Bugün öğrendim ki: doğal olarak sudaki her 6400 hidrojen atomundan 1'inin döteryum atomu olduğu. Hafif tatlı bir tada sahip bir "ağır su" molekülü oluşturur ve düşük miktarlarda güvenlidir, ancak vücudunuzun H2O'sunun %50'sinden fazlası D2O ile değiştirilirse ölürsünüz.
Suyun Formu
Sert su veya Trityumlanmış su ile karıştırılmamalıdır.
Ağır Su İsimleri IUPAC adı
(2H2)Su[4]
Diğer isimler
Döteryum oksit[1]
Su-d2[2]
Dideteryum monoksit
Döteryumlanmış su[3]
Kimlik Bilgileri
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 Kontrol Paneli (EPA)
InChI=1S/H2O/h1H2/i/hD2 N
Anahtar: XLYOFNOQVPJJNP-ZSJDYOACSA-N N
[2H]O[2H]
Özellikler D
2O Mol kütlesi 20.0276 g mol−1 Görünümü 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)
Belirtilmedikçe, veriler 25 °C [77 °F], 100 kPa'daki maddeler için standart hallerde verilmiştir.
N (YN nedir?)
Kimyasal bileşik
Ağır su (döteryum oksit, 2
H
2O, D
2O), hidrojen atomları normal suyun çoğunu oluşturan yaygın hidrojen-1 izotopu (1
H, ayrıca protium olarak da adlandırılır) yerine tümü döteryum (2
H veya D, ayrıca ağır hidrojen olarak da bilinir) olan bir su türüdür.[3] Daha ağır izotopun varlığı suya farklı nükleer özellikler kazandırır ve kütledeki artış, normal suya kıyasla biraz farklı fiziksel ve kimyasal özellikler kazandırır.
Döteryum ağır bir hidrojen izotopudur. Ağır su, döteryum atomları içerir ve nükleer reaktörlerde kullanılır. Yarıağır su (HDO) saf ağır sudan daha yaygındır, ağır oksijenli su ise daha yoğundur ancak benzersiz özelliklere sahip değildir. Trityumlanmış su, trityum içeriği nedeniyle radyoaktiftir.
Ağır su, normal sudan farklı fiziksel özelliklere sahiptir, örneğin %10,6 daha yoğundur ve daha yüksek bir erime noktasına sahiptir. Ağır su, verilen bir sıcaklıkta daha az ayrışmıştır ve normal suyun hafif mavimsi rengine sahip değildir. Normal sudan biraz daha tatlı olabilir, ancak önemli bir dereceye kadar değil. Ağır su, enzimleri, hidrojen bağlarını ve ökaryotlardaki hücre bölünmesini değiştirerek biyolojik sistemleri etkiler. 50%'nin üzerindeki konsantrasyonlarda çok hücreli organizmalar için ölümcül olabilir. Bununla birlikte, bazı prokaryotlar, örneğin bakteriler, ağır hidrojen ortamında hayatta kalabilir. Ağır su, insanlar için toksik olabilir, ancak zehirlenme için büyük bir miktara ihtiyaç duyulur.
Ağır su üretmenin en uygun maliyetli yöntemi Girdler sülfür prosesidir. Ağır su çeşitli endüstrilerde kullanılır ve farklı saflık derecelerinde satılır. Uygulamalarından bazıları, nükleer manyetik rezonans, kızılötesi spektroskopi, nötron moderasyonu, nötrino algılaması, metabolizma hızı testleri, nötron yakalama tedavisi ve plütonyum ve trityum gibi radyoaktif maddelerin üretimidir.
İçerik
[Düzenle]
Döteryum çekirdeği bir nötron ve bir protondan oluşur; protium (normal hidrojen) atomunun çekirdeği sadece bir protondan oluşur. Ekstra nötron, döteryum atomunu normal hidrojen atomuna yaklaşık iki kat daha ağır hale getirir.
Ağır su molekülü, sıradan suyun iki protium atomu yerine iki döteryum atomu içerir. IUPAC Altın Kitap'ta tanımlandığı gibi ağır su terimi, hidrojen atomlarının alışılmadık bir oranda döteryum olduğu suya da atıfta bulunabilir. Karşılaştırma için Viyana Standart Ortalama Okyanus Suyu (döteryum standardı için kullanılan "sıradan su"), her bir milyon hidrojen atomu başına yaklaşık 156 döteryum atomu içerir; yani hidrojen atomlarının %0,0156'sı 2H'dir. Bu nedenle, Altın Kitap'ta tanımlanan ağır su, yarıağır suyu (hidrojen-döteryum oksit, HDO) ve D
2O, H
2O ve HDO'nun alışılmadık oranlardan daha fazla döteryuma sahip karışımlarını içerir. Örneğin, CANDU reaktörlerinde kullanılan ağır su, çoğunlukla döteryum oksit D
2O olan ancak ayrıca bazı hidrojen-döteryum oksit ve daha az miktarda sıradan su H
2O içeren zenginleştirilmiş bir su karışımıdır. Hidrojen atom kesri ile %99,75 oranında zenginleştirilmiştir; yani hidrojen atomlarının %99,75'i ağır tiptedir; ancak Altın Kitap anlamında ağır su bu kadar yüksek zenginleştirmeye sahip olmak zorunda değildir. Bununla birlikte, bir ağır su molekülünün ağırlığı, molekülün kütlesinin yaklaşık %89'unun tek bir oksijen atomundan, iki hidrojen atomundan ziyade kaynaklandığı için normal bir su molekülünün ağırlığından çok farklı değildir.
Ağır su radyoaktif değildir. Saf haliyle, normal sudan yaklaşık %11 daha yoğundur ancak fiziksel ve kimyasal olarak benzerdir. Bununla birlikte, döteryum içeren suda (özellikle biyolojik özellikleri etkileyen) çeşitli farklılıklar, diğer yaygın izotop ikamesi içeren bileşiklerdekinden daha büyüktür çünkü döteryum, en hafif izotopun iki katı ağırlığındaki tek ağır kararlı izotop arasında benzersizdir. Bu fark, suyun hidrojen-oksijen bağlarının gücünü artırır ve bu da bazı biyokimyasal reaksiyonlar için önemli olan farklılıklara neden olur. İnsan vücudu, zararsız yaklaşık beş gram ağır suya eşdeğer döteryum içerir. Daha yüksek organizmalardaki suyun büyük bir kısmı (%50'den fazla) ağır su ile değiştirilirse, sonuç hücre disfonksiyonu ve ölümdür.[6]
Ağır su ilk olarak 1932'de döteryumun keşfinden birkaç ay sonra üretildi.[7] 1938'in sonlarında nükleer fisyonun ve az sayıda nötron yakalayan bir nötron moderatörünün keşfiyle, ağır su erken nükleer enerji araştırmalarının bir parçası haline geldi. O zamandan beri, ağır su, hem güç üreten hem de nükleer silahlar için izotoplar üretmek üzere tasarlanmış bazı reaktör türlerinde vazgeçilmez bir bileşen olmuştur. Bu ağır su reaktörlerinin, radyolojik[8] ve atık aşamalarında toz patlaması [9] tehlikelerini ortaya koyan grafit moderatörleri kullanmadan doğal uranyumla çalışabilme avantajı vardır. Sovyet RBMK tasarımı, zenginleştirilmiş uranyum veya ağır su (bunun yerine sıradan su ile soğutulması) kullanmaktan kaçınmaya çalıştı, bu da reaktör tasarımındaki bir dizi kusurdan biri olan pozitif boşluk katsayısını yarattı ve Çernobil felaketine yol açtı. Çoğu modern reaktör, moderatör olarak sıradan su ile zenginleştirilmiş uranyum kullanmaktadır.
Suyun diğer ağır formları
[Düzenle]
Yarıağır su
[Düzenle]
Yarıağır su, HDO, karışımda hafif hidrojen (protium, 1
H) ve döteryum (D veya 2
H) bulunan her zaman mevcuttur. Bunun nedeni, hidrojen atomlarının (1H ve 2H)'nin su molekülleri arasında hızlı bir şekilde değişmesidir. Hidrojeninin %50'si 1
H ve %50'si 2
H olan su, aslında yaklaşık %50 HDO ve %25'er H
2O ve D
2O'dan oluşur, dinamik dengede bulunur. Normal suda, yaklaşık 3.200 molekülde 1 molekül HDO'dur (6.400'de bir hidrojen, 2
H)'dir ve ağır su molekülleri (D
2O) sadece yaklaşık 41 milyon molekülde 1 molekül oranında oluşur (yani 6.4002'nin birinde). Bu nedenle yarıağır su molekülleri "saf" (homoizotopik) ağır su moleküllerinden çok daha yaygındır.
Ağır oksijenli su
[Düzenle]
Daha ağır oksijen izotopları 17
O ve 18
O ile zenginleştirilmiş su da ticari olarak mevcuttur. Normal sudan daha yoğundur (H
218
O yaklaşık D
2O, H
217
O yaklaşık H
2O ve D
2O arasında yarı yolda) - ancak D2O'nun alışılmadık nükleer ve biyolojik özelliklerini sağlayan fazla döteryumu içermediği için nadiren ağır su olarak adlandırılır. 17O ve 18O'nun ayrılması daha zor olduğundan D2O'dan daha pahalıdır.[10] H218O, radyofarmasötiklerde ve radyo izleyicilerde flor-18 üretimi ve pozitron emisyon tomografisi için de kullanılır. Suyun doğal olarak küçük miktarlarda 17
O ve 18
O bulunur ve ağır suyun zenginleştirilmesinin yan etkisi olarak daha ağır oksijen izotoplarını da zenginleştirir. Ağır su, nükleer reaktörlerde nötron moderatörü olarak kullanılacaksa bu istenmeyen bir durumdur, çünkü 17
O nötron yakalama geçirerek ardından bir alfa parçacığı yayarak radyoaktif 14
C üretir. Bununla birlikte, hem ağır oksijen hem de hidrojen içeren çift etiketli su, radyoaktif olmayan bir izotop izleyici olarak faydalıdır.
Hidrojen atomlarının izotopik değişimi ile karşılaştırıldığında, oksijen atomlarının izotopik değişimi fiziksel özelliklerde daha küçük bir etkiye sahiptir.[11]
Trityumlanmış su
[Düzenle]
Trityumlanmış su, protium (1H) veya döteryum (2H) yerine trityum (3H) içerir. Trityum radyoaktif olduğundan, trityumlanmış su da radyoaktiftir.
Fiziksel özellikler
[Düzenle]
Suyun izotoploglarının fiziksel özellikleri[12] Özellik T2O (Trityumlanmış su) D2O (Ağır su) HDO (Yarıağır 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'deki yoğunluk (g/mL) 1.2133 1.1056 1.054 0.9982 Maksimum yoğunluk sıcaklığı 13.4 °C (56.1 °F) 11.6 °C (52.9 °F) Doğrulanmamış 3.98 °C (39.16 °F)[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 Erime 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
Su ve ağır suyun fiziksel özellikleri birkaç yönden farklıdır. Ağır su, verilen bir sıcaklıkta hafif sudan daha az ayrışır ve D+ iyonlarının gerçek konsantrasyonu, aynı sıcaklıkta hafif su için H+ iyonlarınınkinden daha azdır. OD− ile OH− iyonları için de aynı durum geçerlidir. Ağır su için Kw D2O (25,0 °C) = 1,35 × 10−15 ve [D+] = [OD−]'dir nötr su için. Bu nedenle pKw D2O = p[OD−] + p[D+] = 7,44 + 7,44 = 14,87 (25,0 °C) ve 25,0 °C'de nötr ağır suyun p[D+] değeri 7,44'tür.
Ağır suyun pD'si genellikle pH elektrotları kullanılarak ölçülür ve pH (görünür) değeri veya pHa verir ve çeşitli sıcaklıklarda gerçek asidik pD değeri, doğrudan pH metreyle ölçülen pHa'dan 0,41 eklenerek tahmin edilebilir. Alkali koşullar için elektrot düzeltmesi ağır su için 0,456'dır. Alkali düzeltmesi o zaman pD+ = pHa (pH metresiyle görünen okuma) + 0,456 olur. Bu düzeltmeler, ağır sudaki karşılık gelen p[D+] ve p[OD−] değerlerindeki 0,44 farkından 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 soğuk ise, ağır buzun daha yüksek erime noktası da gözlemlenebilir: 3,7 °C'de eriyor ve bu nedenle buz soğuk normal suda erimiyor.[17]
1935 tarihli bir deney, sıradan ve ağır su arasında "en ufak bir fark" bildirmedi.[18] Bununla birlikte, daha yeni bir çalışma, ağır suyun insanlarda hafif bir tatlılık tadına sahip olduğunu doğruladı, bu etki TAS1R2/TAS1R3 tat reseptörleri aracılığıyla gerçekleştiriliyor.[19] Damıtılmış normal su ve ağır su arasında seçim yapabilen sıçanlar, ağır suyu kokuya göre engellemeyi başarmışlardır ve farklı bir tada sahip olabilir.[20] Bazı insanlar suda bulunan minerallerin tadı etkilediğini bildiriyor, örneğin potasyum sert suya tatlı bir tat veriyor, ancak algılanan su tadında minerallerden başka birçok faktör var.[21]
Ağır su, hafif suyun karakteristik mavi rengine sahip değildir; çünkü hafif suda görünür spektrumun kırmızı kısmında zayıf absorpsiyona neden olan moleküler titreşim harmonikleri kızılötesi ışığa kaymıştır ve bu nedenle ağır su kırmızı ışığı absorbe etmez.[22]
"Saf" yarıağır su için herhangi bir fiziksel özellik listelenmemiştir, çünkü hacimsel sıvı olarak kararsızdır. Sıvı halde, birkaç su molekülü her zaman iyonize halde bulunur, bu da hidrojen atomlarının farklı oksijen atomları arasında değişebileceği anlamına gelir. Yarıağır su, teorik olarak kimyasal bir yöntemle[ek açıklama gerekiyor] üretilebilir, ancak hızla %25 hafif su, %25 ağır su ve %50 yarıağır su dinamik karışımı haline gelir. Ancak gaz fazında oluşturulup doğrudan katıya bırakılırsa, buz şeklinde yarıağır su kararlı olabilir. Bunun nedeni, standart sıcaklıklarda su buharı molekülleri arasındaki çarpışmaların gaz fazında neredeyse tamamen ihmal edilebilir olması ve bir kez kristalize edildiğinde, moleküller arasındaki çarpışmalar katı buzun katı kristal yapısı nedeniyle tamamen durur.[kaynak gerekli]
Ağır su, atmosferdeki su ile değişene kadar normal hidrojen izotop oranına ulaşır.
Tarihçe
[Düzenle]
ABD bilim insanı ve Nobel ödüllü Harold Urey, 1931'de döteryum izotopunu keşfetti ve daha sonra onu suda yoğunlaştırmayı başardı.[23] Urey'in danışmanı Gilbert Newton Lewis, 1933'te ilk saf ağır su örneğini elektrolizle izole etti.[24] George de Hevesy ve Erich Hofer, 1934'te insan vücudundaki suyun dönüş hızını tahmin etmek için ilk biyolojik izleyici deneylerinden birinde ağır su kullandılar.[25] Büyük miktarda ağır suyun üretimi ve erken nükleer deneylerdeki kullanımı tarihi aşağıda açıklanmıştır.[26]
Emilian Bratu ve Otto Redlich, 1934'te ağır suyun otomatik ayrışmasını inceledi.[27]
1930'larda, Amerika Birleşik Devletleri ve Sovyetler Birliği, Avusturyalı kimyacı Fritz Johann Hansgirg'in Japon İmparatorluğu'nun Kuzey Kore'deki Japon işgalindeki bölgesinde yeni icat ettiği bir proses kullanarak ağır su üretmek için bir pilot tesis kurduğundan şüpheleniyordu.[28]
İkinci Dünya Savaşı sırasında, İsveç'teki Fosfatbolaget şirketi yılda 2.300 litre ağır su üretiyordu. Ağır su daha sonra hem Almanya'ya hem de Manhattan Projesi'ne ağır su başına 1,4 SEK fiyatına satıldı.[29]
Ekim 1939'da Sovyet fizikçiler Yakov Borisovich Zel'dovich ve Yulii Borisovich Khariton, ağır su ve karbonun doğal uranyum reaktörü için tek uygulanabilir moderatörler olduğunu ve Ağustos 1940'ta Georgy Flyorov ile birlikte Rusya Bilimler Akademisi'ne, reaktör için 15 ton ağır suya ihtiyaç duyulacağını hesaplayan bir plan sundular. Sovyetler Birliği'nin o sırada uranyum madenleri olmaması nedeniyle genç Akademi çalışanları, uranyum nitrat satın almak üzere Leningrad fotoğrafçılık dükkanlarına gönderildi, ancak Alman kuvvetleri Barbarossa Harekatı sırasında işgal ettiğinde 1941'de tüm ağır su projesi durduruldu.
1943 yılına gelindiğinde, Sovyet bilim insanları, ağır su ile ilgili tüm bilimsel literatürün Batı'dan kaybolduğunu, bunun hakkında Flyorov'un Sovyet lideri Joseph Stalin'e bir mektupta uyardığını ve ülke genelinde sadece 2-3 kg ağır su kaldığını keşfetmişti.[30] 1943'ün sonunda, Sovyet satın alma komisyonu ABD'den 1 kg ağır su ve Şubat 1945'te 100 kg daha temin etti ve İkinci Dünya Savaşı sona erdiğinde NKVD proje üzerinde kontrolü ele geçirdi.
Ekim 1946'da, Rusya Alsos'u bir parçası olarak, savaş sırasında ağır su üretimi üzerinde çalışan Alman bilim insanları, Girdler sülfür prosesinin mucidi Karl-Hermann Geib de dahil olmak üzere Almanya'dan Sovyetler Birliği'ne sınır dışı edildi.[31] Bu Alman bilim insanları, 1948 yılına kadar büyük miktarlarda ağır su üreten kurdukları tesiste, Moskova'daki Fizik Kimya Enstitüsü'nde Alman fizik kimyacısı Max Volmer'in gözetiminde çalıştı.[32][33]
Biyolojik sistemler üzerindeki etkiler
[Düzenle]
Kimyasal elementlerin farklı izotoplarının biraz farklı kimyasal davranışları vardır, ancak çoğu element için farklılıklar biyolojik bir etkiye sahip olmak için çok küçüktür. Hidrojen durumunda, protium, döteryum ve trityum arasında kimyasal özelliklerde daha büyük farklılıklar ortaya çıkar, çünkü kimyasal bağ enerjisi çekirdek-elektron sisteminin indirgen kütlesine bağlıdır; bu, ağır hidrojen bileşiklerinde (hidrojen-döteryum oksit en yaygın olanıdır) diğer kimyasal elementleri içeren ağır izotop ikamelerinden daha fazla değiştirilir. İzotop etkileri, özellikle bir çözücü olarak hareket ettiğinde suyun izotopik olarak etkilenen özelliklerine karşı çok hassas olan biyolojik sistemlerde özellikle ilgilidir.
Enzimler görevlerini yerine getirmek için, hem substratlarıyla aktif merkezde hem de aktif merkez dışında, üçüncül yapılarını stabilize etmek için ince ayarlanmış hidrojen bağlarının ağlarına güvenirler. Döteryum ile olan bir hidrojen bağı, sıradan hidrojeni içeren bir hidrojen bağından biraz daha güçlüdür[34]; bu nedenle yüksek döteryumlanmış bir ortamda, hücrelerde bazı normal reaksiyonlar bozulur.
Özellikle ağır su, ökaryotlardaki hücre bölünmesi için gerekli hassas mitoz iğ eklemlerinden çok etkilenir. Bitkiler büyümeyi durdurur ve tohumlar, ağır su nedeniyle ökaryotik hücre bölünmesini durdurarak filizlenmez.[35] Tütün filizlenmez, ancak buğday filizlenir.[36] Döteryum hücresi daha büyüktir ve bölünme yönünde bir değişikliktir.[37][38] Hücre zarı da değişir ve ağır suyun etkisine ilk tepki veren olandır. 1972'de, suda bulunan döteryum yüzdesindeki bir artışın bitki büyümesini azalttığı gösterilmiştir.[39] Yapay bir ağır hidrojen ortamında prokaryot mikroorganizmaların büyümesi üzerinde yapılan araştırmalar, bu ortamda, suyun tüm hidrojen atomlarının döteryum ile değiştirilebileceğini gösterdi.[40][41] Deneyler, bakterilerin %98 ağır suda yaşayabileceğini gösterdi.[42] %50'nin üzerindeki konsantrasyonlar çok hücreli organizmalar için ölümcül olsa da, bazı istisnalar bilinmektedir: %50 D2O'da büyümeyi başarabilen panum virgatum (kırmızı ot) gibi bitki türleri;[43] Arabidopsis thaliana (%70 D2O);[44] Vesicularia dubyana (%85 D2O);[45] Funaria hygrometrica (%90 D2O);[46] ve anidrobiotik nematod türleri olan Panagrolaimus superbus (%neredeyse 100% D2O).[47]
Ağır suyun mayanın (Schizosaccharomyces pombe) bölünmesi üzerine kapsamlı bir çalışması, hücrelerin yüksek ağır su konsantrasyonlarında değiştirilmiş bir glikoz metabolizmasına ve yavaş büyümeye sahip olduğunu gösterdi.[48] Ek olarak, hücreler ısı şoku cevabı yolunu ve hücre bütünlüğü yolunu etkinleştirdi ve hücre bütünlüğü yolundaki mutasyonlar ağır suya toleransı arttırdı.[48] Yüksek seviyelerde toksisitesine rağmen, ağır su, bazı mayaların ömrünü varsayımsal mekanizması reaktif oksijen türlerinin dönüş hızını azaltmak olan %85'e kadar uzattığı gözlenmiştir.[49]
Ağır su, sirkadiyen salınımların süresini sürekli olarak artırarak sirkadiyen salınımların dönemini etkiler. Etki tek hücreli organizmalar, yeşil bitkiler, kırkayaklar, böcekler, kuşlar, fareler ve hamsterlerde gösterilmiştir. Mekanizma bilinmemektedir.[50]
Etanola benzer şekilde, ağır su, vestibüler organın içindeki kupula ile endolenf arasındaki göreli yoğunluğu geçici olarak değiştirir, bu da pozisyonel nistagmus, vücut rotasyonu yanılsamaları, baş dönmesi ve bulantıya neden olur. Bununla birlikte, nistagmus yönü, etanolün aksine ters yöndedir, çünkü sudan daha yoğundur, daha hafif değildir.[51]
Hayvanlar üzerindeki etkiler
[Düzenle]
Fareler, sıçanlar ve köpekler üzerinde yapılan deneyler[52], %25 döteryumasyon derecesinin gametler veya zigotların gelişmesini engellediğini, bazen geri dönüşümsüz infertiliteye neden olduğunu göstermiştir. Yüksek ağır su konsantrasyonları (%90), balıkları, yavruları, düz kurtları ve meyve sineklerini hızla öldürür. Doğuştan %30 ağır su ile yetiştirilen fareler, vücut sıvısında %25 döteryumasyon ve beyinlerinde %10 döteryumasyon oranlarına sahiptir. Üreme yeteneği dışında normaldirler. Gebelik sırasında döteryumasyon, fetal anomalilere yol açar. Vücut sıvısındaki daha yüksek döteryumasyon ölüme neden olur.[53] Ağır su içen memeliler (örneğin, sıçanlar), vücutlarındaki su yaklaşık %50 döteryumasyona ulaştığında bir hafta sonra ölür.[54] Ölüm şekli, sitotoksik zehirlenmeyle (kemoterapi gibi) veya akut radyasyon sendromuyla (döteryum radyoaktif olmasa da) aynı gibi görünmektedir ve genellikle hücre bölünmesini inhibe ederek döteryumun etkisine bağlıdır. Normal hücrelerden daha fazla kötü huylu hücrelere toksiktir, ancak normal kullanım için gerekli konsantrasyonlar çok yüksektir.[52] Kemoterapide olduğu gibi, döteryum zehirlenmesi olan memeliler, kemik iliği yetmezliğinden (kanama ve enfeksiyonlar), bağırsak bariyer fonksiyonlarından (ishal ve sıvı kaybı) ölür.
Bitkilerde ve hayvanlarda aşırı döteryum ile yaşamada yaşanan sorunlara rağmen, döteryumdan kaynaklanan mitoz problemleri olmayan bakteri gibi prokaryotik organizmalar, bakteriyel proteinlerde ve DNA'da tüm hidrojen atomlarının döteryum izotopu ile değiştirilmesiyle tamamen döteryumlu koşullarda büyütülebilir ve çoğaltılabilir.[52][55] Bu bir bootstrap sürecine yol açar. Tamamen döteryumlu glikoz üreten prokaryotlar, tamamen döteryumlu Escherichia coli ve Torula üretebilir ve hatta daha karmaşık tamamen döteryumlu kimyasallar üretebilir. Aspergillus gibi küfler tamamen döteryumlu koşullarda çoğalamazlar.[53]
Daha yüksek organizmalarda, tamamen döteryumla değiştirme, başka 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, bor nötron yakalama tedavisini iyileştirmek için kullanılır, ancak bu etki döteryumun biyolojik veya kimyasal etkilerine değil, bunun yerine döteryumun nötronları yakalamadan yavaşlatabilme yeteneğine dayanır.[52] 2021 deneysel bulgular, standart bir insan melanoması fare modeli üzerinde sistemik döteryum oksit (içilen su takviyesinin %30'u) uygulamasının tümör büyümesini bastırdığını göstermektedir, bu etki, tümör hücrelerinde hücresel stres sinyalinin ve gen ekspresyonunun seçici olarak indüksiyonuna bağlanmaktadır.[57]
İnsanlarda toksisite
[Düzenle]
İnsanın vücut suyunun %25 ila %50'sini (su vücut ağırlığının %50-75'i olduğundan)[58] ağır su ile değiştirmek için çok büyük miktarda ağır suya ihtiyaç duyulması nedeniyle, ağır su ile kazayla veya kasten zehirlenme olasılığı pratik olarak önemsizdir. Zehirlenme, kurbanın önemli normal su alımı olmadan uzun bir süre boyunca büyük miktarlarda ağır su alması durumunda belirgin toksik etkiler üretmesi için gereklidir.
Birkaç gramlık ağır su oral dozları, ağır oksijen 18O'nun yanı sıra, insan metabolizma deneylerinde rutin olarak kullanılır. (Çift etiketli su testi bakın.) Yaklaşık 6.400 hidrojen atomunda birinin döteryum olduğu göz önüne alındığında, 32 kg (71 lb) vücut suyu içeren 50 kg (110 lb) insan normalde yaklaşık 5,5 gr (0,19 oz) saf ağır su yapmak için yeterli miktarda döteryum (yaklaşık 1,1 gram veya 0,039 ons) içerir, bu nedenle vücuttaki döteryum miktarını ikiye katlamak için yaklaşık bu doz gereklidir.
Kan basıncındaki bir düşüş, ağır su alımının ardından baş dönmesi görülme sıklığının kısmi açıklamasını sağlayabilir. Bununla birlikte, bu semptomun vestibüler fonksiyonun değiştirilmesine atfedilebileceği daha olasıdır. Ağır su, etanolle benzer şekilde, kupulanın içindeki endolenf yoğunluğunda geçici bir fark yaratır, bu da vestibülo-oküler refleksi karıştırır ve hareket hastalığı semptomlarına neden olur.[59]
Ağır su radyasyon kirliliği yanılgısı
[Düzenle]
Birçok insan ağır suyu öncelikle nükleer reaktörlerdeki kullanımından dolayı ilişkilendirirse de, saf ağır su radyoaktif değildir. Ticari dereceli ağır su, doğal trityum izleri nedeniyle biraz radyoaktiftir, ancak sıradan su için de aynı durum geçerlidir. Nükleer güç santrallerinde soğutucu olarak kullanılan ağır su, ağır sudaki döteryumun nötron bombardımanı sonucu önemli ölçüde daha fazla trityum içerir (trityum, büyük miktarlarda yutulması durumunda sağlık riski oluşturur).
1990 yılında, Kanada'daki Point Lepreau Nükleer Üretim Tesisi'ndeki memnuniyetsiz bir çalışan, nükleer reaktörün birincil ısı taşıma döngüsünden (tahmini olarak "yarım fincan") bir ağır su örneği alarak kafeterya içecek dağıtım makinesine yükledi. Sekiz çalışan, kirlenmiş suyun bir kısmını içti. Olay, çalışanların biyoassay idrar örneklerinde trityum seviyelerinin yükseldiği tespit edildiğinde ortaya çıktı. Ağır suyun miktarı, ağır su toksisitesine neden olabilecek seviyenin çok altında kaldı, ancak birden fazla çalışan suyun içindeki trityum ve nötronla aktive edilmiş kimyasallardan gelen yüksek radyasyon dozu aldı.[60] Bu, ağır su zehirlenmesi değil, ağır sudaki diğer izotoplardan kaynaklanan radyasyon zehirlenmesiydi.
Bazı haber kaynakları bu noktaları ayırt etmede dikkatli değildi ve halkın bir kısmı ağır suyun genellikle radyoaktif ve olması gerekenden daha toksik olduğu izlenimine kapıldı. Saf ağır su, içecek dağıtım makinesinde sonsuza kadar kullanılmış olsa bile, olayın tespit edilmesi veya zarar vermesi olası değildi, çünkü hiç kimse günlük içme suyunun çok büyük bir kısmını buradan almamalıydı.[61]
Üretim yöntemleri
[Düzenle]
Ağır su üretmenin en uygun maliyetli yöntemi, 1943'te Karl-Hermann Geib ve Jerome S. Spevack tarafından paralel olarak geliştirilen çift sıcaklık değişimi sülfür prosesidir (Girdler sülfür prosesi olarak bilinir).[32] Alternatif bir proses[62], Graham M. Keyser tarafından patentlendi, döteryum florür oluşturmak için döteryumlu hidroflorokarbonları seçici olarak ayrıştırmak için lazerler kullanır, daha sonra fiziksel yöntemlerle ayrılabilir. Bu prosesin enerji tüketimi Girdler sülfür prosesinden çok daha az olsa da, bu yöntem şu anda gerekli hidroflorokarbonları temin etmenin maliyetinden dolayı ekonomik değildir.
Daha önce de belirtildiği gibi, modern ticari ağır su hemen hemen her zaman döteryum oksit olarak adlandırılır ve satılır. En yaygın olarak, %98'den %99,75-99,98'e kadar zenginleştirme (nükleer reaktör sınıfı) ve bazen daha yüksek izotop saflığı bulunan çeşitli saflık derecelerinde satılmaktadır.
Ağır su üretiminin yöntemleri[63] Yöntem türü İlk tesis Tarihi Hammadde Çift sıcaklık sıcaklığı (K) Ayrıştırma katsayısı Enerji tüketimi (MWh/kg)