Тяжелая вода

Обычно формулу воды записывают Н20, но в зависимости от изотопного состава водорода и кислорода существует несколько десятков составов воды с различным сочетанием дейтерия, трития и изотопов кислорода.

Для жизни природы наиболее важна обычная вода, в которой ядра атомов водорода представляют собой протоны, и тяжелая вода с дейтерием D, атомом водорода с ядрами из протона и нейтрона. Ее формулу записывают D20. Дейтериевая вода сильно влияет на природные процессы, хотя ее содержание в воде невелико.

Свойства обычной (нротиевой) и дейтериевой воды различаются. Плотность тяжелой воды на 10% больше плотности легкой. Энергия водородной связи между молекулами в тяжелой воде на 1,4 кДж/моль больше, чем в обычной (В-4-7. Почему?), и это сказывается на многих свойствах воды. (В-4-8. Каких?) Вязкость тяжелой воды выше на 10—15%. (В-4-9. Почему?) Обычная вода замерзает при 0°С, тяжелая вода — при 3,8°С. (В-4-10. Почему?) У обычной воды энтальпия плавления равна 6,0 кДж/моль, а дейтериевой — 6,3 кДж/моль. (В-4-11. Почему больше?)

Температура кипения обычной воды 100°С, тяжелой воды - 101,4°С. Повышение температуры кипения тяжелой воды вызвано не только более сильными межмолекульными взаимодействиями, но и большей массой молекулы тяжелой воды, для перевода которой в газовую фазу требуется больше энергии. Энтальпия испарения обычной воды равна 44,8 кДж/моль, а тяжелой воды — 46,4 кДж/моль.

При испарении воды с поверхности водоемов происходит перераспределение изотопов водорода 1Н и 2Н (и кислорода 160 и 180). В водяном паре повышено содержание легких изотопов водорода и кислорода. (В-4-12. Почему?) При конденсации паров воды происходит дальнейшее разделение изотопов, и первые капли воды содержат больше легкой воды, чем последующие. Вода водоемов по сравнению с атмосферной обогащена тяжелой водой. Над сушей циркулирует воздух, содержащий значительно меньше дейтерия. (В-4-13. Почему?) (В-4-14. После отливания из полного чайника чашки воды вы наполняете его водой несколько раз. Как изменяется изотопный состав воды в чайнике?)

В воде океанов содержание дейтерия выше, чем в атмосфере. (В-4-15. Почему?) В морской воде содержится 0,017 масс.% дейтерия. В воде океанов дейтерия на 4% больше, чем в обычной, и это принято за норму. В пресных водах по сравнению с морскими повышено содержание легкой воды, и оно имеет сезонный характер.

Тяжелая вода замерзает при температуре выше обычной, и содержание тяжелой воды во льдах и в жидкой воде различается. (В-4-16. Какая вода содержит больше дейтерия?)

В начале таяния талая вода обеднена дейтерием, а в конце обогащена им. В снеге и льде больше легкой воды, поэтому вода океанов полярных областей содержит меньше тяжелой воды. Количество дейтерия 2П в различных слоях снега и льда зависит от того, в каком сезоне они образовались.

В районах высоких широт в выпадающем снеге и обычной жидкой воде из него содержание тяжелой воды понижено. Там же атмосфера обогащена тяжелой водой, которая перемещается в низкие широты. (В-4-17. Где — на экваторе или на полюсе — в атмосфере или водоеме больше легкой воды?)

Растворимость солей и других соединений в тяжелой воде обычно меньше, чем в обычной, что также приводит к перераспределению тяжелой воды в океанических и пресных водах.

При электролизе смеси тяжелой Г)20 и обычной Н20 воды в выделяющемся водороде содержится меньше дейтерия, потому что в первую очередь происходит разложение обычной воды, а тяжелая вода накапливается в электролизере. Многократный электролиз воды является одним из методов получения тяжелой воды и дейтерия. Активированный уголь извлекает тяжелую воду легче, чем обычную. (В-4-18. Почему?)

Скорости реакций с участием дейтерия обычно понижены. (В-4-19. Почему?) (В-4-20. Как сказывается замена атомов обычного водорода на дейтерий на межъядерных расстояниях и энергиях связи?)

Тяжелая вода 1)20 непригодна для жизненных процессов, так как более прочные связи D—О снижают скорости биологически важных реакций в 6—8 раз и смещают их равновесия. Небольшие количества тяжелой воды в обычной воде действуют угнетающе на живые организмы, более высокие дозы приводят к их гибели. В тяжелой воде задерживается размножение микробов. Действие ферментов резко ослабляется. Сахароза под действием дрожжей гидролизуется в тяжелой воде в 10 раз медленнее. Семена некоторых растений не прорастают. Даже частичное удаление тяжелой воды из обычной делает ее пригодной для жизни большинства организмов.

Быть может, из-за того что на материках вода обеднена дейтерием, жизнь из воды перешла на сушу. Отмечено, что долгожители проживают там, где мало тяжелой воды. Было высказано предположение, что весенние перелеты птиц на север связаны со стремлением попасть в места, где меньше дейтерия.

Тяжелая вода замедляет нейтроны, и ее используют для изучения технологии ядерных реакций.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >