Осторожно, тяжелая вода! Что такое «тяжелая вода» и где она находится? Что собой представляет тяжелая вода
Тяжелая вода - вода в которой "обычный" водород 1 H (легкий) заменен тяжелым изотопом 2 H - дейтерием (D). У тяжелой воды, также как и у обычной, нет ни цвета, ни вкуса, ни запаха.
В настоящее время известны три изотопа водорода: 1 H, 2 H(D), 3 H(T). Самый легкий из них - 1 H называется протием. Почти целиком из него состоит обычная вода, частично в ней содержится более тяжелый водород - дейтерий (D) и сверхтяжелый тритий (T). Встречаются три изотопа кислорода: 16 O, тяжелый 18 O и совсем немного в природе 17 O. С помощью мощных ускорителей и реакторов физики получили еще пять радиоактивных изотопов кислорода: 13 O, 14 O, 15 O, 19 O, 20 O. Продолжительность их жизни очень коротка - она измеряется несколькими минутами, затем, распадаясь, они превращаются в изотопы других элементов.
В составе обычной воды можно обнаружить не только тяжелую воду. Известна сверхтяжелая вода T 2 O (атомная масса трития - Т равна 3) и тяжелокислородная вода, молекулы которой содержат вместо атомов 16 O атомы 17 O и 18 O. Изотопные разновидности воды присутствуют в обычной в ничтожнейших количествах. В природных водах на один атом дейтерия приходится 6500-7200 атомов водорода 1 H, а чтобы обнаружить один атом трития, надо иметь по крайней мере 10 18 атомов 1 H.
После обнаружения тяжелой воды ученые поначалу были настолько удивлены, что рассматривали тяжелую воду как химический курьез. Однако удивление было недолгим. Итальянский физик Энрико Ферми, проводивший эксперименты в области ядерной физики, понял, что тяжелая вода имеет огромнейшее военное значение. С тех пор события, развивающиеся вокруг этой странной жидкости, были полны драматизма и глубочайшей секретности. И все потому, что судьба тяжелой воды тесно переплеталась с развитием атомной энергетики. Такая вода используется в ядерных реакторах как теплоноситель и замедлитель нейтронов.
Основные физико-химические константы обычной и тяжелой воды существенно различаются. Обычная вода, ее водяной пар и лед, состав которых выражается химической формулой H 2 O, имеет молекулярную массу 18,0152 г. Лед образуется при 0°С (273 K), а закипает вода при 100 °C (373 K). Тяжелая вода превращается в лед при 3,813 °C, а пар образуется при 101,43 °C. По вязкости тяжелая вода на 20 % превосходит обычную воду, а максимальная плотность наблюдается при температуре 11,6 °C. Ее химическая формула D 2 O, где водород заменен на дейтерий, атомная масса которого в 2 раза больше. Окись дейтерия имеет молекулярную массу 20,027. Удельная масса ее на 10 % выше, чем у обычной воды. Вот почему она и называется тяжелой водой.
Тяжелая вода, как выяснили ученые, подавляет все живое. Вот какими резко полярными свойствами отличаются дейтериевая вода и обычная - протиевая. Тяжелая вода замедляет биологические процессы и действует угнетающе на живые организмы. Микробы в тяжелой воде гибнут, семена не прорастают, растения и цветы вянут при поливке такой водой. Тяжелая вода гибельно влияет на животных. А на человека? К сожалению, о тяжелой воде нам известно еще далеко не все.
В 1 т речной воды присутствует около 150 г тяжелой. В океанской воде ее чуть больше: на 1 т приходится 165 г. В озерах тяжелой воды обнаружено на 15-20 г больше, чем в реках, из расчета на 1 т. Любопытно отметить, что дождевая вода содержит больше окиси дейтерия, чем снег. Такие различия кажутся странными, ведь то и другое - осадки атмосферного происхождения. Да, источник один, а содержание тяжелой воды разное. Таким образом, речные, озерные, грунтовые и морские воды весьма несхожи по изотопному составу и, следовательно, как объекты, используемые для получения тяжелой воды, далеко не равнозначны. Было время, когда ее считали "мертвой водой" и полагали, что присутствие тяжелой воды в обычной замедляет обмен веществ, способствует старению организма. Случаи долгожительства на Кавказе некоторые исследователи связывают с меньшим количеством окиси дейтерия в горных потоках ледникового и атмосферного происхождения. Возникновение пустынь, исчезновение оазисов и гибель даже целых цивилизаций древности нередко приписывают накоплению окиси дейтерия в питьевой воде. Однако пока это все только гипотезы, туманные догадки, не подтвержденные экспериментальными результатами.
Предполагается, что молекулы тяжелой воды D 2 O в естественных условиях практически не встречаются, а преобладают молекулы, имеющие один атом дейтерия - HDO.
Несколько большая масса молекул HDO, D 2 O и повышенная прочность дейтериевой связи способствуют тому, что тяжелая вода активнее удерживается в жидкой фазе по сравнению с обычной водой. Следовательно, давление пара тяжелой воды всегда ниже, чем H 2 O, и это приводит к тому, что молекулы, содержащие дейтерий, концентрируются в жидкой фазе в процессе испарения. На этом построено фракционное разделение изотопов. В естественных условиях эти явления наблюдаются в экваториальных водах, когда в процессе испарения в поверхностных водах увеличивается концентрация изотопа D по сравнению с глубинными горизонтами. Изучение атмосферных осадков показывает, что в первую очередь с дождем выпадают тяжелые изотопы D или 18 O. Изотопное разделение происходит в процессе замерзания и таяния. Арктический лед, образующийся из морской воды, содержит на 2 % изотопов D больше, чем вода, из которой он образовался.
Прочность дейтериевой связи и фракционное разделение изотопов заставляют многих исследователей обратить внимание на изучение обменных процессов в живом организме. Одни считают, что удаление дейтерия из воды приведет к резкому повышению жизнестойкости организма и даже к продлению жизни. Другие полагают, что наличие дейтерия создает в биологическом мире определенный баланс в процессах внутриклеточного обмена и его отсутствие вызовет серьезные нарушения в живой и неживой природе.
Исследования жизнедеятельности микроорганизмов при постепенном добавлении тяжелой воды к обычной показали их удивительную приспособляемость к новой среде. Когда обычная вода была полностью заменена на дейтериевую, микроорганизмы не погибли, а какое-то время испытывали лишь некоторое угнетение, но после "акклиматизации" продолжали активно развиваться. Такое поведение микроорганизмов наталкивает на мысль, что живая клетка снабжена удивительнейшим механизмом приспособляемости, который спасает ее от гибели даже в условиях накопления дейтерия. Однако отдельные клетки организма из-за каких-то нарушений могут оказаться неустойчивыми, и это приводит их к гибели.
Сколько изотопных разновидностей воды может существовать
Оказывается, очень много. По мнению И. В. Петрянова-Соколова, теоретически можно взять различные комбинации изотопов водорода и кислорода, т.е. если каждый изотоп кислорода прореагирует в аналогичном для воды соотношении с изотопами водорода - 1:2, то из всего набора компонентов можно будет получить 48 разновидностей воды.
Как ни парадоксально это звучит, но факт остается фактом. Из нескольких десятков разновидностей воды большая часть существует только теоретически, попросту говоря, только на бумаге. Из 48 вод 39 - радиоактивны и всего лишь 9 стабильны, т.е. устойчивы:
H 2 16 O, H 2 17 O, H 2 18 O, HD 16 O, HD 17 O, HD 18 O, D 2 16 O, D 2 17 O, D 2 18 O.
Открытие каких-либо новых изотопов водорода и кислорода будет резко повышать число теоретически возможных вод.
Использование тяжелой воды
В течение непродолжительного времени после открытия Юри тяжелая вода рассматривалась лишь как химический курьез. Но в это же самое время известный итальянский физик Энрико Ферми проводил эксперименты в области ядерной физики, составившие эпоху в науке. Результаты этих опытов обнаружили огромное военное и экономическое значение тяжелой воды. Ферми и его сотрудники в 1934 г. подвергали различные элементы обстрелу нейтронами, обладавшими большой энергией (скоростью). В результате были получены атомы с искусственной радиоактивностью, или так называемые радиоизотопы. Ферми установил, что почти каждый нерадиоактивный в нормальных условиях элемент можно сделать радиоактивным, т.е. превратить его в радиоизотоп, с помощью обстрела нейтронами. Он нашел также, что общая эффективность бомбардировки нейтронами с целью вызвать искусственную радиоактивность значительно увеличивалась с уменьшением их скорости.
Подобно электрону и фотону света, нейтрон обнаруживает свойства частицы, но его движению присущи также свойства волны. Он обладает длиной волны, которая физически определяет его "размер", и эта длина волны изменяется обратно пропорционально его частоте. Чем ниже частота, являющаяся мерой энергии нейтрона, тем больше длина волны. Нейтрон с низкой энергией (маленькой скоростью), например с энергией в 0,1 эв, будет иметь длину волны или "размер", превышающую более чем в 10 000 раз диаметр атомного ядра. Очевидно, что такой замедленный нейтрон, проходя через скопление атомов, имеет больше шансов удариться (задеть) об ядро, чем более быстрый электрон. Имеется также больше вероятия, что такой электрон будет "захвачен", или поглощен, ядром, которое он заденет. Но как может ядро поглотить предмет, в 10 000 раз превышающий его по своим размерам? Здесь снова следует припомнить, что в данном случае мы имеем дело с волновыми характеристиками нейтрона. Внутри ядра нейтрон приобретает энергию примерно в 50 млн. в с соответствующим огромным увеличением своей частоты, которая обратно пропорциональна длине волны. При увеличении частоты длина волны уменьшается. Нейтрон, поглощенный таким образом ядром, вызывает нарушение ядерного равновесия, в результате чего начинается радиоактивное излучение. Другими словами, создается радиоизотоп.
Вскоре после открытия Ферми и его сотрудников немецкие ученые О. Ган и Ф. Штрассман обнаружили, что поглощение нейтронов ядрами урана вызывает расщепление, или деление, этих ядер. Оба осколка ядра, вместе взятые, имеют меньшую массу, чем первоначальное ядро, а поскольку разница в массе превращается в кинетическую энергию в количестве, определяемом соотношением между массой и энергией Альберта Эйнштейна (E=mc 2), то оба осколка разлетаются в стороны с колоссальной скоростью. При этом они испускают два или три нейтрона, которые сверхтяжелый атом урана имеет во множестве. Каждый выпущенный нейтрон теоретически может расщепить любое способное к расщеплению ядро, какое он встретит на своем пути; в результате такого столкновения высвободятся еще два или три нейтрона. Другими словами, процесс расщепления, или деления, ядер может стать самопроизвольным, самораспространяющимся: может начаться так называемая цепная реакция. Дальнейшие опыты вскоре показали, что из трех изотопов урана расщепление происходит почти исключительно лишь у ядер урана U 235 , который при нормальных условиях составляет всего лишь 0,7% обыкновенного урана. Как и следовало ожидать из исследований Ферми, расщепление урана U 235 происходило наиболее эффективно под воздействием замедленных нейтронов. Было установлено, что для возбуждения цепной реакции в обыкновенном уране необходимо иметь большой запас весьма замедленных нейтронов. Нейтроны, обладающие большой скоростью, с энергией в миллионы электронвольт, также иногда случайно расщепляют урановые атомы, но это происходит не настолько часто, чтобы вызвать цепную реакцию. Нейтроны с умеренной энергией (в несколько электронвольт) представляют собой осколки урана U 235 , но они подвергаются захвату ядрами урана U 238 - изотопа, составляющего около 99% обыкновенного урана. Захват их ураном U 238 исключает их, так сказать, из обращения, поскольку уран U 238 не расщепляется, а, наоборот, стремится приобрести устойчивость, выделяя из себя один электрон (это, разумеется, увеличивает ядерный заряд на единицу, превращая уран с атомным числом 93 в плутоний с атомным числом 94). Для расщепления требуются "тепловые" нейтроны, названные так потому, что их энергия, равная примерно 0,02 эв, не превышает энергии нормального теплового движения атомов, среди которых они перемещаются. Тепловые нейтроны не только легко расщепляют U 235 , но они не подвержены также захвату ураном U 238 . Они отличаются, кроме того, значительными размерами, перемещаясь среди атомов урана U 238 , они с большей вероятностью могут встретиться с легко расщепляющимся ураном U 235 . Все это делает возможным возникновение самопроизвольной цепной реакции в обычном уране, несмотря на то, что он содержит лишь 0,7% урана U 235 , при условии, однако, что имеется какой-то способ для замедления нейтронов, испускаемых при расщеплении урана U 235 . Необходим так называемый "замедлитель" - такое вещество, которое могло бы поглощать излишнюю энергию нейтронов, не захватывая самих нейтронов.
Движение нейтрона будет резко замедлено, если он столкнется с ядром, вес которого лишь ненамного превышает его собственный; при этом нейтрон сообщит часть своей энергии частице, с которой он столкнулся, совершенно так же, как это происходит с биллиардным шаром при его ударе о другой шар. Это предопределяет возможность использования в качестве замедлителя водородных соединений, в частности, воды. Поскольку ядро простого водорода, состоящее из одного лишь протона, имеет ту же самую массу, что и нейтрон, оно способно принять на себя при столкновении значительную часть энергии нейтрона. Но, к сожалению, ядро простого водорода не только частично поглощает энергию нейтрона, но часто захватывает и сам нейтрон, превращаясь в ядро атома дейтерия. Поэтому обыкновенная вода как замедлитель малоэффективна. Зато лучшими свойствами обладает тяжелая вода. Ядра дейтерия, состоящие из одного нейтрона и одного протона, с трудом поглощают нейтроны, но легко воспринимают при столкновении значительные количества энергии нейтронов. Таким образом, тяжелая вода D 2 O является очень эффективным замедлителем, наиболее эффективным среди всех известных нам веществ. Чтобы отдать свою энергию и стать "тепловым", для взаимодействия с урана U 235 , нейрону достаточно 25 столкновений с ядром дейтерия, а например при столкновении с ядром углерода (графитовые стержни) потребуется 110 столкновений.
Но у тяжелой воды есть потенциал сталь гораздо более полезной, чем замедлитель нейронов. При очень высоких температурах может произойти нечто совершенно противоположное расщеплению ядра. Теплота является энергией движения, и при достижении ею некоторого предела ядерная энергия настолько возрастает, что она может преодолеть электростатические силы, которые при более низких температурах вызывают отталкивание двух положительных зарядов. Так возникнет новое ядро путем слияния двух ядер в результате так называемой термоядерной реакции. Однажды начавшись в среде легких атомов, она будет развиваться дальше подобно цепной реакции: ядро, образовавшееся в результате слияния, имеет несколько меньшую массу, чем оба исходных ядра; разница в массе преобразуется в энергию в соответствии с уравнением Эйнштейна, выражающим соотношение между массой и энергией (E=mc 2); часть этой энергии передается другим ядрам, вызывая их слияние. Но как получить необходимую для термоядерной реакции начальную температуру, измеряемую миллионами градусов? Раньше такую температуру можно было получить лишь на короткий миг во время взрыва урановой или плутониевой атомной бомбы. Поэтому у всех водородных бомб в качестве "запала" применялись атомные бомбы, действующие по принципу ядерного распада. Когда будут найдены способы дешевого и безопасного получения необходимой начальной температуры и способы её локализации, то наступит время, когда ядерное слияние в качестве источника промышленной энергии окажется экономически более выгодным, чем ядерный распад. Одно из его крупных преимуществ заключается в том, что управляемое слияние не будет давать опасных радиоактивных отходов. Другое его преимущество состоит в том, что топливо для слияния в противоположность топливу для распада имеется на Земле в огромных количествах.
Физики ядерщики определили, что ядра дейтерия особенно легко подвергаются слиянию. Поэтому значение дейтерия все возрастает по мере приближения того времени, когда запасы ископаемого топлива на Земле будут исчерпаны. Запасы же ядерного горючего в Мировом океане практически безграничны. Дейтерий, содержащийся в 1 л морской воды, заключает энергию, эквивалентную энергии около 350 л бензина. Теоретически воды океанов и морей могут обеспечить человечество источником энергии на миллиарды лет .
История открытия тяжелой воды
Американский физико-химик Гарольд Юри (1893-1981), в молодости проявлявший большой интерес к ядерной структуре вещества, решил использовать спектроскопический метод для изучения водорода.
Выполненные Г. Юри теоретические расчеты убедили, что попытки разделения водорода на изотопы могут привести к интересным результатам - к выявлению нового стабильного изотопа водорода, существование которого предсказал ещё Э. Резерфорд.
Руководствуясь этими соображениями, Г. Юри поручил одному из своих учеников выпарить 6 л жидкого водорода, и в конце эксперимента исследователи получили остаток объемом около 3 см 3 .
Самое удивительное, что в результате спектрального анализа остатка было найдено такое же расположение линий, какое было предсказано Г. Юри на основе теоретических предпосылок.
Тяжелый водород - дейтерий был открыт.
Об этом Г. Юри сообщил в 1931 году на новогоднем собрании Американской Ассоциации развития науки в Нью-Орлеане. Дальнейшие усилия ученого были направлены на получение образца с высокой концентрацией дейтерия. Это удалось сделать с помощью электролиза, газовой диффузии, дистилляции воды и других методов. Разные упругости пара H 2 и HD позволили Г. Юри, Ф. Брикведде и Г. Мэрфи доказать существование дейтерия. Опубликованная Г. Юри совместно с сотрудниками работа произвела ошеломляющее впечатление на ученых самых различных областей науки. Многие специалисты воспринимали это известие как что-то фантастическое и спорное, но экспериментальные факты показывали, что тяжелый изотоп водорода реально существует.
Дейтерий начал свой сложный путь, а Г. Юри была вручена Нобелевская премия (1934). После открытия дейтерия события развивались очень быстро. Дело было только за экспериментом, но это оказалось весьма сложной технической задачей. Тяжелая вода была впервые обнаружена в природной воде Г. Юри и Э.Ф. Осборном в 1932 году.
Академик Н.Д. Зелинский, узнав об открытии тяжелой воды, писал в 1934 году: "Кто бы мог подумать, что в природе существует еще другая вода, о которой мы до прошлого года ничего не знали, вода, которую в весьма небольшом количестве мы ежедневно вводим в свой организм вместе с питьевой водой. Однако небольшие количества этой новой воды, потребляемые человеком в течение жизни, составляют уже порядок величины, с которым нельзя не считаться". Развивая свою мысль, продолжал: "В эволюции химических форм в биосфере и литосфере тяжелая вода не может не принимать участия, и вопрос о том, в какой стадии такого эволюционного процесса находится тяжелая вода в нашу эпоху, в стадии накопления ее в природе или в стадии деградации, представляется весьма важным и с точки зрения обмена веществ в живых организмах, в котором вода играет первостепенную роль. Все живое проводит через свой организм громадные массы обыкновенной воды, а вместе с ней и тяжелую воду; какое же влияние оказывает последняя на жизненные функции организма? Пока это неизвестно, но такое влияние должно быть несомненным".
100 мм рт. ст. при 54 °C
Тяжёлая вода́ - обычно этот термин применяется для обозначения тяжёловодородной воды , известной также как оксид дейтерия . Тяжёловодородная вода имеет ту же химическую формулу , что и обычная вода , но вместо двух атомов обычного лёгкого изотопа водорода (протия) содержит два атома тяжёлого изотопа водорода - дейтерия , а её кислород по изотопному составу соответствует кислороду воздуха . Формула тяжёловодородной воды обычно записывается как D 2 O или 2 H 2 O. Внешне тяжёлая вода выглядит как обычная - бесцветная жидкость без вкуса и запаха. Она не радиоактивна .
Энциклопедичный YouTube
1 / 5
✪ ПОЛУЧИЛ ДЕЙТЕРИЙ И ПОПРОБОВАЛ ТЯЖЕЛУЮ ВОДУ!
✪ Уникальные свойства воды. Химия – просто.
✪ Холодный ядерный синтез в стакане воды. Дешёвое отопление, малозатратное получение водорода.
✪ Титан - САМЫЙ ПРОЧНЫЙ МЕТАЛЛ НА ЗЕМЛЕ!
✪ Осмий - Самый ТЯЖЕЛЫЙ МЕТАЛЛ НА ЗЕМЛЕ!
Субтитры
История открытия
Молекулы тяжёловодородной воды были впервые обнаружены в природной воде Гарольдом Юри в 1932 году , за что ученый был удостоен Нобелевской премии по химии в 1934 году. А уже в 1933 году Гилберт Льюис выделил чистую, тяжёловодородную воду. При электролизе обычной воды, содержащей наряду с обычными молекулами воды незначительное количество молекул тяжёлой (D 2 O) и полутяжёлой (НОD) воды, образованных тяжёлым изотопом водорода, остаток постепенно обогащается молекулами этих соединений. Из такого остатка после многократного повторения электролиза Льюису в 1933 г. впервые удалось выделить небольшое количество воды, состоящей почти на 100 % из молекул соединения кислорода с дейтерием и получившей название тяжёлой. Этот способ производства тяжёлой воды остаётся основным и сейчас, хотя используется в основном на окончательной стадии обогащения от 5-10 % до >99 % (см. ниже).
После открытия в конце 1938 года деления ядер и осознания возможности использования цепных ядерных реакций деления, индуцированных нейтронами, возникла необходимость в замедлителе нейтронов - веществе, позволяющем эффективно замедлять нейтроны, не теряя их в реакциях захвата. Наиболее эффективно нейтроны замедляются лёгкими ядрами, и самым эффективным замедлителем должны были бы быть ядра обычного водорода (протия), однако они обладают высоким сечением захвата нейтронов . Напротив, тяжёлый водород захватывает очень мало нейтронов (сечение захвата тепловых нейтронов у протия в более чем 100 тысяч раз выше, чем у дейтерия). Технически наиболее удобным соединением дейтерия является тяжёлая вода, причём она способна также служить теплоносителем, отводя выделяющееся тепло от области, где происходит цепная реакция деления. С самых ранних времён ядерной энергетики тяжёлая вода стала важным компонентом в некоторых реакторах, как энергетических, так и предназначенных для наработки изотопов плутония для ядерного оружия. Эти так называемые тяжеловодные реакторы имеют то преимущество, что могут работать на природном (необогащённом) уране без использования графитовых замедлителей, которые на этапе вывода из эксплуатации могут представлять опасность взрыва пыли и содержат наведённую радиоактивность (углерод-14 и ряд других радионуклидов) . Однако в большинстве современных реакторов используется обогащённый уран с нормальной «лёгкой водой» в качестве замедлителя, несмотря на частичную потерю замедленных нейтронов.
Производство тяжёлой воды в СССР
Промышленное производство и применение тяжёлой воды началось с развитием атомной энергетики. В СССР при организации Лаборатории № 3 АН СССР () перед руководителем проекта А. И. Алихановым была поставлена задача создания реактора на тяжёлой воде . Это обусловило потребность в тяжёлой воде, и техническим советом Специального комитета при СНК СССР был разработан проект Постановления СНК СССР «О строительстве полупромышленных установок по производству продукта 180», работы по созданию производительных установок тяжёлой воды в кратчайшие сроки были поручены руководителю атомного проекта Б. Л. Ванникову , народному комиссару химической промышленности М. Г. Первухину , представителю Госплана Н. А. Борисову , народному комиссару по делам строительства СССР С. З. Гинзбургу , народному комиссару машиностроения и приборостроения СССР П. И. Паршину и народному комиссару нефтяной промышленности СССР Н. К. Байбакову . Главным консультантом в вопросах тяжёлой воды стал Начальник сектора Лаборатории № 2 АН СССР М. О. Корнфельд.
Свойства
Сравнение свойств обычной и тяжёлой воды
| Параметр | D 2 O | HDO | H 2 O |
|---|---|---|---|
| Температура плавления (°C) | 3,82 | 0,00 | |
| Температура кипения (°C) | 101,42 | 100,7 | 100,00 |
| Плотность (г/см³, при 20 °C) | 1,1056 | 1,054 | 0,9982 |
| Температура максимальной плотности (°C) |
11,6 | 4,0 | |
| Вязкость (сантипуаз , при 20 °C) | 1,25 | 1,1248 | 1,005 |
| Поверхностное натяжение (дин ·см, при 25 °C) |
71,87 | 71,93 | 71,98 |
| Молярное уменьшение объёма при плавлении (см³/моль) |
1,567 | 1,634 | |
| Молярная теплота плавления (ккал /моль) | 1,515 | 1,436 | |
| Молярная теплота парообразования (ккал/моль) | 10,864 | 10,757 | 10,515 |
| (при 25 °C) | 7,41 | 7,266 | 7,00 |
Нахождение в природе
В природных водах один атом дейтерия приходится на 6400…7600 атомов протия . Почти весь он находится в составе молекул DHO, одна такая молекула приходится на 3200…3800 молекул лёгкой воды. Лишь очень незначительная часть атомов дейтерия формирует молекулы тяжёлой воды D 2 O, поскольку вероятность двух атомов дейтерия встретиться в составе одной молекулы в природе мала (примерно 0,5⋅10 −7). При искусственном повышении концентрации дейтерия в воде эта вероятность растёт.
Биологическая роль и физиологическое воздействие
Тяжёлая вода токсична лишь в слабой степени, химические реакции в её среде проходят несколько медленнее по сравнению с обычной водой, водородные связи с участием дейтерия несколько сильнее обычных. Эксперименты над млекопитающими (мыши, крысы, собаки) показали, что замещение 25 % водорода в тканях дейтерием приводит к стерильности, иногда необратимой . Более высокие концентрации приводят к быстрой гибели животного; так, млекопитающие , которые пили тяжёлую воду в течение недели, погибли, когда половина воды в их теле была дейтерирована; рыбы и беспозвоночные погибают лишь при 90 % дейтерировании воды в теле . Простейшие способны адаптироваться к 70 % раствору тяжёлой воды, а водоросли и бактерии способны жить даже в чистой тяжёлой воде . Человек может без видимого вреда для здоровья выпить несколько стаканов тяжёлой воды, весь дейтерий будет выведен из организма через несколько дней.
Таким образом, тяжёлая вода гораздо менее токсична, чем, например, поваренная соль . Тяжёлая вода использовалась для лечения артериальной гипертензии у людей в суточных дозах от 10 до 675 г D 2 O в день .
В человеческом организме содержится в качестве естественной примеси столько же дейтерия, сколько в 5 граммах тяжёлой воды; этот дейтерий в основном входит в молекулы полутяжёлой воды HDO, а также во все прочие биологические соединения, в которых есть водород.
Некоторые сведения
Тяжёлая вода накапливается в остатке электролита при многократном электролизе воды. На открытом воздухе тяжёлая вода быстро поглощает пары обычной воды, поэтому можно сказать, что она гигроскопична . Производство тяжёлой воды очень энергоёмко, поэтому её стоимость довольно высока. В 1935 году, сразу после открытия тяжёлой воды, её цена составляла ориентировочно 19 долларов за грамм ). В настоящее время тяжёлая вода с содержанием дейтерия 99 ат.% , продаваемая поставщиками химических реактивов, при покупке 1 кг сто́ит около 1 евро за грамм , однако эта цена относится к продукту с контролируемым и гарантированным качеством химического реактива; при снижении требований к качеству цена может быть на порядок ниже.
Применение
Важнейшим свойством тяжёловодородной воды является то, что она практически не поглощает нейтроны , поэтому используется в ядерных реакторах для замедления нейтронов и в качестве теплоносителя. Она используется также в качестве изотопного индикатора в химии , биологии и гидрологиифизиологии , агрохимии и др. (в том числе в опытах с живыми организмами и при диагностических исследованиях человека). В физике элементарных частиц тяжёлая вода используется для детектирования нейтрино ; так, крупнейший детектор солнечных нейтрино SNO (Канада) содержит 1000 тонн тяжёлой воды.
Дейтерий - ядерное топливо для энергетики будущего, основанной на управляемом термоядерном синтезе. В первых энергетических реакторах такого типа предполагается осуществить реакцию D + T → 4 He + n + 17,6 МэВ .
В некоторых странах (например, в Австралии) коммерческий оборот тяжёлой воды поставлен под государственные ограничения, что связано с теоретической возможностью её использования для создания «несанкционированных» реакторов на природном уране, пригодных для наработки оружейного плутония .
Другие виды тяжёлых вод
Полутяжёлая вода
Выделяют также полутяжёлую воду (известную также под названиями дейтериевая вода , монодейтериевая вода , гидроксид дейтерия ), у которой только один атом водорода замещён дейтерием. Формулу такой воды записывают так: DHO или ²HHO. Следует отметить, что вода, имеющая формальный состав DHO, вследствие реакций изотопного обмена реально будет состоять из смеси молекул DHO, D 2 O и H 2 O (в пропорции примерно 2:1:1). Это замечание справедливо и для THO и TDO.
Сверхтяжёлая вода
Сверхтяжёлая вода содержит тритий , период полураспада которого более 12 лет. По своим свойствам сверхтяжёлая вода (T 2 O ) ещё заметнее отличается от обычной: кипит при 104 °C, замерзает при +9 °C и имеет плотность 1,21 г/см³. Известны (то есть получены в виде более или менее чистых макроскопических образцов) все девять вариантов сверхтяжёлой воды: THO, TDO и T 2 O с каждым из трёх стабильных изотопов кислорода (16 O, 17 O и 18 O). Иногда сверхтяжёлую воду называют просто тяжёлой водой, если это не может вызвать путаницы. Сверхтяжёлая вода имеет высокую радиотоксичность .
Тяжёлокислородные изотопные модификации воды
Термин тяжёлая вода применяют также по отношению к тяжёлокислородной воде, у которой обычный лёгкий кислород 16 O заменён одним из тяжёлых стабильных изотопов 17 O или 18 O. Тяжёлые изотопы кислорода существуют в природной смеси, поэтому в природной воде всегда есть примесь обеих тяжёлокислородных модификаций. Их физические свойства также несколько отличаются от свойств обычной воды; так, температура замерзания 1 H 2 18 O составляет +0,28 °C .
Тяжёлокислородная вода, в частности, 1 H 2 18 O, используется в диагностике онкологических заболеваний (из неё на циклотроне получают изотоп фтор-18, который используют для синтеза препаратов для диагностики онкозаболеваний, в частности 18-фдг).
Общее число изотопных модификаций воды
Если подсчитать все возможные нерадиоактивные соединения с общей формулой Н 2 О, то общее количество возможных изотопных модификаций воды всего девять (так как существует два стабильных изотопа водорода и три - кислорода).
В далеком прошлом человек не задумывался над тем, что представляет собой вода и каково ее происхождение. Существовало мнение, что это элемент, но теперь известно, что она является химическим соединением.
В 1932 г. весь мир облетела новость, что на планете Земля кроме простой есть и тяжелая вода. Сейчас уже известно, что может быть 135 ее изотопных разновидностей.
Состав
Тяжелая вода, которая еще называется оксидом дейтерия, по химическому составу не отличается от простой обычной, но вместо атомов водорода, содержащихся в воде, в ней присутствуют 2 тяжелых изотопа водорода, так называемого дейтерия. Тяжелая вода имеет формулу 2H2O или D2O. Внешне нет различий между тяжелой и простой жидкостью, но по своим свойствам они отличаются.
Химические реакции в тяжелой воде протекает слабее, чем в обычной.
Тяжелая вода слаботоксична. Научные эксперименты показали, что замещение атомов легкого водорода дейтерием на 25%, вызывает бесплодие у животных. Если еще больше увеличить его содержание в воде, животное погибает. Однако ряд организмов выживает при 70% дейтерия Человек без последствий для здоровья может выпить около стакана такой жидкости. При выводится из организма в течение нескольких дней.
Тяжелая вода обладает свойством накапливаться в остатке электролита, если проводится многоразовый Она поглощает пары простой жидкости на открытом воздухе, т.е. она гигроскопична.
Одним из самых важных свойств данного типа воды является то, что она почти не поглощает нейтроны, а это позволяет ее применять в ядерных реакторах для процесса торможения нейтронов, а в химии ее используют как изотопный индикатор.
Тяжелая вода, получение
В 1933-1946 годах единственным методом обогащения являлся электролиз. Уже позже появились более прогрессивные технологии. Современным массовым производством во входном потоке используется жидкость, дистиллированная из электролита, с содержанием в ней тяжелой воды 0,1-0,2 %.
Первая стадия концентрирования применяет двухтемпературную противоточную сероводородную технологию изотопного обмена, концентрация на выходе тяжёлой воды составляет 5-10 %. Вторая стадия — каскадный электролиз щелочного раствора при нулевой температуре, выходная концентрация - 99,75-99,995 %.
Российскими учеными были разработаны оригинальные технологии для производства и очистки тяжелой воды. В 1995 года установка, обладающая высокой эффективностью, была введена в промышленную эксплуатацию. Производство полностью обеспечивает потребность предприятий тяжелой водой в любом объеме, а также позволяет экспортировать ее за границу.
Применение
Тяжелая вода используется в различных биологических и химических процессах. Учеными было определено, что такая жидкость препятствует развитию бактерий, грибов, водорослей, а если в ней содержится 50 % дейтерия, то приобретает антимутагенные свойства, способствует росту биологической массы и ускорению полового созревания у людей.
Европейские ученые проводили опыты на мышах со злокачественной опухолью. Тяжелая вода погубила и болезнь, и ее носителей. Было установлено, плохо действует на растения и животных. У подопытных, которых поили тяжелой водой, разрушались почки и расстраивался обмен веществ. При высоких дозах воды животные погибали. При небольшом объеме (до 25%), животные набирали вес и приносили хороший приплод, а у кур увеличивалась яйценоскость.
Вопрос о том, что произойдет, если совершенно избавиться от дейтерия, пока остается открытым.
Сравнение свойств легкой и тяжелой воды
Ответ на вопрос о различии между природной легкой и тяжелой жидкостью зависит от того, кому он был задан.
По химическим свойствам между ними нет практически никакой разницы. В каждой из них натрий одинаково выделяет водород, при электролизе и та, и другая вода одинаково разлагается, их химические свойства тоже совпадают, потому что у них одинаковый состав.
Этих жидкостей разные: и замерзания у них неодинаковая, также у них разная плотность и упругость пара. Тяжелая и легкая вода разлагаются при электролизе с разной скоростью.
С биологической точки зрения - вопрос достаточно сложный, здесь еще нужно поработать.
Сравнительно недавно обнаруженная учеными прочно вошла в мир науки. Признаная биологами и химиками, физиками и ядерщиками, тяжелая вода стала верным помощником во многих исследованиях.
Физика вообще достаточно интересная наука. Если решение задач по физике для Вас не просто слова, то всегда можно найти подобный сайт или форум для этого, да и общение с людьми похожих интересов на блогфоруме всегда интересно.
Обнаруженные впервые в 1932 году Гарольдом Юри молекулы тяжелой воды сразу заинтересовали ученый мир. И уже в 1933 Гилберт Льюис с помощью электролиза простой воды получил тяжелую воду.
Химическая формула тяжелой воды совпадает с обычной, но также имеет в составе тяжелые изотопы водорода. Формула тяжелой воды выглядит следующим образом: D2O или 2H2O.
Тяжелая вода мало, чем отличается от обыкновенной воды, но это только на первый взгляд. С тяжелой водой медленней происходят реакции, меньше чем для обычной воды и константы диссоциации молекул тяжелой воды.
Кроме тяжелой воды D2O существует еще и полутяжелая вода (HDO) и частично дейтерий тяжелой воды находится в воде полутяжелой. В естественных условиях соотношение между тяжелой водой и обычной составляет 1:5500.
У тяжелой воды слабая токсичность, медленнее химическая реакция с участием тяжелой воды, но зато сильнее водородные связи с участием дейтерия.
Некоторые простые микроорганизмы могут жить в 70% тяжелой воде, а бактерии выживают даже в чистой 100% тяжелой воде. Но эксперименты показали, что более чем 28% замещение водорода в тканях животных приводят к бесплодию, а 30% и к смерти подопытных животных. Для человека тяжелая вода безвредна в небольшом количестве и очищается организм от тяжелой воды в течение пары дней.
При частом электролизе обычной воды, в остатке электролита накапливается тяжелая вода. гигроскопична, так как при открытом доступе воздуха тяжелая вода поглощает испарения обычной воды.
Покупка тяжелой воды обойдется недешево (около 300 долларов за кг), так как производство тяжелой воды затрачивает очень много энергоресурсов.
Тяжелую воду используют в ядерных реакторах для ослабевания нейтронов. Также тяжелую воду используют в качестве теплоносителя. В химии тяжелая вода используется как изотопный индикатор, такое же применение тяжелая вода нашла и в биологии, а в физике для детектирования нейтрино. Тяжелая вода не поглощает нейтроны, и поэтому используется в работе на ядерных реакторах.
Все мы состоим из воды: люди и звери, деревья и травы. В воде человек зарождается и растет, без воды не прорастет зерно, не зацветут деревья. Вода является колыбелью природы, и важно использовать как обычную воду, так и тяжелую воду исключительно во благо, а не во вред.
Регулярно мы слышим фразу «тяжелая вода», а что это такое мало кто знает. Попробуем разобраться, из чего же образуется тяжелая вода и вообще бывает ли такая вода. Ученые разных стран считают, что тяжелая вода очень дорога и дефицитна. Однако если удастся найти дешевый и практичный способ ее получения, то области применения этого редкого соединения. Откроются новые страницы в химии, биологии, а это новые материалы, неизвестные соединения и, может быть, неожиданные формы жизни. Вода в природе бывает нескольких видов, различаемых по входящим в состав молекул изотопам водорода:
обычная вода (протий);
тяжелая или дейтериевая вода;
полутяжёлая;
сверхтяжелая, или тритиевая, (в природе почти не встречается);
Различается вода и по изотопному составу кислорода. Всего же насчитывается не менее 18 ее изотопных разновидностей. Если мы откроем водопроводный кран и наберем чайник, то там будет не однородная вода, а ее смесь. Получается, что тяжелая вода есть повсюду – в каждой капле! Проблема в том, как ее взять. Ныне во всем мире ее добыча связана с огромными затратами энергии и очень сложным оборудованием. Однако есть предположение, что на планете Земля возможны такие природные ситуации, когда тяжелая и обычная вода на какое-то время отделяются одна от другой – тяжёлая вода из рассеянного, растворенного состояния переходит в концентрированное. Так, может быть, существуют месторождения тяжелой воды? Пока однозначного ответа нет: никто из исследователей этим вопросом прежде не занимался. А вместе с тем известно, что физико-химические свойства тяжёлой воды совсем иные, чем у обычной воды – ее антипода. Так, температура кипения тяжелой воды +101,4°С, а замерзает она при +3,81°С. Ее плотность на 10 процентов больше, чем у обычной. Надо также заметить, что происхождение тяжелой воды, по-видимому, сугубо земное – в космосе ее следов не обнаружено. Мировой океан, ледники, атмосферная влага – вот природные “фабрики” тяжелой воды. Разница в плотности одной и другой разновидностей воды превышает 10%, и поэтому возможны условия, когда переход в твердое состояние при охлаждении происходит вначале у тяжелой воды, а затем у обычной.
Итак, поскольку есть заметная разница в плотности между тяжёлой и обычной водой, то именно плотность, а также агрегатное состояние и могут служить наиболее чувствительными критериями в поисках возможных месторождений тяжелой воды – ведь эти критерии связаны с температурой окружающей среды. Как известно, окружающая среда наиболее “контрастна” в высоких широтах планеты. Атмосферные осадки влияют на распределение дейтерия по водоемам планеты, однако они никак не влияют на глобальный процесс образования дейтерия, которое убыстряется под воздействием вечной мерзлоты, одновременно идет ассоциация молекул воды. Наконец, наступает критический момент максимальной плотности – температура воды всюду чуть ниже +4°С. И тогда в придонной зоне на некоторых участках интенсивно намораживается рыхлый подводный лед. В отличие от обычного льда он не имеет правильной кристаллической решетки, у него иная структура. Центры его кристаллизации различны: камни, коряги и разные неровности, причем не обязательно лежащие на дне и связанные с мерзлым грунтом. Появляется рыхлый лед на реках глубоких, со спокойным – ламинарным – течением. Подводное ледообразование обычно заканчивается тем, что льдины всплывают на поверхность, хотя в это время никакого другого льда нет. Подводный лед иногда появляется и летом.
Возникает вопрос: что это за “вода в воде”, которая меняет свое агрегатное состояние, когда установившаяся температура в реке слишком высока для того, чтобы в лед превращалась обычная вода, чтобы, как говорят физики, произошел фазовый переход? Нужно помнить, что тяжелая вода неотличима от обычной, однако потребление ее внутрь организма может вызвать тяжелые отравления. К слову сказать, местные жители высоких широт не употребляют речной лед для приготовления пищи – только озерный лед или снег.