Вода - одно из самых распространенных и важных веществ на Земле. Она состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, в химии обозначается формулой H2O. Но не все молекулы воды одинаковы. Существуют разные изотопные модификации, которые отличаются массой и свойствами. Одна из таких модификаций - тяжелая вода, которая имеет формулу D2O. Что же представляет собой тяжелая вода и как она получается? Об этом мы расскажем в нашей статье.
Что такое тяжелая вода?
Тяжелая вода - это вода, в которой оба атома водорода заменены на его тяжелый изотоп - дейтерий. Дейтерий является атомом водорода, который имеет один протон и один нейтрон в ядре, в то время как обычный водород имеет только один протон. Дейтерий был открыт американским физиком Гарольдом Юри в 1931 году, за что получил Нобелевскую премию в 1934 году. В 1933 году американский химик Гилберт Льюис впервые выделил чистую тяжелую воду из обычной путем электролиза.
Состав и химическая формула
Как уже было сказано, тяжелая вода состоит из двух атомов дейтерия и одного атома кислорода. Ее химическая формула записывается как D2O. Молярная масса равна 20,04 г/моль, что на 10 % больше, чем у обычной воды (18,02 г/моль).
Как выглядит?
По внешнему виду тяжелая вода не отличается от обычной. Это жидкость без цвета и запаха. Однако она имеет сладковатый вкус, который объясняется разницей в силе связи между атомами дейтерия и кислорода. Также она имеет более высокую плотность, температуру кипения и теплоемкость, чем обычная вода. Такие характеристики связаны с более сильным эффектом изотопного замещения и образованием большего количества межмолекулярных связей (водородных связей) между молекулами тяжелой воды.
Виды
Тяжелая вода не является единственной изотопной модификацией воды. Существуют также полутяжелая вода (HDO), которая содержит один атом водорода и один атом дейтерия, и сверхтяжелая вода (T2O), которая содержит два атома трития - еще более тяжелого изотопа водорода, имеющего два нейтрона в ядре. Кроме того, существуют различные тяжелокислородные модификации воды, в которых атом кислорода заменен на его тяжелые изотопы - 17O или 18O.
Свойства
Тяжелая вода имеет ряд свойств, которые отличают ее от обычной. Некоторые из них приведены в таблице:
|
Свойство |
Обычная вода (H2O) |
Тяжелая вода (D2O) |
|
Плотность при 20 °C, г/см³ |
0,9982 |
1,1042 |
|
Температура плавления (таяние льда), °C |
0 |
3,81 |
|
Температура кипения, °C |
100 |
101,43 |
|
Теплоемкость при 25 °C, Дж/(кг·К) |
4,184 |
4,105 |
|
Энтальпия парообразования при 100 °C, кДж/моль |
40,66 |
45,4 |
|
Показатель преломления при 20 °C |
1,333 |
1,3284 |
Почему дейтериевую воду D2O называют тяжелой
Тяжелая вода называется так потому, что она имеет большую массу если сравнивать с обычной водой. Один атом дейтерия весит примерно в два раза больше, чем один атом водорода. Соответственно, одна молекула тяжелой воды весит примерно на 10 % больше, чем одна молекула обычной воды. Получается, что один литр тяжелой воды имеет массу примерно на 100 граммов больше, чем один литр обычной воды.
Можно ли пить тяжелую воду?
Эта вода не ядовита и не радиоактивна. Однако она может оказывать негативное влияние на живые организмы при длительном употреблении или замещении обычной воды.
Что будет если попадет в организм человека?
Тяжелая вода может замещать обычную воду в клетках и тканях живых организмов. Но это нарушает нормальное функционирование биохимических процессов и ферментных систем. В результате возникают различные нарушения в обмене веществ, росте, развитии, репродукции и иммунной системе. Если количество тяжелой воды достигнет 20% от общего количества воды в вашем организме, то это может привести к летальному исходу.
Эксперименты на животных доказывают, что при замещении более 50 % обычной воды в организме тяжелой начинаются серьезные отклонения в здоровье и поведении. Так, у мышей наблюдались снижение аппетита, потеря веса, атаксия (нарушение координации движений), конвульсии и смерть. У растений наблюдались задержка роста, деформация листьев и цветков, снижение плодоносности и семенного потенциала.
Поэтому пить тяжелую воду не рекомендуется. Однако употребление малого количества не представляет опасности для здоровья. Случаи передозировки тяжелой водой встречаются крайне редко, так как получение D2O весьма дорого и трудоемко. Кроме того, большая часть людей не имеет доступа к специальному оборудованию.
Сравнение с легкой H2O
Тяжелая вода отличается от легкой H2O не только массой, но и другими физическими и химическими свойствами:
- Она имеет более высокую плотность, температуру плавления и кипения, теплоемкость и энтальпию парообразования, чем легкая вода.
- У тяжелой воды более низкий показатель преломления, чем у легкой. Это обусловлено большим радиусом и меньшим зарядом ядра дейтерия.
- В ней хуже растворяются газы.
- Тяжелая вода имеет более высокую кислотность.
Где применяется?
Тяжелая вода применяется в различных областях промышленности и науки:
- Используется как модератор и охладитель в некоторых типах ядерных реакторов, таких как канадские CANDU. Модератором называется вещество, которое замедляет быстрые нейтроны, выделяющиеся при делении ядер урана или плутония, до термальных скоростей, необходимых для поддержания цепной реакции. Охладитель необходим для отведения тепла от активной зоны реактора.
- Применяется в качестве растворителя для изучения структуры и функций биомолекул, таких как ДНК, РНК и белки.
- Используется в качестве трейсера для изучения процессов переноса и обмена воды в природных системах. Трейсером называют вещество, которое добавляется в систему в небольшом количестве, после чего отслеживается его концентрация, распределение или изотопный состав. Тяжелая вода может быть использована как трейсер для изучения гидрологических циклов, геотермальных систем, биогеохимических циклов и других процессов, связанных с водой.
Как получают?
В обычной воде содержится около 0,015 % тяжелой. Для получения одного литра чистой тяжелой воды нужно переработать около 6700 литров обычной. Для этого используются различные методы разделения изотопов, которые основаны на разнице свойств между водородом и дейтерием. Наиболее распространенные методы:
- Электролиз - это процесс разложения воды на водород и кислород с помощью электрического тока. При этом происходит обогащение дейтерия на катоде (отрицательном электроде), так как дейтерий имеет большую электрохимическую эквивалентность, чем водород. Для выделения одного моля дейтерия требуется больше электричества, чем для выделения одного моля водорода. На этом принципе и происходит разделение. Этот метод был использован Гилбертом Льюисом для получения первой чистой тяжелой воды.
- Дистилляция - это процесс разделения жидкостей по разнице температур кипения. Происходит обогащение дейтерия в конденсате (жидкости, образующейся при охлаждении пара), так как он имеет большую температуру кипения. При нагревании смеси легкой и тяжелой воды первыми будут испаряться молекулы легкой воды. Этот метод является одним из самых простых и дешевых способов получения D2O.
- Термодиффузия - это процесс разделения газов по разнице температур. Дейтерий скапливается в холодной части сосуда, так как он имеет большую молекулярную массу по сравнению с водородом. Во время нагрева смеси легкого и тяжелого водорода молекулы легкого будут двигаться быстрее и переходить в горячую часть сосуда, а молекулы тяжелого водорода - медленнее и оставаться в холодной части сосуда. Такой метод используется реже, так как он является одним из самых дорогих и сложных способов получения тяжелой воды.
Заключение
Тяжелая вода - это вода, в которой оба атома водорода заменены на его тяжелый изотоп - дейтерий. Она имеет ряд свойств, отличающих ее от обычной воды, например, большая масса, плотность, температура плавления и кипения и др. Тяжелой воде нашли ряд применений в различных областях науки. Она не является ядовитой и не обладает радиоактивностью, но может негативно влиять на живые организмы при длительном употреблении.
