Agua pesada para niños
Datos para niños
Agua pesada |
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 "Agua pesada" de Norsk Hydro
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| Nombre IUPAC | ||
| Agua-[²H]2 | ||
| General | ||
| Otros nombres | Agua pesada, óxido de deuterio | |
| Fórmula semidesarrollada | D2O | |
| Fórmula estructural | ²H2O | |
| Fórmula molecular | DOD | |
| Identificadores | ||
| Número CAS | 7789-20-0 | |
| Número RTECS | ZC0230000 | |
| ChEBI | 41981 | |
| ChEMBL | CHEMBL1232306 | |
| PubChem | 24602 | |
| UNII | J65BV539M3 | |
| KEGG | D03703 | |
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InChI
InChI=InChI=1S/H2O/h1H2/i/hD2
Key: XLYOFNOQVPJJNP-ZSJDYOACSA-N |
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| Propiedades físicas | ||
| Apariencia | Líquido azul muy pálido, transparente | |
| Densidad | 1107 kg/m³; 1,107 g/cm³ | |
| Masa molar | 20,0276 g/mol | |
| Punto de fusión | 4 °C (277 K) | |
| Punto de ebullición | 101,4 °C (375 K) | |
| Viscosidad | 1,25 mPa s (a 20 °C) | |
| Índice de refracción (nD) | 1,328 | |
| Propiedades químicas | ||
| Solubilidad en agua | soluble | |
| Momento dipolar | 1.87 D | |
| Peligrosidad | ||
| NFPA 704 |
0
1
1
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| Compuestos relacionados | ||
| Valores en el SI y en condiciones estándar (25 ℃ y 1 atm), salvo que se indique lo contrario. |
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El agua pesada, también conocida como óxido de deuterio, es un tipo especial de agua. Su diferencia principal con el agua común es que sus átomos de hidrógeno son más "pesados". Esto se debe a que contienen un neutrón extra. Su fórmula química es D2O o ²H2O.
Contenido
¿Qué es el Agua Pesada?
El agua pesada es una forma de agua que tiene más deuterio de lo normal. El deuterio es un isótopo del hidrógeno, a veces llamado "hidrógeno pesado". La mayor parte del agua que conocemos está hecha con el hidrógeno-1 o protio.
Cada átomo de hidrógeno en el agua pesada es casi el doble de pesado que un átomo de hidrógeno normal. Esto hace que las moléculas de agua pesada sean un poco más densas. El agua normal, a veces llamada "agua ligera", tiene muy poco deuterio. Solo hay unos 156 átomos de deuterio por cada millón de átomos de hidrógeno.
El agua pesada no es radiactiva. En su forma pura, es un 11% más densa que el agua normal. Aunque es similar al agua común, sus diferencias son importantes. Esto se debe a que el deuterio es el único isótopo estable que es el doble de pesado que su versión más ligera. Esta diferencia hace que los enlaces entre el hidrógeno y el oxígeno en el agua sean un poco más fuertes. Esto puede afectar algunas reacciones químicas, especialmente en seres vivos.
El cuerpo humano tiene naturalmente una pequeña cantidad de deuterio, que es inofensivo. Sin embargo, si una gran parte del agua en organismos vivos se reemplaza por agua pesada (más del 50%), puede causar problemas en las células.
El agua pesada se creó por primera vez en 1932. Después del descubrimiento de la fisión nuclear en 1938, el agua pesada se volvió importante. Se usó como moderador de neutrones en los primeros estudios de energía nuclear. Desde entonces, el agua pesada es clave en algunos tipos de reactores. Estos reactores pueden usar uranio natural sin necesidad de otros materiales moderadores. Los reactores más nuevos usan uranio enriquecido con agua normal (H2O) como moderador.
Tipos de Agua Pesada
Agua Semipesada
El agua semipesada, con fórmula HDO, aparece cuando el agua tiene tanto hidrógeno ligero (protio, 1H) como deuterio (D o ²H). Esto ocurre porque los átomos de hidrógeno se intercambian rápidamente entre las moléculas de agua. Si el agua tiene 50% de H y 50% de D, en realidad tendrá 50% de HDO y 25% de H2O y D2O. En el agua normal, solo 1 de cada 3200 moléculas es HDO. Las moléculas de agua pesada pura (D2O) son aún más raras.
Agua Pesada con Oxígeno
También existe agua con isótopos de oxígeno más pesados, como 17O y 18O. Se usa como isótopo trazador no radiactivo. Esta agua es más densa que el agua normal. Por ejemplo, el H218O es casi tan denso como el D2O. Sin embargo, no se le suele llamar "agua pesada" porque no contiene deuterio. El deuterio es lo que le da al D2O sus propiedades especiales. Es más cara de producir que el D2O.
Agua Tritiada
El agua tritiada contiene tritio en lugar de protio o deuterio. La fórmula química del agua tritiada, también llamada óxido de tritio o agua superpesada, es T2O o 3H2O. Esta forma de agua sí es radiactiva.
También hay una forma llamada "agua semi-superpesada", con fórmula HTO o 1H3H O. Esta forma también es radiactiva.
Características del Agua Pesada
Las diferencias en los átomos del agua pesada cambian algunas de sus propiedades físicas. Por ejemplo, su densidad y su punto de ebullición son diferentes. El agua pesada se encuentra en pequeñas cantidades mezclada con el agua normal. Se puede separar del agua común por destilación fraccionada o por absorción con amoniaco que contenga deuterio.
| Propiedad | D2O (agua pesada) |
H2O (agua común) |
|---|---|---|
| Punto de fusión (°C) | 3,82 | 0,0 |
| Punto de ebullición (°C) | 101,4 | 100,0 |
| Densidad (a 20 °C, g/mL) | 1,1056 | 0,9982 |
| Temp. de máxima densidad (°C) | 11,6 | 4,0 |
| Viscosidad (a 20 °C, centipoise) | 1,25 | 1,005 |
| Tensión superficial (a 25 °C, dyn•cm) | 71,93 | 71,97 |
| Entalpía de fusión (cal/mol) | 1,515 | 1,436 |
| Entalpía de vaporización (cal/mol) | 10,864 | 10,515 |
| pH (a 25 °C) | 7,41 | 7,00 |
Historia del Agua Pesada
Harold Urey descubrió el isótopo deuterio en 1931. Luego, logró concentrarlo en agua. El profesor de Urey, Gilbert Newton Lewis, obtuvo la primera muestra de agua pesada pura en 1933.
En 1934, George de Hevesy y Hoffer usaron agua pesada en uno de los primeros experimentos biológicos. Querían saber qué tan rápido se renueva el agua en el cuerpo humano. Durante la Segunda Guerra Mundial, el agua pesada se volvió muy importante. Se hicieron grandes avances en su producción y uso para experimentos nucleares. Muchos de estos experimentos se mantuvieron en secreto.
¿Cómo se Produce el Agua Pesada?
En la Tierra, el agua deuterada (HDO) se encuentra de forma natural en el agua común. Aproximadamente 1 de cada 3200 moléculas de agua es HDO. Esto significa que 1 de cada 6400 átomos de hidrógeno es deuterio.
El HDO se puede separar del agua normal usando destilación o electrólisis. También se usan procesos de intercambio químico. Estos métodos aprovechan que los isótopos de hidrógeno reaccionan a velocidades ligeramente diferentes.
Producir agua pesada pura por destilación o electrólisis requiere mucha energía. Por eso, los métodos químicos suelen ser preferidos. El método más común y eficiente es el proceso de sulfuros de intercambio de doble temperatura. Este fue desarrollado por Karl-Hermann Geib y Jerome S. Spevack en 1943.
El agua pesada que se vende hoy en día es casi siempre óxido de deuterio. Se vende con diferentes niveles de pureza, desde 98% hasta 99.98% de deuterio.
Plantas Productoras de Agua Pesada
- La Unión Soviética: Empezó a producir agua pesada en 1934. Después de 1946, construyeron cinco plantas.
- Argentina: Es un productor y exportador importante. Tiene una planta en Arroyito que puede producir 200 toneladas al año.
- Estados Unidos: Produjo agua pesada hasta los años 80. En 1953, comenzó a usarla en los reactores de Savannah River Site (SRS). Estos reactores producían materiales para programas de energía.
- Canadá: Fue el mayor productor mundial hasta 1997. Construyó una planta en Columbia Británica en 1943. Los reactores CANDU de Canadá necesitan mucha agua pesada. La Planta de Agua Pesada Bruce en Ontario fue la más grande del mundo, con una capacidad de 700 toneladas al año. Cerró en 1997.
- Noruega: En 1934, la empresa Norsk Hydro abrió la primera planta comercial en Vemork. Durante la Segunda Guerra Mundial, los Aliados intentaron destruir la planta para evitar que fuera usada por otros (véase: Batalla del agua pesada).
- India: Es uno de los mayores productores y exporta a otros países.
- Irán: En 2006, inauguró una planta de agua pesada cerca de Arak. En 2020, Irán anunció que exportaba agua pesada a ocho países.
- Rumania: Produce agua pesada y la exporta ocasionalmente.
- Francia: Tuvo una pequeña planta hasta 1970.
- Reino Unido: En 1958, exportó 20 toneladas a Israel.
Usos del Agua Pesada
Resonancia Magnética Nuclear
El óxido de deuterio se usa en la espectroscopia de resonancia magnética nuclear. Esto ocurre cuando se usa agua como disolvente y se quiere estudiar el hidrógeno. La señal del agua normal (1H2O) puede interferir. El deuterio tiene una señal diferente y no interfiere.
Química Orgánica
El óxido de deuterio se usa para añadir deuterio a compuestos orgánicos. Por ejemplo, se pueden reemplazar enlaces de hidrógeno por enlaces de deuterio en ciertas moléculas.
Espectroscopia Infrarroja con Transformada de Fourier
El óxido de deuterio se usa en lugar de agua en la espectroscopia FTIR. Esto ayuda a evitar que la señal del agua normal oculte la información de las proteínas.
Moderador de Neutrones
El uso principal del agua pesada es como moderador nuclear en los reactores. Ayuda a frenar los neutrones para que puedan reaccionar mejor con el uranio-235. El reactor CANDU usa este diseño. Los reactores con agua normal necesitan uranio enriquecido.
El OIEA supervisa el uso de materiales nucleares, incluyendo el agua pesada. Esto ayuda a asegurar que se usen solo para fines pacíficos. En algunos países, la compra y venta de grandes cantidades de agua pesada están controladas por el gobierno.
Detector de Neutrinos
El Observatorio de Neutrinos de Sudbury (SNO) en Sudbury, Ontario, usa 1000 toneladas de agua pesada. Este detector de neutrinos está a 2100 metros bajo tierra. Esto lo protege de partículas del espacio. El SNO busca responder si los neutrinos del Sol pueden cambiar de tipo en su viaje a la Tierra. El agua pesada es clave porque permite detectar diferentes tipos de neutrinos.
Pruebas de Tasa Metabólica
El agua pesada se usa junto con H218O en una prueba segura. Esta prueba mide la tasa metabólica (qué tan rápido el cuerpo usa energía) en humanos y animales. Se llama la prueba del agua doblemente marcada.
Producción de Tritio
El tritio se usa en la iluminación que brilla sola y en la investigación científica. También es importante para el futuro de la fusión nuclear controlada.
Se produce algo de tritio en los reactores que usan agua pesada. Esto ocurre cuando el deuterio captura un neutrón. Aunque es una cantidad pequeña, se limpia el tritio del agua pesada cada pocos años.
Efecto en Seres Vivos
Los diferentes isótopos de los elementos tienen comportamientos químicos ligeramente distintos. En el caso del hidrógeno, estas diferencias son más notables. Esto se debe a que el deuterio es el doble de pesado que el hidrógeno normal. Esta diferencia afecta las propiedades del agua, lo cual es importante para los sistemas biológicos.
El agua pesada es la única sustancia conocida que afecta el reloj biológico. Hace que los ciclos sean más largos. Este efecto se ha visto en organismos unicelulares, plantas verdes, isópodos, insectos, aves, ratones y hámsteres. No se sabe exactamente por qué ocurre.
Las enzimas, que son proteínas que realizan tareas en las células, dependen de enlaces de hidrógeno. Como los enlaces con deuterio son un poco más fuertes, algunas reacciones celulares pueden verse afectadas en un ambiente con mucha agua pesada.
El agua pesada afecta especialmente la división celular en organismos complejos. Las plantas dejan de crecer y las semillas no germinan si solo se les da agua pesada. Esto se debe a que el agua pesada detiene la división celular. Las células con deuterio son más grandes y cambian la dirección de la división. La membrana celular también se ve afectada. Se ha demostrado que más del 50% de deuterio en el agua puede ser perjudicial para las plantas. Sin embargo, algunas bacterias pueden vivir en un 98% de agua pesada.
Se ha sugerido que pequeñas dosis de agua pesada podrían ayudar a retrasar el envejecimiento. Un equipo de científicos en Moscú hizo un experimento con moscas de la fruta. Descubrieron que, aunque grandes cantidades eran mortales, cantidades más pequeñas aumentaban su vida hasta en un 30%.
Véase también
En inglés: Heavy water Facts for Kids
- Batalla del agua pesada
- Reactor nuclear
- Deuterio
- Tritio
