重水とは
重
水(Heavy Water)は、通常の
水とは異なる
同位体の
水分子を多く含む特殊な
水です。その
化学式はD₂O(重
水素2つと
酸素)であり、比重が通常の
水よりも大きいのが特徴です。重
水に対し、一般的な
水はH₂O(軽
水)と呼ばれます。重
水素と軽
水素は電子状態が同じため、化学的性質には類似点がありますが、質量が異なるため物理的性質ははっきりと異なります。
自然界では、D₂Oの形で存在する重
水はわずかであり、多くの場合、半重
水(DHO)として存在しています。また、重
水は生物や化学反応においてさまざまな影響を与えることが知られています。以下では重
水の物理的性質や生物への影響、用途について詳しく説明します。
物理的性質
重
水の
融点は約3.82度、
沸点は約101.43度で、通常の
水とは異なる特性を持っています。20度のときの
密度は1.105グラム毎立法センチメートルであり、粘度は0.00125パスカル秒です。このような物理的性質の違いは、重
水を含む
水から重
水を濃縮・分離する際に活用されます。
また、D-O結合は
同位体による効果であり、これによりD₂Oは電気分解においてH₂Oよりも反応速度が遅くなることがあります。重
水素は放射性ではなく、重
水もトリチウム
水と異なり放射性ではありません。この特性は、重
水の利用において重要な要素です。
生体への影響
重
水はその物性や反応速度が軽
水とは異なるため、大量に摂取すると生体反応に悪影響を及ぼすことがあります。特に、
哺乳類では25パーセントの重
水を摂取すると不妊を引き起こし、50パーセントの摂取は致命的です。人間の場合は、
水分摂取の10パーセントを超えると健康に問題が生じるとされています。ほかの生物と比べ、魚類や植物は重
水環境では生存できませんが、
藻類やバクテリアは100パーセント重
水の中でも生息可能です。
さらに、重
水は生物の
概日リズムにも影響を及ぼし、さまざまな生物でこの現象が確認されています。単細胞生物、植物、昆虫、そしてマウスに至るまで、重
水の摂取は
概日リズムを延長させることが明らかにされています。これにより、重
水は細胞のリズム発生メカニズムの研究において重要な役割を果たしています。
興味深い事実として、人間は重
水を舌で感じると、その甘さを認識できます。しかし、マウスには同じように甘く感じることはなく、重
水に対する反応には種間での違いがあります。
用途
重
水はその特性から、
原子炉の減速材として特に利用されています。
水素は高速
中性子を熱
中性子に変換する能力が高いため、重
水柱は軽
水よりも吸収能力が低く、減速効果が高いのです。この特性から、重
水は初期の
原子炉開発や
核兵器の開発において重要視される材料となりました。
また、現代の
原子炉(例えばCANDU炉)では、天然ウランをそのまま利用できるため、重
水の使用が進んでいます。さらに、放射線治療においても重
水が応用されており、高速粒子を減速するための治療方法が考案されています。
そのほか、
ニュートリノの検出に重
水が活用される例もありますし、化学分析においては、重
水が溶媒として使われることもあります。さらに、重
水で作られた
氷は
水に浮かばず沈むため、手品や実験に用いられることもあります。
重
水は、その独特な性質と応用範囲から多くの研究や活動に寄与しており、科学の世界での重要性はますます増しています。