Изотопика воды
Изотопы - разновидности атомов одного и того же химического элемента, имеющие одинаковые заряд ядра и строение электронных оболочек, различающиеся по массе ядер. Разница масс обусловлена тем, что ядра изотопов содержат одинаковое число протонов p и различное число нейтронов n . Комбинации различных атомов-изотопов дают набор молекул-изотопологов.
Изотопологи - молекулы, различающиеся только по изотопному составу атомов, из которых они состоят. Изотополог имеет в своём составе, по крайней мере, один атом определенного химического элемента, отличающийся по количеству нейтронов от остальных.
Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.
Водород имеет два стабильных изотопа - протий (Н) - 1 H и дейтерий (D) - 2 H.
У кислорода три устойчивых изотопа: 16 O, 17 O и 18 O .
Молекула 1 H 2 16 O является самой лёгкой из совокупности всех изотопологов воды. Именно воду 1 H 2 16 O следует считать классической или лёгкой водой.
ТЯЖЕЛАЯ И ЛЕГКАЯ ВОДА
Лёгкая вода как моноизотопная композиция 1 H 2 16 O является предельным случаем изотопной чистоты. В естественных условиях такой чистой лёгкой воды не существует. Для получения изотополога 1 H 2 16 O ведут тонкую многостадийную очистку природных вод или синтезируют из исходных элементов 1 H 2 и 16 O 2 . Природная вода представляет собой многокомпонентную смесь изотопологов. Содержание самого лёгкого изотополога в ней значительно превосходит концентрацию всех остальных вместе взятых.
До 1932 года никто и понятия не имел, что в природе может быть еще и тяжелая вода, в состав которой могут входить тяжелые изотопы водорода - дейтерий и тритий пусть даже в малых количествах. Именно это обстоятельство и послужило причиной того, что эти элементы "прятались" от ученых, маскируясь под ошибки опытов и недостаточную точность измерений. Тяжелый водород - дейтерий был открыт американским физико-химиком Гарольдом Юри (1893-1981) в 1931 году. Одному из своих помощников Г. Юри поручил выпарить шесть литров жидкого водорода и в последней фракции объемом 3 см спектральным анализом впервые был обнаружен тяжелый изотоп водорода, с атомной массой в два раза превышающий известный протий. Ученые пришли к выводу, что, по-видимому, существует тяжелый изотоп водорода с атомным весом 2. В 1932 году Г. Юри и Э.Ф. Осборн впервые обнаружили в природной воде тяжелую воду. Через два года Гарольд Юри был удостоен Нобелевской премии. Открытие третьего сверхтяжелого изотопа водорода трития с атомным весом 3 первые годы держали в секрете по стратегическим соображениям. В 1951 году была получена и исследована тритиевая вода. Если дейтериевая вода сейчас уже хорошо изучена практически во всех отраслях науки и техники, то "звездный" час тритиевой воды еще не настал, потому что трития на Земле очень малое количество. Всего его на Земле около 25-30 кг и содержится он в основном в мировых водах (около 20кг). Но его количество в водах Земли непрерывно возрастает, так как он образуется при бомбардировке ядер азота и кислорода атмосферы космическими лучами. В результате этого содержание трития в первоначальных (реликтовых) водах непрерывно увеличивается. В отличие от протия и дейтерия тритий - радиоактивный элемент с периодом полураспада девять лет. По своим свойствам сверхтяжелая тритиевая вода отличается от протиевой (легкой) воды больше, чем дейтериевая вода. Тритий зарождается в сверхвысоких слоях атмосферы в основном при бомбардировке ядер азота и кислорода нейтронами космического излучения. В природной воде содержание трития ничтожно - всего 10-18 атомных процента. И тем не менее он есть в той воде, которую мы пьем, и за долгие годы жизни он наносит существенный вред нашим генам, вызывая старение, болезни. Получают тяжелую дейтериевую воду с мизерным присутствием тритиевой воды концентрированном ее в остатке электролита после электролитического разложения природной воды, а также при фракционной перегонке жидкого водорода. Промышленное производство тяжелой воды с каждым годом возрастает почти во всех странах и особенно в странах, обладающих ядерным оружием. Тяжелую воду используют главным образом как замедлитель быстрых нейтронов при расщеплении радиоактивных элементов в ядерных реакторах. Перспектива использования тяжелой воды для нужд человечества грандиозна. Тяжелая вода может стать неисчерпаемым источником энергии: 1 грамм дейтерия может дать энергии в 10 млн. раз больше, чем сгорание 1 грамма угля. А запасы дейтерия в Мировом океане составляют поистине колоссальную величину - около 1015 тонн. Тритиевая вода пока имеет ограниченное применение и используется в настоящее время главным образом при термоядерных реакциях, а. также в физико-химических и биологических исследованиях в качестве меченых радиоактивных молекул НТО. Учитывая разнообразие изотопного состава водорода и кислорода, с большой долей достоверности можно утверждать о наличии 36 изотопных разновидностей природной воды.
ИЗОТОПЫ В СОСТАВЕ ВОДЫ
Водород воды имеет три изотопа: протий 1 Н (протон + электрон), дейтерий 2 Н или Д (протон + нейтрон + электрон), тритий 3 Н или Т (протон + два нейтрона + электрон), с массовыми числами соответственно 1, 2 и 3. Протий и дейтерий – стабильные изотопы. Тритий – бета радиоактивен, период полураспада равен 12,26 года. Атомы Н бывают разной степени возбуждения.
Кроме водорода, изотопы обнаружены и у кислорода, их пять, кроме известного всем стабильного изотопа О 16 (с молекулярным весом 16). Три из них оказались радиоактивными – О 14 , О 15 и О 19 , а О 17 и О 18 – стабильными. О 16 , О 17 и О 18 содержатся во всех природных водах
По физическим свойствам тяжелокислородная вода меньше отличается от обычной, чем тяжеловодородная. Получают ее из природной воды фракционной перегонкой и используют как источник препаратов с меченым кислородом.
В зависимости от видов и содержания изотопов водорода (Н, Д, Т) и кислорода (О 14 , О 15 , О 16 , О 17 , О 18 , О 19), от степени чистоты и загрязнения исследователи выделяют свыше тысячи разновидностей питьевой воды.
БИОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДЫ С РАЗНЫМ ИЗОТОПНЫМ СОСТАВОМ
Вода, обогащенная дейтерием, тритием, тяжелыми и радиоактивными изотопами кислорода вредна для всего живого и человека.
В качестве универсальной среды, в которой идут все биологические реакции, лёгкая вода увеличивает скорость этих реакций по сравнению с водой природного изотопного состава. Этот эффект известен под названием кинетический изотопный эффект растворителя. Транспортные свойства легкой воды доказаны при изучении влияния тяжелых изотопологов в составе природной воды на динамику выведения красителя метиленового синего из обонятельной системы шпорцевых лягушек. Наиболее сильное влияние очистка воды от тяжёлых изотопологов оказывает на энергетический аппарат живой клетки. Лёгкая вода проявляет противоопухолевую активность, что показано в работах учёных, проводимых в исследовательских центрах разных стран. Токсикопротекторные свойства легкой воды подтверждены экспериментальными исследованиями, из которых следует, что легкая вода, очищенная от тяжелых изотопологов, за счет своих транспортных свойств эффективно выводит токсины и продукты метаболизма из организма. Также отмечено влияние легкой воды на пациентов с сахарным диабетом II типа. Результаты открытого предклинического исследования продолжительностью 90 дней показали, что под действием легкой воды у добровольцев снизился повышенный уровень глюкозы натощак и снизилась инсулинорезистентность..
Биологические эффекты тяжёлой воды заключаются:
Снижение скорости биохимических реакций, тканевого дыхания Повышение вязкости протоплазмы клеток, скорости старения организма Индукция мутаций, повреждение генофонда, рак, другие болезни Торможение деления клеток, снижение роста Гибель высших позвоночных
Важнейшие для здоровья параметры питьевой воды
Изотопный состав питьевой воды
Данная тема в настоящее время в России не популярна, но крайне важна в силу своих перспектив.
Что представляет собой вода - H 2 O - с точки зрения образующих ее элементов?
99,727% приходится на долю молекул воды, состоящих из протия и кислорода-16, т.е. на долю молекул 1 H 2 16 O.
Более тяжелая вода представлена в пропорциях: H 2 18 O - 73.5%; 1 H 2 17 O - 14,7%; 1 HD 16 O - 11,5%. В воде пресноводных источников содержание тяжеловодородной воды 1 HD 16 O составляет около 330 мг/литр, а тяжелокислородной воды 1 H 2 18 O - около 2 грамм/литр. Такие концентрации сопоставимы с содержанием солей и даже превышают их предельно допустимые нормы . Содержание дейтерия изменяется от 90 ppm в воде из антарктического льда до 180 ppm в водоемах Сахары.
Научно доказано, что природная вода с пониженным содержанием тяжелых изотопов водорода и кислорода обладает стимулирующими и лечебными свойствами . Т.е. живая клетка реагирует даже на небольшое изменение содержания тяжелых изотопов в воде.
Дейтерий - универсальный ингибитор жизни. Он всегда присутствует в любой воде. Его концентрация определяет качество питьевой воды.
Если рассматривать дейтерий как микроэлемент, входящий в состав не только воды, но важнейших органических соединений, то по значимости его можно поставить на одно из первых мест, если не на первое место. Среди других элементов в организме человека D оказывается сразу за натрием. Его содержание в плазме крови в 4 раза больше, чем калия, в 6 раз больше, чем кальция, в 10 раз больше, чем магния и намного больше содержания таких важнейших микроэлементов, как фтор, железо, йод, медь, марганец и кобальт. Про кальций знают все. Кто обращает внимание на дейтерий?
В домашних условиях полностью очистить воду от дейтерия невозможно, да это и не нужно. Для получения оздоровительного эффекта важно лишь снизить его концентрацию. Из доступных вариантов известен метод приготовления протиевой воды. Суть метода в замораживании отфильтрованной воды в холодильнике. Когда на поверхности воды и стенках емкости появится первый лед, воду надо перелить в другую емкость, а лед выбросить, т.к. он будет содежать повышенную концентрацию дейтерия. Причина этого в том, что тяжелая вода замерзает при +3,8°C. При казалось бы очевидной надежности такого метода, он не дает существенного снижения содержания тяжелой воды, т.к. в действительности первой замерзает не тяжелая вода, а вода, находящаяся ближе всего к холодным стенкам емкости. Однако, если активно перемешивать воду в процессе ее охлаждения, то образующиеся в ней кристаллы, действительно содержат повышенную концентрацию тяжелой воды.
Снижение концентрации тяжелой воды даже на 2-3% резко увеличивает биостимулирующие свойства воды.
Бытовые приборы для определения концентрации дейтерия не известны.
Бытовые приборы для приготовления легкой воды неизвестны.
Но один из революционных скачков в качестве подготовки питьевой воды в ближайшие годы будет сделан именно в этом направлении.
Глоссарий
Изотоп - атом одного и того же химического элемента, ядро которого имеет то же число протонов, что и основной элемент, но разное количество нейтронов. В силу этого изотопы имеют различные атомные массы.
Протий - стабильный изотоп водорода с массовым числом 1. Ядро атома протия состоит из одного протона.
Дейтерий - D, 2 Н, тяжёлый водород, стабильный изотоп водорода с массовым числом 2. Большое различие в массах D и 1 Н обусловливает существенную разницу в их свойствах (например, скорости некоторых химических реакций различаются для веществ, содержащих D и 1 Н, в 5-10 раз).
Тритий - наиболее тяжелый изотоп водорода с массовым числом 3.
ppm - parts per million - количество частиц на миллион.
Изучение изотопов кислорода (О 16 , О 17 , О 18) и водорода (Н 1 , Н 2 , Н 3) показало, что в зависимости от их комбинаций может существовать 18 различных типов воды. Особое внимание сейчас привлекла тяжелая или мертвая вода (Н 2 2 О или Д 2 О), которая отличается от обычной воды особыми биологическими свойствами. В ней не прорастают семена, она смертельна для различных организмов. Однако содержание этой воды обычно незначительно и не оказывает вредного воздействия. Тяжелая вода имеет плотность 1,106, максимальная плотность – при + 11,8 0 С, t кип. = 101,42 0 , t плавл. = 3,82.
Изучение изотопов водорода показало, что их природное фракционирование зависит от многих причин. С увеличением возраста вод (седиментационные воды) количество дейтерия увеличивается; тяжелее обычной воды оказалась кристаллизационная, а также вода, содержащаяся в тканях растений и животных. Сверхтяжелая вода (Т 2 О 18 или Н 2 3 О 18) имеет плотность 24, т.е. она на 33% тяжелее обычной воды. Удельный вес ее 1,332, t кип. 103-105 0 С, точка плавления льда 8-10 0 , точка наибольшей плотности 18-20 0 С.
Некоторые исследователи (А.С. Уклонский и др.) считают, что кислород О 16 характерен для атмосферной воды, воды на поверхности Земли и подземных вод, питаемых атмосферными осадками; О 17 –для океанов, а О 18 – для глубинных вод литосферы. Вполне возможно, что непостоянство изотопного состава воды наряду со структурой является одной из причин проявления свойственных воде аномалий.
14.4 Физические свойства воды
К главнейшим физическим свойствам природных вод, которые обычно определяются при гидрогеологических исследованиях, относятся: температура, цвет, прозрачность, вкус, запах, удельный вес.
Температура.
Температура подземных вод колеблется в широких пределах: от минусовой в области многолетней мерзлоты (-13,5 0 С), до температуры перегретых паров (>120 0 С) в районах молодой вулканической деятельности и на больших глубинах. Температура вод определенным образом влияет на химический состав. Повышение температуры увеличивает скорость движения молекул в растворе и скорость течения большинства физико-химических реакций (правило Оствальда). Определение температуры воды производят различными термометрами, применяются так называемые родниковые термометры (ленивые), а также максимальные и минимальные. Более чувствительными и точными являются электрические термометры и электронные датчики.
Прозрачность.
Прозрачность воды зависит от количества в ней взвешенных частиц. Качественно ее определяют в пробирке, в которую налито 10мл воды. Глядя сверху, определяют степень прозрачности воды по номенклатуре: прозрачная, слабоопалесцирующая, опалесцирующая, слегка мутная, мутная, сильно мутная. Количественное определение прозрачности проводят в приборе,- цилиндре с объемным плоским пришлифованным дном, градуированном по высоте на сантиметры. Прозрачность выражается в сантиметрах высоты столба с точностью до 0,5см. Для определения количества взвешенных частиц пробу воды (0,5-1,0л) взбалтывают и фильтруют через взвешенный тигель с пористым дном или через взвешенный фильтр, затем сушат и взвешивают. В случае изменения прозрачности воды при стоянии дают характеристику выпавшему осадку (нет, незначительный, заметный, большой) и по качеству (кристаллический, хлопьевидный, илистый, песчаный и т.д.) с указанием его цвета.
Цвет.
Цвет воды до некоторой степени характеризует ее качество. Химически чистая вода бесцветна, и только в слое толщиной несколько метров она приобретает голубой цвет. Окраску воде придают механические примеси. Желтоватый цвет характерен для болотных вод, содержащих гуминовые вещества. Иногда вода имеет цвет чая (р.Чая). Вода чернеет за счет образования моносульфида железа в поверхностных условиях, после извлечения ее с глубины.
Качественное определение цвета производят в прозрачной воде, в пробирке, под которую подставляют белую бумагу. Цвет воды характеризуется следующим образом: бесцветная, зеленоватая, желтоватая, бурая и т.д.
Количественное определение производят сравнением исследуемой воды, налитой в цилиндр бесцветного стекла 100мл и высотой 20см, со стандартным платинокобальтовым раствором, налитым в такой же цилиндр, при просмотре на белом фоне.
Вкус.
Вкус воды зависит от состава растворенных в ней веществ. Например, соленый вкус вызывается NaCl, горький – MgSO 4 , ржавый или чернильный – солями железа. Сладковатый вкус имеют воды, богатые органическим веществом.
Для определения вкуса воду подогревают до 30 0 С набирают в рот около 15 мл и держат несколько секунд. Различают: соленый, горький, сладкий и кислый вкус, а также привкус: хлорный, рыбный, металлический и др.
Запах.
Запах воды свидетельствует или о наличии газов биохимического происхождения (H 2 S и др.) или о присутствии гниющих органических веществ.
Нагревают воду в пробирке с пробкой, а затем нюхают, характер запаха: без запаха, сероводородный, болотный, глинистый, плесневелый и т.д. по баллам (от 0 до 5).
Удельный вес (плотность, г/см 3 ).
Зависит от величины минерализации, температуры, газонасыщенности и др.). Он определяется: ориентировочно – ареометром, точно – пикнометром, при определенной температуре.
И кислород, и водород имеют природные и искусственные изотопы. В зависимости от типа изотопов водорода, входящих в молекулу, выделяют следующие виды воды:
Лёгкая вода (основная составляющая привычной людям воды) H2O.
Тяжёлая вода (дейтериевая) D2O.
Сверхтяжёлая вода (тритиевая) T2O.
Тритий-дейтериевая вода TDO
Тритий-протиевая вода THO
Дейтерий-протиевая вода DHO
Последние три вида возможны, так как молекула воды содержит два атома водорода. Протий — самый легкий изотоп водорода. Дейтерий имеет атомную массу 2,0141017778 а.е.м.. Тритий — самый тяжелый, атомная масса 3,0160492777 а.е.м..
Известно, что тяжёлая вода не поддерживает жизни, то есть большинство живых организмов (за исключением некоторых микроорганизмов и грибов) в такой воде умирает.
По стабильным изотопам кислорода 16O, 17O и 18O существуют три разновидности молекул воды. Таким образом, по изотопному составу существуют 18 различных молекул воды. В действительности любая вода содержит все разновидности молекул.
Атомы водорода и кислорода, образующие воду, или окись водорода, могут иметь различные массовые числа и отличаться друг от друга своими физико-химическими свойствами, но при этом они имеют одинаковый электрический заряд атомных ядер и поэтому занимают в периодической системе элементов одно и то же место. Такие разновидности атомов одного и того же химического элемента называются изотопами.
Известны пять водородов и пять кислородов. Правда, по два из них (4Н, 5Н, 14О и 15О) радиоактивны и очень короткоживущи. Например, длительность существования водорода-4 – 4 10-11 сек. Такие короткоживущие изотопы из нашего рассмотрения исключены.
Итак, наиболее широко известны следующие изотопы водорода: протий 1Н (с относительной атомной массой 1) дейтерий 2Н, или D (с относительной атомной массой 2) и тритий 3Н, или Т (с относительной атомной массой 3) наиболее тяжелый, но слаборадиоактивный водород (его период полураспада 12,3 года), и изотопы кислорода: 16О, 17О и 18О. Эти шесть изотопов могут образовывать 18 изотопических разновидностей воды: 1H216О; 1HD16О; D216О; 1HT16О; DT16О; T2О16; 1Н217О; 1НD17О; D217O; lНT17O; DТ17О; Т217О; 1Н218О; 1НD18О; D218O; 1HT18O; DT18O; Т218О.
Тритий и кислород-17 обнаружены в природных водах только в виде следов, а дейтерий и кислород-18 - в ощутимых количествах, которые мы приводим в таб. 2, где одновременно эти условные количества сопоставляем с содержанием в морской воде некоторых других элементов.
Объединив изотопные составные природной воды, можем сказать, следующее: в земных водах содержится «легкой» воды 99,75, тяжелой кислородной - 0,18 и тяжелой водородной - 0,017%. Разумеется, это приближенные осредненные данные. На Земле на 6800 атомов протия приходится один атом дейтерия, а в межзвездном пространстве один атом дейтерия приходится уже на 200 атомов протия.
Дейтерий образуется при расщеплении ядер гелия, когда они сталкиваются друг с другом и происходит захват нейтрона протоном.
Атмосферная вода в процессе круговорота обогащается дейтерием в результате диссипации протия в космическое пространство. Именно благодаря этому дождевая вода более богата тяжелым водородом.
Тритий может поступать в атмосферу в результате космических процессов, а также обогащать земную воду, правда в очень небольших количествах, сверхтяжелой водой.
В атмосфере наблюдается некоторый избыток тяжелого кислорода-18, поступающего в результате разложения растений, содержащих его в повышенных количествах.
Изотопические разновидности воды различаются прежде всего своими физико-химическими характеристиками. Дейтерий обладает высокой гигроскопичностью, с жадностью поглощая влагу из воздуха и из стенок сосуда. Растворимость некоторых солей в тяжелой воде заметно меньше, чем в обыкновенной; с повышением содержания дейтерия отмечается уменьшение скорости некоторых реакций.
Водород воды имеет три изотопа: протий 1Н (протон + электрон), дейтерий 2Н или Д (протон + нейтрон + электрон), тритий 3Н или Т (протон + два нейтрона + электрон), с массовыми числами соответственно 1, 2 и 3. Протий и дейтерий – стабильные изотопы. Тритий – бета радиоактивен, период полураспада равен 12,26 года. Атомы Н бывают разной степени возбуждения.
Кроме водорода, изотопы обнаружены и у кислорода, их пять, кроме известного всем стабильного изотопа О16 (с молекулярным весом 16). Три из них оказались радиоактивными – О14, О15 и О19, а О17 и О18 – стабильными. О16, О17 и О18 содержатся во всех природных водах, причем их соотношение (с колебаниями до 1%) таково: на 10000 частей О16 приходится 4 части О17 и 20 частей О18.
По физическим свойствам тяжелокислородная вода меньше отличается от обычной, чем тяжеловодородная. Получают ее из природной воды фракционной перегонкой и используют как источник препаратов с меченым кислородом.
Учитывая все разнообразие изотопного состава водорода и кислорода, можно говорить о большом разнообразии изотопных разновидностей воды. Девять из них включают только стабильные изотопы и составляют основное содержание природной воды. В ней преобладает обычная вода Н12О16 (99,73%), далее следует тяжелокислородные воды Н12О17 (0,04%) и Н12О18 (0,2%), а также изотопная разновидность тяжелой воды H1D1O16 (0,03%).
Кислорода в человеке 60%, но по количеству атомов все живые существа на 2/3 состоят из атомов водорода и на ¼ из атомов кислорода. Изотопное отношение: П:Д = 1:4700 в материковых водах, П:Д = 1:6800 атомов в морской воде. То есть концентрация в материковых водах Д = 0,0135 ат.% или 0,015 вес%, в морской воде Д = 0,015 ат.% или 0,017 вес%. В природной воде содержание трития ничтожно – всего 10-18 атомных процента. И тем не менее он есть и в питьевой воде.
Поскольку Вселенная в основном состоит из атомов водорода, космические ядра водорода протоны, пронизывая атмосферу, захватывают О2, образуют Н2О. В этой воде много трития и дейтерия. Каждые сутки на Землю падает 1,5 тонны тритиевой-дейтерированой воды. Поэтому основным источником природного трития, дейтерия и радиоактивных кислородов является атмосфера.
Молекулы воды отличаются друг от друга по своему изотопному составу. В настоящее время известны 5 различных изотопов водорода. Из них только два являются стабильными: самый легкий протий - с атомной массой 1, его обозначают символом 1Н - состоит из 1 протона и 1 электрона, и тяжелый водород, или дейтерий с атомной массой 2, его обозначают символом 2D - состоит из 1 протона, 1 нейтрона и 1 электрона. Третий сверхтяжелый водород (с атомной массой 3) соответственно состоит из 1 протона, 2-х нейтронов и 1 электрона. Тритий радиоактивен, его период полураспада около 12,3 лет. Время жизни остальных изотопов не превышает нескольких секунд .
У кислорода обнаружены шесть изотопов: О14, О15, О16, О17, О18 и О19. Три из них: О16, О17 и О18 - стабильные, а О14, О15 и О19 являются радиоактивными изотопами. Стабильные изотопы кислорода содержатся во всех природных водах: их соотношение таково: на 10000 частей О16 приходится 4 части О17 и 20 частей О18 .
Изотопные или изотопические эффекты воды основаны на различиях в свойствах изотопов водорода и кислорода, обусловленных разницей их атомных масс, моментов инерции, прочности соответствующих химических связей. Относительное различие масс изотопов тем меньше, чем больше атомный номер элемента. У изотопов водорода оно составляет 100 % для дейтерия D (2H) и 200 % для трития Т (3H) по сравнению с протием Н (1H). Поэтому для водорода изотопные эффекты выражены наиболее сильно .
Существует 42 изотополога (комбинации различных атомов-изотопов дают набор молекул-изотопологов) воды (включая стабильные и нестабильные изотопы водорода и кислорода). Из них тридцать три молекулы воды радиоактивные, и девять стабильных, устойчивых молекул воды.
Вероятность образования молекул с разным изотопным составом не одинакова. Самой распространенной является молекула с наименьшей массой, состоящая из водорода - 1 (протия) и кислорода - 16. Содержание других более тяжелых молекул в природе не превышает 0,23 % , содержание изотопных модификаций водыв природе представлено в табл. 1.
Таблица 1
На рис. 6 показано, что количество 2Н в атмосферной влаге и в природных водах зависит от климата, близости региона к морям и ледникам, высоты над уровнем океана. В мировой практике принято выражать содержание дейтерия в ‰ или ppm. Ppm - это число монодейтерированнных
молекул воды на 1 миллион молекул, содержащих только легкий изотоп 1Н. По мере испарения воды с поверхности океана содержание дейтерия изменяется на 20 ppm.
Рис. 6. Фракционирование водорода в атмосферном водяном цикле
В замкнутых водоемах тяжелой воды больше, так как по сравнению с обычной она испаряется менее интенсивно. Поэтому тяжелой воды больше в местностях с жарким климатом .
Обогащается дейтерием и поверхность океана на экваторе (155 ppm) и в тропиках, где свою лепту вносят частые атмосферные осадки, при образовании которых идут процессы конденсации воды из паровой фазы, а тяжелая вода конденсируется быстрее, чем легкая , следовательно, осадки обогащены тяжелой водой.
Самое низкое содержание 2Н в водяных парах над антарктическими льдами ≈ 90 ppm. Невелика доля дейтерия и во льдах Гренландии (126 ppm). Содержание дейтерия в природных водах различного происхождения показано в табл. 2 .
Стоит обратить внимание на то, что содержание дейтерия в природных водах Иркутской области ниже, чем в Европейской части России и в Европе. Так, D/Н в Байкале составляет 137,0 ppm, а в некоторых минеральных источниках - 132,0 ppm, в то время как содержание D аналогичных источниках в Европе не менее 145-150 ppm. Такие данные
могут использоваться при идентификации источника минеральных
и столовых вод (табл. 2).
Таблица 2
Исходя из изотопного состава, выделяют легкую, тяжелую и полутяжелую воду.
Вода только с легкими изотопами в природе не встречается. Нулевая вода состоит из чистого легкого водорода и кислорода воздуха. Эта вода выбрана в качестве эталона: у нее очень постоянный состав. С ней удобно сравнивать воду неизвестного состава: определив разницу в плотности, легко найти содержание дейтерия. Формально протиевую воду называют легкой водой. Рабочим эталоном легкой воды считают смесь разновидностей воды состава 1H216O, 1H217O и 1H218O, взятых в том же соотношении, в котором присутствуют в воздухе соответствующие изотопы кислорода .
Тяжелая вода - это вода, в которой протий полностью замещен на дейтерий и представлена формулой D2О. Изотопный состав по кислороду в этой воде соответствует обычно составу кислорода воздуха. Плотность тяжелой воды 1104 кг/м3. Тяжелая вода кипит при более высокой и замерзает при более низкой температуре, чем легкая .
Полутяжелой называют воду со смешанными молекулами состава HDO. Она есть во всякой природной воде, но получить ее в чистом виде невозможно, потому что в воде всегда протекают реакции изотопного обмена. Атомы изотопов водорода очень подвижны и непрерывно переходят из одной молекулы в другую. Приготовить воду, средний состав которой будет соответствовать формуле полутяжелой воды, нетрудно. Но из-за реакции обмена она будет представлять собой смесь молекул с разным изотопным составом H2O, HDO, D2O .
Кроме всех перечисленных вод, еще существует тяжелокислородная вода с атомной массой кислорода 18 .
Изотопные модификации молекул воды оказывают различное действие на структуру воды. Например, происходит самоорганизация упорядоченной структуры приповерхностного слоя воды в результате ее стабилизации молекулами НDО, обладающими бóльшей энергией ассоциации по сравнению с молекулами Н2О .
Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
