Ağır Su Nedir?

Ağır su (D₂O), doğal oranlardan (6.500’de bir) çok daha fazla ağır hidrojen (döteryum, D) atomu içeren sudur. Ağır su, bazı nükleer reaktörlerde moderatör olarak kullanılır çünkü nötronları etkili bir şekilde yavaşlatır ve ayrıca düşük bir nötron emilimi olasılığına sahiptir.

Döteryumun atom kütlesi, hidrojenin yaygın izotopu olan protiyumunkinden daha büyük olduğu için, ağır suyun molar kütlesi normal sudan daha yüksektir. Bu durum, ağır suyun (D₂O), H₂O ile karşılaştırıldığında biraz farklı kimyasal ve fiziksel özelliklere sahip olmasına neden olur.

Bu yazıda, ağır suyun özelliklerini, nasıl elde edildiğini, farklı türlerini, önemli reaksiyonlarını ve kullanım alanlarını inceleyeceğiz.

Normal su gibi, ağır su veya döteryum oksit renksizdir ve H₂O ile aynı reaksiyonların çoğuna katılır. Bununla birlikte, çoğu insan iki tür suyun tadının farklı olduğunu bildirir. Ağır suyun hafif tatlı bir tadı vardır. Ağır sudan yapılan buz küpleri ağır suda yüzer, ancak normal suda batar.

Ağır Suyun Özellikleri

Fiziksel Özellikler

• Ağır su, standart sıcaklık ve basınçta (STP) renksiz görünür.
• Oda sıcaklığında kokusuz bir sıvı halinde bulunur.
• D₂O’nun yoğunluğu H₂O’dan yaklaşık %11 daha fazla olduğu için, ağır sudan yapılmış bir buz küpü normal suda batar.
• Ağır su, normal su ile karıştırıldığında homojen bir karışım oluşturur.

Kimyasal Özellikler

• Hidrojen izotopları, atom kütlelerindeki farklılıklar nedeniyle farklı kimyasal davranışlar sergiler.
• Yüksek miktarda döteryumun varlığından kaynaklanan çözücü özelliklerindeki değişiklikler, biyolojik sistemleri olumsuz etkileyebilir.
• Normal su, ağır suya kıyasla daha fazla ayrışır.
• Belirli bir sıcaklıkta, bir D⁺₂O örneğindeki D+ iyonlarının konsantrasyonu genellikle bir H⁺₂O örneğindeki H+ iyonlarının konsantrasyonundan daha düşüktür.

Ağır Su Hazırlama Yöntemleri

Ağır su, alkali içeren suyun uzun süreli elektrolizi yoluyla elde edilir.

• Elektrolit: NaOH içeren su
• Katot: Çelik kap
• Anot: Delikli nikel levha

Elektroliz, CO₂ gazının geçişiyle nötralize edilen yedi alkali için devam ettirilir. Geriye kalan ürün ağır sudur. Ağır suyun bazı önemli özellikleri aşağıda listelenmiştir:

• Bir döteryum atomunun çekirdeği, bir proton ve bir nötron içerir, bu da onu protiyumdan (normal suda bulunan hidrojen izotopu, ¹H ile gösterilir) kabaca iki kat daha ağır yapar.
• Bir su molekülünün moleküler kütlesinin yaklaşık %89’u oksijene atfedilir. Bu nedenle, D₂O’nun moleküler kütlesi, H₂O’nunkinden önemli ölçüde daha büyük değildir.
• Ağır suyun yoğunluğu, normal sudan yaklaşık %11 daha yüksektir.
• D₂O’daki döteryum-oksijen bağı, H₂O’daki protiyum-oksijen bağından daha güçlüdür.
• D₂O, döteryum atomunun radyoaktif bozunmaya uğramaması nedeniyle doğada radyoaktif değildir.
• Yüksek dozlarda ağır su, birçok organizma için toksik olabilir.

Ağır suyun ilk üretimi 1932 yılında gerçekleşti. Basınçlı ağır su reaktörlerinde (PHWR) nötron moderatörü ve soğutucu olarak kullanılır. “Ağır su” terimi tipik olarak D₂O’yu ifade eder. Ancak, suyun başka “ağır” formları da mevcuttur.

Ağır Su Türleri

Yarı Ağır Su (HDO)

• Bu tür ağır su, HDO formülü ile gösterilir ve bir protiyum, bir döteryum ve bir oksijen atomundan oluşur.
• Su molekülleri, hidrojen atomlarını birbirleriyle değiştirme eğilimindedir. Bu, HDO’nun hem protiyum hem de döteryum içeren su örneklerinde bulunabileceği anlamına gelir.
• Eşit oranda protiyum ve döteryum içeren bir su örneği, %50 yarı ağır su, %25 normal su ve %25 ağır sudan oluşur.
• Bu örnekte, HDO, D₂O ve H₂O arasında dinamik bir denge vardır.

Ağır Oksijenli Su

• ¹⁷O ve ¹⁸O gibi daha ağır oksijen izotopları içeren suya ağır oksijenli su denir.
• Yoğunluğu normal sudan daha yüksektir, bu nedenle bir tür ağır su olarak sınıflandırılır.
• ¹⁸O oksijen izotopu içeren ağır oksijenli su, ¹⁸F flor izotopunun üretiminde kullanılır. Ayrıca radyoizleyiciler ve radyofarmasötiklerde de kullanılır.

Trityumlu Su (T₂O)

• Protiyum yerine trityum (T veya ³H ile gösterilir) içeren radyoaktif bir su formudur.
• Genellikle süper ağır su olarak adlandırılır ve T₂ formülü ile gösterilir.
• Trityumlu su, bir vücuttaki toplam su hacmini belirlemek için kullanılabilir.
• T₂O’nun molar kütlesi 22.03 gram/mol ve yoğunluğu 1.85 g/mL’dir.

Ağır Suyun Önemli Reaksiyonları

• Elektroliz: 2D2O → 2D2 (Döteryum) + O2
• Metallerle Reaksiyonları: 2Na + 2D2O → 2NaOD (Sodyum Döteroksit) + D2
• Ametallerle Reaksiyonları: D2O + Cl2 → DCl + DOCl
• Metal Oksitlerle Reaksiyonları: MgO + D2O → Mg(OD)2
• Ametal Oksitlerle Reaksiyonları: SO3 + D2O → D2SO4 (Dötero Sülfürik Asit)
• Magnezyum Nitrürle Reaksiyonları: Mg3N2 + 6D2O → 3Mg(OD)2 + 2ND3 (Dötero Amonyak)
• Kalsiyum Fosfürle Reaksiyonları: Ca3P2 + 6D2O → 3Ca(OD)2 + 2PD3 (Dötero Fosfür)
• Kalsiyum Karbürle Reaksiyonları: CaC2 + 2D2O → Ca(OD)2 + C2D2 (Dötero Asetilen)
• Alüminyum Karbürle Reaksiyonları: Al4C3 + 12D2O → 4Al(OD)3 + 3CD4 (Dötero Metan)

Diğer Kullanım Alanları

• Ağır su, nükleer manyetik rezonans spektroskopisinde kullanılır.
• Bazı nükleer reaktör tiplerinde moderatör olarak kullanılır.
• İnsanlarda metabolik hızı test etmek için tıp alanında kullanılır.

Ağır Suyun Kullanım Alanları

Daha önce bahsedildiği gibi, ağır su, nükleer reaktörlerde soğutucu ve nötron moderatörü olarak kullanılan önemli bir bileşendir. Ağır suyun diğer bazı önemli kullanım alanları aşağıda listelenmiştir:

• Döteryum Elde Etmek: Ağır su, döteryumun hazırlanmasında kullanılır.
• Solunum ve Fotosentez Mekanizmalarını İncelemek: Ağır su, solunum ve fotosentez mekanizmalarını incelemek için izleyici olarak kullanılır.
• Nükleer Manyetik Rezonans (NMR) Spektroskopisi: D2O, atom çekirdekleri etrafındaki manyetik alanları gözlemlemek için kullanılan NMR spektroskopisinde kullanılır.
• Organik Bileşiklerin İzotoploglarının Hazırlanması: Birçok organik bileşiğin izotoplogları, ağır su yardımıyla hazırlanır.
• Kızılötesi (IR) Spektroskopisi: Ağır su, genellikle IR spektroskopisinde normal su yerine kullanılır.
• Nükleer Reaktörlerde Moderatör: Ağır su, nükleer reaktörlerde nötronları yavaşlatmak için moderatör olarak kullanılır. Hızlı hareket eden nötronları yavaşlatabildiği için, 238U izotopu yerine 235U izotopu ile reaksiyona girebilirler.
• Metabolik Hız Testi: İnsan ve hayvanlardaki metabolik hız, D2O ve ağır oksijenli su karışımı kullanılarak test edilir.
• Kontrollü Nükleer Füzyon Reaksiyonları: Ağır suda bulunan döteryum bir nötron yakaladığında, kontrollü nükleer füzyon reaksiyonlarında kullanılan aktif madde olan trityum oluşur.

Bu yazıda, ağır suyun ne olduğunu, özelliklerini, nasıl elde edildiğini, farklı türlerini ve kullanım alanlarını inceledik. Ağır su, nükleer enerji, kimya ve tıp gibi birçok alanda önemli bir role sahiptir.

Ağır Su İçilir Mi? Tehlikeli Midir?

Çoğu zaman, ağır sudan bahsettiğimizde, onu nükleer reaktörler ve radyoaktif maddelerle ilişkilendirme eğilimindeyiz. Ancak, saf ağır su radyoaktif değildir ve insanlar tarafından az miktarda tüketildiğinde zararlı değildir. Sadece büyük miktarlarda veya uzun süre tüketildiğinde zararlı veya tehlikeli hale gelir. Zehirlenme meydana gelebilir ve baş dönmesi ve kan basıncı düşmesi gibi semptomlara yol açabilir.

Sıkça Sorulan Sorular (SSS)

S1: Ağır suyun kimyasal formülü nedir?

D₂O ağır suyun formülüdür.

S2: Ağır suyun kaynama noktası nedir?

101.4°C ağır suyun kaynama noktasıdır. Suyun kaynama noktasından biraz daha yüksektir.

S3: Ağır su nasıl hazırlanır?

Ağır su, alkali suyun elektrolizi ile hazırlanır.

S4: Ağır su hazırlanmasında kullanılan elektrolit, anot ve katot nedir?

• Elektrolit: Alkali su
• Anot: Delikli nikel levha
• Katot: Çelik kap

S5: Suyun radyoaktif formu nedir?

T₂O suyun radyoaktif formudur.

Kaynaklar

• Heavy Water (D2O) | NRC.gov
• Heavy water – Wikipedia
• Harold C. Urey | Nobel Prize-Winning Chemist | Britannica
• Döteryum oksit – Amerikan Kimya Derneği (acs.org)