مفالاتنا

ماهو الماء الثقيل ؟ وماهي خصائصه وأشكاله وأهم استخداماته ؟

نسمع احياناً في المجتمع الكيميائي مصطلحات كالماء الثقيل، فيتسائل البعض عن هذه التسمية ؟، ويظن أنها مجرد ماء عادي لكنه صعب أو ثقيل المشرب... أمزح !

في الحقيقة لا يوجد مثل هذا الأمر، لكن مفهوم المياه الثقيلة راجع لتركيبات خاصة لبعض الأشكال من المياه، التي تتميز بخواص فيزيائية وكيميائية محددة.

المياه الثقيلة

ما هو الماء الثقيل D2O ؟

الماء الثقيل مركب يتكون من الأكسجين والديوتيريوم، وهو نظير أثقل للهيدروجين يُشار إليه بـ "2H" أو "D". يسمى الماء الثقيل أيضًا بأكسيد الديوتيريوم ويشتق اسمه من كثافة أكسيد الديوتيريوم الأعلى. ويُشار إليه بالصيغة الكيميائية D2O.

للنظير كتلة مولية أكبر من الماء العادي، نظراً لكون الكتلة الذرية له أكبر من كتلة البروتيوم (وهو نظير للهيدروجين لا يمتلك نيوترونات وهو الشائع في الطبيعة). هذا ما يعطي للماء الثقيل (D2O) خواص كيميائية وفيزيائية مختلفة قليلاً عند مقارنته بـ H2O.

خواص الماء الثقيل D2O

  • يسمى بأكسيد الديوتيريوم ويركز له بـ D2O
  • الكتلة الجزيئية 20.02 غ / مول
  • الكثافة 1.107 جم / مل
  • نقطة الانصهار 3.82 درجة مئوية
  • نقطة الغليان 101.4 درجة مئوية

الخصائص الفيزيائية

  • عديم اللون وذو طابع مشابه للماء الطبيعي.
  • سائل عديم الرائحة.
  • كثافة D2O أكبر بنسبة 11٪ تقريبًا من H2O، مما يسمح لجليد أكسيد الديوتيريوم بالغرق في الماء العادي.
  • امتزاج الديتيريوم مع الماء يشكل خليطًا متجانسًا.

الخواص الكيميائية

  • الاختلافات كتلة الذرية لنظائر الهيدروجين، يصنع لكل منها نمط كيميائي. 
  • بعض من خصائص الديوتيريوم، يمكن أن تؤثر سلبًا على النظم البيولوجية.
  • الماء الثقيل أكثر تماسكاً من الماء العادي.
  • تراكيز شوارد D + في عينة D2O أقل عمومًا من تركيز شوارد H + في عينة H2O.

كيف يصنع الماء الثقيل

يتم تحضير الماء الثقيل D2O عن طريق التحليل الكهربائي المطول للماء المحتوي على القلويات.

  • الالكتروليت: ماء يحتوي على هيدروكسيد الصوديوم.
  • الكاثود: وعاء فولاذي.
  • الأنود: لوح من النيكل بفتحات.

يتم تحييد سبع قلويات بمرور غاز ثاني أكسيد الكربون مع استمرار التحليل. ليكون المنتج المتبقي هو الماء الثقيل. 

بعض الميزات الهامة للمياه الثقيلة

  • تملك ذرات ديتيريوم بروتوناً واحداً ونيوتروناً واحداً، مما يجعلها ضعف وزن البروتيوم تقريبًا (نظير الهيدروجين الموجود في الماء العادي، ويُشار إليه بالرمز 1H).
  • تمثل كتلة الأكسجين ما مقداره 89٪ من الكتلة الجزيئية لجزيء الماء إلى الأكسجين. وبالتالي فإن الكتلة الجزيئية لـ D2O ليست أكبر بكثير من كتلة H2
  • الماء الثقيل ذو كثافة أكبر بـ 11٪ من كثافة الماء العادي.
  • رابطة الـ D و O أقوى من رابطة O و H 
  • D2O عنصر غير مشع ولا يخضع للاضمحلال الإشعاعي.
  • النسب العالية من الماء الثقيل قد تكون سامة للعديد من الكائنات الحية.

أول ظهور للديتيريوم

أول إنتاج لأكسيد الديوتيريوم كان في عام 1932. واستخدم كمحلول لتهدئة النيوترون بالاضافة الى أداء تبريد في مفاعلات الماء الثقيل المضغوط (PHWR). 

يشير مصطلح "الماء الثقيل" عادةً إلى D2O. ومع ذلك، توجد أيضًا أشكال "ثقيلة" أخرى من الماء.

الديتيريوم والتريتيوم نظائر الهيدروجين الثقيلة

الديوتيريوم والتريتيوم ذرات خفيفة للغاية، وكلاهما نظائر للهيدروجين: لهما بروتون واحد (العدد الذري للهيدروجين) لكن عدد النيوترونات بهما يختلف. 

في حالة التحريض الحراري الشديد، يمكن أن تندمج نواتها في نواة هيليوم واحدة (العدد الذري 2).نظرًا لأن هذا الاندماج يؤدي إلى مستوى طاقة نهائي أقل (أي إلى نواة أكثر استقرارًا)، فإن التفاعل يطلق كمية كبيرة جدًا من الطاقة. 

الاندماج هو أساس إشعاع النجوم بما في ذلك الشمس. ويطمح العلماء الى امكانية إعادة إنتاجه في المختبر عبر مشروع ITER.

يحتوي الديوتيريوم ذو الرمز D أو 2H، على نواة تحتوي على بروتون واحد ونيوترون واحد. يمكن عزله عن طريق التقطير من الماء. 

على سبيل المثال، يحتوي لتر واحد من مياه البحر على ما يقرب من 33 ملليغرام من الديوتيريوم(D2O).

يحتوي التريتيوم ذو الرمز T أو 3H، على نواة تحتوي على بروتون واحد ونيوترونين (T3O). 

إنه عنصر مشع على عكس الديوتيريوم والهيدروجين المستقرين. يتميز بزمن نصف العمر قصير: 12.32 سنة. 

يتم إنتاجه من قبل الصناعة النووية، في تشغيل المفاعلات وبعد ذلك أثناء معالجة النفايات المشعة. كما يمكن أيضًا إنتاجه عن طريق تفاعل ذرة نيوترون وليثيوم.

أنواع المياه الثقيلة

الماء شبه الثقيل (D2O)

  • وهو الماء ثقيل بصيغة HDO ويتكون من بروتيوم واحد وديوتيريوم واحد وذرة أكسجين واحدة.
  • يتواجد HDO بنسب ضعيفة في عينات من الماء تحتوي على كل من البروتيوم والديوتيريوم. نظراً لأن جزيئات الماء تميل إلى تبادل ذرات الهيدروجين فيما بينها. 
  • تتكون عينة الماء التي تحتوي على نسبة متساوية من البروتيوم والديوتيريوم من 50٪ ماء شبه ثقيل و 25٪ ماء عادي و 25٪ ماء ثقيل.
  • في هذه العينة، يوجد توازن ديناميكي بين HDO و D2O و H2

ماء الأكسجين الثقيل

  • ماء ذو نظائر أثقل من أكسجين مثل 17O و 18O يعرف أيضاً على أنه ماء ثقيل لكن بأكسجين أثقل.
  • ذو كثافة أعلى من كثافة الماء العادي، لذلك يصنف على أنه شكل من أشكال الماء الثقيل.
  • يتم استخدام الماء الذي يحتوي على الأكسجين الثقيل  ذو نظير 18O في إنتاج نظير 18F من الفلور. 
  • يستخدم الماء الأكسجيني في المشعات الإشعاعية والمستحضرات الصيدلانية المشعة.

مياه متبادلة (T3O)

  • شكل مشع من الماء يحتوي على التريتيوم (يُشار إليه بواسطة T أو 3H) بدلاً من 3 بروتيوم.
  • أثقل اشكال الماء ويشار إليه بالصيغة T3
  • يمكن استخدام المياه المبتذلة لتحديد الحجم الكلي للماء في الجسم.
  • يمتلك T3O كتلة مولية تقدر بـ 22.03 جرام لكل مول وكثافتها 1.85 جم / مل.

بعض التفاعلات الهامة من الماء الثقيل

  • التحليل الكهربائي:
    2O2O → 2O2 (الديوتيريوم) + O2
  • التفاعلات مع المعادن:
    2Na + 2D2O → 2NaOD (ديوتيروكسيد الصوديوم) + D2
  • التفاعلات مع غير المعادن:
    D2O + Cl2 → DCl + DOCl
  • التفاعلات مع أكسيد المعادن:
    MgO + D2O → Mg (OD) 2
  • التفاعلات مع الأكاسيد غير المعدنية:
    SO3 + D2O → D2SO4 (حمض الكبريتيك Deutero)
  • التفاعلات مع نيتريد المغنيسيوم:
    Mg3N2 + 6D2O → 3Mg (OD) 2 + 2ND3 (Deutero Ammonia)
  • التفاعلات مع فوسفيد الكالسيوم:
    Ca3P2 + 6D2O → 3Ca (OD) 2 + 2PD3 (Deutero Phosphide)
  • التفاعلات مع كربيد الكالسيوم:
    CaC2 + 2D2O → Ca (OD) 2 + C2D2 (Deutero Acetylene)
  • التفاعلات مع كربيد الألومنيوم:
    Al4C3 + 12D2O → 4Al (OD) 3 + 3CD4 (Deutero methane)

استخدامات الماء الثقيل

كما ذكرنا سابقًا، 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 سنذكرها في الأسفل

  • متتبع لدراسة آلية التنفس، التمثيل الضوئي.
  • يستخدم الماء الثقيل في مطيافية الرنين المغناطيسي النووي.
  • يستخدم كوسيط في أنواع معينة من المفاعلات النووية.
  • يستخدم طبياً لاختبار معدل التمثيل الغذائي للإنسان.
  • يستخدم D2O في التحاليل الطيفية بالرنين المغناطيسي النووي (NMR)، والذي يستخدم لمراقبة المجالات المغناطيسية حول نوى الذرات.
  • يصنف ديتيريوم كمساعد في تحضير النظائر المشعة للعديد من المركبات العضوية.
  • كثيراً ما يلجأ الى الماء الثقيل بدلاً من الماء العادي في التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء.
  • له القدرة على الابطاء من سرعة النيوترونات، بحث يمكنها التفاعل مع نظير 235U بدلاً من نظير 238U.
  • يستعمل D2O في اختبارات معدل التمثيل الغذائي لدى البشر والحيوانات بمساعدة خليط من D2O والماء الذي يحتوي على أكسجين ثقيل.
  • يتشكل التريتيوم، المادة الفعالة المستخدمة في تفاعلات الاندماج النووي الخاضعة للرقابة، عندما يلتقط الديوتيريوم الموجود في الماء الثقيل نيوترونًا.

هل يمكن شرب الماء الثقيل ؟ وهل في ذلك خطورة ؟

غالباً ما نميل عندما نتحدث عن الماء الثقيل إلى ربطه بالمفاعلات النووية والمواد المشعة. ومع ذلك، فإن D2O النقي ليس مشعًا وليس ضارًا جدًا إذا ابتلعه الإنسان بكميات قليلة. 

هناك امكانية أن يكون خطيرًا فقط إذا تم استهلاك الماء بكميات كبيرة أو إذا تم تناوله لفترة طويلة من الزمن. ما يمكن أن يُحدث تسمماً أو إلى أعراض مثل الدوار وفقدان ضغط الدم.


المصدر

2     1

تعليقات
ليست هناك تعليقات
إرسال تعليق