Wat is zwaar water (deuteriumoxide)? Eigenschappen & toepassingen

Ontdek wat zwaar water (deuteriumoxide) is: eigenschappen, nukleaire kenmerken, toepassingen in kernreactoren en veiligheid. Leer over D2O, gebruik en risico's.

Zwaar water (deuteriumoxide, ²
H
_2O, D
_2O) is een vorm van water die in plaats van de gewone waterstofatomen een verhoogd aandeel deuterium bevat. Deuterium is een stabiele waterstofisotoop met één neutron in de kern (genoteerd als ²
H of D), en staat daarom ook wel bekend als zware waterstof. Gewoon water bevat voornamelijk de lichtste waterstofisotoop, protium ( ¹
H of H, oftewel protium ).

Doordat deuterium zwaarder is dan protium verandert de gemiddelde massa van de molecule en raken bepaalde fysische en chemische eigenschappen van zwaar water anders dan die van gewoon (licht) water. Zwaar water wordt technisch vooral gebruikt als neutronenmoderator in sommige types kernreactoren (bijvoorbeeld CANDU-reactoren). Als moderator vertraagt D2O snelle neutronen naar thermische snelheden met relatief weinig neutronabsorptie, waardoor de reactor efficiënter met niet-verrijkt uranium kan werken. Zuiver D2O is zelf niet radioactief, maar zwaar water dat in een reactor is gebruikt kan licht radioactief worden (onder andere door de vorming van tritium).

Belangrijkste fysische en chemische eigenschappen

• Dichtheid: Zwaar water is zwaarder dan gewoon water. De dichtheid ligt bij kamertemperatuur rond 1,10 g·cm−3 (ongeveer 10% hoger dan H2O), waardoor D2O zichtbaar “zwaarder” aanvoelt.
• Smelt- en kookpunt: De smelttemperatuur van D2O ligt boven die van H2O (ongeveer +3,8 °C voor D2O tegenover 0 °C voor H2O) en het kookpunt is ook iets hoger (ongeveer 101,4 °C).
• Molaire massa: Een D2O-molecuul heeft een hogere molaire massa dan H2O (ongeveer 20,03 g·mol−1 versus 18,02 g·mol−1).
• Chemische reactiviteit: Reacties met deuterium verlopen vaak iets trager dan met protium (kinetische isotopie-effecten). Dit maakt D2O nuttig in onderzoeken naar reactiemechanismen.
• Neutronische eigenschappen: Deuterium absorbeert veel minder neutronen dan normaal waterstof, daarom is D2O een efficiënte moderator zonder veel neutronverlies door absorptie.

Productie en zuivering

Zuiver D2O komt in de natuur vrijwel niet in geconcentreerde vorm voor; de natuurlijke abundantie van deuterium in waterstof is klein (enkele honderden ppm). Industriële productie en verrijking van zwaar water gebeurt met methoden zoals:

• Girdler-sulfideproces (isotopische uitwisseling met waterstofsulfide) — historisch de belangrijkste methode voor grootschalige productie.
• Destillatie of fractionele destillatie — meerdere stappen nodig vanwege kleine verschillen in kookpunt.
• Elektrolyse — hier blijft deuteriumhoudend water achter als residu; energie-intensief maar geschikt voor verdere zuivering.
• Chemische isotopische uitwisselingsprocessen (bijv. met ammoniak of methaan) en moderne membraantechnologieën.

Toepassingen

• Kernenergie: Gebruik als moderator en koelmiddel in zwaarwaterreactoren (bijv. CANDU), waardoor gebruik van natuurlijk (niet-verrijkt) uranium mogelijk is.
• Wetenschappelijk onderzoek: D2O wordt gebruikt als oplosmiddel in NMR-spectroscopie (proton-NMR) omdat het geen protonsignaal geeft en zo achtergrond vermindert, en als tracer in hydrologische en biochemische studies.
• Isotopenlabels: Deuterium wordt toegepast voor het volgen van stofstromen in biologische systemen en chemische reacties (isotopische tracer-technieken).
• Farmacie en chemie: Deuteratie van geneesmiddelen kan hun metabole stabiliteit en farmacokinetiek veranderen; sommige “deuterated drugs” zijn onderzocht of op de markt gebracht.
• Materiaal- en neutrononderzoek: D2O wordt gebruikt in neutronenspectroscopie en -scatteringexperimenten omdat het neutronensignaal voor H en D verschilt.

Gezondheid en veiligheid

Zuiver D2O is chemisch vergelijkbaar met H2O en is niet intrinsiek radioactief, maar het gedrag in biologische systemen verschilt. Kleine hoeveelheden (zoals sporen in drinkwater) zijn niet schadelijk. Bij aanzienlijke vervanging van lichaamswater door D2O treden schadelijke effecten op:

• Bij vervanging van een groot deel van het totale lichaamswater (bijvoorbeeld >20–25%) kunnen celdelingen en biochemische processen verstoord raken; bij zeer hoge fracties kan dit dodelijk zijn.
• In reactoromgeving en na langdurig neutronenbestraling kan D2O tritium bevatten, dat radioactief is; daarmee valt het verrijkt of gebruikt zwaar water onder specifieke veiligheids- en afvalvoorschriften.
• Bij omgang met geconcentreerd D2O gelden laboratoriumveiligheidsregels: draag geschikte PBM (handschoenen, veiligheidsbril), voorkom morsen en houd rekening met milieu- en afvalverwerkingseisen.

Voorkomen en milieu

Deuterium komt natuurlijk voor in oceaan- en grondwater, maar in lage concentraties (deuterium is een klein percentage van alle waterstofatomen). Dit betekent dat zuiver D2O praktisch niet in het milieu voorkomt en voor industriële toepassingen verrijkt moet worden. Omdat verrijkt of gebruikt zwaar water (met name uit reactoren) mogelijke radioactieve bijproducten kan bevatten, is zorgvuldige beheersing en verwijdering noodzakelijk.

Samenvatting

Zwaar water (deuteriumoxide, D2O) is water waarin de waterstofatomen grotendeels uit deuterium bestaan. Dat geeft de stof andere fysische, chemische en nucleaire eigenschappen dan gewoon water. D2O speelt een belangrijke rol in kerntechniek als efficiënte neutronenmoderator, maar heeft ook brede toepassingen in wetenschap en industrie. Zuivering en gebruik brengen speciale productie-, veiligheids- en milieuaspecten met zich mee. Zuiver D2O is niet radioactief, maar kan tijdens reactorgebruik radioactieve componenten (zoals tritium) bevatten.

Vragen en antwoorden

V: Wat is zwaar water?

V: Waarin verschilt zwaar water van gewoon "licht" water?

V: Wat zijn enkele toepassingen van zwaar water?

V: Is zuiver zwaar water radioactief?

V: Kunnen mensen overleven met alleen zwaar water in plaats van gewoon licht water?

V: Zijn kleine hoeveelheden zwaar water giftig voor mensen?

Zoek op letter