Co jest cięższe od wody? Co to jest ciężka woda? Rozcieńczanie alkoholu wodą

M. ADZIJEW

Ciężka woda jest bardzo droga i trudno dostępna. Jeśli jednak znajdziesz tani i praktyczny sposób jego pozyskanie znacznie rozszerzy obszary zastosowań tego wciąż rzadkiego surowca. Mogą się otworzyć nowe strony w chemii i biologii, obejmujące nowe materiały, nieznane związki i być może nieoczekiwane formy życia.

Ryż. 1.
Cząsteczki wody są ze sobą trwale powiązane i tworzą stabilną strukturę molekularną odporną na wszelkie wpływy zewnętrzne, w szczególności termiczne. (Dlatego, aby zamienić wodę w parę, trzeba zastosować do niej dużo ciepła.) Struktura molekularna wody jest spajana przez strukturę specjalnych wiązań kwantowo-mechanicznych, zwanych w 1920 roku wiązaniami wodorowymi przez dwóch amerykańskich chemików Latimera i Rodebusha. Wszystkie anomalne właściwości wody, w tym nietypowe zachowanie podczas zamarzania, wyjaśnia się za pomocą koncepcji wiązań wodorowych.

Woda w przyrodzie występuje w kilku „stopniach”. Regularny lub protowy (H 2 O). Ciężki lub deuter (D 2 O). Superciężki lub tryt (T 2 O), ale jest prawie nieobecny w przyrodzie. Woda różni się także składem izotopowym tlenu. W sumie istnieje co najmniej 18 odmian izotopowych.

Jeśli odkręcimy kran i napełnimy czajnik, nie będzie to woda jednorodna, ale jej mieszanina. W tym przypadku „wtrąceń” deuteru będzie bardzo mało - około 150 gramów na tonę. Okazuje się, że ciężka woda jest wszędzie – w każdej kropli! Problem w tym, jak to przyjąć. Obecnie jego wydobycie na całym świecie wiąże się z ogromnymi nakładami energii i bardzo skomplikowanym sprzętem.

Zakłada się jednak, że na planecie Ziemia takie naturalne sytuacje są możliwe, gdy ciężka i zwykła woda oddzielają się od siebie na jakiś czas - D 2 O ze stanu rozproszonego, „rozpuszczonego” przechodzi w skoncentrowany. Może więc są tam pokłady ciężkiej wody? Nie ma jeszcze jednoznacznej odpowiedzi: żaden z badaczy nie zajmował się wcześniej tym zagadnieniem.

A jednocześnie wiadomo, że właściwości fizykochemiczne D 2 O są zupełnie inne niż H 2 0 - jego Stałym towarzyszem. Zatem temperatura wrzenia ciężkiej wody wynosi +101,4°C, a zamarza w temperaturze +3,81°C. Jego gęstość jest o 10 procent większa niż normalnie.

Należy również zauważyć, że pochodzenie ciężkiej wody jest najwyraźniej czysto ziemskie – w kosmosie nie odnaleziono żadnych jej śladów. Deuter powstaje z protu w wyniku wychwytywania neutronu z promieniowania kosmicznego. Oceany, lodowce i wilgoć atmosferyczna na świecie to naturalne „fabryki” ciężkiej wody.

Ryż. 2. Zależność gęstości wody zwykłej i ciężkiej od temperatury. Różnica w gęstości jednego i drugiego rodzaju wody przekracza 10%, dlatego możliwe są warunki, gdy przejście do stanu stałego po ochłodzeniu następuje najpierw w ciężkiej wodzie, a następnie w zwykłej wodzie. W każdym razie fizyka nie zabrania pojawiania się obszarów fazy stałej zwiększona zawartość deuter. Taki „ciężki” lód na schemacie odpowiada zacienionemu obszarowi. Gdyby woda była „normalną”, a nie anomalną cieczą, wówczas zależność gęstości od temperatury miałaby postać zaznaczoną linią przerywaną.

Tak więc, ponieważ istnieje zauważalna różnica w gęstości pomiędzy D 2 O i H 2 O, to właśnie gęstość, a także stan skupienia, mogą służyć jako najbardziej czułe kryteria w poszukiwaniu możliwych złóż ciężkiej wody - w końcu kryteria te są związane z temperaturą otoczenia. I jak wiesz, środowisko najbardziej „kontrastowe” na dużych szerokościach geograficznych planety.

Ale obecnie panuje opinia, że ​​\u200b\u200bwody na dużych szerokościach geograficznych są ubogie w deuter. Powodem tego były wyniki badań próbek wody i lodu z jeziora Great Bear Lake w Kanadzie oraz z innych północnych zbiorników wodnych. Odkryto także różnice w zawartości deuteru w zależności od pory roku – na przykład zimą w rzece Columbia jest go mniej niż latem. Te odchylenia od normy były związane ze specyfiką rozkładu opadów atmosferycznych, które, jak się powszechnie przyjmuje, „rozprzestrzeniają” deuter na całej planecie.

Wydaje się, że żaden z badaczy nie zauważył od razu ukrytej sprzeczności w tym stwierdzeniu. Tak, opady wpływają na rozkład deuteru w zbiornikach wodnych planety, ale w żaden sposób nie wpływają na globalny proces powstawania deuteru!

Kiedy na północy nadchodzi jesień, rozpoczyna się szybkie ochłodzenie masy wody w rzekach, które jest przyspieszane przez wpływ wiecznej zmarzliny, a jednocześnie następuje asocjacja cząsteczek H 2 O. Wreszcie następuje krytyczny moment maksymalnej gęstości przybywa - temperatura wody wszędzie jest tuż poniżej + 4 ° C. A następnie w strefie przydennej, w niektórych obszarach, luźny lód podwodny intensywnie zamarza.

w odróżnieniu zwykły lód nie ma regularnej sieci krystalicznej, ma inną strukturę. Ośrodki jego krystalizacji są różne: kamienie, zaczepy i różne nierówności, niekoniecznie leżące na dnie i związane z zamarzniętą glebą. Luźny lód pojawia się na głębokich rzekach o spokojnym – laminarnym – przepływie.

Tworzenie się lodu podwodnego zwykle kończy się wypłynięciem na powierzchnię kry, chociaż w tym czasie nie ma innego lodu. Latem czasami pojawia się podwodny lód. Powstaje pytanie: czym jest ta „woda w wodzie”, która zmienia swój stan skupienia, gdy temperatura w stanie ustalonym w rzece jest zbyt wysoka, aby zwykła H 2 O zamieniła się w lód, tak że, jak mówią fizycy, następuje przejście fazowe występuje?

Można założyć, że luźny lód reprezentuje wzbogacone stężenia ciężkiej wody. Nawiasem mówiąc, w takim przypadku należy pamiętać, że ciężka woda jest nie do odróżnienia od zwykłej wody, ale spożycie jej w organizmie może spowodować poważne zatrucie. Przy okazji, lokalni mieszkańcy Na dużych szerokościach geograficznych do gotowania nie używa się lodu rzecznego – jedynie lód z jeziora lub śnieg.

„Mechanizm” przemiany fazowej D 2 O w rzece jest bardzo podobny do tego, jaki stosują chemicy w tzw. kolumnach krystalizacyjnych. Tylko w północnej rzece „kolumna” rozciąga się na setki kilometrów i nie ma tak kontrastujących temperatur.

Jeśli weźmiemy pod uwagę, że w krótkim czasie przez centra krystalizacji w rzece przepływają setki i tysiące metrów sześciennych wody, z której zamienia się ona w lód – zamarza – nawet jedną tysięczną procenta, to wystarczy mówić o zdolność ciężkiej wody do koncentracji, wówczas tworzą się osady.

Dopiero obecność takich stężeń może wyjaśnić udowodniony fakt, że zimą w zbiornikach północnych odsetek deuter zauważalnie spada. Wody polarne, jak pokazują próbki, również są ubogie w deuter, a w Arktyce prawdopodobnie istnieją obszary, w których pływają głównie kry wzbogacone w deuter, ponieważ luźny lód denny pojawia się jako pierwszy i topi się jako ostatni.

Co więcej, jak wykazały badania, lodowce i lód na dużych szerokościach geograficznych są na ogół bogatsze w ciężkie izotopy niż wody zmywające lód. Przykładowo na południowej Grenlandii, w rejonie stacji Dai-3, na powierzchni lodowców zidentyfikowano anomalie izotopowe, a ich pochodzenie nie zostało dotychczas wyjaśnione. Oznacza to, że mogą również występować kry wzbogacone deuterem. Rzecz, jak mówią, jest niewielka – musimy znaleźć te wciąż hipotetyczne złoża ciężkiej wody.

M. ADZIJEW, geograf.

Źródła informacji:

1. L. Kulsky, V. Dahl, L. Lenchina. Woda jest znajoma i tajemnicza.
   – K.: „Szkoła Radjańska”, 1982.
2. Nauka i Życie nr 10, 1988.

Litr to jednostka objętości substancje płynne. Litry można również stosować do pomiaru substancji stałych o dość drobnej frakcji. Dla innych ciała stałe użyj koncepcji metr sześcienny(decymetr, centymetr). Definicja terminu i pojęcia litra została sformułowana przez Generalną Konferencję Miar i Wag w 1901 roku. Definicja jest następująca: 1 litr to objętość jednego kilograma czystej wody świeża woda Na ciśnienie atmosferyczne 760 mm rtęć i temperatura +3,98°C. W tej temperaturze woda osiąga największą gęstość.

Po przekroczeniu progu temperatury +3,98°C gęstość wody zaczyna ponownie spadać, by przy +8°C ponownie osiągać wartości jak przy zera.

Para, woda i lód to stany tej samej substancji, której cząsteczka zawiera dwa atomy wodoru i jeden atom tlenu. Różnica między wodą w stan ciekły i ciało stałe tkwi w osobliwościach struktur międzycząsteczkowych. W substancji ciekłej woda ma większą gęstość niż w substancji stałej.

Co jest cięższe?

Jeśli na przykład do naczynia wlejemy wodę, będzie ona miała objętość równą jednemu litrowi. Jeśli zamrozisz tę wodę, to przy tej samej masie 1 kg woda zamarzająca będzie miała tendencję do zajmowania więcej przestrzeni w naczyniu. Zamknięty statek o pojemności ograniczonej do 1 m2. dm (1 litr), lód pęknie. Okazuje się, że przy tej samej masie cieczy i zamarzniętej wody lód będzie miał większą objętość, co naruszy pierwotny stan.

Jeśli zamrozimy litr z 1000 ml wody (1 litr), to podczas utwardzania wyleje się z niego około 80 ml wody. A żeby otrzymać 1 litr lodu wystarczy zamrozić 920 ml wody.

Jeśli początkowo przyjmiemy równe objętości i ograniczymy zamarzniętą wodę – kawałek lodu – do wielkości sześcianu o boku 1 dm (1 l), to jej masa będzie mniejsza od pierwotnego kilograma. Jak mogłoby być inaczej, jeśli odetniesz i usuniesz część lodu, dopasowując kostkę do zadanej objętości. Dlatego woda w litrze jest cięższa niż lód w tej samej objętości.

Zamroź i przywróć

Obecnie coraz trudniej jest znaleźć czystą, naturalną wodę. Zwłaszcza w warunkach miejskich, gdzie przed wejściem do mieszkania jest on filtrowany, chlorowany i poddawany innego rodzaju obróbce fizycznej i chemicznej. Czysta woda staje się rzadkością, koszt wydobytej wody z studnie artezyjskie rozwój. Okazuje się jednak, że woda po zamrożeniu przywraca pierwotną strukturę i energię – zostaje oczyszczona. Dlatego: pij roztopioną wodę! Nie bez powodu wiosną wszystkie rośliny tak dobrze na nią reagują, a zwierzęta chętnie ją piją.

Niesamowita zdolność lód unoszący się i układający na powierzchni wody nie jest wyjaśniony niczym innym jak tylko elementarnymi właściwościami fizycznymi, które są badane w trakcie zajęć wtórnych i Liceum. Powszechnie wiadomo, że substancje mają tendencję do rozszerzania się pod wpływem ogrzewania, np. rtęć w termometrze, a także gdy temperatura spada, woda zamarza i zwiększa swoją objętość, tworząc skorupę lodową na powierzchni zbiorników.

Zwiększenie objętości zamarzniętej wody często stanowi okrutny żart dla tych, którzy na zimno zapominają o pojemnikach z płynem. Woda dosłownie rozdziera pojemnik.

Opinia, że ​​w nowo utworzonej warstwie lodu pojawiają się mikroskopijne pory wypełnione powietrzem, nie jest błędna, ale nie może też właściwie wyjaśnić faktu unoszenia się na wodzie. Zgodnie z zasadami wyprowadzonymi i sformułowanymi przez starożytnego greckiego uczonego, zwanymi później prawem Archimedesa, ciała zanurzone w cieczy są z niej wypychane z siłą równą charakterystyce wagowej cieczy wypartej przez to ciało.

Fizyka wody

Wiadomo na pewno, że lód jest o około jedną dziesiątą lżejszy od wody i dlatego gigantyczne góry lodowe zanurzone w oceanie na około dziewięć dziesiątych swojej całkowitej objętości i widoczna jest tylko niewielka ich część. Wagi te tłumaczy się właściwościami sieci krystalicznej, która w wodzie, jak wiadomo, nie ma uporządkowanej struktury i charakteryzuje się ciągłym ruchem i zderzaniem cząsteczek. To wyjaśnia więcej duża gęstość woda w porównaniu do lodu, którego cząsteczki pod wpływem niskich temperatur wykazują niską ruchliwość i niewielki składnik energetyczny, a co za tym idzie mniejszą gęstość.

Wiadomo również, że woda osiąga maksymalną gęstość i masę w temperaturze 4°C, a dalszy spadek prowadzi do rozszerzania się i zmniejszania wskaźnika gęstości, co wyjaśnia właściwości lodu. Dlatego w zbiornikach ciężka, czterostopniowa woda opada na dno, umożliwiając podniesienie się chłodniejszej wody i przekształcenie jej w nietonący lód.

Lód ma specyficzne właściwości, na przykład jest odporny na pierwiastki obce, ma niską reaktywność, wyróżnia się ruchliwością atomów wodoru, a zatem ma niską granicę plastyczności.

Jest jasne, że ta nieruchomość ma fundamentalne znaczenie dla zachowania życia na Ziemi, gdyż gdyby lód miał właściwość zatapiania się pod słupem wody, z biegiem czasu wszystkie zbiorniki Ziemi po spadku temperatury mogłyby zostać wypełnione warstwami stale tworzącymi się na powierzchni lodu , co by doprowadziło klęska żywiołowa oraz całkowite zniknięcie flory i fauny zbiorników wodnych od równika do przeciwległych biegunów.

Na pytanie: czy lód jest cięższy od wody? podane przez autora SM. najlepszą odpowiedzią jest to, że wiadomo, że woda występuje w ciałach stałych stan skupienia ma 7 faz znanych nauce. Zwykły lód jest lżejszy od wody o około jedną dziesiątą, przy równej objętości. Podczas sprężania objętościowego gęstość zmienia się gwałtownie w zależności od sieci krystalicznej odpowiadającej ciśnieniu. Najgęstszy lód jest 2,4 razy cięższy od wody i twardszy niż zwykłe żelazo, topi się w temperaturze +70 ° C.

Odpowiedź od Marina Martina[guru]
łatwiej

Odpowiedź od [e-mail chroniony] [guru]
nic takiego

Odpowiedź od Ry[guru]
Jeśli chodzi o głowę, to tak, ale gęstość jest taka sama

Odpowiedź od Iwan Sipaczow[guru]
To pływa! Łatwiej.

Odpowiedź od Masza Buloichik[guru]
gdyby lód był cięższy, utonąłby))

Odpowiedź od Andriej Wiszczywkin[guru]
No Water to substancja wyjątkowa: największa środek ciężkości znajduje się w fazie CIEKŁEJ, w temperaturze +4 stopni Celsjusza. Dlatego lód unosi się na powierzchni zbiorników, a słoik z wodą pęka, gdy zamarza.

Odpowiedź od Lyuda Dm...[guru]
ciężar to masa przyciągana przez siłę grawitacji do Ziemi... gdy woda zamienia się w lód, masa pozostaje taka sama, jeśli nie weźmie się pod uwagę parowania w czasie zlodowacenia... :))
ale sopel z dachu „cięższy” uderzy Cię w głowę. . ponieważ ciężar spadnie na jego ostry koniec. . Siła nacisku zależy od powierzchni, na którą naciska masa...

Odpowiedź od WADIM[aktywny]
woda jest zdecydowanie cięższa

Odpowiedź od Poligraf Poligrafowicz[ekspert]
NIE! Lód jest cięższy. W przeciwnym razie siła odśrodkowa Ziemi wypchnie wodę na powierzchnię, a lód opadnie na dno. Ponadto substancje rozszerzają się po podgrzaniu. Woda to stopiony lód, więc naturalnie jest lżejsza. (żart) .
Tak naprawdę są w tej samej kategorii wagowej. A lód wisi na powierzchni rzek tylko dlatego, że procesy „kawitacyjne” towarzyszące procesowi krystalizacji substancji (w w tym przypadku- ciecze) wraz ze spadkiem temperatury rozluźniają swój nowy stan pod wpływem obecności gazów (pustek). Dają zamrożonej substancji zdolność „pływania”. Ogólnie rzecz biorąc, w sklepie bardziej odpowiednie są pojęcia „lżejszy i cięższy”. Bo jeśli w jednym z identycznych bochenków kiełbasy zrobimy niepozorną dziurkę i wyskrobujemy zawartość, będą się one różnić wagą.
Woda to lód, z którego wytopił się „tłuszcz”. Grubemu łatwiej jest unosić się na wodzie niż chudemu.
Kiedy ciecz wrze, jej cieplejsza część, lżejsza (mniej gęsta), jest bardziej wypychana na zewnątrz zimna woda pod wpływem grawitacji działającej na powierzchnię. Tam ochładza się, staje się cięższy i ponownie zastępuje warstwy o mniejszej gęstości, rozluźnione przez wielokrotnie rozprężone gazy rozpuszczone w cieczy i tworzące ciecz.
Spróbuj rzucić łomem w roztopioną stal. Wklei się do stopionego materiału jak sopel lodu do wody i wyskoczy na powierzchnię.
Uff... Mam dość mówienia bzdur... Co możesz zrobić: raz w tygodniu musisz na coś odpowiedzieć.... Pech dla wody....

Porównaj

lód Pogląd przezroczysty płyn bez koloru,
smak i zapach numer CAS Nieruchomości Gęstość
i stan fazowy 1104,2 kg/m3, ciecz
1017,7 kg/m3, ciało stałe (przy nr) Rozpuszczalność Słabo rozpuszczalny w eterze dietylowym;
Mieszalny z etanolem;
Miesza się ze zwykłą wodą
w dowolnych proporcjach. ciepło właściwe 4,105 kJ/Kkg Temperatura topnienia 3,81 °C (276,97 K) Temperatura wrzenia 101,43 °C (374,55 K) Stała dysocjacji
kwasy (str K A) Lepkość 0,00125 Pa·s (0,0125 ps) w temperaturze 20°C

Ciężka woda(Również tlenek deuteru) - zwykle termin ten używany jest w odniesieniu do ciężkiej wody wodorowej. Ciężka woda wodorowa ma taki sam wzór chemiczny jak zwykła woda, ale zamiast atomów zwykłego lekkiego izotopu wodoru (protu) zawiera dwa atomy ciężkiego izotopu wodoru – deuteru. Wzór ciężkiej wody wodorowej jest zwykle zapisywany jako D 2 O lub 2 H 2 O. Zewnętrznie ciężka woda wygląda jak zwykła woda - bezbarwna ciecz bez smaku i zapachu.

Historia odkrycia

Po raz pierwszy odkryto cząsteczki ciężkiej wody wodorowej naturalna woda Harolda Ureya w 1932 r., za co naukowiec otrzymał w 1934 r. Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii. Już w 1933 roku Gilbert Lewis wyizolował czystą, ciężką wodę wodorową.

Nieruchomości

Nieruchomości ciężka woda

Masa cząsteczkowa	20.03 po południu
Ciśnienie pary	10 mm. rt. Sztuka. (w 13,1°C), 100 mm. rt. Sztuka. (w 54°C)
Współczynnik załamania światła	1.32844 (w 20°C)
Entalpia tworzenia Δ H	−294,6 kJ/mol (l) (przy 298 K)
Edukacja energetyczna Gibbsa G	−243,48 kJ/mol (l) (przy 298 K)
Entropia edukacji S	75,9 J/mol K (l) (przy 298 K)
Molowa pojemność cieplna C str	84,3 J/mol K (lg) (przy 298 K)
Entalpia topnienia Δ H pl	5,301 kJ/mol
Entalpia wrzenia Δ H bela	45,4 kJ/mol
Krytyczne ciśnienie	21,86 MPa
Gęstość krytyczna	0,363 g/cm3

Będąc w naturze

W wodach naturalnych na każde 6400 atomów protu przypada jeden atom deuteru. Prawie całość zawarta jest w cząsteczkach DHO, na jedną taką cząsteczkę przypada 3200 cząsteczek lekkiej wody. Tylko bardzo mała część atomów deuteru tworzy cząsteczki ciężkiej wody D 2 O, ponieważ prawdopodobieństwo spotkania dwóch atomów deuteru w jednej cząsteczce w przyrodzie jest małe (około 0,5 · 10 −7). Wraz ze sztucznym wzrostem stężenia deuteru w wodzie prawdopodobieństwo to wzrasta.

Rola biologiczna i skutki fizjologiczne

Ciężka woda jest tylko lekko toksyczna, reakcje chemiczne w jej otoczeniu zachodzą nieco wolniej w porównaniu ze zwykłą wodą, a wiązania wodorowe z udziałem deuteru są nieco silniejsze niż zwykle. Eksperymenty na ssakach (myszach, szczurach, psach) wykazały, że zastąpienie 25% wodoru w tkankach deuterem prowadzi do bezpłodności, czasami nieodwracalnej. Wyższe stężenia prowadzą do szybkiej śmierci zwierzęcia; Tak więc ssaki, które przez tydzień piły ciężką wodę, umierały, gdy połowa wody w ich ciałach uległa deuteracji; ryby i bezkręgowce umierają dopiero wtedy, gdy woda w organizmie jest zdeuterowana w 90%. Pierwotniaki potrafią przystosować się do 70% roztworu ciężkiej wody, a glony i bakterie potrafią żyć nawet w czystej, ciężkiej wodzie. Osoba może wypić kilka szklanek ciężkiej wody bez widocznej szkody dla zdrowia; cały deuter zostanie usunięty z organizmu w ciągu kilku dni.
Zatem ciężka woda jest znacznie mniej toksyczna niż na przykład sól kuchenna. Do leczenia nadciśnienia tętniczego u ludzi stosowano ciężką wodę w dziennych dawkach do 1,7 g deuteru na kg masy ciała pacjenta.

Trochę informacji

Podczas powtarzającej się elektrolizy wody w pozostałościach elektrolitu gromadzi się ciężka woda. NA na dworze Ciężka woda szybko pochłania parę ze zwykłej wody, dlatego można powiedzieć, że jest higroskopijna. Produkcja ciężkiej wody jest bardzo energochłonna, dlatego jej koszt jest dość wysoki (około 19 dolarów za gram w 2012 roku).

Całkowita liczba modyfikacji izotopowych wody

Jeśli policzymy wszystkie możliwe związki nieradioaktywne ogólna formuła Zatem H2O całkowity Istnieje tylko dziewięć możliwych modyfikacji izotopowych wody (ponieważ istnieją dwa stabilne izotopy wodoru i trzy izotopy tlenu):

• H 2 16 O - lekka woda lub po prostu woda
• H 2 17 O
• H 2 18 O - woda z ciężkim tlenem
• HD 16 O - woda półciężka
• HD 17 O
• HD 18 O
• D 2 16 O - ciężka woda
• D 2 17 O
• D 2 18 O

Biorąc pod uwagę tryt, ich liczba wzrasta do 18:

• T 2 16 O - woda superciężka
• T 2 17 O
• T 2 18 O
• DT16 O
• DT17 O
• DT18 O
• HT16 O
• HT17 O
• HT 18 O

Zatem, z wyjątkiem powszechny, najpowszechniejszy w przyrodzie „lekka” woda 1 H 2 16 O, w sumie jest 8 nieradioaktywnych (stabilnych) i 9 słabo radioaktywnych „wodów ciężkich”.

Razem Łączna możliwe „wody”, biorąc pod uwagę wszystkie znane izotopy wodoru (7) i tlenu (17), formalnie wynosi 476. Jednak rozpad prawie wszystkich radioaktywny izotopy wodoru i tlenu powstają w ciągu sekund lub ułamków sekundy (ważnym wyjątkiem jest tryt, którego okres półtrwania przekracza 12 lat). Na przykład wszystkie izotopy wodoru cięższe od trytu żyją około 10–20 s; w tym czasie żadnego wiązania chemiczne po prostu nie mają czasu na uformowanie się i dlatego nie ma cząsteczek wody z takimi izotopami. Radioizotopy tlenu mają okres półtrwania od kilkudziesięciu sekund do nanosekund. Dlatego nie można uzyskać makroskopowych próbek wody z takimi izotopami, chociaż można uzyskać cząsteczki i mikropróbki. Co ciekawe, niektóre z tych krótkotrwałych modyfikacji radioizotopowych wody są lżejsze niż zwykła „lekka” woda (na przykład 1H 2 15 O).

Ciężka woda to woda, w której „zwykły” wodór 1H (lekki) zastąpiono ciężkim izotopem 2H ​​– deuterem (D). Ciężka woda, podobnie jak zwykła woda, nie ma koloru, smaku ani zapachu.

Obecnie znane są trzy izotopy wodoru: 1 H, 2 H(D), 3 H(T). Najlżejszy z nich, 1H, nazywany jest protium. Zwykła woda składa się prawie wyłącznie z niego, częściowo zawiera cięższy wodór – deuter (D) i superciężki tryt (T). Istnieją trzy izotopy tlenu: 16 O, ciężki 18 O i bardzo rzadki w przyrodzie 17 O. Przy pomocy potężnych akceleratorów i reaktorów fizycy uzyskali pięć kolejnych radioaktywnych izotopów tlenu: 13 O, 14 O, 15 O, 19 O, 20 O. Ich czas życia jest bardzo krótki - mierzony jest w ciągu kilku minut, po czym rozkładając się, zamieniają się w izotopy innych pierwiastków.

W składzie zwykłej wody można znaleźć nie tylko wodę ciężką. Znana jest woda superciężka T 2 O ( masa atomowa tryt - T oznacza 3) i ciężka woda tlenowa, której cząsteczki zawierają 17 O i 18 atomów O zamiast 16 atomów O. Izotopowe odmiany wody występują w zwykłej wodzie w niewielkich ilościach. W wodach naturalnych na atom deuteru przypada 6500-7200 atomów wodoru 1H, a aby wykryć jeden atom trytu, potrzeba co najmniej 10 atomów 1H 1H.

Po odkryciu ciężkiej wody naukowcy byli początkowo tak zaskoczeni, że uznali ciężką wodę za ciekawostkę chemiczną. Jednak zdziwienie było krótkotrwałe. Włoski fizyk Enrico Fermi, który przeprowadził eksperymenty w terenie Fizyka nuklearna, zdali sobie sprawę, że ciężka woda ma ogromne znaczenie militarne. Od tego czasu wydarzenia wokół tej dziwnej cieczy są pełne dramatyzmu i najgłębszej tajemnicy. A wszystko dlatego, że losy ciężkiej wody były ściśle powiązane z rozwojem energia nuklearna. Woda taka stosowana jest w reaktorach jądrowych jako chłodziwo i moderator neutronów.

Podstawowe stałe fizykochemiczne wody zwykłej i ciężkiej znacznie się różnią. Zwykła woda, jej para wodna i lód, której skład wyraża wzór chemiczny H 2 O, ma masę cząsteczkową 18,0152 g. Lód powstaje w temperaturze 0 ° C (273 K), a woda wrze w temperaturze 100 ° C (373 tys.). Ciężka woda zamienia się w lód w temperaturze 3,813°C, a para tworzy się w temperaturze 101,43°C. Lepkość ciężkiej wody jest o 20% większa niż zwykłej wody, a maksymalną gęstość obserwuje się w temperaturze 11,6°C. Jej wzór chemiczny D 2 O, gdzie wodór zastępuje się deuterem, którego masa atomowa jest 2 razy większa. Tlenek deuteru ma masę cząsteczkową 20,027. Jej ciężar właściwy jest o 10% większy niż zwykłej wody. Dlatego nazywa się ją ciężką wodą.

Jak odkryli naukowcy, ciężka woda tłumi wszystkie żywe istoty. Są to ostro polarne właściwości, które odróżniają wodę deuterową od zwykłej wody protowej. Ciężka woda spowalnia procesy biologiczne i działa depresyjnie na organizmy żywe. W ciężkiej wodzie drobnoustroje giną, nasiona nie kiełkują, rośliny i kwiaty więdną po podlaniu taką wodą. Ciężka woda ma szkodliwy wpływ na zwierzęta. A co w przeliczeniu na osobę? Niestety, nadal nie wiemy wszystkiego o ciężkiej wodzie.

W 1 tonie wody rzecznej znajduje się około 150 g wody ciężkiej. Nieco więcej jest go w wodzie oceanicznej: 165 g na 1 tonę. W jeziorach na 1 tonę stwierdzono o 15-20 g ciężkiej wody więcej niż w rzekach woda deszczowa zawiera więcej tlenku deuteru niż śnieg. Takie różnice wydają się dziwne, ponieważ oba są opadami atmosferycznymi. Tak, jest jedno źródło, ale zawartość ciężkiej wody jest inna. Zatem wody rzeczne, jeziorne, gruntowe i morskie bardzo różnią się składem izotopowym i dlatego jako przedmioty służące do pozyskiwania ciężkiej wody są dalekie od równoważnych. Był czas, kiedy uważano ją za „ martwa woda„i wierzyli, że obecność ciężkiej wody w zwykłej wodzie spowalnia metabolizm i przyczynia się do starzenia się organizmu. Niektórzy badacze wiążą przypadki długowieczności na Kaukazie z mniejszą ilością tlenku deuteru w górskich potokach pochodzenia lodowcowego i atmosferycznego. pustynie, zanik oaz i śmierć nawet całych cywilizacji starożytności nie są rzadkością przypisywane akumulacji tlenku deuteru w wodzie pitnej, jednak jak dotąd są to tylko hipotezy, niejasne domysły, niepotwierdzone wynikami eksperymentów.

Zakłada się, że cząsteczki ciężkiej wody D 2 O w naturalne warunki praktycznie nie występują, a przeważają cząsteczki z jednym atomem deuteru – HDO.

Nieco większa masa cząsteczek HDO i D 2 O oraz zwiększona wytrzymałość wiązania deuteru sprawiają, że ciężka woda jest aktywniej zatrzymywana w fazie ciekłej w porównaniu ze zwykłą wodą. W rezultacie prężność pary ciężkiej wody jest zawsze niższa niż H2O, co powoduje, że cząsteczki zawierające deuter koncentrują się w fazie ciekłej podczas procesu parowania. Jest to podstawa do ułamkowego rozdziału izotopów. W warunkach naturalnych zjawiska te obserwuje się w wodach równikowych, gdy podczas procesu parowania w wody powierzchniowe stężenie izotopu D wzrasta w porównaniu do głębokich horyzontów. Badania opadów atmosferycznych pokazują, że ciężkie izotopy D lub 18 O opadają jako pierwsze wraz z deszczem. Separacja izotopowa zachodzi podczas procesu zamrażania i rozmrażania. Z czego powstał lód arktyczny woda morska, zawiera o 2% więcej izotopów D niż woda, z której powstał.

Siła wiązania deuteru i ułamkowy rozdział izotopów zmuszają wielu badaczy do zwrócenia uwagi na badanie procesów metabolicznych w żywym organizmie. Niektórzy uważają, że usunięcie deuteru z wody doprowadzi do gwałtownego wzrostu witalności organizmu, a nawet przedłużenia życia. Inni uważają, że obecność deuteru tworzy świat biologiczny pewna równowaga w procesach metabolizmu wewnątrzkomórkowego, a jej brak spowoduje poważne zaburzenia w przyrodzie ożywionej i nieożywionej.

Badania aktywności życiowej mikroorganizmów przy stopniowym dodawaniu ciężkiej wody do zwykłej wody wykazały ich niesamowitą zdolność adaptacji nowe środowisko. Kiedy zwykłą wodę całkowicie zastąpiono deuterem, mikroorganizmy nie umarły, ale przez pewien czas doświadczyły jedynie pewnego zahamowania, ale po „aklimatyzacji” nadal aktywnie się rozwijały. Sugeruje to zachowanie mikroorganizmów żywa komórka jest wyposażony w niesamowity mechanizm adaptacyjny, który ratuje go przed śmiercią nawet w warunkach akumulacji deuteru. Jednak poszczególne komórki organizmu mogą na skutek pewnych zaburzeń stać się niestabilne, a to prowadzi do ich śmierci.

Ile może istnieć gatunków izotopowych wody?
Okazuje się, że jest tego sporo. Według I.V. Petryanova-Sokołowa teoretycznie możliwe jest przyjmowanie różnych kombinacji izotopów wodoru i tlenu, tj. Jeśli każdy izotop tlenu reaguje w stosunku podobnym do wody z izotopami wodoru - 1:2, to z całego zestawu składników można otrzymać 48 odmian wody. Bez względu na to, jak paradoksalnie może to zabrzmieć, fakt pozostaje faktem. Spośród kilkudziesięciu odmian wody większość istnieje jedynie teoretycznie, mówiąc najprościej, tylko na papierze. Spośród 48 wód 39 jest radioaktywnych, a tylko 9 jest stabilnych, tj. odporny:

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.

Odkrycie nowych izotopów wodoru i tlenu radykalnie zwiększy liczbę teoretyczną możliwe wody.

Użycie ciężkiej wody
Przez krótki czas po odkryciu Ureya ciężką wodę uważano jedynie za ciekawostkę chemiczną. Ale jednocześnie słynny włoski fizyk Enrico Fermi przeprowadził eksperymenty z zakresu fizyki jądrowej, co stanowiło epokę w nauce. Wyniki tych eksperymentów ujawniły ogromne znaczenie militarne i gospodarcze ciężkiej wody. Fermi i jego współpracownicy w 1934 roku poddali się różne elementy bombardowanie neutronami o dużej energii (prędkości). W rezultacie otrzymano atomy o sztucznej radioaktywności, czyli tzw. radioizotopach. Fermi odkrył, że prawie każdy pierwiastek, który w normalnych warunkach nie jest radioaktywny, można przekształcić w radioaktywny, tj. przekształcić go w radioizotop za pomocą bombardowania neutronami. Odkrył również, że ogólna skuteczność bombardowania neutronami w celu wytworzenia sztucznej radioaktywności znacznie wzrosła wraz ze spadkiem ich prędkości.

Podobnie jak elektron i foton światła, neutron wykazuje właściwości cząstki, ale jego ruch ma również właściwości fali. Ma długość fali, która fizycznie określa jej „rozmiar”, a długość fali zmienia się odwrotnie do jej częstotliwości. Im niższa częstotliwość, która jest miarą energii neutronu, tym dłuższa jest długość fali. Neutron o niskiej energii (małej prędkości), na przykład 0,1 eV, będzie miał długość fali lub „rozmiar” większy niż 10 000 razy średnica jądro atomowe. Oczywiście taki powolny neutron, przechodząc przez skupisko atomów, ma większą szansę na trafienie (dotarcie) do jądra niż szybszy elektron. Istnieje również większe prawdopodobieństwo, że taki elektron zostanie „przechwycony”, czyli zaabsorbowany, przez jądro, w które uderza. Ale w jaki sposób rdzeń może wchłonąć obiekt 10 000 razy większy? Tutaj znowu należy pamiętać, że w tym przypadku mamy do czynienia z charakterystyką falową neutronu. Wewnątrz jądra neutron uzyskuje energię około 50 milionów V, czemu towarzyszy ogromny wzrost jego częstotliwości, która jest odwrotnie proporcjonalna do długości fali. Wraz ze wzrostem częstotliwości długość fali maleje. Neutron pochłonięty w ten sposób przez jądro powoduje zaburzenie równowagi jądrowej, w wyniku czego powstaje promieniowanie radioaktywne. Inaczej mówiąc, powstaje radioizotop.

Wkrótce po odkryciu Fermiego i jego współpracowników niemieccy naukowcy O. Hahn i F. Strassmann odkryli, że absorpcja neutronów przez jądra uranu powoduje rozszczepienie, czyli rozszczepienie tych jąder. Obydwa fragmenty rdzenia razem wzięte mają mniejszą masę niż pierwotny rdzeń, a różnica w masie zamienia się w energia kinetyczna w ilości określonej przez stosunek masy Alberta Einsteina do energii (E=mc 2), wówczas oba fragmenty rozpadają się z kolosalną prędkością. Jednocześnie emitują dwa lub trzy neutrony, których superciężki atom uranu ma pod dostatkiem. Każdy uwolniony neutron może teoretycznie rozszczepić każde jądro rozszczepialne, które napotka na swojej drodze; takie zderzenie spowodowałoby wyzwolenie dwóch lub trzech dodatkowych neutronów. Innymi słowy, proces rozszczepienia lub rozszczepienia jąder może stać się spontaniczny i samorozprzestrzeniający się: może rozpocząć się tak zwana reakcja łańcuchowa. Dalsze eksperymenty wkrótce wykazały, że z trzech izotopów uranu rozszczepienie zachodzi prawie wyłącznie tylko w jądrach uranu U235, który w normalnych warunkach stanowi zaledwie 0,7% zwykłego uranu. Jak można było się spodziewać po badaniach Fermiego, rozszczepienie uranu U 235 przebiegało najskuteczniej pod wpływem opóźnionych neutronów. Stwierdzono, że aby zainicjować reakcję łańcuchową w zwykłym uranie, konieczne jest posiadanie duży zapas bardzo wolne neutrony. Szybkie neutrony o energiach milionów elektronowoltów również czasami przypadkowo rozszczepiają atomy uranu, ale nie zdarza się to na tyle często, aby spowodować reakcję łańcuchową. Neutrony o umiarkowanej energii (kilka elektronowoltów) są fragmentami uranu U235, ale są wychwytywane przez jądra uranu U238, izotop stanowiący około 99% zwykłego uranu. Ich wychwytywanie przez uran U 238 wyklucza je, że tak powiem, z obiegu, ponieważ uran U 238 nie rozszczepia się, ale wręcz przeciwnie, ma tendencję do uzyskiwania stabilności poprzez uwolnienie z siebie jednego elektronu (co oczywiście zwiększa ładunek jądrowy o jeden, zamieniając uran o liczbie atomowej 93 w pluton o liczbie atomowej 94). Spallacja wymaga neutronów „termicznych”, nazwanych tak, ponieważ ich energia, około 0,02 eV, nie przekracza energii normalnego ruch termiczny atomy, pomiędzy którymi się poruszają. Neutrony termiczne nie tylko łatwo rozszczepiają U 235, ale także nie są podatne na wychwytywanie przez U 238. Są też różne znaczny rozmiar Kiedy przemieszczają się pomiędzy atomami uranu U 238 , istnieje większe prawdopodobieństwo, że napotkają łatwo rozszczepialny uran U 235 . Wszystko to ma znaczenie możliwe wystąpienie spontaniczna reakcja łańcuchowa w zwykłym uranie, mimo że zawiera on tylko 0,7% uranu U235, pod warunkiem jednak, że istnieje jakiś sposób na spowolnienie neutronów emitowanych podczas rozszczepienia uranu U235. Potrzebny jest tzw. „moderator” – substancja, która mogłaby absorbować nadmiar energii neutronów, nie wychwytując samych neutronów.

Ruch neutronu zostanie gwałtownie spowolniony, jeśli zderzy się z jądrem, którego masa jest tylko nieznacznie większa od jego masy; w tym przypadku neutron przekaże część swojej energii cząstce, z którą się zderzył, dokładnie w taki sam sposób, jak dzieje się z kulą bilardową, gdy uderza w inną kulę. Przesądza to o możliwości wykorzystania związków wodoru, zwłaszcza wody, jako moderatora. Od rdzenia prosty wodór, składający się tylko z jednego protonu, ma taką samą masę jak neutron, jest w stanie pochłonąć znaczną część energii neutronu podczas zderzenia. Ale niestety jądro prostego wodoru nie tylko częściowo pochłania energię neutronu, ale często także wychwytuje sam neutron, zamieniając się w jądro atomu deuteru. Dlatego zwykła woda jako moderator jest nieskuteczna. Ale najlepsze właściwości ma ciężką wodę. Jądra deuteru, składające się z jednego neutronu i jednego protonu, mają trudności z absorpcją neutronów, ale z łatwością absorbują znaczne ilości energii neutronów po zderzeniu. Zatem ciężka woda D 2 O jest bardzo skutecznym moderatorem, najskuteczniejszym ze wszystkich znanych nam substancji. Aby oddać swoją energię i stać się „termicznym”, aby oddziaływać z uranem U 235, neuron potrzebuje 25 zderzeń z jądrem deuteru, a np. zderzając się z jądrem węgla (pręty grafitowe), potrzeba 110 zderzeń.

Jednak ciężka woda może być znacznie bardziej użyteczna niż inhibitor neuronów. W bardzo wysokie temperatury może wydarzyć się coś zupełnie odwrotnego do rozszczepienia jądrowego. Ciepło jest energią ruchu i osiąga pewną granicę energia atomowa wzrasta tak bardzo, że może pokonać siły elektrostatyczne, które przy większym niskie temperatury powodują, że dwa ładunki dodatnie odpychają się. Tak powstanie nowe jądro poprzez połączenie dwóch jąder w wyniku tzw. reakcji termojądrowej. Raz rozpoczęty w środowisku lekkich atomów będzie się dalej rozwijał niczym reakcja łańcuchowa: jądro powstałe w wyniku połączenia ma nieco mniejszą masę niż oba jądra początkowe; różnicę mas zamienia się na energię zgodnie z równaniem Einsteina wyrażającym związek masy i energii (E=mc 2); część tej energii jest przenoszona do innych jąder, powodując ich łączenie. Ale jak uzyskać temperaturę początkową, mierzoną w milionach stopni, niezbędną do zajścia reakcji termojądrowej? Wcześniej taką temperaturę można było osiągnąć jedynie na krótką chwilę podczas wybuchu bomby atomowej uranowej lub plutonowej. Dlatego wszyscy bomby wodorowe Bomby atomowe, działające na zasadzie rozpadu jądrowego, służyły jako „zapalnik”. Kiedy zostaną znalezione metody taniego i bezpiecznego uzyskania wymaganej temperatury początkowej oraz sposoby jej lokalizacji, nadejdzie czas, gdy synteza jądrowa jako źródło energii przemysłowej okaże się bardziej opłacalna ekonomicznie niż rozszczepienia jądrowego. Jedną z jego głównych zalet jest to, że kontrolowana fuzja nie powoduje powstawania niebezpiecznych odpadów radioaktywnych. Kolejną zaletą jest to, że paliwo termojądrowe, w przeciwieństwie do paliwa rozszczepialnego, jest dostępne na Ziemi w ogromnych ilościach.

Fizycy jądrowi ustalili, że jądra deuteru są szczególnie podatne na fuzję. Dlatego też znaczenie deuteru rośnie w miarę zbliżania się terminu wyczerpania się zasobów paliw kopalnych na Ziemi. Zasoby paliwa jądrowego na Oceanie Światowym są praktycznie nieograniczone. Deuter zawarty w 1 litrze wody morskiej zawiera energię równoważną energii około 350 litrów benzyny. Teoretycznie wody oceanów i mórz mogą zapewnić ludzkości źródło energii na miliardy lat.

Historia odkrycia ciężkiej wody
Amerykański fizykochemik Harold Urey (1893-1981), który w młodości wykazywał duże zainteresowanie strukturą jądrową materii, postanowił zastosować metodę spektroskopową do badania wodoru. Obliczenia teoretyczne przeprowadzone przez G. Ureya przekonały, że próby rozdzielenia wodoru na izotopy mogą prowadzić do ciekawych wyników - do identyfikacji nowego, trwałego izotopu wodoru, którego istnienie przewidywał E. Rutherford. Kierując się tymi rozważaniami, G. Yuri polecił jednemu ze swoich uczniów odparować 6 litrów ciekłego wodoru, a na koniec eksperymentu badacze otrzymali pozostałość o objętości około 3 cm3. Najbardziej zaskakujące jest to, że w wyniku analizy spektralnej pozostałości stwierdzono taki sam układ linii, jaki przewidział G. Urey na podstawie przesłanek teoretycznych. Odkryto ciężki wodór - deuter.

Poinformował o tym G. Urey w 1931 roku na noworocznym spotkaniu Amerykańskiego Stowarzyszenia na rzecz Postępu Nauki w Nowym Orleanie. Dalsze wysiłki naukowca miały na celu uzyskanie próbki o wysokim stężeniu deuteru. Dokonano tego za pomocą elektrolizy, dyfuzji gazu, destylacji wody i innych metod. Różne prężności par H2 i HD pozwoliły G. Ury'emu, F. Brickwedde'owi i G. Murphy'emu udowodnić istnienie deuteru. Praca opublikowana przez G. Uriego wraz ze współpracownikami wywarła na większości naukowców oszałamiające wrażenie różne obszary Nauki. Wielu ekspertów uznało tę wiadomość za coś fantastycznego i kontrowersyjnego, ale fakty doświadczalne wykazały, że ciężki izotop wodoru naprawdę istnieje.

Deuter rozpoczął trudną podróż, a G. Yuri został nagrodzony nagroda Nobla(1934). Po odkryciu deuteru wydarzenia potoczyły się bardzo szybko. To był tylko eksperyment, ale okazał się bardzo trudnym zadaniem technicznym. Ciężką wodę po raz pierwszy odkryli w wodzie naturalnej G. Jury i E.F. Osborne’a w 1932 r.

Akademik N.D. Zelinski, dowiedziawszy się o odkryciu ciężkiej wody, napisał w 1934 r.: „Kto by pomyślał, że w przyrodzie istnieje inna woda, o której do zeszłego roku nie wiedzieliśmy nic, woda, którą codziennie wprowadzamy do organizmu w bardzo małych ilościach razem z wodą pitną, jednak w niewielkich ilościach. nowa woda, spożywane przez człowieka w ciągu jego życia, osiągają już rząd wielkości, którego nie można zignorować.” Rozwijając swoją koncepcję, kontynuował: „W ewolucji form chemicznych w biosferze i litosferze nie może nie brać udziału ciężka woda, a pytanie, na jakim etapie W tym procesie ewolucyjnym to, czy w naszej epoce ciężka woda znajduje się w fazie akumulacji w przyrodzie, czy w fazie degradacji, wydaje się bardzo istotne z punktu widzenia metabolizmu w organizmach żywych, w która woda odgrywa główną rolę. Wszystkie żywe istoty niosą w swoich ciałach ogromne masy zwykłej wody, a wraz z nią ciężkiej wody; Jaki wpływ ma to ostatnie na funkcje życiowe organizmu? Tego jeszcze nie wiadomo, ale taki wpływ powinien być niezaprzeczalny.”