کلیات

آب سنگین یا دوتریم دی‌اکسید یا آب دوتره آبی است که به جای دو اتم هیدروژن ، ایزوتوپ‌ سنگین‌تر آن یعنی دوتریم را در ساختار خود دارد. وجود اتم هیدروژن به صورت ایزوتوپ سنگین‌تر یعنی دوتریم، باعث تغییر در ساختار آب می‌شود. همچنین آب سنگین در برخی ویژگی‌های شیمیایی و فیزیکی نیز با آب معمولی متفاوت است. در این مطلب می‌خواهیم بدانیم آب سنگین چیست، چگونه تولید می‌شود و چه کاربردهایی دارد.

آب سنگین چیست ؟

آب سنگین (Heavy Water) آبی است که در ساختار خود به جای دو اتم هیدروژن خود، دو عدد دوتریم دارد. همانطور که می‌دانید دوتریم ایزوتوپ سنگین هیدروژن است، به همین دلیل به این ساختار آب سنگین می‌گویند. تفاوت هیدروژن و ودوتریم در ساختار هسته آن‌هاست به‌طوری که هر کدام دو عدد پرتون دارند اما در تعداد نوترون با یکدیگر متفاوت هستند.

از آنجا که دوتریم دوبرابر هیدروژن نوترون دارد، جرم آن نیز دو برابر خواهد شد. در حالت عادی در ساختار آب طبیعی، به ازای هر یک میلیون اتم هیدروژن تنها ۱۵۶ عدد اتم دوتریم وجود دارد. طبق منابع، به آبی که به نسبت این عدد عادی دوتریم بیشتری داشته باشد نیز آب سنگین می‌گویند. یعنی چیزی بیش از ۰٫۰۱۵۶ اتم هیدروژن باید با دوتریم جایگزین شده باشد.

با این حال نکته‌ای که وجود دارد این است که جرم آب سنگین تفاوت بسیار اندکی با آب معمولی دارد. زیرا بیشتر جرم مولکول آب، یعنی 89% آن از اکسیژن است که در ساختار آب سنگین، دست‌نخورده باقی می‌ماند. در لیست زیر به تعدادی از مهم‌ترین ویژگی‌های آب سنگین به‌طور خلاصه اشاره می‌کنیم. در ادامه در بخشی جداگانه در مورد مهم‌ترین این ویژگی‌ها صحبت خواهیم کرد.

• هسته اتم دوتریم حاوی یک عدد نوترون و یک عدد پروتون است که این باعث می‌شود نسبت به هیدروژن جرم بیشتری داشته باشد. همان‌طور که می‌دانید هسته اتم هیدروژن تنها یک عدد پروتون دارد و فاقد نوترون است.
• چگالی آب سنگین ۱۱٪ بیش‌تر از آب معمولی است.
• پیوند بین دوتریم و اکسیژن در آب سنگین قوی‌تر از پیوند بین هیدروژن و اکسیژن در آب معمولی است.
• آب سنگین رادیواکتیو نیست. تنها تفاوت آب معمولی و آب سنگین جایگزین شدن اتم هیدروژن با ایزوتوپ آن یعنی دوتریم است و از آنجا که دوتریم رادیواکتیو نیست، آب سنگین نیز مانند آب معمولی از خود تابشی ساطع نمی‌کند.
• مقدار زیاد آب سنگین برای برخی سیستم‌های زیستی مخرب و سمی است.
• تقریبا ۸۹٪ جرم مولکولی آب، مربوط به عنصر اکسیژن است. به همین دلیل تفاوت جرم مولکولی فاحشی بین آب معمولی و آب سنگین وجود ندارد.

کاربرد آب سنگین اکسیژنی

از این آب برای تولید رادیو داروی فلوئور-۱۸ که در اسکن توموگرافی انتشار پوزیترون (Positron Emission Tomography) نیز کاربرد دارد، استفاده می‌شود. حضور اتم اکسیژن به صورت $${}^{}O$$ زمانی که آب سنگین در راکتور هسته‌ای به عنوان تعدیل‌کننده نوترون (Neutron Moderator) به کار می‌رود، نامطلوب است زیرا می‌تواند نوترون را به دام بیاندازد و با تابش یک ذره آلفا، اتم رادیواکتیو $${}^{}C$$ را تولید کند. آبی که هر دو اتم اکسیژن و هیدروژن آن با ایزوتوپ‌های خود جایگزین شده باشند به عنوان ردیاب ایزوتوپی غیر رادیواکتیو کاربرد دارد.

ویژگی آب سنگین

آب سنگین از خود خاصیت رادیواکتیوی نشان نمی‌دهد و در فرم خالص خود نسبت به آب معمولی ۱۱٪ چگالی بیش‌تری دارد. آب معمولی و آب سنگین نسبت به دیگر مولکول‌ها در زمان جایگزینی یک اتم با ایزوتوپش، تفاوت‌های وسیعی دارند. زیرا همان‌طور که گفتیم دوتریم دوبرابر هیدروژن جرم دارد و هیچ دو ایزوتوپ دیگری چنین ویژگی ندارند. این تفاوت‌ها به‌خصوص در موارد زیستی خود را نشان می‌دهند. این تفاوت جرم باعث می‌شود انرژی پیوند بین اکسیژن و هیدروژن در آب سنگین نسبت به آب عادی بیشتر باشد. این ویژگی برای ایجاد تفاوت در واکنش‌های بیوشیمیایی که آب را در خود درگیر می‌کنند، کافی است.