Deuterium und schweres Wasser

Wasserstoff kommt in der Natur in drei Isotopen vor: normaler Wasserstoff, Deuterium, der Ausgangsstoff für schweres Wasser, sowie radioaktives Tritium.

Das einfachste Element und zugleich das einfachste Isotop in der Natur ist der normale Wasserstoff. Der Atomkern besteht nur aus einem einzigen Proton und kommt zu 99,986 % im natürlich vorhandenen Wasserstoff vor. In der Natur existiert aber noch ein weiteres, schwereres Wasserstoffisotop, das Deuterium (2H oder 2D), dessen Kern ein Proton und zusätzlich ein Neutron, das neutrale Kernbauteilchen, enthält.

Deuterium ist selten

Das Deuterium ist wesentlich seltener als der leichte Wasserstoff: Mit dem Trinkwasser nehmen Sie auf je 20 000 normalen Wasserstoffatomen im Mittel ein schwereres Deuteriumatom zu sich. Das erscheint zunächst nicht viel. Bedenkt man aber die Unmengen an Teilchen, die schon in einem Liter Bier enthalten sind, allein die Zahl aufzuschreiben, würde das Blatt restlos füllen. Tritium (3H bzw. 3T), das sehr seltene, überschwere dritte Wasserstoffisotop enthält im Kern sogar zwei Neutronen, ist aber nicht stabil.

Das schwere Wasserstoffisotop wird 1932 entdeckt

Schon um 1920 wurde von einigen Physikern die Möglichkeit erwogen, Wasserstoff könnte mit seinem gemessenen, ungeradzahligen Atomgewicht von 1,0079 eine Mischung zweier Isotope sein. Zudem hatte Francis William Aston mit seinem Massenspektrometer gezeigt, dass Wasserstoff eine Beimischung eines schwereren Isotops enthält, sein Anteil war jedoch für einen Nachweis zu gering. Diese Beimischung, das Deuterium, konnte dann erst 1932 von dem amerikanischen Chemiker Harold Urey und seinen Mitarbeitern, eine Gruppe, die sich mit Forschungen zur Atom- und Molekülspektroskopie sowie zur Isotopentrennung beschäftigten, isoliert werden.

Da Deuterium (etwa) doppelt so schwer wie der normale Wasserstoff ist, war zu vermuten, dass der Dampfdruck von normalem Wasserstoff und Deuterium leicht unterschiedlich ist. Verdampft man dementsprechend flüssigen Wasserstoff, sollte eine Anreicherung des schweren Isotops in der flüssigen Phase eintreten. Für den Versuch verdampften sie vier Liter flüssigen Wasserstoff bis auf einen Rest von einigen wenigen Millilitern. Die Probe wurde dann spektroskopisch untersucht und neben den bekannten optischen Spektrallinien des Wasserstoffs konnten sie die schwachen Linien des Deuterium nachweisen.

Deuterium bildet schweres Wasser

Der extrem große Massenunterschied der beiden stabilen Isotope des Wasserstoffs führt dazu, dass sich die Verbindungen des leichten und des schweren Wasserstoffs in vielen physikalischen Eigenschaften wie beispielsweise Dampfdruck oder Siedetemperatur merklich unterscheiden. Dieses Phänomen wird auch Isotopeneffekt genannt, er ist bei Wasserstoff am größten. Die chemischen Eigenschaften, also zum Beispiel die Bindungsfähigkeit der Atome, bleiben von den unterschiedlichen Massen der Isotope unberührt, da sich die Chemie eines Elements immer in der Atomhülle abspielt.

Insbesondere fand man, dass schweres Wasser, also Wasser, dessen beide Wasserstoffatome durch Deuterium ersetzt sind (kurz: D2O), tatsächlich „schwerer“ ist und eine höhere Dichte als natürliches Wasser aufweist. Schweres Wasser hat auch einen höheren Siedepunkt als natürliches Wasser, nämlich 101,42° C gegenüber 100° C. Eis, das man aus schwerem Wasser herstellt, schwimmt nicht auf normalem Wasser, es sinkt wegen seines höheren Gewichts.

Bei der Elektrolyse von Wasser reichert sich das schwere Wasser an. Dieser Effekt eignete sich zur Entwicklung eines rationellen technischen Verfahrens zur Gewinnung größerer Mengen reinen schweren Wassers, das vor allem als Moderator (Bremssubstanz) für schnelle Neutronen und als Kühlflüssigkeit in Kernreaktoren Verwendung findet. Auch für die Erzeugung von Energie durch Kernfusion sowohl im Sonneninnern als auch in den Forschungsanlagen auf der Erde wird Deuterium genutzt.

Ist schweres Wasser mit dem Leben vereinbar?

Auch wenn es exotisch und schwer zu gewinnen ist, schweres Wasser ist nicht radioaktiv, denn es setzt sich aus stabilen Atomkernen zusammen. Trotzdem scheint es in großen Mengen nicht mit Prozessen des Lebens vereinbar zu sein. Schweres Wasser ist weniger reaktionsfähig als normales Wasser, es reagiert träge. Da an fast jeder biochemischen Reaktion auch Wassermoleküle beteiligt sind, gerät ein lebender Organismus „aus dem Takt“, wenn plötzlich viele Moleküle des schweren Wassers die Reaktionen verlangsamen. Schon ein Anteil von 50% D2O wirkt auf viele Organismen wachstumshemmend; in reinem schweren Wasser sterben Kaulquappen und Fische.

Versuche zeigen, dass Mäuse augenscheinlich zwischen normalem und schwerem Wasser unterscheiden können und deuteriertes Wasser als Getränk ablehnen. Andererseits lassen sich mit dem gezielten Einsatz von schwerem Wasser wichtige Informationen über biochemische Vorgänge gewinnen.

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