Тяжелая вода что это значит

Тяжёлая вода

Тяжёлая вода
Общая информация
Другие названия	оксид дейтерия
Формула	D2O
Молярная масса	20,04 г/моль
В твёрдом виде	лёд
Вид	прозрачная жидкость без цвета, вкуса и запаха
Номер CAS	[7732-20-0]
Свойства
Плотность и фазовое состояние	1104,2 кг/м³, жидкость 1017,7 кг/м³, твёрдая (при н. у.)
Растворимость	Малорастворима в диэтиловом эфире; Смешивается с этанолом; C обычной водой смешивается в любых пропорциях.
удельная теплоёмкость	4,105 кДж/К·кг
Точка плавления	3,81 °C (276,97 K)
Точка кипения	101,43 °C (374,55 K)
Константа диссоциации кислоты (pKa)
Вязкость	0,00125 Па·с (0,0125 пз) при 20 °C

Тяжёлая вода́ (также оксид дейтерия) — обычно этот термин применяется для обозначения тяжёловодородной воды. Тяжёловодородная вода имеет ту же химическую формулу, что и обычная вода, но вместо атомов обычного лёгкого изотопа водорода (протия) содержит два атома тяжёлого изотопа водорода — дейтерия. Формула тяжёловодородной воды обычно записывается как D₂O или 2 H₂O. Внешне тяжёлая вода выглядит как обычная — бесцветная жидкость без вкуса и запаха.

Содержание

История открытия

Молекулы тяжёловодородной воды были впервые обнаружены в природной воде Гарольдом Юри в 1932 году, за что ученый был удостоен Нобелевской премии по химии в 1934 году. А уже в 1933 году Гилберт Льюис выделил чистую тяжёловодородную воду.

Свойства

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 H₂O (в пропорции примерно 2:1:1). Это замечание справедливо и для THO и TDO.

Сверхтяжёлая вода

Сверхтяжёлая вода содержит тритий, период полураспада которого более 12 лет. По своим свойствам сверхтяжёлая вода (T₂O) ещё заметнее отличается от обычной: кипит при 104 °C, замерзает при +9 °C и имеет плотность 1,21 г/см³. [4] Известны (то есть получены в виде более или менее чистых макроскопических образцов) все девять вариантов сверхтяжёлой воды: THO, TDO и T₂O с каждым из трёх стабильных изотопов кислорода ( 16 O, 17 O и 18 O). Иногда сверхтяжёлую воду называют просто тяжёлой водой, если это не может вызвать путаницы. Сверхтяжёлая вода имеет высокую радиотоксичность.

Тяжёлокислородные изотопные модификации воды

Термин тяжёлая вода применяют также по отношению к тяжёлокислородной воде, у которой обычный лёгкий кислород 16 O заменён одним из тяжёлых стабильных изотопов 17 O или 18 O. Тяжёлые изотопы кислорода существуют в природной смеси, поэтому в природной воде всегда есть примесь обеих тяжёлокислородных модификаций. Тяжёлокислородная вода, в частности, 1 H₂ 18 O, 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):

• Н₂ 16 O − лёгкая вода, или просто вода
• Н₂ 17 O
• Н₂ 18 O − тяжёлокислородная вода
• HD 16 O − полутяжёлая вода
• HD 17 O
• HD 18 O
• D₂ 16 O − тяжёлая вода
• D₂ 17 O
• D₂ 18 O

С учётом трития их число возрастает до 18:

• T₂ 16 O — сверхтяжелая вода
• T₂ 17 O
• T₂ 18 O
• DT 16 O
• DT 17 O
• DT 18 O
• HT 16 O
• HT 17 O
• HT 18 O

Таким образом, кроме обычной, наиболее распространённой в природе «лёгкой» воды 1 H₂ 16 O, в общей сложности существует 8 нерадиоактивных (стабильных) и 9 слаборадиоактивных «тяжёлых вод».

Всего же общее число возможных «вод» с учётом всех известных изотопов водорода (7) и кислорода (17) формально равняется 476. Однако распад почти всех радиоактивных изотопов водорода и кислорода происходит за секунды или доли секунды (важным исключением является тритий, период полураспада которого более 12 лет). Например, все более тяжёлые, чем тритий, изотопы водорода живут порядка 10 −20 с; за это время никакие химические связи просто не успевают образоваться, и, следовательно, молекул воды с такими изотопами не бывает. Радиоизотопы кислорода имеют периоды полураспада от нескольких десятков секунд до наносекунд. Поэтому макроскопические образцы воды с такими изотопами получить невозможно, хотя молекулы и микрообразцы могут быть получены. Интересно, что некоторые из этих короткоживущих радиоизотопных модификаций воды легче, чем обычная «лёгкая» вода (например, 1 H₂ 15 O).

Источник

D2O или что такое «тяжелая» вода?

Мнение о том, что многократное кипячение воды увеличивает концентрацию тяжелых металлов, распространено довольно широко.

Однако недавно ученые пришли к выводу, что опасность этого процесса сильно преувеличена. По сути — это миф, который легко можно опровергнуть.

История вопроса

Всем известно, что вода состоит из 2-х атомов водорода и 1-го атома кислорода. Однако то, что у водорода есть подтипы, соответствующие его изотопам: протий, дейтерий и тритий, знают не все.

Самый распространенный подтип – протий, он самый легкий. Дейтерий (D) и тритий (T) являются тяжелыми и сверхтяжелыми изотопами соответственно.

Отсюда возникли названия типов тяжелой воды воды: D2O — тяжелая, T2O — сверхтяжелая. Но все не так просто.

Об изотопах

Изотопы (от др.-греч. ισος — «равный», и τόπος — «место») – это разновидности атомов (ядер) какого-либо химического элемента, имеющие одинаковый порядковый номер, но разное массовое число.

Чем больше нейтронов в ядре, тем тяжелее элемент. Изотопы бывают 2-х видов: стабильные и нестабильные (радиоактивные).

Вернемся к нашему водороду. Как уже было отмечено, у водорода в привычной нам форме (протий) имеются два близнеца: дейтерий и тритий:

• Протий состоит из 1 протона и 0 нейтронов
• Дейтерий состоит из 1 протона и 1 нейтрона
• Тритий состоит из 1 протона и 2 нейтронов

Как видно, самым тяжелым изотопом является тритий, так как он имеет наибольшее число нейтронов. Далее идет дейтерий и самый легкий – протий.

О дейтерии и тритии

Сами по себе тяжёлые изотопы безусловно опасны для здоровья, но только если превышают определенный порог концентрации в воде.

Всего насчитывается около 135 различных видов молекул воды, если учитывать различные сочетания изотопов водорода и кислорода.

В обычной питьевой воде содержание дейтерия ничтожно мало – тысячные доли процента. К тому же дейтерий является стабильным изотопом, то есть нерадиоактивен.

Например, чтобы получить 1 стакан тяжелой воды (D2O), потребуется несколько раз вскипятить около 9 тонн обычной воды. То есть, если вы кипятите воду в чайнике, никакого вреда не будет. Даже при повторном кипячении. Это крайне малый объем.

Что касается самого тяжелого изотопа – трития, то он может превратить воду не просто в тяжёлую, а в сверхтяжелую. Он действительно опасен, так как является нестабильным радиоактивным изотопом.

Однако тритий не содержится в воде, так как даже в природе практически не встречается (миллионные доли процента). Получить его можно только в ходе химической ядерной реакции.

Вывод

Ни дейтерий, ни тритий не опасны при кипячении воды. Дейтерий имеет крайне низкую концентрацию, а тритий практически не может оказаться в воде.

Чайник – это не ядерный реактор. Кипячение воды в нем не может привезти к образованию в воде опасных тяжелых изотопов в том количестве, которое может стать опасным для здоровья человека.

Источник

Тяжелая вода: свойства и применение

Мало кто знает, что воду подразделяют на простую и тяжелую. Последняя не имеет запаха, цвета или вкуса, поэтому ее трудно распознать. Главные отличия — это содержание изотопов вместо атомов водорода и, конечно же, свойства. Открыта тяжелая вода (оксид дейтерия) была Гарольдом Юри, имеет формулу 2Н2О. Сразу стоит сказать, что она слаботоксична и способна вызвать серьезные нарушения в организме. Например, у 25% животных провоцирует бесплодие (при повышенном содержании дейтерия возможна смерть), но для человека относительно безопасна.

Тяжелая вода

В 1931 году Гарольд Юри впервые обнаружил тяжелую воду, однако через год Гилберт Ньютон Льюис получил чистую тяжеловодородную воду. Именуют ее нередко окисью дейтерия, имеет формулу D20. Если сравнивать с водородом, то дейтерий в 2 раза тяжелее (молекулярная масса простой воды равняется 18 г/моль), и именно это объясняет почему же дейтериевую воду d2o называют тяжелой водой.

Сразу хочется развеять один из мифов. Многие уверены, что при длительном кипячении в воде повышается концентрация дейтерия и может привести к последствиям при употреблении. К счастью, это всего лишь миф, так как концентрация настолько мала, что не вредит человеку.

Если посмотреть на простую и тяжелую воду, то провести сравнение свойств на глаз легкой и тяжелой воды невозможно. Организм же человека явно ощущает разницу между двумя жидкостями. После употребления последней замедляется метаболизм, при накоплении дейтерия возможно торможение обменных процессов и развитие необратимых последствий. Одно из них — образование злокачественных опухолей. Легкая вода человеку необходима, ведь она питает клетки и обеспечивает им антиоксидантную защиту.

Даже с точки химического состава между двумя жидкостями практически нет разницы. Обе выделяют водород, одинаково разлагаются при электролизе и имеют один и тот же состав. Однако физические свойства кардинально отличаются: температура кипения и замерзания, упругость пара, плотность, время разложения при электролизе — все это отличает тяжелую воду от простой.

Свойства тяжелой воды

Ученые множество лет изучали данный вопрос и выявили: легкая кардинально отличается от свойств тяжелой воды. Практически все из них утверждают, что такая жидкость непригодна для живых организмов. Рыбы, черви, микробы в ней не смогут жить, а животные погибнут после употребления. Кроме того, даже аэробные растения не могут выживать в ней. Основные свойства:

• не имеет запаха, вкуса или цвета;
• кристаллизация тяжелых вод происходит при температуре 3,813°C;
• закипает при температуре 101, 43 °C;
• обладает вязкостью на 20% больше, чем питьевая Н2О;
• имеет молекулярную массу в 20,034 г/моль;
• отличается плотностью в 1,1042 грамм на кубический сантиметр (при температуре 25°C);
• имеет определенное давление паров: 10 мм ртутного столба при 13 градусах и 100 мм при 54 градусах.

Растворить соли в ней гораздо труднее, чем в питьевой жидкости. Кроме того, жесткая вода не способна поглощать нейтроны. Существовать могут в ней только водоросли и бактерии. Для человека сверхтяжелая водав минимальных объемах практически безопасна и быстро выводится из организма, плюс ко всему она содержится в обычной в небольшой концентрации.

Где применяется тяжелая вода

Довольно долго после открытия было непонятно куда и как можно применять тяжелую воду. Несколько десятилетий исследований все-таки привели к тому, что D20 стали использовать в промышленных и научных целях. Список огромен, но самыми основными считают следующие сферы:

• ядерная энергетика, медицина, оружие;
• другие направления ядерных технологий, где необходимо торможение нейтронов;
• наука (физика, химия, гидрология, биология);
• детектор частиц.

Например, тяжелая вода предотвращает размножение грибов и бактерий, что необходимо в медицине. Увеличение концентрации дейтерия до 50% приведет к антимутагенным свойствам, а это ускоряет половое созревание у человека и рост биологической массы.

Многолетние исследования и опыты на мышах с раковыми опухолями привели к следующему результату. Болезнь действительно отступала после применения жесткой воды, однако подопытный умирал. Употребление жидкости животными приводит к разрушению органов мочеполовой системы и нарушению обмена веществ. Если дозировка дейтерия превышает норму в несколько раз, то организм погибает. Нередко жесткую воду называют мертвой ведь она тормозит все биологические процессы.

Есть и положительная сторона применения тяжелой воды. Небольшой объем (до 20-25%) увеличивает вес животных и улучшает приплод, например, куры начинают нести больше яиц. Человек сталкивается с мертвой водой, как минимум, несколько раз в год. Реки, моря, озера, осадки — все это содержит определенное количество дейтерия. Удивительный факт: в дожде сверхтяжелая вода содержитсяв более высокой концентрации, чем в снегу.

Необходимо различать и контролировать жесткость воды, иначе не избежать последствий. Превышение концентрации приводит к преждевременному старению (это касается не только красоты, но и всего организма в целом) и даже развитию онкологических заболеваний. Как правило, это касается регионов, где используются для очистки фильтры обратного осмоса или опреснение морской воды. Иногда процент заболеваемости в таких местах превышает показатели ближайших регионов.

Пока науке не до конца понятно, стоит ли окончательно избавляться от дейтерия и как это вообще сделать. Не исключено, что жидкость в скором времени будут использовать в виде нового источника энергии. К удивлению, многих, есть не только простая и тяжелая вода. Ученые выделяют полутяжелую и сверхтяжелую жидкости, а также различные модификации изотопов.

Тяжелая вода была открыта почти 90 лет назад. Все это время ученые продолжают изучать ее и искать ответы на многие вопросы, касающиеся свойств, сферы применения и опасности жидкости. Точно можно сказать, что она отличается от обычной несколькими характеристиками, но при этом ее невозможно отличить по вкусу или запаху.

Источник