Fortgeschritten #38

D2O und T2O unterscheiden sich in ihren physikalischen Eigenschaften deutlich von H2O

Schweres Wasser zeigt überraschend grosse Unterschiede zu normalem Wasser in nahezu allen Eigenschaften.

Wissenschaftliche Erklärung

Schweres Wasser (D2O, mit Deuterium statt Wasserstoff) und überschweres Wasser (T2O, mit Tritium) unterscheiden sich in ihren physikalischen Eigenschaften erstaunlich stark von normalem Wasser (H2O). Deuterium hat die doppelte Masse von Wasserstoff, Tritium die dreifache — doch die Eigenschaftsunterschiede gehen weit über das hinaus, was eine einfache Massenänderung erwarten liesse.

D2O schmilzt bei 3,8 Grad Celsius (statt 0), siedet bei 101,4 Grad Celsius, hat eine um 11 Prozent höhere Dichte und ist bei 25 Grad Celsius etwa 25 Prozent zähflüssiger als H2O. Die Temperatur der maximalen Dichte liegt bei 11,2 Grad Celsius statt bei 3,98 Grad. T2O zeigt noch stärkere Abweichungen.

Der Schlüssel zu diesen grossen Unterschieden liegt in den Quanteneffekten der Wasserstoffbrücken. Das leichte Wasserstoffatom hat eine grosse Nullpunktenergie — es vibriert selbst am absoluten Nullpunkt stark. Diese Quantenschwingungen schwächen die Wasserstoffbrücken effektiv ab. Das schwerere Deuterium hat eine kleinere Nullpunktenergie, schwingt weniger und bildet dadurch etwas stärkere, stabilere Wasserstoffbrücken. Stärkere Brücken bedeuten höhere Schmelz- und Siedepunkte, höhere Viskosität und ein verschobenes Dichtemaximum.

Physical Properties of H2O, D2O, and T2O Compared Table-style comparison chart showing key physical property differences between normal water (H2O), heavy water (D2O), and tritiated water (T2O): melting point, boiling point, density, and viscosity. The differences are surprisingly large for mere isotope substitution. H₂O vs D₂O vs T₂O H₂O D₂O T₂O Melting point 0.0 °C 3.8 °C 4.5 °C Boiling point 100 °C 101.4 °C 101.5 °C Density (25 °C) 0.997 1.104 1.215 g/cm³ Viscosity (25 °C) 0.89 1.10 ~1.2 mPa·s T(max density) 3.98 °C 11.2 °C 13.4 °C Differences far exceed predictions from mass alone Quantum effects amplify isotope effects in hydrogen bonds
Vergleich der physikalischen Eigenschaften von H2O, D2O und T2O.

Alltagsrelevanz

Schweres Wasser (D2O) wird in der Kernphysik als Moderator in bestimmten Reaktortypen (CANDU-Reaktoren) verwendet, da es Neutronen verlangsamt, ohne sie zu stark zu absorbieren. In der biochemischen Forschung dient D2O als Isotopenmarker in NMR-Spektroskopie und Neutronenstreuungsexperimenten. Für lebende Organismen ist D2O in hohen Konzentrationen giftig, weil die veränderten Wasserstoffbrücken biologische Prozesse stören — Enzyme arbeiten langsamer, und die Zellteilung wird gehemmt. Diese Empfindlichkeit des Lebens gegenüber Isotopensubstitution unterstreicht, wie grundlegend die Quantennatur der Wasserstoffbrücke für die Biologie ist.