Тяжелая вода это соединение с кислородом

Обычная, тяжёлая, сверхтяжёлая и тяжёлокислородная вода

До XIX века люди считали воду обычным химическим элементом. В 1805 году Александр Гумбольдт и Жозеф Луи Гей-Люссак установили, что вода состоит из молекул, каждая из которых содержит два атома водорода и один кислорода и считалось, что вода — индивидуальное соединение, описываемое единственно возможной формулой.

В 1932 году мир облетела сенсация: кроме воды обычной, в природе существует еще и тяжелая вода. В молекулах такой воды место водорода занимает его тяжелый изотоп — дейтерий.

Тяжелую воду открыли американские физики Гаральд Юри и Эльберт Осборн. В 1933 году американец Герберт Льюис совместно с Ричардом Макдональдом впервые выделили ее в чистом виде.

В небольших количествах тяжелая вода постоянно и повсеместно присутствует в природных водах, которую от обычной воды можно различить лишь по физическим характеристикам. В молекулу тяжелой воды входят атомы не легкого водорода — протия (1H), а его тяжёлого изотопа — дейтерия (2D), атом которого на единицу тяжелее протиевого, а молекулярный вес тяжелой воды на 2 единицы больше: 20, а не 18. Тяжёлая на 10% плотнее обычной, вязкость выше на 23%, кипит при 101,42 oС, замерзает при +3,8 oС.

Содержание тяжелой воды в природных водах не равномерно. Например, в замкнутых водоемах ее больше, поскольку по сравнению с обычной водой она испаряется менее интенсивно.

Тяжелой воды больше в местностях с жарким климатом, на поверхности океана на экваторе и в тропиках. Тяжелая вода конденсируется быстрее, чем легкая. Вблизи полюсов в высоких южных широтах (в Антарктике) океанские воды заметно «легче» и отличаются самым низким содержанием дейтерия на планете. Так же невелика доля дейтерия во льдах Гренландии.

Тяжелая вода в природе находится в небольших количествах — в миллионных долях процента. Преобладает ее разновидность, состав которой выражается формулой HDO. В Мировом океане содержится 1015 тонн HDO.

Тяжелая вода — очень важное промышленное сырье для атомной энергетики, эффективный замедлитель быстрых нейтронов. Так, 1 г дейтерия при термоядерном распаде дает в 10 млн. раз больше энергии, чем 1 г угля при сгорании.

Тяжелая вода действует негативно на жизненные функции организмов; это происходит даже при использовании обычной природной воды с повышенным содержанием тяжелой воды.
Подопытных животных поили водой, 1/3 часть которой была заменена водой состава HDO. Через недолгое время начиналось расстройство обмена веществ животных, разрушались почки. При увеличении доли тяжелой воды животные погибали.

На развитие высших растений тяжелая вода также действует угнетающе; при поливе их водой, на половину состоящей из тяжелой воды, рост прекращается.

Но всё же несмотря на это многие клетки бактерий, растений и водорослей могут быть адаптированы к росту на тяжёлой воде.

Пониженное содержание дейтерия в воде стимулирует жизненные процессы. При потреблении воды с содержанием дейтерия на 25% ниже нормы свиньи, крысы и мыши дали потомство, гораздо многочисленнее и крупнее обычного, яйценоскость кур поднялась вдвое, пшеница созрела раньше и дала более высокий урожай. Это может быть объяснено разницей в плотности и вязкости тяжёлой воды, а также её гидрофобными эффектами.

Позднее, при выяснении фракционного состава воды была обнаружена сверхтяжелая вода Т20. В ее составе место водорода занимает его природный изотоп, еще более тяжелый, чем дейтерий. Это тритий (Т), который в отличие от дейтерия он радиоактивен, атомная масса его равна 3.

Тритий зарождается в высоких слоях атмосферы, где идут природные ядерные реакции. Он является одним из продуктов бомбардировки атомов азота нейтронами космического излучения. Ежеминутно на каждый квадратный сантиметр земной поверхности падают 89 атомов трития.

В небольших количествах сверхтяжелая (тритиевая) вода попадает на Землю в составе осадков. Во всей гидросфере Земли насчитывается лишь около 20 кг Т20. Тритиевая вода распределена неравномерно: в материковых водоемах ее больше, чем в океанах; в полярных океанских водах ее больше, чем в экваториальных. По своим свойствам сверхтяжелая вода еще заметнее отличается от обычной: кипит при 104 oС, замерзает при 4-9 oС, имеет плотность 1,33 г/см3.

Сверхтяжелую воду применяют в термоядерных реакциях. Она удобнее дейтериевой, так как очень удобна в определении.

Перечень изотопов водорода не кончается тритием. В лабораторных условиях ядерного реактора искусственно получены более тяжелые изотопы 4H и 5H, тоже радиоактивные. Учёные предсказали существование молекул воды, в которых содержатся любые из пяти водородных изотопов в любом сочетании.

В природе также существуют и изотопы кислорода. Помимо известного кислорода 16O, существуют еще два природных изотопа кислорода — 17O и 18O. В природных водах в среднем на каждые 10 тысяч атомов изотопа 16O приходится 4 атома изотопа 17O и 20 атомов изотопа 18O.

По физическим свойствам тяжелокислородная вода меньше отличается от обычной, чем тяжеловодородная. Получают ее в основном перегонкой природной воды и используют как источник препаратов с меченым кислородом.

Так же существуют шесть искусственно созданных изотопов кислорода, они недолговечны и радиоактивны. Из них: 13O, 14O и 15O — легкие, 19O и 20O — тяжелые, а сверхтяжелый изотоп — 24O получен в 1970 году.

Существование пяти водородных и девяти кислородных изотопов говорит о том, что изотопных разновидностей воды может быть 135. Основную массу природной воды — свыше 99% — составляет протиевая вода — 1H216O. Тяжелокислородных вод намного меньше: 1H218O — десятые доли процента. 1H217O — сотые доли от общего количества природных вод. Только миллионные доли процента составляет тяжелая вода D2O, в форме 1HDO тяжелой воды в природных водах содержится уже заметно больше. Еще реже, чем D2O, встречаются и девять радиоактивных естественных видов воды, содержащих тритий. Классической водой следует считать протиевую воду 1H216O в чистом виде, то есть без малейших примесей остальных 134 изотопных разновидностей. И хотя содержание протиевой воды в природе значительно превосходит содержание всех остальных вместе взятых видов, чистой 1H216O в естественных условиях не существует, есть лишь в немногих специальных лабораториях. Ее получают очень сложным путем и хранят с большими предосторожностями. Для получения чистой 1H216O ведут очень тонкую, многостадийную очистку природных вод или синтезируют воду из исходных элементов 1H2 и 16O2, которые предварительно тщательно очищают от изотопных примесей. Такую воду применяют в экспериментах и процессах, требующих исключительной чистоты химических реактивов.

Протиевую воду можно было бы назвать легкой водой, но чистая 1H216O — редкость. Рабочим эталоном легкой воды считают смесь разновидностей воды состава 1H216O, 1H217O и 1H218O, взятых в том же соотношении, в котором присутствуют в воздухе соответствующие изотопы кислорода.

Термин «тяжелая вода» на практике также не имеет эквивалента. Вода, отвечающая формуле D218O, фактически заменяется смесью разновидностей воды с постоянной водородной частью (здесь это дейтерий) и с содержанием изотопов кислорода в соответствии с изотопным составом воздуха.

Основную часть водного потенциала Земли составляет вода, которой не напьешься, не используешь ни в промышленности, ни в сельском хозяйстве, ни в быту. 97,75% или 1,338*109км3, — это соленые воды океанов и морей. Остальные 2,25% — пресные воды, однако, половина их — 24*106км3 — «законсервирована» в виде ледяных гигантских шапок Антарктиды, Арктики, Гренландии, высоких гор в различных районах Земли. Примерно столько же воды — 23,4*106км3 — скрыто в толще земной коры. Это подземные воды.

Объем доступной пресной воды исчисляется всего тысячами кубических километров. Больше всего пресной воды на земной поверхности накоплено в озерах -176,4*103км3. Если на мгновение задержать течение всех рек земного шара, то оказалось бы, что в их руслах одновременно находится 2120 км3 воды.

Истоки множества рек, больших и малых, находятся в болотах, которые содержат 10300 км3 пресной воды. 13000 т воды содержится в ближайших к земной поверхности слоях атмосферы. На высоте до 1 км концентрация водяного пара в воздухе в среднем составляет 2%. Вот, пожалуй, и вся вода, на которую может реально рассчитывать человечество теперь и в ближайшем будущем.

Источник

Тяжелая вода: что это такое и где она применяется, как получить такую жидкость в домашних условиях – физические свойства воды и химическая формула

Вы наверняка о ней слышали, но уделяли ли ей достаточно внимания? Чтобы ответить, рассмотрим, что собой представляет тяжелая вода: что это такое, где применяется, чем отличается от обычной, что будет, если регулярно употреблять ее в быту и так далее.

Сразу отметим: сегодня она используется все активнее, особенно в химической промышленности и в экспериментальной медицине. Ученые подбирают различные ее дозировки для проведения глобальных исследований, призванных улучшить приплод и увеличить вес домашних животных, а также побороть раковые опухоли. Успехи переменные, но они есть (плюс многие изыскания рассчитаны на длительную перспективу, и их результаты пока не оценить), поэтому работы в этих направлениях продолжаются, чему только способствует общее развитие технологий.

Что значит термин «тяжелая вода»

Она представляет собой оксид — либо водорода 2H (вместо легкого 1H в обычных условиях), либо дейтерия D, то есть изотопа, содержащего на один нейтрон больше, чем в стандартном случае. Такая замена оборачивается повышением удельной массы на 10%.

Немного справочной информации:

• в реакциях записывается как 2H2O (2H2O) или, соответственно, D2O;
• t кипения = 101,43 .С;
• t плавления = 3,813 .С;
• плотность = 3,98 .С (1,104 г/см3).

В природных источниках соотношение D к H сегодня измеряется как 1 к 6900; ее немного и это хорошо, так как в целом она действует на организмы угнетающе (подробнее рассмотрим этот вопрос ниже).

История открытия

Впервые ее молекулы в обычной среде обнаружил американский физиохимик Гарольд Юри: было это в 1932-м году, а в 1934-м ему присудили Нобелевскую премию за это открытие. В 1933-м уже другой ученый из США, Гилберт Льюис, путем электролиза получил чистую тяжеловодородную воду: он многократно пропускал ток через остаток H2O, постепенно насыщая его молекулами HDO и D2O – до тех пор, пока концентрация последних не достигла 99%.

Когда в 1938-м открыли деление ядер, сразу же стало ясно, насколько перспективны цепные реакции этого процесса. Но для их проведения понадобился эффективный замедлитель нейтронов. В роли последнего стали использовать D2O — наиболее удобное с технической точки зрения соединение дейтерия, помимо прочего, еще и отводящее тепло из рабочей зоны.

В СССР химическая формула тяжелой воды и те преимущества, которые она дает, получала все больше внимания по мере развития атомной энергетики. В частности, предшественница ИТЭФ, Лаборатория №3 АН СССР, начала производить 2H2O в промышленных масштабах – для обеспечения нужд реакторов (современная классификация которых – тип PHWR) и различных установок.

Со временем об оксиде узнавали повсеместно, попутно развеивая мифы. Например, в 1968 году еще появлялись околонаучные публикации, утверждавшие, что его концентрация увеличивается в результате многократного кипячения. Сегодня он продолжает активно использоваться, стоимость его получения значительно удешевилась. Средняя цена продажи составляет 1 евро за грамм против 19 долларов в 1935-м, и не забудьте об инфляции — тогда это была более внушительная сумма, за $19 можно было купить гораздо больше, чем сейчас.

Физические свойства тяжелой воды

Одни из них такие же, что и у обычной, другие — кардинально отличаются, но общая их совокупность определяет условия применения и употребления D2O (2H2O), а значит заслуживает внимания. Рассмотрим каждый из важных параметров отдельно.

Запах

Отсутствует — по этому показателю отличить ее от «легкой» не представляется возможным. Какие-то оттенки неприятного аромата — допустим, серной тухлости, хлористой резкости или гниловатой сладости — говорят только о наличии вполне конкретных проблем в самом источнике, вызванных не превышением концентрации оксида дейтерия. Причина может быть в разложении водорослей, сливе промышленных отходов и других подобных факторах.

Во всех вариациях своих изотопов тяжелая вода в природе так же прозрачна, как обычная. Поэтому вполне можно спутать ее визуально и случайно выпить, если она, например, будет налита в стакан или графин (на вкус она может показаться чуть сладковатой).

Обратите внимание: помутнение, затемнение или осветление, появление буроватого или зеленоватого оттенка свидетельствует лишь о присутствии примесей в отдельно взятом заборе, но никак не о повышенном содержании D2O, его так просто не определить. Другой вопрос, чем обусловлено наличие посторонних веществ (чаще всего это соли жесткости, ржавчина, нитраты, марганец и другие опасные элементы).

Температура кипения

Это первое свойство, по которому тяжелая вода будет отличаться от легкой, пусть и незначительно. Потому что при сравнении мы увидим следующие градусы:

MBFT-75 Мембрана на 75GPD

SF-mix Clack до 0,8 м3/ч

SF-mix Runxin до 0,8 м3/ч

• H2O – 100 0C (всем известный показатель);
• D2O – 101,7 0C.

Нагрев является своеобразным маркером «веса», но в условиях бытовой практики он малоприменим, а наука и промышленность располагают более совершенными и точными способами определения разницы.

Отдельно отметим, что выделяют еще и такой показатель, как температура плавления (кристаллизации), и он составляет:

• 0 0С – для H2O;
• 3,82 0С – для D2O.

Проще говоря, это отметка, при которой начинает образовываться лед, и это даже более явный признак «тяжести», который может пригодиться в быту.

Вязкость

Имеется в виду динамическая, являющаяся частью системы единиц СГС и измеряемая в сантипуазах (сокращенно сП). При этом 1 П = 0,1 Н х с/м2.

У обычной она 1,0016 сП, в то время как у оксида дейтерия уже 1,2467 сП (все сравнения производятся при температуре в 20 градусов Цельсия). Разница в 24% существенным образом влияет на эксплуатационные характеристики и является одним из тех факторов, которые способствуют замедлению химических реакций (в частности, поглощения нейтронов).

Молекулярная масса

Составляет 20,034 г/моль, по сравнению с 18,01528 г/моль «легкой» H2O, и это еще одна из причин, почему воду называют тяжелой, ведь она буквально весит больше. Данная особенность также провоцирует снижение скоростей обменных процессов, что особенно важно для управления термоядерным синтезом.

Растворимость

Она достаточно быстро и равномерно смешивается с этанолом, но в случае с диэтиловым эфиром такого результата уже не наблюдается. В свою очередь, растворить в ней соли уже значительно труднее, чем в обычной H2O, ориентированной на бытовые нужды, и это даже удобно. Во-первых, это явный показатель повышенного «веса», во-вторых, определенная защита от загрязнений, что просто необходимо технологической среде, актуальной на самых ответственных объектах.

Плотность

Измеряется при температуре в 25 градусов Цельсия и составляет 1,1042 г/см3, по сравнению с 0,997 г/см3 «легкой». И это еще одна характеристика, снижающая общий уровень поглощения нейтронов и способствующая замедлению реакций.

Есть и другие параметры, в числе которых:

• стандартная энтропия;
• энтальпия (кипения, плавления, образования);
• энергия Гиббса;

показатели критического давления и плотности;

мольная теплоемкость;

Но они не столь важны конкретно в нашем случае, то есть в вопросах подготовки забора из артезианской скважины к бытовому употреблению, и поэтому на каждом из них мы не будем подробно останавливаться.

Где и для чего используется тяжелая вода

Поначалу сам Гарольд Юри отнесся к своей находке как к интересному научному факту. И, несмотря на Нобелевскую премию, на первых порах он и его коллеги не видели сфер, в которых может пригодиться оксид дейтерия. Ситуация изменилась уже через 5 лет: в связи с открытием деления ядер, стал очевиден тот промышленный потенциал, которым обладает D2O. В результате сегодня можно выделить сразу несколько сфер ее актуальности.

В ядерных технологиях

SF-mix ручной до 0,8 м3/ч

АМЕТИСТ — 02 М до 2 куб.м./сут.

Аэрационная установка AS-1054 VO-90

Современные физики рассматривают ее в качестве топлива будущего, а некоторые даже заявляют, что она станет источником бесконечной энергии. И это уже не просто мечты, ведь с ее помощью уже можно управлять термоядерным синтезом (пусть пока и с ограничениями), и ожидается, что с ее помощью удастся провести сверхвыгодные реакции вроде:

D + T → 4He + η + 17,6 МэВ

Перспективность считается настолько высокой, что ее коммерческий оборот в ряде стран находится под жестким государственным надзором. Это как раз та ситуация, в которой запреты и ограничения оправданы, так как позволяют защититься от создания неконтролируемых, а значит и опасных установок, работающих на природном уране.

Важную роль играет и возможность обнаружения нейтрино именно с помощью D2O. Около 1000 ее тонн содержится в SNO, то есть в крупнейшем детекторе мира, комплексе оборудования, расположенном в Канаде.

В ядерных реакторах

В этом случае применение тяжелой воды актуально в одном из двух качеств:

• Замедлитель нейтронов, помогающий обеспечить должную скорость синтеза; благодаря этому отпадает необходимость в установке графитовых стержней, опасных на этапе вывода из эксплуатации своей наведенной радиоактивностью и угрозой взрыва пыли.
• Практичный носитель, эффективно отводящий тепло из зоны цепной реакции, сравнительно доступный по стоимости и, что важно, инертный. Он также хорош тем, что не забирает часть энергии, выделяющейся в процессе синтеза.

В роли изотопного индикатора в химии

А также в области гидрологии, биологии и других сферах, для которых только может быть актуальным использование оксида дейтерия.

Например, в небольших концентрациях он препятствует размножению и распространению бактерий, грибков и других вредных микроорганизмов, и эту особенность взяла на вооружение экспериментальная медицина.

Рассуждая о том, что такое тяжелая вода и где применяется, нужно отметить, что ученые в течение десятилетий проводили глобальные и комплексные исследования. И установили несколько любопытных закономерностей, возникающих при определенном проценте содержания D2O в употребляемой в пищу жидкости:

• уменьшение на 20-25% — крупный рогатый скот начинает активнее набирать вес, а куры — лучше нестись;
• увеличение до 50% — организм приобретает антимутагенные свойства, что способствует росту биологической массы и ускоренному половому созреванию;
• накопление свыше 70% — могут отступить раковые болезни, но это также сопровождается резким преждевременным старением, ухудшением обменных процессов, отказом органов, а впоследствии и смертью.

Естественно, все медицинские опыты (тем более что они показывают столь неоднозначные результаты) пока проводились на животных, но не на людях.

Отличия между легкой и тяжелой водой

На основании свойств D2O понятно, чем опасно такое соединение для человека: постепенно накапливаясь в организме, оно нарушает метаболизм, убыстряет появление необратимых возрастных изменений, провоцирует возникновение болезней и злокачественных новообразований.

С другой стороны, H2O, с нормальной или восстановленной структурой:

• питает клетки энергией за счет проведения отрицательных окислительных реакций;
• дает антиоксидантную защиту, помогая предотвратить многие случаи отравления;
• оставляет pH-уровень слабощелочным, стабилизируя состояние крови и лимфы;
• способствует улучшению обмена веществ, параллельно снижая поверхностное натяжение.

Напомним также, что обе этих жидкости прозрачны и обладают нейтральным вкусом и запахом, поэтому их вполне реально перепутать.

Какая польза от тяжелой воды

Диспенсер магистральный настольный AquaPro 919H/RO (горячая и холодная вода)

Диспенсер магистральный настольный AquaPro 929CH/RO (охлаждение/нагрев)

Диспенсер напольный AquaPro 311 (пустой, без охлаждения)

Естественно, она не была столь востребованной, если бы несла только вред. То же замедление нейтронов обеспечивает нормальное протекание ядерных реакций, а значит оксид дейтерия все-таки стоит на страже нашей безопасности, пусть и опосредованно.

Ну а добавление в качестве индикатора дает удобную возможность контролировать изменения состава смесей и своевременно вносить необходимые корректировки.

Также нужно учитывать те потенциальные преимущества, которые в будущем принесут медицинские исследования. Специалисты из самых разных областей все уверенней говорят о скором прорыве.

Что случится, если выпить тяжелую воду

В небольших количествах она никак не скажется на состоянии организма. За раз можно употребить даже литр D2O — ничего страшного не случится: за две недели она полностью выйдет из тела, а сам дейтерий не радиоактивен. Так что не опасайтесь, что случайно возьмете не тем наполненный стакан. Максимум, что можно почувствовать — это небольшой дискомфорт из-за изменения давления.

Другое дело — регулярное употребление. В этом случае оксид будет:

• постепенно нарушать целостность ДНК;
• замедлять обменные процессы;

Это обернется уже описанными проблемами со здоровьем (отказом органов, появлением опухолей). Если же концентрация D2O достигнет 20% от общего объема жидкости, то это спровоцирует летальный исход.

Тяжелая вода в жизни человека

За тот комплексный угнетающий эффект, который она может подарить, ее зачастую называют мертвой. Да, несмотря на то что размножение вредных микроорганизмов она тоже замедляет или даже полностью останавливает.

Нюанс в том, что оксид дейтерия в малых количествах, но содержится во всех естественных источниках. Небольшой его процент есть в озерах, прудах, реках, морях, глубоких скважинах и даже в осадках. Причем в дожде его обычно в несколько раз больше, чем в снеге, что объясняется частой электризацией облаков.

В любом случае выходит, что мы, пусть и неосознанно, но потребляем D2O, и получение тяжелой воды в домашних условиях происходит независимо от нашего желания, просто не в таких количествах, которые могли бы нам навредить.

Поэтому важно не повышать риск накопления оксида дейтерия в организме и не употреблять для питья и приготовления пищи морскую H2O, опресненную методом обратного осмоса. Данный способ как раз даст жидкость со сравнительно более высоким уровнем концентрации изотопа.

Мы поможем подобрать оборудование, которое будет контролировать количество примесей в каждом заборе и отфильтровывать вредные частицы – обращайтесь в компанию «Вода Отечества».

Но механическая очистка в этом конкретном случае может не сработать, так как фильтры смогут удалить лишь нерастворимые частицы, но окажутся бессильными на уровне молекул и атомов. Хотя один способ, применимый в быту, все-таки есть, предлагаем его рассмотреть.

Как получить тяжелую воду в домашних условиях

Выделить D2O, чтобы потом слить его, можно с помощью процесса таяния. Для этого необходимо:

• взять нужный объем жидкости и провести его очистку от хлора, марганца, железа, солей или других посторонних частиц;
• нагреть до «белого ключа», то есть до выделения пара соответствующего света, а после остудить;
• набрать ее в металлическую или стеклянную емкость и отправить в холодильник;
• дождаться первичного замерзания, снять появившийся тонкий слой льда сверху, перелить в другой сосуд и снова отправить в камеру с низкой температурой.

Образовавшаяся корочка – это и есть оксид дейтерия (который кристаллизируется еще при 3,82 0С. Останется лишь избавиться от него, так как в быту его пока не используют.

Заключение

Теперь вы знаете, что означает понятие «тяжелая вода», где она может применяться и какую опасность несет, и еще больше понимаете, насколько важно получать во всех смыслах чистую жидкость.

Источник