Gilbert N. Lewis e l’acqua pesante

 

Produrre l’acqua pesante

Dopo la scoperta del deuterio (D) da parte di Harold Urey, la sua limitatissima disponibilità in forma pura rendeva praticamente impossibile misurarne le proprietà chimiche. Anche se la sua concentrazione fosse stata aumentata di cento volte (a circa il 2%) non ci aspettava che mostrasse differenze chimiche apprezzabili rispetto al normale idrogeno. Per caratterizzare chimicamente l’idrogeno pesante era necessario sintetizzare suoi composti con quasi tutti gli atomi di idrogeno significativi sostituiti da deuterio. Iniziò la gara per ottenere per primi l’acqua pesante, D₂O.

La distillazione dell’idrogeno liquido era un metodo abbastanza complicato per purificare il deuterio, e Edward Washburn del National Bureau of Standards suggerì che l’elettrolisi dell’acqua distillata avrebbe funzionato forse meglio. Quando l’acqua viene sottoposta a elettrolisi (quando i terminali di una batteria sono inseriti nell’acqua), si forma idrogeno gassoso a uno dei poli. Una percentuale più piccola di idrogeno pesante rispetto a quello leggero passa nella fase gassosa, concentrando in tal modo l’acqua pesante in fase liquida. Washburn pubblicò il suo metodo elettrolitico, anche se i primi test avevano prodotto solo pochissima acqua pesante, con una piccola percentuale di deuterio. Aveva comunque ragione: gli isotopi dell'idrogeno vengono separati con relativa facilità mediante elettrolisi.

Nel luglio 1932 Washburn e Urey pubblicarono risultati qualitativi relativi alla concentrazione di deuterio mediante l'elettrolisi dell'acqua. In seguito all’articolo di Birge e Menzel e a quello di Urey, che avevano stimato una concentrazione del deuterio molto più elevata rispetto alle prime ipotesi (1/4500 atomi invece di 1/30.000), Gilbert N. Lewis (1875-1946), uno dei più grandi chimici del Novecento, decise allora di entrare nella gara per essere il primo a ottenere acqua pesante pura. Una volta ottenuta, l’avrebbe potuta utilizzare per sintetizzare un buon numero di composti con D al posto di H e studiarne le proprietà. Abbandonò un suo programma di ricerca teorica e contattò Ronald T. Macdonald, invitandolo a diventare un suo assistente di ricerca. Macdonald aveva completato la sua tesi di dottorato all'inizio del 1931 e non aveva ancora trovato lavoro; perciò, era rimasto a Berkeley in qualità di professore assistente. Macdonald iniziò a collaborare con Lewis nel gennaio 1932, inizialmente per realizzare una ricerca sulla separazione degli isotopi del litio.

Alla fine di febbraio 1933, Lewis e Macdonald avevano isolato 0,5 cc al 31% di D₂O utilizzando il metodo elettrolitico. A metà marzo 1933, avevano preparato un secondo campione da 0,5 cc contenente il 66% di D₂O. Un’ulteriore arricchimento con il metodo elettrolitico fu realizzato per produrre acqua con un contenuto di deuterio superiore al 99%. Disponendo di una quantità di acqua con un contenuto di deuterio nell'intervallo 30-99%, Lewis e Macdonald procedettero a misurare alcune delle proprietà fisiche del D₂O. Le prime proprietà studiate furono il punto di congelamento, il punto di ebollizione alla pressione di 1 atmosfera e la densità e la pressione di vapore in funzione della temperatura. I dati sulla pressione di vapore confermarono la precedente scoperta di Lewis e Cornish che la pressione di vapore di D₂O è inferiore a quella di H₂O. 

Un altro metodo di concentrazione studiato da Lewis era la distillazione frazionata dell'acqua. La ricerca di Lewis per un arricchimento del deuterio mediante la distillazione dell'acqua era condotta in collaborazione con Robert E. Cornish utilizzando un alambicco a colonna da 6 m che era stato recentemente migliorato. Lewis e Cornish conclusero che nella distillazione dell'acqua non solo il deuterio era stato arricchito nella fase liquida, ma anche il ¹⁸O. 

Risultati simili a quelli ottenuti da Lewis e Cornish furono ottenuti indipendentemente da Washburn e altri presso il National Bureau of Standards. Il lavoro di Washburn fu comunicato e pubblicato prima della comunicazione di Lewis e Cornish. Gli esperimenti di distillazione del Bureau e di Berkeley furono comunicati a una settimana l'uno dall'altro, rispettivamente il 15 maggio 1933 e il 22 maggio 1933.

Fu subito evidente al gruppo di Berkeley che, sebbene il fattore di frazionamento della distillazione fosse molto più piccolo di quello della separazione elettrolitica, il processo di distillazione era reversibile e l'efficienza poteva essere facilmente moltiplicata in una colonna di distillazione. 

Le colonne di distillazione sono molto efficaci nel separare le sostanze quando il rapporto tra la loro altezza e il loro diametro è il più grande possibile e sono riempite di piccole particelle inerti - ora si usano comunemente perline di vetro - sulle quali il materiale che viene distillato può condensare. Le colonne più alte e più strette danno la più alta purezza, ma non possono gestire molto materiale. Si usa allora separare le colonne in fasi: all’inizio si usano le colonne più larghe per ottenere una separazione iniziale, poi si sposta il prodotto concentrato in colonne più strette che aumentano ulteriormente la purezza.  

Queste considerazioni portarono alla decisione di costruire un impianto di distillazione a Berkeley per l'arricchimento primario del deuterio mediante distillazione dell'acqua a circa 60°C. Il compito fu assunto da Merle Randall, collega di Lewis a Berkeley e suo ex studente (e coautore del fondamentale Thermodynamics and free energy of chemical substances nel 1923). L'impianto del laboratorio era costituito da due colonne alte 22 m ciascuna. La colonna primaria aveva un diametro di 30 cm; la colonna del secondo stadio aveva un diametro di 5 cm. Di queste colonne Lewis disse che “A causa di circostanze che sono troppo note per dilungarsi, la colonna [più larga] doveva essere riempita non con il materiale di riempimento migliore, ma con il più economico reperibile”. Entrambe le colonne furono allora riempite con torniture di alluminio di scarto. Il materiale di riempimento non era molto adatto e fu scelto a causa dei limiti di fondi. In alcuni lavori successivi fu sostituito da piccoli anelli di ottone fabbricati originariamente per farne occhielli per scarpe. La colonna di 30 cm era un tubo di acciaio scartato dalla centrale elettrica dell'Università. L'intera costruzione della prima fase dell'impianto comprensiva dell'acquisto dei materiali, della costruzione, dell'installazione e delle operazioni preliminari fu realizzata in 20 giorni. L'impianto entrò in funzione l'8 giugno 1933. Aveva un'alimentazione alla torre primaria di 1 litro di acqua ordinaria al minuto. L'acqua arricchita del primo stadio era utilizzata come alimentazione per la colonna del secondo stadio. Il materiale in uscita dall'impianto di distillazione era ulteriormente arricchito da Lewis e Macdonald nell’impianto elettrolitico. 

Sebbene l'impianto di distillazione dell'acqua non avesse funzionato secondo le aspettative a causa della scarsa qualità del riempimento, Lewis e Macdonald presto produssero D₂O nell'ordine di 1 grammo alla settimana con purezza maggiore del 99%. Usarono parte del materiale nella loro ricerca, ma furono estremamente generosi nel metterne a disposizione degli scienziati di tutto il mondo. Nella primavera del 1933 Lewis fornì campioni di deuterio per la ricerca nucleare a Lawrence a Berkeley, Lauritsen al Caltech e Rutherford a Cambridge (Inghilterra).

L'impianto di distillazione dell'acqua fu successivamente migliorato da Randall e fu utilizzato a intermittenza per produrre acqua arricchita con ¹⁸O per gli studi sui traccianti, condotti, tra gli altri, da Axel R. Olson e Samuel C. Ruben. Dopo che Lewis aveva concluso la ricerca sull’acqua pesante a metà del 1934, lui e Macdonald tornarono alla sfida di separare gli isotopi del litio. 

Non solo Lewis e Macdonald avevano raggiunto il loro obiettivo di preparare quantità di grammi di isotopi stabili arricchiti per lo studio delle loro proprietà chimiche e fisiche, ma contribuirono all'uso di metodi chimici per la loro separazione. Nella loro produzione di D₂O dimostrarono gli effetti del fattore di arricchimento del processo di moltiplicazione degli stadi sull'entità della separazione e sulla quantità di materiale separato prodotto. Durante la Seconda guerra mondiale, il ruolo più importante dell'acqua pesante sarebbe stato nel campo della fisica dei reattori. È interessante notare che la Du Pont Company avrebbe scelto nel 1943 di produrre acqua pesante in quantità di tre tonnellate al mese per il progetto Manhattan proprio mediante un arricchimento primario mediante distillazione dell'acqua seguita da elettrolisi. 

Proprietà dell'acqua pesante

Non appena Lewis e Macdonald ebbero accumulato una quantità sufficiente di D₂O quasi pura, iniziarono a misurare alcune delle sue proprietà fisiche. Per ottenere i risultati più accurati in un tempo minimo, Lewis chiese l'assistenza di un certo numero di studenti laureati nel Dipartimento. Thomas C. Doody studiò la conduttanza elettrica di soluzioni ioniche con un ponte di precisione Jones e Bradshaw, sotto la guida di Randall. Foody costruì una cella di microconduttività e misurò la mobilità relativa di KCl in H₂O e in D₂O, HCl(_H2O) e DCl(_D2O). William Maroney aveva un ponte capacitivo per misurazioni di costanti dielettriche e misurò la costante dielettrica di D₂O rispetto a H₂O. Daniel B. Luten, Jr., che seguiva le velocità delle reazioni chimiche in soluzione misurando l'indice di rifrazione, determinò l'indice di rifrazione di D₂O in funzione della lunghezza d'onda. La determinazione simultanea della densità e dell'indice di rifrazione di un campione di acqua fornì un'analisi isotopica sia per ²H che per ¹⁸O. Lewis e Macdonald misurarono il peso specifico, la tensione di vapore e la viscosità di D₂O in funzione della temperatura.

Nell'agosto 1933, Wesley T. Hanson, Jr., che era al suo primo anno come studente laureato a Berkeley, misurò la pressione di vapore del deuterio. Philip W. Schutz misurò le costanti di dissociazione di un certo numero di acidi e basi deboli nell'acqua pesante e le pressioni di vapore di un certo numero di composti di deuterio. 

Le prime indagini del laboratorio di Lewis sulle proprietà fisiche dell'acqua pesante furono molto importanti e utili per il suo lavoro, per altri operatori sul campo e per la caratterizzazione delle differenze tra acqua leggera e pesante. La differenza di densità è entro lo 0,5%, interamente dovuta alla differenza di peso molecolare. Il volume molare di H₂O risultò dello 0,4% inferiore a D₂O a 25°C. Le costanti dielettriche e gli indici di rifrazione di H₂O e D₂O, che dipendono dalla configurazione elettronica, dalla carica nucleare e dalla geometria molecolare, risultarono quasi identici.

Le misurazioni di Lewis delle proprietà fisiche e chimiche dell'acqua pesante e di altri composti di deuterio furono tutte effettuate su campioni inferiori a 1 ml di liquido. I ricercatori riconobbero che i loro campioni e le soluzioni avevano impurità che erano difficili da rimuovere. Alcune impurità provenivano dai recipienti di misurazione e potevano essere rimosse solo sciacquando con una quantità maggiore della disponibilità mondiale di acqua pesante in quel momento. Lo stile di Lewis era di non fare la misurazione definitiva. Lo lasciò fare ad altri. In questo lavoro come in altri suoi lavori, voleva una misurazione abbastanza buona per rispondere alle sue domande. La compilazione di Kirshenbaum delle proprietà fisiche dell'acqua pesante fornì un compendio completo e una valutazione delle determinazioni delle proprietà fisiche dell'acqua pesante fino alla fine degli anni '40. Un confronto riassuntivo è riportato nella tabella.

La seconda tabella mostra i valori oggi accettati di alcune grandezze fisiche per l’acqua distillata e quella pesante:

Effetto isotopico della pressione di vapore

Per effetto isotopico si intende la variazione di alcune caratteristiche di un elemento (come densità e spettro) in funzione della massa degli isotopi coinvolti. La deuterazione di un legame idrogeno sostituendo l’idrogeno leggero (H) con il deuterio (D) può causare cambiamenti geometrici nel legame idrogeno. La misurazione di Lewis e Macdonald della tensione di vapore di D₂O in funzione della temperatura mostrò un coefficiente di temperatura molto grande per il logaritmo del rapporto di pressione di vapore (lnP_H2O/P_D2O). Tale effetto fu attribuito da Lewis al legame idrogeno in acqua. L'energia del punto zero associata al legame idrogeno è principalmente responsabile dell'effetto isotopico della pressione di vapore. 

Nella misurazione del fattore di frazionamento dell'isotopo dell'idrogeno nella distillazione dell'acqua, Lewis e Cornish furono sorpresi di scoprire che esso era circa la metà di quello che ci si poteva aspettare dai dati di Lewis e Macdonald sulle pressioni di vapore di H₂O pura e D₂O. Essi riconobbero che nelle soluzioni diluite di D₂O in H₂O il deuterio è presente sotto forma di HDO (acqua semipesante). Assumendo una distribuzione statistica di idrogeno leggero e deuterio tra le specie H₂O, HDO e D₂O si arrivò empiricamente alla regola della media geometrica, ln (P_H2O/P_HDO) ≃ 1/2 ln (P_H2O/P_D2O). 

All'epoca non esisteva alcuna teoria molecolare dell'effetto isotopico della fase condensata. Infatti, è stata l'assenza di una tale teoria, in particolare rispetto allo stato liquido, che rese questi studi interessanti per Lewis. Nella sua conferenza al Congresso Internazionale IUPAC di Madrid nel 1934, Lewis affermò: "D'altra parte, sono spesso proprio questi casi che sfidano l'analisi della fisica matematica che sono di maggior interesse per i chimici". La sfida durò circa 30 anni. Negli anni ‘60 l'analisi degli effetti isotopici della pressione di vapore attraverso la meccanica statistica dei sistemi interagenti ha fornito interessanti informazioni sulle forze intermolecolari, l'accoppiamento delle forze intermolecolari con quelle intramolecolari, l’ingombro sterico nei solidi e nei liquidi e la struttura dei fluidi monoatomici e poliatomici. 

Biologia dell'acqua pesante

Uno stile di lavoro caratteristico di Lewis nelle ricerche sull'acqua pesante era quello di lavorare con un piccolo numero di assistenti. Qualche volta, però preferiva svolgere da solo degli esperimenti esplorativi. Nella ricerca sull'acqua pesante questi esperimenti furono progettati per testare un'ipotesi avanzata da Lewis che il D₂O non avrebbe sostenuto la vita e sarebbe risultato letale per gli organismi superiori. Questa era la prima ricerca sperimentale di Gilbert N. Lewis nelle scienze biologiche. I suoi primi esperimenti furono sui semi di tabacco (una scelta interessante, dato che era un fumatore accanito). Lewis scoprì che essi germinano in quattro giorni in acqua normale, e non germinano in tre settimane in D₂O. Se i semi venivano poi prelevati dalla D₂O e posti in acqua normale, la germinazione avveniva in modo anomalo dopo una settimana. "I germogli erano estremamente sottili e questa crescita malaticcia si è conclusa dopo poche settimane". D'altra parte, i semi posti in 50% di D₂O mostravano uno sviluppo normale, anche se a un ritmo più lento rispetto a H₂O. Lewis scoprì poi che il lievito non fermentava né si sviluppava la muffa nei terreni con l'H₂O sostituita da D₂O. Sulla base di queste osservazioni preliminari fu portato a prevedere che i microrganismi non sarebbero cresciuti in D₂O, in particolare dopo che tutto l'idrogeno scambiabile era stato sostituito dal deuterio. Dimostrò che il D₂O era letale per i platelminti. I platelminti esposti a D₂O per meno di 4 ore e poi tornati a H₂O avevano invece una ragionevole possibilità di sopravvivenza. 

Lewis tentò un test inconcludente sull'effetto dell'acqua pesante su un topo. Ecco come andò, con la sua testimonianza (di Lewis, non del topo):

“Infine, volli testare l'effetto dell'acqua pesante su un animale a sangue caldo. A questo scopo ottenni tre topolini bianchi di rispettabile stirpe, del peso di circa dieci grammi l'uno, e li tenni in laboratorio per parecchi giorni mentre osservavo le loro normali abitudini. Poi, dopo che tutti erano stati privati dell'acqua durante la notte, a due dei topi diedi acqua normale mentre al terzo fu data acqua pesante (...) Tuttavia, l'esperimento è stato molto costoso e mi dispiace che, poiché fu fatto solo per accertare se l'acqua pesante sarebbe stata letale, non ci fu alcuna preparazione per un attento studio clinico degli effetti prodotti.

La risposta alla domanda principale è stata decisiva (...) Il topo è sopravvissuto e il giorno dopo sembrava perfettamente normale. Tuttavia, durante l'esperimento ha mostrato evidenti segni di intossicazione. Mentre i topi di controllo passavano il loro tempo mangiando e dormendo, lui non fece né l'uno né l'altro, ma divenne molto attivo e passava gran parte del tempo, per qualche misteriosa ragione, a leccare le pareti di vetro della sua gabbia. Più beveva dell'acqua pesante, più aveva sete, e probabilmente avrebbe bevuto molto di più se la nostra scorta di acqua pesante non si fosse esaurita. I sintomi di disagio che mostrava sembravano più pronunciati dopo ogni dose, ma non si accumulavano con le dosi successive, il che mi porta a sospettare che l'acqua pesante venisse rapidamente eliminata dal topo. Questo avrebbe potuto essere accertato se fosse stata fatta una preparazione adeguata”

Tutto ciò che si può dedurre da quell'esperimento è che un topo di 10 g superò in astuzia il grande Gilbert N. Lewis. Il topo aveva consumato la scorta mondiale di acqua pesante e non faceva altro che correre intorno alla sua gabbia, leccando le pareti e urinando nella sua lettiera di paglia. All'interno del dipartimento di chimica di Berkeley, il fatto divenne noto come "il topo che mise in ridicolo G. N. Lewis". Da tutto questo lavoro biologico, Lewis concluse che l'acqua pesante non era di per sé tossica, ma che suppliva la privazione dell'acqua normale e causava cambiamenti nei ritmi delle funzioni biologiche in modo tale che la vita non sarebbe stata supportata.

L'acqua pesante a buon mercato per la ricerca biologica sperimentale divenne disponibile a metà degli anni '50, quando fu realizzato un vasto programma sperimentale da J.J. Katz presso l'Argonne National Laboratory. I ricercatori riuscirono a coltivare alghe verdi in pura D₂O. La morfologia delle alghe fatte crescere in acqua pesante differisce significativamente da quelle coltivate in H₂O. Katz sfruttò le alghe cresciute in D₂O per preparare un’ampia quantità di composti di deuterio attraverso la biosintesi.

Senza dubbio, la sostituzione dell’idrogeno leggero con il deuterio modifica la velocità delle reazioni biochimiche, gli equilibri e quindi il pH (pD) delle soluzioni fisiologiche, la viscosità del mezzo, la struttura degli acidi nucleici, ecc. 

Per concludere

Tra il febbraio 1933 e il luglio 1934 Lewis pubblicò 26 dei 200 articoli sul deuterio. In base al criterio del numero di pubblicazioni fu il periodo più produttivo della sua carriera. Sotto ogni aspetto, Lewis fornì contributi fondamentali allo sviluppo della chimica degli isotopi negli anni '30. Questi includono la preparazione della D₂O pura, il lavoro sulla separazione degli isotopi per distillazione, elettrolisi e scambio chimico, lo studio dell'effetto del deuterio sulle pressioni di vapore nelle reazioni protolitiche, nelle quali si ha passaggio di uno ione idrogeno da un acido a una base, l'effetto del deuterio sulle costanti di ionizzazione degli elettroliti deboli e alcuni esperimenti pionieristici sulla biologia dell'acqua pesante e le reazioni nucleari del deuterone. In tutte queste ricerche, Lewis era guidato dall'applicazione di argomenti qualitativi riguardanti il ​​ruolo dell'energia di punto zero sulle proprietà chimiche e fisiche delle sostanze e, soprattutto, da una insaziabile e mutevole curiosità.