что значит тяжелая вода
Что такое «легкая» и «тяжелая» вода
Радиоактивный, замедляющий жизненные процессы — это тоже о водороде.
Обычная вода действительно состоит из легкой и тяжелой. Связано это с разными изотопами водорода. Изотопы имеют одинаковый порядковый номер в периодической таблице, но разные массовые числа. У водорода семь изотопов, однако только два из них стабильны — протий и дейтерий, а тритий — долгоживущий, его период полураспада около 12 лет. Остальные очень быстро распадаются.
В ядре протия (это и есть обычный водород) нет нейтронов, а только один протон. Атом водорода содержит таким образом один протон и один электрон. Если взять все изотопы водорода, то протия будет 99,98%. Молекула легкой (обычной) воды H2O состоит из двух атомов водорода (протия) и одного кислорода, а в тяжелая воду входят два атома дейтерия.
Дейтерий — изотоп водорода. Его ядро содержит протон и нейтрон, что, соответственно, увеличивает его атомную массу. Молекулы тяжелой воды D2О есть в обычной воде, но в очень малых количествах. Примерно 200 молекул тяжелой воды на каждый 1 000 000 обычной. Поскольку дейтерий является стабильным изотопом, тяжелая вода не радиоактивна.
Дейтерий был открыт в 1931 году лауреатом Нобелевской премии Гарольдом Юри. Изотоп используется, как замедлитель нейтронов при ядерных реакциях. Это его качество было использовано физиками при создании ядерных реакторов, в которых тяжелая вода выступает в качестве теплоносителя и замедлителя. Первый такой реактор появился в 1944 году в США.
D2О замедляет и процессы деления клеток. У эукариот (всех живых организмов, клетки которых содержат ядро) деление останавливается. Семена растений не прорастают, если их поливать тяжелой водой. Это доказал эксперимент американских ученых Джозефа Дж. Каца и Х. Креспи. Если в воде, которая содержится в организме животных, заменить 25-50% атомов протия на дейтерий, последствия будут те же, что и при химиотерапии.
Однако такой исход маловероятен в обычной жизни, ведь, повторим, содержание тяжелой воды очень мало. Однако и в ней есть и польза. В 2015 году группа ученых из МГУ рассказала, что тяжелой водой можно остановить деление быстроделящихся клеток при лимфосаркоме. Лабораторных крыс, страдающих от опухолей, поили 1% раствором дейтерия, после двухнедельного приема тяжелая вода вышла из организма при водообмене, а значит, ее можно использовать при химиотерапии.
Получается, что человеку нужно избегать пить тяжелую воду? Получается, что да, и наука не опровергает такое заключение. Однако целебные свойства воды с пониженным содержанием дейтерия так и не доказаны. Чаще всего маркетологи, которым очень хочется продавать чудо-воду за большие деньги, приводят исследование Татьяны Стрекаловой и других авторов, связавших депрессию у жителей южных и юго-восточных штатов США с повышенным содержанием дейтерия в водопроводах. Действительно, в более теплых местах на Земле дейтерия больше, потому что он тяжелее и его пар оседает в нижних слоях атмосферы, тогда как H2O под воздействием лучей Солнца улетучивается. Но в этом исследовании кроме корреляции между содержанием дейтерия в водопроводной воде и уровнем депрессии в южных штатах США, доказательств пользы легкой воды представлено не было.
Вода была и остается незаменимым источником жизни для человека, все ее целебные и опасные свойства только предстоит узнать.
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:
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:
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.
Тяжёлая вода
| Тяжёлая вода | |
|---|---|
 | |
| Общая информация | |
| 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] |
| Свойства | |
| 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 2 H2O. Внешне тяжёлая вода выглядит как обычная — бесцветная жидкость без вкуса и запаха.
Содержание
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
| 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
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] ).
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 H2O (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 (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 ( 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
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 1 H2 16 O, 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, 1 H2 15 O).
«Тяжёлая вода»: чем она отличается от обычной и что будет, если ее выпить?
Коллаж картины Алексея Венецианова «Встреча у колодца».
Что такое тяжелая вода?
Чтобы разгадать тайну тяжелой воды, нужно сначала понять, что такое изотопы.
Дейтерий — это изотоп водорода, который содержит на один нейтрон больше, чем обычный атом этого элемента. Из-за этого дополнительного нейтрона в каждом атоме дейтерия, его масса скалярная физическая величина, определяющая инерционные и гравитационные свойства тел в ситуациях, когда их скорость намного меньше скорости света практически вдвое больше массы атома обычного водорода.
Кубики льда вода в твёрдом агрегатном состоянии тяжелой воды будут тонуть. Источник изображения: depositphotos.com
В природе тяжелая вода встречается редко. Соотношение тяжелой и обычной воды составляет где-то 1: 20 000 000 молекул.
Какая польза от тяжелой воды?
Что будет если выпить тяжелую воду?
Если вы выпьете небольшое количество категория, выражающая внешнее, формальное взаимоотношение предметов или их частей, а также свойств, связей: их величину, число, степень проявления того или иного свойства тяжелой воды, то это никак не повлияет на вас. Тяжелая вода имеет сладковатый привкус.
Даже выпив несколько стаканов D2O вы не отравитесь, потому что дейтерий не радиоактивен, зато вы можете почувствовать дискомфорт из-за изменения плотности жидкости.
Стакан обычно стеклянный сосуд, близкий по форме к цилиндру или усечённому конусу, без ручки и без ножки тяжелой воды? :). Источник изображения: fotosearch.ae
Однако, если вы будете постоянно пить тяжелую воду (что маловероятно, поскольку, вы вряд ли сможете раздобыть тяжелую воду в таких объемах), то это будет очень вредно для вашего здоровья.
Потребление избыточного количества D2O может привести к летальному исходу. Источник или Источники, может употребляться в следующих значениях: Источник (природный), ключ, родник — выход подземных вод на поверхность изображения многозначный термин: Оптическое изображение Монохромное изображение Полутоновое изображение Полноцветное изображение Цифровое изображение Растровое изображение Бинарное изображение Битовое : e-wiki.org
К счастью, мы крайне редко слышим о передозировке людей общественное существо, обладающее разумом и сознанием, а также субъект общественно-исторической деятельности и культуры тяжелой водой, главным образом, потому что получение D2O весьма дорого и трудоемко. Используя электролиз, можно получить чистую тяжелую воду, но большинство людей не имеют доступа к такому оборудованию. Покупка D2O также обходится очень недешево, стоимость оксида дейтерия более 100 долларов за 100 гр.