重水：从基本性质到核能应用
重水：从基本性质到核能应用
重水（Deuterium Oxide），化学式为D2O，是氢的重同位素氘与氧形成的化合物。由于其密度比普通水大，因此得名"重水"。重水在核能领域具有重要应用价值，是核反应堆中常用的中子减速剂和冷却剂。
基本性质
- 分子式：D2O
- 分子量：20.03
- 熔点：3.8°C
- 沸点：101.4°C
- 密度：1.107 g/mL (25°C)
- 蒸气压：27.464 hPa (25°C)
- 折射率：n20/D 1.328
- 闪点：101.4°C
- 储存条件：储存在+30°C以下
- 形态：液体
- 酸度系数(pKa)：pK (25°) 14.955 (molarity scale); 16.653 (mole fraction scale)
- 颜色：无色
- pH值：7 (H2O, 20°C)
- 相对极性：0.991
- 水溶解性：与水互溶
- 敏感性：吸湿
- 介电常数：78.3 (25°C)
- 稳定性：稳定，易吸湿
物理化学性质
重水是一种无色无臭的液体，其化学性质相对不活跃。与普通水相比，重水的许多物理性质有所不同。例如，重水分子间的氢键力较大，分子间缔合度也较高，因此其熔点、沸点都比普通水高。在常温下，重水的蒸气压比普通水小，这是水精馏法富集重水的理论基础。在25°C时，重水的粘度比普通水大2.3%，导致许多电解质在重水中的电导率比在普通水中低。重水的介电常数低于普通水，盐类在重水中的溶解度一般较小。例如，在25°C时，1g普通水能溶解0.3592g氯化钠，但1g重水只能溶解0.3056g。此外，重水的表面张力、离子积([D+7][OD+]=2×10-15)的数值都比普通水小，重水的反应速度也比普通水慢。
历史背景
1931年，H·C·尤里等人发现氘后，提出用电解水法浓缩重水的设想。1933年，G·N·路易斯等人通过反复电解电解槽废液，成功获得近乎纯的重水。重水的相对分子质量为20.0275，比普通水的相对分子质量18.0153高出约11%。因此，其物理性质与普通水有显著差异。重水的熔点为3.82°C，沸点为101.42°C，密度(25°C)为1.10445g/cm3。
主要用途
重水在核能领域具有重要应用价值。它可用作核裂变动力反应堆中的中子减速剂和载热剂，也可用于化学和生物学研究。重水电解所得的氘是制造氢弹的装料。此外，重水和氘在研究化学和生理变化中是一种宝贵的示踪材料。例如，用稀重水灌溉树木，可以测知水在这些植物中每小时可运行十几米到几十米。测定饮过大量稀重水的人尿中的氘含量，可以知道水分子在人体中停留时间平均为14天。用氘代替普通氢，可以研究动植物消化和新陈代谢过程。
危害性
- 氘会影响生物体的有丝分裂，损伤DNA修复酶，造成DNA密码错乱，且这种DNA损伤会延续终身。
- 重水作用于DNA，会影响遗传因子机能，从而引起恶性肿瘤。
- 氘会抑制一些生物酶的作用，影响DNA复制的生物酶在重水中的反应速度降低一半。
生产方法
重水的生产方法主要包括精馏法、电解法和化学交换法等。其中，化学交换法是目前生产重水最经济的方法。利用硫化氢和水的双温交换过程是目前工业规模生产低浓重水的主要方法。此外，还在开发中的方法有吸氢合金吸附分离法和激光分离法等。
应用领域
重水在核能领域具有重要应用价值。它可用作核裂变动力反应堆中的中子减速剂和载热剂，也可用于化学和生物学研究。重水电解所得的氘是制造氢弹的装料。此外，重水和氘在研究化学和生理变化中是一种宝贵的示踪材料。例如，用稀重水灌溉树木，可以测知水在这些植物中每小时可运行十几米到几十米。测定饮过大量稀重水的人尿中的氘含量，可以知道水分子在人体中停留时间平均为14天。用氘代替普通氢，可以研究动植物消化和新陈代谢过程。