重水

理化性质使用历史主要用途与作用海洋重水危害性制备方法重水试剂级价格

重水

CAS号:7789-20-0
英文名:DEUTERIUM OXIDE
中文名:重水
CBNumber:CB3736883
分子式:D2O
分子量:20.03
MOL File:7789-20-0.mol

重水化学性质

熔点 :3.8 °C(lit.)
沸点 :101.4 °C
密度 :1.107 g/mL at 25 °C
蒸气压 :27.464hPa at 25℃
折射率 :n20/D 1.328(lit.)
闪点 :101.4°C
储存条件 :Store below +30°C.
酸度系数(pKa) :pK (25°) 14.955 (molarity scale); 16.653 (mole fraction scale): A. K. Covington et al., J. Phys. Chem. 70, 3820 (1966)
形态 :Liquid
颜色 :Colorless
相对极性 :0.991
PH值 :7 (H2O, 20℃)
水溶解性 :Miscible with water.
敏感性 :Moisture Sensitive
Merck :14,2940
介电常数 :78.3（25℃）
稳定性 :Stable. Hygroscopic.
InChIKey :XLYOFNOQVPJJNP-ZSJDYOACSA-N
CAS 数据库 :7789-20-0(CAS DataBase Reference)
EPA化学物质信息 :Water-d2 (7789-20-0)

安全信息

安全说明 :24/25
WGK Germany :3
RTECS号 :ZC0230000
F :3-10
TSCA :Yes
海关编码 :2845 10 00
毒害物质数据 :7789-20-0(Hazardous Substances Data)

重水性质、用途与生产工艺

理化性质重水亦称“氧化氘”、“氘水”，是氢的重同位素(氘)和氧的化合物，是氘的最重要的化合物，因为它的密度比普通水大，故称重水，化学式D2O，在常温常压下，为无色无臭的液体，这种水含有质量为普通氢两倍的氢的同位素。

与普通水相比，其化学性能相对不活跃，比重1.10775(25℃)，熔点3.82 ℃，沸点为101.42℃。自然水中重水含量为1/5000，在普通水中，重氢与氢的比例约为1:6000，在死海或深海中的蕴藏量相对丰富些。自然界没有富含重水的源泉。重水在外观上和普通水相似，但许多物理性质不同，重水分子间氢键力较大，分子间缔合度也较大，所以它的熔点、沸点比水高。常温下重水的蒸气压比水小，这是水精馏法富集重水的理论根据。在25℃时重水的粘度比水大2.3%，致使许多电解质在重水中的电导率比水中小。重水的介电常数低于水，盐类在重水中的溶解度一般小些，在25℃时1g水能溶解0.3592g氯化钠，但1g重水只能溶解0.3056g; 在25℃时，碘在四氯化碳和水间的分配系数是85：1，而在四氯化碳和重水间的分配系数是103：1。重水表面张力、离子积([D+7][OD+]=2×10-15)的数值都比水小，重水的反应速度比水的同样反应要慢些。
重水有吸水的性质，和浓硫酸相象，必须将它保存在密封的容器内。重水可用于原子反应堆中作核减速剂和减热润滑剂。
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使用历史 1931年，H·C·尤里等发现氘后，又发现电解槽废液中氘的浓度增加，提出用电解水法浓缩重水的设想。1933年，G·N·路易斯等反复电解10L电解槽废液后，得到0.5μL重水，其浓度约为65.7%，再电解后得到近乎纯的重水。用这最初的微滴重水，测定了它的某些物理常数。重水的相对分子质量为20.0275，比普通水的相对分子质量18.0153高出约11%，所以其物理性质和普通水有一定的差异。重水的熔点为3.82℃，沸点为101.42℃，密度(25℃)为1.10445g/cm3。
重水的中子吸收截面特别小(仅为5.3×10-4靶恩)，是热中子反应堆最理想的慢化剂。美国在20世纪50年代建成的萨凡纳河生产堆、加拿大核电站使用的动力堆以及许多国家建成的一些研究堆都使用重水作慢化剂。重水中含有的氘是热核武器(氢弹)和聚变动力堆燃料的一个重要组成部分。因此重水是国家极重要的战略物资。在第二次世界大战期间，同盟国和纳粹德国都十分重视重水的生产并极端保密。当同盟国了解到纳粹德国在挪威的诺尔斯克厂正在大规模生产重水时，于1943年先是派别动队进行袭击，后来又用飞机进行轰炸，使纳粹德国研制核武器的努力严重受挫。美国在1943年建成一批大型重水生产厂，年产量约20t。到90年代世界许多国家都能生产重水，年生产能力约达2000t。中国自50年代起开发重水生产，80年代开始出口重水。国际市场上每吨重水的价格约为23万美元。
参考资料：陈德第,李轴,库桂生主编.国防经济大辞典.北京：军事科学出版社.2001。
主要用途与作用重水可用做核裂变动力反应堆中的中子减速剂和载热剂，也可用于化学和生物学研究。重水电解所得的氘是制造氢弹的装料。
重水的主要用途是在核反应堆中做“减速剂”，减小中子速度，控制核裂变过程，也是冷却剂。重水和氘在研究化学和生理变化中是一种宝贵的示踪材料，例如，用稀重水灌溉树木，可以测知水在这些植物中每小时可运行十几米到几十米。测定饮过大量稀重水的人尿中的氘含量，知道水分子在人体中停留时间平均为14天。用氘代替普通氢，可以研究动植物消化和新陈代谢过程。浓的或纯重水不能维持动植物生命，重水对一般动植物的致死浓度为60%。
海洋重水由重氢和氧化合而成的水，由于分子中含有重氢，而且也确实比普通水重，所以就称作 “重水” (D2O)。重水是一种巨大的能源，可作原子能反应堆的减速剂和传热介质，也是制造氢弹的原料，由重氢的核聚变反应可以释放出巨大的能量。海水中含有200万亿吨的重水，因此从海水中提取重水一经实现，世界海洋就能为人类提供取之不尽、用之不竭的能量。
现在较大规模地生产重水的方法，有蒸馏法，电解法，化学交换法和吸附法等。蒸馏法是用于分离重水的最初方法之一，这种方法建立在轻水 (H2O)、半重水 (HDO) 和重水的蒸气压不同的基础上。美国建立的第一个生产重水的工厂就是应用这种方法，当然后来由更经济的方法所取代。现在化学法较为常用，也比较经济。用硫化氢(HDS)一水双温交换法从海水中生产重水，就是其中的一种，交换按下列反应进行： H2O (液) +HDS (气)==HDO(液)+H2S在低温下 (25℃)，气体硫化氢氘 (HDS) 中的氘，转移到液体水中去变成HDO，在高温下 (100℃)，HDO中的氘转移到H2S中去，成为HDS，这样就从水中提出了氘，在整个过程中D2O：H2S=1：71600，因此H2S用量相当大，但比水蒸法仍然小不少，所以它的设备较小，造价较低，一般说来，此法初步浓缩重水也比较经济。硫化氢气体虽然有毒，腐蚀性强，但从当前来看，这种方法还是比其它方法为好，因而是目前使用最广的方法。
H2S-H2O双温交换法流程图：
危害性
1、氘影响生物体有丝分裂，损伤DNA修复酶，造成DNA密码错乱，DNA损伤会延续终身。
2、重水作用于DNA，影响遗传因子机能会引起恶性肿瘤。
3、氘会抑制一些生物酶的作用，影响DNA复制的生物酶在重水中的反应速度降低一半。
制备方法重水资源十分丰富，海水中的含量达5×1014t。但是，天然水中的重水浓度很低，仅0.015%，而反应堆使用的重水要求纯度达99.75%。因此，重水生产的特点是：分离级数多、平衡时间长、处理物料量大和能耗大。由天然浓度富集到约1%的方法选择十分重要，重水生产的成本主要取决于初富集段的成本。重水生产的主要方法有下列三种：①精馏法：利用氘化合物的蒸气压特点而富集。主要原料为氢、氨、水等。液氢精馏的分离系数大，但低温技术和设备限制了生产规模。水精馏操作简单可靠，但因分离系数小而能耗过大。氨精馏的分离系数略大于水，潜热小，但受氨源限制，用作初富集方法不经济;②电解法：电解水时，氘的电解分离系数可达10左右。电解法在20世纪50年代以前是生产重水的主要方法，现因能耗太大，已不单独使用;③化学交换法：目前生产重水最经济的方法。化学交换法的实际操作过程分为单温交换法和双温交换法。其中，利用硫化氢和水的双温交换过程是目前工业规模生产低浓重水的主要方法。另外，还在开发中的方法有吸氢合金吸附分离法和激光分离法等。
用途用于NMR，使用核磁共振分析时倘若溶剂是水，而研究的对象是氢，可以使用重水作溶剂。中子减速剂：某些核子反应堆使用重水来减慢中子的速度，让它们有机会与铀反应。轻水（普通水）亦可以作减速剂，但因为轻水会吸收中子，因此轻水式反应堆必须使用浓缩铀，而不能使用普通铀，否则将不能达到临界质量。重水反应堆不单可以使用普通铀，而且会把铀238转化成为可制作核弹的钚。
生产方法
液氢精馏法：该方法具有分离系数大，能耗较低的优点，但对低温技术要求高，所用原料要有很高的纯度，操作难度较大。H2，HD，D2的沸点分别为20.39K，22.13K，23.57K。在低D浓度时，实际上为H2-HD二元混合物。因歧化反应2HD=D2+H2不能自动进行，天然液氢精馏时首先得到的是纯HD，HD通过催化剂使歧化反应达到平衡后，再精馏可制得纯D2。D2与O2燃烧即可获得纯D2O。