Чому воду називають важкою водою

Важка вода – вода в якій звичайний водень 1H (легкий) замінений важким ізотопом 2H – дейтерієм (D). У важкої води, також як і у звичайної, немає ні кольору, ні смаку, ні запаху.

В даний час відомі три ізотопи водню: 1H, 2H(D), 3H(T). Самий легкий з них – 1H називається протием. Майже цілком з нього складається звичайна вода, частково в ній міститься більше важкий водень – дейтерій (D) і надважкий тритій (T). Зустрічаються три ізотопи кисню: 16O, важкий 18O і зовсім небагато в природі 17 O. З допомогою потужних прискорювачів і реакторів фізики отримали ще п’ять радіоактивних ізотопів кисню: 13O, 14 O, 15O, 19 O, 20O. Тривалість їх життя дуже коротке – вона вимірюється кількома хвилинами, потім, розпадаючись, вони перетворюються в ізотопи інших елементів.

У складі звичайної води можна виявити не тільки важку воду. Відома надважка вода T2O (атомна маса тритію – Т дорівнює 3) і тяжелокислородная вода, молекули якої містять замість атомів 16O атоми 17 O і 18O. Ізотопні різновиди води присутні у звичайній у ничтожнейших кількостях. У природних водах на один атом дейтерію доводиться 6500-7200 атомів водню 1H, а щоб виявити один атом тритію, треба мати принаймні 1018 атомів 1H.

Після виявлення важкої води вчені спочатку були настільки здивовані, що розглядали важку воду як хімічний курйоз. Однак здивування було недовгим. Італійський фізик Енріко Фермі, проводив експерименти в області ядерної фізики, зрозумів, що важка вода має величезне військове значення. З тих пір події, що розвиваються навколо цієї дивної рідини, були сповнені драматизму і глибокої секретності. І все тому, що доля важкої води тісно перепліталася з розвитком атомної енергетики. Така вода використовується в ядерних реакторах як теплоносій і сповільнювач нейтронів.

Основні фізико-хімічні константи звичайної і важкої води істотно розрізняються. Звичайна вода, її водяна пара і лід, склад яких виражається хімічною формулою H2O, має молекулярну масу 18,0152 р. Лід утворюється при 0°С (273 K), а закипає вода при 100 °C (373 K). Важка вода перетворюється в лід при 3,813 °C, а пара утворюється при 101,43 °C. По в’язкості важка вода на 20 % перевершує звичайну воду, а максимальна щільність спостерігається при температурі 11,6 °C. Її хімічна формула D2O, де водень замінений на дейтерій, атомна маса якого в 2 рази більше. Окис дейтерію має молекулярну масу 20,027. Питома маса її на 10 % вище, ніж у звичайної води. Ось чому вона і називається важкою водою.

Важка вода, як з’ясували вчені, придушує все живе. Ось якими різко полярними властивостями відрізняються дейтерієва і звичайна вода – протиевая. Важка вода сповільнює біологічні процеси і діє гнітюче на живі організми. Мікроби у важкій воді гинуть, насіння не проростає, рослини і квіти в’януть при поливанні такий водою. Важка вода згубно впливає на тварин. А на людину? На жаль, про важкій воді нам відомо ще далеко не все.

В 1 т річкової води присутні близько 150 г важкою. В океанській воді трохи більше: на 1 т припадає 165 р. В озерах важкої води виявлено на 15-20 г більше, ніж у річках, з розрахунку на 1 т. Цікаво зазначити, що дощова вода містить більше окису дейтерію, ніж сніг. Такі відмінності здаються дивними, адже те і інше – опади атмосферного походження. Так, джерело, а вміст важкої води різне. Таким чином, річкові, озерні, грунтові та морські води досить несхожі за ізотопного складу і, отже, як об’єкти, що використовуються для одержання важкої води, далеко не рівнозначні. Був час, коли її вважали “мертвою водою” і вважали, що присутність важкої води від звичайної уповільнює обмін речовин, сприяє старінню організму. Випадки довгожительства на Кавказі деякі дослідники пов’язують з меншою кількістю окису дейтерію в гірських потоках льодовикового і атмосферного походження. Виникнення пустель, зникнення оазисів і загибель навіть цілих цивілізацій старовини нерідко приписують накопичення окису дейтерію в питній воді. Однак поки це все тільки гіпотези, туманні припущення, не підтверджені експериментальними результатами.

Передбачається, що молекули важкої води D2O в природних умовах практично не зустрічаються, а переважають молекули, що мають один атом дейтерію – HDO.

Дещо більша маса молекул HDO, D2O і підвищена міцність дейтерієвої зв’язку сприяють тому, що важка вода активніше утримується в рідкій фазі порівняно із звичайною водою. Отже, тиск пари важкої води завжди нижче, ніж H2O, і це призводить до того, що молекули, що містять дейтерій, концентруються в рідкій фазі в процесі випаровування. На цьому побудовано фракційне розділення ізотопів. У природних умовах ці явища спостерігаються в екваторіальних водах, коли в процесі випаровування в поверхневих водах збільшується концентрація ізотопу D у порівнянні з глибинними горизонтами. Вивчення атмосферних опадів показує, що в першу чергу з дощем випадають важкі ізотопи D або 18O. Ізотопне поділ відбувається в процесі замерзання і танення. Арктичний лід, що утворюється з морської води, містить на 2 % ізотопів D більше, ніж вода, з якої він утворився.

Міцність дейтерієвої зв’язку і фракційне розділення ізотопів змушують багатьох дослідників звернути увагу на вивчення обмінних процесів в живому організмі. Одні вважають, що видалення дейтерію з води призведе до різкого підвищення життєстійкості організму і навіть до продовження життя. Інші вважають, що наявність дейтерію створює в біологічному світі певний баланс у процесах внутрішньоклітинного обміну і його відсутність викличе серйозні порушення в живій і неживій природі.

Дослідження життєдіяльності мікроорганізмів при поступовому додаванні важкої води до звичайної показали їх дивовижну пристосованість до нового середовища. Коли звичайна вода була повністю замінена на дейтерієву, мікроорганізми не загинули, а яке-той час відчували лише деяке пригнічення, але після “акліматизації” продовжували активно розвиватися. Така поведінка мікроорганізмів наштовхує на думку, що жива клітина має дивовижним механізмом пристосовності, який рятує її від загибелі, навіть в умовах накопичення дейтерію. Однак окремі клітини організму із-за якихось порушень можуть бути нестійкими, і це призводить їх до загибелі.

Скільки ізотопних різновидів води може існувати
Виявляється, дуже багато. На думку В. В. Петрянова-Соколова, теоретично можна взяти різні комбінації ізотопів водню і кисню, тобто якщо кожен ізотоп кисню прореагує в аналогічному для води співвідношенні з ізотопами водню – 1:2, то з усього набору компонентів можна буде отримати 48 різновидів води. Як ні парадоксально це звучить, але факт залишається фактом. З кількох десятків різновидів води більша частина існує лише теоретично, просто кажучи, тільки на папері. З 48 вод 39 – радіоактивні і лише 9 стабільні, тобто стійкі:

H216O, H217O, H218O, HD16O, HD17O, HD18O, D216O, D217O, D218O.

Відкриття якихось нових ізотопів водню і кисню різко підвищувати кількість теоретично можливих вод.

Використання важкої води

Протягом нетривалого часу після відкриття Юрі важка вода розглядалася лише як хімічний курйоз. Але в цей же самий час відомий італійський фізик Енріко Фермі проводив експерименти в області ядерної фізики, що склали епоху в науці. Результати цих дослідів виявили величезне військове та економічне значення важкої води. Фермі і його співробітники в 1934 р. піддавали різні елементи обстрілу нейтронами, володіли великою енергією (швидкістю). В результаті були отримані атоми з штучною радіоактивністю, або так звані радіоізотопи. Фермі встановив, що майже кожен нерадіоактивний в нормальних умовах елемент можна зробити радіоактивним, тобто перетворити його в радіоізотоп, з допомогою обстрілу нейтронами. Він знайшов також, що загальна ефективність бомбардування нейтронами з метою викликати штучну радіоактивність значно збільшувалася зі зменшенням їх швидкості.

Подібно електрона і фотона світла, нейтрон виявляє властивості частинки, але його руху притаманні властивості хвилі. Він володіє довжиною хвилі, яка фізично визначає його розмір, і ця довжина хвилі змінюється обернено пропорційна його частоті. Чим нижче частота, що є мірою енергії нейтрона, тим більше довжина хвилі. Нейтрон з низькою енергією (малою швидкістю), наприклад з енергією 0,1 ев, матиме довжину хвилі або “розмір”, що перевищує більш ніж в 10 000 разів діаметр атомного ядра. Очевидно, що такий уповільнений нейтрон, проходячи через скупчення атомів, має більше шансів вдаритися (зачепити) про ядро, чим більш швидкий електрон. Є також більше вероятия, що такий електрон буде “захоплений”, або поглинений, ядром, яке він зачепить. Але як ядро може поглинути предмет, в 10 000 разів перевищує його за своїми розмірами? Тут знову варто згадати, що в даному випадку ми маємо справу з хвильовими характеристиками нейтрона. Всередині ядра нейтрон набуває енергію приблизно в 50 млн. з відповідним величезним збільшенням своєї частоти, яка обернено пропорційна довжині хвилі. При збільшенні частоти довжина хвилі зменшується. Нейтрон, поглинений таким чином ядром, викликає порушення ядерного рівноваги, в результаті чого починається радіоактивне випромінювання. Іншими словами, створюється радіоізотоп.

Незабаром після відкриття Фермі і його співробітників німецькі вчені О. Ган і Ф. Штрассман виявили, що поглинання нейтронів ядрами урану викликає розщеплення, або поділ, цих ядер. Обидва шматка ядра, разом узяті, мають меншу масу, ніж первісне ядро, а оскільки різниця в масі перетворюється в кінетичну енергію в кількості, що визначається співвідношенням між масою і енергією Альберта Ейнштейна (E=mc2), то обидва осколки розлітаються в сторони з колосальною швидкістю. При цьому вони випускають два або три нейтрона, які надважкий атом урану має у множині. Кожен випущений нейтрон теоретично може розщепити будь здатний до розщеплення ядро, яке він зустріне на своєму шляху; в результаті такого зіткнення вивільняться ще два або три нейтрона. Іншими словами, процес розщеплення, або ділення ядер може стати мимовільним, високотемпературного синтезу: може початися так звана ” ланцюгова реакція. Подальші досліди незабаром показали, що з трьох ізотопів урану розщеплення відбувається майже виключно лише у ядер урану U235, який при нормальних умовах становить лише 0,7% звичайного урану. Як і слід було очікувати з досліджень Фермі, розщеплення урану U235 відбувалося найбільш ефективно під впливом уповільнених нейтронів. Було встановлено, що для порушення ланцюгової реакції в звичайному урані необхідно мати великий запас досить уповільнених нейтронів. Нейтрони, що володіють великою швидкістю, з енергією в мільйони електронвольт, також іноді випадково розщеплюють уранові атоми, але це відбувається не настільки часто, щоб викликати ланцюгову реакцію. Нейтрони з помірною енергією (у кілька електронвольт) являють собою уламки урану U235, але вони піддаються захоплення ядрами урану U238 – ізотопу, що становить близько 99% звичайного урану. Захоплення їх ураном U238 виключає їх, так би мовити, з обігу, оскільки уран U238 не розщеплюється, а, навпаки, прагне придбати стійкість, виділяючи з себе один електрон (це, зрозуміло, збільшує ядерний заряд на одиницю, перетворюючи уран з атомним числом 93 плутоній з атомним числом 94). Для розщеплення потрібні “теплові” нейтрони, названі так тому, що їх енергія, яка дорівнює приблизно 0,02 ев, не перевищує енергії нормального теплового руху атомів, серед яких вони переміщуються. Теплові нейтрони не тільки легко розщеплюють U235, але вони не схильні також захоплення ураном U238. Вони відрізняються, крім того, значними розмірами, переміщаючись серед атомів урану U238, вони з більшою ймовірністю можуть зустрітися з легко расщепляющимся ураном U235. Все це робить можливим виникнення мимовільної ланцюгової реакції в звичайному урані, незважаючи на те, що він містить лише 0,7% урану U235, за умови, однак, що є якийсь спосіб для уповільнення нейтронів, що випускаються при розщеплюванні урану U235. Необхідний так званий “сповільнювач” – таку речовину, яке могло б поглинати зайву енергію нейтронів, не захоплюючи самих нейтронів.

 

Рух нейтрона буде різко сповільнене, якщо він зіткнеться з ядром, вага якого лише ненабагато перевищує його власний; при цьому нейтрон повідомить частину своєї енергії частинки, з якою він зіткнувся, абсолютно так само, як це відбувається з більярдним кулею при його ударі об іншу кулю. Це зумовлює можливість використання в якості сповільнювача водневих сполук, зокрема, води. Оскільки ядро простого водню, що складається з одного протона, має ту ж саму масу, що і нейтрон, воно здатне прийняти на себе при зіткненні значну частину енергії нейтрона. Але, на жаль, ядро простого водню не тільки частково поглинає енергію нейтрона, але часто захоплює і сам нейтрон, перетворюючись в ядро атома дейтерію. Тому звичайна вода як сповільнювач малоефективна. Зате кращими властивостями володіє важка вода. Ядра дейтерію, що складаються з одного нейтрона і одного протона, насилу поглинають нейтрони, але легко сприймають при зіткненні значні кількості енергії нейтронів. Таким чином, важка вода D2O є дуже ефективним сповільнювачем, найбільш ефективним серед всіх відомих нам речовин. Щоб віддати свою енергію і стати “тепловим”, для взаємодії з урану U235, нейрона достатньо 25 зіткнень з ядром дейтерію, а наприклад при зіткненні з ядром вуглецю (графітові стержні) потрібно 110 зіткнень.

Але у важкій води є потенціал сталь набагато більш корисною, ніж сповільнювач нейронів. При дуже високих температурах може статися щось зовсім протилежне розщепленню ядра. Теплота є енергією руху, і при досягненні нею деякої межі ядерна енергія настільки зростає, що вона може подолати електростатичні сили, які при більш низьких температурах викликають відштовхування двох позитивних зарядів. Так виникне нове ядро шляхом злиття двох ядер в результаті так званої термоядерної реакції. Одного разу почавшись в середовищі легких атомів, вона буде розвиватися далі подібно до ланцюгової реакції: ядро, яке утворилося в результаті злиття, має дещо меншу масу, ніж обидва вихідних ядра; різниця в масі перетворюється в енергію у відповідності з рівнянням Ейнштейна, що виражає співвідношення між масою і енергією (E=mc2); частина цієї енергії передається іншим ядрам, викликаючи їх злиття. Але як отримати необхідну для термоядерної реакції початкову температуру, що вимірюється мільйонами градусів? Раніше таку температуру можна було отримати лише на коротку мить під час вибуху уранової або плутонієвої атомної бомби. Тому у всіх водневих бомб як “запала” застосовувалися атомні бомби, що діють за принципом ядерного розпаду. Коли будуть знайдені способи дешевого і безпечного отримання необхідної початкової температури і способи її локалізації, то настане час, коли ядерне злиття в якості джерела промислової енергії виявиться економічно більш вигідним, ніж ядерний розпад. Одне з його великих переваг полягає в тому, що кероване злиття не буде давати небезпечних радіоактивних відходів. Інша його перевага полягає в тому, що паливо для злиття в протилежність палива для розпаду є на Землі у величезних кількостях.

Фізики ядерники визначили, що ядра дейтерію особливо легко піддаються злиття. Тому значення дейтерію зростає по мірі наближення того часу, коли запаси викопного палива на Землі будуть вичерпані. Запаси ж ядерного пального в Світовому океані практично безмежні. Дейтерій, що міститься в 1 л морської води, укладає енергію, еквівалентну енергії близько 350 л бензину. Теоретично води океанів і морів можуть забезпечити людство джерелом енергії на мільярди років.

Історія відкриття важкої води

Американський фізико-хімік Гарольд Юрі (1893-1981), в молодості виявляв великий інтерес до ядерної структурі речовини, вирішив використовувати спектроскопічний метод для вивчення водню. Виконані Р. Юрі теоретичні розрахунки переконали, що спроби поділу водню на ізотопи можуть привести до цікавих результатів – до виявлення нового стабільного ізотопу водню, існування якого передбачив ще Е. Резерфорд. Керуючись цими міркуваннями, Р. Юрі доручив одному зі своїх учнів випарити 6 л рідкого водню, і в кінці експерименту дослідники отримали залишок об’ємом близько 3 см3. Найдивовижніше, що в результаті спектрального аналізу залишку було знайдено таке ж розташування ліній, яке було передбачене Р. Юрі на основі теоретичних передумов. Важкий водень – дейтерій був відкритий.

Про це Р. Юрі повідомив в 1931 році на новорічному зборах Американської Асоціації розвитку науки в Нью-Орлеані. Подальші зусилля вченого були спрямовані на отримання зразка з високою концентрацією дейтерію. Це вдалося зробити за допомогою електролізу, газової дифузії, дистиляції води та інших методів. Різні пружності пара H2 і HD дозволили Р. Юрі, Ф. Брикведде і Р. Мерфі довести існування дейтерію. Опублікована Р. Юрі спільно з співробітниками робота справила приголомшливе враження на вчених різних галузей науки. Багато фахівців сприймали цю звістку як щось фантастичне і спірне, але експериментальні факти показували, що важкий ізотоп водню реально існує.

Дейтерій почав свій складний шлях, а Р. Юрі була вручена Нобелівська премія (1934). Після відкриття дейтерію події розвивалися дуже швидко. Справа була тільки за експериментом, але це виявилося досить складною технічною задачею. Важка вода була вперше виявлена в природній воді Р. Юрі і Е. Ф. Осборном в 1932 році.

Академік Н.Д. Зелінський, дізнавшись про відкриття важкої води, писав у 1934 році: “Хто б міг подумати, що в природі існує ще інша вода, про яку ми до минулого року нічого не знали, вода, яку в дуже невеликій кількості ми щодня вводимо в свій організм разом з питною водою. Однак невеликі кількості цієї нової води, які споживаються людиною протягом життя, складають вже порядок величини, з яким не можна не рахуватися”. Розвиваючи свою думку, продовжував: “В еволюції хімічних форм у біосфері та літосфері важка вода не може не брати участі, і питання про те, в якій стадії такого еволюційного процесу знаходиться важка вода в нашу епоху, в стадії накопичення її в природі або в стадії деградації, представляється досить важливим і з точки зору обміну речовин у живих організмах, в якому вода грає першорядну роль. Все живе проводить через свій організм величезні маси звичайної води, а разом з нею і важку воду; який же вплив робить остання на життєві функції організму? Поки що це невідомо, але такий вплив має бути безсумнівним”.