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Lexikon der Geowissenschaften: schweres Wasser

schweres Wasser, Sammelbegrifffür Wasser (Wasserchemismus), dessen Moleküle gegenüber ganz aus leichtem Wasserstoff (Protium 1H) und leichtem Sauerstoff (16O) bestehenden Wasser einen merklich erhöhten Anteil an schwereren Wasserstoff- (Deuterium 2H oder D, Tritium 3H oder T) und Sauerstoffisotopen (17O, 18O) aufweisen. Ursprünglich war mit dieser Bezeichnung nur das Deuteriumoxid D2O gemeint. Seit seiner Entdeckung durch Urey (1932) sind alle anderen Molekülformen (DHO, T2O, THO einschließlich aller Kombinationen mit 17O- und 18O-Atomen) in der Natur nachgewiesen worden. Deuterium und 18O sind bei der Synthese der Elemente vor ca. 15 Mrd. Jahren und der Bildung unseres Sonnensystems auf natürliche Weise entstanden.

Natürliches Wasser besteht zu 99,76% aus den leichten 1H- und 16O-Atomen, der Rest von 0,24% aus Molekülen mit den schwereren Atomen, vor allem aus D2O und einem kleineren Anteil deuterierten Wassermoleküle DHO. Der Deuteriumanteil im Meerwasser beträgt durchschnittlich 0,0149 Atomprozent. Der Schmelzpunkt von D2O liegt bei 3,8ºC, der Siedepunkt bei 101,42ºC und das spezifische Gewicht bei 1,105 g/cm3. In der Natur findet, bedingt durch die unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften der Isotope und durch die den natürlichen Wasserkreislauf steuernden physikalischen Prozesse, eine Isotopenfraktionierung statt, d.h. daß bei Phasenübergängen schwere Isotope entweder an- oder abgereichert werden. Das ebenfalls, allerdings in sehr geringen Mengen, in der Natur vorkommende, schwach radioaktive Tritium entsteht auf natürliche Weise in der höheren Atmosphäre durch die Einwirkung der durch kosmische Strahlung erzeugten Neutronen auf Stickstoffatome mit der Reaktion 14N(n,3H)12C. Durch die radioaktive Strahlung zerfällt gleichzeitig Tritium (3H→3He+β) (12,43 Jahre Halbwertszeit, maximale Beta-Strahlungsenergie 18,6 keV). Durch das Wechselspiel von ständiger Produktion und gleichzeitigen Zerfall behält die Erde schätzungsweise einen Bestand an Tritium von einigen kg. Daneben entsteht Tritium auch künstlich bei der Kernspaltung von Uran und Transurannukliden in Kernreaktoren und bei Kernbombenexplosionen. Das Massenverhältnis zwischen natürlich vorkommendem Tritium und leichtem Sauerstoff liegt bei 10-18:1; dieses Verhältnis wird als Tritiumeinheit TU (engl. tritium unit) bezeichnet. Es entspricht einer Aktivität von 0,1181 Bq/kg.

In der Geologie und in der Isotopenhydrologie werden die schwereren Wasserstoff- und Sauerstoffisotope als Leitstoffe (Tracer) verwendet. Der natürliche 18O-Anteil schwankt zwischen 0,189 und 0,195 Atomprozent. Die Bestimmung der verschiedenen stabilen Molekülarten erfolgt in der Regel mit Hilfe der Massenspektrometrie, die des tritiumhaltigen Wassers radiometrisch, üblicherweise nach erfolgter elektrolytischer Anreicherung des Tritiums mittels Flüssigkeits-Szintillationsmeßtechnik (LSC) oder Umwandlung als Zählgas und Messung desselben im Proportionalzählrohr. [HJL]

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