Fortgeschritten #39

Flüssiges H2O und D2O unterscheiden sich erheblich in ihrem Phasenverhalten

Die Phasendiagramme von normalem und schwerem Wasser zeigen deutliche Unterschiede.

Wissenschaftliche Erklärung

Die Phasendiagramme von H2O und D2O ähneln sich in ihrer Grundstruktur, zeigen aber signifikante quantitative Unterschiede. Der Tripelpunkt von D2O liegt bei 3,82 Grad Celsius und 661 Pascal — deutlich höher als der von H2O bei 0,01 Grad Celsius und 611 Pascal. Der kritische Punkt von D2O befindet sich bei etwa 370 Grad Celsius und 21,7 Megapascal, während H2O seinen kritischen Punkt bei 374 Grad Celsius und 22,1 Megapascal hat.

Besonders bemerkenswert ist, dass die Phasengrenzen zwischen den verschiedenen Eisphasen (Eis I bis Eis XV und darüber hinaus) bei D2O systematisch zu höheren Temperaturen verschoben sind. Das bedeutet, dass D2O-Eis thermisch stabiler ist als H2O-Eis. Auch die Übergangsdrücke zwischen den Eisphasen unterscheiden sich.

Diese Verschiebungen spiegeln die stärkeren effektiven Wasserstoffbrücken in D2O wider. Die geringere Nullpunktenergie des Deuteriums führt zu einer stabileren kristallinen Ordnung, was den Stabilitätsbereich der festen Phasen erweitert. Gleichzeitig beeinflusst die veränderte Dynamik der Wasserstoffbrücken auch die Flüssigkeit-Gas-Grenze, wobei die Unterschiede dort weniger ausgeprägt sind.

Phase Diagram Comparison H2O vs D2O Overlay of simplified phase diagrams for H2O and D2O showing that D2O has higher melting and boiling points, and the triple point and critical point differ significantly between the two isotopologues. Pressure high low Temperature 0.01 °C 374 °C 3.82 °C 370 °C Solid Liquid Gas H₂O D₂O Phase Diagrams
Phasendiagramme von H2O und D2O im Vergleich: D2O-Phasengrenzen sind systematisch verschoben.

Alltagsrelevanz

Die Unterschiede im Phasenverhalten sind wichtig für die Neutronenstreuungsforschung, bei der D2O häufig als Lösungsmittel verwendet wird. Forscher müssen berücksichtigen, dass D2O bei denselben Druck- und Temperaturbedingungen in einem anderen Phasenzustand sein kann als H2O. In der Isotopengeochemie dienen die Phasenunterschiede als Werkzeug: Das Verhältnis von D2O zu H2O in Niederschlägen und Eiskernen ermöglicht Rückschlüsse auf vergangene Klimabedingungen, da die unterschiedlichen Verdampfungs- und Kondensationstemperaturen zu einer natürlichen Isotopentrennung führen.