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重水-D2O-化工百科
發布日期：2023-02-10
來源：重水-D2O-化工百科
重水（Deuterium oxide）是由氘和氧組成的化合物，也稱為氧化氘，分子式D2O，相對分子質量20.0275，比水（H2O）的相對分子質量18.0153高出約11%，因此叫做重水。由于氘與氫的性質差別極小，因此重水和普通水化學性質也很相似，重水的離子積常數為1.6*10-15。在天然水中，重水的含量約占0.02%。重水電解速率比普通水要小，可以用電解法將其提取。重水與普通水沸點有一定差別，因此也可以用蒸餾法進行提純。
CAS號：7789-20-0
MDL號：MFCD00044636
EINECS號：232-148-9
RTECS號：ZC0230000
PubChem號：24882119
1. 性狀：無色、無味的液體，具有吸濕性，可與H2O任意混溶。
2. 密度（g/mL，25℃）：1.107
3. 熔點（oC）：3.813
4. 沸點（oC，常壓）：101.431
5. 折射率（
6. 閃點（oC）：101.4
重水在外觀上和普通水相似，只是密度略大，為1.1079g/cm3，冰點略高，為3.82℃，沸點為101.42℃。參與化學反應的速率比普通水緩慢、重水的一個分子是由兩個重氫原子和一個氧原子組成，其分子式為D2O，相對分子質量是20。
重水與普通水看起來十分相像，是無臭無味的液體，它們的化學性質也一樣，不過某些物理性質卻不相同。普通水的密度為1g/cm3，而重水的密度為1.056g/cm3；普通水的沸點為100℃，重水的沸點為101.42℃；普通水的冰點為0℃，重水的冰點為 3.8℃。此外，普通水能夠滋養生命，培育萬物，而重水則不能使種子發芽。人和動物若是喝了重水，還會引起死亡。不過，重水的特殊價值體現于原子能技術應用中。制造威力巨大的核武器，就需要重水來作為原子核裂變反應中的減速劑，作中子的減速劑，也可作為制重氫的材料，普通水中含量約為0.02%（質量分數）。
性 質 |
H2O |
D2O |
|
相對密度 (20℃)
凝固點/℃
沸 點/℃
蒸發熱/kJ·mol-1
熔化熱/kJ·mol-1
凝固點降低/℃
|
0.997
0.00
100
40.67
6.008
1.86
|
1.108
3.79
101.41
41.6
6.276
2.00
|
重水制成的冰會沉入水中。重水主要用于核反應堆中作減速劑，它可以減小中子的速率，使之符合發生裂變過程的需要。重水也是研究化學和生理變化中使用過的材料。濃而純的重水不能維持動植物的生命，其致死濃度為60%～80%。
重水和普通水一樣，也是由氫和氧化合而成的液體化合物，不過，重水分子和普通水分子的氫原子有所不同。我們知道，氫有3種同位素。一種是氕，它只含有一個質子。它和一個氧原子化合可以生成普通的水分子。另一種是重氫——氘。它含有一個質子和一個中子。它和一個氧原子化合后可以生成重水分子。還有一種是超重氫——氚。它含有兩個中子和一個質子。
重水外觀上和普通水相似，是無色、無嗅無味的液體。密度比普通水大，熔點、沸點比普通水高，由于重水分子量大，運動速度慢，所以在高山上的冰雪中，特別是在南極的冰雪中重水含量微乎其微，水（氧化氫）的密度最小，是地球上最輕的水。重水在自然界中分布較少，在普通水中約含重水0.015%。由于含量少，制備難，所以它的售價較高（約16元/毫升）。
重水雖然在尖端技術上是寶貴的資源，但對人卻是有害的。人是不能飲用重水的，微生物、魚類在純重水或含重水較多（超過80%）的水中，只要數小時就會死亡。相反，含重水特別少的輕水，如雪水，卻能刺激生物生長。
重水可以通過多種方法生產。最初的方法是用電解法，因為重水無法電解，這樣可以從普通水中把它分離出來。還有一種簡單方法是利用重水沸點高于普通水通過反復蒸餾得到。后來又發展了一些其他較佳的方法。
然而只有兩種方法已證明具有商業意義：水-硫化氫交換法（GS法）和氨-氫交換法。
GS法是基于在一系列塔內（通過頂部冷和底部熱的方式操作）水和硫化氫之間氫與氘交換的一種方法。在此過程中，水向塔底流動，而硫化氫氣體從塔底向塔頂循環。使用一系列多孔塔板促進硫化氫氣體和水之間的混合。在低溫下氘向水中遷移，而在高溫下氘向硫化氫中遷移。氘被濃縮了的硫化氫氣體或水從第一級塔的熱段和冷段的接合處排出，并且在下一級塔中重復這一過程。最后一級的產品（氘濃縮至高達30%的水）送入一個蒸鎦單元以制備反應堆級的重水（即99.75%的氧化氘）。
重水的生產
氨-氫交換法可以在催化劑存在下通過同液態氨的接觸從合成氣中提取氘。合成氣被送進交換塔，而后送至氨轉換器。在交換塔內氣體從塔底向塔頂流動，而液氨從塔頂向塔底流動。氘從合成氣的氫中洗滌下來并在液氨中濃集。液氨然后流入塔底部的氨裂化器，而氣體流入塔頂部的氨轉換器。在以后的各級中得到進一步濃縮，最后通過蒸餾生產出反應堆級重水。合成氣進料可由氨廠提供，而這個氨廠也可以結合氨——氫交換法重水廠一起建造。氨—氫交換法也可以用普通水作為氘的供料源。利用GS法或氨—氫交換法生產重水的工廠所用的許多關鍵設備項目是與化學工業和石油工業的若干生產工序所用設備相同的。對于利用GS法的小廠來說尤其如此。然而，這種設備項目很少有“現貨”供應。GS法和氨—氫交換法要求在高壓下處理大量易燃、有腐蝕性和有毒的流體。因此，在制定使用這些方法的工廠和設備所用的設計和運行標準時，要求認真注意材料的選擇和材料的規格，以保證在長期服務中有高度的安全性和可靠性。規模的選擇主要取決于經濟性和需要。因而，大多數設備項目將按照用戶的要求制造。
最后，應該指出，對GS法和氨—氫交換法而言，那些單獨地看并非專門設計或制造用于重水生產的設備項目可以組裝成專門設計或制造用于生產重水的系統。氨—氫交換法所用的催化劑生產系統和在上述兩方法中將重水最終加濃至反應堆級所用的水蒸餾系統就是此類系統的實例。
?地球上的水約有3,200分之一是半重水（HDO）。半重水可以透過電解及蒸餾，或以化學方法從普通水中提煉出來?？梢允褂没瘜W方法，是因為重氫及普通氫原子由于質量稍為不同，所以化學反應的速度有異。當水中的半重水到了相當的濃度，重水便會因為水分子之間交換氫原子而慢慢出現。要從半重水再提煉純正的重水亦可使用電解、蒸餾及化學方法。但是電解及蒸餾所需要的能量會非常巨大，因此一般這一步只會使用化學方法。
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