Deuterium

Definition und Aufbau

Deuterium (²H) ist ein natürliches Isotop des Wasserstoffs und wird wegen seiner größeren Masse auch „schwerer Wasserstoff“ genannt. Ein Isotop ist eine Variante eines Elements mit gleicher Protonenzahl, aber unterschiedlicher Neutronenzahl. Der Deuteriumkern, das Deuteron, besteht aus einem Proton und einem Neutron. Zum Vergleich enthält der Kern von Protium (¹H) nur ein Proton; Tritium (³H) ist das dritte natürliche Wasserstoffisotop. Für Deuterium und Tritium werden neben ²H und ³H häufig die vereinfachten Symbole D und T verwendet.

Das chemische Symbol lautet ²H, in Formeln wird häufig D geschrieben. In molekularer Form liegt Deuterium als D₂ vor. Es ist ein farb- und geruchloses Gas. Die molare Masse beträgt 4,03 g·mol⁻¹ für ein D–D-Molekül und 2,01410175 u für ein Deuteriumatom. Die Dichte beträgt 0,1796 kg·m⁻³, der Schmelzpunkt −254,43 °C und der Siedepunkt −249,58 °C; die Angaben gelten, sofern nicht anders vermerkt, bei Standardbedingungen von 0 °C und 1000 hPa.

Moleküle und kosmische Entstehung

Zwei Deuteriumatome können sich zu einem Deuterium-Molekül verbinden. Je nach Gesamtspin I_G gibt es zwei Kernspinisomere: Orthodeuterium (o-D₂) besitzt den Gesamtspin 0 oder 2, Paradeuterium (p-D₂) den Gesamtspin I_G = 1. Wegen seiner geringen natürlichen Häufigkeit kommt Deuterium in der Natur fast ausschließlich als HD-Molekül vor.

Nach dem derzeit zugrunde gelegten Modell entstand Deuterium allein bei der primordialen Nukleosynthese unmittelbar nach dem Urknall. Bei der stellaren Nukleosynthese gebildetes Deuterium fusioniert nach kurzer Zeit weiter zu Helium. Daher ist die Häufigkeit von Deuterium im Kosmos ein wichtiger Parameter für kosmologische Modelle.

Vorkommen und Gewinnung

Die natürliche Häufigkeit von Deuterium auf der Erde beträgt 0,016 %, genauer 155.76±0,05e⁻⁶ als Stoffmengenanteil. Das irdische Wasser umfasst etwa 1,4 Milliarden Kubikkilometer beziehungsweise 1.4e¹⁸ Tonnen. Da Wasser zu rund einem Neuntel (2 u von 18 u) beziehungsweise zu 11,19 % seiner Masse aus Wasserstoff einschließlich Deuterium besteht, enthält es ungefähr 0,0035 % oder 5e¹³ Tonnen Deuterium.

In der Venusatmosphäre beträgt der Stoffmengenanteil von Deuterium im Wasserdampf 1,6 %. Dieser erhöhte Wert wird damit erklärt, dass ¹H eher ins All entweicht. In Proben des Kometen Tschurjumow-Gerassimenko wurde ein ²H/¹H-Verhältnis von 0,053 % gemessen.

Deuterium lässt sich wegen des großen relativen Massenunterschieds leichter anreichern als die Isotope vieler anderer Elemente, etwa Uran. In den ersten Anreicherungsstufen wird gewöhnlich der Girdler-Sulfid-Prozess verwendet. In einer wässrigen Schwefelwasserstofflösung tauschen Wasserstoff- und Deuteriumatome ihre Plätze zwischen Wasser- und Schwefelwasserstoffmolekülen. Bei niedrigen Temperaturen wandert Deuterium bevorzugt in Wassermoleküle, bei hohen Temperaturen in Schwefelwasserstoffmoleküle. In der letzten Stufe wird das Gemisch aus H₂O, HDO und D₂O durch Destillation getrennt. Zusätzlich sind Destillation und Elektrolyse möglich.

Anwendungen

Deuterium wird als Moderator in Kernreaktoren verwendet, dort in Form von schwerem Wasser. Außerdem ist es Bestandteil von Wasserstoffbomben und ersetzt gewöhnlichen Wasserstoff (Protium) in Lösungsmitteln für die ¹H-NMR-Spektroskopie. Als Tracer, also als nachverfolgbares Isotop, dient es in Chemie und Biologie. In der NMR-Spektroskopie, besonders bei der Festkörper-NMR, wird es als Isotopen-Label eingesetzt, um die Dynamik organischer Substanzen zu untersuchen und Strukturen aufzuklären.

Gasförmiges Deuterium wird außerdem in Speziallampen von Photometern eingesetzt, beispielsweise in der Atomspektroskopie als Quelle für UV-Licht. Mögliche zukünftige Kernfusionsreaktoren könnten Deuterium als „Brennstoff“ verwenden.

Schweres Wasser und Sicherheit

Wasser aus Deuterium- und Sauerstoffatomen hat die Formel D₂O und wird „schweres Wasser“ genannt. In Mischungen entsteht durch den schnellen Austausch von Protonen und Deuteronen nach dem Grotthuß-Mechanismus statistisch auch halbschweres Wasser (HDO).

D₂O hat bei 25 °C eine Dichte von 1,1047 g·cm⁻³. Sein Schmelzpunkt liegt bei 3,8 °C, sein Siedepunkt bei 101,4 °C und sein Dichtemaximum bei 11,2 °C; bei normalem Wasser liegt das Dichtemaximum bei 3,98 °C. Diese Unterschiede werden als Isotopeneffekt bezeichnet. Schweres Wasser löst Stoffe schlechter als normales Wasser und verlangsamt oder unterbindet viele Stoffwechselvorgänge. Bei sehr hohem Deuteriumgehalt sind die meisten Lebewesen daher nur eingeschränkt lebensfähig. Als Ursachen werden unter anderem das geringere Tunnelvermögen der Deuteronen, erschwerte elektrochemische Gradienten an mitochondrialen Membranen und die geringere Beweglichkeit von Proteinen in schwerem Wasser genannt. Schweres Wasser wurde zunächst als geschmacklich nicht unterscheidbar von destilliertem normalem Wasser beschrieben; neuere Experimente zeigten jedoch einen süßlichen Geschmack.

Deuterium ist im Anhang VI der Verordnung (EG) Nr. 1272/2008 (CLP) nicht aufgeführt. Hinsichtlich Gefährlichkeit wird es wie Wasserstoff betrachtet, da sich die Isotope eines Elements chemisch und in ihrer Gefährlichkeit sehr ähnlich sind. In der Kennzeichnung erscheinen das Gefahrensymbol „Gefahr“, die H-Sätze H: 220‐280 und die P-Sätze P: 210‐377‐381‐403.