и чем она отличается от лёгкой.
Многие слышали про существование некой «тяжелой воды», но мало кто знает, почему она называется тяжелой, и где вообще эта сказочная субстанция находится. Цель этот материала – прояснить ситуацию, а так же пояснить, что ничего опасного и сказочного в тяжёлой воде нет, и что она присутствует в небольших количествах практически во всех обычных водах, в том числе которые мы каждый день пьём.
«Тяжелая вода» действительно является тяжелой по отношению к обычной воде. Ненамного, примерно на одну десятую по массе, но этого достаточно, чтобы изменить свойства оной воды. А «тяжесть» её заключается в том, что вместо «легкого водорода», или протия, 1H, в молекулах этой воды присутствует тяжелый изотоп водорода 2H, или дейтерий (D), в ядре атома которого кроме протона находится ещё и один нейтрон . С точки зрения химии, формула тяжёлой воды такая же, как у простой, Н2О, но физики внесли коррективы, и поэтому записывать формулу принято как – D2O или 2H2O. Есть ещё один вариант тяжёлой, или её ещё называют «сверхтяжёлой» воды – Т2О – это оксид трития, изотопа водорода с двумя нейтронами в ядре (а всего нуклонов три, отсюда «тритий»). Но тритий радиоактивен, да и военные используют его в качестве сырья для водородных бомб (и, соответственно, секретят всё, что с ним связано – просто на всякий случай), так что о сверхтяжёлой воде мы в этом материале говорить не будем.
Чем же так ценна тяжёлая вода, что её не только выделили из простой (а это, поверьте, целое дело), но и носятся, как с писаной торбой?
А всё дело в добавочных нейтронах, присоединившихся к ядрам протия. Если рассматривать не молекулу воды в целом, а атомы водорода по отдельности, то получается, что они стали в два раза тяжелее! Не на одну десятую, а в два! То есть, «толше» они стали, тучнее. А раз они тучнее, то как всем тучным, им не хочется много двигаться. Они «ленивые», не особо активные по сравнению с протием, и именно этим объясняются все отличия в свойствах между лёгкой и тяжёлой водой.
Для начала приведём перечень этих свойств.
Тяжелая вода не имеет ни запаха, ни цвета; по этому параметру лёгкую и тяжёлую воду не различить.
Температура её плавления выше, лёд тяжёлой воды начинает образовываться уже при температуре 3,813 °C
Закипает же она при более высокой температуре - 101,43 °C
Вязкость тяжелой воды на 20% выше вязкости обычной
Плотность – 1,1042 г/см3 при температуре 25°C, что тоже ненамного, но выше плотности обычной воды.
То есть, различить их можно даже на примитивном, бытовом уровне. Но есть у тяжёлой воды и свойства, которые трудно определить «дома на кухне». Например:
Тяжёлая вода, в отличие от лёгкой, очень плохо поглощает нейтроны. И потому является идеальным замедлителем для ядерных реакциях на медленных, «тепловых» нейтронах.
Есть и другие специфические её свойства, но они выходят за рамки обывательского восприятия и интересны в основном узким специалистам, так что о них тоже не будем.
Хорошо, а где же она располагается, эта «тяжёлая вода»? Где этот волшебный источник с ценным содержимым? Ценным, ибо килограмм тяжёлой воды стоит более тысячи евро.
А нет его, волшебного источника! Он расположен… Везде.
В среднем соотношение молекул тяжёлой и обычной воды в природе составляет 1:5500. Однако это значение «среднее по больнице»; в морской воде содержание тяжёлых изотопов выше, в речной и дождевой воде – заметно ниже. (1:3000-3500 против 1:7000-7500). Так же наблюдается сильное различие в концентрациях в зависимости от региона и местности. Существуют также отдельные источники (отдельные районы) где концентрация тяжёлой воды зашкаливает и сравнима с концентрацией обычной протиевой, но это исключительные случаи.
С одной стороны, распространённость тяжёлой воды – благо. Её можно найти буквально везде, в любом стакане. С другой – малая концентрация очень неспособствует выделению её в чистом виде, отдельно от протиевой. Отсюда и такая высокая стоимость её получения.
Интересно, но факт: ученые, открывшие тяжелую воду, отнеслись к ней как к научному казусу, чему-то малозначимому, побочному и развлекательному. Не увидели больших возможностей в ее применении (впрочем, будем объективны, такая ситуация, с научными открытиями на каждом шагу). И лишь спустя некоторое время, совершенно другими исследователями, был открыт ее научный и промышленный потенциал.
«Тяжелая вода» применяется:
В ядерных технологиях;
В ядерных реакторах, для торможения нейтронов и в качестве теплоносителя;
В качестве изотопного индикатора в химии, физике, биологии и гидрологии;
Как детектор некоторых элементарных частиц;
Вполне вероятно, что в обозримом будущем тяжелая вода станет бесконечным источником энергии – учёные всерьёз думают, как использовать дейтерий в качестве топлива для управляемого термоядерного синтеза. Но это пока из области фантастики, хотя успехи на данном поприще неоспоримы.
Химикам же тяжёлая вода интересна тем, что полученный из неё дейтерий легко определяем простыми лабораторными способами. И если синтезировать с его помощью заданные вещества, полностью заменив дейтерием протий, и соединить их с другими, «нормальными» веществами, можно отследить, какой именно атом водорода в процессе реакции вошел в состав той молекулы, а какой – иной. То есть с помощью дейтерия химики «метят» молекулы и смотрят, как протекает механизм той или иной реакции. И поверьте, этот метод стоит того, чтоб назвать его революционным – в своё время он перевернул знания множества теоретиков, знавших «как оно должно быть», заставив вновь и вновь пересматривать законы природы, находя новые и новые причинно-следственные связи, строить новые гипотезы и теории, что, конечно, сильно продвинуло химию, как науку.
Простому же далёкому от теоретической химии обывателю интереснее, а как тяжёлая вода действует на человека, и вообще на биологические системы, как таковые? И это очень правильный интерес. Ибо тяжёлая вода для живых организмов – ЯД!
Тяжелая вода, в отличие от лёгкой, угнетает жизненные процессы на всех уровнях. Биологи её так и называют – «мёртвая вода». В ее присутствии химические реакции тормозятся, а биологические процессы… Как минимум, замедляются. В том числе, например, замедляется и прекращается размножение микробов и бактерий.
Эксперименты над млекопитающими показали, что замещение 25% водорода в тканях дейтерием приводит к стерильности, более высокие концентрации приводят к быстрой гибели животного. Некоторые микроорганизмы способны жить в 70%-ной тяжёлой воде) (простейшие) и даже в чистой тяжёлой воде (бактерии), но это исключения. Человек может без видимого вреда для здоровья выпить стакан тяжёлой воды, весь дейтерий будет выведен из организма через несколько дней, но при постоянном длительном воздействии начинается замещение воды в тканях, после чего проявляются негативные последствия.
В качестве эксперимента учёные попробовали поить тяжелой водой мышей со злокачественными опухолями. Ну, помните сказку о живой и мёртвой воде, где мёртвая заживляет раны? И у них получилось - вода оказалась по настоящему мертвой, опухоли уничтожила! Правда, вместе с мышами. Так же тяжелая вода действует отрицательно на раститения. Подопытных собак, крыс и мышей поили водой, треть которой была заменена тяжелой водой, через недолгое время у нихначиналось расстройство обмена веществ, разрушались почки. При увеличении доли тяжелой воды животные погибали.
Но есть и обратная сторона медали: 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. То есть, кроме «мёртвой воды» учёные обнаружили и «живую», и детская сказка стала реальностью.
Как избежать контакта с «мёртвой» водой и увеличить использование «живой»? Наверное, никак. И та и та получатся в промышленных масштабах и стоит сумасшедших денег. Однако в быту мы хоть и несильно, но можем влиять на качество употребляемой воды Например, дождевая вода содержит заметно больше тяжелой воды, чем снег. Так что в «мистическх» экспериментах с талой водой и её влиянием на организм не так уж много мистического. Так же выше содержание тяжёлой воды в море, и в процессе опреснения методом обратного осмоса она только накапливается, что следует учитывать при проектировании опреснительных установок. Известны случаи, когда целые регионы стали жертвами незнания этого факта. Люди, проживавшие в этих регионах, регулярно использовали опресненную морскую воду с повышенным содержанием дейтерия, вследствие чего многие жители заболели тяжелыми болезнями.
Однако в природе нет ничего лишнего, и не стоит так уж открещиваться от тяжёлой воды, клеймя её ядом или называя «бесполезной». Она требует от нас особого адекватного отношения, внимания и дальнейшего изучения, и этим мало чем отлчается от великого множества веществ , которые требуют не меньшего внимания. Химия – это наука, вот и надо подходить и вопросу со всем арсеналом её возможностей.
