Kjarnar frumeinda (e. atoms) eru samsettir úr tvenns konar ögnum; róteindum (e. protons) og nifteindum (e. neutrons). Fjöldi róteinda, sem bera jákvæða rafhleðslu, skilgreinir gerð frumeindarinnar en fjöldi nifteinda, sem eru óhlaðnar, getur verið breytilegur. Um kjarnann sveima neikvætt hlaðnar rafeindir (e. electrons) sem eru jafnmargar og róteindirnar. Tvær frumeindir sem hafa sama fjölda róteinda en mismunandi fjölda nifteinda kallast samsætur (e. isotopes). Þær eru af sömu frumefnagerð en hafa ólíka massa þar sem önnur er gerð úr fleiri ögnum en hin.
Til eru þrjár mismunandi samsætur vetnis. Venjuleg vetnisfrumeind (H) er samsett úr einni róteind og einni rafeind. Tvívetni (D) hefur, auk rafeindar og róteindar, eina nifteind og þrívetni (T) er samsett úr rafeind, róteind og tveimur nifteindum. Næstum allt vetni er á fyrstnefnda forminu en hér um bil 0,022% er tvívetni. Þrívetni er enn sjaldgæfara; hlutfall þess í náttúrunni er minna en 10-17. Þrívetni er eina þessara samsætna sem er geislavirk.
Þungt vatn (D2O) er efnasamband tvívetnis og súrefnis á sama hátt og venjulegt vatn (H2O) er efnasamband vetnis og súrefnis. Hins vegar hefur ein sameind þungs vatns tveimur nifteindum meira en venjuleg vatnssameind og er þyngri sem því munar. Þannig er eðlismassi þungs vatns 1104 g/L (grömm á lítra) við 25°C en eðlismassi venjulegs vatns aðeins 997 g/L. Að sama skapi eru bæði bræðslumark og suðumark þungs vatns nokkrum gráðum hærri en venjulegs vatns.
Þungt vatn finnst í náttúrunni blandað venjulegu vatni og er venjulega einangrað með rafgreiningu eða uppgufun (þar sem suðumarksmunurinn er notaður). Þar sem ein af hverjum 4500 vetnisfrumeindum er tvívetni, er hlutfall þungs vatns í náttúrunni um það bil ein þung vatnssameind í hverjum tuttugu milljónum vatnssameinda.
Í efnafræðirannsóknum er þungt vatn einkum notað sem leysir, til dæmis fyrir mælingar á kjarnspunarófum (NMR) og sem hvarfefni þegar merkja skal ákveðna sameindahluta með tvívetnisfrumeindum. Rannsóknastofur í læknisfræði nota þungt vatn meðal annars til að reikna vatnsinnihald í líkama sjúklinga. Einnig hefur gefið góða raun að gefa bóluefni við mænusótt uppleyst í þungu vatni til inntöku. Þó er ekki mælt með mikilli inntöku þungs vatns, þar sem of hátt hlutfall tvívetnis í líkamanum veldur (að nokkru leyti ófyrirséðum) breytingum á hraða ýmissa efnahvarfa.
Frægasta dæmið um notkun þungs vatns er þó líklega úr kjarnorkuiðnaðinum. Þar er þungt vatn notað til að hægja á nifteindum sem verða til við kjarnaklofnanir og þar með auka líkurnar á að þær valdi sjálfar kjarnaklofnun og haldi því keðjuverkuninni áfram. Þungt vatn til kjarnorkurannsókna var talin mikilvægasta útflutningsvara Þjóðverja frá hinum hernumda Noregi á árum seinni heimsstyrjaldarinnar og ein frægasta aðgerð norsku andspyrnuhreyfingarinnar var eyðilegging verksmiðjunnar sem framleiddi þunga vatnið.
Finnbogi Óskarsson. „Hvað er þungt vatn og til hvers er það notað?“ Vísindavefurinn, 16. október 2002. Sótt 19. apríl 2024. http://visindavefur.is/svar.php?id=2789.
Finnbogi Óskarsson. (2002, 16. október). Hvað er þungt vatn og til hvers er það notað? Vísindavefurinn. Sótt af http://visindavefur.is/svar.php?id=2789
Finnbogi Óskarsson. „Hvað er þungt vatn og til hvers er það notað?“ Vísindavefurinn. 16. okt. 2002. Vefsíða. 19. apr. 2024. <http://visindavefur.is/svar.php?id=2789>.
Hér getur þú sent okkur nýjar spurningar um vísindaleg efni.
Hafðu spurninguna stutta og hnitmiðaða og sendu aðeins eina í einu. Einlægar og vandaðar spurningar
um mikilvæg efni eru líklegastar til að kalla fram vönduð og greið svör. Ekki er víst að tími vinnist til að
svara öllum spurningum.
Persónulegar upplýsingar um spyrjendur eru eingöngu notaðar í starfsemi vefsins, til dæmis til að
svör verði við hæfi spyrjenda. Spurningum er ekki sinnt ef spyrjandi villir á sér heimildir eða segir ekki
nægileg deili á sér.
Spurningum sem eru ekki á verksviði vefsins er eytt.
Að öðru leyti er hægt að spyrja Vísindavefinn um allt milli himins og jarðar!
Sólin
Rís 05:40 • sest 21:16
Tunglið
Rís 15:13 • Sest 05:59
Flóð
Árdegis: 03:57 • Síðdegis: 16:31
Fjara
Árdegis: 10:23 • Síðdegis: 22:34
Kjarnar frumeinda (e. atoms) eru samsettir úr tvenns konar ögnum; róteindum (e. protons) og nifteindum (e. neutrons). Fjöldi róteinda, sem bera jákvæða rafhleðslu, skilgreinir gerð frumeindarinnar en fjöldi nifteinda, sem eru óhlaðnar, getur verið breytilegur. Um kjarnann sveima neikvætt hlaðnar rafeindir (e. electrons) sem eru jafnmargar og róteindirnar. Tvær frumeindir sem hafa sama fjölda róteinda en mismunandi fjölda nifteinda kallast samsætur (e. isotopes). Þær eru af sömu frumefnagerð en hafa ólíka massa þar sem önnur er gerð úr fleiri ögnum en hin.
Til eru þrjár mismunandi samsætur vetnis. Venjuleg vetnisfrumeind (H) er samsett úr einni róteind og einni rafeind. Tvívetni (D) hefur, auk rafeindar og róteindar, eina nifteind og þrívetni (T) er samsett úr rafeind, róteind og tveimur nifteindum. Næstum allt vetni er á fyrstnefnda forminu en hér um bil 0,022% er tvívetni. Þrívetni er enn sjaldgæfara; hlutfall þess í náttúrunni er minna en 10-17. Þrívetni er eina þessara samsætna sem er geislavirk.
Þungt vatn (D2O) er efnasamband tvívetnis og súrefnis á sama hátt og venjulegt vatn (H2O) er efnasamband vetnis og súrefnis. Hins vegar hefur ein sameind þungs vatns tveimur nifteindum meira en venjuleg vatnssameind og er þyngri sem því munar. Þannig er eðlismassi þungs vatns 1104 g/L (grömm á lítra) við 25°C en eðlismassi venjulegs vatns aðeins 997 g/L. Að sama skapi eru bæði bræðslumark og suðumark þungs vatns nokkrum gráðum hærri en venjulegs vatns.
Þungt vatn finnst í náttúrunni blandað venjulegu vatni og er venjulega einangrað með rafgreiningu eða uppgufun (þar sem suðumarksmunurinn er notaður). Þar sem ein af hverjum 4500 vetnisfrumeindum er tvívetni, er hlutfall þungs vatns í náttúrunni um það bil ein þung vatnssameind í hverjum tuttugu milljónum vatnssameinda.
Í efnafræðirannsóknum er þungt vatn einkum notað sem leysir, til dæmis fyrir mælingar á kjarnspunarófum (NMR) og sem hvarfefni þegar merkja skal ákveðna sameindahluta með tvívetnisfrumeindum. Rannsóknastofur í læknisfræði nota þungt vatn meðal annars til að reikna vatnsinnihald í líkama sjúklinga. Einnig hefur gefið góða raun að gefa bóluefni við mænusótt uppleyst í þungu vatni til inntöku. Þó er ekki mælt með mikilli inntöku þungs vatns, þar sem of hátt hlutfall tvívetnis í líkamanum veldur (að nokkru leyti ófyrirséðum) breytingum á hraða ýmissa efnahvarfa.
Frægasta dæmið um notkun þungs vatns er þó líklega úr kjarnorkuiðnaðinum. Þar er þungt vatn notað til að hægja á nifteindum sem verða til við kjarnaklofnanir og þar með auka líkurnar á að þær valdi sjálfar kjarnaklofnun og haldi því keðjuverkuninni áfram. Þungt vatn til kjarnorkurannsókna var talin mikilvægasta útflutningsvara Þjóðverja frá hinum hernumda Noregi á árum seinni heimsstyrjaldarinnar og ein frægasta aðgerð norsku andspyrnuhreyfingarinnar var eyðilegging verksmiðjunnar sem framleiddi þunga vatnið.