Physikalische Chemie
Physikalisch-chemische Zusammenhänge
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Schweres Wasser hat eine andere Zusammensetzung als „normales“ Wasser. Aber was ist schweres Wasser genau und wie sieht die Summenformel dazu aus? Das erklären wir dir hier! %Du lernst lieber, ohne zu lesen? Dann schau dir doch unser kurzes Video zu dem Thema an!

Was ist schweres Wasser?

Schweres Wasser ist aus Sicht der Chemie Wasser mit der Summenformel D2O. Das D steht dabei für Deuterium. Deshalb nennst du schweres Wasser auch Deuteriumoxid (engl. deuterium oxide). 

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Schweres Wasser (Deuteriumoxid)

 

Die Summenformel von „normalem“ Wasser lautet H2O. Der Unterschied zwischen den beiden Wasserformeln (normales und schweres Wasser) liegt also im ersten Buchstaben. Beim schweren Wasser wurde das leichte Wasserstoff-Isotop (andere Wasserstoffsorte) Protium (Symbol H) durch das schwerere Wasserstoff Isotop Deuterium (Symbol D) ausgetauscht. Deshalb ist die Molekülmasse und die Dichte von Deuteriumoxid höher als vom „normalen“ Wasser. Daher hat Schwerwasser auch etwas andere Eigenschaften als das herkömmliche Wasser.

Du kannst das schwere Wasser in Schwerwasserreaktoren oder in der Kernresonanzspektroskopie (NMR) verwenden. 

Schweres Wasser Definition

Schweres Wasser (engl. heavy water; D2O) ist chemisch gesehen Wasser, bei dem die zwei Wasserstoffatome aus dem Isotop Deuterium (D) bestehen.

Schweres und leichtes Wasser

Die Wasserstoff Isotope Deuterium und Protium sind unterschiedlich schwer, weil sie sich in ihrer Neutronenzahl unterscheiden. Das schwere Wasser hat mehr Neutronen und daher eine molare Masse von ungefähr 20 \frac{g}{mol}. Das „normale“ Wasser hingegen hat weniger Neutronen und ist deshalb nur ungefähr 18 \frac{g}{mol} schwer. Da das „normale“ Wasser leichter als das schwere Wasser ist, bezeichnest du es auch als leichtes Wasser.

Neben dem schweren und dem leichten Wasser gibt es auch noch halbschweres und überschweres Wasser. 

Halbschweres Wasser hat die Summenformel HDO und wird auch Hydrodeuteriumoxid genannt. Es heißt halbschwer, weil es ein leichteres Wasserstoffisotop (H) und ein schwereres Wasserstoffisotop (D) besitzt. 

Überschweres Wasser hat die Summenformel T2O. Du nennst es auch Tritiumoxid. Tritium ist das schwerste Wasserstoffisotop, weswegen du Tritiumoxid als überschweres Wasser bezeichnest. 

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Wasser mit unterschiedlichen Wasserstoffisotopen

Alle Wasserstoff Isotope kommen in der Natur vor. Am häufigsten findest du aber das Isotop Protium (H).

Schweres Wasser Verwendung

Da Deuteriumoxid schwerer als H2O ist, ist es in manchen Bereichen nützlicher als leichtes Wasser. Dazu zählen zum Beispiel:

  • Schwerwasserreaktoren: Schweres Wasser wird in den Reaktoren als Kühlmittel eingesetzt. Außerdem kann das schwere Wasser die Neutronen, die bei ihrer Freisetzung meist sehr schnell sind, abbremsen. Das liegt daran, dass schweres Wasser weniger Neutronen absorbiert (aufsaugt) als gewöhnliches Wasser. 
  • Kernresonanzspektroskopie (NMR): Schweres Wasser wird hier zur elektromagnetischen Messung von wasserlöslichen Verbindungen verwendet. Dadurch können zum Beispiel Strukturen von Proteinen aufgeklärt werden.
  • Bestimmung der Körperflüssigkeit: Schweres Wasser kann, nachdem es getrunken wurde, in der Atemluft gemessen werden. So sollen kurzfristige Schwankungen des Körperwassergehalts erfasst werden können. 

Schweres Wasser Herstellung

Deuteriumoxid kann aus „normalem“ Wasser gewonnen werden. Das liegt daran, dass es in geringer Menge im herkömmlichen Wasser enthalten ist. Bei einer Elektrolyse wird H2O in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Bei schwerem Wasser ist das anders: Es zersetzt sich bei der Elektrolyse nicht. Deshalb bleibt es übrig und kann dann verwendet werden.

Eine effizientere Möglichkeit zur Herstellung von schwerem Wasser ist die Destillation (thermisches Trennverfahren) von Ammoniak oder Schwefelwasserstoff. 

Schweres Wasser Eigenschaften

Aufgrund der höheren Molekülmasse unterscheidet sich das schwere Wasser in einigen Punkten vom leichten Wasser:

  • Schmelztemperatur: Der Schmelzpunkt von Deuteriumoxid liegt bei ca. 4°C (bei leichtem Wasser bei 0°C).
  • Siedetemperatur: Der Siedepunkt von D2O liegt bei ungefähr 101°C (bei H2O 99,9°C).
  • Dichte: Die Dichte vom schweren Wasser liegt bei ca. 1,1 \frac {g}{cm^3} (bei normalem Wasser ist die Dichte ca. 0,99\frac {g}{cm^3} ).
  • Reaktionsfähigkeit: Deuteriumoxid ist weniger reaktionsfähig als H2O.
  • Löslichkeit: Schweres Wasser hat eine geringere Lösefähigkeit als leichtes Wasser.
  • Giftigkeit: Schweres Wasser ist für die meisten Organismen leicht giftig. Durch Experimente an Mäusen wurde herausgefunden, dass die Zellteilung (Mitose) aufgrund des schweren Wassers unterdrückt wird. Dadurch kann Gewebe zum Beispiel nicht mehr schnell genug erneuert werden. 

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