Schweres Wasser

Schweres Wasser – Eigenschaften

Aufgrund der veränderten Molekülmasse verändern sich auch die Stoffeigenschaften des Wassers. Die wichtigsten Eigenschaften erhältst Du in der Tabelle zusammengefasst.

Stoffeigenschaft	Schweres Wasser
Strukturformel	D2O/ 2H₂O
Aggregatzustand	flüssig
Dichte
Schmelzpunkt	3,8 °C
Siedepunkt	101,4 °C
Farbe	farblos
Molmasse

Bereits anhand der üblicherweise verwendeten Summenformel erkennst Du den Unterschied. Das H wird in dieser Form meist durch ein D ersetzt. Dieses steht für Deuterium, das Isotop des Wasserstoffs, das in schwerem Wasser vorkommt. Deswegen wird schweres Wasser auch Deuteriumoxid genannt.

Abbildung 1: Deuteriumoxid

Aufgrund des Wechsels von Protium-Isotopen zu Deuterium-Isotopen verändern sich jedoch nicht nur die Eigenschaften, die Du oben in der Tabelle siehst. Schweres Wasser ist zum Beispiel deutlich weniger reaktionsfähig. Auch die Funktion als Lösungsmittel für andere Stoffe wird deutlich eingeschränkt. Das liegt vor allem daran, dass durch die erhöhte Molekülmasse die Dissoziation des Wassers langsamer abläuft und entsprechend auch mehr Energie benötigt.

Weiterhin wird auch die Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen beeinflusst. Dadurch wirkt schweres Wasser auf viele Organismen giftig. Die Mitose wird unterdrückt, sodass gefährdetes Gewebe nicht schnell genug nachwachsen kann. Verletzungen können somit verheerende Folge haben.

Schweres Wasser – Verwendung und Vorkommen

Bei der Entstehung des Sonnensystems ist Deuterium neben Protium und Tritium als Isotop des Wasserstoffs entstanden. Etwa ein Wasserstoffatom von 9000 ist ein Deuterium-Atom. Selbst in Trinkwasser kann nicht verhindert werden, dass schweres Wasser darunter ist. Die giftige Wirkung tritt allerdings erst ein, wenn etwa 50 % des Wassers in einem Organismus schweres Wasser ist.

Dennoch wird schweres Wasser angereichert, um in Kernkraftwerken verwenden zu werden. Dort wird es als Moderator eingesetzt.

Schweres Wasser hat den Vorteil, dass es bei gleicher Moderotationswirkung weniger Neutronen absorbiert, da es bereits ein zusätzliches Neutron besitzt. Dadurch bleiben Neutronen im Umlauf und können ständig weiter verwendet werden, sodass auf eine Anreicherung des Urans verzichtet werden kann.

Weitere Verwendungsmöglichkeiten finden sich in der NMR-Spektroskopie. Dabei wird es vor allem für die Messung von wasserlöslichen Verbindungen genutzt, mit Fokus auf Proteine und Nukleinsäuren. Ähnliche Verwendung findet es noch in der IR-Spektroskopie.

Abbildung 2: Aufbau von Protium und Deuterium

Der Vorteil des schweren Wassers ist, dass die Proteine zwar gelöst werden, sich die Signale von schwerem Wasser und Proteinen nur minimal überlappen und sie meist deutlicher zu unterscheiden sind. So können auch Proteine analysiert werden, die nicht kristallisiert werden können, aber wasserlöslich sind.

Einigen Organismen ist es sogar möglich, in reinem, schwerem Wasser zu überleben. Aus diesen Organismen werden dann organische Stoffe entnommen, deren Wasserstoffatome vollständig durch das Isotop Deuterium ersetzt worden sind.

Historische Bedeutung des schweren Wassers

Schweres Wasser wurde erstmals 1933 entdeckt. Vergleichsweise schnell fand man zudem heraus, dass es für Kernreaktoren verwendet werden kann, da es ein besserer Moderator ist als normales Wasser. In einem Kraftwerk in Norwegen wurde dieses schwere Wasser nun angereichert und an verschiedene Kernkraftwerke geliefert.

Diese Eigenschaften wurden im Zweiten Weltkrieg besonders bedeutend. Bereits 1940 gab es erste Versuche in Deutschland, dieses schwere Wasser zu kaufen. Es sollte für das Uranprojekt verwendet werden, aus dem einmal die Atombombe entstehen sollte.

Vor der Besatzung Norwegens durch die Deutschen gelang es jedoch den Franzosen, die größten Bestände des schweren Wassers zu holen und nach Großbritannien zu bringen. Das Problem bestand jedoch noch immer, die Deutschen forderten die Norweger auf, die Produktion zu erhöhen, um bald mit den Experimenten beginnen zu können.

Um die größten Schäden abzuwenden, beschlossen die Alliierten, die Anlage zu sabotieren und, wenn möglich, zu sprengen. Es dauerte drei Jahre, bis eine Sprengung erfolgreich am 28. Februar 1943 durchgeführt werden konnte. Noch im selben Jahr folgte eine weitere Bombardierung, die es jedoch erneut nicht schaffte, die Schwerwasser-Anlagen zu zerstören.

Daraufhin sollte die Produktion nach Deutschland verlegt werden. Das bereits vorhandene schwere Wasser sollte mit einer Fähre nach Deutschland transportiert werden, doch auch dieser Versuch wurde von den Alliierten gestoppt und die Fähre versenkt.

Spätere Dokumentationen wie die "Hydros hemmelighet" beschreiben diese Sabotagen zwar nicht als entscheidend für die Entwicklung der Atombombe, sorgten allerdings dafür, dass die Deutschen in dieser Zeit den Uranreaktor nicht verwenden konnten.