شغف العلم الذي لا ينتهي

تعرف على الماء الثقيل ( الديتيريوم ) - ساينسوفيليا

 

 حقائق هامة عن الماء الثقيل



إعداد : مريم بكر   
مراجعة وتدقيق : د/محمد أمين البهنساوي



توضح الصورة من اليسار الى اليمين الماء العادى الذى نشربة جميعا H2O ثم الماء الثقيل Heavy water D2O ثم الماء شديد الثقل   Super Heavy water T2O دعنا عزيزى القارئ نتعرف باستفاضه عن حقائق حول الماء الثقيل.

ما هو الماء الثقيل؟   

 من الوارد أنك سمعت من قبل عن الماء الثقيل وتساءلت عن اختلافه عن الماء العادي!  
 ففي هذا المقال سوف نعرض لك ماهية الماء الثقيل ومدي اختلافه عن الماء العادي وبعض المعلومات عنه.

 يحتوي الماء الثقيل على الهيدروجين الثقيل أو ( Deuteriumالديوتيريوم) ويختلف الديوتيريوم عن الهيدروجين الموجود عادة في الماء العادي الذي يسمي( Protium بالبروتيوم)، حيث في الماء الثقيل تحتوي كل ذرة من الديوتيريوم على بروتون ونيوترون.   

وعلي الرغم من أن الماء الثقيل أقل انتشارا من الماء العادي؛ إلا أنه يحدث بشكل طبيعي حيث يحتوي الجزيء الواحد من كل عشرين مليون جزيء ماء على ماء ثقيل. 
لذلك، الماء الثقيل هو نظير يحتوي على نيوترونات أكثر من الماء العادي. فهل تتوقع أن هذا يجعله مشعا؟! الماء الثقيل يشبه إلى حد كبير الماء العادي، ولكن الماء الثقيل عبارة عن أكسيد الديوتيريوم "D2O" أو أكسيد بروتيوم الديوتيريوم "DHO" . 

ويتكون من الأكسجين المرتبط بذرة أو أكثر من ذرات الديوتيريوم، فإذا كانت ذرتا الهيدروجين عبارة عن ديوتيريوم، فإن صيغة الماء الثقيل هي D2O. 
 والديوتيريوم هو نظير للهيدروجين ويحتوي على بروتون واحد ونيوترون واحد ويعتبر نظير مستقر لذلك فإن الماء المذاب أو الثقيل ليس مشعًا.


التركيب الكيميائي وخصائص الماء الثقيل:  
الماء الثقيل له نفس الصيغة الكيميائية مثل أي ماء آخر - H2O -  باستثناء أن إحدى ذرات الهيدروجين أو كلتيهما هي نظير الديوتيريوم للهيدروجين بدلاً من نظير البروتيوم العادي (وهذا هو السبب في أن الماء الثقيل يُعرف أيضًا باسم الماء المذاب أو D2O).

بينما تتكون نواة ذرة البروتيوم من بروتون وحيد، فإن نواة ذرة الديوتيريوم تحتوي على بروتون ونيوترون وهذا يجعل الديوتيريوم ثقيلًا بمقدار ضعف البروتيوم ونظرًا لأن الماء العادي ليس مشعًا، فإن الماء الثقيل ليس مشعًا أيضًا ؛ لذا إذا شربت الماء الثقيل، فلن تقلق بشأن التسمم الإشعاعي.

ومن الخواص الفيزيائية للماء الثقيل:

  •  كتلته (20.0276 g/mol ) 
  •  كثافته (1.107 gm/cm3) ودرجة إنصهاره (3.8°C) 
  • درجة غليانه(101.4°C) 
  •  درجة تبخره (16.4 mm Hg)

 هل يمكننا شرب الماء الثقيل؟

نحن بحاجة إلى مياه عادية لنعيش، ولكن هل تساءلت يومًا إذا كان بإمكانك شرب الماء الثقيل أم لا؟ وهل هو آمن ؟
على الرغم من أن الماء الثقيل ليس مشعًا ، إلا أنه لا يجب شرب كمية كبيرة منه لأن الديوتيريوم من الماء لا يعمل تمامًا مثل البروتيوم (نظير هيدروجين عادي) في التفاعلات الكيميائية الحيوية. 
فإذا تم تناول كمية من الماء الثقيل لتعويض 25٪ إلى 50٪ من الماء في جسم الإنسان، فقد يحدث تسمم بالماء الثقيل.  حيث أن نسبة ال 25% تسبب العقم ونسبة ال 50% تسبب القتل  ومع ذلك ، نظرًا لارتفاع معدل دوران الماء ، فإن شرب كمية صغيرة من المادة لا يسبب أي آثار ضارة. 

 هل الكميات الصغيرة من الماء الثقيل آمنة؟

 لا يعني كون الماء الثقيل غير مشع أنه آمن تمامًا للشرب. فإذا تناولت كمية كافية من الماء الثقيل، فستتأثر التفاعلات الكيميائية الحيوية في خلاياك من حيث الاختلاف في كتلة ذرات الهيدروجين ومدى تكوين الروابط الهيدروجينية.
يمكنك أن تستهلك كوبًا واحدًا من الماء الثقيل دون أن تعاني من أي آثار سيئة كبيرة ، ومع ذلك، إذا شربت كمية ملحوظة منه، فقد تبدأ في الشعور بالدوار؛ وذلك لأن اختلاف الكثافة بين الماء العادي والماء الثقيل قد يتغير، وكذلك كثافة السائل في أذنك الداخلية.


 استخدامات الماء الثقيل:

  • يستخدم الماء الثقيل كوسيط نيوتروني في بعض المفاعلات النووية.
  • ويستخدم أكسيد الديوتيريوم في التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي (NMR) في المحاليل المائية التي تتضمن دراسة نويدات الهيدروجين.
  • ويستخدم أكسيد الديوتيريوم في الكيمياء العضوية لتسمية الهيدروجين أو لمتابعة التفاعلات التي تحتوي على الماء.
  • وغالبًا ما يستخدم الماء الثقيل بدلاً من الماء العادي لتحويل الأشعة تحت الحمراء (FTIR) للبروتينات.
  •  وتُستخدم المفاعلات التي تعمل بالماء الثقيل لإنتاج نظير آخر للهيدروجين (التريتيوم).
  • ويستخدم الماء الثقيل -المصنوع من الديوتيريوم والأكسجين18 - لاختبار معدلات التمثيل الغذائي للإنسان والحيوان من خلال اختبار الماء المسمى بشكل مزدوج.
  • وكذلك يستخدم الماء الثقيل في كاشف النيوترينو.

 الماء الثقيل المشع T2O:

يفترض الكثير من الناس أن الماء الثقيل مشع لأنه يحتوي على نظيرًا أثقل من الهيدروجين، وكذلك يستخدم لتخفيف التفاعلات النووية، ويستخدم في المفاعلات لتكوين التريتيوم Tritium (وهو مادة مشعة). 

 يعتبر الماء الثقيل النقي غير مشع. أما الماء الثقيل التجاري مثله مثل ماء الصنبور العادي، مشع قليلاً لأنه يحتوي على كميات ضئيلة من الماء المعالج بالترتيوم  وهذا لا يمثل أي نوع من مخاطر الإشعاع.
ويحتوي الماء الثقيل المستخدم كمبرد لمحطة الطاقة النووية على كمية أكبر بكثير من التريتيوم Tritium لأن القصف النيوتروني للديوتيريوم في الماء الثقيل يشكل أحيانًا التريتيوم. 

كيف يؤثر الماء الثقيل على الانقسام في الثدييات؟

إن الروابط الهيدروجينية التي يتكون منها الديوتيريوم أقوى من تلك التي يتكون منها البروتيوم. فنتيجة لشرب الماء الثقيل تتأثر أحد الأنظمة الهامة  بالجسم وهي الانقسام الخلوي - وهو الانقسام الذي يستخدمه الجسم لإصلاح الخلايا ومضاعفتها-. حيث يؤدي وجود الكثير من الماء الثقيل في الخلايا إلى تعطيل قدرة المغازل الانقسامية على فصل الخلايا المنقسمة بالتساوي.
فإذا تم استبدال 20٪ من ماء الجسم بالماء الثقيل وهو أمراُ قابل للحياة (على الرغم من عدم التوصية به) ؛  حيث 25٪ يسبب العقم ، وحوالي 50٪ نسبة مميتة.

وعلي النقيض يمكن  للأنواع الأخرى تتحمل الماء الثقيل بشكل أفضل. على سبيل المثال، يمكن أن تعيش الطحالب والبكتيريا على ماء ثقيل 100٪ (بدون ماء منتظم).
ونظرًا لأن جزيء واحد فقط من كل 20 مليون ماء يحتوي بشكل طبيعي على الديوتيريوم - والذي يضيف ما يصل إلى حوالي خمسة جرامات من الماء الثقيل الطبيعي في جسمك وهو غير ضار - فلا داعي للقلق بشأن التسمم بالماء الثقيل  حتى لو شربت بعض الماء الثقيل ، فستظل تحصل على الماء بانتظام من الطعام.                                                                                                      

بالإضافة إلى ذلك ، لن يحل الديوتيريوم على الفور محل كل جزيء من الماء العادي في جسمك. حيث تحتاج إلى شرب الماء الثقيل لعدة أيام لرؤية نتيجة سلبية.
ولكن إذا شربت الكثير من الماء الثقيل ، على الرغم من أن الماء الثقيل ليس مشعًا ، فإن أعراضه تحاكي التسمم الإشعاعي. وذلك لأن كل من الإشعاع والماء الثقيل يضران بقدرة الخلايا على إصلاح حمضها النووي والتكاثر.

وهناك ما يعرف بالماء المهدر T2O (وهو الماء الذي يحتوي على نظير التريتيوم للهيدروجين) وهو شكل من أشكال الماء الثقيل؛ هذا النوع من الماء الثقيل مشع، كما أنه نادر جدًا وأكثر تكلفة حيث يتم إنشاؤه بشكل طبيعي (على الرغم من ندرة حدوثه) بواسطة الأشعة الكونية ويمكن أيضًا إنتاجه في المفاعلات النووية بواسطة البشر. سوف نلقى الضوء علية بالتفاصيل بالمقال القادم ان شاء  الله . 
 

هل يغرق جليد الماء الثقيل ام  يطفو؟


لمعرفة الاجابة على هذا السؤال دعنا نعرف الحقائق الاتية 
بينما يطفو الجليد العادى في الماء ، تغرق مكعبات ثلج الماء الثقيل في الماء العادي ومع ذلك ، من المتوقع أن يطفو الجليد المصنوع من الماء الثقيل في كوب من الماء الثقيل.

الماء الثقيل هو
 الماء المصنوع باستخدام نظير الهيدروجين الديوتيريوم بدلاً من النظير المعتاد (البروتيوم) و يحتوي الديوتيريوم على بروتون ونيوترون ، بينما يحتوي البروتون فقط على البروتون في نواته الذرية هذا يجعل الديوتيريوم ضعف كتلة البروتيوم.

هناك عدة عوامل تؤثر على سلوك الماء الثقيل الجليد
يشكل الديوتيريوم روابط هيدروجينية أقوى من البروتيوم ، لذلك من المتوقع أن تؤثر الروابط بين الهيدروجين والأكسجين في جزيئات الماء الثقيل على حزم جزيئات الماء الثقيل عندما تتغير المادة من سائل إلى صلب.
على الرغم من أن الديوتيريوم أكبر كتلة من البروتيوم ، إلا أن حجم كل ذرة هو نفسه ، لأن غلاف الإلكترون هو الذي يحدد الحجم الذري ، وليس حجم نواة الذرة.

يتكون كل جزيء ماء من أكسجين مرتبط بذرتين من الهيدروجين ، لذلك لا يوجد فرق كتلة كبير بين جزيء الماء الثقيل وجزيء الماء العادي لأن معظم الكتلة تأتي من ذرة الأكسجين. عند القياس ، تكون كثافة الماء الثقيل حوالي 11٪ من الماء العادي.

بينما يمكن للعلماء أن يتنبأوا بما إذا كان جليد الماء الثقيل سوف يطفو أو يغرق ، فقد تطلب الأمر إجراء تجارب لمعرفة ما سيحدث. اتضح أن ( جليد الماء الثقيل يغرق في الماء العادي) التفسير المحتمل هو أن كل جزيء ماء ثقيل يكون أكبر بقليل من جزيء الماء العادي ، وقد تتراكم جزيئات الماء الثقيل بشكل وثيق أكثر من جزيئات الماء العادية عند تشكل الجليد.

المصادر:

هناك تعليق واحد:

  1. روعة في اسلوبك والعرض ..معلومات جديده وقيمه

    ردحذف