Производство тяжёлой воды является весьма трудоёмким и дорогостоящим процессом. Изучив историю открытия дейтериевой воды, поначалу можно подумать, что в её получении нет ничего сложного. Дело в том, что основным и фактически единственным способом создания тяжёлой воды является электролиз обычной воды. Электролиз, как всем известно, это пропускание электрического тока через жидкость или раствор, в результате которых на электродах происходят химические реакции, приводящие к получению новых веществ. Получение тяжёлой воды это, по сути, стандартный процесс электролиза, в результате которого в остатках электролита и появляется то самое заветное вещество с тяжёлыми изотопами водорода.
Сложность в том, что для получения хотя бы микроскопического объёма тяжёлой воды необходимо произвести электролиз большого объёма воды обычной. В обычной воде недостатка нет - а вот электроэнергия, необходимая для электролиза, стоит денег. Когда энергии требуется много, она стоит больших денег. Электролиз для получения тяжёлой воды стоит именно много денег - получение одного грамма дейтериевой воды в настоящее время обходится в расходование энергии стоимостью примерно 20 долларов США. При этом получения вещества проходит в два этапа: сначала путём реакции с обычной водой получается жидкость с концентрацией тяжёлой воды около 10%. Затем повторная процедура электролиза этого раствора приводит к получению чистой, почти стопроцентной, тяжёлой воды.
Разумеется, никто бы не производил таких сложных и дорогостоящих манипуляций ради чисто познавательного интереса по получению необычного вещества, внешне так похожего на привычную нам воду. Дело в том, что основа современной атомной энергетики это реакторы на тяжёлой воде. В ходе изучения свойств этого вещества выяснилось, что дейтериевая вода обладает потрясающими свойствами в реакциях с нейтронами, которые и являются «рабочими лошадками» в ядерных реакторах. Для реакторов определяющими являются два требования: во-первых, чтобы нейтроны не «разгонялись» слишком быстро, иначе их невозможно будет удержать и начнётся неконтролируемая ядерная реакция. Во-вторых, чтобы нейтрализующая среда, которая призвана тормозить нейтроны, не поглощала их, то есть не снижала энергетическую мощность реакции. Реактор на тяжёлой воде оказался идеальным решением обоих задач. Дейтериевая вода является непревзойдённым замедлителем нейтронов: для сравнения - коэффициент замедления нейтронов у обычной воды равен 61, а у тяжёлой воды он составляет 5700. К тому же это вещество не поглощает нейтроны (вернее поглощает, но в очень малом количестве), что позволяет поддерживать стабильный уровень получения энергии в реакторе.
Дейтерий обладает сечением захвата, примерно в тысячу раз меньшим, чем природный водород, и соответственно увеличенной способностью замедлять нейтроны. Таким образом, реакторы на тяжелой воде могут работать на природном уране, не требуя более дорогого обогащенного ураном-235 топливного материала, который необходим при обычной воде. До настоящего времени высокая стоимость тяжелой воды ограничивала ее использование. Недавно испытанная конструкция реактора, в котором в качестве охладителя применена вода и вместе с тем исключена проблема увеличения давления, получает ее большее одобрение. Это -- реактор типа «водяной котел», в котором воде предоставляется возможность кипеть в активной зоне. В реакторе используется скрытая теплота кипения воды. Такая система имеет много достоинств, главным из которых является непосредственное образование пара и устранение теплообменников, а также сокращение затрат энергии на перекачку наряду с упомянутым устранением усложнений, возникающих при увеличении давления. Кроме того, было найдено, что образование пузырьков пара приводит к тому, что реактор может стать самоуправляющимся.
Тяжёлая вода (HDO) по своим химическим и теплофизическим свойствам мало отличается от обычной воды. Она практически не поглощает нейтронов, что даёт возможность использовать в качестве ядерного топлива природный уран в реакторах с тяжеловодным замедлителем. Недостатки: редкая распространённость в природе, энергоёмкая и дорогостоящая технология получения чистой тяжёлой воды (0.5% примесей в тяжёлой воде снижают коэффициент замедления её почти на порядок). Тяжёлая вода замедлитель нейтронов в канадском канальном граффито-водном реакторе КАНДУ.
Критическая температура=644,05 К; Критическое давление=21,86 МПа; Плотность=1104 кг/мі; Температура кипения=101,43° С; Температура плавления=3,813° С; Молярная изобарная теплоемкость=84,3 Дж/моль·К, и 34,4 Дж/моль·К (газ)
По своим свойствам тяжелая вода заметно отличается от обычной воды (таблица). Реакции с тяжелой водой протекают медленнее, чем с обычной. Тяжелую воду применяют в качестве замедлителя нейтронов в ядерных реакторах.
Таблица 1 - Сравнение обычной и тяжелой вода
Тяжелая вода - вода в которой "обычный" водород 1 H (легкий) заменен тяжелым изотопом 2 H - дейтерием (D). У тяжелой воды, также как и у обычной, нет ни цвета, ни вкуса, ни запаха.
В настоящее время известны три изотопа водорода: 1 H, 2 H(D), 3 H(T). Самый легкий из них - 1 H называется протием. Почти целиком из него состоит обычная вода, частично в ней содержится более тяжелый водород - дейтерий (D) и сверхтяжелый тритий (T). Встречаются три изотопа кислорода: 16 O, тяжелый 18 O и совсем немного в природе 17 O. С помощью мощных ускорителей и реакторов физики получили еще пять радиоактивных изотопов кислорода: 13 O, 14 O, 15 O, 19 O, 20 O. Продолжительность их жизни очень коротка - она измеряется несколькими минутами, затем, распадаясь, они превращаются в изотопы других элементов.
В составе обычной воды можно обнаружить не только тяжелую воду. Известна сверхтяжелая вода T 2 O (атомная масса трития - Т равна 3) и тяжелокислородная вода, молекулы которой содержат вместо атомов 16 O атомы 17 O и 18 O. Изотопные разновидности воды присутствуют в обычной в ничтожнейших количествах. В природных водах на один атом дейтерия приходится 6500-7200 атомов водорода 1 H, а чтобы обнаружить один атом трития, надо иметь по крайней мере 10 18 атомов 1 H.
После обнаружения тяжелой воды ученые поначалу были настолько удивлены, что рассматривали тяжелую воду как химический курьез. Однако удивление было недолгим. Итальянский физик Энрико Ферми, проводивший эксперименты в области ядерной физики, понял, что тяжелая вода имеет огромнейшее военное значение. С тех пор события, развивающиеся вокруг этой странной жидкости, были полны драматизма и глубочайшей секретности. И все потому, что судьба тяжелой воды тесно переплеталась с развитием атомной энергетики. Такая вода используется в ядерных реакторах как теплоноситель и замедлитель нейтронов.
Основные физико-химические константы обычной и тяжелой воды существенно различаются. Обычная вода, ее водяной пар и лед, состав которых выражается химической формулой H 2 O, имеет молекулярную массу 18,0152 г. Лед образуется при 0°С (273 K), а закипает вода при 100 °C (373 K). Тяжелая вода превращается в лед при 3,813 °C, а пар образуется при 101,43 °C. По вязкости тяжелая вода на 20 % превосходит обычную воду, а максимальная плотность наблюдается при температуре 11,6 °C. Ее химическая формула D 2 O, где водород заменен на дейтерий, атомная масса которого в 2 раза больше. Окись дейтерия имеет молекулярную массу 20,027. Удельная масса ее на 10 % выше, чем у обычной воды. Вот почему она и называется тяжелой водой.
Тяжелая вода, как выяснили ученые, подавляет все живое. Вот какими резко полярными свойствами отличаются дейтериевая вода и обычная - протиевая. Тяжелая вода замедляет биологические процессы и действует угнетающе на живые организмы. Микробы в тяжелой воде гибнут, семена не прорастают, растения и цветы вянут при поливке такой водой. Тяжелая вода гибельно влияет на животных. А на человека? К сожалению, о тяжелой воде нам известно еще далеко не все.
В 1 т речной воды присутствует около 150 г тяжелой. В океанской воде ее чуть больше: на 1 т приходится 165 г. В озерах тяжелой воды обнаружено на 15-20 г больше, чем в реках, из расчета на 1 т. Любопытно отметить, что дождевая вода содержит больше окиси дейтерия, чем снег. Такие различия кажутся странными, ведь то и другое - осадки атмосферного происхождения. Да, источник один, а содержание тяжелой воды разное. Таким образом, речные, озерные, грунтовые и морские воды весьма несхожи по изотопному составу и, следовательно, как объекты, используемые для получения тяжелой воды, далеко не равнозначны. Было время, когда ее считали "мертвой водой" и полагали, что присутствие тяжелой воды в обычной замедляет обмен веществ, способствует старению организма. Случаи долгожительства на Кавказе некоторые исследователи связывают с меньшим количеством окиси дейтерия в горных потоках ледникового и атмосферного происхождения. Возникновение пустынь, исчезновение оазисов и гибель даже целых цивилизаций древности нередко приписывают накоплению окиси дейтерия в питьевой воде. Однако пока это все только гипотезы, туманные догадки, не подтвержденные экспериментальными результатами.
Предполагается, что молекулы тяжелой воды D 2 O в естественных условиях практически не встречаются, а преобладают молекулы, имеющие один атом дейтерия - HDO.
Несколько большая масса молекул HDO, D 2 O и повышенная прочность дейтериевой связи способствуют тому, что тяжелая вода активнее удерживается в жидкой фазе по сравнению с обычной водой. Следовательно, давление пара тяжелой воды всегда ниже, чем H 2 O, и это приводит к тому, что молекулы, содержащие дейтерий, концентрируются в жидкой фазе в процессе испарения. На этом построено фракционное разделение изотопов. В естественных условиях эти явления наблюдаются в экваториальных водах, когда в процессе испарения в поверхностных водах увеличивается концентрация изотопа D по сравнению с глубинными горизонтами. Изучение атмосферных осадков показывает, что в первую очередь с дождем выпадают тяжелые изотопы D или 18 O. Изотопное разделение происходит в процессе замерзания и таяния. Арктический лед, образующийся из морской воды, содержит на 2 % изотопов D больше, чем вода, из которой он образовался.
Прочность дейтериевой связи и фракционное разделение изотопов заставляют многих исследователей обратить внимание на изучение обменных процессов в живом организме. Одни считают, что удаление дейтерия из воды приведет к резкому повышению жизнестойкости организма и даже к продлению жизни. Другие полагают, что наличие дейтерия создает в биологическом мире определенный баланс в процессах внутриклеточного обмена и его отсутствие вызовет серьезные нарушения в живой и неживой природе.
Исследования жизнедеятельности микроорганизмов при постепенном добавлении тяжелой воды к обычной показали их удивительную приспособляемость к новой среде. Когда обычная вода была полностью заменена на дейтериевую, микроорганизмы не погибли, а какое-то время испытывали лишь некоторое угнетение, но после "акклиматизации" продолжали активно развиваться. Такое поведение микроорганизмов наталкивает на мысль, что живая клетка снабжена удивительнейшим механизмом приспособляемости, который спасает ее от гибели даже в условиях накопления дейтерия. Однако отдельные клетки организма из-за каких-то нарушений могут оказаться неустойчивыми, и это приводит их к гибели.
Сколько изотопных разновидностей воды может существовать
Оказывается, очень много. По мнению И. В. Петрянова-Соколова, теоретически можно взять различные комбинации изотопов водорода и кислорода, т.е. если каждый изотоп кислорода прореагирует в аналогичном для воды соотношении с изотопами водорода - 1:2, то из всего набора компонентов можно будет получить 48 разновидностей воды.
Как ни парадоксально это звучит, но факт остается фактом. Из нескольких десятков разновидностей воды большая часть существует только теоретически, попросту говоря, только на бумаге. Из 48 вод 39 - радиоактивны и всего лишь 9 стабильны, т.е. устойчивы:
H 2 16 O, H 2 17 O, H 2 18 O, HD 16 O, HD 17 O, HD 18 O, D 2 16 O, D 2 17 O, D 2 18 O.
Открытие каких-либо новых изотопов водорода и кислорода будет резко повышать число теоретически возможных вод.
Использование тяжелой воды
В течение непродолжительного времени после открытия Юри тяжелая вода рассматривалась лишь как химический курьез. Но в это же самое время известный итальянский физик Энрико Ферми проводил эксперименты в области ядерной физики, составившие эпоху в науке. Результаты этих опытов обнаружили огромное военное и экономическое значение тяжелой воды. Ферми и его сотрудники в 1934 г. подвергали различные элементы обстрелу нейтронами, обладавшими большой энергией (скоростью). В результате были получены атомы с искусственной радиоактивностью, или так называемые радиоизотопы. Ферми установил, что почти каждый нерадиоактивный в нормальных условиях элемент можно сделать радиоактивным, т.е. превратить его в радиоизотоп, с помощью обстрела нейтронами. Он нашел также, что общая эффективность бомбардировки нейтронами с целью вызвать искусственную радиоактивность значительно увеличивалась с уменьшением их скорости.
Подобно электрону и фотону света, нейтрон обнаруживает свойства частицы, но его движению присущи также свойства волны. Он обладает длиной волны, которая физически определяет его "размер", и эта длина волны изменяется обратно пропорционально его частоте. Чем ниже частота, являющаяся мерой энергии нейтрона, тем больше длина волны. Нейтрон с низкой энергией (маленькой скоростью), например с энергией в 0,1 эв, будет иметь длину волны или "размер", превышающую более чем в 10 000 раз диаметр атомного ядра. Очевидно, что такой замедленный нейтрон, проходя через скопление атомов, имеет больше шансов удариться (задеть) об ядро, чем более быстрый электрон. Имеется также больше вероятия, что такой электрон будет "захвачен", или поглощен, ядром, которое он заденет. Но как может ядро поглотить предмет, в 10 000 раз превышающий его по своим размерам? Здесь снова следует припомнить, что в данном случае мы имеем дело с волновыми характеристиками нейтрона. Внутри ядра нейтрон приобретает энергию примерно в 50 млн. в с соответствующим огромным увеличением своей частоты, которая обратно пропорциональна длине волны. При увеличении частоты длина волны уменьшается. Нейтрон, поглощенный таким образом ядром, вызывает нарушение ядерного равновесия, в результате чего начинается радиоактивное излучение. Другими словами, создается радиоизотоп.
Вскоре после открытия Ферми и его сотрудников немецкие ученые О. Ган и Ф. Штрассман обнаружили, что поглощение нейтронов ядрами урана вызывает расщепление, или деление, этих ядер. Оба осколка ядра, вместе взятые, имеют меньшую массу, чем первоначальное ядро, а поскольку разница в массе превращается в кинетическую энергию в количестве, определяемом соотношением между массой и энергией Альберта Эйнштейна (E=mc 2), то оба осколка разлетаются в стороны с колоссальной скоростью. При этом они испускают два или три нейтрона, которые сверхтяжелый атом урана имеет во множестве. Каждый выпущенный нейтрон теоретически может расщепить любое способное к расщеплению ядро, какое он встретит на своем пути; в результате такого столкновения высвободятся еще два или три нейтрона. Другими словами, процесс расщепления, или деления, ядер может стать самопроизвольным, самораспространяющимся: может начаться так называемая цепная реакция. Дальнейшие опыты вскоре показали, что из трех изотопов урана расщепление происходит почти исключительно лишь у ядер урана U 235 , который при нормальных условиях составляет всего лишь 0,7% обыкновенного урана. Как и следовало ожидать из исследований Ферми, расщепление урана U 235 происходило наиболее эффективно под воздействием замедленных нейтронов. Было установлено, что для возбуждения цепной реакции в обыкновенном уране необходимо иметь большой запас весьма замедленных нейтронов. Нейтроны, обладающие большой скоростью, с энергией в миллионы электронвольт, также иногда случайно расщепляют урановые атомы, но это происходит не настолько часто, чтобы вызвать цепную реакцию. Нейтроны с умеренной энергией (в несколько электронвольт) представляют собой осколки урана U 235 , но они подвергаются захвату ядрами урана U 238 - изотопа, составляющего около 99% обыкновенного урана. Захват их ураном U 238 исключает их, так сказать, из обращения, поскольку уран U 238 не расщепляется, а, наоборот, стремится приобрести устойчивость, выделяя из себя один электрон (это, разумеется, увеличивает ядерный заряд на единицу, превращая уран с атомным числом 93 в плутоний с атомным числом 94). Для расщепления требуются "тепловые" нейтроны, названные так потому, что их энергия, равная примерно 0,02 эв, не превышает энергии нормального теплового движения атомов, среди которых они перемещаются. Тепловые нейтроны не только легко расщепляют U 235 , но они не подвержены также захвату ураном U 238 . Они отличаются, кроме того, значительными размерами, перемещаясь среди атомов урана U 238 , они с большей вероятностью могут встретиться с легко расщепляющимся ураном U 235 . Все это делает возможным возникновение самопроизвольной цепной реакции в обычном уране, несмотря на то, что он содержит лишь 0,7% урана U 235 , при условии, однако, что имеется какой-то способ для замедления нейтронов, испускаемых при расщеплении урана U 235 . Необходим так называемый "замедлитель" - такое вещество, которое могло бы поглощать излишнюю энергию нейтронов, не захватывая самих нейтронов.
Движение нейтрона будет резко замедлено, если он столкнется с ядром, вес которого лишь ненамного превышает его собственный; при этом нейтрон сообщит часть своей энергии частице, с которой он столкнулся, совершенно так же, как это происходит с биллиардным шаром при его ударе о другой шар. Это предопределяет возможность использования в качестве замедлителя водородных соединений, в частности, воды. Поскольку ядро простого водорода, состоящее из одного лишь протона, имеет ту же самую массу, что и нейтрон, оно способно принять на себя при столкновении значительную часть энергии нейтрона. Но, к сожалению, ядро простого водорода не только частично поглощает энергию нейтрона, но часто захватывает и сам нейтрон, превращаясь в ядро атома дейтерия. Поэтому обыкновенная вода как замедлитель малоэффективна. Зато лучшими свойствами обладает тяжелая вода. Ядра дейтерия, состоящие из одного нейтрона и одного протона, с трудом поглощают нейтроны, но легко воспринимают при столкновении значительные количества энергии нейтронов. Таким образом, тяжелая вода D 2 O является очень эффективным замедлителем, наиболее эффективным среди всех известных нам веществ. Чтобы отдать свою энергию и стать "тепловым", для взаимодействия с урана U 235 , нейрону достаточно 25 столкновений с ядром дейтерия, а например при столкновении с ядром углерода (графитовые стержни) потребуется 110 столкновений.
Но у тяжелой воды есть потенциал сталь гораздо более полезной, чем замедлитель нейронов. При очень высоких температурах может произойти нечто совершенно противоположное расщеплению ядра. Теплота является энергией движения, и при достижении ею некоторого предела ядерная энергия настолько возрастает, что она может преодолеть электростатические силы, которые при более низких температурах вызывают отталкивание двух положительных зарядов. Так возникнет новое ядро путем слияния двух ядер в результате так называемой термоядерной реакции. Однажды начавшись в среде легких атомов, она будет развиваться дальше подобно цепной реакции: ядро, образовавшееся в результате слияния, имеет несколько меньшую массу, чем оба исходных ядра; разница в массе преобразуется в энергию в соответствии с уравнением Эйнштейна, выражающим соотношение между массой и энергией (E=mc 2); часть этой энергии передается другим ядрам, вызывая их слияние. Но как получить необходимую для термоядерной реакции начальную температуру, измеряемую миллионами градусов? Раньше такую температуру можно было получить лишь на короткий миг во время взрыва урановой или плутониевой атомной бомбы. Поэтому у всех водородных бомб в качестве "запала" применялись атомные бомбы, действующие по принципу ядерного распада. Когда будут найдены способы дешевого и безопасного получения необходимой начальной температуры и способы её локализации, то наступит время, когда ядерное слияние в качестве источника промышленной энергии окажется экономически более выгодным, чем ядерный распад. Одно из его крупных преимуществ заключается в том, что управляемое слияние не будет давать опасных радиоактивных отходов. Другое его преимущество состоит в том, что топливо для слияния в противоположность топливу для распада имеется на Земле в огромных количествах.
Физики ядерщики определили, что ядра дейтерия особенно легко подвергаются слиянию. Поэтому значение дейтерия все возрастает по мере приближения того времени, когда запасы ископаемого топлива на Земле будут исчерпаны. Запасы же ядерного горючего в Мировом океане практически безграничны. Дейтерий, содержащийся в 1 л морской воды, заключает энергию, эквивалентную энергии около 350 л бензина. Теоретически воды океанов и морей могут обеспечить человечество источником энергии на миллиарды лет .
История открытия тяжелой воды
Американский физико-химик Гарольд Юри (1893-1981), в молодости проявлявший большой интерес к ядерной структуре вещества, решил использовать спектроскопический метод для изучения водорода.
Выполненные Г. Юри теоретические расчеты убедили, что попытки разделения водорода на изотопы могут привести к интересным результатам - к выявлению нового стабильного изотопа водорода, существование которого предсказал ещё Э. Резерфорд.
Руководствуясь этими соображениями, Г. Юри поручил одному из своих учеников выпарить 6 л жидкого водорода, и в конце эксперимента исследователи получили остаток объемом около 3 см 3 .
Самое удивительное, что в результате спектрального анализа остатка было найдено такое же расположение линий, какое было предсказано Г. Юри на основе теоретических предпосылок.
Тяжелый водород - дейтерий был открыт.
Об этом Г. Юри сообщил в 1931 году на новогоднем собрании Американской Ассоциации развития науки в Нью-Орлеане. Дальнейшие усилия ученого были направлены на получение образца с высокой концентрацией дейтерия. Это удалось сделать с помощью электролиза, газовой диффузии, дистилляции воды и других методов. Разные упругости пара H 2 и HD позволили Г. Юри, Ф. Брикведде и Г. Мэрфи доказать существование дейтерия. Опубликованная Г. Юри совместно с сотрудниками работа произвела ошеломляющее впечатление на ученых самых различных областей науки. Многие специалисты воспринимали это известие как что-то фантастическое и спорное, но экспериментальные факты показывали, что тяжелый изотоп водорода реально существует.
Дейтерий начал свой сложный путь, а Г. Юри была вручена Нобелевская премия (1934). После открытия дейтерия события развивались очень быстро. Дело было только за экспериментом, но это оказалось весьма сложной технической задачей. Тяжелая вода была впервые обнаружена в природной воде Г. Юри и Э.Ф. Осборном в 1932 году.
Академик Н.Д. Зелинский, узнав об открытии тяжелой воды, писал в 1934 году: "Кто бы мог подумать, что в природе существует еще другая вода, о которой мы до прошлого года ничего не знали, вода, которую в весьма небольшом количестве мы ежедневно вводим в свой организм вместе с питьевой водой. Однако небольшие количества этой новой воды, потребляемые человеком в течение жизни, составляют уже порядок величины, с которым нельзя не считаться". Развивая свою мысль, продолжал: "В эволюции химических форм в биосфере и литосфере тяжелая вода не может не принимать участия, и вопрос о том, в какой стадии такого эволюционного процесса находится тяжелая вода в нашу эпоху, в стадии накопления ее в природе или в стадии деградации, представляется весьма важным и с точки зрения обмена веществ в живых организмах, в котором вода играет первостепенную роль. Все живое проводит через свой организм громадные массы обыкновенной воды, а вместе с ней и тяжелую воду; какое же влияние оказывает последняя на жизненные функции организма? Пока это неизвестно, но такое влияние должно быть несомненным".
Тяжелая вода имеет ту же формулу, что и обычная, но вместо атомов водорода в ней содержатся его изотопы, именуемые дейтерием. По своему внешнему виду она не отличается от водопроводной воды и представляет собой бесцветную жидкость без запаха и вкуса.
Что такое тяжелая вода, впервые поведал Гарольд К. Юри ещё в 1931 году. А два года спустя Гилбертом Ньютоном Льюисом впервые была получена чистая тяжёловодородная вода. Её второе название – окись дейтерия. Формула тяжёлой воды - D2О. Она состоит из атомов кислорода и водорода, которые содержатся в ней в форме дейтерия. По сравнению с водородом, дейтерий приблизительно в два раза тяжелее. Поэтому молекулярная масса обычной воды составляет 18 г/моль, в то время как вес тяжёлой – примерно 20.
Существует миф, который гласит, что долгое кипячение природной воды приводит к повышению концентрации тяжёлой, что может негативно сказаться на человеческом здоровье. Однако это далеко не так: в действительности эта концентрация ничтожно мала. Кроме этого, доказан факт, что тяжёлая вода не является ядовитой. Она считается слаботоксичной. В её среде продолжительность химических реакций, по сравнению с простой водой, снижается.
Основные свойства
К тяжёлой воде учёные давно проявляют повышенный интерес. Ведь сразу же после её получения стало очевидным, что она наделена особыми свойствами, которые отличаются от обычной воды. Тяжёлая вода – это жидкость, которая является абсолютно непригодной для развития и жизни в ней микробов, рыб или червей. Она противопоказана для употребления животными, поскольку после утоления жажды ею они просто погибнут.
Аэробные растения не способны с её помощью стимулировать свою жизненную активность. Однако в тяжёлой воде прекрасно развиваются водоросли и бактерии. Изучая свойства тяжёлой воды, учёные пришли к выводу, что она имеет значение не только как лабораторный компонент. Оказалось, что она входит в состав обычной воды. Правда, содержание тяжёлой воды в ней имеет очень малую концентрацию.
Физические свойства тяжёлой воды значительно отличаются от обычной воды. Например, закипает она при t101,4 °С, замерзает - при 3,81 °C. Она обладает плотностью (ρ) - 1,1 г/см3 при t25 °C. Её вязкость на 20% превышает показатель питьевой воды. Практически все соли растворяются в ней намного хуже, чем в других водах. Немаловажное свойство тяжёлой воды – неспособность поглощать нейтроны.
Применение тяжёлой воды
Учёные, которые открыли тяжелую воду – D2О, долго не понимали, какую пользу она может приносить. И только через определённый промежуток времени другие исследователи раскрыли её промышленные и научные возможности. На сегодняшний день её активно применяют:
- в ядерных технологиях;
- в работе ядерных реакторов, где с их помощью осуществляется торможение нейтронов. Также её используют как теплоноситель;
- как изотопный индикатор в физике, химии, гидрологии, биологии;
- в качестве детектора определённых элементарных частиц.
Поскольку сегодня активно изучается вероятность применения дейтерия в качестве топлива при управляемом термоядерном синтезе, возможно, что очень скоро тяжёлую воду будут использовать как новый источник энергии. Стоит отметить, что, кроме тяжёлой, существуют ещё полутяжёлая, сверхтяжёлая вода, а также некоторые модификации изотопов.
Отличия между легкой и тяжелой водой
Визуальное сравнение легкой и тяжелой воды даст возможность убедиться, что по своим внешним признакам они не отличаются. Разницу может ощутить организм человека. С помощью тяжёлой воды замедляются все реакции, а при накоплении дейтерия в организме тормозятся все обменные процессы. В результате необратимые возрастные изменения ускоряются, что влечёт за собой развитие многих болезней, включая онкологические.
А вот лёгкая вода, которая имеет восстановленную структуру, является физиологически очень ценной жидкостью, поскольку:
- доставляет клеткам человеческого организма запас энергии при помощи отрицательного окислительного потенциала;
- отличается слабощелочным рН, который соответствует внутриклеточной и межклеточной жидкости;
- благотворно влияет на обмен веществ благодаря сниженному поверхностному натяжению;
- обеспечивает антиоксидантную защиту клеток.
Тяжелая вода в жизни человека
Очень часто тяжёлую воду, угнетающую всё живое, называют мёртвой. Она содержится практически во всех водах: в реках, морях, озёрах, снеге, дожде… Интересным фактом является то, что в осадках в виде дождя дейтерия несколько больше, чем в снеге. Поскольку, по мнению некоторых исследователей, избыточное употребление тяжелой воды провоцирует многие заболевания, в некоторых случаях необходимо контролировать количество ее потребления.
Ввиду того, что с помощью механических фильтров избавиться от неё невозможно, пожалуй, единственный способ, когда тяжелая вода в домашних условиях может быть отделена от обычной, - при приготовлении талой воды. Именно в ледяной корочке, которая образуется первой при замерзании, содержится дейтерий тяжёлой воды. Поэтому эту корочку необходимо удалить сразу после её появления.
Однако, следуя принципу, что в природе не бывает ничего лишнего, свойства тяжёлой воды и польза от её применения в разных сферах требует тщательного изучения. Ведь она имеет потенциал, который должен быть реализован в будущем.
Тяжелая вода. Изотопы: Видео
В феврале 1944 года в районе норвежской долины Ръюкан разворачивалась диверсионная операция союзных войск «Тяжелая вода», целью которой было препятствование созданию нацистской Германией атомного заряда. Станцию Веморк, на которой шло производство сырья для научных исследований, удалось взорвать. Позже выяснилось, что даже в случае провала операции работы по созданию бомбы все равно гитлеровцы не успели бы завершить. Но в начале 1944 года об этом никто не знал…
Физико-химические свойства тяжелой воды
Формулу обычной воды сегодня знает каждый школьник, но человечеству она известна лишь немногим более двух веков. Отрыта она была в 1805 году Гей-Люссаком и Гумбольдтом, которые установили, что каждая молекула самой распространенной на Земле жидкости состоит из одного атома водорода и двух кислорода. 1932 год дополнил это знание новой информацией. В каждом глотке чая, кофе и любого другого напитка кроме Н2О есть, правда, совсем немного другой составляющей, отличающейся тем, что водород-протий заменен на дейтерий D, тяжелый изотоп этого химического элемента таблицы Менделеева. Соединению было присвоено название «тяжелая вода». Получение ее через год Ричардом Макдональдом и Гербертом Льюисом в чистом виде открыло возможность для научных исследований. Сравнение свойств легкой и тяжелой воды показало, что плотность и вязкость D2O больше, чем у Н2О. Это полностью соответствовало теоретическим расчетам. Разница в 10% соответствует соотношению молекулярных весов протия (легкого водорода) и дейтерия, 18 и 20 соответственно. Отличаются температуры кипения и замерзания, у тяжелой воды они выше (101,42 и +3,8 градусов Цельсия соответственно).
Действие тяжелой воды на живые организмы
Несмотря на то, что D2O в воде присутствует в очень малых количествах (миллионные доли процента), его содержание оказывает влияние на жизнедеятельность организмов. Чаще встречается тяжелая вода, в которой изотоп заменил не два, а один атом водорода, ее формула HDO. Действие обеих разновидностей на обмен веществ определяется как угнетающее, подопытные животные умирают от почечной недостаточности при употреблении смеси H2O и HDO в соотношении 3 к 1. При поливе растений этим соединением прекращается их рост. И напротив, чем меньшую долю занимает тяжелая вода, тем активнее идут жизненные процессы. Интересный факт - чем ближе к полюсам, тем вода «легче».
Применение тяжелой воды
Тяжелая вода служит замедлителем быстрых нейтронов при термоядерных реакциях. Из единицы массы дейтерия можно извлекать энергии в десять миллионов раз больше, чем при сжигании того же количества угля. Дальнейшие исследования природы изотопов выявили наличие в атмосфере и возможность лабораторного получения сверхтяжелой воды Т20, в которой место водорода занимает радиоактивный тритий с атомной массой, равной 3. Полученные искусственным путем изотопы водорода 4H и 5H также могут совместно с кислородом образовывать сверхтяжелую воду, их используют в качестве «меченых атомов» при проведении научных экспериментов.
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 (Н 2 О). Тяжелая, или дейтериевая (D 2 O). Сверхтяжелая, или тритиевая (Т 2 О), 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 – D 2 O 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 D 2 O совсем иные, чем у Н 2 0 – 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 D 2 O и Н 2 О, 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 H 2 O. 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 Н 2 О, 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 D 2 O 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.
М. АДЖИЕВ, географ.
Источники информации:
- Л. Кульский, В. Даль, Л. Ленчина. Вода знакомая и загадочная .
– К.: «Радянська школа», 1982. - Наука и жизнь №10, 1988.