Το βαρύ ύδωρ.

Ήταν το ιερό δισκοπότηρο του δευτέρου παγκοσμίου πολέμου. Όποιος το έφτιαχνε πρώτος θα κέρδιζε τον πόλεμο, θα έφτιαχνε πυρηνικά όπλα.

Το νερό είναι ο φορέας της ζωής πάνω στη γη αφού όλες οι δραστηριότητες που απαρτίζουν τη ζωή γίνονται μέσα σε νερό, σε διαλύματα υδατικά. Το νερό είναι ένα τριατομικό μόριο που σχηματίζεται από δύο άτομα υδρογόνου και ένα άτομο οξυγόνου. Όμως πόσα είδη μορίων νερού υπάρχουν; Τουλάχιστον δύο, το ελαφρύ και το βαρύ! Και μάλιστα το σώμα σας περιέχει 7,6g από το βαρύ ύδωρ.

Ισότοπα.

Το υδρογόνο που υπάρχει στη γη και στο σύμπαν είναι τριών διαφορετικών ειδών. Όλα τα άτομα που υπάρχουν στο σύμπαν και έχουν ένα πρωτόνιο στον πυρήνα τους είναι υδρογόνα, και συνήθως δεν έχουν κανένα νετρόνιο. Υπάρχουν όμως κάτι λίγα υδρογόνα που στον πυρήνα τους έχουν και ένα νετρόνιο, όπως και κάτι άλλα ακόμα λιγότερα που έχουν δύο νετρόνια. Όλα αυτά λέγονται ισότοπα του υδρογόνου γιατί τα τοποθετούμε στην ίδια τοποθεσία του περιοδικού πίνακα, στην πρώτη θέση, με ατομικό αριθμό ίσο με 1. Κάτι ανάλογο συμβαίνει και με το οξυγόνο. Το συνηθισμένο οξυγόνο έχει στον πυρήνα του οκτώ πρωτόνια και οκτώ νετρόνια, συνολικά 16 όπου αυτόν τον αριθμό τον λέμε μαζικό αριθμό και τον γράφουμε σαν εκθέτη μπροστά και πάνω από το σύμβολο του στοιχείου. Αλλά υπάρχουν και άλλα οξυγόνα που στον πυρήνα τους έχουν από 4 έως 16 νετρόνια 12Ο έως 24Ο.

Το υδρογόνο που υπάρχει στη γη είναι κατά 99.98% με τη μορφή 1Η και κατά 0,02% με τη μορφή 2Η, όπου το δεύτερο το λέμε δευτέριο ή βαρύ υδρογόνο και το συμβολίζουμε με D. Η σχετική τους αναλογία είναι 1/6400 άτομα D προς άτομα Η. Αυτά τα δύο είναι σταθερά ενώ το τρίτο (3Η ή τρίτιο ή Τ) είναι ασταθές και σιγά σιγά μετατρέπεται σε He (ήλιον).

Όλα τα οξυγόνα είναι ασταθή εκτός απο το 16Ο (99.76%), το 17Ο (0,04%) και το 18Ο (0,2%). Με αυτά τα πέντε διαφορετικά είδη σταθερών ατόμων μπορούμε να φτιάξουμε αρκετά διαφορετικά μόρια νερού, όπως: χρησιμοποιώντας μόνο το συνιθισμένο 16Ο έχουμε το Η216Ο το D216O και το ενδιάμεσο ΗD16O και άλλα τόσα με το 17Ο και άλλα τόσα με το 18Ο. Το πρώτο είναι το συνηθισμένο νερό ενώ το δεύτερο είναι το βαρύ ύδωρ.

Το βαρύ ύδωρ δεν μπορεί να επισκιάσει την αξία του νερού αλλά επάξια διατηρεί μια θέση στο πόντιουμ των σημαντικών ενώσεων λόγω της συνεισφοράς του στη πυρηνική τεχνολογία. Αφότου το δευτέριο ανακαλύφθηκε το 1932 από τον Harold Urey και του χάρισε το βραβείο Νόμπελ του 1935, το βαρύ ύδωρ παρασκευάστηκε από τον Gilbert Newton Lewis το 1933. Μια από τις πρώτες μονάδες παραγωγής βαρέως ύδατος βρίσκεται στο Πανεπιστήμιο του Ohio το 1935 όπου καταφέρνουν να παράγουν με ηλεκτρόλυση περίπου 50g εβδομαδιαίως στη τιμή των 2$ ανά γραμμάριο (36$ σε  σημερινές τιμές).

Η όλη διαδικασία είναι εξαιρετικά ηλεκτροβόρα. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι δεν παρασκευάζουμε βαρύ ύδωρ, αλλά με ηλεκτρόλυση μιας ποσότητας κοινού νερού το οποίο πάντα περιέχει ίχνη βαρέως ύδατος, απομακρύνεται το απλό υδρογόνο και παραμένει το δευτέριο. Έτσι η ηλεκτρόλυση 2700 L φυσικού ύδατος μέχρι να ληφθεί 1 L ύδατος (υπόλοιμα), θα επιφέρει εμπλουτισμό σε βαρύ ύδωρ μόνο κατά 10 φορές! Σήμερα η βιομηχανική παραγωγή βαρέος ύδατος βασίζεται σε αντιδράσεις ισοτοπικής ανταλλαγής και έτσι είναι φτηνότερο. Οι τιμές που αναφέρονται στον τιμοκατάλογο της εταιρείας Aldrich (2007-08) για συσκευασίες (αμπούλες) 10 g βαρέος ύδατος ισοτοπικής καθαρότητας 99,9%, 99,96%, 99,990% και 99,996% είναι αντίστοιχα: 20,8, 41,4, 103,5 και 152,0 ευρώ. Σε μεγαλύτερες συσκευασίες βέβαια το κόστος μειώνεται σημαντικά (π.χ. 1 kg D2O, 99,96% κοστίζει 1.350 ευρώ).

Πυρηνική τεχνολογία.

Σε τι χρησιμεύει όμως το βαρύ ύδωρ. Κατά την πυρηνική διάσπαση το ουράνιο-235 διασπάται και ελευθερώνει 3 νετρόνια:

1n + 235U → 141Ba + 92Kr + 3 1n

Αν τα νετρόνια αυτά (1n) απορροφηθούν από τρία άλλα άτομα ουρανίου-235 προχωράει η αλυσιδωτή αντίδραση και επέρχεται η πυρηνική έκρηξη. Όμως τα νετρόνια αυτά (ταχέα νετρόνια) έχουν υψηλή ενέργεια (0,10-1,00eV) και δεν απορροφούνται από το 235U. Για να απορροφηθούν θα πρέπει μα επιβραδυνθούν και να μετατραπούν σε βραδέα ή θερμικά νετρόνια με ενέργεια 0,01-0,10eV. Επιβραδυντής νετρονίων είναι το βαρύ ύδωρ, ο υπερκαθαρός γραφίτης, το βηρύλλιο και το ίδιο το νερό. Το βαρύ ύδωρ είναι μια πολύ καλή επιλογή διότι απαιτεί ουράνιο καθαρότητας 0,71% ενώ το νερό που είναι και ο καλύτερος επιβραδυντής απαιτεί εμπλουτισμένο ουράνιο 2,5%.

Στον 2ο παγκόσμιο πόλεμο κατά τη διάρκεια της κούρσας για την δημιουργία της ατομικής βόμβας ο Άξονας χρησιμοποίησε το εργοστάσιο στο Τέλεμαρκ της Νορβηγίας για την παραγωγή βαρέος ύδατος. Το εργοστάσιο αυτό κτίστηκε αρχικά το 1934 με σκοπό την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και αμμωνίας για λιπάσματα. Η επιτόπια παραγωγή φθηνής ηλεκτρικής ενέργειας από τις άφθονες υδατοπτώσεις επέτρεπε την ηλεκτρολυτική παρασκευή υδρογόνου για τη σύνθεση της αμμωνίας με τη μέθοδο Haber-Bosch.
Σύντομα διαπιστώθηκε από τους Νορβηγούς επιστήμονες ότι το εργοστάσιο μπορούσε να παραγάγει βαρύ ύδωρ, αφού ούτως ή άλλως καθημερινά ηλεκτρολύονταν μεγάλες ποσότητες φυσικού ύδατος. Έτσι, οργάνωσαν στο εργοστάσιο μια μονάδα παραγωγής και καθαρισμού βαρέος ύδατος. Η πρώτη ποσότητα βαρέος ύδατος, με ισοτοπική καθαρότητα 99%, ήταν έτοιμη τον Ιανουάριο του 1935 με κόστος μόλις 50 cent/g, περίπου το 1/10 της τότε τιμής του βαρέος ύδατος που παραγόταν στις ΗΠΑ.

Οι ήρωες του Τέλεμαρκ. 

Οι Γερμανοί, μετά την κατάληψη της Νορβηγίας αύξησαν την ετήσια παραγωγή βαρέος ύδατος της μονάδας από 20 L σε 1 τόνο. Οι Σύμμαχοι αντελήφθησαν ότι προφανώς απέβλεπαν στην κατασκευή πυρηνικών όπλων. Έτσι με μια σειρά αλλεπάλληλων επιχειρήσεων κατ' αρχάς το Νοέμβριο του 1942 με κομάντος, το Φεβρουάριο του 1943 με σαμποτάζ από τους αντάρτες και τους επιστήμονες, που είχαν σχεδιάσει τη μονάδα παραγωγής, στις 16 Νοεμβρίου 1943 με βομβαρδισμό από συμμαχικά αεροπλάνα, και τέλος με τη βύθιση του πλοίου που μετέφερε το τελευταίο φορτίο βαρέος ύδατος για τη Γερμανία στις 20 Φεβρουαρίου 1944 από Νορβηγούς σαμποτέρ, κατάφεραν να εμποδίσουν το πυρηνικό πρόγραμμα των Γερμανών μέχρι που το 1944 οι συμμαχικοί βομβαρδισμοί, κατέστρεψαν τα εργαστήρια όπου γίνονταν πειράματα με βαρύ ύδωρ, στο Βερολίνο και στο Αμβούργο. Όλη αυτή η προσπάθεια αποτέλεσε το σενάριο της βρετανικής κινηματογραφικής ταινίας παραγωγής του 1965 “Οι ήρωες του Τέλεμαρκ” με τον Κερκ Ντάγκλας.

Επιπτώσεις στα βιολογικά συστήματα

Το βαρύ ύδωρ δεν είναι τοξικό για τον άνθρωπο εκτός αν πιείτε τόσο πολύ ώστε το σώμα σας να περιέχει 40% βαρύ ύδωρ και βέβαια δεν είναι ραδιενεργό. Το σώμα του μέσου ανθρώπου πάντοτε περιέχει μια μικρή ποσότητα βαρέος ύδατος. Αν όλο το δευτέριο ήταν στη μορφή του βαρέως ύδατος θα ήταν περίπου 7,6 γραμμάρια.
Ο δεσμός υδρογόνου την περίπτωση του δευτερίου είναι ελαφρά ισχυρότερος από αυτόν του πρωτίου, και γι' αυτό επηρεάζονται τα ένζυμα, ο καταλυτικός μηχανισμών των οποίων εξαρτάται από τους δεσμούς-υδρογόνου. Έτσι επηρεάζονται βιοχημικοί μηχανισμοί και οι κιρκαδικοί ρυθμοί (circadian oscillation), δηλ. κύκλοι με περίοδο 24 ωρών καθώς και λειτουργίες των κυττάρων όπως η διαίρεση των κυττάρων με μίτωση. Τα φυτά δεν αναπτύσσονται και οι σπόροι δεν φυτρώνουν σε βαρύ ύδωρ.

Χρήσεις

Το βαρύ ύδωρ χρησιμοποιείται στη φασματοσκοπία NMR (nuclear magnetic resonance spectroscopy) όταν θέλουμε ο διαλύτης(το νερό) να μην επηρεάσει το σήμα από τα υδρογόνα του εξεταζόμενου δείγματος. Επίσης χρησιμοποιείται στην οργανική χημεία και στην φασματοσκοπία μετασχηματισμού Fourier (FTIR). Εκεί που το βαρύ ύδωρ γνώρισε την αποθέωση είναι στους πυρηνικούς αντιδραστήρες όπου χρησιμοποιείται σαν επιβραδυντής νετρονίων και μάλιστα μετά την καταστροφή του Τσερνόμπιλ όπου επιβραδυντής ήταν ο γραφίτης. Επειδή μπορεί να χρησιμοποιηθεί στα προγράμματα παραγωγής πυρηνικών όπλων η παραγωγή και διακίνηση μεγάλων βιομηχανικών ποσοτήτων βαρέως ύδατος υπόκειται σε κυβερνητικό έλεγχο και έλεγχο από την IAEA (International Atomic Energy Agency=Διεθνή οργάνωση ατομικής ενέργειας) και μόνο οι μικρές ποσότητες έως 1Kg είναι ελεύθερες.

Στο "Παρατηρητήριο Νετρίνων του Σάντμπουρι" στον Καναδά (Sudbury Neutrino Observatory), στα 2100m κάτω από την επιφάνεια της γης, χρησιμοποιούν 1000 τόνους βαρύ ύδωρ το οποίο έχουν δανειστεί απο Κρατική Εταιρία Ατομικής Ενέργειας του Καναδά. Σε αυτό το πείραμα, το βαρύ νερό όχι μόνο παρέχει το διαφανές μέσο που είναι αναγκαίο για την παραγωγή και την οπτικοποίηση της ακτινοβολίας Cherenkov, αλλά παρέχει επίσης το δευτέριο για την ανίχνευση εξωτικών νετρινών τύπου μ (μ) και ταφ (τ).

Και ο πάγος δεν επιπλέει.

Ενώ το νερό έχει πυκνότητα 1g/mL και ο πάγος 0,92g/mL και ως εκ τούτου ο πάγος επιπλέει, ο πάγος βαρέως ύδατος έχει πυκνότητα 1.02g/mL οπότε δεν επιπλέει στο κοινό ελαφρύ νερό. Απο εκεί πήρε την έμπνευση ο φωτογράφος Mike Walker και έφτιαξε την φωτογραφία της επικεφαλίδας. Μπορείτε και εσείς να το δοκιμάσετε αν με 20€ αγοράσετε 10g βαρύ ύδωρ και το βάλετε στο ψυγείο σας να παγώσει. Και παγώνει στους 4 βαθμούς Κελσίου, δηλαδή πιο εύκολα από το ελαφρύ νερό. Και κάντε και ένα βιντεάκι, έτσι επειδή σας αρέσει η Χημεία.

Πηγές:
Η χημική ένωση του μήνα υπό Θανάσης Βαλαβανίδης, Αν. Καθ - Κωνσταντίνος Ευσταθίου, Καθ

Εικόνες:
Παγος νερό βαρύς πάγος: Υπό Mike Walker
Πρώτιο και Δευτέριο - NIST (US Gov't): Protium and Deuterium – NIST (US Gov’t.), http://www.quirkyscience.com/three-isotopes-hydrogen-protium-deuterium-tritium/
Αμπούλα 5g βαρέως ύδατος: By Alchemist-hp (talk) (www.pse-mendelejew.de) - Own work, FAL, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=10728317
Ηλεκτρολυτική συσκευή Hofmann: By IIVQ from nl, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=10278031
Πυρηνική διάσπαση ουρανίου-235: Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=486924

Οι ήρωες του Τέλεμαρκ: By Source (WP:NFCC#4), Fair use, https://en.wikipedia.org/w/index.php?curid=51872639
Διεθνής οργάνωση ατομικής ενέργειας: By IAEA - Flag code: [1], Κοινό Κτήμα, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=556018
Ακτινοβολία Cherenkov: By Argonne National Laboratory - originally posted to Flickr as Advanced Test Reactor core, Idaho National LaboratoryUploaded using F2ComButton, CC BY-SA 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=27024528