Тяжелая(дейтериевая) вода. Дейтериевая вода


Дейтериевая вода - это... Что такое Дейтериевая вода?

Тяжёлая вода Общая информация Свойства
Другие названия оксид дейтерия
Формула D2O
Молярная масса 20,04 г/моль
В твердом виде  ?
Вид прозрачная жидкость без цвета,вкуса и запаха
Номер CAS [7732-20-0]
Плотностьи фазовое состояние 1104,2 кг/м³, жидкость1017,7 кг/м³, твёрдая (при н. у.)
Растворимость Малорастворима в диэтиловом эфире;Смешивается с этанолом;C обычной водой смешиваетсяв любых пропорциях.
удельная теплоёмкость 5,301(?) кДж/моль
Точка плавления 3,81 °C (276,97 K)
Точка кипения 101,43 °C (374,55 K)
Константа диссоциациикислоты (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 был отмечен Нобелевской премией 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 (см. ниже), 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. Некоторые микроорганизмы и грибы способны жить в 70 % растворе D2O в h3O и даже в чистой тяжёлой воде[1]. Человек может без всякого 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; этот метод запатентован (U.S. Patent 5223269 (англ.)).

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 200—250 долларов за литр).

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. В действительности же реальное повышение концентрации тяжёлой воды при кипячении ничтожно (менее процента) и к тому же, как сказано выше, тяжёлая вода практически не ядовита. Гораздо сильнее сказывается на вкусе и свойствах воды при кипячении повышение концентрации растворённых солей.

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 1 килотонну 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 замещен 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) еще заметнее отличается от обычной: кипит при 104 °С, замерзает при +9 °С и имеет плотность 1,33 г/см3. 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. 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.

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. Тяжёлые 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.

См. также

Ссылки

  1. ↑ 1 2 D. J. Kushner, Alison Baker, and T. G. Dunstall (1999). "Pharmacological uses and perspectives of heavy water and deuterated compounds". Can. J. Physiol. Pharmacol. 77 (2): 79–88. DOI:10.1139/cjpp-77-2-79. PMID 10535697. “used in boron neutron capture therapy ... D2O is more toxic to malignant than normal animal cells ... Protozoa are able to withstand up to 70% D20. Algae and bacteria can adapt to grow in 100% D2O”

Wikimedia Foundation. 2010.

dic.academic.ru

Дейтерий, тяжёлая вода, эволюция и жизнь

Вселенная, сформировавшаяся в результате “Большого взрыва” несколько десятков миллиардов лет тому назад, была значительно горячее и плотнее, чем сейчас и состояла, в основном, из двух элементов – водорода и гелия.

Дейтерий сформировался в последующие мгновения эволюции Вселенной в результате столкновения свободного нейтрона и протона при температурах миллион градусов Цельсия. А ещё позже два атома дейтерия сформировали дейтерон и вошли в состав в ядро гелия, который состоит из двух протонов и двух нейтронов.

Таким образом, дейтерий может служить своеобразным индикатором эволюции Вселенной, поскольку количество дейтерия в мире постоянно. Вплоть до настоящего времени считалось, что в процессе формирования гелия израсходовались почти все дейтероны, и лишь 10 тысяч дейтеронов остались неизрасходованными. Исходя из этого количества дейтерия в мире, природная распространённость дейтерия составляла по расчётам не более 0.015% (от общего числа всех атомов водорода).

Совсем недавно проводя наблюдения Млечного Пути, американские учёные обнаружили что дейтерия — тяжёлого водорода – содержится в нём значительно больше, чем об этом говорили данные предыдущих исследований. По мнению астронома Джеффри Лински (Jeffrey L. Linsky) из университета Колорадо (University of Colorado), руководившего исследованием, эта новая информация может радикальным образом изменить теоретические положения о формировании звёзд и галактик.

Тяжёлый водород "прятался" от телескопов за скоплениями межзвёздной пыли и часто был недоступен для наблюдений в силу своей непрозрачности. Астрономы использовали данные ультрафиолетового телескопа FUSE (Far Ultraviolet Spectroscopic Explorer). Дейтерий создаёт характерное свечение в ультрафиолетовом диапазоне, благодаря которому разглядеть тяжёлый водород удалось именно с помощью FUSE.

До настоящего времени считалось, что природная распространённость дейтерия составляет не более 0.015% (от общего числа всех атомов водорода).

Это количество зависит как от природы вещества, так и от общего количества материи, сформированной в ходе эволюции Вселенной. Теперь очевидно, что дейтерия в природе намного больше, чем предполагалось раннее.

Но с чем это может быть связано? Источником дейтерия во Вселенной являются вспышки сверхновых и термоядерные процессы, идущие внутри звёзд. Возможно этим объясняется тот факт, что мировое количество дейтерия повышается в период глобальных потеплений и изменений климата. Однако дейтерий довольно быстро разрушается в этих звёздах.

Дело в том, что наряду с водородом в первые мгновения после Большого взрыва образовалось и огромное количество его изотопа дейтерия. Исходя из предыдущих наблюдений, учёные постановили, что больше трети первоначально образованного дейтерия потратилось на создание звёзд. Однако, оказывается, что дейтерия в Млечном Пути намного больше, чем предполагали ранее. В частности, на звездообразование потрачена не треть, а всего 15% изотопа и он распределён неравномерно.

В частности, эти данные могут говорить о том, что для формирования звёзд требовалось значительно меньше водорода, превратившегося затем в гелий. Так же это может оказаться существенным основанием для пересмотра теории эволюции галактик и звёзд.

Если это так, то необходимо также пересмотреть теорию молекулярной эволюции и эволюции жизни на нашей планете, поскольку жизнь напрямую связана с водой и зарождалась в ней. Но была ли это обычная вода? Ещё 10 лет тому назад автор этой статьи, будучи аспирантом Московской государственной академии тонкой химической технологии им. М. В. Ломоносова в группе академика РАМН В. И. Швеца выдвинул предположение, что первичный “первобытный бульон”, в котором зарождалась жизнь в виде первых коорцерватов, был насыщен тяжёлой водой вследствии того, что в атмосфере Земли не было защитного озонового слоя и вулканические геотермальные и электрические процессы в горячей атмосфере, насыщенной водой могли привести к обогащению гидросферы тяжёлой водой. Но тогда мало кто из учёных увлёкся этой идеей, хоть и напрямую никто не отвёрг её. И только сейчас стало очевидным, что учёные пренебрегали дейтерием в своих расчётах.

Если это так, то необходимо заново пересмотреть эволюцию всего живого на нашей планете, чтобы смоделировать и предсказать дейтерированные формы жизни. Тем более, что их можно легко создать в современных условиях – макромолекулы ДНК, белков, липидов и сахаров – вот те главные компоненты для конструирования дейтерированных мембран и изучения гидрофобных взаимодействий между дейтерированными молекулами.

Отдельный вопрос – генетика дейтерированных клеток и изучение распределения наследственного аппарата, а также физиология, цитология и морфология клетки при росте на тяжёлой воде.

Модели дейтерированных систем довольно легко прогнозировать и конструировать в лабораторных условиях. Нами были получены адаптированные к тяжёлой воде штаммы бактерий, относящиеся к различным таксономическим группам. арактерной особенностью объектов являлось то, что весь биологический материал клетки вместо природного водорода содержал дейтерий.

Дейтерированные клетки адаптированных к максимальной концентрации тяжёлой воды в среде – весьма удобные объекты для исследования. В процессе роста клеток на тяжёлой воде в них синтезируются макромолекулы, в которых атомы водорода в углеродном скелете полностью замещены на дейтерий. Такие дейтерированные макромолекулы претерпевают структурно-адаптационные модификации, необходимые для нормального функционирования клетки в тяжёлой воде. Но эти изменения не единственны; физиология, морфология, цитология клетки, а также генетический аппарат клетки также подвергается воздействию и модификации в тяжёлой воде.

Одним из интереснейших биологических феноменов является способность некоторых микроорганизмов расти в искусственных условиях на средах, в которых все атомы протия заменены на дейтерий (О.В. Мосин, Д.А. Складнев, В. И. Швец, 1996), хотя в природе этот изотоп составляет лишь 0,015%.

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 2h3O. 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

 

Физические свойства

D2O

h3O

Молекулярная масса

20

18

Плотность при 20°C (г/см3)

1,1050

0,9982

t° кристаллизации (°C)

3,8

0

t° кипения (°C)

101,4

100

 

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).

Открытие тяжелой воды послужило толчком к выяснению фракционного состава воды. Вскоре была обнаружена сверхтяжелая вода Т20. В ее составе место водорода занимает его природный изотоп, еще более тяжелый, чем дейтерий. Это тритий (Т), 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 8...9 атомов трития.

В небольших количествах сверхтяжелая (тритиевая) вода попадает на Землю в составе осадков. Во всей гидросфере одновременно 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°С, замерзает при 4...9°С, имеет плотность 1,33 г/см3.

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

Перечень изотопов водорода не кончается тритием. Искусственно получены и более тяжелые изотопы4Hи5H,тожерадиоактивные.

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:

Таким образом, возможно существование молекул воды, в которых содержатся любые из пяти водородных изотопов в любом сочетании.Этим не исчерпывается сложность изотопного состава воды. Существуют также изотопы кислорода. В периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева значится всем известный кислород 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.

Помимо природных, существуют и шесть искусственно созданных изотопов кислорода. Как и искусственные изотопы водорода, 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.

Наиболее распространены в природе 9 устойчивых разновидностей воды.

Основную массу природной воды – свыше 99% – составляет протиевая вода – 1h316O. Тяжелокислородных вод намного меньше: 1h318O – десятые доли процента.

1h317O – сотые доли от общего количества природных вод. Только миллионные доли процента составляет тяжелая вода D2O, зато в форме 1HDO тяжелой воды в природных водах содержится уже заметное количество.

Еще реже, чем D2O, встречаются и девять радиоактивных естественных видов воды, содержащих тритий:

Классической водой следует считать протиевую воду 1h316O 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 1h316O в естественных условиях не существует. Во всем мире такую воду можно отыскать лишь в немногих специальных лабораториях. Ее получают очень сложным путем и хранят с величайшими предосторожностями. Для получения чистой 1h316O ведут очень тонкую, многостадийную очистку природных вод или синтезируют воду из исходных элементов 1h3 и 16O, которые предварительно тщательно очищают от изотопных примесей. Такую воду применяют в экспериментах и процессах, требующих исключительной чистоты химических реактивов.

Но самый большой эффект наблюдается для пары протий/дейтерий. Этим двукратным увеличением массы дейтерона относительно протона и обуславливаются так называемые изотопные эффекты тяжёлой воды - энергия связи, константа диссоциации, подвижность, длина связи и т.д.

С первых экспериментов американца Креспи и Даболла в 1940-х годах прошлого века, вплоть до конца 90-х годов установилось устойчивое представление, что тяжёлая вода несовместима с жизнью и что высокие концентрации тяжёлой воды могут приводить к ингибированию многих жизненно-важных мутаций, включая блокировку митоза в стадии профазы, и даже в некоторых случаях вызывать спонтанные мутации.

Клетки животных способны выдерживать до 25-30% тяжёлой воды в среде, растений (50%), а клетки простейших микроорганизмов способны жить на 80% тяжелой воде.

Однако, потом было доказано, что многие организмы могут быть адаптированы к росту на тяжёлой воде.

Тяжёлая вода высокой концентрации токсична для организма; химические реакции в её среде проходят несколько медленнее, по сравнению с обычной водой, водородные связи с участием дейтерия несколько сильнее обычных.

Тем не менее тяжелая вода играет значительную роль в различных биологических процессах. Систематическое изучение ее воздействия на животных и растения начато сравнительно недавно. Различные исследователи независимо друг от друга установили, что тяжелая вода действует отрицательно на жизненные функции организмов; это происходит даже при использовании обычной природной воды с повышенным содержанием тяжелой воды (рис. 1.3).

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; если их поливать водой, на половину состоящей из тяжелой воды, рост прекращается.

Пониженное содержание дейтерия в воде стимулирует жизненные процессы. Такие данные получили Б.И. Родимов и И.П. Торопов. Они долгое время наблюдали за растениями и животными, потреблявшими воду, в которой содержалось дейтерия на 25% ниже нормы. Оказалось, что, потребляя такую воду, свиньи, крысы и мыши дали потомство, гораздо многочисленнее и крупнее обычного, яйценоскость кур поднялась вдвое, пшеница созрела раньше и дала более высокий урожай.

Первые результаты изучения тяжелой воды показывают, сколько необычных свойств таит такое обыкновенное вещество, как вода.

Влияние концентрации дейтерия на рост высших растений

 

Российские исследователи давно обнаружили, что тяжелая вода тормозит рост бактерий, водорослей, грибов, высших растений и культуры тканей животных. А вот вода со сниженной до 30% концентрацией дейтерия (так называемая "бездейтериевая" вода) 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 некоторое 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 учёные 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 специальной технологии электролизом 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 задерживала появление первых узелков на месте перевивки рака шейки матки. Однако, на время возникновения узелков других типов опухоли облегченная вода не действовала. Но во всех опытных группах с тяжёлой водой, 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.

Как это всё происходит на уровне метаболизма? При попадании клеток в дейтерированную тяжёловодородную среду из них не только исчезает протонированная вода за счет реакции обмена Н2О-D2О, но и происходит быстрый H±D обмен в гидроксильных, сульфгидрильных и аминогруппах всех органических соединений, включая белки, нуклеиновые кислоты, липиды, сахара. Только С—Н-связь не подвергается обмену и соединения типа С—D синтезируются «de поvo».

Интересно, что после обмена H±D ферменты не прекращают своей функции (Themson et al., 1966; Денько, 1974), но изменения в результате изотопного замещения за счет первичного и вторичного изотопных эффектов (Thomson, 1963; Halevy, 1963), а также действие тяжёлой воды как растворителя (большая структурированность и вязкость по сравнению с обычной водой) приводят к изменению скоростей (замедлению) и специфичности ферментативных реакций в тяжёлой воде.

Присутствие дейтерия в биологических системах приводит к изменениям структуры и свойствам жизненно-важных макромолекул таких как дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) и белки. При этом различают первичные и вторичные изотопные эффекты дейтерия в зависимости от того, какое положение занимает атом дейтерия в молекуле. Наиболее важными для структуры макромолекулы связи являются динамические короткоживущие водородные (дейтериевые) связи. Они формируются между соседними атомами дейтерия (водорода) и гетероатомами кислорода, углерода, азота, серы и т.д. и играют главную роль в поддержании пространственной структуры макромолекулярных цепей и как эти структуры взаимодействуют с другими соседними макромолекулярными структурами, а также с тяжелой водной окружающей среды.

Структурно-динамические свойства клеточной мембраны, которые в большинстве зависят от качественного и количественного состава липидов, также могут изменяться в присутствии тяжёлой воды. Полученный результат объясняется тем, что клеточная мембрана является одной из первых органелл клетки, которая испытывает воздействие тяжёлой воды, и тем самым компенсирует реалогические параметры мембраны (вязкость, текучесть, структурированность) изменением количественного и качественного состава липидов.

Возможно эффекты, наблюдаемые при адаптации к тяжёлой воде связаны с образованием в тяжёлой воде конформаций молекул с иными структурно-динамическими свойствами, чем конформаций, образованных с участием водорода, и поэтому имеющих другую активность и биологические свойства. Так, по теории абсолютных скоростей разрыв СH-связей может происходить быстрее, чем СD-связей, подвижность иона D+ меньше, чем подвижность Н+, константа ионизации тяжёлой воды меньше константы ионизации обычной воды. Всё это отражается на кинетике химической связи и скорости хим. реакций в тяжёлой воде.

Связи, образованные атомами углерода с дейтерием немного прочнее, чем СН-связи из-за того, что частота колебания дейтерона, имеющего большую массу (в два раза большую, чем протон) и размер меньше частоты колебания протона и тем самым, это стабилизирует связь.

Другое важное свойство определяется самой пространственной структурой тяжёлой воды, которая имеет тенденцию сближать гидрофобные группы макромолекулы, чтобы минимизировать их эффект на водородную (дейтериевую) связь в присутствии молекул тяжёлой воды. Так что структура спирали, каковой является ДНК в присутствии тяжёлой воды стабилизируется. Кроме этого, отмечены радиопротекторные свойства тяжёлой воды на клетки печени обезьяны, в которой экспонировались эти клетки. Также было показано, что жизненный цикл плоских червей, выращенных на тяжёлой воде увеличивается в 1.5 раза по-сравнению с червями, выращенными на обычной воде (М.Шепенинов, 2006).

Вероятно, клетка реализует лабильные адаптивные механизмы, которые способствуют функциональной реорганизации работы жизненно-важных систем в тяжёлой воде. Так, например, нормальному биосинтезу и функционированию в тяжёлой воде таких биологически активных соединений, как нуклеиновые кислоты и белки способствует поддержание их структуры посредством формирования водородных (дейтериевых) связей в молекулах.

Связи, сформированные атомами дейтерия различаются по прочности и энергии от аналогичных водородных связей. Различия в нуклеарной массе атома водорода и дейтерия косвенно могут служить причиной различий в синтезах нуклеиновых кислот, которые могут приводить в свою очередь к структурным различиям и, следовательно, к функциональным изменениям в клетке.

Ферментативные функции и структура синтезируемых белков также изменяются при росте клеток на тяжёлой воде, что может отразиться на процессах метаболизма и деления клетки.

Изменения соотношения основных метаболитов в процессе адаптации к тяжеловодородной среде также может являться причинами гибели клеток. Клетки высших организмов погибают при содержании тяжёлой воды в составе тела свыше 30%, но микроорганизмы, легко приспосабливающиеся к резким изменениям среды обитания, способны жить и размножаться даже в 98%-ной тяжёлой воды (Мосин О.В, 1996).

Давно замечено, что адаптация к тяжёлой воде проходит легче при постепенном увеличении содержания дейтерия в среде (Pratt a. Curry, 1938), так как чувствительность к тяжёлой воде разных ключевых систем различна. Практически даже высокодейтерированные среды содержат протоны от 0,2—10%. Возможно, что остаточные протоны в момент адаптации к тяжёлой воде облегчают перестройку к изменившимся условиям, встраиваясь именно в те участки, которые наиболее чувствительны к замене. Если это так, то встраивание протонов должно приводить к накоплению легкого изотопа в органическом материале клеток и соответственно к обогащению тяжелым изотопом среды культивирования.

Способность к адаптации в высоких концентрациях тяжёлой воды связана с эволюционным уровнем организации, т. е. чем ниже уровень развития живого, тем выше способность к адаптации.

Дейтерированные клетки адаптированных к максимальной концентрации тяжёлой воды в среде микроорганизмов – весьма удобные объекты для исследования. В процессе роста клеток на тяжёлой воде в них синтезируются макромолекулы, в которых атомы водорода в углеродном скелете почти полностью замещены на дейтерий. Такие дейтерированные макромолекулы претерпевают структурно-адаптационные модификации, необходимые для нормального функционирования клетки в тяжёлой воде.

Эти факты позволяют видеть некоторую аналогию между адаптацией к тяжёлой воде и адаптации к низким температурам. Ещё Юнг (Jung, 1967) на клетках Escherichia coli, помещенных в 98,6%-ную тяжёлую воду, показал, что эффект торможения роста тяжелой воды может быть компенсирован повышением температуры роста. Аналогия с охлаждением позволяет рассматривать адаптацию к тяжёлой воде, как адаптацию к неспецифическому фактору, действующему одновременно на функциональное состояние большого числа систем: превращение энергии, биосинтетические процессы, транспорт веществ, структуру и функции макромолекул. Возможно, что наиболее чувствительными к замене Н+ на D+ оказываются именно те системы, которые используют высокую подвижность протонов и высокую скорость разрыва протонных связей. Такими системами в клетке могут быть дыхательная цепь и аппарат биосинтеза макромолекул, которые располагаются в цитоплазматической мембране или находятся под ее контролем.

Аналогия между адаптацией к тяжёлой воде и температурной адаптацией очень важна для конструирования дейтерированных ферментов, которые смогут функционировать в условиях высоких температур. Такие стабильные дейтерированные ферменты необходимы в биотехнологии, медицине и сельском хозяйстве.

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.

к.х.н. О.В. Мосин

 

www.o8ode.ru

Тяжелая вода и ее физические свойства. Оксид дейтерия и его свойства.

Тяжелая вода и ее физические свойства

В давние времена человечество не знало, что такое вода и как она появилась на нашей планете. До середины девятнадцатого века люди думали, что вода просто элемент, хотя теперь стало известно, что это химическое соединение.

В 1932 году на весь мир пролетела новость. На планете помимо простой воды существует и тяжелая вода. В наше время стало известно, что таких химических соединений, как изотопные разновидности воды может быть сто тридцать пять. Состав воды, которая освобождена от различных примесей сложен.

Тяжелая вода, или как ее еще называют оксид дейтерия, имеет такой же химический состав, как и простая обычная вода, но вместо, содержащихся в воде атомов водорода в ней находится два тяжелых изотопа водорода. Формулу тяжелой воды можно записать как: D2O или 2h3O. Визуально тяжелая вода выглядит как простая вода.

Тяжелую воду открыли молодые физики Клейтон и Осборн. В 1933 году ученые смогли выделить ее в чистом виде. По своим свойствам она отличается от простой воды. Реакция с тяжелой водой, протекает слабее, чем с обычной водой. В природных водах соотношение тяжелой воды и обычной воды равно один к пяти тысячам. Дейтерий встречается и в полутяжелой воде.

Тяжелая вода имеет слабую токсичность. Химические реакции протекают медленно. Научные эксперименты над животными показали, что замещение водорода дейтерием (25 процентов) приводит к бесплодию. Если процент содержания дейтерия увеличить животное погибает. Но некоторые организмы могут выжить при семидесяти процентах дейтерия. Например, инфузория туфелька. Человек, способен выпить стакан тяжелой воды без последствий. Дейтерий будет выведен организмом в течение нескольких дней. В этом отношение тяжелая вода не так токсична, как поваренная соль.

Тяжелая вода способна накопиться в остатке электролита при многоразовом электролизе воды. Данный тип воды на открытом воздухе поглощает пары обычной простой воды, а это значит, что она гигроскопична. Стоимость килограмма тяжелой воды равно 250 евро. Такая стоимость установлена из-за энергоемкости.

Самым важным свойством тяжелой воды является то, что она не поглощает нейтроны, поэтому ее можно использовать в ядерных реакторах для такого процесса, как - торможения нейтронов. Также ее можно использовать в химии, в качестве изотопного индикатора.

Российские ученые из ПИЯВ разработали оригинальные современные технологии для того чтобы получать и очищать тяжелую воду. В 1995 года она была введена в эксплуатацию. Установка обладает высокой эффективностью. Установка дает возможность полностью обеспечить потребность предприятий любого объема производства и организаций в тяжелой воде, а также экспортировать часть воды за границу. За время работы установка создала более двадцати тонн тяжелой воды и десятки килограмм дейтерия.

Тяжелая вода играет большую роль в различных химических и биологических процессах. Ученые давно обнаружили, что вода такого вида способна препятствовать развитию бактерий, водорослей, грибов, и ткани животных. А вода с содержание 50 процентов дейтерия имеет анти мутагенное свойство, способствует увеличению биологической массы, ускоряет развитие половых органов у людей.

В европейских странах ученые поили тяжелой водой мышей со злокачественной опухолью. Вода погубила не только опухоль, но и самих носителей. Исследования установили, что такая вода действует плохо на растения и животных. Собак, крыс и мышей для эксперимента поили тяжелой водой. Однако через некоторое время у подопытных началось расстройство обмена веществ, а почки разрушились. Если доля воды повышалась, животные погибали. Если же норма снижалась до 25 процентов, животные становились крупнее и приносили качественные плоды. Яйценоскость кур увеличивалась. Эта вода задерживает возникновение узелков на шейке матки. На появление других типов узелков вода не действует.

Но опухоли, уменьшаются в размерах. К несчастью тяжелая вода способна замедлить рост опухоли, но продлить жизнь она не может. После такого эксперимента, было решено, полностью изъять содержание дейтерия из употребления воды. Это способствовало бы обмену веществ в организме, а значит и увеличило бы его физическую и мыслительную активность. Но со временем возникла проблема. Если полностью изъять дейтерий из воды, человеческая жизнь будет сокращена в несколько раз. Так как организм человека состоит из семидесяти процентов воды. В этой воде находится 0,015 процентов дейтерия. По количественному содержанию он находится на двенадцатом месте элементов, которые находятся в организме человека. В таком соотношении его можно отнести к разряду микроэлементов. Возникает вопрос, что произойдет, если полностью избавиться от дейтерия? На данный вопрос ученым еще предстоит ответить.

www.watermap.ru

Тяжелая(дейтериевая) вода

В 1932 году американцы Г.Юри и Э.Осборн обнаружили, что даже в самой чистой воде, которую только можно получить в лабораторных условиях, содержится незначительное количество какого-то вещества, выражающегося, по-видимому, той же химической формулой Н2О, но обладающего молекулярным весом 20 вместо веса 18, присущего обычной воде. Юри назвал это вещество тяжёлой водой. Большой вес тяжёлой воды объясняется тем, что её молекулы состоят из атомов водорода с удвоенным атомным весом по сравнению с атомами обычного водорода. Двойной вес этих атомов в свою очередь обусловливается тем, что их ядра содержат, кроме единственного протона, составляющего ядро обычного водорода, ещё один нейтрон. Тяжёлый изотоп водорода получил название дейтерия (D или 2Н), а обычный водород стали называть протием. Тяжёлая вода, окись дейтерия, выражается формулой D2О. На каждые 6700 атомов протия в среднем приходится только один атом дейтерия.

Вскоре был открыт третий, сверхтяжёлый изотоп водорода с одним протоном и двумя нейтронами в ядре, который был назван тритием (Т или 3Н). В соединении с кислородом тритий образует сверхтяжёлую воду Т2О с молекулярным весом 22. Тритий радиоактивен, период его полураспада немного больше 12 лет. Он непрерывно образуется в стратосфере под действием космического излучения. Количество трития на нашей Земле мало — меньше одного килограмма на всем земном шаре; но, несмотря на это, он рассеян и его можно обнаружить повсюду.

В природных водах содержится в среднем около 0,016% тяжёлой воды. Тяжёлая вода внешне похожа на обычную воду, но по многим физическим свойствам отличается от неё:

Константа

Н2О

D2О

Молекулярная масса

18

20

Температура замерзания, °С

0

3,8

Температура кипения, °С

100

101,4

Плотность при 25°С, г/см

0,9971

1,1042

Температура максимальной плотности, °С

4

11,6

Она хуже ( на 5 – 15% ) растворяет различные соли. В тяжёлой воде скорость протекания некоторых химических реакций иная, чем в обычной воде, однако 100% дейтериевую воду тяжело получить. Она получается путем длительного электролиза, т.к. разложению подвергаются преимущественно молекулы Н2О. Поэтому при длительном электролизе воды остаток постепенно обогащается молекулами D2О. Из такого остатка после многократного повторения электролиза в 1933 г. впервые удалось выделить

небольшое количество воды состоящей почти на 100% из молекул D2О

Омагниченная вода.

Имеется ещё один вид воды, отличающийся по физическим свойствам от обычной воды, - это омагниченная вода. Такую воду получают с помощью магнитов, вмонтированных в трубопровод, по которому течет вода. Омагниченная вода изменяет свои физико – химические свойства: скорость химических реакций в ней увеличивается, ускоряется кристаллизация растворённых веществ, увеличивается слипание твёрдых частиц примесей и выпадение их в осадок с образованием крупных хлопьев (коагуляция). Омагничивание успешно применяется на водопроводных станциях при большой мутности забираемой воды. Она позволяет также быстро осаждать загрязненные промышленные стоки.

studfiles.net

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]
Плотностьи фазовое состояние 1104,2 кг/м³, жидкость1017,7 кг/м³, твёрдая (при н. у.)
Растворимость Малорастворима в диэтиловом эфире;Смешивается с этанолом;C обычной водой смешиваетсяв 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 диссоциациикислоты (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

dic.academic.ru

Осторожно, тяжелая вода!. Cтатьи. Наука и техника

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:

  1. Л. Кульский, В. Даль, Л. Ленчина. Вода знакомая и загадочная. – К.: «Радянська школа», 1982.
  2. Наука и жизнь №10, 1988.

Дата публикации:

6 сентября 2000 года

n-t.ru

Легенда о пользе: талая вода

О структуре талой воды написаны просто терабайты статей: как ее готовить в домашних условиях, какое удивительное оздоравливающее влияние она оказывает на организм и все в том же духе. Есть даже отзывы потребляющих: как им стало здорово жить уже после третьего приема чудодейственной жидкости. Но когда мы попытались найти подобные свидетельства, подкрепленные исследованиями мирового научного сообщества, то не обнаружили ровным счетом ничего. Вот тут и закрались сомнения.

Миф 1. В обычной воде, которую мы с вами пьем, содержится вреднейший дейтерий, отравляющий все живое. Когда воду замораживают, рекомендуется удалять корку льда, которая образуется сверху. И тогда никакого дейтерия в воде не останется.

Для начала разберемся, что такое этот самый ядовитый дейтерий. Обычный атом водорода состоит из одного протона и одного электрона, вращающегося вокруг него. Стало быть, его атомная масса равна единице (для тех, у кого еще свежи воспоминания о школьном курсе химии: 1/12 атомной массы углерода). Так вот, дейтерий – это изотоп водорода. И его ядро состоит из двух протонов, а значит, и в два раза тяжелее. Оксид дейтерия – D2O – это тяжелая вода, которая используется в работе атомных электростанций. Но сам по себе этот изотоп не радиоактивен: используется уникальное свойство тяжелой воды не поглощать нейтроны.

Тяжелую воду, необходимую для работы атомных электростанций, получают с помощью сложнейшего процесса, включающего в себя электролиз и некоторые другие манипуляции. Потому как в природе его ничтожно мало: на шесть – семь тысяч атомов протия (обычного, «легкого» водорода) приходится всего один атом дейтерия. «И в таких количествах он совершенно не вредит человеческому организму, – комментирует Андрей Игольников, изобретатель, доктор физических наук. – Искать дейтерий в пресной воде – такой же абсурд, как пытаться добыть золото из воды морской. Его там примерно такая же концентрация!»

«Тяжелая вода токсична лишь в слабой степени, химические реакции в ее среде проходят несколько медленнее по сравнению с обычной водой, – комментирует врач Анна Косогова, заведующая Московским поликлиническим отделением клиники «Скандинавия». – Водородные связи с участием дейтерия несколько сильнее обычных. Эксперименты над млекопитающими (мышами, крысами и собаками) 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 тяжелую воду в течение недели, погибли, когда половина воды в их теле была дейтерирована; рыбы и беспозвоночные погибают при дейтерировании воды в теле на 90%. Простейшие способны адаптироваться к семидесятипроцентному раствору тяжелой воды, а водоросли и бактерии способны жить даже в чистой тяжелой воде».

Конечно, на людях подобных экспериментов не проводилось, но опыт показывает, что от нескольких стаканов тяжелой воды вреда здоровью не причинит: весь дейтерий будет выведен из организма через несколько дней, говорят специалисты.

«Также среди населения бытует миф о том, что при длительном кипячении природной воды концентрация тяжелой воды в ней повышается, что, якобы, может вредно сказаться на здоровье, – добавляет Анна Косогова. – В действительности же реальное повышение концентрации тяжелой воды при кипячении ничтожно. Гораздо сильнее сказывается на вкусе и свойствах воды при кипячении повышение концентрации растворенных солей, переход в раствор веществ из стенок посуды и термическое разложение органических примесей».

Конечно, в домашних условиях полностью очистить воду от дейтерия невозможно. Также невозможно визуально на глаз отличить кристаллы тяжелой воды от обычной воды. 

Напомним, что мы на 70% от самого рождения состоим из воды. Значит, некоторое количество дейтерия содержит от рождения каждая человеческая особь – включая тех самых горцев-долгожителей, которые активно потребляют талую воду и на которых так любят ссылаться авторы статей про нее.

Мы больше того скажем: есть подозрение, что дейтерий не только вреден, но и полезен! К таким сенсационным выводам пришли ученые из московского Института геронтологии. Высокие концентрации тяжелой воды убивают живые организмы, но увеличение ее в составе организма в пределах разумного позволяет затормозить процессы старения. Еще немного – и эликсир вечной молодости найден! Это тоже объяснимо с медицинской точки зрения.

«В тяжелой воде связи, образованные дейтерием, прочнее связей с участием протия, следовательно они меньше рвутся и меньше подвержены мутациям и другим внешним воздействиям. Химические реакции в ее среде проходят несколько медленнее», – объясняет Анна Косогова.

Миф 2. В воде, которая замерзла, а потом оттаяла, сохраняются на пять – шесть часов межмолекулярные связи, характерные для кристаллической решетки льда. Таким образом, вода легче проникает в клетки и отлично омолаживает организм.

Ага, а еще оживляет мертвецов, пошутим мы. А если серьезно, это утверждение не выдерживает никакой критики. Во-первых, кристаллическая структура характерна для кристаллов льда. При температуре выше нуля градусов по Цельсию кристаллы льда плавятся: связи в решетке ослабевают, а потом и вовсе сходят на нет. И через пару часов, когда от ледышки остается лужица, по своим физическим свойствам она ничем не отличается от лужицы, из которой ледышка была сделана. А насчет того, легче ли талая вода проникает в клетки, можно сказать только одно: пейте не менее двух литров жидкости в день – если это чуть больше, чем нужно, организм сам избавится от излишков.

«Есть такая гипотеза, что на какое-то время межмолекулярные связи в оттаявшей воде должны оставаться такими же, как и в льде – в теории по-другому и быть не может, – добавляет Андрей Игольников. – А на практике этого никому не удалось зафиксировать и доказать. Стало быть, все разговоры об особенных свойствах талой воды – просто спекуляция».

«Сторонники лечения талой водой считают, что в ней образуется множество так называемых центров кристаллизации. И если пить такую воду, центры кристаллизации всасываются и, попав в нужную зону в организме, дают в ней начало цепной реакции «замораживания» воды организма, то есть, восстанавливается необходимая для протекания жизни регулярная структурированная «ледяная структура», а с нею все полноценные жизненные функции, – рассказывает Анна Косогова. – Однако этот факт не имеет доказательной базы. Улучшение состояния некоторых людей, пьющие талую воду, возможно, связано с употреблением большего количества воды в этот период, чем обычно».

Миф 3. Кусок льда, из которого вы собираетесь приготовить талую воду, надо промыть под струей. Сначала он станет мутным – это смываются все вредные примеси. А когда лед прозрачный, готово дело: можно оттаивать и пить.

Когда вы подставляете кусок льда температурой, предположим, минус пять градусов под струю проточной воды температурой градусов 15-20, сначала он запотевает. И совершенно моментально становится мутным: это не вредные примеси, а всего лишь разница температур. Мелкая взвесь песка – если, например, вы воду взяли из речки – так и останется в структуре льда. А уж совсем невидимые примеси вы точно не смоете. Кстати, готовить талую воду из речной или родниковой не очень безопасно с точки зрения бактериологических показателей. Некоторые болезнетворные микроорганизмы вполне спокойно переживают замораживание, а при комнатной температуре возобновляют жизнедеятельность. И вместо оздоровления вы получите обезвоживание в результате кишечной инфекции.

Вот что действительно правда, так это то, что с помощью талой воды можно похудеть. Точнее, не талой, а очень холодной – такой, чтобы в ней плавали кристаллики льда. Правда, с научной точки зрения этот механизм тоже не до конца ясен. Но исследования уже подтвердили, что люди, выпивающие стакан ледяной воды перед едой, потребляют намного меньше калорий, чем те, которые этого не делают. Правда, учтите, что исследования проводились в США. Если россиянин зимой, вернувшись с крепкого морозца, хлопнет стакан ледяной воды, а потом побежит к врачу за больничным, тот только руками разведет: климат у нас для такого похудения неподходящий.

Память воды – миф или реальность? Мнение экспертов

Все фото – Shutterstock

www.da-voda.com