Deuterium

Deuterium (von griechisch δευτερον: „das Zweite“) ist neben Protium und Tritium ein Isotop des Wasserstoffes. Sein Atomkern wird auch Deuteron genannt.

[Bearbeiten] Beschreibung

Das korrekte chemische Symbol ist ²H; aus Gründen der Vereinfachung in der Formelschreibweise ist auch D geläufig.

Im Gegensatz zum ¹H-Wasserstoff, bei dem der Atomkern aus einem einzigen Proton besteht, besteht der Deuteriumkern aus einem Proton und einem Neutron. Der Anteil an Deuterium in natürlich vorkommendem Wasserstoff beträgt 0,015 %. Da keine Prozesse der stellaren Nukleosynthese bekannt sind, die Deuterium erzeugen, geht man davon aus, dass es alleine in der primordialen Nukleosynthese unmittelbar nach dem Urknall entstanden ist. Deshalb ist die Häufigkeit des Deuteriums im Kosmos ein wichtiger Parameter für kosmologische Modelle.

Wie normaler Wasserstoff kommt Deuterium nur in gebundener Form vor. Im einfachsten Fall verbinden sich 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.

Ersetzt man beim Wasser (H₂O) den Wasserstoff durch Deuterium, so erhält man schweres Wasser (D₂O). Wird der Wasserstoff nur zur Hälfte durch Deuterium ersetzt, erhält man halbschweres Wasser (HDO). 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). Dieser Unterschied in physikalischen Eigenschaften wird als der Isotopeneffekt bezeichnet. Er ist nirgends so stark ausgeprägt wie bei dem Paar ¹H - ²H. Schweres Wasser ist in größerer Konzentration aus folgenden Gründen giftig:

Es besitzt 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 Wassermolekülen ab. Da Deuteronen wegen der größeren Masse träger sind, können die Proteine ihre Aufgaben nur schlechter oder überhaupt nicht mehr erfüllen.

Deuterium lässt sich leichter anreichern als Isotope der schweren Elemente wie z. B. Uran, weil das Massenverhältnis zwischen Protium und Deuterium sehr groß ist (ca. 2). In den ersten Anreicherungsstufen kommt gewöhnlich der Girdler-Sulfid-Prozess zum Einsatz. Dabei wird ausgenutzt, dass in einer wässrigen Schwefelwasserstoff-Lösung beide Molekülarten Wasserstoff austauschen können. Bei niedrigen Temperaturen wandert das Deuterium bevorzugt zum Wasser, bei hohen Temperaturen ist es umgekehrt. In der letzten Anreicherungsstufe wird das Gemisch aus H₂O, HDO und D₂O durch Destillation getrennt.

Eingesetzt wird Deuterium als Moderator in Kernreaktoren (hier in Form von schwerem Wasser), als Brennstoff in Wasserstoffbomben, für Lösungsmittel in der ¹H-NMR und als Tracer in der Chemie und Biologie. Außerdem soll in zukünftigen Fusionsreaktoren ein Gemisch aus Deuterium und Tritium als Brennstoff verwendet werden.

Deuterium wurde 1931 von Harold Clayton Urey entdeckt, wofür er 1934 den Chemienobelpreis erhielt.

[Bearbeiten] Andere Bedeutungen

Deuterium wird in vielen Computerspielen (Adventure, Strategie, RPGs, MMORGPs) als "virtueller" Energieträger verwandt (siehe Ogame). Nebenbei erwähnt hielt die Verwendung von Deuterium als Energieträger in vielen Filmen mit Atombomben-Inhalt Einzug, da es gerne als Katalysator hergenommen wird (zumindest theoretisch), daher die enorme Bedeutung und der eher sehr geringe, aber doch ausufernde Wissensstand in der Gesamtbevölkerung über diesen "Stoff".