Qu'est-ce qui est plus lourd que l'eau ? Qu'est-ce que l'eau lourde ? Diluer l'alcool avec de l'eau

M. ADJIEV

L'eau lourde est très chère et rare. Cependant, si vous pouvez trouver un produit bon marché et manière pratique en l'obtenant, les domaines d'application de cette ressource encore rare s'élargiront considérablement. De nouvelles pages peuvent s'ouvrir en chimie et en biologie, et celles-ci incluent de nouveaux matériaux, des composés inconnus et peut-être des formes de vie inattendues.

Riz. 1.
Les molécules d’eau sont solidement liées les unes aux autres et forment une structure moléculaire stable qui résiste à toutes les influences extérieures, notamment thermiques. (C’est pourquoi, pour transformer l’eau en vapeur, vous devez lui appliquer beaucoup de chaleur.) La structure moléculaire de l’eau est maintenue par un cadre de liaisons mécaniques quantiques spéciales, appelées liaisons hydrogène en 1920 par deux chimistes américains Latimer et Rodebush. Toutes les propriétés anormales de l'eau, y compris son comportement inhabituel en matière de congélation, sont expliquées en termes de concept de liaisons hydrogène.

L’eau dans la nature se décline en plusieurs « qualités ». Régulier ou protium (H 2 O). Lourd, ou deutérium (D 2 O). Super-lourd, ou tritium (T 2 O), mais il est quasiment absent dans la nature. L'eau diffère également par sa composition isotopique en oxygène. Au total, il existe au moins 18 variétés isotopiques.

Si nous ouvrons le robinet d’eau et remplissons la bouilloire, nous n’obtiendrons pas d’eau homogène, mais un mélange de celle-ci. Dans ce cas, il y aura très peu d’« inclusions » de deutérium – environ 150 grammes par tonne. Il s’avère que l’eau lourde est partout – dans chaque goutte ! Le problème est de savoir comment le prendre. Aujourd’hui, son extraction partout dans le monde implique d’énormes dépenses énergétiques et des équipements très complexes.

Cependant, on suppose que sur la planète Terre, de telles situations naturelles sont possibles lorsque l'eau lourde et l'eau ordinaire sont séparées pendant un certain temps - le D 2 O d'un état dispersé et « dissous » passe à un état concentré. Alors, peut-être y a-t-il des dépôts d’eau lourde ? Il n’y a pas encore de réponse claire : aucun des chercheurs n’a encore abordé cette question.

Et en même temps on sait que caractéristiques physico-chimiques D 2 O est complètement différent de H 2 0 - son compagnon constant. Ainsi, le point d’ébullition de l’eau lourde est de +101,4°C et elle gèle à +3,81°C. Sa densité est 10 pour cent supérieure à la normale.

Il convient également de noter que l'origine de l'eau lourde est apparemment purement terrestre : aucune trace n'a été trouvée dans l'espace. Le deutérium est formé à partir du protium en raison de sa capture d'un neutron du rayonnement cosmique. Les océans, les glaciers et l'humidité atmosphérique de la planète sont des « usines » naturelles d'eau lourde.

Riz. 2. Dépendance de la densité de l'eau ordinaire et lourde sur la température. La différence de densité entre l'un et l'autre type d'eau dépasse 10 %, et des conditions sont donc possibles lorsque la transition vers un état solide lors du refroidissement se produit d'abord dans l'eau lourde, puis dans l'eau ordinaire. Quoi qu’il en soit, la physique n’interdit pas l’apparition de zones de phase solide avec contenu accru deutérium. Une telle glace « lourde » sur le diagramme correspond à une zone ombrée. Si l’eau était « normale » et non un liquide anormal, alors la dépendance de la densité à la température aurait la forme représentée par la ligne pointillée.

Ainsi, puisqu'il existe une différence notable de densité entre D 2 O et H 2 O, c'est la densité, ainsi que l'état d'agrégation, qui peuvent servir de critère le plus sensible dans la recherche d'éventuels gisements d'eau lourde - après tout, ces critères sont liés à la température ambiante. Et comme tu le sais, environnement le plus « contrasté » dans les hautes latitudes de la planète.

Mais il existe désormais une opinion selon laquelle les eaux des hautes latitudes sont pauvres en deutérium. La raison en était les résultats d'études sur des échantillons d'eau et de glace du Grand Lac de l'Ours au Canada et d'autres plans d'eau du Nord. Des variations de la teneur en deutérium selon les saisons ont également été découvertes : en hiver, par exemple, il y en a moins dans le fleuve Columbia qu'en été. Ces écarts par rapport à la norme étaient associés aux particularités de la répartition des précipitations atmosphériques qui, comme on le suppose généralement, « répandaient » le deutérium sur toute la planète.

Il semble qu’aucun des chercheurs n’ait immédiatement remarqué la contradiction cachée dans cette affirmation. Oui, les précipitations affectent la répartition du deutérium dans les masses d’eau de la planète, mais elles n’affectent en aucun cas le processus global de formation du deutérium !

Lorsque l'automne arrive dans le Nord, commence le refroidissement rapide de la masse d'eau des rivières, qui est accéléré par l'influence du pergélisol, et en même temps se produit l'association des molécules H 2 O. Enfin, le moment critique de densité maximale se produit. arrive - la température de l'eau est partout juste en dessous de + 4°C. Et puis dans la zone proche du fond, dans certaines zones, la glace sous-marine meuble gèle intensément.

Contrairement à glace ordinaire il n'a pas de réseau cristallin régulier, il a une structure différente. Les centres de sa cristallisation sont différents : cailloux, chicots et irrégularités diverses, pas nécessairement situées au fond et associées au sol gelé. La glace meuble apparaît sur les rivières profondes avec un écoulement calme – laminaire.

La formation de glace sous-marine se termine généralement par des banquises flottant à la surface, bien qu'à l'heure actuelle, il n'y ait pas d'autre glace. De la glace sous-marine apparaît parfois en été. La question se pose : quelle est cette « eau dans l'eau » qui change d'état d'agrégation lorsque la température d'équilibre dans la rivière est trop élevée pour que l'H 2 O ordinaire se transforme en glace, de sorte que, comme disent les physiciens, une transition de phase se produit?

On peut supposer que la glace meuble représente des concentrations enrichies en eau lourde. À propos, si tel est le cas, vous devez vous rappeler que l'eau lourde ne se distingue pas de l'eau ordinaire, mais que sa consommation à l'intérieur du corps peut provoquer une intoxication grave. D'ailleurs, résidents locaux Les hautes latitudes n'utilisent pas la glace des rivières pour cuisiner, mais uniquement la glace des lacs ou la neige.

Le « mécanisme » de transition de phase du D 2 O dans la rivière est très similaire à celui utilisé par les chimistes dans les colonnes dites de cristallisation. Ce n'est que dans la rivière du nord que la « colonne » s'étend sur des centaines de kilomètres et n'est pas si contrastée en termes de température.

Si l'on garde à l'esprit que des centaines et des milliers de mètres cubes d'eau traversent en peu de temps les centres de cristallisation de la rivière, à partir desquels elle se transforme en glace - gèle - voire un millième de pour cent, alors cela suffit pour parler du capacité de l’eau lourde à se concentrer, des dépôts se forment alors.

Seule la présence de telles concentrations peut expliquer le fait avéré qu'en hiver dans les réservoirs du nord pourcentage le deutérium diminue sensiblement. Et les eaux polaires, comme le montrent les échantillons, sont également pauvres en deutérium, et dans l'Arctique, il est probable qu'il y ait des zones où flottent principalement des banquises enrichies en deutérium - après tout, la glace de fond meuble apparaît en premier et fond en dernier.

De plus, comme l’ont montré des études, les glaciers et la glace des hautes latitudes sont généralement plus riches en isotopes lourds que les eaux qui lavent la glace. Par exemple, dans le sud du Groenland, dans la zone de la station Dai-3, des anomalies isotopiques ont été identifiées à la surface des glaciers, et l'origine de ces anomalies n'a pas encore été expliquée. Cela signifie que des banquises enrichies en deutérium peuvent également apparaître. L'enjeu, comme on dit, est petit : nous devons trouver ces gisements encore hypothétiques d'eau lourde.

M. ADJIEV, géographe.

Sources d'informations:

1. L. Kulsky, V. Dahl, L. Lenchina. L'eau est familière et mystérieuse.
   – K. : « École Radyanska », 1982.
2. Science et Vie n°10, 1988.

Un litre est une unité de volume pour substances liquides. Les litres peuvent également être utilisés pour mesurer des solides en vrac avec une fraction assez fine. Pour les autres solides utiliser la notion mètre cube(décimètre, centimètre). La définition du terme et du concept de litre a été formulée par la Conférence générale des poids et mesures en 1901. La définition est la suivante : 1 litre est le volume d'un kilogramme d'eau pure eau fraicheà pression atmosphérique 760 millimètres Mercure et température +3,98°C. A cette température, l'eau atteint sa plus grande densité.

Après avoir franchi le seuil de température de +3,98°C, la densité de l'eau recommence à diminuer et à +8°C elle atteint à nouveau les mêmes valeurs qu'à zéro.

La vapeur, l'eau et la glace sont des états d'une même substance dont la molécule contient deux atomes d'hydrogène et un atome d'oxygène. La différence entre l'eau dans état liquide et solide réside dans les particularités des structures intermoléculaires. Dans une substance liquide, l’eau a une densité plus élevée que dans une substance solide.

Qu'est-ce qui est plus lourd ?

Si, par exemple, de l'eau est versée dans un récipient, son volume sera égal à un litre. Si vous congelez cette eau, alors avec la même masse de 1 kg, l'eau, gelant, aura tendance à occuper plus d'espace dans un vaisseau. Navire fermé limité à une capacité de 1 m². dm (1 litre), la glace se brisera. Il s'avère qu'avec la même masse de liquide et d'eau gelée, la glace aura un volume plus important, ce qui violera la condition d'origine.

Si vous congelez un litre avec 1 000 ml d'eau (1 litre), environ 80 ml d'eau en sortiront pendant le processus de durcissement. Et pour obtenir 1 litre de glace, il suffit de congeler 920 ml d'eau.

Si nous supposons initialement des volumes égaux et limitons l’eau gelée – un morceau de glace – à la taille d’un cube dont le côté est égal à 1 dm (1 l), alors sa masse deviendra inférieure au kilogramme d’origine. Comment pourrait-il en être autrement si vous coupez et retirez une partie de la glace, en ajustant le cube à un volume donné. Par conséquent, l’eau dans un volume d’un litre est plus lourde que la glace dans le même volume.

Geler et restaurer

Aujourd’hui, il est de plus en plus difficile de trouver de l’eau naturelle et propre. Surtout en milieu urbain, où, avant d'entrer dans l'appartement, il est filtré, chloré et soumis à d'autres types de traitements physiques et chimiques. Eau pure devient rare, le coût de l’eau extraite de puits artésiens croissance. Cependant, il s'avère que l'eau retrouve sa structure et son énergie d'origine après congélation - elle est purifiée. Par conséquent : buvez de l’eau de fonte ! Ce n’est pas pour rien que toutes les plantes y réagissent si bien au printemps et que les animaux en boivent avec plaisir.

Capacité incroyable le flottement et le pli de la glace à la surface de l'eau ne s'expliquent que par des propriétés physiques élémentaires, qui sont étudiées au cours des cours secondaires et lycée. C'est un fait bien connu que les substances ont tendance à se dilater lorsqu'elles sont chauffées, comme le mercure dans un thermomètre. De plus, lorsque la température baisse, l'eau gèle et augmente de volume, formant une croûte de glace à la surface des réservoirs.

L'augmentation du volume d'eau gelée joue souvent un tour cruel à ceux qui oublient les récipients contenant du liquide par temps froid. L'eau déchire littéralement le récipient.

L’opinion selon laquelle des pores microscopiques remplis d’air apparaissent dans la couche de glace nouvellement formée n’est pas erronée, mais elle ne peut pas non plus expliquer correctement le fait de flotter. Conformément aux principes dérivés et formulés par l'ancien scientifique grec, appelés plus tard loi d'Archimède, les corps immergés dans un liquide en sont poussés avec une force égale aux caractéristiques pondérales du liquide déplacé par ce corps.

Physique de l'eau

On sait avec certitude que la glace est environ un dixième plus légère que l'eau, c'est pourquoi icebergs géants immergés dans l'océan pour environ les neuf dixièmes de leur volume total et seule une petite fraction est visible. Ces poids s'expliquent par les propriétés du réseau cristallin qui, dans l'eau, comme on le sait, n'a pas de structure ordonnée et se caractérise par un mouvement et une collision constants de molécules. Cela explique davantage haute densité l'eau par rapport à la glace, dont les molécules sous l'influence des basses températures présentent une faible mobilité et une faible composante énergétique et, par conséquent, une densité plus faible.

On sait également que l'eau atteint sa densité et son poids maximum à une température de 4°C ; une diminution supplémentaire entraîne une expansion et une diminution de l'indice de densité, ce qui explique les propriétés de la glace. C’est pourquoi, dans les réservoirs, l’eau lourde à quatre degrés coule au fond, permettant à l’eau plus froide de monter et de se transformer en glace qui ne coule pas.

La glace a des propriétés spécifiques, par exemple, elle est résistante aux éléments étrangers, a une faible réactivité, se distingue par la mobilité des atomes d'hydrogène et a donc une faible limite d'élasticité.

Il est clair que cette propriété est fondamental pour la préservation de la vie sur Terre, car si la glace avait la propriété de s'enfoncer sous la colonne d'eau, avec le temps, tous les réservoirs de la Terre après une baisse de température pourraient se remplir de couches se formant constamment à la surface de la glace. , ce qui conduirait à catastrophe naturelle et la disparition complète de la flore et de la faune des plans d'eau de l'équateur aux pôles opposés.

À la question : la glace est-elle plus lourde que l’eau ? donné par l'auteur MS. la meilleure réponse est qu'on sait que l'eau est présente dans les solides état d'agrégation comporte 7 phases connues de la science. La glace ordinaire est plus légère que l’eau d’environ un dixième, à volume égal. Lors de la compression volumétrique, la densité change brusquement en fonction du réseau cristallin correspondant à la pression. La glace la plus dense est 2,4 fois plus lourde que l'eau et plus dure que le fer ordinaire ; elle fond à une température de +70 C.

Réponse de Marina Martine[gourou]
Plus facile

Réponse de [email protégé] [gourou]
rien de semblable à ça

Réponse de ry[gourou]
Si c’est à propos de la tête, alors oui, mais la densité est la même

Réponse de Ivan Sipachev[gourou]
Il flotte! Plus facile.

Réponse de Masha Bouloichik[gourou]
si la glace avait été plus lourde, il se serait noyé))

Réponse de Andreï Vischivkine[gourou]
No Water est une substance unique : la plus grande densité spécifique a en phase LIQUIDE, à une température de +4 degrés Celsius. Par conséquent, la glace flotte à la surface des réservoirs et un pot d'eau éclate lorsqu'il gèle.

Réponse de Lyuda Dm...[gourou]
le poids est la masse attirée par la force de gravité vers la terre... lorsque l'eau se transforme en glace, la masse reste la même, si l'on ne tient pas compte de l'évaporation au moment de la glaciation... :))
mais un glaçon du toit « plus lourd » vous frappera à la tête. . parce que le poids tombera sur son extrémité pointue. . La force de pression dépend de la zone sur laquelle la masse appuie...

Réponse de VADIM[actif]
l'eau est plus lourde, certainement

Réponse de Poligraf Poligrafovitch[expert]
Non! La glace est plus lourde. Autrement, la force centrifuge de la Terre pousserait l’eau vers la surface et la glace coulerait au fond. De plus, les substances se dilatent lorsqu'elles sont chauffées. L’eau est de la glace fondue, elle est donc naturellement plus légère. (blague) .
En fait, ils appartiennent aux mêmes catégories de poids. Et la glace pend à la surface des rivières uniquement parce que les processus de « cavitation » accompagnant le processus de cristallisation de la substance (en dans ce cas- liquides) avec une diminution de température, desserre son nouvel état par la présence de gaz (vides). Ils donnent à la substance gelée la capacité de « flotter ». En général, les notions de « plus léger et plus lourd » sont plus appropriées au comptoir du magasin. Car si vous percez un trou discret dans l'un des pains de saucisses identiques et grattez le contenu, leur poids différera.
L’eau est de la glace dont la « graisse » a été fondue. Il est plus facile pour un gros homme de flotter sur l’eau que pour un homme mince.
Lorsqu'un liquide bout, sa partie la plus chaude, étant plus légère (moins dense), est expulsée davantage vers l'extérieur. eau froide sous l'influence de la gravité à la surface. Il s'y refroidit, s'alourdit et remplace à nouveau des couches moins denses, relâchées par les gaz multi-expansés dissous dans le liquide et constituant le liquide.
Essayez de jeter un pied de biche dans l'acier en fusion. Il restera dans la fonte comme un glaçon dans l'eau et sautera à la surface.
Phew... J'en ai marre de dire des bêtises... Que faire : une fois par semaine, vous devez répondre à quelque chose.... Pas de chance pour l'eau....

Voir

glace Voir liquide transparent sans couleur,
goût et odeur Numero CAS Propriétés Densité
et état des phases 1104,2 kg/m³, liquide
1017,7 kg/m³, solide (au no.) Solubilité Légèrement soluble dans l'éther diéthylique ;
Miscible avec l'éthanol;
Se mélange avec de l'eau ordinaire
dans toutes les proportions. chaleur spécifique 4,105 kJ/Kkg Point de fusion 3,81 °C (276,97 K) Point d'ébullition 101,43 °C (374,55 K) Constante de dissociation
acides (p K un) Viscosité 0,00125 Pa.s (0,0125 ps) à 20 °C

Eau lourde(Aussi oxyde de deutérium) - ce terme est généralement utilisé pour désigner l'eau lourdement hydrogénée. L'eau hydrogène lourde a la même formule chimique que l'eau ordinaire, mais au lieu d'atomes de l'isotope léger habituel de l'hydrogène (protium), elle contient deux atomes de l'isotope lourd de l'hydrogène - le deutérium. La formule de l'eau lourde hydrogénée s'écrit généralement D 2 O ou 2 H 2 O. Extérieurement, l'eau lourde ressemble à de l'eau ordinaire - un liquide incolore sans goût ni odeur.

Histoire de la découverte

Des molécules d'eau hydrogène lourde ont été découvertes pour la première fois dans eau naturel Harold Urey en 1932, pour lequel le scientifique reçut le prix Nobel de chimie en 1934. Et déjà en 1933, Gilbert Lewis isolait de l'eau pure hydrogène lourde.

Propriétés

Propriétés eau lourde

Masse moléculaire	20h03 amu
La pression de vapeur	10 mm. art. Art. (à 13,1 °C), 100 mm. art. Art. (à 54 °C)
Indice de réfraction	1,32844 (à 20 °C)
Enthalpie de formation Δ H	−294,6 kJ/mol (l) (à 298 K)
Éducation énergétique Gibbs g	−243,48 kJ/mol (l) (à 298 K)
Entropie de l'éducation S	75,9 J/mol K (l) (à 298 K)
Capacité thermique molaire Cp	84,3 J/mol K (lg) (à 298 K)
Enthalpie de fusion Δ H PL	5,301 kJ/mole
Enthalpie d'ébullition Δ H balle	45,4 kJ/mole
Pression critique	21,86 MPa
Densité critique	0,363 g/cm³

Être dans la nature

Dans les eaux naturelles, il y a un atome de deutérium pour 6 400 atomes de protium. La quasi-totalité est contenue dans les molécules de DHO, une de ces molécules représente 3 200 molécules d'eau légères. Seule une très petite fraction des atomes de deutérium forme des molécules d'eau lourde D 2 O, puisque la probabilité que deux atomes de deutérium se rencontrent dans une molécule dans la nature est faible (environ 0,5·10 −7). Avec une augmentation artificielle de la concentration de deutérium dans l'eau, cette probabilité augmente.

Rôle biologique et effets physiologiques

L'eau lourde n'est que légèrement toxique, réactions chimiques dans son environnement, elles se produisent un peu plus lentement que l'eau ordinaire, et les liaisons hydrogène impliquant le deutérium sont un peu plus fortes que d'habitude. Des expériences sur des mammifères (souris, rats, chiens) ont montré que le remplacement de 25 % de l'hydrogène des tissus par du deutérium conduit à une stérilité, parfois irréversible. Des concentrations plus élevées entraînent la mort rapide de l'animal ; Ainsi, les mammifères qui ont bu de l'eau lourde pendant une semaine sont morts lorsque la moitié de l'eau de leur corps était deutérée ; les poissons et les invertébrés ne meurent que lorsque l'eau du corps est deutérée à 90 %. Les protozoaires sont capables de s'adapter à une solution à 70 % d'eau lourde, et les algues et les bactéries sont capables de vivre même dans de l'eau lourde et propre. Une personne peut boire plusieurs verres d'eau lourde sans aucun danger visible pour la santé ; tout le deutérium sera éliminé du corps en quelques jours.
Ainsi, l’eau lourde est beaucoup moins toxique que, par exemple, le sel de table. L'eau lourde a été utilisée pour traiter l'hypertension artérielle chez l'homme à des doses quotidiennes allant jusqu'à 1,7 g de deutérium par kg de poids du patient.

Des informations

L'eau lourde s'accumule dans les résidus d'électrolyte lors d'électrolyses répétées de l'eau. Sur en plein air L’eau lourde absorbe rapidement la vapeur de l’eau ordinaire, on peut donc dire qu’elle est hygroscopique. La production d'eau lourde est très gourmande en énergie, son coût est donc assez élevé (environ 19 dollars le gramme en 2012).

Nombre total de modifications isotopiques de l'eau

Si l’on compte tous les composés non radioactifs possibles avec formule générale H 2 O, alors total Il n’existe que neuf modifications isotopiques possibles de l’eau (puisqu’il existe deux isotopes stables de l’hydrogène et trois de l’oxygène) :

• H 2 16 O - eau légère, ou juste de l'eau
• H 2 17 O
• H 2 18 O - eau lourde oxygénée
• HD 16 O - eau semi-lourde
• HD 17 O
• HD 18 O
• D 2 16 O - eau lourde
• D 2 17 O
• D 2 18 O

En tenant compte du tritium, leur nombre passe à 18 :

• T 2 16 O - eau super lourde
• T 2 17 O
• T 2 18 O
• DT 16 O
• DT 17 O
• DT 18 O
• HT 16 O
• HT 17 O
• HT 18 O

Ainsi, sauf commun, le plus commun dans la nature eau "légère" 1 H 2 16 O, il y a au total 8 « eaux lourdes » non radioactives (stables) et 9 « eaux lourdes » faiblement radioactives.

Au total nombre total« eaux » possibles, en tenant compte de tous les isotopes connus de l'hydrogène (7) et de l'oxygène (17), est formellement égale à 476. Cependant, la désintégration de presque tous radioactif les isotopes de l'hydrogène et de l'oxygène apparaissent en quelques secondes ou fractions de seconde (une exception importante est le tritium, qui a une demi-vie de plus de 12 ans). Par exemple, tous les isotopes de l’hydrogène plus lourds que le tritium vivent environ 10 à 20 s ; pendant cette période aucun liaisons chimiques ils n'ont tout simplement pas le temps de se former et, par conséquent, il n'existe pas de molécules d'eau contenant de tels isotopes. Les radio-isotopes de l'oxygène ont des demi-vies allant de plusieurs dizaines de secondes à des nanosecondes. Par conséquent, des échantillons macroscopiques d’eau contenant de tels isotopes ne peuvent pas être obtenus, bien que des molécules et des microéchantillons puissent être obtenus. Il est intéressant de noter que certaines de ces modifications radio-isotopiques de courte durée de l’eau sont plus légères que l’eau « légère » ordinaire (par exemple, 1 H 2 15 O).

L'eau lourde est de l'eau dans laquelle l'hydrogène « ordinaire » 1 H (léger) est remplacé par l'isotope lourd 2 H - deutérium (D). L’eau lourde, comme l’eau ordinaire, n’a ni couleur, ni goût, ni odeur.

Actuellement, trois isotopes de l'hydrogène sont connus : 1 H, 2 H(D), 3 H(T). Le plus léger d’entre eux, 1 H, est appelé protium. L'eau ordinaire en est presque entièrement constituée ; elle contient en partie de l'hydrogène plus lourd - du deutérium (D) et du tritium super-lourd (T). Il existe trois isotopes de l'oxygène : 16 O, lourd 18 O et très peu dans la nature 17 O. À l'aide de puissants accélérateurs et réacteurs, les physiciens ont obtenu cinq autres isotopes radioactifs de l'oxygène : 13 O, 14 O, 15 O, 19. O, 20 O. Leur durée de vie est très courte - elle se mesure en plusieurs minutes, puis, en se désintégrant, ils se transforment en isotopes d'autres éléments.

Dans la composition de l’eau ordinaire, on ne trouve pas seulement de l’eau lourde. L'eau superlourde T 2 O est connue ( masse atomique tritium - T est 3) et l'eau oxygénée lourde, dont les molécules contiennent 17 O et 18 atomes d'O au lieu de 16 atomes d'O, sont présentes dans l'eau ordinaire en quantités infimes. Dans les eaux naturelles, il y a 6 500 à 7 200 atomes d'hydrogène 1H par atome de deutérium, et pour détecter un atome de tritium, vous devez avoir au moins 10 18 atomes 1H.

Après la découverte de l’eau lourde, les scientifiques ont d’abord été tellement surpris qu’ils ont considéré l’eau lourde comme une curiosité chimique. Mais la surprise fut de courte durée. Le physicien italien Enrico Fermi, qui a mené des expériences sur le terrain Physique nucléaire, s'est rendu compte que l'eau lourde avait une énorme importance militaire. Depuis, les événements qui se déroulent autour de cet étrange liquide sont pleins de drames et du plus profond secret. Et tout cela parce que le sort de l'eau lourde était étroitement lié au développement énergie nucléaire. Cette eau est utilisée dans les réacteurs nucléaires comme liquide de refroidissement et modérateur de neutrons.

Les constantes physico-chimiques de base de l’eau ordinaire et de l’eau lourde diffèrent considérablement. L'eau ordinaire, sa vapeur d'eau et sa glace, dont la composition est exprimée par la formule chimique H 2 O, a un poids moléculaire de 18,0152 g. La glace se forme à 0°C (273 K) et l'eau bout à 100°C. (373 Ko). L'eau lourde se transforme en glace à 3,813 °C et de la vapeur se forme à 101,43 °C. La viscosité de l'eau lourde est 20 % supérieure à celle de l'eau ordinaire et la densité maximale est observée à une température de 11,6 °C. Son formule chimique D 2 O, où l'hydrogène est remplacé par du deutérium, dont la masse atomique est 2 fois supérieure. L'oxyde de deutérium a un poids moléculaire de 20,027. Sa densité est 10 % supérieure à celle de l’eau ordinaire. C'est pourquoi on l'appelle eau lourde.

L’eau lourde, comme l’ont découvert les scientifiques, supprime tous les êtres vivants. Ce sont les propriétés nettement polaires qui distinguent l’eau de deutérium de l’eau de protium ordinaire. L'eau lourde ralentit les processus biologiques et a un effet déprimant sur les organismes vivants. Les microbes meurent dans l'eau lourde, les graines ne germent pas, les plantes et les fleurs se fanent lorsqu'elles sont arrosées avec cette eau. L'eau lourde a un effet néfaste sur les animaux. Et par personne ? Malheureusement, nous ne savons toujours pas tout sur l’eau lourde.

Dans 1 tonne d'eau de rivière, il y a environ 150 g d'eau lourde. Il y en a un peu plus dans l'eau des océans : 165 g pour 1 tonne. Dans les lacs, on a trouvé 15 à 20 g d'eau lourde de plus que dans les rivières, pour 1 tonne. eau de pluie contient plus d'oxyde de deutérium que la neige. De telles différences semblent étranges, car toutes deux sont des précipitations d’origine atmosphérique. Oui, il existe une source, mais la teneur en eau lourde est différente. Ainsi, les eaux des rivières, des lacs, des sols et des mers ont une composition isotopique très différente et, par conséquent, en tant qu'objets utilisés pour obtenir de l'eau lourde, elles sont loin d'être équivalentes. Il fut un temps où elle était considérée comme " eau morte" et ils pensaient que la présence d'eau lourde dans l'eau ordinaire ralentissait le métabolisme et contribuait au vieillissement de l'organisme. Certains chercheurs associent des cas de longévité dans le Caucase à une diminution de l'oxyde de deutérium dans les ruisseaux de montagne d'origine glaciaire et atmosphérique. L'émergence de les déserts, la disparition d'oasis et la mort de civilisations entières de l'Antiquité ne sont pas rares, attribués à l'accumulation d'oxyde de deutérium dans l'eau potable. Cependant, jusqu'à présent, ce ne sont que des hypothèses, de vagues suppositions, non confirmées par des résultats expérimentaux.

On suppose que les molécules d'eau lourde D 2 O dans conditions naturelles ne se produisent pratiquement pas et les molécules avec un atome de deutérium prédominent - HDO.

La masse légèrement plus grande des molécules HDO et D 2 O et la force accrue de la liaison deutérium contribuent au fait que l'eau lourde est retenue plus activement dans la phase liquide par rapport à l'eau ordinaire. Par conséquent, la pression de vapeur de l’eau lourde est toujours inférieure à celle de H2O, ce qui provoque la concentration des molécules contenant du deutérium dans la phase liquide lors du processus d’évaporation. C'est la base de la séparation fractionnée des isotopes. Dans des conditions naturelles, ces phénomènes sont observés dans les eaux équatoriales, lorsque lors du processus d'évaporation dans eaux de surface la concentration de l'isotope D augmente par rapport aux horizons profonds. L'étude des précipitations atmosphériques montre que les isotopes lourds D ou 18 O tombent en premier avec la pluie. La séparation isotopique se produit lors du processus de gel et de dégel. Glace arctique formée à partir de eau de mer, contient 2 % d’isotopes D de plus que l’eau à partir de laquelle il s’est formé.

La force de la liaison du deutérium et la séparation fractionnée des isotopes obligent de nombreux chercheurs à prêter attention à l'étude des processus métaboliques dans un organisme vivant. Certains pensent que l'élimination du deutérium de l'eau entraînera une forte augmentation de la vitalité du corps et même prolongera la vie. D'autres pensent que la présence de deutérium crée monde biologique un certain équilibre dans les processus du métabolisme intracellulaire et son absence entraîneront de graves perturbations dans la nature vivante et inanimée.

Des études sur l'activité vitale des micro-organismes avec ajout progressif d'eau lourde à l'eau ordinaire ont montré leur étonnante adaptabilité à nouvel environnement. Lorsque l'eau ordinaire a été complètement remplacée par du deutérium, les micro-organismes ne sont pas morts, mais n'ont connu pendant un certain temps qu'une certaine inhibition, mais après « acclimatation », ils ont continué à se développer activement. Ce comportement des micro-organismes suggère que cellule vivante est équipé d'un étonnant mécanisme d'adaptation qui le sauve de la mort même dans des conditions d'accumulation de deutérium. Cependant, certaines cellules du corps peuvent devenir instables en raison de certaines perturbations, ce qui entraîne leur mort.

Combien d’espèces isotopiques de l’eau peut-il exister ?
Il s'avère qu'il y en a beaucoup. Selon I.V. Petryanov-Sokolov, il est théoriquement possible de prendre diverses combinaisons d'isotopes de l'hydrogène et de l'oxygène, c'est-à-dire Si chaque isotope de l'oxygène réagit dans un rapport similaire à celui de l'eau avec les isotopes de l'hydrogène - 1:2, alors 48 variétés d'eau peuvent être obtenues à partir de l'ensemble des composants. Aussi paradoxal que cela puisse paraître, le fait demeure un fait. Parmi les dizaines de variétés d’eau, la plupart n’existent que théoriquement, en termes simples, uniquement sur papier. Sur les 48 eaux, 39 sont radioactives et seulement 9 sont stables, c'est-à-dire résistant:

H 2 16 O, H 2 17 O, H 2 18 O, HD 16 O, HD 17 O, HD 18 O, D 2 16 O, D 2 17 O, D 2 18 O.

La découverte de nouveaux isotopes de l'hydrogène et de l'oxygène augmentera considérablement le nombre théorique eaux possibles.

Utilisation d'eau lourde
Peu de temps après la découverte d'Urey, l'eau lourde n'était considérée que comme une curiosité chimique. Mais en même temps, le célèbre physicien italien Enrico Fermi menait des expériences dans le domaine de la physique nucléaire, qui constituaient une époque scientifique. Les résultats de ces expériences ont révélé l’énorme importance militaire et économique de l’eau lourde. Fermi et ses collaborateurs soumis en 1934 divers éléments bombardement avec des neutrons à haute énergie (vitesse). En conséquence, des atomes dotés d'une radioactivité artificielle, ou ce qu'on appelle des radio-isotopes, ont été obtenus. Fermi a découvert que presque tous les éléments non radioactifs dans des conditions normales peuvent être rendus radioactifs, c'est-à-dire transformez-le en radio-isotope par bombardement neutronique. Il a également constaté que l’efficacité globale des bombardements neutroniques pour produire de la radioactivité artificielle augmentait considérablement à mesure que leur vitesse diminuait.

Comme l’électron et le photon de la lumière, le neutron présente les propriétés d’une particule, mais son mouvement possède également les propriétés d’une onde. Il possède une longueur d'onde qui détermine physiquement sa « taille », et cette longueur d'onde varie inversement avec sa fréquence. Plus la fréquence, qui mesure l'énergie du neutron, est basse, plus la longueur d'onde est longue. Un neutron de faible énergie (vitesse lente), tel que 0,1 eV, aura une longueur d'onde ou une « taille » supérieure à 10 000 fois son diamètre. noyau atomique. Évidemment, un neutron aussi lent, traversant un amas d’atomes, a plus de chances de heurter (effleurer) le noyau qu’un électron plus rapide. Il y a également une plus grande probabilité qu'un tel électron soit « capturé » ou absorbé par le noyau qu'il heurte. Mais comment un noyau peut-il absorber un objet 10 000 fois sa taille ? Là encore, il convient de rappeler qu’il s’agit ici des caractéristiques ondulatoires du neutron. À l’intérieur du noyau, le neutron acquiert une énergie d’environ 50 millions de V, ce qui entraîne une énorme augmentation de sa fréquence, inversement proportionnelle à la longueur d’onde. Plus la fréquence augmente, plus la longueur d’onde diminue. Un neutron ainsi absorbé par le noyau provoque une perturbation de l'équilibre nucléaire, entraînant un rayonnement radioactif. En d’autres termes, un radio-isotope est créé.

Peu de temps après la découverte de Fermi et de ses collaborateurs, les scientifiques allemands O. Hahn et F. Strassmann ont découvert que l'absorption des neutrons par les noyaux d'uranium provoque la division, ou fission, de ces noyaux. Les deux fragments de noyau pris ensemble ont moins de masse que le noyau d'origine, et comme la différence de masse se transforme en énergie cinétique dans une quantité déterminée par la relation entre la masse et l'énergie d'Albert Einstein (E = mc 2), alors les deux fragments s'envolent à une vitesse colossale. En même temps, ils émettent deux ou trois neutrons, dont l'atome d'uranium superlourd possède en abondance. Chaque neutron libéré peut théoriquement diviser tout noyau fissile qu'il rencontre sur son passage ; une telle collision libérerait deux ou trois neutrons supplémentaires. En d’autres termes, le processus de fission, ou fission, des noyaux peut devenir spontané, s’auto-propager : une réaction dite en chaîne peut commencer. D'autres expériences ont rapidement montré que parmi les trois isotopes de l'uranium, la fission se produit presque exclusivement dans les noyaux d'uranium U235, qui, dans des conditions normales, ne constituent que 0,7 % de l'uranium ordinaire. Comme on pouvait s'y attendre d'après les études de Fermi, la fission de l'uranium U 235 s'est produite le plus efficacement sous l'influence de neutrons retardés. Il a été constaté que pour initier une réaction en chaîne dans l'uranium ordinaire, il est nécessaire d'avoir gros stock neutrons très lents. Les neutrons à grande vitesse avec des énergies de plusieurs millions d'électrons-volts divisent parfois accidentellement des atomes d'uranium, mais cela n'arrive pas assez souvent pour provoquer une réaction en chaîne. Les neutrons d'énergie modérée (quelques électronvolts) sont des fragments d'uranium U235, mais ils sont capturés par les noyaux d'uranium U238, un isotope qui constitue environ 99 % de l'uranium ordinaire. Leur capture par l'uranium U 238 les exclut pour ainsi dire de la circulation, puisque l'uranium U 238 ne se fission pas, mais tend au contraire à acquérir une stabilité en libérant un électron de lui-même (cela augmente bien entendu la charge nucléaire par un, transformant l'uranium de numéro atomique 93 en plutonium de numéro atomique 94). La spallation nécessite des neutrons « thermiques », ainsi nommés parce que leur énergie, environ 0,02 eV, ne dépasse pas l'énergie normale mouvement thermique atomes parmi lesquels ils se déplacent. Non seulement les neutrons thermiques divisent facilement l'U 235, mais ils ne sont pas non plus susceptibles d'être capturés par l'U 238. Ils sont également différents taille significative, se déplaçant parmi les atomes d'uranium U 238 , ils sont plus susceptibles de rencontrer l'uranium U 235, facilement fissile. Tout cela fait occurrence possible réaction en chaîne spontanée dans l'uranium ordinaire, bien qu'il ne contienne que 0,7 % d'uranium U235, à condition toutefois qu'il existe un moyen de modérer les neutrons émis lors de la fission de l'uranium U235. Ce qu’il faut, c’est ce qu’on appelle un « modérateur », une substance capable d’absorber l’excès d’énergie neutronique sans capturer les neutrons eux-mêmes.

Le mouvement d'un neutron sera fortement ralenti s'il entre en collision avec un noyau dont le poids n'est que légèrement supérieur au sien ; dans ce cas, le neutron va transmettre une partie de son énergie à la particule avec laquelle il est entré en collision, exactement de la même manière que ce qui se passe avec une boule de billard lorsqu'elle heurte une autre boule. Ceci prédétermine la possibilité d'utiliser des composés hydrogènes, notamment de l'eau, comme modérateur. Depuis le noyau hydrogène simple, constitué d’un seul proton, a la même masse qu’un neutron, il est capable d’absorber une partie importante de l’énergie du neutron lors d’une collision. Mais, malheureusement, le noyau d'hydrogène simple absorbe non seulement partiellement l'énergie d'un neutron, mais capture souvent également le neutron lui-même, se transformant en noyau d'un atome de deutérium. Par conséquent, l’eau ordinaire comme modérateur est inefficace. Mais meilleures propriétés a de l'eau lourde. Les noyaux de deutérium, constitués d'un neutron et d'un proton, ont des difficultés à absorber les neutrons, mais absorbent facilement des quantités importantes d'énergie neutronique lors d'une collision. Ainsi, l'eau lourde D 2 O est un modérateur très efficace, la plus efficace de toutes les substances que nous connaissons. Pour abandonner son énergie et devenir « thermique », pour interagir avec l'uranium U 235, un neurone a besoin de 25 collisions avec un noyau de deutérium, et par exemple, lors d'une collision avec un noyau de carbone (bâtonnets de graphite), il lui faudra 110 collisions.

Mais l’eau lourde a le potentiel d’être bien plus utile qu’un inhibiteur neuronal. À très hautes températures quelque chose de complètement opposé à la fission nucléaire peut se produire. La chaleur est l'énergie du mouvement, et lorsqu'elle atteint une certaine limite Pouvoir nucléaire augmente tellement qu'il peut vaincre les forces électrostatiques qui, avec plus basses températures faire en sorte que deux charges positives se repoussent. C'est ainsi qu'un nouveau noyau naîtra de la fusion de deux noyaux à la suite de la réaction dite thermonucléaire. Une fois déclenchée dans l'environnement des atomes légers, elle se développera comme une réaction en chaîne : le noyau formé à la suite de la fusion a une masse légèrement inférieure à celle des deux noyaux initiaux ; la différence de masse est convertie en énergie conformément à l'équation d'Einstein exprimant la relation entre masse et énergie (E=mc 2) ; une partie de cette énergie est transférée à d’autres noyaux, provoquant leur fusion. Mais comment obtenir la température initiale, mesurée en millions de degrés, nécessaire à une réaction thermonucléaire ? Auparavant, une telle température ne pouvait être atteinte que pendant un court instant lors de l'explosion d'une bombe atomique à l'uranium ou au plutonium. Donc tout le monde bombes à hydrogène Les bombes atomiques, fonctionnant sur le principe de la désintégration nucléaire, ont été utilisées comme « fusible ». Lorsque des méthodes seront trouvées pour obtenir à moindre coût et en toute sécurité la température initiale requise et des moyens de la localiser, le moment viendra où la fusion nucléaire en tant que source d'énergie industrielle se révélera économiquement plus rentable que fission nucléaire. L'un de ses principaux avantages est que la fusion contrôlée ne produira pas de déchets radioactifs dangereux. Un autre avantage est que le combustible de fusion, contrairement au combustible de fission, est disponible sur Terre en quantités énormes.

Les physiciens nucléaires ont déterminé que les noyaux de deutérium sont particulièrement sensibles à la fusion. Par conséquent, l’importance du deutérium augmente à mesure que le moment approche où les réserves de combustibles fossiles sur Terre seront épuisées. Les réserves de combustible nucléaire dans l'océan mondial sont pratiquement illimitées. Le deutérium contenu dans 1 litre d'eau de mer contient une énergie équivalente à l'énergie d'environ 350 litres d'essence. Théoriquement, les eaux des océans et des mers peuvent fournir à l’humanité une source d’énergie pendant des milliards d’années..

Histoire de la découverte de l'eau lourde
Le physicien-chimiste américain Harold Urey (1893-1981), qui dans sa jeunesse montra un grand intérêt pour la structure nucléaire de la matière, décida d'utiliser la méthode spectroscopique pour étudier l'hydrogène. Les calculs théoriques effectués par G. Urey ont convaincu que les tentatives de séparation de l'hydrogène en isotopes peuvent conduire à des résultats intéressants - à l'identification d'un nouvel isotope stable de l'hydrogène, dont l'existence a été prédite par E. Rutherford. Guidés par ces considérations, G. Yuri a demandé à l'un de ses étudiants d'évaporer 6 litres d'hydrogène liquide, et à la fin de l'expérience, les chercheurs ont obtenu un résidu d'un volume d'environ 3 cm 3. Le plus surprenant est qu'à la suite d'une analyse spectrale du résidu, on a trouvé le même agencement de raies que celui prédit par G. Urey sur la base de prémisses théoriques. De l'hydrogène lourd - du deutérium a été découvert.

G. Urey l'a rapporté en 1931 lors de la réunion du Nouvel An de l'Association américaine pour l'avancement de la science à la Nouvelle-Orléans. Les efforts supplémentaires du scientifique visaient à obtenir un échantillon avec une concentration élevée de deutérium. Cela a été réalisé par électrolyse, diffusion gazeuse, distillation de l’eau et d’autres méthodes. Les différentes pressions de vapeur de H 2 et HD ont permis à G. Ury, F. Brickwedde et G. Murphy de prouver l'existence du deutérium. Les travaux publiés par G. Uri avec ses collaborateurs ont fait une impression stupéfiante sur la plupart des scientifiques divers domaines Les sciences. De nombreux experts ont perçu cette nouvelle comme quelque chose de fantastique et de controversé, mais des faits expérimentaux ont montré que l'isotope lourd de l'hydrogène existe réellement.

Le Deutérium a commencé son difficile voyage et G. Yuri a reçu prix Nobel(1934). Après la découverte du deutérium, les événements se sont développés très rapidement. Ce n’était qu’une expérience, mais cela s’est avéré être une tâche technique très difficile. L'eau lourde a été découverte pour la première fois dans l'eau naturelle par G. Ury et E.F. Osborne en 1932.

Académicien N.D. Zelinsky, ayant appris la découverte de l'eau lourde, écrivait en 1934 : « Qui aurait pensé que dans la nature il existe une autre eau dont nous ne connaissions rien jusqu'à l'année dernière, une eau que nous introduisons chaque jour dans notre corps en très petites quantités ensemble. avec de l'eau potable, cependant, de petites quantités. eau nouvelle, consommés par une personne au cours de sa vie, représentent déjà un ordre de grandeur qu'on ne peut ignorer. » Développant son idée, il poursuit : « Dans l'évolution des formes chimiques dans la biosphère et la lithosphère, l'eau lourde ne peut que participer, et la question est de savoir à quel stade de ce processus évolutif, que l'eau lourde soit à notre époque, au stade d'accumulation dans la nature ou au stade de dégradation, semble être très importante du point de vue du métabolisme dans les organismes vivants, en quelle eau joue un rôle primordial. Tous les êtres vivants transportent dans leur corps d'énormes masses d'eau ordinaire, et avec elle de l'eau lourde ; Quel effet cette dernière a-t-elle sur les fonctions vitales de l’organisme ? On ne le sait pas encore, mais une telle influence devrait être indéniable. »