Schweres Wasser beschreibt eine Variation des Wassers. Dabei wird statt Wasserstoff Deuterium verwendet. Bei Deuterium handelt es sich um ein Isotop des Wasserstoffs, das eine Massenzahl von 2 besitzt. Dadurch ist das Atom Wasserstoff selbst doppelt so schwer wie zuvor. Daher bezeichnet man diese Form des Wassers auch als 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.
Aufgrund dieser Eigenschaft gab es in der Vergangenheit bereits Versuche, schweres Wasser als Krebsheilmittel zu verwenden, da dadurch auch die erhöhte Zellteilung der Krebszellen gestoppt wird. Allerdings waren die Folgen für den Organismus selbst zu verheerend, sodass dieser Ansatz nicht weiter verfolgt wurde.
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.
Ein Moderator in einem Kernkraftwerk dient dazu, um herumfliegende Neutronen, die teilweise sehr schnell sein können, abzubremsen. Dadurch wird verhindert, dass sie eine Kernspaltung des Urans auslösen.
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.
Schweres Wasser - Das Wichtigste
- Schweres Wasser ist eine Form des Wassers, bei dem die normale Wasserstoffisotope (Protium) durch Deuterium ersetzt wurden. Man bezeichnet es auch als Deuteriumoxid.
- Aufgrund des zusätzlichen Neutrons im Kern nimmt vor allem die Molekülmasse zu. Dadurch verändern sich auch die Eigenschaften des schweren Wassers.
- Schweres Wasser ist weniger reaktiv und ein schlechteres Lösungsmittel. Es bildet weniger Wasserstoffbrückenbindungen, wodurch es ab einer Menge von 50 % im Organismus giftig wirkt.
- Schweres Wasser kommt natürlich vor, kann aber auch unter hohen Energiemengen angereichert werden.
- Es wirkt vor allem in Kernreaktoren als Moderator.
- In der NMR- und IR-Spektroskopie wird es für die Analyse von Proteinen und Nukleinsäuren verwendet.
- Im Zweiten Weltkrieg versuchten die Deutschen, schweres Wasser aus Norwegen zu erhalten, um damit die Forschungen zur Atombombe voranzutreiben. Die Alliierten konnten diese Versuche durch mehrere Sabotagen und Bombardierungen verhindern.
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