Bugün öğrendim ki: hidrojen atomlarının hepsinin Döteryum (D2O) olduğu bir su formu vardır. Bu, normal sudan daha ağır olmasına ve ona farklı fiziksel ve kimyasal özellikler kazandırmasına neden olur
Suyun Formu
Sert su veya Tritiyumlu su ile karıştırılmamalıdır.
Ağır su IUPAC adı
(2H2)Su[4]
Diğer isimler
Döteryum oksit[1]
Su-d2[2]
Dideteryum monoksit
Döteryumlu su[3]
Tanımlayıcılar
7789-20-0 Y
3B Model (JSmol)
ChEBI
CHEBI:41981 Y
ChEMBL
ChEMBL1232306 Y
ChemSpider
23004 Y
ECHA Bilgi Kartı 100.029.226 EC Numarası
232-148-9
97 KEGG
D03703 Y
MeSH Döteryum+Oksit
PubChem CID
RTECS numarası
ZC0230000
UNII
J65BV539M3 Y
CompTox Gösterge Paneli (EPA)
InChI=1S/H2O/h1H2/i/hD2 N
Anahtar: XLYOFNOQVPJJNP-ZSJDYOACSA-N N
[2H]O[2H]
Özellikler D
2O Molar kütle 20.0276 g mol−1 Görünüm Renksiz sıvı Koku Kokusuz Yoğunluk 1.107 g mL−1 Erime noktası 3.82 °C; 38.88 °F; 276.97 K Kaynama noktası 101.4 °C (214.5 °F; 374.5 K) Karışabilir log P −1.38
Kırılma indisi (nD)
1.328 Viskozite 1.25 mPa s (20 °C'de) 1.87 D Tehlikeler NFPA 704 (yangın elması)
Aksi belirtilmedikçe veriler, maddeler için standart halde (25 °C [77 °F], 100 kPa) verilmiştir.
N (YN nedir?)
Kimyasal bileşik
Ağır su (döteryum oksit, 2
H
2O, D
2O), hidrojen atomlarının hepsi döteryum (2
H veya D, ayrıca ağır hidrojen olarak bilinir) olan, normal suyun çoğunu oluşturan yaygın hidrojen-1 izotopu (1
H, ayrıca protiyum olarak adlandırılır) yerine olan su formudur.[3] Daha ağır izotopun varlığı suya farklı nükleer özellikler kazandırır ve kütle artışı, normal su ile karşılaştırıldığında fiziksel ve kimyasal özelliklerini biraz değiştirir.
Döteryum, ağır bir hidrojen izotopudur. Ağır su, döteryum atomları içerir ve nükleer reaktörlerde kullanılır. Yarı ağır su (HDO), saf ağır sudan daha yaygındır, ağır oksijenli su daha yoğundur ancak benzersiz özelliklere sahip değildir. Tritiyumlu su, tritiyum içeriğinden dolayı radyoaktiftir.
Ağır su, %10.6 daha yoğun olması ve daha yüksek bir erime noktasına sahip olması gibi normal sudan farklı fiziksel özelliklere sahiptir. Ağır su, belirli bir sıcaklıkta daha az ayrışır ve normal suyun hafif mavi rengine sahip değildir. Önemli bir tat farkı olmasa da, hafif tatlı olabilir. Ağır su, ökaryotik hücrelerde enzimleri, hidrojen bağlarını ve hücre bölünmesini değiştirerek biyolojik sistemleri etkiler. %50'den fazla konsantrasyonlarda çok hücreli organizmalar için ölümcül olabilir. Bununla birlikte, bazı bakteri gibi prokaryotik organizmalar ağır hidrojen ortamında hayatta kalabilir. Ağır su, insanlar için toksik olabilir, ancak zehirlenmenin gerçekleşmesi için büyük miktarda su gerekir.
Ağır su üretmek için en uygun maliyetli işlem Girdler sülfür işlemidir. Ağır su, çeşitli endüstrilerde kullanılır ve farklı saflık derecelerinde satılır. Uygulamaları arasında nükleer manyetik rezonans, kızılötesi spektroskopisi, nötron yavaşlatma, nötrino algılama, metabolik hız testi, nötron yakalama tedavisi ve plütonyum ve tritiyum gibi radyoaktif maddelerin üretimi yer alır.
Kompozisyon
[düzenle]
Döteryum çekirdeği, bir nötron ve bir protondan oluşur; bir protiyumun (normal hidrojen) çekirdeği sadece bir protondan oluşur. Ek nötron, bir döteryum atomunu bir protiyum atomundan yaklaşık iki kat daha ağır yapar.
Bir ağır su molekülü, sıradan suyun iki protiyum atomunun yerine iki döteryum atomuna sahiptir. IUPAC Altın Kitabı tarafından tanımlandığı gibi ağır su terimi[5], hidrojen atomlarının alışılmadık şekilde yüksek oranda döteryum olduğu suya da işaret edebilir. Karşılaştırma amacıyla, Viyana Standart Ortalama Okyanus Suyu ("sıradan su", döteryum standardı için kullanılır), milyon hidrojen atomu başına yaklaşık 156 döteryum atomu içerir; yani hidrojen atomlarının %0,0156'sı 2H'tir. Bu nedenle Altın Kitap tarafından tanımlanan ağır su, yarı ağır suyu (hidrojen-döteryum oksit, HDO) ve D
2O, H
2O ve HDO karışımlarını içerir, bu karışımların döteryum oranı normalden daha yüksektir. Örneğin, CANDU reaktörlerinde kullanılan ağır su, çoğunlukla döteryum oksit D
2O olan, ancak bazı hidrojen-döteryum oksit ve daha az miktarda sıradan su H
2O içeren, yüksek oranda zenginleştirilmiş bir su karışımıdır. Hidrojen atom fraksiyonu olarak %99,75 zenginleştirilmiştir; yani hidrojen atomlarının %99,75'i ağır tiptir; ancak Altın Kitap anlamında ağır su bu kadar yüksek oranda zenginleştirilmiş olmak zorunda değildir. Bununla birlikte, bir ağır su molekülünün ağırlığı, normal bir su molekülünün ağırlığından çok farklı değildir, çünkü molekülün kütlesinin yaklaşık %89'u, iki hidrojenden ziyade tek oksijen atomundan gelir.
Ağır su radyoaktif değildir. Saf formunda, suya göre yaklaşık %11 daha yüksek bir yoğunluğa sahiptir, ancak aksi takdirde fiziksel ve kimyasal olarak benzerdir. Bununla birlikte, döteryum içeren suda (özellikle biyolojik özellikleri etkileyen) çeşitli farklılıklar, yaygın olarak görülen diğer izotopik olarak değiştirilmiş bileşiklerden daha fazladır, çünkü döteryum, en hafif izotoptan iki kat daha ağır olması nedeniyle diğer ağır kararlı izotoplar arasında benzersizdir. Bu fark, suyun hidrojen-oksijen bağlarının gücünü artırır ve bu da bazı biyokimyasal reaksiyonlar için önemli farklılıklara neden olmaya yeter. İnsan vücudu doğal olarak yaklaşık beş gram ağır suya eşdeğer döteryum içerir ve bu zararsızdır. Daha yüksek organizmalardaki suyun büyük bir kısmı (%50'den fazla) ağır su ile değiştirildiğinde, hücre disfonksiyonu ve ölüm meydana gelir.[6]
Ağır su ilk olarak 1932'de, döteryumun keşfinden birkaç ay sonra üretildi.[7] 1938'in sonlarında nükleer fisyonun keşfiyle ve çok az nötron yakalayan bir nötron yavaşlatıcıya olan ihtiyaçla ağır su, erken nükleer enerji araştırmalarının bir bileşeni haline geldi. O zamandan beri ağır su, hem enerji üreten hem de nükleer silahlar için izotop üretmek üzere tasarlanan bazı reaktör türlerinde temel bir bileşen olmuştur. Bu ağır su reaktörleri, radyolojik[8] ve toz patlaması[9] tehlikeleri oluşturan grafit yavaşlatıcılar kullanmadan doğal uranyumda çalışabilme avantajına sahiptirler. Grafitle yavaşlatılmış Sovyet RBMK tasarımı, zenginleştirilmiş uranyum veya ağır su kullanmaktan kaçınmaya çalıştı (bunun yerine sıradan suyla soğutuluyordu) ve bu da Çernobil felaketine yol açan reaktör tasarımındaki bir dizi eksiklikten biri olan pozitif boşluk katsayısını üretti. Çoğu modern reaktör, yavaşlatıcı olarak sıradan su ile zenginleştirilmiş uranyum kullanır.
Suyun diğer ağır formları
[düzenle]
Yarı ağır su
[düzenle]
Yarı ağır su, HDO, hafif hidrojen (protiyum, 1
H) ve döteryum (D veya 2
H) olan su bulunduğunda meydana gelir. Bunun nedeni, hidrojen atomlarının (1H ve 2H) su molekülleri arasında hızla değiştirilmesidir. Hidrojeninde %50 1
H ve %50 2
H içeren su, aslında yaklaşık %50 HDO ve %25 H
2O ve D
2O'dur, dinamik bir dengededir. Normal suda, yaklaşık 3.200 molekülde 1'i HDO'dur (6.400'de bir hidrojen 2
H'tir) ve ağır su molekülleri (D
2O) sadece yaklaşık 41 milyonda 1 molekül oranında bulunur (yani 6.4002'de bir).[kaynak göster] Bu nedenle yarı ağır su molekülleri, "saf" (homoizotopik) ağır su moleküllerinden çok daha yaygındır.
Ağır oksijenli su
[düzenle]
Daha ağır oksijen izotopları olan 17
O ve 18
O ile zenginleştirilmiş su da ticari olarak mevcuttur. Normal sudan (H
218
O, yaklaşık D
2O kadar yoğun, H
217
O, yaklaşık H
2O ve D
2O'nun ortasında kalır) daha yoğun olduğu için "ağır sudur" - ancak nadiren ağır su olarak adlandırılır, çünkü D2O'ya alışılmadık nükleer ve biyolojik özelliklerini veren döteryum fazlalığını içermez. 17O ve 18O'nun daha zor ayrılması nedeniyle D2O'dan daha pahalıdır.[10] H218O, ayrıca radyofarmasötikler ve radyo izleyicilerde flor-18 ve pozitron emisyon tomografisi üretiminde kullanılır. 17
O ve 18
O, suda doğal olarak bulunur ve ağır suyu zenginleştiren çoğu işlem, bir yan etki olarak oksijenin daha ağır izotoplarını da zenginleştirir. Ağır su, nükleer reaktörlerde nötron yavaşlatıcı olarak kullanılacaksa bu istenmeyen bir durumdur, çünkü 17
O, bir alfa parçacığı salınmasıyla takip edilen nötron yakalama reaksiyonuna girebilir ve radyoaktif 14
C üretir. Bununla birlikte, ağır oksijen ve hidrojen içeren çift etiketli su, radyoaktif olmayan bir izotopik izleyici olarak faydalıdır.
Hidrojen atomlarının izotopik değişimine kıyasla oksijenin izotopik değişiminin fiziksel özellikler üzerinde daha küçük bir etkisi vardır.[11]
Tritiyumlu su
[düzenle]
Tritiyumlu su, protiyumun (1H) veya döteryumun (2H) yerine tritiyum (3H) içerir. Tritiyum radyoaktif olduğundan, tritiyumlu su da radyoaktiftir.
Fiziksel özellikler
[düzenle]
Suyun izotopologlarının fiziksel özellikleri[12] Özellik T2O (Tritiyumlu su) D2O (Ağır su) HDO (Yarı ağır su) H2O (Hafif su) Erime noktası (standart basınç) 4.49 °C (40.08 °F; 277.64 K) 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) Kaynama noktası 101.5 °C (214.7 °F; 374.6 K) 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) STP'de Yoğunluk (g/mL) 1.2133 1.1056 1.054 0.9982 Maksimum yoğunluk sıcaklığı 13.4 °C 11.6 °C Doğrulanmamış 3.98 °C[13] Dinamik viskozite (20 °C'de, mPa·s) 1.40 (tahmini) 1.2467 1.1248 1.0016 Yüzey gerilimi (25 °C'de, N/m) Doğrulanmamış 0.07187 0.07193 0.07198 Füzyon ısısı (kJ/mol) Doğrulanmamış 6.132 6.227 6.00678 Buharlaşma ısısı (kJ/mol) Doğrulanmamış 41.521 Doğrulanmamış 40.657 pH (25 °C'de)[14] Doğrulanmamış 7.44 ("pD") 7.266 ("pHD") 7.0 pKb (25 °C'de)[14] Doğrulanmamış 7.44 ("pKb D2O") Doğrulanmamış 7.0 Kırılma indisi (20 °C'de, 0.5893 μm)[15] Doğrulanmamış 1.32844 Doğrulanmamış 1.33335
Suyun ve ağır suyun fiziksel özellikleri birkaç açıdan farklıdır. Ağır su, belirli bir sıcaklıkta hafif sudan daha az ayrışır ve D+ iyonlarının gerçek konsantrasyonu, aynı sıcaklıkta hafif su için H+ iyonlarının konsantrasyonundan daha azdır. Aynı şey OD− ile OH− iyonları için de geçerlidir. Ağır su için Kw D2O (25.0 °C) = 1.35 × 10−15'tir ve nötr su için [D+ ] = [OD−] olmalıdır. Bu nedenle pKw D2O = p[OD−] + p[D+] = 7.44 + 7.44 = 14.87 (25.0 °C)'dir ve 25.0 °C'de nötr ağır suyun p[D+]'sı 7.44'tür.
Ağır suyun pD'si genellikle pH elektrotları kullanılarak ölçülür ve bu da pH (görünür) değeri veya pHa verir ve çeşitli sıcaklıklarda gerçek asidik pD, doğrudan pH metre ile ölçülen pHa'dan tahmin edilebilir, öyle ki pD+ = pHa (pH metreden görünen okuma) + 0.41. Alkalin koşullar için elektrot düzeltmesi, ağır su için 0.456'dır. Alkalin düzeltme daha sonra pD+ = pHa(pH metreden görünen okuma) + 0.456 olur. Bu düzeltmeler, ağır suda karşılık gelenlerinden 0.44 olan p[D+] ve p[OD-] farklarından biraz farklıdır.[16]
Ağır su, sıradan sudan %10.6 daha yoğundur ve ağır suyun fiziksel olarak farklı özellikleri, donmuş bir örnek normal suya bırakılırsa ekipman olmadan görülebilir, çünkü batacaktır. Su buz gibi soğuk ise, ağır buzun daha yüksek erime sıcaklığı da gözlemlenebilir: 3.7 °C'de erir ve bu nedenle buz gibi soğuk normal suda erimez.[17]
1935 tarihli bir deney, sıradan ve ağır su arasında "en ufak bir fark" olduğunu bildirmedi.[18] Ancak daha yeni bir çalışma, ağır suyun insanlar için hafif tatlı olduğunu, bu etkinin TAS1R2/TAS1R3 tat reseptörü aracılığıyla gerçekleştiğini doğruladı.[19] Sırasıyla damıtılmış normal su ve ağır su seçeneği verilen sıçanlar, kokuya bağlı olarak ağır suyu önleyebilmişler ve ağır suyun farklı bir tada sahip olması muhtemeldir.[20] Bazı insanlar suda bulunan minerallerin tadı etkilediğini, örneğin potasyumun sert suya tatlı bir tat verdiğini bildirmektedir, ancak suda algılanan bir tat için mineral içeriğinden başka birçok faktör vardır.[21]
Ağır su, hafif suyun karakteristik mavi rengine sahip değildir; bunun nedeni, hafif suda kırmızı ışığın zayıf emilimine neden olan moleküler titreşim harmoniklerinin kızılötesiye kaydırılması ve bu nedenle ağır suyun kırmızı ışığı emmemesidir.[22]
"Saf" yarı ağır su için fiziksel özellikler listelenmemiştir, çünkü toplu bir sıvı olarak kararsızdır. Sıvı halde, birkaç su molekülü her zaman iyonize haldedir, yani hidrojen atomları farklı oksijen atomları arasında değişebilir. Yarı ağır su, teorik olarak kimyasal bir yöntemle oluşturulabilir,[açıklama gerekli], ancak hızla %25 hafif su, %25 ağır su ve %50 yarı ağır sudan oluşan dinamik bir karışıma dönüşecektir. Ancak, gaz fazında üretiliyorsa ve doğrudan katıya çökeltiliyorsa, buz formunda yarı ağır su stabil olabilir. Bunun nedeni, standart sıcaklıklarda gaz fazındaki su buharı molekülleri arasındaki çarpışmaların neredeyse tamamen önemsiz olması ve bir kez kristalleştiğinde, moleküller arasındaki çarpışmalar, katı buzun sert kafes yapısı nedeniyle tamamen durmasıdır.[kaynak göster]
Tarih
[düzenle]
Amerikalı bilim adamı ve Nobel ödülü sahibi Harold Urey, 1931'de döteryum izotopunu keşfetti ve daha sonra bunu suda yoğunlaştırabildi.[23] Urey'in danışmanı Gilbert Newton Lewis, 1933'te elektroliz yoluyla ilk saf ağır su örneğini elde etti.[24] George de Hevesy ve Erich Hofer, 1934'te ilk biyolojik izleyici deneylerinden birinde, insan vücudunda suyun dönüşüm hızını tahmin etmek için ağır su kullandı.[25] Aşağıda, erken nükleer deneylerde ağır suyun büyük miktarda üretimi ve kullanımının tarihi açıklanmıştır.[26]
Emilian Bratu ve Otto Redlich, 1934'te ağır suyun otodisosiyasyonunu inceledi.[27]
1930'larda, Amerika Birleşik Devletleri ve Sovyetler Birliği, Avusturyalı kimyager Fritz Johann Hansgirg'in, Japon kontrolündeki Kuzey Kore'deki Japon İmparatorluğu için, icat ettiği yeni bir işlem kullanarak ağır su üretmek için bir pilot tesis inşa ettiğinden şüpheleniyordu.[28]
İkinci Dünya Savaşı sırasında, İsveç'in Ljungaverk kentindeki Fosfatbolaget şirketi yılda 2.300 litre ağır su üretti. Ağır su daha sonra hem Almanya'ya hem de Manhattan Projesine gramı 1,4 SEK fiyatından satıldı.[29]
Ekim 1939'da Sovyet fizikçileri Yakov Borisovich Zel'dovich ve Yulii Borisovich Khariton, ağır su ve karbonun doğal uranyum reaktörü için tek uygulanabilir yavaşlatıcılar olduğuna karar verdiler ve Ağustos 1940'ta Georgy Flyorov ile birlikte, bir reaktör için 15 ton ağır suya ihtiyaç duyulacağını hesaplayan bir planı Rus Bilimler Akademisi'ne sundular. O dönemde Sovyetler Birliği'nde uranyum madeni olmadığı için, Akademinin genç çalışanları Leningrad'daki fotoğraf dükkanlarına uranyum nitrat satın almak için gönderildi, ancak Operasyon Barbarossa sırasında Alman kuvvetlerinin işgal etmesiyle 1941'de ağır su projesi tamamen durduruldu.
1943'e gelindiğinde Sovyet bilim adamları, ağır suyla ilgili tüm bilimsel literatürün Batı'dan kaybolduğunu keşfettiler ve Flyorov, bunu Sovyet lideri Joseph Stalin'e yazdığı bir mektupta uyardı.[30] O dönemde, tüm ülkede sadece 2-3 kg ağır su vardı. 1943'ün sonlarında, ABD'deki Sovyet satın alma komisyonu, 1 kg ağır su ve Şubat 1945'te ek 100 kg elde etti ve İkinci Dünya Savaşı sona erdiğinde NKVD projeyi devraldı.
Ekim 1946'da, Rus Alsos'un bir parçası olarak, NKVD, savaş sırasında ağır su üretimi üzerinde çalışan Alman bilim adamlarını, aralarında Girdler sülfür işleminin mucidi Karl-Hermann Geib'i de içeren, Almanya'dan Sovyetler Birliği'ne sürgüne gönderdi.[31] Bu Alman bilim adamları, 1948'de büyük miktarda ağır su üreten bir tesisin inşasında, Moskova'daki Fiziksel Kimya Enstitüsü'nde Alman fiziksel kimyager Max Volmer'in gözetimi altında çalıştılar.[32][33]
Biyolojik sistemler üzerindeki etkisi
[düzenle]
Kimyasal elementlerin farklı izotopları biraz farklı kimyasal davranışlara sahiptir, ancak çoğu element için farklılıklar biyolojik bir etkiye neden olmak için çok küçüktür. Hidrojen durumunda, protiyum, döteryum ve tritiyum arasında daha büyük kimyasal özellik farklılıkları meydana gelir, çünkü kimyasal bağ enerjisi, çekirdek-elektron sisteminin indirgenmiş kütlesine bağlıdır; bu, diğer kimyasal elementleri içeren ağır izotop ikamesinden daha fazla, ağır hidrojen içeren bileşiklerde (hidrojen-döteryum oksit en yaygınıdır) değişir. İzotop etkileri, özellikle çözücü olarak hareket ettiğinde suyun izotopik olarak etkilenen özelliklerine karşı çok hassas olan biyolojik sistemlerde önemlidir.
Görevlerini yerine getirmek için enzimler, hem aktif merkezde substratlarıyla hem de aktif merkezin dışında, üçüncül yapıları stabilize etmek için ince ayarlanmış hidrojen bağı ağlarına güvenirler. Döteryum içeren bir hidrojen bağı, sıradan hidrojen içeren bir hidrojen bağından biraz daha güçlü olduğundan[34], yüksek oranda döteryum içeren bir ortamda, hücrelerdeki bazı normal reaksiyonlar bozulur.
Ağır sudan özellikle etkilenen, ökaryotik hücrelerde hücre bölünmesi için gerekli olan mitotik iğ düzenlemelerinin hassas yapılarıdır. Bitkiler, yalnızca ağır su verildiğinde büyümeyi durdurur ve tohumlar çimlenmez, çünkü ağır su ökaryotik hücre bölünmesini durdurur.[35] Tütün çimlenmez, ancak buğday çimlenir.[36] Döteryum hücresi daha büyüktür ve bölünme yönünün değiştirilmesi bir modifikasyondur.[37][38] Hücre zarı da değişir ve ağır suyun etkisine ilk tepki veren odur. 1972'de, suda döteryum yüzdesinin artmasının bitki büyümesini azalttığı gösterildi.[39] Prokaryotik mikroorganizmaların yapay olarak ağır hidrojen ortamında büyümesi üzerine yapılan araştırmalar, bu ortamda suyun tüm hidrojen atomlarının döteryum ile değiştirilebileceğini göstermiştir.[40][41] Deneyler, bakterilerin %98 ağır suda yaşayabileceğini göstermiştir.[42] %50'den fazla konsantrasyonlar çok hücreli organizmalar için ölümcül olur, ancak birkaç istisna bilinmektedir: %50 D2O'da büyüebilen switchgrass (Panicum virgatum) gibi bitki türleri;[43] Arabidopsis thaliana (%70 D2O);[44] Vesicularia dubyana (%85 D2O);[45] Funaria hygrometrica (%90 D2O);[46] ve nemtodun anhydrobiotic türü Panagrolaimus superbus (neredeyse %100 D2O).[47]
Ağır suyun bölünebilen maya Schizosaccharomyces pombe üzerindeki kapsamlı bir çalışma, hücrelerin yüksek ağır su konsantrasyonlarında değiştirilmiş bir glikoz metabolizması ve yavaş büyüme gösterdiğini ortaya koymuştur.[48] Ek olarak, hücreler ısı şoku yanıt yolunu ve hücre bütünlüğü yolunu aktive etti ve hücre bütünlüğü yolundaki mutasyonlar ağır suya karşı artan tolerans gösterdi.[48] Yüksek seviyelerde toksisitesine rağmen, ağır suyun, hipotetik mekanizmanın reaktif oksijen türlerinin dönüşümünü azaltmasıyla, belirli mayaların ömrünü %85'e kadar uzattığı gözlemlenmiştir.[49]
Ağır su, sirkadiyen salınımların süresini etkiler ve her bir döngünün uzunluğunu sürekli olarak artırır. Etki, tek hücreli organizmalarda, yeşil bitkilerde, izopodlar, böcekler, kuşlar, fareler ve hamsterlarda gösterilmiştir. Mekanizma bilinmiyor.[50]
Etanol gibi ağır su, vestibüler organdaki kupulanın endolenf göreli yoğunluğunu geçici olarak değiştirir ve bu da konumsal nistagmus, vücut dönüşü yanılsamaları, baş dönmesi ve bulantıya neden olur. Bununla birlikte, nistagmusun yönü etanolün tersidir, çünkü sudan daha yoğundur, daha hafif değildir.[51]
Hayvanlar üzerindeki etkisi
[düzenle]
Fareler, sıçanlar ve köpekler üzerinde yapılan deneyler[52], %25'lik bir döteryumlanma derecesinin (bazen geri döndürülemez) kısırlığa neden olduğunu göstermiştir, çünkü ne gametler ne de zigotlar gelişememektedir. Yüksek konsantrasyonlarda ağır su (%90), balık, iribaş, düz solucan ve Drosophila'yı hızla öldürür. Doğumdan itibaren %30 ağır suyla büyütülen farelerde vücut sıvılarında %25 ve beyinlerde %10 döteryumlanma vardır. Kısırlık dışında normaldirler. Gebelik sırasında döteryumlanma fetal anormalliklere neden olur. Vücut sıvılarında daha yüksek döteryumlanma ölüme neden olur.[53] Memeliler (örneğin sıçanlar), içme suyu olarak ağır su verildiğinde, vücut sularının yaklaşık %50 döteryumlanmaya ulaştığı bir hafta sonra ölür.[54] Ölüm şekli, sitotoksik zehirlenmede (kemoterapi gibi) veya akut radyasyon sendromunda (döteryum radyoaktif olmasa da) görülenle aynı görünmektedir ve döteryumun genellikle hücre bölünmesini engellemesinden kaynaklanmaktadır. Normal hücrelere göre kötü huylu hücrelere daha toksiktir, ancak düzenli kullanım için gereken konsantrasyonlar çok yüksektir.[52] Kemoterapide olabileceği gibi, döteryumla zehirlenen memeliler, kemik iliği yetmezliğinden (kanama ve enfeksiyonlara yol açar) ve bağırsak bariyeri fonksiyonlarının başarısızlığından (ishal ve sıvı kaybına yol açar) ölürler.
Bitkilerin ve hayvanların çok fazla döteryumla yaşamaktaki problemlerine rağmen, mitotik problemlerden etkilenmeyen bakteri gibi prokaryotik organizmalar, tamamen döteryum içeren koşullarda yetiştirilebilir ve çoğaltılabilir, bu da bakteriyel proteinlerdeki ve DNA'daki tüm hidrojen atomlarının döteryum izotopu ile değiştirilmesine yol açar.[52][55] Bu, bir bootstrap sürecine yol açar. Prokaryotik organizmalar tamamen döteryum içeren glikoz ürettiğinde, tamamen döteryum içeren Escherichia coli ve Torula yetiştirildi ve daha karmaşık, tamamen döteryum içeren kimyasallar üretebildiler. Aspergillus gibi küfler, tamamen döteryum içeren koşullar altında çoğalamadı.[53]
Daha yüksek organizmalarda, ağır izotoplar ile tam değiştirme, diğer radyoaktif olmayan ağır izotoplar (örneğin karbon-13, azot-15 ve oksijen-18) kullanılarak gerçekleştirilebilir, ancak bu döteryum için yapılamaz. Bunun nedeni, hidrojen izotopları arasındaki nükleer kütle oranının, diğer herhangi bir elementinkinden çok daha büyük olmasıdır.[56]
Döteryum oksit, boron nötron yakalama tedavisini geliştirmek için kullanılır, ancak bu etki döteryumun biyolojik veya kimyasal etkilerine değil, bunun yerine döteryumun onları yakalamadan nötronları yavaşlatabilme (yavaşlatma) yeteneğine dayanır.[52] 2021 deneysel kanıtları, döteryum oksitin sistemik olarak verilmesinin (içme suyu takviyesinin %30'u), insan melanomunun standart bir fare modelinde tümör büyümesini bastırdığını göstermektedir; bu etki, tümör hücrelerinde seçici hücresel stres sinyallemesinin ve gen ifadesinin indüksiyonuna bağlanmaktadır.[57]
İnsanlardaki toksisite
[düzenle]
Bir insanın vücut suyunun %25 ile %50'sini ağır su ile değiştirmek için çok miktarda ağır su gerekir (su, vücut ağırlığının %50-75'ini oluşturur[58]), bu nedenle ağır suyla kazara veya kasıtlı olarak zehirlenme, pratik bir şekilde dikkate alınmayacak kadar düşük bir olasılıktır. Zehirlenmenin gerçekleşmesi için, mağdurun fark edilir bir toksik etki yaratmak için birkaç gün boyunca önemli miktarda normal su almadan çok miktarda ağır su alması gerekecektir.
Birkaç gramlık oral dozda ağır su ve ağır oksijen 18O, rutin olarak insan metabolizması deneylerinde kullanılır. (Çift etiketli su testine bakınız.) Yaklaşık 6.400 hidrojen atomunda 1'i döteryum olduğundan, 32 kilogram (71 lb) vücut suyu içeren 50 kilogram (110 lb) ağırlığındaki bir insan, normalde 5,5 gram (0,19 ons) saf ağır su oluşturmak için yeterli döteryum (yaklaşık 1,1 gram veya 0,039 ons) içerir; bu nedenle, vücuttaki döteryum miktarını ikiye katlamak için yaklaşık bu doz gerekir.
Kan basıncında bir düşüş, ağır su alımından sonra bildirilen baş dönmesi vakalarını kısmen açıklayabilir. Ancak, bu semptomun vestibüler fonksiyonunun değişmesinden kaynaklanması daha olasıdır. Ağır su, etanol gibi, kupula ile endolenf yoğunluğunda geçici bir fark yaratır, bu da vestibulo-oküler refleksi karıştırır ve hareket hastalığı semptomlarına neden olur.[59]
Ağır su radyasyon kirliliği karışıklığı
[düzenle]
Birçok insan ağır suyu öncelikle nükleer reaktörlerde kullanımına bağlasa da, saf ağır su radyoaktif değildir. Ticari sınıf ağır su, çok az miktarda doğal tritiyumun bulunmasından dolayı hafif radyoaktiftir, ancak sıradan su için de aynı durum geçerlidir. Nükleer santrallerde soğutucu olarak kullanılan ağır su, ağır suda döteryumun nötron bombardımanı sonucu önemli ölçüde daha fazla tritiyum içerir (tritiyum, büyük miktarlarda yutulması durumunda bir sağlık riski oluşturur).
1990 yılında, Kanada'daki Point Lepreau Nükleer Santralinde memnuniyetsiz bir çalışan, nükleer reaktörün birincil ısı taşıma döngüsünden bir örnek (yaklaşık "yarım bardak" olarak tahmin ediliyor) ağır su elde etti ve bunu kantin içecek dağıtıcı makinesine yükledi. Sekiz çalışan kirlenmiş sudan biraz içti. Olay, çalışanlar biyolojik numune olarak yüksek tritiyum seviyeli idrar örnekleri vermeye başlayınca keşfedildi. Olayda yer alan ağır su miktarı, ağır su toksisitesine yol açabilecek seviyelerin çok altındaydı, ancak birkaç çalışan suda bulunan tritiyum ve nötronla aktifleşmiş kimyasallardan kaynaklanan yüksek radyasyon dozları aldı.[60] Bu, ağır su zehirlenmesi değil, ağır suda bulunan diğer izotoplardan kaynaklanan radyasyon zehirlenmesi idi.
Bazı haber ajansları bu noktaları ayırt etmek konusunda dikkatli değildi ve toplumun bir kısmı ağır suyun normalde radyoaktif olduğunu ve gerçekte olduğundan daha şiddetli toksik olduğunu düşündü. Saf ağır su, sınırsız olarak su soğutucusunda kullanılmış olsa bile, olayın fark edilmesi veya zarara yol açması olası değildi, çünkü hiçbir çalışanın günlük içme suyunun %25'inden fazlasını böyle bir kaynaktan alması beklenmiyordu.[61]
Üretim yöntemleri
[düzenle]
Ağır su üretmek için en uygun maliyetli işlem, 1943'te Karl-Hermann Geib ve Jerome S. Spevack tarafından eş zamanlı olarak geliştirilen çift sıcaklık değişim sülfür işlemidir (Girdler sülfür işlemi olarak bilinir).[32] Graham M. Keyser tarafından patentlenen alternatif bir işlem[62], döteryumlu hidroflorokarbonları seçici olarak ayrıştırarak döteryum florür oluşturmak için lazerler kullanır, bu da daha sonra fiziksel yöntemlerle ayrılabilir. Bu işlemin enerji tüketimi Girdler sülfür işleminin çok altında olsa da, bu yöntem şu anda gerekli hidroflorokarbonları sağlamanın maliyeti nedeniyle ekonomik değildir.
Belirtildiği gibi, modern ticari ağır su neredeyse evrensel olarak döteryum oksit olarak adlandırılır ve satılır. En sıklıkla, %98 zenginleştirmeden %99,75–99,98 döteryum zenginleştirmeye (nükleer reaktör sınıf