Тяжелая вода что это такое
Тяжелая вода: свойства и применение
Мало кто знает, что воду подразделяют на простую и тяжелую. Последняя не имеет запаха, цвета или вкуса, поэтому ее трудно распознать. Главные отличия — это содержание изотопов вместо атомов водорода и, конечно же, свойства. Открыта тяжелая вода (оксид дейтерия) была Гарольдом Юри, имеет формулу 2Н2О. Сразу стоит сказать, что она слаботоксична и способна вызвать серьезные нарушения в организме. Например, у 25% животных провоцирует бесплодие (при повышенном содержании дейтерия возможна смерть), но для человека относительно безопасна.
Тяжелая вода
В 1931 году Гарольд Юри впервые обнаружил тяжелую воду, однако через год Гилберт Ньютон Льюис получил чистую тяжеловодородную воду. Именуют ее нередко окисью дейтерия, имеет формулу D20. Если сравнивать с водородом, то дейтерий в 2 раза тяжелее (молекулярная масса простой воды равняется 18 г/моль), и именно это объясняет почему же дейтериевую воду d2o называют тяжелой водой.
Сразу хочется развеять один из мифов. Многие уверены, что при длительном кипячении в воде повышается концентрация дейтерия и может привести к последствиям при употреблении. К счастью, это всего лишь миф, так как концентрация настолько мала, что не вредит человеку.
Если посмотреть на простую и тяжелую воду, то провести сравнение свойств на глаз легкой и тяжелой воды невозможно. Организм же человека явно ощущает разницу между двумя жидкостями. После употребления последней замедляется метаболизм, при накоплении дейтерия возможно торможение обменных процессов и развитие необратимых последствий. Одно из них — образование злокачественных опухолей. Легкая вода человеку необходима, ведь она питает клетки и обеспечивает им антиоксидантную защиту.
Даже с точки химического состава между двумя жидкостями практически нет разницы. Обе выделяют водород, одинаково разлагаются при электролизе и имеют один и тот же состав. Однако физические свойства кардинально отличаются: температура кипения и замерзания, упругость пара, плотность, время разложения при электролизе — все это отличает тяжелую воду от простой.
Свойства тяжелой воды
Ученые множество лет изучали данный вопрос и выявили: легкая кардинально отличается от свойств тяжелой воды. Практически все из них утверждают, что такая жидкость непригодна для живых организмов. Рыбы, черви, микробы в ней не смогут жить, а животные погибнут после употребления. Кроме того, даже аэробные растения не могут выживать в ней. Основные свойства:
Растворить соли в ней гораздо труднее, чем в питьевой жидкости. Кроме того, жесткая вода не способна поглощать нейтроны. Существовать могут в ней только водоросли и бактерии. Для человека сверхтяжелая водав минимальных объемах практически безопасна и быстро выводится из организма, плюс ко всему она содержится в обычной в небольшой концентрации.
Где применяется тяжелая вода
Довольно долго после открытия было непонятно куда и как можно применять тяжелую воду. Несколько десятилетий исследований все-таки привели к тому, что D20 стали использовать в промышленных и научных целях. Список огромен, но самыми основными считают следующие сферы:
Например, тяжелая вода предотвращает размножение грибов и бактерий, что необходимо в медицине. Увеличение концентрации дейтерия до 50% приведет к антимутагенным свойствам, а это ускоряет половое созревание у человека и рост биологической массы.
Многолетние исследования и опыты на мышах с раковыми опухолями привели к следующему результату. Болезнь действительно отступала после применения жесткой воды, однако подопытный умирал. Употребление жидкости животными приводит к разрушению органов мочеполовой системы и нарушению обмена веществ. Если дозировка дейтерия превышает норму в несколько раз, то организм погибает. Нередко жесткую воду называют мертвой ведь она тормозит все биологические процессы.
Есть и положительная сторона применения тяжелой воды. Небольшой объем (до 20-25%) увеличивает вес животных и улучшает приплод, например, куры начинают нести больше яиц. Человек сталкивается с мертвой водой, как минимум, несколько раз в год. Реки, моря, озера, осадки — все это содержит определенное количество дейтерия. Удивительный факт: в дожде сверхтяжелая вода содержитсяв более высокой концентрации, чем в снегу.
Необходимо различать и контролировать жесткость воды, иначе не избежать последствий. Превышение концентрации приводит к преждевременному старению (это касается не только красоты, но и всего организма в целом) и даже развитию онкологических заболеваний. Как правило, это касается регионов, где используются для очистки фильтры обратного осмоса или опреснение морской воды. Иногда процент заболеваемости в таких местах превышает показатели ближайших регионов.
Пока науке не до конца понятно, стоит ли окончательно избавляться от дейтерия и как это вообще сделать. Не исключено, что жидкость в скором времени будут использовать в виде нового источника энергии. К удивлению, многих, есть не только простая и тяжелая вода. Ученые выделяют полутяжелую и сверхтяжелую жидкости, а также различные модификации изотопов.
Тяжелая вода была открыта почти 90 лет назад. Все это время ученые продолжают изучать ее и искать ответы на многие вопросы, касающиеся свойств, сферы применения и опасности жидкости. Точно можно сказать, что она отличается от обычной несколькими характеристиками, но при этом ее невозможно отличить по вкусу или запаху.
Тяжелая вода: что это такое и где она применяется, как получить такую жидкость в домашних условиях – физические свойства воды и химическая формула
Вы наверняка о ней слышали, но уделяли ли ей достаточно внимания? Чтобы ответить, рассмотрим, что собой представляет тяжелая вода: что это такое, где применяется, чем отличается от обычной, что будет, если регулярно употреблять ее в быту и так далее.
Сразу отметим: сегодня она используется все активнее, особенно в химической промышленности и в экспериментальной медицине. Ученые подбирают различные ее дозировки для проведения глобальных исследований, призванных улучшить приплод и увеличить вес домашних животных, а также побороть раковые опухоли. Успехи переменные, но они есть (плюс многие изыскания рассчитаны на длительную перспективу, и их результаты пока не оценить), поэтому работы в этих направлениях продолжаются, чему только способствует общее развитие технологий.
Что значит термин «тяжелая вода»
Она представляет собой оксид — либо водорода 2H (вместо легкого 1H в обычных условиях), либо дейтерия D, то есть изотопа, содержащего на один нейтрон больше, чем в стандартном случае. Такая замена оборачивается повышением удельной массы на 10%.
Немного справочной информации:
В природных источниках соотношение D к H сегодня измеряется как 1 к 6900; ее немного и это хорошо, так как в целом она действует на организмы угнетающе (подробнее рассмотрим этот вопрос ниже).
История открытия
Впервые ее молекулы в обычной среде обнаружил американский физиохимик Гарольд Юри: было это в 1932-м году, а в 1934-м ему присудили Нобелевскую премию за это открытие. В 1933-м уже другой ученый из США, Гилберт Льюис, путем электролиза получил чистую тяжеловодородную воду: он многократно пропускал ток через остаток H2O, постепенно насыщая его молекулами HDO и D2O – до тех пор, пока концентрация последних не достигла 99%.
Когда в 1938-м открыли деление ядер, сразу же стало ясно, насколько перспективны цепные реакции этого процесса. Но для их проведения понадобился эффективный замедлитель нейтронов. В роли последнего стали использовать D2O — наиболее удобное с технической точки зрения соединение дейтерия, помимо прочего, еще и отводящее тепло из рабочей зоны.
В СССР химическая формула тяжелой воды и те преимущества, которые она дает, получала все больше внимания по мере развития атомной энергетики. В частности, предшественница ИТЭФ, Лаборатория №3 АН СССР, начала производить 2H2O в промышленных масштабах – для обеспечения нужд реакторов (современная классификация которых – тип PHWR) и различных установок.
Физические свойства тяжелой воды
Одни из них такие же, что и у обычной, другие — кардинально отличаются, но общая их совокупность определяет условия применения и употребления D2O (2H2O), а значит заслуживает внимания. Рассмотрим каждый из важных параметров отдельно.
Запах
Отсутствует — по этому показателю отличить ее от «легкой» не представляется возможным. Какие-то оттенки неприятного аромата — допустим, серной тухлости, хлористой резкости или гниловатой сладости — говорят только о наличии вполне конкретных проблем в самом источнике, вызванных не превышением концентрации оксида дейтерия. Причина может быть в разложении водорослей, сливе промышленных отходов и других подобных факторах.
Во всех вариациях своих изотопов тяжелая вода в природе так же прозрачна, как обычная. Поэтому вполне можно спутать ее визуально и случайно выпить, если она, например, будет налита в стакан или графин (на вкус она может показаться чуть сладковатой).
Обратите внимание: помутнение, затемнение или осветление, появление буроватого или зеленоватого оттенка свидетельствует лишь о присутствии примесей в отдельно взятом заборе, но никак не о повышенном содержании D2O, его так просто не определить. Другой вопрос, чем обусловлено наличие посторонних веществ (чаще всего это соли жесткости, ржавчина, нитраты, марганец и другие опасные элементы).
Температура кипения
Это первое свойство, по которому тяжелая вода будет отличаться от легкой, пусть и незначительно. Потому что при сравнении мы увидим следующие градусы:
MBFT-75 Мембрана на 75GPD
SF-mix Clack до 0,8 м3/ч
SF-mix Runxin до 0,8 м3/ч
Нагрев является своеобразным маркером «веса», но в условиях бытовой практики он малоприменим, а наука и промышленность располагают более совершенными и точными способами определения разницы.
Отдельно отметим, что выделяют еще и такой показатель, как температура плавления (кристаллизации), и он составляет:
Проще говоря, это отметка, при которой начинает образовываться лед, и это даже более явный признак «тяжести», который может пригодиться в быту.
Вязкость
Имеется в виду динамическая, являющаяся частью системы единиц СГС и измеряемая в сантипуазах (сокращенно сП). При этом 1 П = 0,1 Н х с/м2.
У обычной она 1,0016 сП, в то время как у оксида дейтерия уже 1,2467 сП (все сравнения производятся при температуре в 20 градусов Цельсия). Разница в 24% существенным образом влияет на эксплуатационные характеристики и является одним из тех факторов, которые способствуют замедлению химических реакций (в частности, поглощения нейтронов).
Молекулярная масса
Составляет 20,034 г/моль, по сравнению с 18,01528 г/моль «легкой» H2O, и это еще одна из причин, почему воду называют тяжелой, ведь она буквально весит больше. Данная особенность также провоцирует снижение скоростей обменных процессов, что особенно важно для управления термоядерным синтезом.
Растворимость
Она достаточно быстро и равномерно смешивается с этанолом, но в случае с диэтиловым эфиром такого результата уже не наблюдается. В свою очередь, растворить в ней соли уже значительно труднее, чем в обычной H2O, ориентированной на бытовые нужды, и это даже удобно. Во-первых, это явный показатель повышенного «веса», во-вторых, определенная защита от загрязнений, что просто необходимо технологической среде, актуальной на самых ответственных объектах.
Плотность
Измеряется при температуре в 25 градусов Цельсия и составляет 1,1042 г/см3, по сравнению с 0,997 г/см3 «легкой». И это еще одна характеристика, снижающая общий уровень поглощения нейтронов и способствующая замедлению реакций.
Есть и другие параметры, в числе которых:
Но они не столь важны конкретно в нашем случае, то есть в вопросах подготовки забора из артезианской скважины к бытовому употреблению, и поэтому на каждом из них мы не будем подробно останавливаться.
Где и для чего используется тяжелая вода
Поначалу сам Гарольд Юри отнесся к своей находке как к интересному научному факту. И, несмотря на Нобелевскую премию, на первых порах он и его коллеги не видели сфер, в которых может пригодиться оксид дейтерия. Ситуация изменилась уже через 5 лет: в связи с открытием деления ядер, стал очевиден тот промышленный потенциал, которым обладает D2O. В результате сегодня можно выделить сразу несколько сфер ее актуальности.
В ядерных технологиях
SF-mix ручной до 0,8 м3/ч
Аэрационная установка AS-1054 VO-90
Современные физики рассматривают ее в качестве топлива будущего, а некоторые даже заявляют, что она станет источником бесконечной энергии. И это уже не просто мечты, ведь с ее помощью уже можно управлять термоядерным синтезом (пусть пока и с ограничениями), и ожидается, что с ее помощью удастся провести сверхвыгодные реакции вроде:
D + T → 4He + η + 17,6 МэВ
Перспективность считается настолько высокой, что ее коммерческий оборот в ряде стран находится под жестким государственным надзором. Это как раз та ситуация, в которой запреты и ограничения оправданы, так как позволяют защититься от создания неконтролируемых, а значит и опасных установок, работающих на природном уране.
Важную роль играет и возможность обнаружения нейтрино именно с помощью D2O. Около 1000 ее тонн содержится в SNO, то есть в крупнейшем детекторе мира, комплексе оборудования, расположенном в Канаде.
В ядерных реакторах
В этом случае применение тяжелой воды актуально в одном из двух качеств:
В роли изотопного индикатора в химии
А также в области гидрологии, биологии и других сферах, для которых только может быть актуальным использование оксида дейтерия.
Например, в небольших концентрациях он препятствует размножению и распространению бактерий, грибков и других вредных микроорганизмов, и эту особенность взяла на вооружение экспериментальная медицина.
Рассуждая о том, что такое тяжелая вода и где применяется, нужно отметить, что ученые в течение десятилетий проводили глобальные и комплексные исследования. И установили несколько любопытных закономерностей, возникающих при определенном проценте содержания D2O в употребляемой в пищу жидкости:
Естественно, все медицинские опыты (тем более что они показывают столь неоднозначные результаты) пока проводились на животных, но не на людях.
Отличия между легкой и тяжелой водой
На основании свойств D2O понятно, чем опасно такое соединение для человека: постепенно накапливаясь в организме, оно нарушает метаболизм, убыстряет появление необратимых возрастных изменений, провоцирует возникновение болезней и злокачественных новообразований.
С другой стороны, H2O, с нормальной или восстановленной структурой:
Напомним также, что обе этих жидкости прозрачны и обладают нейтральным вкусом и запахом, поэтому их вполне реально перепутать.
Какая польза от тяжелой воды
Диспенсер магистральный настольный AquaPro 919H/RO (горячая и холодная вода)
Диспенсер магистральный настольный AquaPro 929CH/RO (охлаждение/нагрев)
Диспенсер напольный AquaPro 311 (пустой, без охлаждения)
Естественно, она не была столь востребованной, если бы несла только вред. То же замедление нейтронов обеспечивает нормальное протекание ядерных реакций, а значит оксид дейтерия все-таки стоит на страже нашей безопасности, пусть и опосредованно.
Ну а добавление в качестве индикатора дает удобную возможность контролировать изменения состава смесей и своевременно вносить необходимые корректировки.
Также нужно учитывать те потенциальные преимущества, которые в будущем принесут медицинские исследования. Специалисты из самых разных областей все уверенней говорят о скором прорыве.
Что случится, если выпить тяжелую воду
В небольших количествах она никак не скажется на состоянии организма. За раз можно употребить даже литр D2O — ничего страшного не случится: за две недели она полностью выйдет из тела, а сам дейтерий не радиоактивен. Так что не опасайтесь, что случайно возьмете не тем наполненный стакан. Максимум, что можно почувствовать — это небольшой дискомфорт из-за изменения давления.
Другое дело — регулярное употребление. В этом случае оксид будет:
Это обернется уже описанными проблемами со здоровьем (отказом органов, появлением опухолей). Если же концентрация D2O достигнет 20% от общего объема жидкости, то это спровоцирует летальный исход.
Тяжелая вода в жизни человека
За тот комплексный угнетающий эффект, который она может подарить, ее зачастую называют мертвой. Да, несмотря на то что размножение вредных микроорганизмов она тоже замедляет или даже полностью останавливает.
Нюанс в том, что оксид дейтерия в малых количествах, но содержится во всех естественных источниках. Небольшой его процент есть в озерах, прудах, реках, морях, глубоких скважинах и даже в осадках. Причем в дожде его обычно в несколько раз больше, чем в снеге, что объясняется частой электризацией облаков.
В любом случае выходит, что мы, пусть и неосознанно, но потребляем D2O, и получение тяжелой воды в домашних условиях происходит независимо от нашего желания, просто не в таких количествах, которые могли бы нам навредить.
Поэтому важно не повышать риск накопления оксида дейтерия в организме и не употреблять для питья и приготовления пищи морскую H2O, опресненную методом обратного осмоса. Данный способ как раз даст жидкость со сравнительно более высоким уровнем концентрации изотопа.
Мы поможем подобрать оборудование, которое будет контролировать количество примесей в каждом заборе и отфильтровывать вредные частицы – обращайтесь в компанию «Вода Отечества».
Но механическая очистка в этом конкретном случае может не сработать, так как фильтры смогут удалить лишь нерастворимые частицы, но окажутся бессильными на уровне молекул и атомов. Хотя один способ, применимый в быту, все-таки есть, предлагаем его рассмотреть.
Как получить тяжелую воду в домашних условиях
Выделить D2O, чтобы потом слить его, можно с помощью процесса таяния. Для этого необходимо:
Заключение
Теперь вы знаете, что означает понятие «тяжелая вода», где она может применяться и какую опасность несет, и еще больше понимаете, насколько важно получать во всех смыслах чистую жидкость.
Тяжёлая вода — ее свойства, жизнь и энергия будущего
Тяжелая вода была открыта в 1932 году известным ученым Гарольдом Юри. Тяжёлая вода — кратко о главном …
Тяжёлая вода — оксид дейтерия …
Тяжёлая вода имеет ещё одно название — оксид дейтерия.
Многие из нас слышали про существование «тяжёлой воды», но мало кто знает, почему она называется тяжелой.
«Тяжелая вода» действительно является «тяжелой» по отношению к обычной воде, поскольку содержит вместо «легкого водорода» 1 H тяжелый изотоп 2 H или дейтерий (D), вследствие чего ее удельная масса на 10% больше чем у обычной. Химическая формула тяжелой воды — D2O или 2 H2O (2H2O).
«Тяжёлую воду» содержат практически все природные источники воды. Обычная вода, как правило, содержит приблизительно один атом дейтерия на каждые 6 760 обычных атомов водорода.
Тяжёлая вода — это …
Предлагаем обратиться к первоисточникам и ознакомиться с точными формулировками «тяжелой воды», данными в словарях и справочниках.
Термины атомной энергетики
Тяжелая вода (Heavy water) оксид дейтерия, D2О — по сравнению с обычной имеет значительно лучшие ядерно-физические свойства. Она почти не поглощает тепловых нейтронов, поэтому является лучшим замедлителем. Применение тяжелой воды в качестве замедлителя позволяет использовать в качестве топлива природный уран; уменьшается первоначальная загрузка топлива и ежегодное его потребление. Однако стоимость тяжелой воды очень высока.
Термины атомной энергетики. — Концерн Росэнергоатом, 2010
Большой Энциклопедический словарь
Большой Энциклопедический словарь. 2000
Научно-технический энциклопедический словарь
ТЯЖЕЛАЯ ВОДА (оксид дейтерия, D2O), вода, в которой атомы водорода замещены ДЕЙТЕРИЕМ (изотоп ВОДОРОДА с ОТНОСИТЕЛЬНОЙ АТОМНОЙ МАССОЙ, примерно равной 2, в то время как у обычного водорода относительная атомная масса равна примерно 1. Встречается в малых концентрациях в воде, из которой ее получают ЭЛЕКТРОЛИЗОМ. Тяжелая вода используется как ЗАМЕДЛИТЕЛЬ в некоторых АТОМНЫХ РЕАКТОРАХ.
Научно-технический энциклопедический словарь
Свойства тяжёлой воды
Свойства «тяжелой воды» во многом отличаются от свойств обычной H2O.
Цвет тяжёлой воды — бесцветная.
Запах тяжелой воды — не имеет ни запаха.
Плотность тяжёлой воды — плотность D2O примерно на 11% больше, чем плотность H2O.
Вязкость тяжелой воды — на 20% выше вязкости обычной воды;
Растворимость D2O — мало растворима в диэтиловом эфире, смешивается с этанолом.
Плотность (ρ) оксида дейтерия — 1,1042 г/см3 при температуре 25°C.
Давление паров — 10 мм.рт.ст при температуре 13.1°C, и 100 мм.рт.ст. при температуре 54°C.
Показатель преломления (σ) — 1,32844 при температуре 20°C.
Стандартная энтальпия образования ΔH — 294,6 кДж/моль (ж) (при 298 К).
Стандартная энергия Гиббса G — 243,48 кДж/моль (ж) (при 298 К);
Стандартная энтропия образования S — 75,9 Дж/моль•K (ж) (при 298 К);
Стандартная мольная теплоёмкость Cp — 84,3 Дж/моль•K (жг) (при 298 К);
Энтальпия плавления ΔHпл — 5,301 кДж/моль;
Энтальпия кипения ΔHкип — 45,4 кДж/моль;
Критическое давление — 31,86 Мпа;
Где применяется оксид дейтерия
Интересным является тот факт, что ученые, открывшие тяжелую воду, отнеслись к ней как к научному казусу и не увидели больших возможностей в ее применении, впрочем, следует заметить, что такая ситуация, с научными открытиями, не является одиночной. И лишь спустя некоторое время, совершенно другими исследователями, был открыт ее научный и промышленный потенциал.
«Тяжелая вода» применяется:
В продолжение темы, важно отметить, что существуют также и другие виды тяжелой воды — Полутяжелая вода, Сверхтяжелая и Тяжёлокислородные изотопные модификации воды, с которыми вы можете ознакомиться самостоятельно или в следующих наших публикациях.
Тяжёлая вода и наша жизнь
Тяжёлая, в отличие от H2O, угнетает все живое. Поэтому её часто называют – Мертвой водой. Она, как минимум, замедляет все биологические процессы. В том числе, замедляется или прекращается вообще размножение микробов и бактерий.
Как мы уже отмечали выше, «тяжелая вода» содержится во всех обычных водах – в реках, морях, озерах, в грунтовых водах, атмосферных осадках … Т. е. человек вольно или невольно постоянно соприкасается с D2O. Интересно отметить, что например, дождь содержит тяжелой воды заметно больше чем снег.
Некоторые исследователи полагают, что употребление избыточного количества «тяжелой воды» способствует старению, а регулярное превышение нормы приводит к тяжелым заболеваниям. Поэтому контроль уровня «тяжелых вод» является жизненно важным. Необходимо знать, что механические фильтры не очищают воду от «тяжелой воды».
Это особо важно учитывать при использовании фильтров обратного осмоса и в первую очередь при опреснении морской воды. Поскольку уровень «тяжелой воды» в морской воде, как правило, превышает норму. Известны случаи, когда целые регионы стали жертвами «незнания» этого факта. Люди, проживавшие в этих регионах, регулярно использовали опресненную методом обратного осмоса морскую воду, вследствие чего многие из них заболели тяжелыми болезнями.
Один из методов уменьшения концентрации тяжелой воды в питьевой воде, мы рассматривали в статье Талая вода, приготовление в домашних условиях.
Выводы
Понимая, что в природе нет ничего лишнего, можем утверждать, что тяжелая вода требует от нас особого адекватного отношения, внимания и дальнейшего изучения. Ее потенциал, как говорится, «налицо» и вероятно будет реализован в будущем и возможно в ближайшем.
Источники
[1] По материалам — О. В. Мосин «Все о дейтерии и тяжелой воде».