Тяжелая вода привлекает интересы химиков. По химическим свойствам изотопы обычно совершенно эквиваленты. Исключение представляют изотопы водорода. Протий и дейтерий существенно отличаются по химическим свойствам и могут быть легко отделены друг от друга. Даже Содди предлагал считать дейтерий и водород разными химическими элементами. Постараемся разобраться, какими свойствами обладает тяжелая вода.

Изотопы водорода

Изотопы водорода
Тяжелая вода открыта в 1932 г. Гарольдом Юри (Harold Clayton Urey, США).За это в 1934 г. он получил Нобелевскую премию.

Это вода, в которой легкий водород (протий) 1H заменен дейтерием 2H. Содержание этих двух изотопов водорода составляет 99,9885 и 0,0115% соответственно.

Природный молекулярный водород состоит из молекул H2 и HD (дейтероводород) в соотношении 3200:1. В результате изотопного обмена количество молекул чистого дейтерия D2 в природе еще меньше: на одну молекулу дейтерия приходится около 6400 молекул HD. Тритий 3H является радиоактивным: его период полураспада равен 12,32 года.

Молекулы тяжелой воды

За счет того, что массы изотопов водорода в разы отличаются друг от друга, только для изотопов водорода наблюдается существенное отличие физических и химических свойств.

Таблица 1. Физические свойства различных по изотопному составу изотопов водорода

Формула Т пл, К Т кип, К ρ, кг/м3 ρ, кг/м3
H2 13,96 20,39 70,811 1,316
HD 16,65 22,13 114,0 1,802
HT – 22,92 158,62 2,31
D2 18,65 23,67 162,50 2,23
DT 24,38 211,54 2,694
T2 20,63 25,04 260,17 3,136

Мнение эксперта
Никита Куприянов
Эксперт в области физики и химии. Имеет большой опыт работы в лабораториях, занимающихся изучением состава воды и способов ее очистки.
Плотность жидкого дейтерия в 2,24 раза больше плотности водорода Н2. Разность температур плавления для молекул D2 – H2 составляет 4,47 °С, температур кипения – 3,22 °С.

Строение молекулы

Молекулярное строение воды
Длина связи <em>l</em> (D ̶ O) = 96 нм, угол DOD 105°(в воде 104,45°).

Кристаллы D2O имеют такую же гексагональную структуру, как и обычный лед («тяжелый лед»), но они более тяжелые (0,982 г/см3 при 0°С по сравнению с 0,917 г/см3 для обычного льда).

Физические свойства тяжелой воды

Молекулы тяжелой воды, на которые нанесена формула
В физике принято считать молекулу D<sub>2</sub>O<sup>16</sup> тяжелой водой, а T<sub>2</sub>O<sup>16</sup> - сверхтяжелой. Однако в составе воды имеются и другие соединения.

Главными действующими компонентами являются: H2O18, HDO16 и D2O17. В.М. Мухачев выделил, что в воде содержится:

  • 0,02 % HDO16,

  • 0,04% H2O17,

  • 0,2% H2O18.

Тяжелая вода – жидкость без цвета, вкуса и запаха. Не радиоактивна. Теоретически можно выпить несколько ее стаканов без видимого вреда для здоровья, т.к. весь поступивший в организм дейтерий выходит естественным образом через несколько дней. Поэтому эта жидкость слабо токсична.

Основные характеристики:

  1. pH = 7,41.
  2. М = 20,0 г/моль.
  3. t плавления 3,81°С,
  4. t кипения 101,43°С.
  5. Плотность 1,1042 г/мл.
  6. Максимум плотности (1,10602 г/см3) приходится не на 4°С, как у обычной воды, а на 11,2°С.
  7. При 25°С диэлектрическая проницаемость D2O ДП = 78,06 (у H2O 78,23).

Мнение эксперта
Никита Куприянов
Эксперт в области физики и химии. Имеет большой опыт работы в лабораториях, занимающихся изучением состава воды и способов ее очистки.
Плотность тяжелой воды при 25 °С равна 1,108 г/см3, т.е. она на 11% выше плотности обычной воды. Такой большой величине она обязана наличию тяжелого изотопа водорода – дейтерия, атомный вес которого вдвое больше веса обыкновенного водорода. Отношение давлений насыщенного пара обычной воды к тяжелой при той же температура равно 1,158. Тяжелая вода имеет бо́льшую вязкость, меньший показатель преломления и хуже растворяет соли.

Разбрызгивающаяся вода в стакане

Диэлектрические характеристики тяжелой воды исследованы в интервале температур 300-770 К. Статическая ДП (εs) и время диэлектрической релаксации (τ) D2O падают с ростом температуры и слабо зависят от давления при t ˂ 374°С (критическая температура Ткр). Если ДП продолжает уменьшаться с ростом температуры, то время диэлектрической релаксации возрастает. В сверхкритическом состоянии наблюдается уменьшение времени релаксации с ростом давления. Все эти зависимости по своему характеру совпадают с таковыми для обычной воды.

Таблица 2. Сопоставление диэлектрических свойств обычной и тяжелой воды

t, °С 0 25 50
ε (Н2О) 87,89 78,41 69,91
ε (D2O) 87,65 78,06 69,49

При комнатной температуре τ (Н2О) /τ (D2O) = 1,25; τ (D2O) = 10,3 пс, τ (Н2О) = 8,25 пс. Это соотношение не меняется при сравнительно высоких плотностях. При ρ ˂ 0,3 г/мл отношение уменьшается и приближается к 1.

Химические свойства

Всплеск воды на синем фоне
Молекулы тяжелой воды в естественных условиях почти не встречаются.Это связано с тем, что в результате изотопного обмена превращаются в молекулы, содержащие один атом дейтерия HDO (D<sub>2</sub>O:HDO = 1:3500):

H2O + D2O ↔2HDO.

В смесях с обычной водой этот изотопный обмен протекает с большой скоростью. В результате в разбавленных растворах атомы дейтерия присутствуют в основном в виде HDO.

Обычно (не всегда) химическая реакционная способность соединений дейтерия и трития ниже, чем протиевых. Это особенно относится к реакциям, в которых разрушаются связи водорода с другими атомами.

Известным примером реакции, сопровождающейся высоким изотопным эффектом водорода, служит электрохимическое разложение воды. При определенных условиях электролиза выделение протия происходит в 6 раз быстрее выделения дейтерия. В качестве другого примера можно привести реакцию взаимодействия водорода с хлором. При нулевой температуре легкий водород Н2 вступает в реакцию в 13,4 раза быстрее, чем дейтерий D2 и в 3,72 раза быстрее гидрида трития TH.

В целом законы химических реакций с участием тяжелых изотопов водорода можно описать следующим образом:

  • Тяжелая вода слабее ионизирована, чем Н2О. Константа диссоциации D2O при 298,15 К lgKw = – 14,71 (у Н2О lgKw = – 13,6955).
  • Большая прочность связи D ̶ O, чем H ̶ O, обусловливает различия в кинетике реакций тяжелой и обычной воды.
  • Протолитические реакции и биохимические процессы в D2O значительно замедлены.
  • В тяжелой воде сильно снижается скорость реакций, она не поддерживает жизнь животных и растений.

  • В тяжелой воде по сравнению с обычной уменьшается растворимость: K2Cr2O7 при 5°С на 33,5%, K2SO4 при 25°С на 20,5%.
  • Константа диссоциации слабых кислот и оснований ниже в D2O, чем в H2O, например, для уксусной кислоты 5,1·10–6 в D2O и 1,7·10–5 в H2O.
  • Водородные связи с участием дейтерия несколько сильнее таковых в обычной воде.

Обобщим сказанное.

Таблица 3. Физико-химические характеристики легкой и тяжелой воды

Параметры Окись протия Н2О Окись дейтерия D2O
Жидкая фаза
Относительная атомная масса 1 2
Плотность, г/см3 1 (при 4 °С) 1,1056 (при 11,2 °С)

Температура, °С:

плавления, кипения

0

100

+3,8

101,42
Молярная теплоемкость, кал/моль (при 0 °С) 18,00 20,13
Скрытая теплота испарения, кал/г (при 100 °С) 539 798
Динамическая вязкость при 20 °С, мпз 10,9 12,6

Растворимость (при 25 °С), г/кг

Хлористого натрия NaCl

Хлористого бария BaCl2

359

357

305

289
Поверхностное натяжение, дин/см (при 25 °С) 71,97 71,93
Константа диссоциации (ионизации) 1,1·10–14 2-10–15
Твердая фаза (лед)
Подвижность, см2/сек Протона 0,08 Дейтрона 0,01
Удельная электропроводность, Ом–1·см–1 10,0-10–9 3,6-10–11
Константа скорости диссоциации, сек–1 3,2-10–9 2,7-10–11

Нахождение в природе

Речная вода
Содержание тяжелой воды в природных водах находится в соотношении 1:5500.В 1 т речной воды присутствует около 150 г тяжелой.

В океанской воде ее чуть больше: 165 г на 1 т. В озерах тяжелой воды обнаружено на 15-20 г больше, чем в реках, из расчета на 1 т.

Таблица 4. Изотопный состав природной воды

Молекула воды Содержание в % от всей воды Соответствие содержанию в морской воде
H2016 99,73 –
H2O18 0,2 Магния
H2O17 0,04 Кальция
HDO16 0,02 Калия
HDO18 0,00006 Азота
HDO17 0,00001 Алюминия
D2O16 0,000003 Фосфора
D2O18 0,000000009 Ртути
D2O17 0,000000001 Золота

Влияние тяжелой воды на образование опухолей

Бесцветные молекулы воды
Механизмов образования рака несколько в зависимости от того, на базе какой из молекул он формируется.На основе тяжелой воды D<sub>2</sub>O опухоль формируется следующим образом.

Дейтерий обладает высокой гигроскопичностью, он с жадностью абсорбирует на себе молекулы легкой воды. Вокруг каждого атома дейтерия образуется водяная мицелла. Вода обладает высокой замедляющей способностью нейтронов, поэтому в этой мицелле будет наибольшее замедление нейтронов. Т.к. проникающий в наш организм поток нейтронов обладает некоторой энергией, то те из них, которые при подходе к мицелле замедлились, могут быть захвачены в самой мицелле. В результате захвата нейтрона атомом протия образуется второй атом дейтерия, обладающий высокой гигроскопичностью.

На этом этапе формируются молекулы полутяжелой воды HDO16. Преобразование атомов протия в атомы дейтерия будет продолжаться, при этом каждый дейтерий путем адсорбирования на себе нескольких молекул воды будет поглощать все больше. Так формируется незлокачественная структура с высоким содержанием полутяжелой воды. Постепенно концентрация дейтерия в этом месте увеличивается, опухоль растет в размерах.

Путем захвата нейтронов вторым атомом легкого водорода молекулы воды начинают формироваться в тяжелый вариант – D2O16. Как только концентрация молекул тяжелой воды в пределах формирующейся опухоли перевалит за 50%, структуру этого образования уже формируют молекулы тяжелой воды, опухоль как бы приобретает свойство «нового органа» со своими потребностями в увеличении.

Стаканы с тяжелой водой

Именно эта граница является переходом доброкачественного образования в злокачественное. С этими целями организм насыщает его тяжелой водой, попавшей извне с пищей, кровью и т.д. Молекулы тяжелой воды перестают быть чужаками, т.к. новообразование уже сигнализирует организму о родственности молекул тяжёлой воды.

Мнение эксперта
Никита Куприянов
Эксперт в области физики и химии. Имеет большой опыт работы в лабораториях, занимающихся изучением состава воды и способов ее очистки.
Как только концентрация тяжелой воды достигнет 50%, часть нейтронов начинает поглощаться атомами дейтерия и кислорода-16, приводя к возникновению трития и тяжелого кислорода-17. Это ведет к появлению других молекул HDO17, D2O17, THO16, H2O17, ТDO16 и т.д. Нейтроны с высокой энергией, попадая в организм, замедляются, пронизывают опухоль и захватываются за ее пределами молекулами легкой воды. Так возникают метастазы.

Однако описанный нейтронно-водородный механизм, предложенный Б.Л. Александровым, не является единственной причиной возникновения рака.

Интересное видео по теме:

Часто спрашивают

На чем основано фракционное разделение изотопов водорода?

Более высокая по сравнению с водой масса молекул HDO, D2O и более высокая прочность дейтериевой связи приводят к тому, что тяжелая вода лучше удерживается в жидкой фазе. Отсюда, давление пара тяжёлой воды всегда ниже, чем обычной, и молекулы, содержащие дейтерий, в процессе испарения концентрируются в жидкой фазе.

Где применяется тяжелая вода?

Важнейшим свойством тяжелой воды является то, что она практически не поглощает нейтроны.
- Поэтому в ядерных реакторах она используется в качестве теплоносителя и для замедления нейтронов.
- Также тяжелая вода используется в реакциях термоядерного синтеза, в качестве изотопного индикатора в химии, астрохимии, гидрологии, биологии и физиологии (в частности, в опытах с живыми организмами и при диагностических исследованиях человека).
- В физике элементарных частиц она используется для детектирования нейтрино. Так, крупнейший детектор солнечных нейтрино (Канада) содержит 1000 т тяжелой воды.
Ранее тяжёлая вода применялась для лечения гипертонии (в дозах от 10 до 675 г D2O в день).

Если тяжелая вода – важный компонент при разработке ядерного оружия, то на войне без нее никак?

Гитлеровская Германия была близка к реальному владению ядерным оружием, но союзники помешали этому. Высадив десант в Норвегии, они взорвали завод по производству тяжелой воды. Если бы этого не случилось, исход Второй мировой войны мог оказаться иным.

Из чего еще состоит вода?

В составе обычной воды можно обнаружить не только тяжелую воду. Известна сверхтяжелая вода Т2О (атомная масса трития Т равна 3) и тяжёлокислородная вода, молекулы которой содержат вместо атомов 16О атомы 17О и 18О. Изотопные разновидности воды присутствуют в обычной воде в ничтожных количествах. В природных водах на 1 атом дейтерия приходится 6500-7200 атомов водорода 1H, а чтобы обнаружить один атом трития, надо иметь, по крайней мере, 1018 атомов 1Н.

Почему онкологические заболевания трудно обнаружить на ранних стадиях?

По мере увеличения концентрации дейтерия опухоль увеличивается в размерах не только за счет преобразования атомов протия в дейтерий внутри опухоли, но и за счет превращения протия в дейтерий в молекулах воды на границе с опухолью. В связи с этим формируется некоторый ореол сферического распределения в рассеянном состоянии молекул полутяжелой воды в самой опухоли – диффузный тип опухоли, плотность которой еще мало (примерно на 5%) отличается от плотности нормальной материи. За счёт повышенной концентрации воды в области формирования диффузного новообразования на этой стадии оно может выявиться в виде отечности.
Преобразование в организме легкого водорода в тяжелый создает онкологические заболевания тканей, содержащих большой процент воды. Химические процессы в среде тяжелой воды протекают медленнее, чем в обычной. Тяжелая вода менее токсична, чем, например, поваренная соль. В человеческом организме содержится столько же дейтерия, сколько в 5 г тяжелой воды.