology typically apply IAEA - International Atomic Energy Agency - administered safeguards and material accounting to heavy water. (In Australia, the Nuclear Non-Proliferation (Safeguards) Act 1987). In the U.S. and Canada, non-industrial quantities of heavy water (i.e., in the gram to kg range) are routinely available through chemical supply dealers, and directly from the world's major producer Ontario Hydro, without special license. Current (2006) cost of a kg of 99.98% reactor-purity heavy water, is about $600 to $700. Smaller quantities of reasonable purity (99.9%) may be purchased from chemical supply houses at prices of roughly $1 per gram.

It is worth noting that plutonium or uranium-233 can be produced as a consequence of the operation of any nuclear reactor; heavy water is not a pre-requisite. In fact, in the U.S., the first experimental atomic reactor (1942), as well as the Progetto Manhattan Hanford production reactors which produced the plutonium for the Trinity test and Fat Man bombs, all functioned with neither enriched uranium nor heavy water.

Neutrino detector

The Sudbury Neutrino Observatory (SNO) in Sudbury, Ontario uses 1000 tonnes of heavy water on loan from Atomic Energy of Canada Limited. The neutrino detector is 6800 feet underground in an old mine, in order to shield it from muons produced by cosmic rays. SNO was built to answer the question of whether or not electron-type neutrinos produced by fusion in the Sun might be able to turn into other types of neutrinos on the way to Earth. SNO detects the Cherenkov radiation in the water from high-energy electrons produced from electron-type neutrinos as they undergo reactions with neutrons in deuterium. SNO also detects the same radiation from neutrino< — >electron scattering events. The use of deuterium is critical to the SNO function, because all three "flavours" (types) of neutrinos [4] may be detected in a third type of reaction, neutrino-disintegration, in which a neutrino of any type (electron, muon, or tau) scatters from a deuterium nucleus (deuteron), transferring enough energy to break up the loosely-bound deuteron into a free neutron and proton. This event is detected when the free neutron is absorbed by ³⁵Cl present in NaCl dissolved in the heavy water, causing emission of characteristic capture gamma rays. Thus, in this experiment, heavy water not only provides the transparent medium necessary to produce and visualize Cherenkov radiation, but it also provides deuterium to detect exotic mu type (μ) and tau (τ) neutrinos, as well as a non-absorbent moderator medium to preserve free neutrons from this reaction, until they can be absorbed by an easily-detected neutron-activated isotope.

Metabolic rate testing in physiology/biology

Heavy water is employed as part of a mixture with H₂¹⁸O for a common and safe test of mean metabolic rate in humans and animals undergoing their normal activities. This metabolic test is usually called the doubly-labeled water test.

Space-based non-toxic cooling systems

Heavy water (D₂O) has a similar high heat of fusion to regular water, but freezes at a slightly higher temperature. It has been proposed as a non-toxic heatsink for space based cooling applications, where D₂O ice acts as a heatsink to remove water vapor in air, but without danger that the water vapor will freeze to water-ice, because D₂O ice maintains temperatures too high for this to occur. See (EN) US5246061, United States Patent and Trademark Office, Stati Uniti d'America.. Such a system has not yet been tested.

Tritium breeding starting material

Tritium is produced in heavy water-moderated reactors when deuterium captures a neutron. While this reaction has a small cross-section and produces useful amounts of tritium only in reactors with very high neutron fluxes, this method of tritium production requires less technological sophistication than the usual production of tritium by neutron transmutation of lithium-6. Tritium is an important material in nuclear weapons programs, since it is useful for boosting the yields of fission weapons, as well as for constructing thermonuclear devices.

Trivia

• The fictional superhero Jay Garrick, "The Flash" acquired his powers of superspeed in a laboratory mishap involving experiments with Heavy Water. He fell asleep working late at night and inhaled the heavy water fumes until morning.

• The novel Specific Gravity by J. Matthew Neal (2007) features a victim who is slowly poisoned by deuterium oxide placed in his drinking water.

• Heavy water is shown as a part of a secret Nazi experiment in a Hogan's Heroes episode, "Go Light on the Heavy Water".

• Chaplain Tappman from Jospeh Heller's novel Closing Time mysteriously excrets Heavy Water instead of urine.

See also

• Norwegian heavy water sabotage
• Fictional applications of real materials
• Vienna Standard Mean Ocean Water

External links

• Federation of American Scientists article on the production of heavy water
• Heavy Water: A Manufacturer’s Guide for the Hydrogen Century (PDF file)
• Straight Dope Staff Report: Is "heavy water" dangerous?
• Annotated bibliography for heavy water from the Alsos Digital Library for Nuclear Issues
• Ice is supposed to float, but with a little heavy water, you can make cubes that sink

Applicazioni

Questa sostanza ha un ruolo importante nella tecnologia degli impianti di fissione nucleare in quanto, avendo una capacità moderatrice (cioè di rallentamento/assorbimento dei neutroni) minore dell'acqua leggera, consente l'utilizzo di uranio naturale invece di uranio arricchito (cioè a tenore di ²³⁵U elevato) nei reattori nucleari. Inoltre l'acqua pesante è utilizzata per le analisi NMR (¹HNMR) per solubilizzare i campioni idrosolubili, in quanto l'acqua leggera disturberebbe notevolmente il segnale degli idrogeni dell'analita; l'acqua pesante può essere utilizzata in quanto il deuterio al contrario dell'idrogeno non risuona quando investito da un campo magnetico.

Produzione

L'acqua pesante si trova naturalmente mescolata all'acqua normale, in quantità di 1 parte su 7000, ma tale quantità può variare anche del 30% da luogo a luogo.
Si ottiene in genere separandola per distillazione dall'acqua demineralizzata; data la piccola differenza di temperatura di ebollizione rispetto all'acqua leggera, il processo è piuttosto lungo e richiede colonne di distillazione con molti piatti equivalenti e forte riflusso.

Dati

• peso molecolare: 20.02666
• punto di ebollizione: 101,42 °C a pressione standard.
• punto di congelamento: 3,81 °C.
• densità relativa: 1,1079 in condizioni standard di pressione e temperatura