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 ²H₂O. 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) 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. 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; этот метод запатентован (U.S. Patent 5 223 269).

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^{[источник не указан 135 дней]}).

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 135 дней]}. В действительности же реальное повышение концентрации тяжёлой воды при кипячении ничтожно (менее процента^{[источник не указан 240 дней]}) и к тому же, как сказано выше, тяжёлая вода практически не ядовита^{[источник не указан 135 дней]}. Гораздо сильнее сказывается на вкусе и свойствах воды при кипячении повышение концентрации растворённых солей.

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) еще заметнее отличается от обычной: кипит при 104 °C, замерзает при +9 °C и имеет плотность 1,21 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 (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, ¹H₂¹⁸O, используется в ранней диагностике онкологических заболеваний^{[источник не указан 594 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):
Стабильные:

• Н₂¹⁶O − лёгкая вода, или просто вода
• Н₂¹⁷O
• Н₂¹⁸O − тяжёлокислородная вода
• HD¹⁶O − полутяжёлая вода
• HD¹⁷O
• HD¹⁸O
• D₂¹⁶O − тяжёлая вода
• D₂¹⁷O
• D₂¹⁸O

Радиоактивные:

• T₂¹⁶O
• T₂¹⁷O
• T₂¹⁸O
• DT¹⁶O
• DT¹⁷O
• DT¹⁸O
• HT¹⁶O
• HT¹⁷O
• HT¹⁸O

С учётом трития их число возрастает до 18. Таким образом, кроме обычной, наиболее распространённой в природе «лёгкой» воды ¹H₂¹⁶O, 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

• Вода
• Лёгкая вода