Izotop vody
Izotopy sú druhy rovnakých atómov chemický prvok, ktoré majú rovnaký jadrový náboj a štruktúru elektrónových obalov, líšia sa hmotnosťou jadier. Hmotnostný rozdiel je spôsobený tým, že izotopové jadrá obsahujú rovnaké číslo protóny p a iné číslo neutróny n. Kombinácie rôznych izotopových atómov poskytujú súbor izotopologických molekúl.
Izotopológovia sú molekuly, ktoré sa líšia iba izotopovým zložením atómov, z ktorých sú zložené. Izotopológ je zložený aspoň z jedného atómu určitého chemického prvku, ktorý sa od ostatných líši počtom neutrónov.
Molekula vody pozostáva z dvoch atómov vodíka a jedného atómu kyslíka.
Vodík má dva stabilné izotopy - protium (H) - 1 H a deutérium (D) - 2 H.
Kyslík má tri stabilné izotopy: 16O, 17O a 18O.
Molekula 1 H 2 16 O je najľahšia zo všetkých izotopológov vody. Za klasickú alebo ľahkú vodu treba považovať vodu 1 H 2 16 O.
ŤAŽKÁ A ĽAHKÁ VODA
Ľahká voda ako monoizotopová kompozícia 1 H 2 16 O je limitujúcim prípadom izotopovej čistoty. AT vivo taká čistá svetlá voda neexistuje. Na získanie izotopológu1H216O sa uskutočňuje jemné viacstupňové čistenie prírodných vôd alebo sa syntetizuje z počiatočných prvkov1H2 a1602. Prírodná voda je viaczložková zmes izotopológov. Obsah najľahšieho izotopológa v ňom výrazne prevyšuje koncentráciu všetkých ostatných dohromady.
Až do roku 1932 nikto netušil, že v prírode môže byť aj ťažká voda, ktorá môže aj v malých množstvách obsahovať ťažké izotopy vodíka – deutérium a trícium. Práve táto okolnosť bola dôvodom, že sa tieto prvky pred vedcami „schovávali“, vydávali sa za experimentálne chyby a nedostatočnú presnosť merania. Ťažký vodík - deutérium objavil americký fyzikálny chemik Harold Urey (1893-1981) v roku 1931. G. Urey nariadil jednému zo svojich asistentov, aby odparil šesť litrov tekutého vodíka a v poslednej frakcii s objemom 3 cm bol spektrálnou analýzou objavený ťažký izotop vodíka s atómovou hmotnosťou dvojnásobkom známeho protia. prvýkrát. Vedci dospeli k záveru, že podľa všetkého existuje ťažký izotop vodíka s atómovou hmotnosťou 2. V roku 1932 G. Urey a E.F. Osborne bol prvýkrát objavený v r prírodná vodaťažká voda. O dva roky neskôr bol ocenený Harold Urey nobelová cena. Objav tretieho superťažkého izotopu vodíka trícia s atómovou hmotnosťou 3 bol počas prvých rokov zo strategických dôvodov utajený. V roku 1951 bola získaná a študovaná tríciová voda. Ak je voda s deutériom už dobre preštudovaná takmer vo všetkých odvetviach vedy a techniky, potom ešte nenastala „hviezdna“ hodina tríciovej vody, pretože trícia je na Zemi veľmi malé množstvo. Celkovo je to na Zemi asi 25-30 kg a nachádza sa najmä vo svetových vodách (asi 20 kg). Jeho množstvo vo vodách Zeme sa však neustále zvyšuje, pretože vzniká pri bombardovaní jadier dusíka a kyslíka v atmosfére kozmickým žiarením. V dôsledku toho sa obsah trícia v pôvodných (reliktných) vodách neustále zvyšuje. Na rozdiel od protia a deutéria je trícium rádioaktívny prvok s polčasom rozpadu deväť rokov. Superťažká tríciová voda sa svojimi vlastnosťami líši od protiovej (ľahkej) vody viac ako deutériová voda. Trícium vzniká v ultravysokých vrstvách atmosféry hlavne vtedy, keď sú jadrá dusíka a kyslíka bombardované neutrónmi kozmického žiarenia. V prírodnej vode je obsah trícia zanedbateľný – len 10-18 atómových percent. A predsa je to vo vode, ktorú pijeme, a pre dlhé rokyživot, ktorý spôsobí značnú škodu naše gény, spôsobujúce starnutie, choroby. Ťažká deutériová voda sa získava so slabou prítomnosťou tríciovej vody koncentrovanej vo zvyšku elektrolytu po elektrolytickom rozklade prírodnej vody, ako aj pri frakčnej destilácii kvapalného vodíka. priemyselná produkciaťažkej vody sa každý rok zvyšuje takmer vo všetkých krajinách a najmä v krajinách s jadrové zbrane. Ťažká voda sa využíva najmä ako moderátor rýchlych neutrónov pri štiepení rádioaktívnych prvkov v jadrové reaktory. Vyhliadka na využitie ťažkej vody pre potreby ľudstva je grandiózna. Ťažká voda sa môže stať nevyčerpateľným zdrojom energie: 1 gram deutéria môže poskytnúť 10 miliónov krát viac energie ako spaľovanie 1 gramu uhlia. A zásoby deutéria vo svetovom oceáne sú skutočne kolosálne - asi 1015 ton. Tríciová voda má stále obmedzené využitie a v súčasnosti sa využíva najmä pri termonukleárnych reakciách. aj vo fyzikálno-chemickom a biologickom výskume ako značené rádioaktívne molekuly HTO. Vzhľadom na rôznorodosť izotopového zloženia vodíka a kyslíka, veľký podiel O spoľahlivosti možno polemizovať o prítomnosti 36 izotopových odrôd prírodnej vody.
IZOTOPY VO VODE
Vodík vo vode má tri izotopy: protium 1 H (protón + elektrón), deutérium 2 H alebo D (protón + neutrón + elektrón), trícium 3 H alebo T (protón + dva neutróny + elektrón), s hromadné čísla 1, 2 a 3. Protium a deutérium sú stabilné izotopy. Trícium - beta je rádioaktívne, polčas rozpadu je 12,26 roka. H atómy sú rôznej miere vzrušenie.
Okrem vodíka sa izotopy našli aj v kyslíku, je ich päť, okrem známeho stabilného izotopu O 16 (s molekulovou hmotnosťou 16). Ukázalo sa, že tri z nich sú rádioaktívne - O 14, O 15 a O 19 a O 17 a O 18 - stabilné. O 16, O 17 a O 18 sa nachádzajú vo všetkých prírodných vodách
Z hľadiska fyzikálnych vlastností sa voda s ťažkým kyslíkom líši od obyčajnej vody menej ako voda s ťažkým vodíkom. Získava sa z prírodnej vody frakčnou destiláciou a používa sa ako zdroj liečiv s značeným kyslíkom.
V závislosti od typov a obsahu izotopov vodíka (H, D, T) a kyslíka (O 14, O 15, O 16, O 17, O 18, O 19), od stupňa čistoty a znečistenia vedci rozlišujú tisíc odrôd pitná voda.
BIOLOGICKÉ VLASTNOSTI VODY S RÔZNYM ZLOŽENÍM IZOTOPU
Voda obohatená o deutérium, trícium, ťažké a rádioaktívne izotopy kyslíka je škodlivá pre všetko živé a pre ľudí.
Ľahká voda ako univerzálne médium, v ktorom prebiehajú všetky biologické reakcie, zvyšuje rýchlosť týchto reakcií v porovnaní s vodou prirodzeného izotopového zloženia. Tento efekt je známy ako kinetický izotopový efekt rozpúšťadla. Transportné vlastnosti ľahkej vody boli dokázané štúdiom vplyvu ťažkých izotopológov v zložení prírodnej vody na dynamiku vylučovania farbiva metylénová modrá z čuchového systému žabiek pazúrových. Čistenie vody od ťažkých izotopológov má najsilnejší vplyv na energetický aparát živej bunky. Ľahká voda vykazuje protinádorovú aktivitu, čo sa prejavuje v práci vedcov vo výskumných centrách rozdielne krajiny. Potvrdili sa toxikoprotektívne vlastnosti ľahkej vody experimentálne štúdie, z ktorého vyplýva, že ľahká voda, prečistená od ťažkých izotopológov, vďaka svojim transportným vlastnostiam účinne odstraňuje toxíny a produkty látkovej výmeny z tela. Zaznamenal sa aj vplyv ľahkej vody na pacientov s cukrovkou II. Výsledky otvorenej predklinickej štúdie trvajúcej 90 dní ukázali, že pod vplyvom ľahkej vody u dobrovoľníkov poklesla zvýšená hladina glukózy nalačno a zníženej inzulínovej rezistencie.
Biologické účinky ťažkej vody sú:
bio zníženie rýchlosti chemické reakcie, tkanivové dýchanie Zvýšená viskozita bunkovej protoplazmy, rýchlosť starnutia organizmu Vyvolanie mutácií, poškodenie genofondu, rakovina, iné ochorenia Inhibícia delenia buniek, znížený rast Smrť vyšších stavovcov
Najdôležitejšie parametre pitnej vody pre zdravie
Izotopové zloženie pitnej vody
Táto téma v súčasnosti nie je populárny v Rusku, ale je mimoriadne dôležitý vzhľadom na jeho vyhliadky.
Čo je voda - H 2 O - z hľadiska prvkov, z ktorých pozostáva?
99,727 % pripadá na molekuly vody pozostávajúce z protia a kyslíka-16, t.j. na frakciu 1 H 2 16 O molekúl.
Ťažšia voda je prezentovaná v pomeroch: H2180 - 73,5 %; 1H2170 - 14,7 %; 1 HD160 - 11,5 %. Vo vode sladkovodných zdrojov je obsah vody s ťažkým vodíkom 1 HD 16 O asi 330 mg/liter a vody s ťažkým kyslíkom 1 H 2 18 O asi 2 gramy/liter. Takéto koncentrácie sú porovnateľné s obsahom soli a dokonca prekračujú ich limit. prípustné normy . Obsah deutéria sa pohybuje od 90 ppm v ľadovej vode Antarktídy do 180 ppm vo vodách Sahary.
Je vedecky dokázané, že prírodná voda so zníženým obsahom ťažkých izotopov vodíka a kyslíka má povzbudzujúce a liečivé vlastnosti. Tie. živá bunka reaguje aj na malú zmenu obsahu ťažkých izotopov vo vode.
Deutérium je univerzálny inhibítor života. Je vždy prítomný v akejkoľvek vode. Jeho koncentrácia určuje kvalitu pitnej vody.
Ak deutérium považujeme za mikroelement, ktorý je súčasťou nielen vody, ale aj najdôležitejších organických zlúčenín, tak z hľadiska dôležitosti ho možno zaradiť na jedno z prvých, ak nie na prvé miesto. Okrem iných prvkov v ľudskom tele sa D objavuje hneď za sodíkom. Jeho obsah v krvnej plazme je 4-krát väčší ako draslík, 6-krát viac ako vápnik, 10-krát viac ako horčík a oveľa viac ako obsah takých esenciálnych stopových prvkov ako fluór, železo, jód, meď, mangán a kobalt. Každý vie o vápniku. Kto venuje pozornosť deutériu?
Doma nie je možné úplne vyčistiť vodu od deutéria a to nie je potrebné. Na dosiahnutie liečebného účinku je dôležité iba znížiť jeho koncentráciu. Od dostupné možnosti známy spôsob prípravy protiumovej vody. Podstatou metódy je zmrazenie filtrovanej vody v chladničke. Keď sa na povrchu vody a stenách nádoby objaví prvý ľad, voda sa musí naliať do inej nádoby a ľad by sa mal zlikvidovať, pretože. bude obsahovať zvýšenú koncentráciu deutéria. Dôvodom je, že ťažká voda zamŕza pri +3,8°C. Napriek zdanlivo zjavnej spoľahlivosti tejto metódy neposkytuje výrazné zníženie obsahu ťažkej vody, pretože v skutočnosti to nie je ťažká voda, ktorá zamrzne ako prvá, ale voda najbližšie k studeným stenám nádoby. Ak sa však voda počas chladnutia aktívne mieša, potom v nej vytvorené kryštály skutočne obsahujú zvýšenú koncentráciu ťažkej vody.
Zníženie koncentrácie ťažkej vody dokonca o 2-3% dramaticky zvyšuje biostimulačné vlastnosti vody.
Spotrebiče na stanovenie koncentrácie deutéria nie sú známe.
Domáce spotrebiče na prípravu ľahkej vody nie sú známe.
No jeden z revolučných skokov v kvalite prípravy pitnej vody v najbližších rokoch sa uskutoční práve v tomto smere.
Slovník pojmov
izotop- atóm toho istého chemického prvku, ktorého jadro má rovnaký počet protónov ako hlavný prvok, ale iná suma neutróny. Z tohto dôvodu majú izotopy rôzne atómové hmotnosti.
Protium- stabilný izotop vodíka s hmotnostným číslom 1. Jadro atómu protia pozostáva z jedného protónu.
deutérium- D, 2 H, ťažký vodík, stabilný izotop vodíka s hmotnostným číslom 2. veľký rozdiel v hmotnostiach D a 1H spôsobuje významný rozdiel v ich vlastnostiach (napríklad rýchlosti niektorých chemických reakcií sa líšia pre látky obsahujúce D a 1H 5-10 krát).
trícium- najťažší izotop vodíka s hmotnostným číslom 3.
ppm- časti na milión - počet častí na milión.
Štúdium izotopov kyslíka (O 16, O 17, O 18) a vodíka (H 1, H 2, H 3) ukázalo, že v závislosti od ich kombinácií 18 rôzne druhy voda. Osobitná pozornosť teraz priťahuje ťažký alebo mŕtvy voda (H 2 2 O alebo D 2 O), ktorá sa od bežnej vody líši špeciálnymi biologickými vlastnosťami. Semená v nej neklíčia, je smrteľná pre rôzne organizmy. Obsah tejto vody je však väčšinou zanedbateľný a nepôsobí škodlivo. Ťažká voda má hustotu 1,106, maximálna hustota je pri + 11,8 0 С, t bp. \u003d 101,42 0, t topiť. = 3,82.
Štúdium izotopov vodíka ukázalo, že ich prirodzená frakcionácia závisí od mnohých faktorov. So zvyšujúcim sa vekom vôd (sedimentárnych vôd) sa zvyšuje množstvo deutéria; kryštalizačná voda, ako aj voda obsiahnutá v tkanivách rastlín a živočíchov, sa ukázali byť ťažšie ako obyčajná voda. Extra ťažká voda (T 2 O 18 alebo H 2 3 O 18) má hustotu 24, t.j. je o 33 % ťažšia ako obyčajná voda. Špecifická hmotnosť jeho 1,332, t kip. 103-105 0 C, teplota topenia ľadu 8-10 0, teplota najväčšej hustoty 18-20 0 C.
Niektorí vedci (A.S. Uklonsky a ďalší) sa domnievajú, že kyslík O 16 je charakteristický pre atmosférickú vodu, vodu na povrchu Zeme a podzemnej vody napájané atmosférickými zrážkami; O 17 - pre oceány a O 18 - pre hlboké vody litosféry. Je celkom možné, že variabilita izotopového zloženia vody spolu so štruktúrou je jednou z príčin prejavov anomálií, ktoré sú vode vlastné.
14.4 Fyzikálne vlastnosti vody
Medzi hlavné fyzikálne vlastnosti prírodných vôd, ktoré sa zvyčajne zisťujú v hydrogeologických štúdiách, patria: teplota, farba, priehľadnosť, chuť, vôňa, merná hmotnosť.
Teplota.
Teplota podzemnej vody sa veľmi líši: od mínus v oblasti permafrostu (-13,5 0 C) až po teplotu prehriatych pár (>120 0 C) v oblastiach mladej sopečnej činnosti a vo veľkých hĺbkach. Teplota vody má určitý vplyv na chemické zloženie. Zvýšenie teploty zvyšuje rýchlosť pohybu molekúl v roztoku a rýchlosť väčšiny fyzikálnych a chemických reakcií (Ostwaldovo pravidlo). Stanovenie teploty vody sa vykonáva rôznymi teplomermi, používajú sa takzvané jarné teplomery (lenivé), ako aj maximálne a minimálne. Citlivejšie a presnejšie sú elektrické teplomery a elektronické snímače.
Transparentnosť.
Priehľadnosť vody závisí od množstva suspendovaných častíc v nej. Kvalitatívne sa určuje v skúmavke, do ktorej sa naleje 10 ml vody. Pri pohľade zhora určte stupeň priehľadnosti vody podľa názvoslovia: priehľadná, mierne opaleskujúca, opalescentná, mierne zakalená, zakalená, vysoko zakalená. Kvantitatívne stanovenie priehľadnosti sa vykonáva v zariadení - valci s trojrozmerným plochým brúseným dnom, odstupňovaným v centimetroch na výšku. Priehľadnosť sa vyjadruje v centimetroch výšky stĺpca s presnosťou na 0,5 cm. Na stanovenie množstva suspendovaných častíc sa vzorka vody (0,5-1,0 l) pretrepe a prefiltruje cez odvážený téglik s pórovitým dnom alebo cez odvážený filter, potom sa vysuší a odváži. V prípade zmeny priehľadnosti vody počas státia charakterizujú zrazeninu (žiadna, nepatrná, nápadná, veľká) a kvalitu (kryštalická, vločkovitá, prachovitá, piesčitá atď.) s uvedením jej farby.
Farba.
Farba vody do určitej miery charakterizuje jej kvalitu. Chemicky čistá voda je bezfarebný a až vo vrstve hrubej niekoľko metrov získava modrú farbu. Dajte vode farbu mechanické nečistoty. Žltkastá farba je typická pre močiarne vody s obsahom humínových látok. Niekedy má voda farbu čaju (R. Chaya). Voda sčernie v dôsledku tvorby monosulfidu železa v povrchových podmienkach po jej extrakcii z hĺbky.
Kvalitatívne stanovenie farby sa vykonáva v čistej vode v skúmavke, pod ktorou sa nahradí biely papier. Farba vody je charakterizovaná nasledovne: bezfarebná, zelenkastá, žltkastá, hnedá atď.
Kvantitatívne stanovenie sa uskutočňuje porovnaním testovanej vody naliatej do 100 ml bezfarebného skleneného valca s výškou 20 cm so štandardným roztokom platiny a kobaltu naliatym do rovnakého valca pri pohľade na biele pozadie.
Ochutnajte.
Chuť vody závisí od zloženia látok v nej rozpustených. Napríklad slanú chuť spôsobuje NaCl, horkú MgS04, hrdzavú alebo atramentovú soli železa. Vody bohaté na organické látky majú sladkastú chuť.
Na stanovenie chuti sa voda zahreje na 30 0 C, do úst sa odoberie asi 15 ml a niekoľko sekúnd sa drží. Rozlišujte: slané, horké, sladké a kyslá chuť, ako aj pachuť: chlórová, rybia, kovová atď.
Vôňa.
Pach vody naznačuje buď prítomnosť plynov biochemického pôvodu (H 2 S a pod.) alebo prítomnosť rozkladajúcich sa organických látok.
Ohrievajú vodu v skúmavke so zátkou a potom ju čuchajú, povaha zápachu: bez zápachu, sírovodík, močiar, hlina, plesnivý atď. podľa bodov (od 0 do 5).
Špecifická hmotnosť (hustota, g/cm 3 ).
Závisí od hodnoty mineralizácie, teploty, nasýtenia plynmi a pod.). Určuje sa: zhruba - hustomerom, presne - pyknometrom, pri určitej teplote.
Kyslík aj vodík majú prirodzené a umelé izotopy. V závislosti od typu izotopov vodíka obsiahnutých v molekule emitujú nasledujúce typy voda:
Ľahká voda (hlavná zložka vody známa ľuďom) H2O.
Ťažká voda (deutérium) D2O.
Superťažká voda (trícium) T2O.
Trícium Deutérium Voda TDO
Trícium Protium Voda THO
Deutérium protium voda DHO
Posledné tri typy sú možné, pretože molekula vody obsahuje dva atómy vodíka. Protium je najľahší izotop vodíka. Deutérium má atómovú hmotnosť 2,0141017778 amu. Najťažšie je trícium s atómovou hmotnosťou 3,0160492777 amu.
Je známe, že ťažká voda nepodporuje život, to znamená, že väčšina živých organizmov (s výnimkou niektorých mikroorganizmov a húb) v takejto vode zahynie.
Podľa stabilných izotopov kyslíka 16O, 17O a 18O existujú tri typy molekúl vody. Podľa izotopového zloženia teda existuje 18 rôznych molekúl vody. V skutočnosti každá voda obsahuje všetky druhy molekúl.
Atómy vodíka a kyslíka, ktoré tvoria vodu alebo oxid vodíka, môžu mať rôzne hmotnostné čísla a môžu sa navzájom líšiť fyzikálne a chemické vlastnosti, no zároveň majú rovnaký elektrický náboj atómových jadier a teda zaberajú v periodický systém prvky na rovnakom mieste. Takéto odrody atómov toho istého chemického prvku sa nazývajú izotopy.
Je známych päť vodíkov a päť kyslíkov. Pravda, dva z nich (4H, 5H, 14O a 15O) sú rádioaktívne a majú veľmi krátky život. Napríklad trvanie existencie vodíka-4 je 4 10-11 sekúnd. Takéto izotopy s krátkou životnosťou sú vylúčené z našej úvahy.
Najznámejšie sú teda nasledujúce izotopy vodíka: protium 1H (s relatívnou atómovou hmotnosťou 1), deutérium 2H alebo D (s relatívnou atómovou hmotnosťou 2) a trícium 3H alebo T (s relatívnou atómovou hmotnosťou 1 3) najťažší, ale slabo rádioaktívny vodík (jeho polčas rozpadu je 12,3 roka) a izotopy kyslíka: 16O, 17O a 18O. Týchto šesť izotopov môže tvoriť 18 izotopových druhov vody: 1H216O; 1HD160; D2160; 1HT160; DT160; T2016; 1H2170; 1HD170; D2170; lHT170; DT170; T2170; 1H2180; 1HD180; D2180; 1HT180; DT180; T218O.
Trícium a kyslík-17 sa v prírodných vodách nachádzajú len v stopovej forme, kým deutérium a kyslík-18 sa nachádzajú v hmatateľných množstvách, ktoré uvádzame v tab. 2, kde sa zároveň tieto podmienené veličiny porovnávajú s obsahom v morská voda niektoré ďalšie prvky.
Kombináciou izotopových zložiek prírodnej vody môžeme povedať nasledovné: suchozemské vody obsahujú 99,75 % „ľahkej“ vody, 0,18 % ťažkého kyslíka a 0,017 % ťažkého vodíka. Samozrejme, ide o približné priemery. Na Zemi pripadá jeden atóm deutéria na každých 6800 atómov protia a v medzihviezdnom priestore už pripadá jeden atóm deutéria na každých 200 atómov protia.
Deutérium vzniká štiepením jadier hélia, kedy sa navzájom zrážajú a neutrón je zachytený protónom.
Atmosférická voda sa v procese cirkulácie obohacuje o deutérium v dôsledku disipácie protia do vesmíru. Je to vďaka tomuto dažďovej vody bohatší na ťažký vodík.
Trícium sa môže dostať do atmosféry v dôsledku kozmických procesov a tiež obohatiť zemskú vodu, hoci vo veľmi malých množstvách, o superťažkú vodu.
V atmosfére je určitý prebytok ťažkého kyslíka-18, ktorý vzniká v dôsledku rozkladu rastlín, ktoré ho obsahujú vo zvýšenom množstve.
Izotopové odrody vody sa líšia predovšetkým svojimi fyzikálno-chemickými vlastnosťami. Deutérium je vysoko hygroskopické, nenásytne absorbuje vlhkosť zo vzduchu a zo stien nádoby. Rozpustnosť niektorých solí v ťažkej vode je výrazne nižšia ako v obyčajnej vode; so zvýšením obsahu deutéria sa zaznamená zníženie rýchlosti niektorých reakcií.
Vodík vo vode má tri izotopy: protium 1H (protón + elektrón), deutérium 2H alebo D (protón + neutrón + elektrón), trícium 3H alebo T (protón + dva neutróny + elektrón), s hmotnostnými číslami 1, 2 a 3. Protium a deutérium sú stabilné izotopy. Trícium - beta je rádioaktívne, polčas rozpadu je 12,26 roka. Atómy H prichádzajú v rôznych stupňoch excitácie.
Okrem vodíka sa izotopy našli aj v kyslíku, je ich päť, okrem známeho stabilného izotopu O16 (s molekulovou hmotnosťou 16). Tri z nich sa ukázali byť rádioaktívne - O14, O15 a O19 a O17 a O18 - stabilné. O16, O17 a O18 sú obsiahnuté vo všetkých prírodných vodách a ich pomer (s kolísaním do 1 %) je nasledovný: Na 10 000 dielov O16 pripadajú 4 diely O17 a 20 dielov O18.
Z hľadiska fyzikálnych vlastností sa voda s ťažkým kyslíkom líši od obyčajnej vody menej ako voda s ťažkým vodíkom. Získava sa z prírodnej vody frakčnou destiláciou a používa sa ako zdroj liečiv s značeným kyslíkom.
Ak vezmeme do úvahy všetku rozmanitosť izotopového zloženia vodíka a kyslíka, možno hovoriť o širokej škále izotopových odrôd vody. Deväť z nich obsahuje iba stabilné izotopy a tvorí hlavný obsah prírodnej vody. Dominuje v nej obyčajná voda H12O16 (99,73 %), nasledujú ťažké kyslíkové vody H12O17 (0,04 %) a H12O18 (0,2 %), ako aj izotopová odroda ťažkej vody H1D1O16 (0,03 %).
Kyslík v človeku je 60%, ale podľa počtu atómov sú všetky živé bytosti 2/3 atómov vodíka a ¼ atómov kyslíka. Pomer izotopov: P:D = 1:4700 vo vnútrozemských vodách, P:D = 1:6800 atómov v morskej vode. To znamená, že koncentrácia v kontinentálnych vodách D = 0,0135 at.% alebo 0,015 hmotn.%, v morskej vode D = 0,015 at.% alebo 0,017 hmotn.%. V prírodnej vode je obsah trícia zanedbateľný – len 10-18 atómových percent. Nachádza sa však aj v pitnej vode.
Keďže vesmír pozostáva hlavne z atómov vodíka, kozmických jadier vodíkových protónov, ktoré prenikajú atmosférou, zachytávajú O2, tvoria H2O. Táto voda obsahuje veľa trícia a deutéria. Každý deň spadne na Zem 1,5 tony vody deuterovanej tríciom. Preto je hlavným zdrojom prírodného trícia, deutéria a rádioaktívneho kyslíka atmosféra.
Molekuly vody sa navzájom líšia svojim izotopovým zložením. V súčasnosti je známych 5 rôznych izotopov vodíka. Z nich sú stabilné len dve: najľahšie protium - s atómovou hmotnosťou 1, označuje sa symbolom 1H - pozostáva z 1 protónu a 1 elektrónu a ťažkého vodíka, alebo deutéria s atómovou hmotnosťou 2, je označuje sa symbolom 2D - pozostáva z 1 protónu, 1 neutrónu a 1 elektrónu. Tretí superťažký vodík (s atómovou hmotnosťou 3) pozostáva z 1 protónu, 2 neutrónov a 1 elektrónu. Trícium je rádioaktívne s polčasom rozpadu približne 12,3 roka. Životnosť ostatných izotopov nepresahuje niekoľko sekúnd.
Kyslík má šesť izotopov: O14, O15, O16, O17, O18 a O19. Tri z nich: O16, O17 a O18 sú stabilné a O14, O15 a O19 sú rádioaktívne izotopy. Stabilné izotopy kyslíka sa nachádzajú vo všetkých prírodných vodách: ich pomer je nasledovný: na 10 000 dielov O16 pripadajú 4 diely O17 a 20 dielov O18.
Izotopické alebo izotopové účinky vody sú založené na rozdieloch vo vlastnostiach izotopov vodíka a kyslíka v dôsledku rozdielu v ich atómových hmotnostiach, momentoch zotrvačnosti a sile zodpovedajúcich chemických väzieb. Relatívny rozdiel v hmotnostiach izotopov je tým menší, čím je atómové číslo prvku väčšie. Pre izotopy vodíka je to 100 % pre deutérium D (2H) a 200 % pre trícium T (3H) v porovnaní s protium H (1H). Preto sú izotopové účinky vodíka najvýraznejšie.
Existuje 42 izotopológov (kombinácie rôznych izotopových atómov dávajú súbor izotopologických molekúl) vody (vrátane stabilných a nestabilných izotopov vodíka a kyslíka). Z nich je tridsaťtri molekúl vody rádioaktívnych a deväť stabilných, stabilných molekúl vody.
Pravdepodobnosť vzniku molekúl s rôznym izotopovým zložením nie je rovnaká. Najbežnejšia je molekula s najmenšou hmotnosťou, pozostávajúca z vodíka - 1 (protium) a kyslíka - 16. Obsah ostatných ťažších molekúl v prírode nepresahuje 0,23 %, obsah izotopových modifikácií vody v prírode uvádzame v Tabuľka. jeden.
stôl 1
Na obr. Obrázok 6 ukazuje, že množstvo 2H v atmosférickej vlhkosti a v prírodných vodách závisí od klímy, blízkosti regiónu k morám a ľadovcom a nadmorskej výšky nad hladinou oceánu. Vo svetovej praxi je zvykom vyjadrovať obsah deutéria v ‰ alebo ppm. Ppm je počet monodeuterovaných
molekúl vody na 1 milión molekúl obsahujúcich iba izotop svetla 1H. Pri odparovaní vody z povrchu oceánu sa obsah deutéria mení o 20 ppm.
Ryža. 6. Frakcionácia vodíka v kolobehu atmosférickej vody
V uzavretých nádržiach je viac ťažkej vody, pretože v porovnaní s obyčajnou vodou sa vyparuje menej intenzívne. Preto je v oblastiach s horúcou klímou viac ťažkej vody.
Povrch oceánu je tiež obohatený o deutérium na rovníku (155 ppm) a v trópoch, kde je častý výskyt zrážok, pri tvorbe ktorých prebiehajú procesy kondenzácie vody z parnej fázy a ťažká voda kondenzuje rýchlejšie ako ľahká voda, preto sú zrážky obohatené o ťažkú vodu.
Najnižší obsah 2H vo vodnej pare nad Antarktický ľad≈ 90 ppm. Podiel deutéria v ľade Grónska je tiež malý (126 ppm). Obsah deutéria v prírodných vodách rôzneho pôvodu uvedené v tabuľke. 2.
Je potrebné venovať pozornosť skutočnosti, že obsah deutéria v prírodných vodách regiónu Irkutsk je nižší ako v európskej časti Ruska av Európe. Takže D / H v Bajkalu je 137,0 ppm av niektorých minerálne pramene- 132,0 ppm, pričom obsah D v podobných zdrojoch v Európe je minimálne 145-150 ppm. Takéto údaje
možno použiť na identifikáciu zdroja minerálu
a stolovej vody (tabuľka 2).
tabuľka 2
Podľa izotopového zloženia sa rozlišuje ľahká, ťažká a poloťažká voda.
Voda len s ľahkými izotopmi sa v prírode nevyskytuje. Nulová voda pozostáva z čistého ľahkého vodíka a vzdušného kyslíka. Táto voda je zvolená ako referenčná: má veľmi konštantné zloženie. Je vhodné s ňou porovnávať vodu neznámeho zloženia: určením rozdielu v hustote je ľahké zistiť obsah deutéria. Formálne sa protium voda nazýva ľahká voda. Pracovný štandard ľahkej vody sa považuje za zmes vodných odrôd zloženia 1H216O, 1H217O a 1H218O, odobratých v rovnakom pomere, v akom sú vo vzduchu prítomné zodpovedajúce izotopy kyslíka.
Ťažká voda je voda, v ktorej je protium úplne nahradené deutériom a je reprezentované vzorcom D2O. Izotopové zloženie kyslíka v tejto vode zvyčajne zodpovedá zloženiu vzdušného kyslíka. Hustota ťažkej vody je 1104 kg/m3. Ťažká voda vrie pri vyššej teplote a zamŕza pri nižšej teplote ako ľahká voda.
Poloťažká je voda so zmiešanými molekulami HDO. Je prítomný v akejkoľvek prírodnej vode, ale je nemožné ho získať v čistej forme, pretože reakcie výmeny izotopov vždy prebiehajú vo vode. Atómy izotopov vodíka sú veľmi mobilné a neustále sa pohybujú z jednej molekuly do druhej. Nie je ťažké pripraviť vodu, ktorej priemerné zloženie bude zodpovedať vzorcu poloťažkej vody. Ale kvôli výmennej reakcii to bude zmes molekúl s rôznym izotopovým zložením H2O, HDO, D2O.
Okrem všetkých uvedených vôd existuje ešte ťažká kyslíková voda s atómovou hmotnosťou kyslíka 18.
Izotopové modifikácie molekúl vody majú odlišná akcia na štruktúre vody. Napríklad k samoorganizácii usporiadanej štruktúry pripovrchovej vrstvy vody dochádza v dôsledku jej stabilizácie molekulami HDO, ktoré majú vyššiu asociačnú energiu ako molekuly H2O.
Dávame do pozornosti časopisy vydávané vydavateľstvom "Academy of Natural History"
