Buzz
Luôn có những câu hỏi kỳ lạ trên thế giới, như việc liệu nước nặng có thể uống được không và nó có hương vị gì?
Nước nặng là gì? Đơn giản nó là loại nước mà trong phân tử nước thông thường, hydro được thay thế bằng deuterium. Nguyên tử hydro tồn tại dưới ba dạng trong tự nhiên: hydro-1, hydro-2 và hydro-3. Để dễ nhớ, chúng thường được gọi là proti, deuterium và triti.
Sự khác biệt chính giữa ba loại hydro này nằm ở số lượng neutron trong hạt nhân. Protium là dạng hydro phổ biến nhất trong môi trường sống tự nhiên, gồm một proton và một electron, trong khi deuterium có thêm một neutron so với protium và tritium có thêm hai neutron so với protium.
Hầu hết hydro trong tự nhiên tồn tại dưới dạng proti, với tỷ lệ khoảng 99,9844%, trong khi deuterium tỷ lệ tương đối thấp hơn, chỉ khoảng 0,0156%. Với triti, tỷ lệ tồn tại nhỏ hơn 0,001% nên thường được coi là lượng vết.
Trong vụ sự cố nước thải hạt nhân gần đây tại Fukushima, Nhật Bản, hàm lượng tritium đã trở thành một vấn đề quan trọng được thảo luận.
Triti là một chất phóng xạ và trải qua quá trình phân rã beta với chu kỳ phân rã khoảng 12,43 năm. Nó thường được cho là được tạo ra từ tác động của bức xạ vũ trụ lên hydro trong tầng khí quyển. Kể từ khi công nghệ hạt nhân xuất hiện, con người đã sản xuất ra hơn 5 lần lượng tritium tự nhiên (trong tự nhiên chỉ có khoảng 7,3 kg).
Mặc dù proti (H2O), deuterium (D2O) và tritium (T2O) có sự khác biệt về thành phần nguyên tử, nhưng tính chất hóa học của chúng gần như không khác biệt (D2O và T2O thường được gọi là nước nặng và nước siêu nặng).
Do nhiều tính chất tương đồng, tritium cũng là chất khó tách và loại bỏ nhất trong nước thải hạt nhân. Tuy nhiên, nước nặng không có đặc tính phóng xạ hấp dẫn như nước siêu nặng.
Năm 1931, nhà hóa học Mỹ Harold Clayton Urey phát hiện ra đồng vị deuterium của hydro và đã đoạt giải Nobel Hóa học năm 1934.
Năm 1933, cố vấn của Urey, Gilbert Newton Lewis, đã sản xuất được 0,5 ml nước nặng với độ tinh khiết 65,7% bằng phương pháp điện phân nước.
Tuy nhiên, deuterium trong tự nhiên thường tồn tại dưới dạng HDO (một phần nước nặng). Trong quá trình sản xuất nước nặng bằng điện phân, tỷ lệ D2O sẽ tăng lên thông qua quá trình trao đổi ion hydro giữa các phân tử nước.
Khi phương pháp sản xuất nước nặng bằng phương pháp điện phân xuất hiện, nhanh chóng được áp dụng vào thực tế. Sau khi Lewis sản xuất nước nặng có độ tinh khiết cao, Na Uy xây dựng nhà máy thủy điện Venmork vào năm 1934, sử dụng nguồn nước dồi dào của tự nhiên để điện phân nước, tạo ra hydro sản xuất phân nitrat.
Tuy nhiên, sản xuất phân bón hóa học cần hydro từ nước điện phân, và không sử dụng đến nước nặng còn lại trong tế bào điện phân. Sau một thời gian hoạt động, nhà máy phân tích dư lượng của quá trình điện phân và phát hiện tỷ lệ deuterium so với hydro (protium) là 1:48, cao hơn nhiều so với tỷ lệ tự nhiên 1: 6400, mặc dù hầu hết chúng tồn tại ở dạng bán HDO.
Do đó, Công ty Thủy điện Na Uy chấp nhận đề xuất của người phụ trách nhà máy hydro là sản xuất nước nặng từ các sản phẩm phụ của quá trình điện phân. Thủy điện Na Uy trở thành nhà cung cấp nước nặng sớm nhất trong cộng đồng khoa học.
Tuy nhiên, câu chuyện về nước nặng vẫn chưa dừng lại. Cuối năm 1938, người Đức phát hiện sự phân hạch hạt nhân từ việc bắn phá nơtron vào uranium. Cuối năm 1939, Liên Xô kết luận nước nặng và than chì là những chất điều tiết khả thi duy nhất cho các lò phản ứng uranium, mỗi lò phản ứng cần khoảng 15 tấn nước nặng để hoạt động.
Vì thế, nước nặng trở thành một chất chiến lược, làm chậm các neutron sinh ra từ các phản ứng hạt nhân dây chuyền, được tất cả các quốc gia đánh giá cao. Từ năm 1940 đến Thế chiến thứ hai, nhà máy nước nặng Na Uy dưới sự kiểm soát của Đức Quốc xã và đã mua gần như toàn bộ lượng nước nặng với số lượng lớn.
Nước nặng vừa mới xuất hiện đã liên kết với các phản ứng hạt nhân, nên một số người ban đầu nghĩ nó rất nguy hiểm, nhưng thực tế không như vậy.
Ngay khi phát hiện ra nước nặng, các nhà khoa học đã rất tò mò về nó, nên đã có người uống thử nước nặng ngay sau khi phát hiện ra deuterium.
George Charles de Hevesy và Harold Clayton Urey, những người phát hiện ra deuterium, là bạn tốt của nhau. Năm 1934, Hevesy đã đề nghị với Urey để lấy vài lít nước nặng với độ tinh khiết thấp chỉ 0,6%.
Hevesy sau đó đã uống nước nặng này để sử dụng deuterium làm chất đánh dấu, nghiên cứu quá trình chuyển hóa nước của cơ thể con người, và cuối cùng kết luận thời gian cư trú trung bình của các phân tử nước trong cơ thể người là 13 ± 1,5 ngày.
Nhưng nếu hấp thụ lượng nước nặng có độ tinh khiết cao hơn thì nó sẽ ảnh hưởng đến động và thực vật. Thực vật sẽ chết trong môi trường nước nặng có nồng độ cao. Động vật như chuột và chó sẽ trở nên vô sinh nếu D2O đạt hơn 25% trong cơ thể, và cá sẽ chết nhanh chóng trong môi trường nước nặng hơn 90%. Động vật có vú sẽ chết khoảng một tuần sau khi uống lượng nước nặng đạt khoảng 50%.
Tuy nhiên, con người và động vật gần như không tiếp xúc với lượng nước nặng có độ tinh khiết cao như vậy, trừ những loài động vật nuôi để phục vụ mục đích nghiên cứu.
