Deuterium

Strukturformel
Allgemeines
Name	Deuterium
Andere Namen	Schwerer Wasserstoff Diplogen (veraltet)
Summenformel	D2 (molekulare Form)
CAS-Nummer	7782-39-0
PubChem	24523
ECHA-InfoCard	Lua-Fehler in Modul:Wikidata, Zeile 708: attempt to index field 'wikibase' (a nil value) Lua-Fehler in Modul:Wikidata, Zeile 708: attempt to index field 'wikibase' (a nil value)
Kurzbeschreibung	farb- und geruchsloses Gas[1]
Eigenschaften
Molare Masse	4,03 g·mol−1 (Mol D–D) 2,01410175 u (D-Atom)
Aggregatzustand	gasförmig
Dichte	0,17 kg·m−3[1]
Schmelzpunkt	−254,43 °C[2]
Siedepunkt	−249,58 °C[2]
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung [3] Gefahr H- und P-Sätze H: 220​‐​280 P: 210​‐​377​‐​381​‐​403 [3]
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Deuterium (von {{Modul:Vorlage:lang}} Modul:ISO15924:97: attempt to index field 'wikibase' (a nil value) deúteros, „der Zweite“) ist ein natürliches Isotop des Wasserstoffs. Sein Atomkern wird auch Deuteron genannt, er besteht aus einem Proton und einem Neutron. Deuterium (²H) wird aufgrund seiner Masse auch als „schwerer Wasserstoff“ bezeichnet. Es wurde 1931 von dem US-amerikanischen Chemiker Harold C. Urey entdeckt. Er erhielt dafür 1934 den Nobelpreis für Chemie.

Die beiden anderen Isotope des Wasserstoffs sind Protium (¹H) und Tritium (³H).

Eigenständige Namen und Symbole für Isotope eines Elements gibt es nur bei Deuterium (Symbol D anstatt ²H) und Tritium (Symbol T anstatt ³H), weil das Massenverhältnis zwischen Protium und seinen Isotopen verhältnismäßig groß ist (Deuterium 1:2 und Tritium 1:3) und sich daraus merkliche Unterschiede im chemischen Verhalten ergeben. (Zum Vergleich: Bei dem nächstgrößeren Isotopenpaar ³He und ⁴He sind es 1:1,33; bei ²³⁵U und ²³⁸U nur noch 1:1,013).

Beschreibung

Wasserstoff (Protium), Deuterium, Tritium

Das chemische Symbol ist ²H; aus Gründen der Vereinfachung in der Formelschreibweise wird häufig auch D verwendet.

Im Gegensatz zum ¹H-Wasserstoff, dessen Atomkern nur aus einem einzigen Proton besteht, enthält der Deuteriumkern außer diesem Proton ein Neutron. Der Anteil an Deuterium in natürlich vorkommendem Wasserstoff beträgt 0,015 %.

Es wird davon ausgegangen, dass Deuterium allein in der primordialen Nukleosynthese unmittelbar nach dem Urknall entstanden ist, denn das bei der stellaren Nukleosynthese gebildete Deuterium fusioniert nach kurzer Zeit weiter zu Helium. Deshalb ist die Häufigkeit des Deuteriums im Kosmos ein wichtiger Parameter für kosmologische Modelle.

Chemisch verbinden sich im einfachsten Fall zwei Deuterium-Atome zu einem Deuterium-Molekül. Dabei gibt es je nach Gesamtspin I_G des Moleküls zwei Varianten, das Orthodeuterium (o-D₂), wenn das Kernspinisomer den Gesamtspin 0 oder 2 besitzt, und das Paradeuterium (p-D₂) im Falle I_G = 1. Wesentlich häufiger wird es aber in Form des Moleküls HD vorkommen.

Vorkommen

Die natürliche Häufigkeit des Isotops Deuterium beträgt 0,0156 Prozent. Das auf der Erde vorkommende Wasser (1,4 Milliarden Kubikkilometer oder 1,4 ·10¹⁸ Tonnen) besteht zu rund einem Neuntel (2 u von 18 u) bzw. zu 11,19 Prozent seiner Masse aus Wasserstoff (einschließlich Deuterium), daher enthält es 0,0035 Prozent oder 5·10¹³ Tonnen Deuterium. Dieses ist überwiegend als DHO und sehr selten als D₂O gebunden.

Weiterhin befinden sich in den Weltmeeren knapp 10 Tonnen Tritium.

Gewinnung

Deuterium lässt sich aufgrund des großen relativen Massenunterschieds leichter anreichern als die Isotope anderer Elemente wie z. B. Uran. In den ersten Anreicherungsstufen kommt gewöhnlich der Girdler-Sulfid-Prozess zum Einsatz. Dabei wird ausgenutzt, dass in einer wässrigen Schwefelwasserstoff-Lösung die Wasserstoffatome und die Deuteriumatome ihre Plätze zwischen beiden Molekülarten tauschen: Bei niedrigen Temperaturen wandert das Deuterium bevorzugt in das Wassermolekül, bei hohen Temperaturen in das Schwefelwasserstoffmolekül. In der letzten Anreicherungsstufe wird das Gemisch aus H₂O, HDO und D₂O durch Destillation getrennt.

Neben dem Gridler-Sulfid-Prozess kann Deuterium auch durch Destillation und Elektrolyse angereichert werden.

Anwendungen

Deuterium in einer Entladungsröhre

Eingesetzt wird Deuterium als Moderator in Kernreaktoren (hier in Form von schwerem Wasser), als Brennstoff in Wasserstoffbomben und künftig in Kernfusionsreaktoren, als Ersatz für Protium (gewöhnlichen Wasserstoff) in Lösungsmitteln für die ¹H-NMR-Spektroskopie und als Tracer in der Chemie und Biologie. Dort ist es ebenfalls in der NMR-Spektroskopie (insbesondere der Festkörper-NMR) ein wichtiges Isotopen-Label, um die Dynamik in organischen Substanzen zu detektieren und Strukturen aufzuklären. Ferner wird gasförmiges Deuterium in Speziallampen in Photometern eingesetzt, z. B. in der Atomspektroskopie als Quelle für UV-Licht.^[4]

Schweres Wasser

„Schweres Wasser“ von Norsk Hydro

Ersetzt man beim Wasser (H₂O) den Wasserstoff durch Deuterium, so erhält man schweres Wasser (D₂O). In Mischungen liegt durch den schnellen Austausch von Protonen und Deuteronen statistisch auch halbschweres Wasser (HDO) vor.

Die Dichte von D₂O beträgt 1,1047 g·cm⁻³ bei 25 °C, der Schmelzpunkt liegt bei 3,8 °C und der Siedepunkt bei 101,4 °C. Das Dichtemaximum liegt bei 11,2 °C (Wasser: 3,98 °C). Diese Unterschiede der physikalischen Eigenschaften gegenüber Wasser bezeichnet man als Isotopeneffekt. Er ist unter allen Nukliden zwischen ¹H und ²H am stärksten ausgeprägt.

Schweres Wasser verlangsamt oder unterbindet viele Stoffwechselvorgänge, weswegen die meisten Lebewesen bei sehr hohem Deuteriumgehalt nur noch eingeschränkt lebensfähig sind.

• Schweres Wasser besitzt eine verminderte Lösefähigkeit im Vergleich zu normalem Wasser.
• Deuteronen haben ein geringeres Tunnelvermögen als Protonen und erschweren daher in biologischen Systemen die Aufrechterhaltung der elektrochemischen Gradienten an mitochondrialen Membranen. Diese sind aber ausschlaggebend für die Synthese von ATP.
• Die Funktionsfähigkeit der meisten Proteine hängt von der Beweglichkeit der umgebenden Wassermoleküle ab. Da Deuteronen wegen der größeren Masse träger sind, können die Proteine ihre Aufgaben nur schlechter oder überhaupt nicht mehr erfüllen.

Sicherheitshinweise

Deuterium ist im Anhang VI der Verordnung (EG) Nr. 1272/2008 (CLP) (früher: in der Richtlinie 67/548/EWG) nicht aufgeführt, ist aber in dieser Beziehung wie Wasserstoff zu betrachten, da sich alle Isotope eines Elements bezüglich ihres chemischen Verhaltens und ihrer Gefährlichkeit sehr ähnlich sind.

Einzelnachweise

Weblinks

Wiktionary: Deuterium – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Commons: Deuterium – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien