Домой Регистрация
Приветствуем вас, Гость



Форма входа

Население


Вступайте в нашу группу Вконтакте! :)




ПОИСК


Опросник
Используете ли вы афоризмы и цитаты в своей речи?
Проголосовало 514 человек


Тяжелая вода что это такое


Тяжелая вода - ее свойства, жизнь и энергия будущего

В этом материале мы кратко расскажем про «Тяжёлую воду», или как еще ее называют — оксид дейтерия. Этот вид воды был открыт в 1932 году известным ученым Гарольдом Юри.

Многие из нас слышали про существование «тяжёлой воды», но мало кто знает, почему она называется тяжелой и то, что «тяжелая вода» присутствует в небольших количествах практически во всех обычных водах.

«Тяжелая вода» действительно является «тяжелой» по отношению к обычной воде, поскольку содержит вместо «легкого водорода» 1H тяжелый изотоп 2H или дейтерий (D), вследствие чего ее удельная масса на 10% больше чем у обычной. Химическая формула тяжелой воды — D2O или 2h3O (2h3O).

Предлагаю обратиться к первоисточникам и ознакомиться с точными формулировками «тяжелой воды», данными в словарях и справочниках.

Тяжёлая вода

Тяжелая вода (Heavy water) оксид дейтерия, D2О — по сравнению с обычной имеет значительно лучшие ядерно-физические свойства. Она почти не поглощает тепловых нейтронов, поэтому является лучшим замедлителем. Применение тяжелой воды в качестве замедлителя позволяет использовать в качестве топлива природный уран; уменьшается первоначальная загрузка топлива и ежегодное его потребление. Однако стоимость тяжелой воды очень высока.

Термины атомной энергетики. — Концерн Росэнергоатом, 2010

ТЯЖЕЛАЯ вода — D2О, изотопная разновидность воды, в молекулах которой атомы водорода заменены атомами дейтерия. Плотность 1,104 г/см³ (3,98 .С), tпл 3,813 .С, tкип 101,43 .С. Соотношение в природных водах Н:D в среднем 6900:1. На организмы действует угнетающе, в больших дозах вызывает их гибель. Замедлитель нейтронов и теплоноситель в ядерных реакторах, изотопный индикатор, растворитель; используется для получения дейтерия. Существуют также сверхтяжелая вода Т2О (Т — тритий) и тяжелокислородная вода, молекулы которой вместо атомов 16О содержат атомы 17О и 18О.

Большой Энциклопедический словарь. 2000

ТЯЖЕЛАЯ ВОДА (оксид дейтерия, D2O), вода, в которой атомы водорода замещены ДЕЙТЕРИЕМ (изотоп ВОДОРОДА с ОТНОСИТЕЛЬНОЙ АТОМНОЙ МАССОЙ, примерно равной 2, в то время как у обычного водорода относительная атомная масса равна примерно 1. Встречается в малых концентрациях в воде, из которой ее получают ЭЛЕКТРОЛИЗОМ. Тяжелая вода используется как ЗАМЕДЛИТЕЛЬ в некоторых АТОМНЫХ РЕАКТОРАХ.

Научно-технический энциклопедический словарь

Свойства тяжёлой воды

Свойства «тяжелой воды» во многом отличаются от свойств обычной h3O:

Где применяется тяжёлая вода

Интересным является тот факт, что ученые, открывшие тяжелую воду, отнеслись к ней как к научному казусу и не увидели больших возможностей в ее применении, впрочем, следует заметить, что такая ситуация, с научными открытиями, не является одиночной. И лишь спустя некоторое время, совершенно другими исследователями, был открыт ее научный и промышленный потенциал.

«Тяжелая вода» применяется:

В продолжение темы, важно отметить, что существуют также и другие виды тяжелой воды — Полутяжелая вода, Сверхтяжелая и Тяжёлокислородные изотопные модификации воды, с которыми вы можете ознакомиться самостоятельно или в следующих наших публикациях.

Тяжёлая вода и жизнь

Тяжелая вода, в отличие от h3O, угнетает все живое. Часто ее называют – Мертвой водой. В ее присутствии все биологические процессы, как минимум, замедляются. В том числе, например, замедляется или прекращается размножение микробов и бактерий. Как уже говорилось выше, «тяжелая вода» содержится во всех обычных водах, с которыми человек, вольно или невольно, соприкасается в жизни – в речных водах, морских, озерных, грунтовых, атмосферных осадках … Интересно отметить, что например, дождь содержит тяжелой воды заметно больше чем снег.

Некоторые исследователи полагают, что употребление избыточного количества «тяжелой воды» способствует старению, а регулярное превышение нормы приводит к тяжелым заболеваниям. Поэтому контроль уровня «тяжелых вод» является жизненно важным. Необходимо знать, что механические фильтры не очищают воду от  «тяжелой воды».

Это особо важно учитывать при использовании фильтров обратного осмоса и в первую очередь при опреснении морской воды, поскольку уровень «тяжелой воды» в морской воде, как правило, превышает норму. Известны случаи, когда целые регионы стали жертвами «незнания» этого факта. Люди, проживавшие в этих регионах, регулярно использовали опресненную методом обратного осмоса морскую воду, вследствие чего многие жители заболели тяжелыми болезнями.

Один из методов уменьшения концентрации тяжелой воды в питьевой воде, мы рассматривали в статье «Талая вода, приготовление в домашних условиях».

Понимая, что в природе нет ничего лишнего, можем утверждать, что тяжелая вода требует от нас особого адекватного отношения, внимания и дальнейшего изучения. Ее потенциал, как говорится, «налицо» и вероятно будет реализован в будущем и возможно в ближайшем.

[1] По материалам — О. В. Мосин «Все о дейтерии и тяжелой воде».

Тяжёлая вода — ее свойства, жизнь и энергия будущего

ДАТА СОЗДАНИЯ ПУБЛИКАЦИИ: Дек 25, 2014 16:24 Waterman

Тяжелая вода: свойства и применение

Мало кто знает, что воду подразделяют на простую и тяжелую. Последняя не имеет запаха, цвета или вкуса, поэтому ее трудно распознать. Главные отличия — это содержание изотопов вместо атомов водорода и, конечно же, свойства. Открыта тяжелая вода (оксид дейтерия) была Гарольдом Юри, имеет формулу 2Н2О. Сразу стоит сказать, что она слаботоксична и способна вызвать серьезные нарушения в организме. Например, у 25% животных провоцирует бесплодие (при повышенном содержании дейтерия возможна смерть), но для человека относительно безопасна.

Тяжелая вода

В 1931 году Гарольд Юри впервые обнаружил тяжелую воду, однако через год Гилберт Ньютон Льюис получил чистую тяжеловодородную воду. Именуют ее нередко окисью дейтерия, имеет формулу D20. Если сравнивать с водородом, то дейтерий в 2 раза тяжелее (молекулярная масса простой воды равняется 18 г/моль), и именно это объясняет почему же дейтериевую воду d2o называют тяжелой водой.

Сразу хочется развеять один из мифов. Многие уверены, что при длительном кипячении в воде повышается концентрация дейтерия и может привести к последствиям при употреблении. К счастью, это всего лишь миф, так как концентрация настолько мала, что не вредит человеку.

Если посмотреть на простую и тяжелую воду, то провести сравнение свойств на глаз легкой и тяжелой воды невозможно. Организм же человека явно ощущает разницу между двумя жидкостями. После употребления последней замедляется метаболизм, при накоплении дейтерия возможно торможение обменных процессов и развитие необратимых последствий. Одно из них — образование злокачественных опухолей. Легкая вода человеку необходима, ведь она питает клетки и обеспечивает им антиоксидантную защиту.

Даже с точки химического состава между двумя жидкостями практически нет разницы. Обе выделяют водород, одинаково разлагаются при электролизе и имеют один и тот же состав. Однако физические свойства кардинально отличаются: температура кипения и замерзания, упругость пара, плотность, время разложения при электролизе — все это отличает тяжелую воду от простой.

Свойства тяжелой воды

Ученые множество лет изучали данный вопрос и выявили: легкая кардинально отличается от свойств тяжелой воды. Практически все из них утверждают, что такая жидкость непригодна для живых организмов. Рыбы, черви, микробы в ней не смогут жить, а животные погибнут после употребления. Кроме того, даже аэробные растения не могут выживать в ней. Основные свойства:

Растворить соли в ней гораздо труднее, чем в питьевой жидкости. Кроме того, жесткая вода не способна поглощать нейтроны. Существовать могут в ней только водоросли и бактерии. Для человека сверхтяжелая водав минимальных объемах практически безопасна и быстро выводится из организма, плюс ко всему она содержится в обычной в небольшой концентрации.

Где применяется тяжелая вода

Довольно долго после открытия было непонятно куда и как можно применять тяжелую воду. Несколько десятилетий исследований все-таки привели к тому, что D20 стали использовать в промышленных и научных целях. Список огромен, но самыми основными считают следующие сферы:

Например, тяжелая вода предотвращает размножение грибов и бактерий, что необходимо в медицине. Увеличение концентрации дейтерия до 50% приведет к антимутагенным свойствам, а это ускоряет половое созревание у человека и рост биологической массы.

Многолетние исследования и опыты на мышах с раковыми опухолями привели к следующему результату. Болезнь действительно отступала после применения жесткой воды, однако подопытный умирал. Употребление жидкости животными приводит к разрушению органов мочеполовой системы и нарушению обмена веществ. Если дозировка дейтерия превышает норму в несколько раз, то организм погибает. Нередко жесткую воду называют мертвой ведь она тормозит все биологические процессы.

Есть и положительная сторона применения тяжелой воды. Небольшой объем (до 20-25%) увеличивает вес животных и улучшает приплод, например, куры начинают нести больше яиц. Человек сталкивается с мертвой водой, как минимум, несколько раз в год. Реки, моря, озера, осадки — все это содержит определенное количество дейтерия. Удивительный факт: в дожде сверхтяжелая вода содержитсяв более высокой концентрации, чем в снегу.

Необходимо различать и контролировать жесткость воды, иначе не избежать последствий. Превышение концентрации приводит к преждевременному старению (это касается не только красоты, но и всего организма в целом) и даже развитию онкологических заболеваний. Как правило, это касается регионов, где используются для очистки фильтры обратного осмоса или опреснение морской воды. Иногда процент заболеваемости в таких местах превышает показатели ближайших регионов.

Пока науке не до конца понятно, стоит ли окончательно избавляться от дейтерия и как это вообще сделать. Не исключено, что жидкость в скором времени будут использовать в виде нового источника энергии. К удивлению, многих, есть не только простая и тяжелая вода. Ученые выделяют полутяжелую и сверхтяжелую жидкости, а также различные модификации изотопов.

Тяжелая вода была открыта почти 90 лет назад. Все это время ученые продолжают изучать ее и искать ответы на многие вопросы, касающиеся свойств, сферы применения и опасности жидкости. Точно можно сказать, что она отличается от обычной несколькими характеристиками, но при этом ее невозможно отличить по вкусу или запаху.

Тяжёлая вода - это... Что такое Тяжёлая вода?

Тяжёлая вода Общая информация Свойства
Другие названия оксид дейтерия
Формула D2O
Молярная масса 20,04 г/моль
В твёрдом виде лёд
Вид прозрачная жидкость без цвета, вкуса и запаха
Номер CAS [7732-20-0]
Плотность и фазовое состояние 1104,2 кг/м³, жидкость 1017,7 кг/м³, твёрдая (при н. у.)
Растворимость Малорастворима в диэтиловом эфире; Смешивается с этанолом; C обычной водой смешивается

в любых пропорциях.

удельная теплоёмкость 4,105 кДж/К·кг
Точка плавления 3,81 °C (276,97 K)
Точка кипения 101,43 °C (374,55 K)
Константа диссоциации кислоты (pKa)
Вязкость 0,00125 Па·с (0,0125 пз) при 20 °C

Тяжёлая вода́ (также оксид дейтерия) — обычно этот термин применяется для обозначения тяжёловодородной воды. Тяжёловодородная вода имеет ту же химическую формулу, что и обычная вода, но вместо атомов обычного лёгкого изотопа водорода (протия) содержит два атома тяжёлого изотопа водорода — дейтерия. Формула тяжёловодородной воды обычно записывается как D2O или 2h3O. Внешне тяжёлая вода выглядит как обычная — бесцветная жидкость без вкуса и запаха.

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.

Свойства

Свойства тяжёлой воды
Молекулярная масса 20,03 а.е.м.
Давление паров 10 мм. рт. ст. (при 13,1 °C), 100 мм. рт. ст. (при 54 °C)
Показатель преломления 1,32844 (при 20 °C)
Энтальпия образования ΔH −294,6 кДж/моль (ж) (при 298 К)
Энергия Гиббса образования G −243,48 кДж/моль (ж) (при 298 К)
Энтропия образования S 75,9 Дж/моль·K (ж) (при 298 К)
Мольная теплоёмкость Cp 84,3 Дж/моль·K (жг) (при 298 К)
Энтальпия плавления ΔHпл 5,301 кДж/моль
Энтальпия кипения ΔHкип 45,4 кДж/моль
Критическое давление 21,86 МПа
Критическая плотность 0,363 г/см³

Нахождение в природе

В природных водах один атом дейтерия приходится на 6400 атомов протия. Почти весь он находится в составе молекул полутяжёлой воды DHO, одна такая молекула приходится на 3200 молекул лёгкой воды. Лишь очень незначительная часть атомов дейтерия формирует молекулы тяжёлой воды D2O, 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)[1] 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[1]. 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 до 1,7 г дейтерия на кг веса пациента[2].

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 (ориентировочно 19 долларов за грамм в 2012 году[3]).

Среди населения бытует миф о том, что при длительном кипячении природной воды концентрация тяжёлой воды в ней повышается, что якобы может вредно сказаться на здоровье[источник не указан 535 дней]. В действительности же реальное повышение концентрации тяжёлой воды при кипячении ничтожно (менее процента[источник не указан 640 дней]) и к тому же, как сказано выше, тяжёлая вода практически не ядовита[источник не указан 535 дней]. Гораздо сильнее сказывается на вкусе и свойствах воды при кипячении повышение концентрации растворённых солей, переход в раствор веществ из стенок посуды и термическое разложение органических примесей.

Получение

Стоимость производства тяжёлой воды определяется затратами энергии. Поэтому при обогащении тяжёлой воды применяют последовательно разные технологии — вначале пользуются технологиями с бо́льшими потерями тяжёлой воды, но более дешёвыми, а в конце — более энергозатратными, но с меньшими потерями тяжёлой воды.

С 1933 по 1946 годы единственным применявшимся методом обогащения был электролиз. В последующем появились технологии ректификации жидкого водорода и изотопного обмена в системах водород — жидкий аммиак, водород — вода и сероводород — вода. Современное массовое производство во входном потоке использует воду, дистиллированную из электролита цехов получения электролитического водорода, с содержанием 0,1—0,2 % тяжёлой воды.

На первой стадии концентрирования применяется двухтемпературная противоточная сероводородная технология изотопного обмена, выходная концентрация тяжёлой воды 5—10 %. На второй — каскадный электролиз раствора щёлочи при температуре около 0 °C, выходная концентрация тяжёлой воды 99,75—99,995 %.

Применение

Важнейшим свойством тяжёловодородной воды является то, что она практически не поглощает нейтроны, поэтому используется в ядерных реакторах для торможения нейтронов и в качестве теплоносителя. Она используется также в качестве изотопного индикатора в химии, биологии и гидрологии. В физике элементарных частиц тяжёлая вода используется для детектирования нейтрино; так, крупнейший детектор солнечных нейтрино SNO (Канада) содержит 1000 тонн тяжёлой воды.

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, D2O и h3O (в пропорции примерно 2:1:1). Это замечание справедливо и для THO и TDO.

Сверхтяжёлая вода

Основная статья: Сверхтяжёлая вода

Сверхтяжёлая вода содержит тритий, период полураспада которого более 12 лет. По своим свойствам сверхтяжёлая вода (T2O) ещё заметнее отличается от обычной: кипит при 104 °C, замерзает при +9 °C и имеет плотность 1,21 г/см³.[4] Известны (то есть получены в виде более или менее чистых макроскопических образцов) все девять вариантов сверхтяжёлой воды: THO, TDO и T2O с каждым из трёх стабильных изотопов кислорода (16O, 17O и 18O). 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 16O заменён одним из тяжёлых стабильных изотопов 17O или 18O. Тяжёлые изотопы кислорода существуют в природной смеси, поэтому в природной воде всегда есть примесь обеих тяжёлокислородных модификаций. Тяжёлокислородная вода, в частности, 1h318O, используется в ранней диагностике онкологических заболеваний[источник не указан 994 дня].

Общее число изотопных модификаций воды

Если подсчитать все возможные нерадиоактивные соединения с общей формулой Н2О, то общее количество возможных изотопных модификаций воды всего девять (так как существует два стабильных изотопа водорода и три — кислорода):

С учётом трития их число возрастает до 18:

Таким образом, кроме обычной, наиболее распространённой в природе «лёгкой» воды 1h316O, в общей сложности существует 8 нерадиоактивных (стабильных) и 9 слаборадиоактивных «тяжёлых вод».

Всего же общее число возможных «вод» с учётом всех известных изотопов водорода (7) и кислорода (17) формально равняется 476. Однако распад почти всех радиоактивных изотопов водорода и кислорода происходит за секунды или доли секунды (важным исключением является тритий, период полураспада которого более 12 лет). Например, все более тяжёлые, чем тритий, изотопы водорода живут порядка 10−20 с; за это время никакие химические связи просто не успевают образоваться, и, следовательно, молекул воды с такими изотопами не бывает. Радиоизотопы кислорода имеют периоды полураспада от нескольких десятков секунд до наносекунд. Поэтому макроскопические образцы воды с такими изотопами получить невозможно, хотя молекулы и микрообразцы могут быть получены. Интересно, что некоторые из этих короткоживущих радиоизотопных модификаций воды легче, чем обычная «лёгкая» вода (например, 1h315O).

См. также

Примечания

Тяжелая вода, бассейны у АЭС – чем опасны для окружающей среды?

Любая жизнь на нашей планете неразрывно связана с водой, которая до середины 19 века считалась простым элементом, и только позже оказалось, что вода – это химическое соединение. Человечество регулярно потребляет миллиарды литров. С потреблением некачественной воды медики связывают более 50% всех заболеваний. В прозрачной на вид жидкости содержатся десятки химических и органических веществ. Одни из них обязательны для нашего здоровья, а другие приводят к проблемам со здоровьем.

Присутствие ряда примесей можно определить с помощью органолептических показателей: запаха, вкуса и внешнего вида, но такие опасные примеси, как нитраты, тяжелые металлы и радиоактивные элементы невозможно почувствовать. Они постепенно накапливаются в организме, но выявить их присутствие могут только специальные анализы и исследования.

Ряд вредных для живого мира соединений присутствует в окружающей среде в мизерных количествах и не могут навредить. К сожалению, некоторые из них нашли применение в промышленной отрасли, поэтому их научились синтезировать искусственно. Например, тяжелая вода, которая нашла применение в ядерной энергетике, отрасли, которая относится к самым опасным.

Что такое тяжелая вода и сколько она весит?

По химической формуле тяжелая вода не отличается от обычной, но вместо двух простых атомов водорода, в ее состав входят атомы дейтерия – его тяжелого изотопа. Всего подобных комбинаций воды насчитывается около 50, а теоретически – больше 100. Тяжелую воду обозначают D2O или 2h3O. Ее органолептические показатели ничем не отличаются от простой воды.

Существование дейтерия прогнозировал известный ученый Э. Резерфорд. Впервые молекулы тяжеловодородной воды заметил и описал в начале 1930-х американец Гарольд Юри. Исследователь нашел их в осадке, образовавшемся после выпаривания простой воды. За свое открытие химик получил Нобелевскую премию.

Ключевая особенность тяжелой воды в том, что она практически не поглощает нейтроны. Это качество позволило использовать ее для торможения нейтронов в ядерных реакторах и в качестве теплоносителя. Также ее применяют как изотопный индикатор в биологии и химии

В лабораторных условиях ее синтезировал в 1933 году Гильберт Льюис с помощью электролиза. В природе соотношение между молекулами обычной и тяжелой водой в природных условиях 1/5500. Некоторое количество дейтерия находится в составе полутяжелой воды HDO – в ней только один атом водорода заменяется дейтерием.

После определения полезных качеств тяжелой воды началось ее промышленное производство. Первое предприятие этого направления «Норск-Гидро» заработало в Норвегии в 1934году. Суть производства сводилась к расщеплению легкой воды с помощью электролиза. С тяжелой водой связаны несколько эпизодов Второй мировой войны. С подачи ядерщика Ф. Жолио-Кюри Франция закупила весь мировой запас в объеме еще до боевых действий. Во время оккупации Норвегии в Германию было ввезено 500 кг тяжелой воды. Чтобы предотвратить создание ядерной бомбы диверсионная бригада подорвала завод, который был впоследствии восстановлен немцами.

Как тяжелая вода влияет на живые организмы

Вместе с производством и применением в ядерной энергетике начались исследования воздействия больших количеств тяжелой воды на живые организмы. Она играет значительную роль в протекании биологических процессов. В реальных условиях концентрации тяжелой воды сверхнизкие и вероятность потребления отравляющего количества невозможна.

Тяжелая вода имеет токсичный статус. После экспериментов над животными ученые получили следующие результаты:

Снижение концентрации дейтерия в питьевой воде дало отличные результаты – увеличивалась численность и качество потомства, пшеница созрела раньше с повышенной урожайностью. Эти результаты стали основой теории, что исключение дейтерия станет путем к существенному продлению жизни

Независимые исследования однозначно доказали, что тяжелая вода отрицательно влияет на флору и фауну, хотя клетки бактерий, водорослей, грибов и растений успешно адаптируются к жизни с тяжелой водой. Время привыкания зависит от вида живого организма. Рекордсменами считаются чайный гриб 1 сутки и хлорелла – 6 суток. Наблюдается прямая зависимость, чем сложнее объект, тем дольше идет процесс адаптации к тяжелой воде, ее можно считать прототипом мертвой воды из сказок.

Как человек реагирует на потребление тяжелой воды

В нашем теле содержится около 75% воды. Если исходить из данных, что 1000 л воды содержится 150 мл тяжелой, то получается, что за свою жизнь человек выпивает максимум 15 л воды дейтериевой воды. Содержание дейтерия в природных условиях зависит от климатических особенностей зоны. Например, глобальное потепление увеличивает концентрации изотопа. Из-за разности температур испарения в жарких странах тяжелой воды больше, чем в умеренных и холодных широтах.

Каждый живой организм – это набор сбалансированных химических реакций. Он способен самостоятельно противостоять заболеваниям, обновлять клетки и регулировать метаболизм. Как только наступает сбой, появляются проблемы со здоровьем. Тяжелая вода замедляет биохимические процессы, что несовместимо с жизнью большинства растений и животных. Последствия определяются исходным содержанием дейтерия в организме, периодом и количеством употребления дейтериевой воды. Среди стабильных изотопов, он имеет наиболее выраженное влияние на все живое. Его атомы идентичны водороду и могут его замещать в клетках, в том числе и в молекулах РНК и ДНК. В биологическом плане – это неравноценная замена.

Был период, когда отрицательное и замедляющее действие дейтерия пытались использовать для лечения опухолей. Итог эксперимента – опухоли уменьшались, но лабораторные мыши погибли. Дейтерий не может продлевать жизнь.

По количеству в человеческом организме дейтерий в атомных процентах стоит на 12 месте и относится к категории микроэлементов. Выходит превышение потребления – вред, а полное изъятие – непредсказуемые последствия

Отравление тяжелой водой

Тяжелая вода опасна только при потреблении в больших количествах и регулярно. Стоимость оборудования и производства высока, поэтому шанс попасть на разлив в повседневной жизни маловероятен. Исключение представляют территории населенных пунктов вокруг атомных электростанций, где она используется. Проходя по трубам, вода вбирает остаточные следы радиоактивных веществ, и становится ядовитой.

Более опасным изотопом считается тритий. Исследования показали, что, несмотря на меры безопасности, он медленно, но уверенно распространяется вокруг АЭС, отравляя водоемы и колодцы. По идее, тяжелая вода должна циркулировать только в пределах закрытого контура, но в охлаждающих бассейнах для ускорения остывания используется разбрызгивание, при котором часть водной пыли и капель уносится за пределы порывами ветра.

Самым популярным методом очистки тяжелой воды в домашних условиях считается охлаждение с последующей фильтрацией кристалликов льда. Дейтериевая вода замерзает при 3,8 градусах, поддерживая ее можно добиться кристаллизации дейтериевой воды с последующим отцеживанием. К сожалению, проверить результативность подручными средствами невозможно, а для реальной очистки тяжелой воды используется изотопный обмен, электролиз, ректификация, вакуумная заморозка – методы, которые доступны только в специализированных лабораториях.

Осторожно, тяжелая вода!

М. АДЖИЕВ

Тяжелая вода очень дорога и дефицитна. Однако если удастся найти дешевый и практичный способ ее получения, то области применения этого редкого пока ресурса заметно расширятся. Могут открыться новые страницы в химии, биологии, а это новые материалы, неизвестные соединения, может быть, и неожиданные формы жизни.

Рис. 1. Молекулы воды прочно связаны друг с другом и образуют устойчивую молекулярную конструкцию, которая сопротивляется любым внешним воздействиям, в частности тепловым. (Именно поэтому, чтобы превратить воду в пар, нужно подвести к ней много тепла). Молекулярная конструкция воды скреплена каркасом из особых квантово-механических связей, названных в 1920 году двумя американскими химиками Латимером и Родебушем водородными. Все аномальные свойства воды, включая необычное поведение при замерзании, объясняются с точки зрения концепции водородных связей.

Вода в природе бывает нескольких «сортов». Обычная, или протиевая (Н2О). Тяжелая, или дейтериевая (D2O). Сверхтяжелая, или тритиевая (Т2О), но ее в природе почти нет. 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. При этом дейтериевых «вкраплений» окажется очень немного – примерно 150 граммов на тонну. 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 – D2O 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 D2O совсем иные, чем у Н20 – ее постоянного спутника. 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. Дейтерий образуется из протия вследствие захвата им нейтрона космического излучения. Мировой океан, ледники, атмосферная влага – вот природные «фабрики» тяжелой воды.

Рис. 2. Зависимость плотности обычной и тяжелой воды от температуры. 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. Во всяком случае, физика не запрещает появления участков твердой фазы с повышенным содержанием дейтерия. Такому «тяжелому» льду на диаграмме соответствует заштрихованный участок. Если бы вода была «нормальной», а не аномальной жидкостью, то зависимость плотности от температуры имела бы вид, показанный пунктирной линией.

Итак, поскольку есть заметная разница в плотности между D2O и Н2О, 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. А как известно, окружающая среда наиболее «контрастна» в высоких широтах планеты.

Но к настоящему времени сложилось мнение, что воды высоких широт бедны дейтерием. Поводом к этому стали результаты исследований проб воды и льда из Большого Медвежьего озера в Канаде и из других северных водоемов. Обнаружились также колебания в содержании дейтерия по сезонам года – зимой, например, в реке Колумбия его меньше, чем летом. Эти отклонения от нормы связывались с особенностями распределения атмосферных осадков, которые, как принято предполагать, «разносят» дейтерий по планете.

Похоже, что никто из исследователей сразу не заметил скрытого противоречия в этом утверждении. Да, атмосферные осадки влияют на распределение дейтерия по водоемам планеты, однако они никак не влияют на глобальный процесс образования дейтерия!

Когда на Севере наступает осень, в реках начинается быстрое остывание водной массы, которое убыстряется под воздействием вечной мерзлоты, одновременно идет ассоциация молекул h3O. 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 Н2О, чтобы, как говорят физики, произошел фазовый переход?

Можно допустить, что рыхлый лед представляет собой обогащенные концентрации тяжелой воды. Кстати, если это так, то нужно помнить, что тяжелая вода не отличима 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.

«Механизм» фазового перехода D2O в реке очень напоминает тот, что используется химиками в так называемых кристаллизационных колоннах. Только в северной реке «колонна» растянута на сотни километров и не столь контрастна по температурному режиму.

Если же иметь в виду, что через центры кристаллизации в реке за короткое время проходят сотни и тысячи кубических метров воды, из которых превращается в лед – намораживается – пусть тысячная доля процента, то и этого достаточно, чтобы говорить о способности тяжелой воды концентрироваться, то есть образовывать месторождения.

Только присутствием таких концентраций можно объяснить тот доказанный факт, что зимой в северных водоемах процентное содержание дейтерия заметно уменьшается. Да и полярные воды, как показывают пробы, тоже бедны дейтерием, и в Арктике, вполне вероятно, есть районы, где плавают в основном только льдины, обогащенные дейтерием, – ведь рыхлый донный лед появляется первым и тает последним.

Больше того, как показали исследования, ледники и льды высоких широт в целом богаче тяжелыми изотопами, чем воды, омывающие льды. Например, в Южной Гренландии, в районе станции «Дай-3», выявлены изотопные аномалии на поверхности ледников, и происхождение таких аномалий пока не объяснено. Значит, могут встретиться и льдины, обогащенные дейтерием. Дело, как говорится, за малым – нужно найти эти пока еще гипотетические месторождения тяжелой воды.

Об авторе:

М. АДЖИЕВ, географ.

Источники информации:

Дата публикации:

6 сентября 2000 года

Электронная версия:

© НиТ. Cтатьи, 1997

ТЯЖЁЛАЯ ВОДА

АБВГДЕЖЗИКЛМНОПРСТУФХЦЧШЩЭЮЯ

ТЯЖЁЛАЯ ВОДА, оксид дейтерия D2O с кислородом прир. изотопного состава; мол. м. 20,02760; бесцв. жидкость без запаха и вкуса. Оксид водорода прир. изотопного состава с тяжелым изотопом 18O наз. тяжелокислородной водой, мол.м. 20,0157. Оксид протодейтерия HDO имеет мол. м. 19,02140. В смесях D2O с h3O с большой скоростью протекает изотопный обмен h3O + D2O 2HDO с константой равновесия К, близкой к 4,0 при 300-400 К. Поэтому дейтерий при малом содержании присутствует в воде почти целиком в форме HDO, а при высоком - в форме D2O. Для газа D2O -249,200 кДж/моль, HDO -245,270 кДж/моль; отношение значений D2Oж и Н2ОЖ 1,027 (ж - жидкость); для D2жx С°р 84,31 Дж/(моль·К), -294,60 кДж/моль, 75,90 Дж/(моль·К); энергия разрыва связей (кДж/моль) при 298,15 К для D2O ODо + Dо 508,276; HDO ОНо +Dо 506,184 и HDOODо + Hо 500,323 (для h3O 498,7 кДж/моль). Строение молекул D2O такое же, как молекул h3O, с очень малым различием в значениях длин связей и углов между ними. Для конденсир. состояния характерна водородная связь.

В поверхностных водах отношение D/(H+D)=(1,32-1,51)-10-4, в прибрежной морской воде D/(H + D) = = (1,55 - 1,5 6)·10 , по международному стандарту воды SMOW (Standard Marine Ordinary Water) D/H= 1,5576·10-4. Для прир. вод СНГ чаще всего характерны отрицат. отклонения от SMOW на (1,0 — 1,5) · 10-5, в отдельных случаях до (6,0-6,7)·10-5, встречаются положит, отклонения до 2,0·10-5. В условном пересчете на D2O (в прир. воде дейтерий содержится в форме HDO) прир. содержание тяжёлой воды в воде принимают равным 0,0145 - 0,0146 мол. %.

Свойства. Для тяжёлой воды т. кип. 101,44 0C, т.пл. 3,823 0C; tкрит 643,89 К, pкрит 21,66 МПа, критич. молярный объем 56,1 см3; DH0исп 45,391 кДж/моль, DH0пл 6,01 кДж/моль; плотн. при 20 0C 1,10539 г/см3, приведенная к воде1,10735, макс. плотн. 1,10602 г/см3 при 11,24 0C; скорость звука в тяжёлой воде 1386 м/с (20 0C); 67,8 мН/м (20 0C), для смесей Отношение значений уд. теплопроводности D2O и h3O:

Для тяжелого льдапри 270 К 44,128 Дж/(моль·К). Отношение значений паров D2O и h3O в интервале 353-403 К в среднем равно 1,06. Коэф. самодиффузии при 318,15 K DD2о 2,979·10-9 м2/с. Коэф. диффузии изотопных форм воды:

Кристаллы D2O имеют такую же структуру, как и кристаллы обычного льда, различие в размерах элементарной ячейки очень мало (0,1%). Изменение объема при плавлении тяжелого льда 1,57 см3/моль (0,97 значения изменения объема для h3O). Молярный объем твердой D2O при 273,15 К ~ 19,670 см3. См. также табл. 1, 2.

T а б л. 1. - СВОЙСТВА ТЯЖЕЛОЙ ВОДЫ И ЕЕ НАСЫЩЕННОГО ПАРА

Табл. 2.- ПОЛОЖЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПОЛОС ПОГЛОЩЕНИЯ В ИK СПЕКТРЕ, см-1

Антисимметричные валентные

Тяжёлая вода менее летуча, чем h3O. Отношение значений давления паров h3O и D2O в интервале 277-387 К: ln= -70,87/T+ 33630/Т2.

Это отношение с ростом т-ры уменьшается до 1 при 498 К, при т-рах выше 498 К D2O становится более летучей, чем h3O.

Давление пара HDO= . При постоянной т-ре козф. разделения жидкость - пар для смеси h3O + D2O и не зависит от соотношения D/H; = 1,026 (373 К), 1,053 (323 К). Смеси h3O + D2O практически ведут себя как идеальные р-ры.

Отношение значений давления паров D2O и h3O над твердой фазой в интервале 243-273 К Ig = 0,0376 — 35,65/Г. Давление пара тяжёлой воды над кристаллогидратами солей на 10-20% ниже по сравнению с h3O. Показатель преломления тяжёлой воды 1,328300, молярная рефракция R 3,679, поляризуемость 1,45962·0-24 см3 при 293,15 К и длине волны 589,3 HM.

Р-римость, а также растворяющая способность D2O, как правило, ниже, чем у h3O, хотя известны и обратные эффекты. Так, р-римость в D2O ниже, чем в h3O, у сулемы при 0 0C на 42%, K2Cr2O7 при 5 0C на 33,5%, K2SO4 при 25 0C на 20,5%. Р-римость D2O в орг. жидкостях по сравнению с h3O снижается при 25 0C в триэтиламине на 30%, CS2 на 21,0%, бензоле на 17%, CHCl3 на 15%, хлорбензоле на 12%. Наблюдается также изменение критич. т-ры растворения, напр.: в системе C3H7COOD - D2O на 22,4 К, C6H5OD - D2O на 19,9 К.

Тяжёлая вода слабее ионизирована, чем h3O. Константа ионизации D2O при 298,15 К lg K=-14,71. Значения e (78,06 при 298,15 К), дипольного момента (6,24·10-30 Кл·м) и диамагнитной восприимчивости (при 293,15 К -1,295·10-5) D2O почти не отличаются от тех же величин для h3O. Подвижность ионов D3O+ в одной и той же среде на 28,5% ниже, чем у h4O+, a OD- - на 39,8% ниже, чем у ОН-. Для мн. др. ионов различие подвижностей в среде h3O и D2O составляет ок. 18%. Константа диссоциации слабых к-т и оснований снижается в D2O по сравнению с h3O, напр.: для уксусной к-ты 0,51·10-5 в D2O и 1,7·10-5 в h3O, для бензойной к-ты соотв. 1,95·10-5 и 6,09·10-5.

Большая прочность связи D — О, чем H — О, обусловливает различия в кинетике р-ций тяжёлой воды и воды. Протолитич. р-ции и биохим. процессы в D2O значительно замедлены. Однако существуют и такие р-ции, скорость к-рых в тяжёлой воде выше, чем в h3O. В осн. это р-ции, катализируемые ионами D+ и H+ или OD- и OH-.

Получение. Тяжёлая вода для ядерной техники должна иметь концентрацию не менее 99,81 молярных % D2O. Совр. мировое произ-во составляет неск. тысяч т в год. Осн. страны-производители - Канада, США, Индия, Норвегия. Получают тяжёлую воду выделением из воды или водорода с естеств. изотопным составом. Ввиду малости коэф. разделения и низкого содержания в сырье произ-во тяжёлой воды разделяют на 2 стадии - начальное концентрирование (от прир. концентрации до 5-10% в пересчете на D2O) и конечное концентрирование (от 5-10% до 99,8% D2O). Осн. пром. способы на первой стадии: изотопный обмен между водой и h3S в двух-, трехступенчатой каскадной системе противоточных колонн по двухтемпера-турной схеме (см. Изотопов разделение); многоступенчатый электролиз воды в сочетании с каталитич. изотопным обменом между водой и h3; низкотемпературная ректификация жидкого h3 с послед, сжиганием D2 с O2; изотопный обмен между h3 и Nh4 в присут. KNh3 и др. Для конечного концентрирования тяжёлой воды в осн. используют ректификацию воды под вакуумом или электролиз.

Для определения концентрации D2O в воде используют денсиметрию (пикнометрич., поплавковый и капельный методы), катарометрию (по изменению теплопроводности), рефрактометрию, ИК спектроскопию, масс-спектрометрию и др. методы.

Применение. Тяжёлая вода - лучший замедлитель нейтронов; коэф. замедления нейтронов 5700, поперечное сечение захвата тепловых нейтронов 0,46·10-30 м2 (для воды соответствующие величины 61 и 0,33·10-28 м2). Поэтому тяжёлую воду применяют гл. обр. в качестве замедлителя нейтронов и теплоносителя в энергетич. и исследовательских ядерных реакторах на тепловых нейтронах (тяжеловодные реакторы). Перспективно использование тяжёлой воды как источника D2 для термоядерного синтеза. Тяжёлая вода - источник дейтронов в ускорителях частиц, изотопный индикатор, р-ритель в спектроскопии ЯМР.

Тяжёлая вода - яд, т. к. замедляет биол. процессы, действует угнетающе на живые организмы.

Тяжёлая вода открыта в 1932 Г. Юри, Ф. Брикведде и Дж. Мёрфи, впервые получена в чистом виде и изучена в 1933 Г. Льюисом и P. Макдональдом.

Лит.: Киrшенбаум И., Тяжелая вода. Физические свойства и методы анализа, пер. с англ., M., 1953; Шатенштейн А.И., Изотопный анализ воды, 2 изд., М., 1957; Казавчинский Я. 3. [и др.], Тяжелая вода, тепло-физические свойства, M.-Л., 1963; Андреев Б.M., Зельвенский Я.Д., Катальников С. Г., Тяжелые изотопы водорода в ядерной технике, M., 1987. Я. Д. Зельвенский.

АБВГДЕЖЗИКЛМНОПРСТУФХЦЧШЩЭЮЯ

Еще по теме:


Смотрите также




© 2012 - 2020 "Познавательный портал yznai-ka.ru!". Содержание, карта сайта.