Deuterium

Deuterium (D tai 2H) on vedyn isotooppi. Deuteriumista käytetään myös nimitystä raskas vety.  Deuteriumytimessä, deuteronissa, on yksi protoni ja yksi neutroni. Huomattavasti yleisemmässä vedyn isotoopissa, protiumissa, sen sijaan ei ole neutronia lainkaan. Deuteriumia on noin 0,015 % kaikesta maapallon vedystä.  Deuterium osallistuu tavallisen vetyatomin tavoin vedylle tyypillisiin kemiallisiin reaktioihin ja muodostaa vastaavat yhdisteet. Deuterium reagoi kuitenkin hitaammin kuin vedyn yleisempi isotooppi, mikä onkin yksi selkeimmistä tavoista erotella deuterium tavallisesta vedystä. Tämän ominaisuuden takia deuteriumia käytetään isotooppisena merkkiaineena vetyä sisältävien kemiallisten ja biokemiallisten reaktioiden tutkimisessa. 

Tavallisten vetyatomien tavoin myös deuteriumatomit muodostavat vettä liittymällä happeen. Tällaista vettä kutsutaan raskaaksi vedeksi, jonka molekyylin paino on 1,11-kertainen tavalliseen vesimolekyyliin verrattuna. Raskasta vettä käytetään muun muassa ydinteknologiassa ja neutriinoilmaisimissa.  Kemiassa ja biokemiassa deuteroituja aineita käytetään muun muassa massaspektrometrillä tehtävissä mittauksissa, infrapunaspektroskopiassa, neutronisironta-kokeissa, ja NMR-spektroskopiassa.

Historia
Vuonna 1931 Columbia yliopiston kemisti, Harold Urey, löysi vedyn uuden isotoopin. Urey tutki vedyn ominaisuuksia samalla menetelmällä, jolla aiemmin oli selvitetty muun muassa neonin isotooppeja.  Tutkimusten tuloksena Urey löysi isotoopin, jonka hän nimesi deuteriumiksi. Nimi pohjautuu Kreikan sanasta deuteros.  Varmistaakseen uuden löydöksen, isotooppia tutkittiin spektroskoopilla. Urey sai kemian Nobel palkinnon löydöksestään vuonna 1934. 

Vuonna 1934 Norjan Vemorkiin avattiin ensimmäinen kaupallinen raskasvesilaitos. Sen tehokkuus oli jopa 12 tonnia raskasvettä vuodessa. Toisen maailmansodan aikana Saksa oli erittäin kiinnostunut Norjan Vemorkissa sijaitsevasta raskasvesivarannosta, sillä raskasveden ominaisuuksien avulla uskottiin olevan mahdollista kehittää entistä tehokkaampi ydinase.  Tämä ajoi liittoutuneet suunnittelemaan projektia, jonka tarkoituksena oli sabotoida raskasvesivarantoja, jotta natsit eivät pääsisi niihin käsiksi. Monien yritysten jälkeen liittoutuneet onnistuivat tuhoamaan raskasvesivarannot Norjasta, mutta Saksa onnistui korjaamaan tuhot nopeasti. Korjauksien ansiosta natsit saivat kuljetettua Norjasta raskasvettä Saksaan ja huhujen mukaan myös valmistettua jonkinlaisen ydinaseen. Resurssien puute esti Saksaa kuitenkin valmistamasta suurempaa pommia, vaikka tietoa ja taitoa olisi kyllä löytynyt.

Myös Yhdysvallat olivat kiinnostuneita raskasveden ominaisuuksista. Toisen maailmansodan jälkeen Yhdysvaltoihin perustettiin kolme raskasvesilaitosta, mutta niiden tuottoisuus ei ollut kannattava, joten laitokset suljettiin vuonna 1945. Vuonna 1952 Yhdysvallat käynnisti uudelleen yhden laitoksistaan Indianassa. Samana vuonna Yhdysvallat onnistui tuottamaan ensimmäisen vetypomminsa, ”Ivy Miken”, joka hyödynsi deuteriumia energianlähteenä. 

Yhteistyössä Yhdysvaltojen kanssa Kanada avasi oma raskasvesivoimalansa vuonna 1943. Vaikka voimala oli todella tuottava, koki Kanada raskasveden tuotannon silti hyödyttömäksi ja näin ollen se sulki osan raskasvesilaitoksistaan vuonna 1985. Jäljelle jääneillä yksityisomisteisilla laitoksilla Kanada takasi itselleen raskasvesivarantoja ilman suurempia valtion rahoituksia. 

Neuvostoliitto halusi hyödyntää raskasvettä uraanireaktoreissa. Projekti ei kuitenkaan päässyt päätökseen, sillä Saksa hyökkäsi 1941 Neuvostoliittoon Operaatio Barbarossan johdosta. Neuvostoliitto toteutti raskasvesituotannon vuonna 1948, kun Moskovassa sijaitseva laitos alkoi tuottaa massiivisia määriä raskasvettä.  

Nykypäivänä raskasvettä hyödynnetään ensisijaisesti CANDU-reaktoreissa ja muissa paineistetuissa raskasvesireaktoreissa. Maailman suurin raskasveden tuotantomaa on Intia ja se myy raskasvettä muun muassa Yhdysvaltoihin.  Muita suuria raskasveden tuotantomaita ovat esimerkiksi Argentiina, Kanada ja Norja.

Ominaisuudet

Ominaisuudet 
Deuterium on vedyn isotooppi ja se on kemiallisesti vedyn kanssa identtinen. Se on väritön ja hajuton kaasu, joka syttyy helposti. Sytyttyään deuterium palaa vaalean sinisellä, lähes näkymättömällä liekillä. Kaasu on helposti syttyvää useilla kaasu / ilma-pitoisuuksilla. Kaasu hengitettynä voi aiheuttaa huimausta, päänsärkyä ja uneliaisuutta. Kaasu on myös tukehduttavaa. Deuteriumyhdisteiden fysikaalisilla ominaisuuksilla voi olla merkittäviä kineettisiä isotooppivaikutuksia ja muita fysikaalisia ominaisuuseroja kuin muilla samankaltaisilla vedyn yhdisteillä. Esimerkiksi D2O on viskoosimpaa ja painavampaa kuin H2O. 

Normaaliin vetyyn verrattuna raskaiden vetyisotooppien yhdisteiden sidosenergiassa ja -pituudessa on eroja, jotka ovat suurempia kuin minkä tahansa muun alkuaineen isotooppien isotooppiset erot. Deuterium ja tritium sidokset ovat vahvempia kuin vastaavat vetysidokset ja nämä erot aiheuttavat huomattavia muutoksia biologisissa reaktioissa. Erityisesti on huomattu, että deuteriumia on tavallista vetyatomia vaikeampi irrottaa hiiliatomista. Lääkealan yritykset ovat erityisesti kiinnostuneita tästä ominaisuudesta, sillä korvaamalla vedyn deuteriumilla voisi olla mahdollista pidentää aktiivisen lääkkeen elinikää. Pidemmän vaikutusajan avulla myös lääkeannoksia voisi olla mahdollista pienentää. Vedyn ja deuteriumin vaihtaminen keskenään olisi houkuttelevaa, sillä vaihdos ei muuttaisi muita lääkkeen biologisia ominaisuuksia, kuten muotoa, kokoa tai kykyä vaikuttaa halutulla tavalla. 

Deuteriumilla voidaan korvata normaali vety vesimolekyylissä ja näin muodostaa raskasvettä (D2O), joka on noin 10,6 % tiheämpää kuin normaali vesi. Tämän seurauksena raskasvedestä tehty jää uppoaa normaaliin veteen.  Raskasvettä on tavallisessa vedessä hyvin pieniä määriä.  D2O:ta on käytetty hyödyksi ihmisten ja eläinten vesitilojen mittaamisessa, sillä pieninä määrinä se ei ole myrkyllistä. Suuremmat konsentraatiot, usein yli 20% kehon painosta, voivat olla myrkyllisiä eläimille ja eläinsoluille. Vaikutuksia on huomattu hermostossa, maksassa sekä eri verisolujen muodostuksessa.

Kvanttiominaisuudet 
Deuteriumin spin-luku on +1, joten se on siis bosoni. Deuteriumin NMR-taajuus eroaa merkittävästi tavallisesta kevyestä vedystä. Infrapunaspektorskopian avulla voidaan helposti erottaa monia deuteroituja yhdisteitä, sillä IR-absorptiotaajuudessa on suuri eri deuteriumia sisältävän kemiallisen sidoksen värähtelyssä verrattuna kevyeen vetyyn. Vedyn kaksi stabiilia isotooppia voidaan erottaa myös käyttämällä massaspektrometriaa.

Valmistus 
Deuteriumia valmistetaan lukuisiin eri käyttötarkoituksiin, muun muassa teollisuuden ja tieteen käyttötarpeisiin. Nykyään teollisesti deuteriumia tuotetaan yleisimmin Girdler-Sulfide-prosessilla, joka on hyvin energiaintensiivinen ja myrkyllinen tapa tuottaa deuteriumia, sillä prosessiin liittyy erittäin myrkyllisen ja syövyttävän vetysulfidin käyttö. Prosessi perustuu raskasveden ja normaalin veden kemiallisiin eroihin. Käytännössä prosessissa kierrätetään vettä kylmän (30 °C) ja kuuman (130 °C) tornin välillä, jossa kierrätetään myös vetysulfidikaasua. Raskasveden ja kevyen veden eroista johtuen kierron aikana vedestä saadaan erotettua deuteriumia ja muodostettua raskasvettä.  Girdler-Sulfide-prosessissa on siis tarkoitus valmistaa raskasvettä, mutta raskasveden elektrolyysin johdosta menetelmä tuottaa myös deuteriumia. 

Avaruudessa deuteriumia muodostuu tähtien ydinfuusiossa. Maapallolla ei ole tiedossa kemiallisia reaktioita, joissa deuteriumia muodostuisi spontaanisti luonnossa.

Käyttö 
Deuteroitua raskasta vettä käytetään ydinteknologiassa sekä reaktorin jäähdyttämiseen että neutronien hidastamiseen.  Deuteriumin korkea massa ja ei-radioaktiivisuus tekee siitä myös hyödyllisen merkkiaineen kemiassa, biokemiassa ja ympäristötieteissä. Deuteroituja aineita käytetään myös neutriinoilmaisimissa, massaspektrometrillä tehtävissä mittauksissa, infrapunaspektroskopiassa, neutronisironta-kokeissa, ja NMR-spektroskopiassa.  

Lääketieteessä deuteriumia käytetään hidastamaan lääkkeiden imeytymistä. Deuteroidut lääkkeet hajoavat hitaammin koska deuterium voi tehdä vahvempia kemiallisia sidoksia kuin tavallinen vety. Deuteroitujen lääkkeiden hitaampi imeytyminen voi lieventää lääkkeiden aiheuttamia sivuoireita ja vähentää eri lääkkeiden reagoimista keskenään mahdollistaen usean eri lääkkeen samanaikaisen käytön.  Deuteriumin ja tritiumin fuusiota käytetään myös vetypommeissa niiden korkean reaktioherkkyyden ja energiantuoton vuoksi. 

Deuteriumin ja tritiumin fuusiota pidetään myös todennäköisimpänä vaihtoehtona tulevaisuuden fuusioreaktorien voimanlähteeksi ja niitä käytetään kaupallisesti kannattavien fuusioreaktorien kehitykseen liittyvissä kokeiluissa.

Lähteet

Aiheesta muualla 

Vedyn isotoopit
Seulonnan keskeiset artikkelit