Тяжелой водой называют соединение Дейтерия с кислородом (Формула — D2O). Несмотря на схожесть с обычной водой (H2O), эта связь отличается своими свойствами. При электролизе обычной воды, которая постоянно содержит незначительное количество обычной воды, в первую очередь электрическим током разлагается обычная вода, а тяжелая постепенно накапливается в остатке. В лабораторных условиях, для нужд промышленности, фракционной перегонкой воды, обогащённой молекулами D2O, и получают почти чистую тяжелую воду.

Молекула тяжелой воды

Фракционная перегонка — метод разделения сложной смеси, которая состоит из нескольких ингредиентов, на составляющие части. Также этот вид работы известен как «дробная перегонка».

Химические реакции с тяжелой водой проходят значительно медленнее, чем с обычной. Это связано с отличиями свойств водорода и дейтерия. Для наглядности, можно сравнить физические свойства соединений в таблице.

Физическая постоянна Обычная вода Тяжелая вода
Молекулярная масса 18 20
Плотность при 20 градусах Цельсия, г/см3 0,9982 1,1056
Температура, при которой плотность максимальна, град. Цельсия 4 11,5
Температура замерзания (лёд), град. Цельсия 0 3,82
Температура кипения, град. Цельсия 100 101,42

В 100 г воды при 25 градусов Цельсия растворяется:

NaCl, гр.

 39 30,5
BaCl, гр. 35,7 28,9

При определении влияния D2O на биологические организмы, было установлено, что тяжелая вода:

  • угнетает жизнедеятельность организмов,

  • понижает активность ферментов.

Природа воды

Фото молекулы тяжелой воды
С точки зрения химии, вода бывает нескольких видов:

  • обычная, или протиевая;
  • тяжелая, или дейтериевая;

  • полутяжелая;
  • сверхтяжелая, или тритиевая, но ее в природе почти нет.

Мнение эксперта
Никита Куприянов
Эксперт в области физики и химии. Имеет большой опыт работы в лабораториях, занимающихся изучением состава воды и способов ее очистки.
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 включений окажется очень немного — примерно 150 граммов на тонну. Получается, что тяжелая вода есть повсюду. Проблема в том, как ее обособить. Ныне во всем мире ее добыча связана с огромными затратами энергии и очень сложным оборудованием.

Известно, что дейтерий неблагоприятно действует на все живое. Тяжелая вода ингибирует жизненно важные функции роста и развития многих микроорганизмов.

Сферы применения тяжелой воды

Стакан в воде на темном фоне
Дейтерий в виде тяжелой воды — замедлитель нейтронов в ядерных реакторах.

Дейтероны, которые получают на промышленных предприятиях, путем ионизации атомов дейтерия, используются в качестве бомбардирующих частиц в ядерных реакциях, в частности для получения быстрых нейтронов. Также этот элемент применяется как изотопный индикатор в научных исследованиях в:

  • химии,
  • биологии,
  • физиологии,
  • агрохимии и др. (в т.ч. в опытах с живыми организмами и при диагностических исследованиях человека).

Особое внимание уделяют соединениям дейтерия при спектроскопических исследованиях.

Изделия из монокристаллов на основе KD2(PO)4 применяют для создания систем управления и преобразования лазерного излучения. Дейтерий — ядерное топливо для энергетики будущего, основанной на управляемом термоядерном синтезе. В первых энергетических реакторах такого типа предполагается осуществить реакцию D + T D He + n + 17,6 МэВ.

Ядерные реакторы

В этой сфере тяжелая вода имеет несколько применений:

  • В качестве замедлителя нейтронов, который обеспечивает необходимую скорость синтеза. Благодаря этому исчезает необходимость в установке графитовых стержней, которые опасны на этапе вывода из эксплуатации своей наведенной радиоактивностью и угрозой взрыва пыли.

  • Как практичный носитель, который эффективно отводит тепло из зоны цепной реакции, сравнительно доступный по цене и, что важно, инертный. Также используется благодаря тому, что не забирает часть энергии, которая выделяется в процессе синтеза.

Ядерный реактор

Наибольшее признание тяжелая вода получила при использовании ее в ядерных реакторах. Она является замедлителем нейтронов, которые образуются при реакциях деления ядер. Замедляя нейтроны, тяжелая вода повышает вероятность протекания дальнейших ядерных реакций, что делает ее необходимой для работы некоторых типов реакторов.

Современные физики рассматривают ее в качестве топлива будущего, а некоторые даже заявляют, что она станет источником бесконечной энергии. С ее помощью уже можно управлять термоядерным синтезом (пусть пока и с ограничениями), и ожидается, что с ее помощью удастся провести сверхвыгодные реакции вроде:

D + T → 4He + η + 17,6 МэВ

Перспективность считается настолько высокой, что ее наличие и коммерческий оборот в ряде стран находится под жестким государственным надзором. Это как раз та ситуация, в которой запреты и ограничения оправданы, так как позволяют защититься от создания неконтролируемых, а соответственно и опасных установок, работающих на природном уране.

Важную роль играет и возможность обнаружения нейтрино именно с помощью D2O. Около 1000 ее тонн содержится в SNO, то есть в крупнейшем детекторе мира, комплексе оборудования, расположенном в Канаде.

Ядерное оружие

Тяжелая вода использовалась при создании ядерного оружия, особенно на ранних этапах разработки ядерного оружия во время Второй мировой войны. Она использовалась в качестве замедлителя в реакторах для получения оружейного плутония, а также как компонент для производства трития — ключевого компонента термоядерного оружия.

Спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР)

В научных исследованиях тяжелая вода используется в качестве растворителя в спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Благодаря ее свойствам ученые могут изучать структуру и поведение различных молекул и соединений, особенно содержащих атомы водорода, используя уникальные свойства дейтерия.

Изотопное мечение

Тяжелая вода нужна в биохимических и фармацевтических исследованиях для изотопного мечения. Заменяя в молекулах атомы водорода на атомы дейтерия, ученые могут проследить пути и метаболические процессы этих молекул. Это помогает в разработке лекарств и понимании биологических механизмов.

Торможение нейтронов в физике элементарных частиц

Тяжелая вода играет важную роль в экспериментах по физике элементарных частиц в качестве замедлителя нейтронов. Она помогает создать контролируемую среду для изучения субатомных частиц, способствуя нашему пониманию фундаментальных частиц и сил во Вселенной.

А также в области гидрологии, биологии и других сферах, для которых только может быть актуальным использование оксида дейтерия.

Например, в небольших концентрациях он препятствует размножению и распространению бактерий, грибков и других вредных микроорганизмов, и эту особенность взяла на вооружение экспериментальная медицина.

Рассуждая о том, что такое тяжелая вода и где применяется, нужно отметить, что ученые в течение десятилетий проводили глобальные и комплексные исследования. И установили несколько любопытных закономерностей, возникающих при определенном проценте суточного содержания D2O в употребляемой в пищу жидкости:

  1. Уменьшение на 20 — 25% — крупный рогатый скот начинает активнее набирать вес, а куры — лучше нестись.
  2. Увеличение до 50% — организм приобретает антимутагенные свойства, что способствует росту биологической массы и ускоренному половому созреванию.
  3. Накопление свыше 70% — могут отступить раковые болезни, но это также сопровождается резким преждевременным старением, ухудшением обменных процессов, отказом органов, а впоследствии и смертью.

Естественно, все медицинские опыты (тем более что они показывают столь неоднозначные результаты) пока проводились на животных, но не на людях.

Влияние тяжелой воды на человека

Молекулы воды
Содержание оксида дейтерия в простой воде крайне мало.Ученые подсчитали, что за всю жизнь человек выпивает совсем немного тяжеловодородной воды — не более 15 л.

Это не оказывает существенного влияния на организм. Даже если за день употребить литр дейтериевой воды, вместо обычной, на состоянии человека это никак не скажется. В течение двух недель он полностью выведется из тканей организма.

Опасно регулярное употребление данного материала, по следующей причине: накапливаясь в клетках, оно нарушает целостность молекул ДНК и вызывает замедление обменных процессов.

Ученые предпринимали попытки использовать замедляющий эффект дейтерия для лечения злокачественных новообразований. И хотя опухоли действительно переставали расти, исход экспериментов всегда был неутешителен: животные погибали. Но исследователи не прекращают попытки найти возможность применения 2H2O в медицине.

Тяжелая вода и раковые заболевания

Раковые клетки
За рубежом пробовали поить тяжелой водой мышей со злокачественными опухолями.Та вода оказалась по настоящему мертвой: и опухоли губила, и мышей.

Российские исследователи взялись за «облегченную» воду. Эксперименты проводили на 3 моделях перевиваемых опухолей:

  • карцинома легких Льюис,

  • быстро растущая саркома матки,

  • рак шейки матки, который развивается медленно.

«Бездейтериевую» воду исследователи получали по технологическим указаниям, которые были разработаны в Институте космической биологии. В основе метода лежит электролиз дистиллированной воды:

  1. В опытных группах животные с перевитыми опухолями получали воду с пониженным содержанием дейтерия.
  2. В контрольных группах — обычную.

Животные начали пить «облегченную» и контрольную воду в день перевивки опухоли и получали ее до последнего дня жизни.

Вода с пониженным содержанием дейтерия задерживает появление первых узелков на месте перевивки рака шейки матки. На время возникновения узелков других типов опухоли облегченная вода не действует. Но последствия не заставили себя ждать, во всех опытных группах, начиная с первого дня измерений и практически до завершения эксперимента, объем опухолей был меньше, чем в контрольной группе. К сожалению, хотя тяжелая вода и тормозит развитие всех исследованных опухолей, жизнь экспериментальным мышам она не продлевает.

Мнение эксперта
Татьяна Любимова
Заведующая кафедрой нефтяной геологии, гидрогеологии и геотехники КубГУ. Доцент, кандидат геолого-минералогических наук. Татьяна Владимировна закончила Саратовский госуниверситет им. Н.Г. Чернышевского, получив диплом инженера-геолога-гидрогеолога. Прошла переподготовку по специальности «Педагогическая деятельность специалиста в сфере высшего, среднего и начального профессионального образования».
Наибольшую ценность тяжелая вода представляет для ученых, которые уже давно нашли ей применение в различных областях. Это позволяет оптимизировать и улучшить рабочие процессы, получать необходимые результаты. Большинство людей знает только малую часть информации, которая доступна о веществах. Но этого вполне достаточно чтобы обезопасить себя от вредного воздействия вещества.

Интересное видео по теме:

Наиболее распространенные вопросы

Правда ли то, что при повторном кипячении воды из — под крана, она становится «тяжелой»?

После повторной термической обработки, вода действительно содержит примеси, которые нежелательно употреблять в пищу. Но содержание дейтерия в подобных смесях ничтожно мало, так что это не делает воду опасной.

Как еще называют соединение D2O?

В мире физики и химии, этот состав получил название «тяжелая вода». Однако биологи назвали ее «мертвой» за способность угнетать процессы жизнедеятельности.

Если дейтеривую воду называют «мертвой», следовательно, должна быть и «живая»?

Состав с пониженным содержанием дейтерия, действительно назвали «живой водой». В Московской гор. больнице, где лечились атомщики, ученые впервые использовали ее для вспомогательного лечения в качестве эксперимента. Но он не принес желаемых результатов. Несмотря на фантастику из мира кино, она не способна оживлять людей и лечить болезни.

Можно ли отличить обычную воду от «тяжелой» без специального анализа?

Смесь имеет повышенную плотность, за счет чего увеличивается вязкость продукта. Общие параметры, например, вкус и запах, не отличаются.

Если получение состава на нашей планете настолько дорого, возможно ли его найти за пределами Земли?

В космосе следов «тяжелой воды» не обнаружено.