آب با اکسیژن سنگین
آب با اکسیژن سنگین، در حالت معمولی H218O است که به صورت تجارتی در دسترس است و بیشتر برای ردیابی بکار برده می شود. به عنوان مثال با جایگزین کردن این آب ( از طریق نوشیدن یا تزریق) در یکی از عضو های بدن می توان در طول زمان میزان تغییر در مقدار آب این عضو را بررسی کرد. این نوع از آب به ندرت حاوی دوتریوم است و به همین علت خواص شیمیایی و بیولوژِکی خاصی ندارد. برای همین به آن آب سنگین گفته نمی شود. ممکن است اکسیژن در آن ها به صورت ایزوتوپ های Ow نیز موجود باشد، در هر صورت تفاوت فیزیکی این آب با آب معمولی تنها چگالی بیشتر آن است.
سنگین(D2O ) نوع خاصي از مولکول های آب است که در آن ایزوتوپ های هیدروژن حضور دارند. این نوع از آب کلید اصلی تهیه پلوتونیوم از اورانیوم طبیعی است و به همین دلیل تولید و تجارت آن تحت نظر قوانین بین المللی صورت گرفته و به شدت کنترل می شود.
«هارولد یوری»، (1893-1981) شیمیدان و از پیشتازان فعالیت روی ایزوتوپ ها که در سال 1934 جایزه نوبل در شیمی گرفت، در سال 1931 میلادی«ایزوتوپ هیدروژن سنگین» را که بعدها به منظور افزایش غلظت آب مورد استفاده قرار گرفت، کشف کرد.
همچنین در سال 1933« گیلبرت نیوتون لوئیس» شیمیدان و فیزیکدان مشهور آمریکایی و استاد هارولد یوری ، توانست برای اولین بار نمونه آب سنگین خالص را به وسیله عمل الکترولیز به وجود اورد.
اولین کاربرد علمی از آب سنگین در سال1934توسط دو بیولوژیست به نام های هوسی و هافر صورت گرفت. آن ها از آب سنگین برای آزمایش ردیابی بیولوژیکی، به منظور تخمین میزان بازدهی آب در بدن انسان، مورد استفاده قرار دادند.
مفهوم و مراحل تولید
آب سنگین(D2O) نوع خاصی از مولکول های آب است که در آن ایزوتوپ های هیدروژن قرار دارند. با کمک این نوع از آب می توان پلوتونیوم لازم برای سلاح های اتمی را بدون نیاز به غنی سازی بالی اورانیوم تهیه کرد.
از کاربرد های دیگر این آب می توان به استفاده از آن در رآکتورهای هسته ای با سوخت اورانیوم، متعادل کننده به جای گرافیت و نیز عامل انتقال گرمای رآکتور نام برد. آب سنگین واژه ای است که معمولا به اکسید هیدروژن، D2O یا 2H2O اطلاق می شود.
هیدروژن سنگین یا دوتریوم ایزوتوپی پایدار از هیدروژن است که به نسبت یک به 6400 از اتم های هیدروژن در طبیعت وجود دارد. خواص فیزیکی و شیمیایی آن به نوعی مشابه با آب سبک H2O است. اتم های دوتریوم ایزوتوپ های سنگینی هستند که بر خلاف هیدروژن معمولی، هسته آن ها شامل نوترون نیز هست. جایگزینی هیدروژن با دوتریوم در مولکول های آب سطح انرژی پیوند های مولکولی را تغییر داده و طبیعتا خواص متفاوت فیزیکی ، شیمیایی و بیولوژیکی را موجب می شود، به طوری که این خواص را در کمتر اکسید ایزوتوپی می توان مشاهده کرد.
به عنوان مثال ویسکوزیته یا به زبان ساده تر چسبندگی آب سنگین به مراتب بیشتر از آب معمولی است. آب سنگین آبی است که در مقایسه با آب معمولی دیرتر می جوشد و زودتر یخ می زند و همانطور که ذکر شد« گیلبرت نیوتون لوئیس» نخستین بار نمونه آن را از آب سنگین خالص در سال 1933 به دست آورد. هیدروژن طبیعی دارای دو ایزوتوپ است: ایزوتوپ هیدروژن سبک که تقریبا99/98 درصد هیدروژن موجود را تشکیل می دهد و ایزوتوپ هیدروژن سنگین یا دوتریوم که مقدار آن 15 درصد است.
ایزوتوپ دوتریوم برخلاف هیدروژن معمولی دارای یک نوترون است. آب معمولی از یک اتم اکسیژن و دو اتم هیدروژن تشکیل شده است، در حالی که آب سنگین، از یک اتم اکسیژن و دو اتم دوتریوم تشکیل شده است. برای تولید آب سنگین باید مولکول های آب حاوی هیدروژن سنگین(دوتریوم) را از مولکول های آب معمولی جدا و خالص کنند.
جرم مولکولی آب معمولی 18 و جرم مولکولی آب سنگین 20 است. از لحاظ خواص شیمیایی تفاوت چندانیبا خواص آب معمولی نداشته و اختلافات جزئی وجود دارد اما از لحاظ هسته ای هیدروژن معمولی می تواند نوترون را جذب کند، اما احتمال جذب نوترون توسط هیدروژن سنگین بسیار کم است. به دلیل تفاوت مشخصات هسته ای دوتریوم با هیدروژن از لحاظ « تکانه زاویه ای و گشتاور مغناطیسی» از آب سنگین و دوتریوم در زمینه های مختلف تحقیقاتی نیز استفاده می شود.
به عنوان مثال رفتار آب سنگین در دستگاه های MRI با رفتار هیدروژن معمولی متفاوت است.
در فعالیت های تحقیقاتی به منظور بررسی برخی خواص از موادی استفاده می کنند که هیدروژن طبیعی را در آن با هیدروژن سنگین( دوتریوم) جایگزین کرده اند. یکی از کاربرد های دوتریم استفاده در تولید نوترون در شتاب دهنده ها و تولید انرژی در « رآکتور های گداخت» است.
آب نیمه سنگین
چنانچه در اکسید هیدروژن تنها یکی از اتم های هیدروژن به ایزوتوپ دوتریوم تبدیل شود نتیجه حاصله(HDO ) را آب نیمه سنگین می گویند. در مواردی که ترکیب مساوی از هیدروژن و دوتریوم در تشکیل مولکول های آب حضور داشته باشند، آب نیمه سنگین تهیه می شود. دلیل این امر تبدیل سریع اتم های هیدروژن و دوتریوم بین مولکول های آب است، مولکول آبی که از 50 درصد هیدروژن معمولی (H )و 50 درصد هیدروژن سنگین( D ) تشکیل شده است، در موازنه شیمیایی در حدود 50 درصد HDO و 25 درصد آب (H2O ) و 25 درصد D2O خو.اهد داشت.
نکته قابل توجه آن است که آب سنگین را نباید با آب سخت که اغلب شامل املاح زیاد است و یا با آب تریتیوم ( T2O3H2O ) كه از ایزوتوپ دیگر هیدروژن تشکیل شده است، اشتباه گرفت. تریتیوم ایزوتوپ دیگری از هیدروژن است که خاصیت رادیواکتیو دارد و بیشتر برای ساخت موادی که از خود نور منتشر می کنند، بکار برده می شود.