重水は重水素酸化物としても知られており、化学元素です。水酸化物にはHと呼ばれる記号と、1と呼ばれるいくつかの原子があります。重量に関しては、水素が群を抜いて軽いです。通常、水素は式H2の分子で構成されるガスです。においがなく、毒性がなく、何のようにも見えず、非常に可燃性です。水素は、宇宙で最も一般的な化学元素です。私たちの身の回りにあるものの約 75% を占めています。太陽には多くの水素がプラズマの形で存在し、太陽を輝かせています。地球上の水素のほとんどは、水などの分子や植物などの有機物として存在しています。
重水の準備
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重水の多段電解
水を電気分解すると、水酸化物は重水素よりも速く放出されますが、重水素ほど速くはありません。その結果、H2O 結合は D2O 結合よりも 18 倍頻繁に切断されます。水分が少なくなるまで電気分解を続けると、出てくるD2Oは純粋です。 30 リットルの水を電気分解すると、約 1ml (大さじ 1 杯) の重水が得られました。
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交換反応
重水の一種であるD2Oを作る方法もあります。たとえば、H2Sガスが加熱された水を通過するときに発生します。すでに水中にある D2O の重水素原子は、H2S の水素原子を置き換えるために使用されるため、水は同じままです。つまり、D2S は H2S に入れられます。 H2S を重水素と冷水と混合すると、D2S の重水素と H2O の水素が再び入れ替わります。このプロセスが繰り返され、冷水は毎回少しずつ D2O を取得します。
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分別蒸留
分別蒸留プロセスは、重水が通常の水からどの程度分離されるかに影響を与える可能性があるため、機能しない可能性があります.このステップでは、厳しい水の沸点と普通の水の沸点の差が使用されます。そのため、軽い部分が最初に分解され、水分を多く含む重い残留物 (D2O) が残ります。
重水の性質
重水の物性
重水には、通常の水のような色、におい、味がありません。移動もラクラク。それは多くの異なる物理的特性を持っています。その一部を次に示します:
- 重水は、水 (18 g) よりも優れた沸点、最大密度、蒸発潜熱を持っています。重水は水 (18 g) よりも分子量が大きい (20 g) ため、物理定数は高くなります。
- もう 1 つ注意すべき点は、重水が水と混合されると、水よりも誘電率が低くなることです。
- 重水中のイオン性化学物質は水に溶けにくいため、よく混ざりません。
重水の化学的性質
重水は、水を使用するあらゆる化学プロセスで使用できます。重水は水よりも反応性が低いです。大量の水を使用する人は、水を使用する人ほど迅速に反応しない場合があります。 O–D 結合は、O–H 結合よりも速く解離します。 O–D 接続はより安定しています。
- 重水素分解:一部の無機塩は水で分解できますが、すべてが分解できるわけではありません。これは塩の重水素分解と呼ばれ、重水を使用すると同じように起こります。
AlCl3 + 3D2O → Al(OD)3 + 3DCl
BaS + 2D2O → Ba (OD)2 + D2S
- 金属に対する作用:重水はナトリウムやカルシウムなどの金属と反応し、重水素を放出して重アルカリを生成します。
2Na + 2D2O → 2NaOD + D2
- 金属酸化物に対する作用:一酸化ナトリウムや酸化カルシウムなどの塩基性酸化物が重水と混ざると発生します。これにより重アルカリが生成されます。
Na2O + D2O → 2NaOD
- 非金属酸化物に対する作用:重水が、三酸化硫黄、五酸化二窒素などの酸性の非金属酸化物と接触すると、重水素酸が生成されます。
- 金属窒化物、リン化物、および炭化物の作用:重水は、金属窒化物により深刻なアンモニアに分解されます。
Mg3N2 + 6D2O → 3Mg(OD)2 + 2ND3
- 重水素化塩の形成:人々は重水で重水素化塩を作ります。それらは、塩が重水の溶液から結晶化するときに作成されます。 CuSO4.5D2O と MgSO4.7D2O は、塩である塩の 2 つの例です。
- 交換反応:重水は、水素原子を持つ多くの異なるものと反応し、水素原子の一部またはすべてを重水素に置き換えます。化合物にイオン性水素原子がある場合、交換プロセスは自然に発生します。
NaOH + D2O → NaOD + HDO
HCl + D2O → DCl + HDO
- 生物学的影響:重い水は、植物や動物の成長を遅くします。種はきれいな重水では育たず、小さな魚は死んでしまいます。さらに、D2O を多く含む水は体によくありません。
重水の使用
- ばい菌やバクテリアを取り除くために重水が使われます。
- 人々は、他のものと交換する重水の能力を利用して、いくつかのオキシ酸の構造と塩基性について調べました。
- これは、電気分解または金属のようなナトリウムとの反応によって、重水から重水素が作られる方法です。
- 原子力発電所で働く人々は、エネルギーの流れを遅くするために重水を使用します。ウラン原子は、分解するために非常にゆっくりと移動する中性子を必要とするため、それらは巨大でなければなりません。中性子は、「減速材」として機能する重水を流れることによって減速されます。
- 「重水」と呼ばれるトレーサーは、芳香族の求電子置換反応、代謝活性などを調べるために使用されます。
結論
重水である D2O は、1931 年に Urey が重水素を発見して以来、科学者を魅了してきました。これは主に、重水素が水素よりも重いためですが、それでも大きな違いです。さらに微妙なことに、重水素化により、H2O3,4 または H2O5,6 よりも D2O の水素 (または重水素) 結合が強くなります。純水が重水素化されると、pH (または PD) が 0.44 変化します。
これにより、凝固点と沸点がそれぞれ 3.8°C と 1.4°C わずかに上昇します。これは、空気中の CO2 を溶解し、開いた容器内で希炭酸を生成するだけの水には当てはまりません。ただし、これは水の pH にはるかに大きな影響を与え、1 単位以上変化させます。
