Тяжелая вода

Тяжелая вода

Ученые-химики выделяют тяжеловодородную, полутяжелую, сверхтяжелую и тяжелокислородную воду.

Тяжеловодородная вода. Ее также называют оксидом дейтерия. Разница между обычной и тяжелой водой состоит в том, что в состав молекулы последней вместо легкого изотопа водорода (протия) входят 2 атома тяжелого изотопа водорода (дейтерия). В результате получается не привычная формула H₂O, а D₂O или 2H₂ О, но внешне тяжеловодородная вода ничем не отличается от обычной.

Впервые тяжелую природную воду обнаружил в 1932 году химик Г. Юри, впоследствии награжденный за это Нобелевской премией. В следующем году Г. Льюис выделил тяжеловодородную воду в чистом виде. Необходимо отметить, что вероятность обнаружения атома дейтерия в естественной воде составляет 1: 6400. Ученые выяснили, что он обычно содержится в молекулах полутяжелой воды. Причем одна такая молекула приходится на 3200 молекул обычной воды. Так как в природе соединение двух атомов дейтерия в одной молекуле маловероятно, образование молекул тяжелой воды является проблематичным. Ученые получают тяжеловодородную воду искусственным способом, используя повышение концентрации дейтерия в воде.

Оксид дейтерия обладает теми же свойствами, что и H₂O. Однако процессы взаимодействия с химическими элементами протекают очень медленно. Это связано с тем, что водородные связи, усиленные дейтерием, отличаются повышенной прочностью. Тяжелая вода характеризуется слабой степенью токсичности. Экспериментальным способом было установлено, что замещение легкого водорода тяжелым у животных в 25 % случаев приводит к необратимой стерильности. Дальнейшее повышение концентрации вызывает гибель. В то же время рыбы погибают только при 90 %-ном замещении легкого водорода дейтерием, а микроорганизмы и грибы могут существовать при 70 %-ном замещении и в чистой тяжеловодородной воде. Для человека тяжелая вода не представляет опасности – после прие ма нескольких стаканов тяжелый водород выводится из организма. В некоторых странах ее используют для лечения артериальной гипертензии.

Обычная, или легкая, вода имеет 9 разновидностей, встречающихся в природной воде, что связано с наличием у водорода и кислорода изотопов. Та к называют атомы одного химического элемента, которые различаются по весу, но обладают одинаковыми химическими и физическими свойствами. У водорода таких изотопов 2 (Н и D), у кислорода – 3 (16 О, 17 О и 18 О).

Так как получение тяжеловодородной воды – процесс длительный и энергоемкий, она имеет довольно высокую стоимость. Многие считают, что при длительном кипячении обычной воды концентрация дейтерия повышается, а употребление такой воды приводит к различным заболеваниям. На самом деле вероятность получения тяжелой воды таким способом составляет менее 1 %. Кроме того, необходимо помнить, что тяжеловодородная вода не ядовитая, а на природную воду, подвергнутую кипячению, гораздо большее влияние оказывает повышение концентрации растворенных солей.

Применение тяжелой воды обусловлено ее свойством практически не поглощать нейтроны, поэтому тяжелый водород используется для торможения процессов, протекающих в ядерных реакторах, а также в качестве проводника тепла. Многие научные исследования в области физики, химии и биологии проводят именно с его участием.

Полутяжелая вода. В научных целях осуществляется использование полутяжелой воды, в молекуле которой замещен только один атом водорода. Ее также называют гидроксидом дейтерия, дейтериевой водой или монодейтериевой водой. Ее формула имеет такой вид – DHO.

Сверхтяжелая вода. Молекула сверхтяжелой воды содержит радиоактивный изотоп водорода (тритий) и обозначается 3 Н или Т. В Мировом океане присутствует всего 13–20 кг такой воды. Период полураспада трития составляет 12 лет. В настоящее время известно 9 формул сверхтяжелой воды. Она заметно отличается от обычной воды. Например, ее температура кипения – 104 °C, она превращается в лед при температуре 9 °C и обладает высокой радиотоксичностью.

Тяжелокислородная вода. Она возникает в том случае, если в молекуле воды легкий кислород (16 О) заменяется тяжелым изотопом 17 О или 18 О. Такие модификации могут присутствовать в природных водоемах. Тяжелокислородная вода используется в медицине, в частности при ранней диагностике онкологических заболеваний.

Число нерадиоактивных (стабильных) и радиоактивных соединений с H₂O достигает 18: собственно H₂O, 8 стабильных и 9 радиоактивных тяжелых молекулярных форм. Если учитывать все известные изотопы элементов воды (кислорода и водорода), то можно говорить о существовании 476 форм воды. Но распад радиоактивных изотопов водорода (за исключением трития) продолжается от долей секунд до нескольких секунд, что делает невозможным образование химических связей и длительное существование молекул воды с такими изотопами. Что касается тяжелых радиоизотопов кислорода, их полураспад происходит в течение наносекунд или нескольких секунд, поэтому воду с ними получить нереально. Можно выявить лишь микрообразцы.