Тяжёлая вода
Тяжёлая вода (оксид дейтерия) — имеет ту же химическую формулу, что и обычная вода, но вместо атомов водорода содержит два тяжёлых изотопа водорода — атомы дейтерия. Формула тяжёловодородной воды обычно записывается как: D2O или 2H2O. Внешне тяжёлая вода выглядит как обычная — бесцветная жидкость без вкуса и запаха.
По своим свойствам тяжелая вода заметно отличается от обычной воды. Реакции с тяжелой водой протекают медленнее, чем с обычной, константы диссоциации молекулы тяжёлой воды меньше таковых для обычной воды.
Молекулы тяжёловодородной воды были впервые обнаружены в природной воде Гарольдом Юри в 1932 году году. А уже в 1933 году Гильберт Льюис получил чистую тяжёловодородную воду путём электролиза обычной воды.
В природных водах соотношение между тяжёлой и обычной водой составляет 1:5500 (в предположении, что весь дейтерий находится в виде тяжёлой воды D2O, хотя на самом деле он частично находится в составе полутяжёлой воды HDO).
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 показали, что замещение 25% водорода в тканях дейтерием приводит к стерильности, более высокие концентрации приводят к быстрой гибели животного. Однако некоторые микроорганизмы способны жить в 70%-ной тяжёлой воде) (простейшие) и даже в чистой тяжёлой воде (бактерии). Человек может без видимого вреда для здоровья выпить стакан тяжёлой воды, весь дейтерий будет выведен из организма через несколько дней. В этом отношении тяжёлая вода менее токсична, чем, например, поваренная соль.
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 200-250 долларов за кг).
Физические свойства обычной и тяжёлой воды
Плотность при 20°C (г/см3)
t° кристаллизации (°C)
Свойства тяжёлой воды
Важнейшим свойством тяжёлой 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 и биологии. В физике элементарных частиц тяжёлая вода используется для детектирования нейтрино; так, крупнейший детектор солнечных нейтрино в Канаде содержит 1 килотонну тяжёлой воды.
Российскими учёными из ПИЯВ разработаны на опытных установках оригинальные технологии получения и очистки тяжелой воды. В 1995 была введена в эксплуатацию первая в России и одна из первых в мире опытно-промышленная установка на основе метода изотопного обмена в системе вода-водород и электролиза воды (ЭВИО).
Высокая эффективность установки ЭВИО дает возможность получать тяжелую воду с содержанием дейтерия > 99,995 % ат. Отработанная технология обеспечивает высокое качество тяжелой воды, включая глубокую очистку тяжелой воды от трития до остаточной активности, позволяющей без ограничений использовать тяжелую воду в медицинских и научных целях. Возможности установки позволяют полностью обеспечить потребности российских предприятий и организаций в тяжелой воде и дейтерии, а также экспортировать часть продукции. За время работы для нужд Росатома и других предприятий России были произведены более 20 тонн тяжёлой воды и десятки килограммов газообразного дейтерия.
Существует также и полутяжёлая (или дейтериевая) вода, у которой только один атом водорода замещен дейтерием. Формулу такой воды записывают так: DHO.
Термин тяжёлая вода применяют также по отношению к воде, у которой любой из атомов заменен тяжёлым изотопом:
• к тяжёлокислородной воде (в ней лёгкий изотоп кислорода 16O замещен тяжёлыми изотопами 17O или 18O),
• к тритиевой и сверхтяжёлой воде (содержащей вместо атомов 1H его радиоактивный изотоп тритий 3H).
Если подсчитать все возможные различные соединения с общей формулой Н2О, то общее количество возможных «тяжёлых вод» достигнет 48. Из них 39 вариантов — радиоактивные, а стабильных вариантов всего девять: Н216O, Н217O, Н218O, HD16O, HD17O, HD18O, D216O, D217O, D218O. На сегодняшний день в лабораториях получены не все варианты тяжёлой воды.
Тяжелая вода играет значительную роль в различных биологических процессах. Российские исследователи давно обнаружили, что тяжелая вода тормозит рост бактерий, водорослей, грибов, высших растений и культуры тканей животных. А вот вода со сниженной до 50% концентрацией дейтерия (так называемая «бездейтериевая» вода) обладает антимутагенными свойствами, способствует увеличению биомассы и количества семян, ускоряет развитие половых органов и стимулирует сперматогенез у птиц.
За рубежом пробовали поить тяжелой водой мышей со злокачественными опухолями. Та вода оказалась по настоящему мертвой: и опухоли губила, и мышей. Различные исследователи установили, что тяжелая вода действует отрицательно на растительные и живые организмы. Подопытных собак, крыс и мышей поили водой, треть которой была заменена тяжелой водой. Через недолгое время начиналось расстройство обмена веществ животных, разрушались почки. При увеличении доли тяжелой воды животные погибали. И наоборот, снижение содержания дейтерия на 25% ниже нормы в воде, которую давали животным, благотворно сказалось на их развитии: свиньи, крысы и мыши дали потомство, во много раз многочисленнее и крупнее обычного, а яйценосность кур поднялась вдвое.
Тогда Российские исследователи взялись за «облегченную» воду. Эксперименты проводили на 3 моделях перевиваемых опухолей: карцинома легких Льюис, быстро растущая саркома матки и рак шейки матки, который развивается медленно. «Бездейтериевую» воду исследователи получали по технологии, разработанной в Институте космической биологии. В основе метода лежит электролиз дистиллированной воды. В опытных группах животные с перевитыми опухолями получали воду с пониженным содержанием дейтерия, в контрольных группах — обычную. Животные начали пить «облегченную» и контрольную воду в день перевивки опухоли и получали ее до последнего дня жизни.
Вода с пониженным содержанием дейтерия задерживает появление первых узелков на месте перевивки рака шейки матки. На время возникновения узелков других типов опухоли облегченная вода не действует. Но во всех опытных группах, начиная с первого дня измерений и практически до завершения эксперимента, объем опухолей был меньше, чем в контрольной группе. К сожалению, хотя тяжёлая вода и тормозит развитие всех исследованных опухолей, жизнь экспериментальным мышам она не продлевает.
И тогда раздались голоса в пользу полного изъятия дейтерия из употребленной в пищу воды. Это привело бы к ускорению обменных процессов в организме человека, а, следовательно, к увеличению его физической и интеллектуальной активности. Но вскоре возникли опасения, что полное изъятие из воды дейтерия приведет к сокращению общей длительности человеческой жизни. Ведь известно, что наш организм почти на 70% состоит из воды. И в этой воде 0,015% дейтерия. По количественному содержанию (в атомных процентах) он занимает 12-е место среди химических элементов, из которых состоит организм человека. В этом отношении его следует отнести к разряду микроэлементов. Содержание таких микроэлементов как медь, железо, цинк, молибден, марганец в нашем теле в десятки и сотни раз меньше, чем дейтерия. Что же случится, если удалить весь дейтерий? На этот вопрос науке еще предстоит ответить. Пока же несомненным является тот факт, что, меняя количественное содержание дейтерия в растительном или животном организме, мы можем ускорять или замедлять ход жизненных процессов.
Источник
Чем дейтериевая вода отличается от обычной?
Формулу воды(H2O) знают даже те, кто почти не учил в школе химию, а вот про ее тяжелую разновидность слышал далеко не каждый. В привычной для нас жидкости содержится 2 атома водорода и 1 кислорода. В типичном состоянии водород содержит только один протон, но также существуют атомы, в которых находится 2 или 3 ядра, их считают изотопами. Химические свойства элемента настолько близки к атому обычного водорода, что он образует такие же молекулы. Поэтому вместо привычной легкой воды существует еще и дейтерия, которая значительно отличается от нее.
Физические свойства
По некоторым параметрам D2O (дейтериевая вода) схожа с обычной жидкостью, но в остальных параметрах они кардинально отличаются. Рассмотрим основные из них:
- Цвет. Тяжелая и легкая вода не отличаются по этому параметру. Во всех состояниях D2O остается прозрачной. Поэтому ее легко перепутать с питьевой жидкостью, особенно если ее налить в кружку или графин. Отличия заметны только по вкусу, в ней как будто присутствует сахар. Изменение цвета у сверхтяжелой воды происходит только при наличии примесей.
- Запах. Вода в сточных водах и D2O не отличаются и по этому критерию. Гнилось, хлористость и другие посторонние примеси говорят о проблемах резервуара, но не о качестве жидкости.
- Температура кипения. У легкой воды этот процесс запускается при 100 °C, а у тяжелой — 101,7 °C. Такие же небольшие отличия есть еще по температуре кристаллизации, разница составляет 3,82 ед.
- Молекулярная масса. При рассмотрении того, какая вода тяжелее, получается, что D2O весит больше, но тоже лишь на 2 ед. Благодаря этому меняется скорость обменных процессов.
- Растворимость. Сверхтяжелая вода быстро перемешивается с этанолом, но соль размешать в ней уже труднее, поэтому для бытовых нужд она не подходит.
Как ее получают?
70 лет назад жидкость добывали только во время электролиза, но по мере развития технологий появился ректификационный водород и изотопный обмен в разных модификациях.
Сейчас на производстве используют метод, во время которого используют жидкость из электролитических цехов. Так появляется водород, а жидкость при этом содержит около 0,2% тяжелой воды. В результате изотопного обмена концентрация повышается до 10%. После этого начинается ступенчатый электролиз с щелочью, там показатель увеличивается до 99%.
Стоимость полученного раствора определяют в зависимости от его чистоты. Дома получить такую жидкость без специального оборудования не удастся.
Где используют?
Когда ученые только обнаружили тяжелую воду и выявили ее основные свойства, они не могли найти применение этому веществу. Оксид дейтерия не использовался 5 лет, после стал очевиден процесс деления ядер, поэтому для жидкости нашли промышленное применение.
Ядерные технологии
Сейчас мнения физиков раздваиваются, поскольку некоторые ученые видят настолько большой потенциал у тяжелой воды, что называют ее топливом будущего. Она уже используется для регулирования термоядерного синтеза, правда вносит в этот процесс свои коррективы.
Из-за высокой перспективности некоторые государства даже контролируют коммерческий оборот и устанавливают свои нормативы. Такие меры оправданы, поскольку иначе возникнет риск создания неконтролируемых установок, которые работают на природном уране.
Лаборатория, медицина
Оксид дейтерия используется во всех отраслях, где становится актуален. В медицине его адаптировали для предотвращения быстрого размножения микроорганизмов, биологи тоже активно пользуются этим свойством. Сейчас тяжелая вода используется еще и в качестве растворителя или индикатора при выполнении анализов.
Полностью влияние D2O на живые организмы все еще не изучено. Некоторые считают, что она действует почти также, как тяжелые металлы в воде. Ученые провели серию экспериментов и обнаружили неоднозначные результаты, которые менялись в зависимости от концентрации тяжелой воды в обычной жидкости:
- 20% — домашний скот активно растет и набирает мышечную массу, а куры больше несутся;
- 50% — живые организмы быстрее развиваются, у них наступает раннее половое созревание;
- 70% — наступает преждевременное старение, ухудшается обмен веществ, появляются опухоли, некоторые органы отказывают.
Ядерные реакторы
Благодаря своим физическим свойствам жидкость способна замедлить нейроны, которые регулируют синтез. Тяжелая вода избавляет от необходимости установки нефритовых стержней, которые опасны из-за радиоактивности и угрозы взрыва. В реакторах элемент используют еще в качестве носителя, который отводит тепло из зоны с цепной реакцией.
Влияние на людей
D2O содержится в атмосфере тысячелетиями, поэтому в небольших количествах она попадает в питьевую воду. В таком виде жидкость не опасна. Проводить эксперименты с повышением ее концентрации не рекомендуется, поскольку даже во время экспериментов с животными еще не удалось достичь стабильного результата.
Иногда люди сравнивают металлы в сточных водах и D2O, но даже по физическим свойствам они отличаются. Тяжелая вода почти не проходит через клеточные мембраны, из-за этого организм быстро угнетается, замедляются химические реакции.
Несколько стаканов высококонцентрированной тяжелой воды не навредят здоровью и самочувствию. Некоторые врачи используют ее для лечения гипертонии. Однако, к этому процессу подходят с осторожностью, поскольку есть высокий риск развития побочных эффектов.
Тяжелые металлы в воде
Некоторые путают жесткую и тяжелую воду, хотя это два совершенно разных понятия. В первом случае подразумевается наличие тяжелых металлов, среди которых железо, марганец, свинец, медь и ртуть.
Очистка воды от тяжелых металлов происходит через фильтры. Методом обратного осмоса или сорбции из жидкости удаляют нежелательные элементы. С тяжелой водой такого сделать не получится. Ни одно очистительное сооружение не справится с этим, поскольку между частицами дейтерия и протия нет существенной разницы.
Тяжелая вода содержится в организме каждого человека и регулярно попадает в питьевую воду. Она широко используется в промышленной отрасли и считается перспективным топливом, но все ее свойства и влияние на живые организмы до конца остаются не изучены.
Источник
