Agua pesada ( óxido de deuterio ,2
H
2O , D
2O ) es una forma de agua que solo contiene deuterio (2
H o D, también conocido como hidrógeno pesado ) en lugar del isótopo común de hidrógeno-1 (1
H o H, también llamado protio ) que constituye la mayor parte del hidrógeno en el agua normal. [4] La presencia del isótopo de hidrógeno más pesado le da al agua diferentes propiedades nucleares, y el aumento de masa le da propiedades físicas y químicas ligeramente diferentes en comparación con el agua normal.
Nombres | |
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Nombre IUPAC ( 2 H 2 ) Agua [3] | |
Otros nombres | |
Identificadores | |
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Modelo 3D ( JSmol ) | |
CHEBI | |
CHEMBL | |
ChemSpider | |
Tarjeta de información ECHA | 100.029.226 |
Número CE |
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97 | |
KEGG | |
Malla | Deuterio + óxido |
PubChem CID | |
Número RTECS |
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UNII | |
Tablero CompTox ( EPA ) | |
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Propiedades | |
D 2O | |
Masa molar | 20.0276 g mol −1 |
Apariencia | Líquido incoloro |
Olor | Inodoro |
Densidad | 1,107 g mL −1 |
Punto de fusion | 3,82 ° C; 38,88 ° F; 276,97 K |
Punto de ebullición | 101,4 ° C (214,5 ° F; 374,5 K) |
Miscible | |
log P | −1,38 |
Índice de refracción ( n D ) | 1.328 |
Viscosidad | 1,25 mPa s (a 20 ° C) |
1,87 D | |
Peligros | |
NFPA 704 (diamante de fuego) | |
Salvo que se indique lo contrario, los datos se proporcionan para materiales en su estado estándar (a 25 ° C [77 ° F], 100 kPa). | |
( que es ?) | |
Referencias de Infobox | |
Explicación
El deuterio es un isótopo de hidrógeno con un núcleo que contiene un neutrón y un protón ; el núcleo de un átomo de protio (hidrógeno normal) consiste solo en un protón. El neutrón adicional produce un átomo de deuterio aproximadamente dos veces más pesado que un átomo de protio .
Una molécula de agua pesada tiene dos átomos de deuterio en lugar de los dos átomos de protio del agua "ligera" ordinaria. (En realidad, el término agua pesada tal como se define en el Libro de Oro de la IUPAC [5] también puede referirse al agua en la que una proporción mayor de lo habitual de átomos de hidrógeno son deuterio en lugar de protio. A modo de comparación, el agua ordinaria (el "agua ordinaria" utilizada para un estándar de deuterio) contiene solo alrededor de 156 átomos de deuterio por millón de átomos de hidrógeno, lo que significa que el 0.0156% de los átomos de hidrógeno son del tipo pesado. Por lo tanto, el agua pesada, según la definición del Libro de Oro, incluye óxido de hidrógeno-deuterio (HDO) y otras mezclas de D
2O , H
2O y HDO en los que la proporción de deuterio es mayor de lo habitual. Por ejemplo, el agua pesada utilizada en los reactores CANDU es una mezcla de agua altamente enriquecida que contiene principalmente óxido de deuterio D
2O , pero también algo de óxido de hidrógeno-deuterio (HDO) y una cantidad menor de óxido de hidrógeno ordinario H
2O . Está enriquecido en un 99,75% por una fracción de átomos de hidrógeno, lo que significa que el 99,75% de los átomos de hidrógeno son del tipo pesado; sin embargo, el agua pesada en el sentido del Libro de Oro no necesita estar tan enriquecida. Sin embargo, cuando este artículo usa agua pesada, significa D
2O. ) El peso de una molécula de agua pesada, sin embargo, no es sustancialmente diferente del de una molécula de agua normal, porque aproximadamente el 89% del peso molecular del agua proviene de un solo átomo de oxígeno en lugar de los dos átomos de hidrógeno.
El agua pesada no es radiactiva . En su forma pura, tiene una densidad aproximadamente un 11% mayor que el agua, pero por lo demás es física y químicamente similar. No obstante, las diversas diferencias en el agua que contiene deuterio (que afectan especialmente a las propiedades biológicas) son mayores que en cualquier otro compuesto sustituido con isótopos que se encuentran comúnmente porque el deuterio es único entre los isótopos estables pesados por ser dos veces más pesado que el isótopo más ligero. Esta diferencia aumenta la fuerza de los enlaces hidrógeno-oxígeno del agua y esto, a su vez, es suficiente para causar diferencias que son importantes para algunas reacciones bioquímicas. El cuerpo humano contiene naturalmente deuterio equivalente a unos cinco gramos de agua pesada, que es inofensivo. Cuando una gran fracción de agua (> 50%) en los organismos superiores se reemplaza por agua pesada, el resultado es la disfunción celular y la muerte. [6]
El agua pesada se produjo por primera vez en 1932, unos meses después del descubrimiento del deuterio. [7] Con el descubrimiento de la fisión nuclear a finales de 1938, y la necesidad de un moderador de neutrones que capturara pocos neutrones, el agua pesada se convirtió en un componente de las primeras investigaciones sobre energía nuclear . Desde entonces, el agua pesada ha sido un componente esencial en algunos tipos de reactores, tanto los que generan energía como los diseñados para producir isótopos para armas nucleares. Estos reactores de agua pesada tienen la ventaja de poder funcionar con uranio natural sin utilizar moderadores de grafito que plantean riesgos radiológicos [8] y de explosión de polvo [9] en la fase de desmantelamiento. La mayoría de los reactores modernos utilizan uranio enriquecido con agua corriente como moderador.
Otras formas pesadas de agua
Agua semipesada
El agua semipesada , HDO, existe siempre que haya agua con hidrógeno ligero (protio,1
H ) y deuterio (D o2
H ) en la mezcla. Esto se debe a que los átomos de hidrógeno (hidrógeno-1 y deuterio) se intercambian rápidamente entre moléculas de agua. El agua que contiene 50% de H y 50% de D en su hidrógeno en realidad contiene aproximadamente un 50% de HDO y un 25% de cada uno de H
2O y D
2O , en equilibrio dinámico . En agua normal, aproximadamente 1 molécula de cada 3200 es HDO (un hidrógeno de cada 6400 está en forma de D) y moléculas de agua pesada ( D
2O ) solo ocurren en una proporción de aproximadamente 1 molécula en 41 millones (es decir, una en 6.400 2 ). Por lo tanto, las moléculas de agua semipesadas son mucho más comunes que las moléculas de agua pesada "pura" (homoisotópica).
Agua con mucho oxígeno
Agua enriquecida con los isótopos de oxígeno más pesados. 17O y18El O también está disponible comercialmente, por ejemplo, para su uso como trazador isotópico no radiactivo . Es "agua pesada" ya que es más densa que el agua normal ( H
218
O es aproximadamente tan denso como D
2O , H
217
O está a medio camino entre H
2O y D
2O ), pero rara vez se le llama agua pesada, ya que no contiene el deuterio que le da al D 2 O sus inusuales propiedades nucleares y biológicas. Es más caro que el D 2 O debido a la separación más difícil de 17 O y 18 O. [10] El H 2 18 O también se usa para la producción de flúor-18 para radiofármacos y radiotrazadores y para tomografía por emisión de positrones .
Agua tritiada
El agua tritiada contiene tritio ( 3 H) en lugar de protio ( 1 H) o deuterio ( 2 H) y, como el tritio en sí mismo es radiactivo, el agua tritiada también es radiactiva.
Propiedades físicas
Propiedad | D 2 O (agua pesada) | HDO (agua semipesada) | H 2 O (agua ligera) |
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Punto de fusión ( presión estándar ) | 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) |
Punto de ebullición | 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) |
Densidad en STP (g / mL ) | 1.1056 | 1.054 | 0,9982 |
Temperatura. de máxima densidad | 11,6 ° C | Inconfirmado | 3,98 ° C [12] |
Viscosidad dinámica (a 20 ° C, mPa · s ) | 1.2467 | 1.1248 | 1.0016 |
Tensión superficial (a 25 ° C, N / m ) | 0.07187 | 0.07193 | 0.07198 |
Calor de fusión ( kJ / mol ) | 6.132 | 6.227 | 6.00678 |
Calor de vaporización (kJ / mol) | 41.521 | Inconfirmado | 40.657 |
pH (a 25 ° C) [13] | 7,44 ("pD") | 7.266 ("pHD") | 7.0 |
p K b (a 25 ° C) [13] | 7,44 ("p K b D 2 O") | Inconfirmado | 7.0 |
Índice de refracción (a 20 ° C, 0,5893 μm ) [14] | 1.32844 | Inconfirmado | 1.33335 |
Las propiedades físicas del agua y del agua pesada difieren en varios aspectos. El agua pesada está menos disociada que el agua ligera a una temperatura determinada, y la concentración real de iones D + es menor que la que tendrían los iones H + para una muestra de agua ligera a la misma temperatura. Lo mismo ocurre con los iones OD - frente a OH - . Para agua pesada Kw D 2 O (25,0 ° C) = 1,35 × 10 −15 , y [D + ] debe ser igual a [OD - ] para agua neutra. Por tanto, pKw D 2 O = p [OD - ] + p [D + ] = 7,44 + 7,44 = 14,87 (25,0 ° C), y el p [D + ] del agua pesada neutra a 25,0 ° C es 7,44.
El pD del agua pesada generalmente se mide usando electrodos de pH que dan un valor de pH (aparente), o pHa, y a varias temperaturas se puede estimar un pD ácido verdadero a partir del pHa medido directamente con el medidor de pH, de modo que pD + = pHa (lectura aparente de medidor de pH) + 0,41. La corrección del electrodo para condiciones alcalinas es 0.456 para agua pesada. La corrección alcalina es entonces pD + = pH a (lectura aparente del medidor de pH) + 0,456. Estas correcciones son ligeramente diferentes de las diferencias en p [D +] yp [OD-] de 0,44 de las correspondientes en agua pesada. [15]
El agua pesada es un 10,6% más densa que el agua ordinaria, y las propiedades físicamente diferentes del agua pesada se pueden ver sin equipo si se deja caer una muestra congelada en agua normal, ya que se hundirá. Si el agua está helada, también se puede observar la temperatura de fusión más alta del hielo pesado: se derrite a 3,7 ° C y, por lo tanto, no se derrite en agua normal helada. [dieciséis]
Un experimento anterior no informó de la "más mínima diferencia" en el sabor entre el agua ordinaria y pesada. [17] Un estudio ha concluido que el agua pesada tiene un sabor "claramente más dulce" para los humanos y está mediada por el receptor del gusto TAS1R2 / TAS1R3 . [18] Las ratas a las que se les dio una opción entre agua destilada normal y agua pesada pudieron evitar el agua pesada basándose en el olor, y puede tener un sabor diferente. [19] Algunas personas informan que los minerales en el agua afectan el sabor, por ejemplo, el potasio le da un sabor dulce al agua dura, pero hay muchos factores de un sabor percibido en el agua además del contenido mineral. [20]
El agua pesada carece del característico color azul del agua clara; esto se debe a que los armónicos de vibración molecular , que en agua ligera provocan una absorción débil en la parte roja del espectro visible, se desplazan hacia el infrarrojo y, por tanto, el agua pesada no absorbe la luz roja. [21]
No se enumeran propiedades físicas para el agua semipesada "pura", porque es inestable como líquido a granel. En estado líquido, algunas moléculas de agua están siempre en estado ionizado , lo que significa que los átomos de hidrógeno pueden intercambiarse entre diferentes átomos de oxígeno. El agua semipesada podría, en teoría, crearse mediante un método químico [ se necesita una explicación más detallada ] , pero se transformaría rápidamente en una mezcla dinámica de 25% de agua ligera, 25% de agua pesada y 50% de agua semipesada. Sin embargo, si se elaborara en fase gaseosa y se depositara directamente en un sólido, el agua semipesada en forma de hielo podría ser estable. Esto se debe a que las colisiones entre las moléculas de vapor de agua son casi completamente insignificantes en la fase gaseosa a temperaturas estándar, y una vez cristalizadas, las colisiones entre las moléculas cesan por completo debido a la rígida estructura reticular del hielo sólido. [ cita requerida ]
Historia
El científico estadounidense y premio Nobel Harold Urey descubrió el isótopo deuterio en 1931 y luego pudo concentrarlo en agua. [22] El mentor de Urey, Gilbert Newton Lewis, aisló la primera muestra de agua pesada pura por electrólisis en 1933. [23] George de Hevesy y Erich Hofer usaron agua pesada en 1934 en uno de los primeros experimentos de trazadores biológicos, para estimar la tasa de rotación. de agua en el cuerpo humano. [24] A continuación se describe la historia de la producción y el uso de agua pesada en grandes cantidades, en los primeros experimentos nucleares. [25] Emilian Bratu y Otto Redlich estudiaron la autodisociación del agua pesada en 1934. [26]
Efecto sobre los sistemas biológicos
Los diferentes isótopos de elementos químicos tienen comportamientos químicos ligeramente diferentes, pero para la mayoría de los elementos las diferencias son demasiado pequeñas para tener un efecto biológico. En el caso del hidrógeno, se producen mayores diferencias en las propiedades químicas entre el protio (hidrógeno ligero), el deuterio y el tritio , porque la energía del enlace químico depende de la masa reducida del sistema núcleo-electrón; esto se altera en compuestos de hidrógeno pesado (el óxido de hidrógeno-deuterio es la especie más común) más que en la sustitución de isótopos pesados que involucran a otros elementos químicos. Los efectos isotópicos son especialmente relevantes en los sistemas biológicos, que son muy sensibles incluso a los cambios más pequeños, debido a las propiedades del agua influenciadas isotópicamente cuando actúa como disolvente.
El agua pesada afecta el período de oscilaciones circadianas , aumentando constantemente la duración de cada ciclo. El efecto se ha demostrado en organismos unicelulares, plantas verdes, isópodos, insectos, pájaros, ratones y hámsteres. Se desconoce el mecanismo. [27]
Para realizar sus tareas, las enzimas se basan en sus redes de enlaces de hidrógeno finamente sintonizadas , tanto en el centro activo con sus sustratos, como fuera del centro activo, para estabilizar sus estructuras terciarias . Como un enlace de hidrógeno con deuterio es ligeramente más fuerte [28] que uno que involucra hidrógeno ordinario, en un ambiente altamente deuterado, algunas reacciones normales en las células se alteran.
Particularmente afectados por el agua pesada son los delicados conjuntos de formaciones de huso mitótico necesarios para la división celular en eucariotas . Las plantas dejan de crecer y las semillas no germinan cuando se les da solo agua pesada, porque el agua pesada detiene la división celular eucariota. [29] [30] La celda de deuterio es más grande y es una modificación de la dirección de división. [31] [32] La membrana celular también cambia y reacciona primero al impacto del agua pesada. En 1972 se demostró que un aumento en el contenido porcentual de deuterio en el agua reduce el crecimiento de las plantas. [33] La investigación realizada sobre el crecimiento de microorganismos procariotas en condiciones artificiales de un ambiente de hidrógeno pesado mostró que en este ambiente, todos los átomos de hidrógeno del agua podrían ser reemplazados por deuterio. [34] [35] [36] Los experimentos demostraron que las bacterias pueden vivir en un 98% de agua pesada. [37] Las concentraciones superiores al 50% son letales para los organismos multicelulares; sin embargo, se conocen algunas excepciones, como el pasto varilla ( Panicum virgatum ), que puede crecer con un 50% de D 2 O; [38] la planta Arabidopsis thaliana (70% D 2 O); [39] la planta Vesicularia dubyana (85% D 2 O); [40] la planta Funaria hygrometrica (90% D 2 O); [41] y la especie anhidrobiótica del nematodo Panagrolaimus superbus (casi 100% D 2 O). [42] Un estudio exhaustivo del agua pesada en la levadura de fisión Schizosaccharomyces pombe mostró que las células mostraban un metabolismo de la glucosa alterado y un crecimiento lento a altas concentraciones de agua pesada. [43] Además, las células activaron la vía de respuesta al choque térmico y la vía de integridad celular, y los mutantes en la vía de integridad celular mostraron una mayor tolerancia al agua pesada. [43]
Efecto sobre los animales
Los experimentos con ratones, ratas y perros [44] han demostrado que un grado de deuteración del 25% causa esterilidad (a veces irreversible), porque no se pueden desarrollar ni gametos ni cigotos . Las altas concentraciones de agua pesada (90%) matan rápidamente a los peces , renacuajos , gusanos planos y Drosophila . La única excepción conocida es el nematodo anhidrobiótico Panagrolaimus superbus , que es capaz de sobrevivir y reproducirse en un 99,9% de D 2 O. [42] Los mamíferos (por ejemplo, ratas ) que reciben agua pesada para beber mueren después de una semana, en un momento en que su el agua corporal se aproxima al 50% de deuteración. [45] El modo de muerte parece ser el mismo que en el envenenamiento citotóxico (como la quimioterapia ) o en el síndrome de radiación aguda (aunque el deuterio no es radiactivo), y se debe a la acción del deuterio en la inhibición general de la división celular. Es más tóxico para las células malignas que las células normales, pero las concentraciones necesarias son demasiado altas para un uso regular. [44] Como puede ocurrir con la quimioterapia, los mamíferos envenenados con deuterio mueren por insuficiencia de la médula ósea (que produce hemorragias e infecciones) y de las funciones de barrera intestinal (que producen diarrea y pérdida de líquidos ).
A pesar de los problemas de las plantas y los animales al vivir con demasiado deuterio, los organismos procariotas como las bacterias, que no tienen los problemas mitóticos inducidos por el deuterio, pueden crecer y propagarse en condiciones completamente deuteradas, lo que da como resultado el reemplazo de todos los átomos de hidrógeno en el proteínas bacterianas y ADN con el isótopo deuterio. [44] [46]
En organismos superiores, el reemplazo completo con isótopos pesados se puede lograr con otros isótopos pesados no radiactivos (como carbono-13, nitrógeno-15 y oxígeno-18), pero esto no se puede hacer para el deuterio. Esto es consecuencia de la relación de masas nucleares entre los isótopos de hidrógeno, que es mucho mayor que para cualquier otro elemento. [47]
El óxido de deuterio se usa para mejorar la terapia de captura de neutrones de boro , pero este efecto no depende de los efectos biológicos o químicos del deuterio, sino de la capacidad del deuterio para moderar (ralentizar) los neutrones sin capturarlos. [44]
Toxicidad en humanos
Debido a que se necesitaría una gran cantidad de agua pesada para reemplazar del 25% al 50% del agua corporal de un ser humano (el agua es a su vez 50-75% del peso corporal [48] ) con agua pesada, envenenamiento accidental o intencional con agua pesada el agua es poco probable hasta el punto de ser prácticamente ignorado. El envenenamiento requeriría que la víctima ingiera grandes cantidades de agua pesada sin una ingesta normal significativa de agua durante muchos días para producir efectos tóxicos notables.
En los experimentos metabólicos humanos se utilizan habitualmente dosis orales de agua pesada en el intervalo de varios gramos, así como oxígeno pesado 18 O. (Ver prueba de agua doblemente etiquetada ). Dado que uno de cada 6.400 átomos de hidrógeno es deuterio, un ser humano de 50 kg (110,23 libras) que contenga 32 kg (70,55 libras) de agua corporal normalmente contendría suficiente deuterio (alrededor de 1,1 go 0,04 oz) para producir 5,5 g (0,19 oz) de agua pesada pura, por lo que aproximadamente esta dosis se requiere para duplicar la cantidad de deuterio en el cuerpo.
Una pérdida de presión arterial puede explicar parcialmente la incidencia reportada de mareos por ingestión de agua pesada. Sin embargo, es más probable que este síntoma se pueda atribuir a una función vestibular alterada . [49]
Confusión de contaminación por radiación de agua pesada
Aunque muchas personas asocian el agua pesada principalmente con su uso en reactores nucleares, el agua pesada pura no es radiactiva. El agua pesada de calidad comercial es ligeramente radiactiva debido a la presencia de pequeñas trazas de tritio natural, pero lo mismo ocurre con el agua corriente. El agua pesada que se ha utilizado como refrigerante en plantas de energía nuclear contiene sustancialmente más tritio como resultado del bombardeo de neutrones del deuterio en el agua pesada (el tritio es un riesgo para la salud cuando se ingiere en grandes cantidades).
En 1990, un empleado descontento de la estación de generación nuclear de Point Lepreau en Canadá obtuvo una muestra (estimada en una "media taza") de agua pesada del circuito de transporte de calor primario del reactor nuclear y la cargó en un dispensador de bebidas de la cafetería. . Ocho empleados bebieron un poco del agua contaminada. El incidente se descubrió cuando los empleados comenzaron a dejar muestras de orina de bioensayo con niveles elevados de tritio . La cantidad de agua pesada involucrada estuvo muy por debajo de los niveles que podrían inducir toxicidad por agua pesada, pero varios empleados recibieron dosis elevadas de radiación de tritio y químicos activados por neutrones en el agua. [50] Este no fue un incidente de intoxicación por agua pesada, sino más bien una intoxicación por radiación de otros isótopos en el agua pesada.
Algunos servicios de noticias no tuvieron cuidado de distinguir estos puntos, y parte del público se quedó con la impresión de que el agua pesada es normalmente radiactiva y más tóxica de lo que realmente es. Incluso si se hubiera usado agua pesada pura en el enfriador de agua de manera indefinida, no es probable que el incidente se hubiera detectado o causado daño, ya que no se esperaría que ningún empleado obtenga mucho más del 25% de su agua potable diaria de dicha fuente. . [51]
Producción
En la Tierra , el agua deuterada, HDO , se encuentra naturalmente en agua normal en una proporción de aproximadamente 1 molécula en 3200. Esto significa que 1 en 6.400 átomos de hidrógeno es deuterio, que es 1 parte en 3.200 en peso (peso de hidrógeno). El HDO puede separarse del agua normal mediante destilación o electrólisis y también mediante varios procesos de intercambio químico, todos los cuales explotan un efecto isotópico cinético . Con el enriquecimiento parcial también se produce en cuerpos de agua naturales bajo condiciones particulares de evaporación. [52] (Para obtener más información sobre la distribución isotópica del deuterio en el agua, consulte Agua oceánica media estándar de Viena ). En teoría, el deuterio para el agua pesada podría crearse en un reactor nuclear, pero la separación del agua ordinaria es el proceso de producción a granel más económico. .
La diferencia de masa entre los dos isótopos de hidrógeno se traduce en una diferencia en la energía del punto cero y, por tanto, en una ligera diferencia en la velocidad de reacción. Una vez que el HDO se convierte en una fracción significativa del agua, el agua pesada se vuelve más frecuente ya que las moléculas de agua intercambian átomos de hidrógeno con mucha frecuencia. La producción de agua pesada pura por destilación o electrólisis requiere una gran cascada de alambiques o cámaras de electrólisis y consume grandes cantidades de energía, por lo que generalmente se prefieren los métodos químicos.
El proceso más rentable para producir agua pesada es el proceso de sulfuro de intercambio de temperatura dual (conocido como proceso de sulfuro de Girdler ) desarrollado en paralelo por Karl-Hermann Geib y Jerome S. Spevack en 1943. [53]
Un proceso alternativo, [54] patentado por Graham M. Keyser, utiliza láseres para disociar selectivamente hidrofluorocarbonos deuterados para formar fluoruro de deuterio , que luego puede separarse por medios físicos. Aunque el consumo de energía para este proceso es mucho menor que para el proceso de sulfuro de Girdler, este método es actualmente antieconómico debido al costo de obtener los hidrofluorocarbonos necesarios.
Como se señaló, el agua pesada comercial moderna se denomina y se vende casi universalmente como óxido de deuterio . Se vende con mayor frecuencia en varios grados de pureza, desde un 98% de enriquecimiento hasta un 99,75% a 99,98% de enriquecimiento de deuterio (grado de reactor nuclear) y, en ocasiones, una pureza isotópica incluso mayor.
Argentina
Argentina es el principal productor de agua pesada, utilizando una planta basada en el intercambio de amoníaco / hidrógeno suministrada por la empresa suiza Sulzer . También es un importante exportador a Canadá, Alemania, Estados Unidos y otros países. La instalación de producción de agua pesada ubicada en Arroyito es la instalación de producción de agua pesada más grande del mundo. Argentina produce 200 toneladas cortas (180 toneladas) de agua pesada por año [ ¿período de tiempo? ] utilizando no el método bitérmico H 2 S, sino el intercambio isotópico monotérmico amoniaco-hidrógeno . [55] [56] [57] [58] [59]
Unión Soviética
En octubre de 1939, los físicos soviéticos Yakov Borisovich Zel'dovich y Yulii Borisovich Khariton concluyeron que el agua pesada y el carbono eran los únicos moderadores factibles para un reactor de uranio natural, y en agosto de 1940, junto con Georgy Flyorov , presentaron un plan a la Academia Rusa de Ciencias calculando que se necesitaban 15 toneladas de agua pesada para un reactor. Dado que la Unión Soviética no tenía minas de uranio en ese momento, los jóvenes trabajadores de la Academia fueron enviados a las tiendas de fotografía de Leningrado para comprar nitrato de uranio, pero todo el proyecto de agua pesada se detuvo en 1941 cuando las fuerzas alemanas invadieron durante la Operación Barbarroja .
En 1943, los científicos soviéticos habían descubierto que toda la literatura científica relacionada con el agua pesada había desaparecido de Occidente, sobre lo que Flyorov advirtió en una carta al líder soviético Joseph Stalin , [60] y en ese momento había solo 2-3 kg de agua pesada en todo el país. A finales de 1943, la comisión de compras soviética en los EE. UU. Obtuvo 1 kg de agua pesada y otros 100 kg en febrero de 1945, y al final de la Segunda Guerra Mundial , la NKVD se hizo cargo del proyecto.
En octubre de 1946, como parte de los Alsos rusos , la NKVD deportó a la Unión Soviética desde Alemania a los científicos alemanes que habían trabajado en la producción de agua pesada durante la guerra, incluido Karl-Hermann Geib , el inventor del proceso de sulfuro de Girdler . [61] Estos científicos alemanes trabajaron bajo la supervisión del químico físico alemán Max Volmer en el Instituto de Química Física de Moscú con la planta que construyeron produciendo grandes cantidades de agua pesada en 1948. [53] [62]
Estados Unidos
Durante el Proyecto Manhattan, Estados Unidos construyó tres plantas de producción de agua pesada como parte del Proyecto P-9 en Morgantown Ordnance Works, cerca de Morgantown, West Virginia ; en Wabash River Ordnance Works, cerca de Dana y Newport, Indiana ; y en Alabama Ordnance Works, cerca de Childersburg y Sylacauga, Alabama . También se adquirió agua pesada de la planta de Cominco en Trail, Columbia Británica , Canadá. El reactor experimental Chicago Pile-3 utilizó agua pesada como moderador y se volvió crítico en 1944. Las tres plantas de producción doméstica se cerraron en 1945 después de producir alrededor de 20 toneladas métricas (20.000 litros) de producto. [ cita requerida ] La planta de Wabash fue reabierta y comenzó a reanudarse la producción de agua pesada en 1952.
En 1953, Estados Unidos comenzó a utilizar agua pesada en reactores de producción de plutonio en el sitio del río Savannah . El primero de los cinco reactores de agua pesada entró en funcionamiento en 1953, y el último se apagó en frío en 1996. Los reactores SRS eran reactores de agua pesada para que pudieran producir plutonio y tritio para el programa de armas nucleares de Estados Unidos.
Estados Unidos desarrolló el proceso de producción de intercambio químico de sulfuro de Girdler , que se demostró por primera vez a gran escala en la planta de Dana, Indiana en 1945 y en la planta de Savannah River, Carolina del Sur en 1952. DuPont operó el SRP para el USDOE hasta el 1 de abril de 1989 , cuando Westinghouse se hizo cargo.
India
India es uno de los mayores productores de agua pesada del mundo a través de su Junta de Agua Pesada y también exporta a países como la República de Corea y los EE. UU. El desarrollo del proceso de agua pesada en la India se llevó a cabo en tres fases: la primera fase (finales de la década de 1950 hasta mediados de la de 1980) fue un período de desarrollo tecnológico, la segunda fase fue de implementación de tecnología y estabilización de procesos (de mediados de la década de 1980 a principios de la de 1990) y La tercera fase vio la consolidación y un cambio hacia la mejora en la producción y la conservación de energía. [ cita requerida ] [ aclaración necesaria ]
Imperio de Japón
En la década de 1930, Estados Unidos y la Unión Soviética sospechaban que el químico austríaco Fritz Johann Hansgirg construyó una planta piloto para el Imperio de Japón en el norte de Corea del norte de Japón para producir agua pesada mediante el uso de un nuevo proceso que había inventado. [63]
Noruega
En 1934, Norsk Hydro construyó la primera planta comercial de agua pesada en Vemork , Tinn , y finalmente produjo 4 kilogramos (8,8 libras) por día. [64] Desde 1940 y durante la Segunda Guerra Mundial , la planta estuvo bajo control alemán y los Aliados decidieron destruir la planta y su agua pesada para inhibir el desarrollo alemán de armas nucleares. A finales de 1942, una incursión planificada llamada Operación Freshman por parte de las tropas aerotransportadas británicas fracasó y ambos planeadores se estrellaron. Los asaltantes murieron en el accidente o posteriormente fueron ejecutados por los alemanes.
En la noche del 27 de febrero de 1943, la Operación Gunnerside tuvo éxito. Los comandos noruegos y la resistencia local lograron demoler partes pequeñas pero clave de las celdas electrolíticas, arrojando el agua pesada acumulada por los desagües de la fábrica. [sesenta y cinco]
El 16 de noviembre de 1943, las fuerzas aéreas aliadas lanzaron más de 400 bombas en el lugar. El ataque aéreo aliado llevó al gobierno nazi a trasladar toda el agua pesada disponible a Alemania para su custodia. El 20 de febrero de 1944, un partisano noruego hundió el ferry M / F Hydro que transportaba agua pesada a través del lago Tinn , a costa de 14 vidas de civiles noruegos, y presumiblemente se perdió la mayor parte del agua pesada. Algunos de los barriles solo estaban medio llenos y, por lo tanto, podían flotar y pueden haber sido rescatados y transportados a Alemania.
Una investigación reciente de los registros de producción en Norsk Hydro y el análisis de un barril intacto que fue rescatado en 2004 revelaron que aunque los barriles en este envío contenían agua de pH 14, indicativo del proceso de refinamiento electrolítico alcalino, no contenían altas concentraciones de D 2 O. [66] A pesar del tamaño aparente del envío, la cantidad total de agua pesada pura era bastante pequeña, la mayoría de los barriles sólo contenían entre un 0,5 y un 1% de agua pesada pura. Los alemanes habrían necesitado un total de unas 5 toneladas de agua pesada para poner en funcionamiento un reactor nuclear. El manifiesto indicaba claramente que solo se transportaba media tonelada de agua pesada a Alemania. Hydro transportaba muy poca agua pesada para un reactor, y mucho menos las 10 o más toneladas necesarias para producir suficiente plutonio para un arma nuclear. [66]
Israel admitió haber hecho funcionar el reactor Dimona con agua pesada noruega que se le vendió en 1959. Mediante la reexportación con Rumania y Alemania, la India probablemente también utilizó agua pesada noruega. [67] [68]
Canadá
Como parte de su contribución al Proyecto Manhattan , Canadá construyó y operó una planta de agua pesada electrolítica de 1,000 libras (450 kg) a 1,200 libras (540 kg) por mes (capacidad de diseño) en Trail, Columbia Británica , que comenzó a operar en 1943. [69]
El diseño del reactor de potencia Atomic Energy of Canada Limited (AECL) requiere grandes cantidades de agua pesada para actuar como moderador de neutrones y refrigerante. AECL encargó dos plantas de agua pesada, que fueron construidas y operadas en el Atlántico canadiense en Glace Bay , Nueva Escocia (por Deuterium of Canada Limited) y Port Hawkesbury , Nueva Escocia (por General Electric Canadá). Estas plantas demostraron tener importantes problemas de diseño, construcción y producción. En consecuencia, AECL construyó la planta de agua pesada Bruce (44 ° 11′07 ″ N 81 ° 21′42 ″ W / 44.1854 ° N 81.3618 ° W / 44.1854; -81.3618 ( Planta de agua pesada Bruce )), [70] que luego vendió a Ontario Hydro , para garantizar un suministro fiable de agua pesada para futuras centrales eléctricas. Las dos plantas de Nueva Escocia se cerraron en 1985 cuando su producción resultó innecesaria.
La planta de agua pesada de Bruce (BHWP) en Ontario fue la planta de producción de agua pesada más grande del mundo con una capacidad de 1600 toneladas por año en su punto máximo (800 toneladas por año por planta llena, dos plantas en pleno funcionamiento en su punto máximo). Usó el proceso de sulfuro de Girdler para producir agua pesada y requirió 340.000 toneladas de agua de alimentación para producir una tonelada de agua pesada. Formaba parte de un complejo que incluía ocho reactores CANDU , que proporcionaban calor y energía a la planta de agua pesada. El sitio estaba ubicado en Douglas Point / Bruce Nuclear Generating Station cerca de Tiverton, Ontario, en el lago Huron, donde tenía acceso a las aguas de los Grandes Lagos . [71]
AECL emitió el contrato de construcción en 1969 para la primera unidad BHWP (BHWP A). Ontario Hydro realizó la puesta en servicio del BHWP A desde 1971 hasta 1973, y la planta entró en servicio el 28 de junio de 1973 y la capacidad de producción de diseño se logró en abril de 1974. Debido al éxito del BHWP A y la gran cantidad de agua pesada que Para el gran número de proyectos de construcción de plantas de energía nuclear CANDU planificados para el futuro, Ontario Hydro encargó tres plantas de producción de agua pesada adicionales para el sitio de Bruce (BHWP B, C y D). BHWP B se puso en servicio en 1979. Estas dos primeras plantas fueron significativamente más eficientes de lo planeado, y el número de proyectos de construcción de CANDU terminó siendo significativamente menor de lo planeado originalmente, lo que llevó a la cancelación de la construcción en BHWP C & D. En 1984 BHWP A fue cerrado. Para 1993, Ontario Hydro había producido suficiente agua pesada para satisfacer todas sus necesidades domésticas anticipadas (que eran más bajas de lo esperado debido a una mayor eficiencia en el uso y reciclaje de agua pesada), por lo que cerraron y demolieron la mitad de la capacidad de BHWP B La capacidad restante continuó operando para satisfacer la demanda de exportación de agua pesada hasta que se cerró definitivamente en 1997, luego de lo cual la planta fue desmantelada gradualmente y el sitio fue despejado. [72] [73]
Actualmente, AECL está investigando otros procesos más eficientes y ambientalmente benignos para crear agua pesada. Esto es relevante para los reactores CANDU ya que el agua pesada representó alrededor del 15-20% del costo de capital total de cada planta CANDU en las décadas de 1970 y 1980. [73]
Iran
Desde 1996 se estaba construyendo una planta para la producción de agua pesada en Khondab, cerca de Arak . [74] El 26 de agosto de 2006, el presidente iraní Ahmadinejad inauguró la ampliación de la planta de agua pesada del país. Irán ha indicado que la instalación de producción de agua pesada funcionará en conjunto con un reactor de investigación de 40 MW que tenía una fecha de finalización prevista para 2009. [75] [76]
Irán produjo disolventes deuterados a principios de 2011 por primera vez. [77]
Se supone que el núcleo del IR-40 se rediseñará sobre la base del acuerdo nuclear de julio de 2015.
A Irán se le permite almacenar solo 130 toneladas (140 toneladas cortas ) de agua pesada. [78] Irán exporta el exceso de producción después de superar su asignación, lo que convierte a Irán en el tercer exportador mundial de agua pesada. [79] [80]
Pakistán
El 50 MW XX agua pesada y el reactor de investigación de uranio natural en Khushab, en la provincia de Punjab, es un elemento central del programa de Pakistán para la producción de plutonio, deuterio y tritio para ojivas compacta avanzada (es decir termonucleares armas ). Pakistán logró adquirir una planta de purificación y almacenamiento de tritio y materiales precursores de deuterio y tritio de dos empresas alemanas. [81]
Otros paises
Rumania solía producir agua pesada en la planta de sulfuro de Drobeta Girdler, ahora clausurada , para fines domésticos y de exportación. [82]
Francia operó una pequeña planta durante las décadas de 1950 y 1960. [ cita requerida ]
Existe agua pesada en concentraciones elevadas en el hipolimnion del lago Tanganica en África oriental . [83] Es probable que existan concentraciones elevadas similares en lagos con limnología similar , pero esto es solo un 4% de enriquecimiento (24 vs 28) [84] y las aguas superficiales generalmente están enriquecidas en D
2O por evaporación en un grado aún mayor por H más rápido
2O evaporación.
Aplicaciones
Resonancia magnética nuclear
El óxido de deuterio se usa en espectroscopía de resonancia magnética nuclear cuando se usa agua como solvente si el nucleido de interés es hidrógeno. Esto se debe a que la señal de las moléculas de disolvente de agua ligera ( 1 H 2 O) interfiere con la señal de la molécula de interés disuelta en ella. El deuterio tiene un momento magnético diferente y, por lo tanto, no contribuye a la señal de 1 H-NMR en la frecuencia de resonancia de hidrógeno-1.
Para algunos experimentos, puede ser deseable identificar los hidrógenos lábiles en un compuesto, es decir, los hidrógenos que pueden intercambiarse fácilmente como iones H + en algunas posiciones de una molécula. Con la adición de D 2 O, a veces denominado agitación de D 2 O , los hidrógenos lábiles se intercambian y son sustituidos por átomos de deuterio ( 2 H). Estas posiciones en la molécula no aparecen entonces en el espectro de 1 H-NMR.
Química Orgánica
El óxido de deuterio se utiliza a menudo como fuente de deuterio para preparar isotopólogos de compuestos orgánicos marcados específicamente . Por ejemplo, los enlaces CH adyacentes a los grupos carbonilo cetónicos se pueden reemplazar por enlaces CD, usando catálisis ácida o básica. El yoduro de trimetilsulfoxonio , elaborado a partir de dimetilsulfóxido y yoduro de metilo, puede recristalizarse en óxido de deuterio y luego disociarse para regenerar yoduro de metilo y dimetilsulfóxido, ambos marcados con deuterio. En los casos en los que se contempla un marcado doble específico por deuterio y tritio, el investigador debe ser consciente de que el óxido de deuterio, dependiendo de la edad y el origen, puede contener algo de tritio.
Espectroscopia infrarroja
El óxido de deuterio se usa a menudo en lugar de agua cuando se recolectan espectros FTIR de proteínas en solución. El H 2 O crea una banda fuerte que se superpone con la región amida I de las proteínas. La banda de D 2 O se aleja de la región de amida I.
Moderador de neutrones
El agua pesada se utiliza en ciertos tipos de reactores nucleares , donde actúa como moderador de neutrones para ralentizar los neutrones de modo que sea más probable que reaccionen con el uranio-235 fisionable que con el uranio-238 , que captura los neutrones sin fisionarse. El reactor CANDU utiliza este diseño. El agua ligera también actúa como moderador, pero debido a que el agua ligera absorbe más neutrones que el agua pesada, los reactores que utilizan agua ligera como moderador del reactor deben utilizar uranio enriquecido en lugar de uranio natural; de lo contrario, la criticidad es imposible. Una fracción significativa de los reactores de potencia obsoletos, como los reactores RBMK en la URSS, se construyó utilizando agua normal para enfriar pero grafito como moderador . Sin embargo, el peligro del grafito en los reactores de potencia (los incendios de grafito condujeron en parte al desastre de Chernobyl ) ha llevado a la descontinuación del grafito en los diseños de reactores estándar.
Debido a que no requieren enriquecimiento de uranio , los reactores de agua pesada son una preocupación mayor en lo que respecta a la proliferación nuclear . La cría y extracción de plutonio puede ser una vía relativamente rápida y barata para construir un arma nuclear , ya que la separación química del plutonio del combustible es más fácil que la separación isotópica del U-235 del uranio natural. Entre los estados con armas nucleares actuales y pasados , Israel, India y Corea del Norte [85] utilizaron por primera vez plutonio de reactores moderados por agua pesada que queman uranio natural , mientras que China, Sudáfrica y Pakistán construyeron armas por primera vez utilizando uranio altamente enriquecido .
En los Estados Unidos, sin embargo, el primer reactor atómico experimental (1942), así como los reactores de producción del Proyecto Manhattan Hanford que produjeron el plutonio para la prueba Trinity y las bombas Fat Man , utilizaron moderadores de neutrones de carbono puro (grafito) combinados con agua normal. tubos de enfriamiento. Funcionaban sin uranio enriquecido ni con agua pesada. La producción de plutonio de Rusia y Gran Bretaña también utilizó reactores moderados por grafito.
No hay evidencia de que se hayan utilizado reactores civiles de energía de agua pesada, como los diseños CANDU o Atucha , para producir materiales fisionables militares. En las naciones que aún no poseen armas nucleares, el material nuclear en estas instalaciones está bajo las salvaguardias del OIEA para desalentar cualquier desvío.
Debido a su potencial de uso en programas de armas nucleares , la posesión o importación / exportación de grandes cantidades industriales de agua pesada está sujeta al control gubernamental en varios países. Los proveedores de agua pesada y tecnología de producción de agua pesada suelen aplicar las salvaguardias administradas por el OIEA (Organismo Internacional de Energía Atómica) y la contabilidad de materiales al agua pesada. (En Australia, la Ley de No Proliferación Nuclear (Salvaguardias) de 1987 ). En los EE. UU. Y Canadá, las cantidades no industriales de agua pesada (es decir, en el rango de gramos a kg) están disponibles de forma rutinaria sin una licencia especial a través de distribuidores de suministro de productos químicos y empresas comerciales como Ontario Hydro, el ex mayor productor mundial .
Detector de neutrinos
El Observatorio de Neutrinos de Sudbury (SNO) en Sudbury , Ontario , utiliza 1.000 toneladas de agua pesada en préstamo de Atomic Energy of Canada Limited . El detector de neutrinos se encuentra a 2.100 m bajo tierra en una mina, para protegerlo de los muones producidos por los rayos cósmicos . SNO fue construido para responder a la pregunta de si los neutrinos de tipo electrónico producidos por fusión en el Sol (el único tipo que el Sol debería producir directamente, según la teoría) podrían convertirse en otros tipos de neutrinos en el camino hacia Tierra. SNO detecta la radiación de Cherenkov en el agua a partir de electrones de alta energía producidos a partir de neutrinos de tipo electrónico a medida que experimentan interacciones de corriente cargada (CC) con neutrones en el deuterio , convirtiéndolos en protones y electrones (sin embargo, solo los electrones son lo suficientemente rápidos para producir Radiación de Cherenkov para detección).
SNO también detecta eventos de dispersión de electrones de neutrinos (ES), donde el neutrino transfiere energía al electrón, que luego procede a generar radiación de Cherenkov distinguible de la producida por eventos CC. La primera de estas dos reacciones es producida solo por neutrinos de tipo electrónico, mientras que la segunda puede ser causada por todos los sabores de neutrinos. El uso de deuterio es fundamental para la función SNO, porque los tres "sabores" (tipos) de neutrinos [86] pueden detectarse también en un tercer tipo de reacción, la desintegración de neutrinos, en la que un neutrino de cualquier tipo (electrón , muón o tau) se dispersa desde un núcleo de deuterio ( deuterón ), transfiriendo suficiente energía para romper el deuterón débilmente unido en un neutrón y un protón libres a través de una interacción de corriente neutra (NC).
Este evento se detecta cuando el neutrón libre es absorbido por 35 Cl - presente de NaCl disuelto deliberadamente en el agua pesada, provocando la emisión de rayos gamma de captura característicos. Por lo tanto, en este experimento, el agua pesada no solo proporciona el medio transparente necesario para producir y visualizar la radiación de Cherenkov, sino que también proporciona deuterio para detectar neutrinos exóticos tipo mu (μ) y tau (τ), así como un moderador no absorbente. medio para preservar los neutrones libres de esta reacción, hasta que puedan ser absorbidos por un isótopo activado por neutrones fácilmente detectado.
Pruebas de tasa metabólica en fisiología y biología.
Se emplea agua pesada como parte de una mezcla con H 2 18 O para una prueba común y segura de la tasa metabólica media en humanos y animales que realizan sus actividades normales.
Producción de tritio
El tritio es la sustancia activa en la iluminación autoalimentada y la fusión nuclear controlada, sus otros usos incluyen la autorradiografía y el etiquetado radiactivo . También se utiliza en el diseño de armas nucleares para iniciadores y armas de fisión potenciadas . Algo de tritio se crea en reactores moderados por agua pesada cuando el deuterio captura un neutrón. Esta reacción tiene una sección transversal pequeña (probabilidad de un solo evento de captura de neutrones) y produce solo pequeñas cantidades de tritio, aunque lo suficiente para justificar la limpieza del tritio del moderador cada pocos años para reducir el riesgo ambiental de escape de tritio.
La producción de una gran cantidad de tritio de esta manera requeriría reactores con flujos de neutrones muy altos, o con una proporción muy alta de agua pesada a combustible nuclear y una absorción de neutrones muy baja por otro material del reactor. Entonces, el tritio tendría que recuperarse mediante separación de isótopos de una cantidad mucho mayor de deuterio, a diferencia de la producción a partir de litio-6 (el presente método), donde solo se necesita la separación química.
La sección transversal de absorción de deuterio para neutrones térmicos es de 0,52 mili graneros (5,2 × 10 -32 m 2 ; 1 granero = 10 -28 m 2 ), mientras que los de oxígeno-16 y oxígeno-17 son de 0,19 y 0,24 millibarns, respectivamente. El 17 O constituye el 0.038% del oxígeno natural , lo que hace que la sección transversal total sea de 0.28 milibarns. Por lo tanto, en D 2 O con oxígeno natural, el 21% de las capturas de neutrones se realizan en oxígeno, aumentando más a medida que el 17 O se acumula a partir de la captura de neutrones en el 16 O. Además, el 17 O puede emitir una partícula alfa en la captura de neutrones, produciendo carbono radiactivo. 14 .
Ver también
- Fusión fría
- Agua empobrecida en deuterio
- Hielo interestelar
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enlaces externos
- Agua pesada y agua pesada - Parte II en la tabla periódica de videos (Universidad de Nottingham)
- Producción de agua pesada , Federación de científicos estadounidenses
- Agua pesada: una guía del fabricante para el siglo del hidrógeno
- ¿Es peligrosa la "agua pesada"? Informe del personal de Straight Dope. 9 de diciembre de 2003
- Bibliografía comentada para agua pesada de la Biblioteca digital de Alsos para cuestiones nucleares
- Se supone que el hielo flota, pero con un poco de agua pesada puedes hacer cubos que se hundan
- Efectos isotópicos del agua pesada en objetos biológicos Oleg Mosin, Ignat Ignatov
- J. Chem. Phys. 41 de febrero de 1964
- MOU entre HWB y M / s Clearsynth MOU entre HWB y M / s Clearsynth, Mumbai para la venta de 20 toneladas de agua pesada en un año para sus aplicaciones no nucleares.