ماهو الماء الثقيل واستخدامته وأنواعه

ما هو الماء الثقيل؟ ؟ ويختلف الماء الثقيل عن الماء العادي، إذ أن الصيغة الكيميائية للماء العادي، أو ما يسمى بالماء الخفيف، هي H2O، لأنه يتكون من ذرتين هيدروجين وذرة أكسجين، ويختلف عنه الماء الثقيل. أما الماء الثقيل فسنشرحه في السطور القادمة. نعرض لكم معلومات مختلفة حول هذا الموضوع.

ما هو الماء الثقيل؟

إنه ماء ثقيل أكسيد الديوتيريوم بالصيغة الكيميائية D2Oكما وضحنا فإن الماء العادي أو الماء الخفيف يتكون من ذرتين أكسجين وذرة أكسجين واحدة، وللهيدروجين ثلاثة نظائر وهي كما يلي:

• الروتيوم هو هيدروجين عادي، والنواة في هذا النوع عبارة عن بروتين واحد.
• الديوتيريوم: وفي هذا النوع تحتوي النواة على بروتين واحد ونيوترون واحد.
• التريتيوم، والذي يتكون من 1 بروتون و2 نيوترون.

تم العثور على الماء الثقيل في عام 1931 على يد العالم هيرالد كليتن آري، وكان ذلك سببًا في فوزه بجائزة نوبل للكيمياء على هذا الاكتشاف، ثم في عام 1933 قام لويس ودونالد بإعداد قطرات من الماء الثقيل، وقد فعلوا ذلك من خلال التحليل الكيميائي للمياه لفترة طويلة.

حيث أنه عندما يتم تحليل الماء كهربائيا فإن ذلك يتسبب في تجمع الغاز بالقرب من الكاثود، والغاز المتكون هو الهيدروجين، ويتم تخصيب الماء الناتج عن طريق أكسيد الديوتيريوم، ومع كثرة التحليل يكون ذلك سببا للحصول عليه، وهو الديوتيريوم والأكسجين وصيغته الكيميائية كما وضحنا D2O واسمه العلمي أكسيد الديوتيريوم.

معلومات هامة عن الماء الثقيل

بعد التعارف ما هو الماء الثقيل؟ ؟ هناك الكثير من المعلومات التي يجب أن تعرفها لتفهم المقارنة بينها وبين الماء العادي، وهذه المعلومات هي كما يلي:

• ويكون وزنه الجزئي أكثر من وزن الماء العادي، إذ أنه في الوزن الطبيعي M=18، بينما في الماء الثقيل M=20؛ ولهذا سمي بالماء الثقيل.
• بالنسبة لكثافته وكذلك نقطة تجمده فهو أعلى من الماء العادي.
• أثبتت الدراسات أن جميع منافذ المياه الطبيعية كالأنهار والأمطار والبحار والمحيطات تحتوي على ماء ثقيل، ولكن بنسب قليلة، ففي كل 6760 يوجد ذرة واحدة من الماء الثقيل.

استخدامات الماء الثقيل

للماء الثقيل العديد من الاستخدامات المختلفة، مثل حركة النيوترونات. كما يتم الاعتماد عليه في أعمال التبريد. هناك استخدامات لا حصر لها، وهي كما يلي:

• يتم استخدامه في المفاعلات النووية.
• يعتبر وسيلة لتحضير الديوتيريوم.
• وهو كاشف لطريقة عمل عملية البناء الضوئي، وكذلك عملية التنفس.
• ويتم الاعتماد عليه في مراقبة المجالات المغناطيسية حول نوى الذرات.
• وهي أيضًا طريقة للتحليل الطيفي المغناطيسي النووي.
• ويتم الاعتماد عليه في تحضير الكثير من العناصر المشعة.
• يتم استخدامه في تحليل الأشعة تحت الحمراء.
• يتم استخدامه بشكل رئيسي في المفاعلات النووية بسبب خصائصه التي تبطئ النيوترونات سريعة الحركة، والغرض منها هو تفاعلها مع نظير 235U بدلاً من نظير 238U.
• وهي إحدى الطرق المستخدمة لمعرفة عملية التمثيل الغذائي للجلد والحيوانات.
• وهو العنصر الرئيسي والمادة الفعالة في تفاعلات الاندماج النووي

خصائص الماء الثقيل

بعد الاجابة على سؤال ما هو الماء الثقيل؟ ؟ ولا بد من معرفة خصائص الماء الثقيل التي تميزه عن الماء الخفيف، وهي كما يلي:

• أما الكتلة الجزيئية فهي تساوي 20.02 جم / مول.
• كثافته 1.107 جم/مل.
• تبلغ درجة الانصهار 3.82 درجة مئوية، بينما تبلغ درجة الغليان 101.4 درجة مئوية.
• عزم ثنائي القطب 1.87 د.
• عديم اللون.
• عند تطبيقه في درجة حرارة الغرفة، فهو سائل عديم الرائحة.
• ولأن كثافته أعلى من الماء العادي، يمكن لمكعب الثلج أن يغوص من هذا الماء إلى الماء الأخف.
• وعند مزجه بالماء الخفيف فهو وسيلة للحصول على خليط متجانس.
• وينتج عنه سلوك كيميائي مختلف عن الماء الخفيف بسبب اختلاف بعض الذرات.
• عندما تحدث تغيرات في خصائص المذيب، فإنه يمكن أن يؤثر على النظم البيولوجية لأنه يحتوي على الديوتيريوم.
• عند التفكك، يمكن أن ينفصل الماء العادي بسرعة أكبر من الماء الثقيل.

طرق تحضير الماء الثقيل

أما طرق تحضير هذا الماء فهي تحتاج إلى متخصص كيميائي حتى يتمكن من القيام بجميع الخطوات بالطريقة الصحيحة وتحضير هذا المركب، وتتم هذه الطرق من خلال ما يلي:

• للتحضير، فإنه يحتاج إلى التحليل الكهربائي لفترة طويلة.
• ويجب استخدام المياه التي تحتوي على قلوية حتى تؤدي الغرض المطلوب.
• ما ستحتاجه لفعل هذا الماء هو محلول كهربائي، والكاثود عبارة عن حاوية فولاذية، والأنود عبارة عن لوحة من النيكل بها ثقوب.
• وعادة ما يتم التحليل من خلال سبع قلويات، ويستخدم لتحليلها غاز ثاني أكسيد الكربون.
• وتستمر هذه العملية لمدة طويلة حتى ينتج عنها ماء ثقيل.

أهم مميزات الماء الثقيل

بعد أن تعرف إجابة السؤال ما هو الماء الثقيل؟ ؟ ويجب أن تعلم أن هناك العديد من المزايا المختلفة التي تنفرد بها هذه المياه، وهذه المزايا هي كما يلي:

• تحتوي نواة ذرة الديوتيريوم على بروتون واحد ونيوترون واحد؛ ولهذا السبب يصبح أثقل بمرتين من البروتيوم، وهو بديل الهيدروجين الموجود في الماء العادي، ورمزه الكيميائي هو 1H.
• وكتلته ليست أكبر بكثير من كتلة الماء الخفيف؛ ولهذا السبب، فإن ما يقرب من 89٪ من الكتلة الجزيئية في جزيء الماء تعزى إلى الأكسجين.
• بالنسبة لكتلته فهو يفوق الماء بنسبة تصل إلى 11%.
• إن ارتباط المكونات بـ D2O أقوى من ارتباط H2O.
• وبما أن ذرة الديوتيريوم لا تخضع للتحلل الإشعاعي، فإن هذا يجعلها غير مشعة.
• الإفراط في تناوله يمكن أن يسبب تسمم الكائنات الحية.

أنواع الماء الثقيل

ولهذه المياه أنواع عديدة ومختلفة؛ ولهذا السبب، فإن له العديد من الاستخدامات المختلفة أيضًا، وهذه الأنواع هي كما يلي:

الماء ثقيل تقريبا

وهذا النوع له رمز كيميائي وهو HDO، ويتكون من 1 بروتيوم، و1 ديوتريوم، و1 ذرة أكسجين، ودائماً ما تتبادل ذرات الماء ذرات الهيدروجين مع بعضها البعض، وهذا يدل على أنه يمكن العثور على الماء شبه الثقيل في ذرات الماء وهي البروتيوم والديوتريوم تحتاج هذه العينة إلى 50% ماء شبه ثقيل، و25% ماء ثقيل، و25% ماء عادي، لأنه يجب أن يكون هناك توازن ديناميكي بين العينات وبعضها.

ماء الأكسجين الثقيل

وهو نظير أثقل من الماء ولهذا الماء كثافة أعلى من الماء العادي، ولهذا السبب أصبح أحد أنواعه، ويستخدم الماء الثقيل الأكسجين الذي يحتوي على نظير 18O من الأكسجين في إنتاج نظير 18F من الفلور، كما يستخدم في المنتجات الصيدلانية المشعة والمواد المشعة المختلفة.

المياه المتبادلة

رمزه الكيميائي هو T2O ويعتبر من أشكال المياه المشعة ويحتوي على التريتيوم. وبسبب اسمه الثقيل جداً، يمكن الاعتماد على هذا الماء لتحديد الحجم الإجمالي للمياه في الجسم. وأما كتلة هذا الماء فهي 22.03 جراماً، وأما كثافته فهي 1.85 جم/مل.

إمكانية استخدام الماء الثقيل للشرب

لقد عرضنا عليك الإجابة على سؤال ما هو الماء الثقيل؟ ؟ علاوة على ذلك، يجب أن تعرف ما إذا كان من الممكن استخدام هذه المياه للشرب، حيث لاحظنا أننا بالحديث عن هذه المياه قد بينا استخدامها في المفاعلات النووية وفي الإشعاع الذي لا يمكن تعويضه وهو الاستخدام الأساسي لها، وهذا يعني أنه يمكن استخدامها يؤدي إلى مشاكل صحية عند شربه

ولكن هناك نوع من المياه المشعة النقية التي لا تحتوي على إشعاعات ولا تحتوي على أي مواد ضارة بالصحة. ويمكن شربه ولكن بكميات قليلة، حيث أن الإكثار منه على الكائنات الحية يمكن أن يكون سبباً للتسمم. كما لا ينبغي استهلاك هذه المياه لفترة طويلة. الذهب سيكون سبباً لمشاكل صحية لا تعد ولا تحصى لجميع الكائنات الحية، ولا يقتصر على الإنسان فقط، ومن المشاكل التي ينتج عنها اضطراب ضغط الدم والشعور بالدوخة التي لا تؤدي إلى الوفاة.

والسبب في عدم صلاحية هذه المياه للشرب هو أن الديوتيريوم لا يعتبر نظيرًا جيدًا للهيدروجين الموجود في الماء. كما أن تناول 25% من البروتيوم يؤدي إلى مشاكل صحية عديدة، منها أنه يسبب العقم، وإذا وصلت الكمية التي تتناولها إلى 50% فإنها تؤدي إلى الوفاة.

ولهذا السبب فمن الأفضل الابتعاد عنه. وندرك أن الكميات الصغيرة منه لا تسبب مشكلة، لكنها بشكل عام خطيرة للغاية على الصحة، وقد تؤدي إلى الوفاة.

طرق إنتاج الماء الثقيل

هناك العديد من الطرق المختلفة التي يمكن الاعتماد عليها كوسيلة لإنتاجه، حيث تحدثنا عن الطريقة الكهربائية فقط، ومن بين هذه…