Лёгкая вода
Лёгкая вода
К.х.н. О.В. Мосин
ЛЁГКАЯ ВОДА
Рядовая питьевая вода лишь на 99,7% состоит из легкой воды, молекулы которой образованы легкими атомами водорода и кислорода. В виде примеси в хоть какой природной воде находится и тяжёлая вода, которая в чистом виде является ядом для всего живого (о ней — соответственный раздел веб-сайта).
Тяжёлая вода (оксид дейтерия) — имеет ту же хим формулу, что и рядовая вода, но заместо атомов водорода содержит два тяжёлых изотопа водорода — атомы дейтерия. Формула тяжёловодородной воды обычно записывается как: D2O либо 2H2O. Снаружи тяжёлая вода смотрится как рядовая — тусклая жидкость без вкуса и аромата, а вот по своим физико-химическим свойствам и нехорошему воздействию на организм тяжёлая вода очень отличается от лёгкой воды.
Лёгкая вода – это вода, очищенная от тяжёлой воды. Изотоп водорода, дейтерий, отличающийся наличием в ядре «лишнего» нейтрона, может создавать с кислородом молекулу воды. Такая вода, в молекуле которой атом водорода замещён атомом дейтерия, именуется тяжёлой. Содержание дейтерия в разных природных водах очень неравномерно. Оно может изменяться от 0,03 % (относительно полного количества атомов водорода) – это вода из Антарктического льда, — самая лёгкая природная вода – в ней дейтерия в 1,5 раза меньше, чем в морской воде. Талая снеговая и ледниковая воды в горах и неких других регионах Земли также содержат меньше тяжеленной воды, чем та, которую мы обычно пьем.
В тонне речной воды содержится 15 г тяжеленной воды из расчёта 0,015%. За 70 лет употребления 3 л питьевой воды в денек через человеческий организм пройдет около 80 тонн воды, содержащей 10-12 кг дейтерия и существенное количество коррелирующих с ним изотопов водорода – трития 3Н и кислорода 18О.
Тритий – бета-радиоактивный элемент с периодом полураспада 12,26 лет. Он появляется под действием жёсткого радиои нейтронного излучения в реакторах. В земных критериях тритий зарождается в больших слоях атмосферы, где идут природные ядерные реакции. Он является одним из товаров бомбардировки атомов азота нейтронами галлактического излучения. Ежеминутно на каждый квадратный сантиметр земной поверхности падают 8-9 атомов трития.
В маленьких количествах сверхтяжелая (тритиевая) вода попадает на Землю в составе осадков. Во всей гидросфере сразу насчитывается только около 20 кг Т20.
Тритиевая вода распределена неравномерно: в материковых водоемах ее больше, чем в океанах; в полярных океанских водах ее больше, чем в экваториальных. По своим свойствам сверхтяжелая вода еще заметнее отличается от обыкновенной: бурлит при 104°С, леденеет при 4…9°С, имеет плотность 1,33 г/см3.
Тяжёлокислородная вода 1Н218О содержится в обыкновенной питьевой воде в еще большей концентрации, чем тяжёлая вода — приблизительно 0,1%. Хотя по своим физическим свойствам тяжелокислородная вода меньше отличается от обыкновенной, чем тяжеловодородная. Получают ее в главном перегонкой природной воды и употребляют для изотопных исследовательских работ обмена веществ.
Такое существенное количество томных и радиоактивных изотопов водорода и кислорода в составе воды, являющейся матрицей жизни, уже к наступлению половой зрелости человека повреждает его гены, вызывает разные заболевания, рак, инициирует старение организма.
Мощное повреждение генофонда радиоактивными и томными изотопами водорода и кислорода воды может вызвать вымирание видов растений, животных и человека. По воззрению многих учёных, человеку даже угрожает вымирание, если он не перейдет на употребление лёгкой воды, обедненной радиоактивными и томными изотопами 18О и 2Н. Вот поэтому сначала XXI-го века посреди учёных раздались голоса о полном исключении тяжёлых изотопов дейтерия 2Н и кислорода 18О из потребляемой питьевой воды.
Удаление тяжёлых изотопов дейтерия и кислорода из обыкновенной питьевой воды – задачка сложная. Она достигается разными физико-химическими способами – изотопным обменом, электролизом, вакуумной заморозкой с следующим оттаиванием, ректификацией, центрифугированием. Об этих способах не один раз говорилось на нашем веб-сайте. Сейчас побеседуем о лёгкой воде.
Лёгкая вода является побочным продуктом производства тяжёлой воды, применяемой в атомной индустрии в качестве замедлителя нейтронов. В последние годы в связи с исследовательскими работами, доказывающими чрезвычайную полезность лёгкой воды (см., к примеру, www.langvey.ru) для человеческого организма, в особенности для профилактики и исцеления онкологических болезней, на российском рынке появилась лёгкая вода, созданная для питья. Содержание в ней дейтерия, определяющее её качество и цена, меняется от 25 ppm (миллионные толики) ступенями по 20-30 ppm. В связи с высочайшей трудоёмкостью производства, литр лёгкой воды на рынке стоит от нескольких 10-ов баксов США и выше.
Чем все-таки так вредоносен дейтерий и почему его нужно извлекать из воды? Дело в том, что посреди всех размеренных изотопов изотопные эффекты дейтерия на живы организмы самые высочайшие. А неважно какая природная вода и напитки на ее базе, как понятно, содержат до 300 мг/л тяжеленной воды, которая по своим биологическим свойствам существенно отличается от обыкновенной воды.
По хим свойствам дейтерий схож атому водорода и при попадании в организм способен замещать его во всех актуально принципиальных соединениях, в том числе цепочках РНК и ДНК. Это может привести к сбоям в работе разных систем организма, так как на биологическом уровне такая подмена является далековато не равноценной.
Томная вода приметно отличается от обыкновенной воды по своим свойствам. Реакции с тяжеленной водой протекают медлительнее, чем с обыкновенной, константы диссоциации молекулы тяжёлой воды меньше таких для обыкновенной воды. Молекулы тяжёловодородной воды были в первый раз обнаружены в природной воде Гарольдом Юри в 1932 году году. А уже в 1933 году Гильберт Льюис получил чистую тяжёловодородную воду оковём электролиза обыкновенной воды.
В природных водах соотношение меж тяжёлой и обыкновенной водой составляет 1:5500 (в предположении, что весь дейтерий находится в виде тяжёлой воды D2O, хотя по сути он отчасти находится в составе полутяжёлой воды HDO).
Тяжёлая вода токсична в огромных концентрациях, хим реакции в её среде проходят несколько медлительнее, по сопоставлению с обыкновенной водой, водородные связи с ролью дейтерия несколько посильнее обыденных. Опыты над млекопитающими проявили, что замещение 25% водорода в тканях дейтерием приводит к стерильности, более высочайшие концентрации приводят к резвой смерти животного. Но некие мельчайшие организмы способны жить в 70%-ной тяжёлой воде) (простые) и даже в незапятанной тяжёлой воде (бактерии).
С первых тестов янки Креспи и Даболла в 1940-х годах прошедшего века, прямо до конца 90-х годов установилось устойчивое представление, что тяжёлая вода несовместима с жизнью и что высочайшие концентрации тяжёлой воды могут приводить к ингибированию многих жизненно-важных мутаций, включая блокировку митоза в стадии профазы, и даже в неких случаях вызывать спонтанные мутации.
Клеточки животных способны выдерживать до 25-30% тяжёлой воды в среде, растений (50%), а клеточки простых микробов способны жить на 80% тяжеленной воде. Но, позже было подтверждено, что многие организмы могут быть приспособлены к росту на тяжёлой воде.
Тяжёлая вода высочайшей концентрации токсична для организма; хим реакции в её среде проходят медлительнее, по сопоставлению с обыкновенной водой, водородные связи с ролью дейтерия несколько посильнее обыденных.
Все же томная вода играет значительную роль в разных био процессах. Систематическое исследование ее воздействия на животных и растения начато сравнимо не так давно. Разные исследователи независимо друг от друга установили, что томная вода действует негативно на актуальные функции организмов; это происходит даже при использовании обыкновенной природной воды с завышенным содержанием тяжеленной воды.
Воздействие концентрации дейтерия на рост высших растений
Рис. Выживаемость разных организмов в воде с разными концентрациями дейтерия
Подопытных животных поили водой, 1/3 часть которой была заменена водой состава HDO. Через недолгое время начиналось расстройство обмена веществ животных, разрушались почки. При увеличении толики тяжеленной воды животные гибли.
На развитие высших растений томная вода также действует угнетающе; если их поливать водой, на одну вторую состоящей из тяжеленной воды, рост прекращается.
Рис. Поливка помидоровой рассады 30, 50 и 60%-ной тяжёлой водой ингибирует рост растения (по данным Креспи и Катца, 1972).
Как было показано нами, способность к адаптации в больших концентрациях тяжёлой воды связана с эволюционным уровнем организации, т. е. чем ниже уровень развития живого, тем выше способность к адаптации (О.В. Мосин, Д.А. Складнев, В.И. Швец, 1996).
Издавна увидено, что адаптация к тяжёлой воде проходит легче при постепенном увеличении содержания дейтерия в среде (Денько Е.И, 1970), потому что чувствительность к тяжёлой воде различных главных систем различна. Фактически даже высокодейтерированные среды содержат протоны от 0,2—10%. Может быть, что остаточные протоны в момент адаптации к тяжёлой воде упрощают перестройку к изменившимся условиям, встраиваясь конкретно в те участки, которые более чувствительны к подмене. Таким макаром, клеточка употребляет всякую возможность ассимиляции лёгких протонов из среды.
Эти данные свидетельствуют о том, что организм, потребляя тяжёлую воду, реализует лабильные адаптивные механизмы, которые содействуют многофункциональной реорганизации работы жизненно-важных систем в тяжёлой воде. Это показали наши исследования (О.В. Мосин, Д.А. Складнев, В.И. Швец, 2001). Так, к примеру, нормальному биосинтезу и функционированию в тяжёлой воде таких на биологическом уровне активных соединений, как нуклеиновые кислоты и белки содействует поддержание их структуры средством формирования водородных (дейтериевых) связей в молекулах. Связи, сформированные атомами дейтерия различаются по прочности и энергии от подобных водородных связей. Различия в нуклеарной массе атома водорода и дейтерия косвенно могут служить предпосылкой различий в синтезах нуклеиновых кислот, которые могут приводить в свою очередь к структурным различиям и, как следует, к многофункциональным изменениям в клеточке.
Ферментативные функции и структура синтезируемых белков также меняются при росте клеток на тяжёлой воде, что может отразиться на процессах метаболизма и деления клеточки.
Как было показано нашими исследовательскими работами, причинами смерти клеток на тяжёлой воде могут быть конфигурации соотношения главных метаболитов в процессе адаптации. Клеточки высших организмов гибнут при содержании тяжёлой воды в составе тела выше 30%, но мельчайшие организмы, просто приспосабливающиеся к резким изменениям сферы обитания, способны жить и плодиться даже в 98%-ной тяжёлой воды (Мосин О.В, 1996).
Создание тяжёлой воды очень энергоёмко, потому её цена достаточно высока (приблизительно 250-300 баксов за литр). Тяжёлая вода скапливается в остатке электролита при неоднократном электролизе воды. На открытом воздухе тяжёлая вода стремительно поглощает пары обыкновенной воды, потому можно сказать, что она гигроскопична.
Физические характеристики обыкновенной и тяжёлой воды
Физические характеристики
D2O
H2O
Молекулярная масса
20
18
Плотность при 20 0C (г/см3)
1,1050
0,9982
T кристаллизации (0C)
3,8
0
T кипения (0C)
101,4
100
Важным свойством тяжёлой воды будет то, что она фактически не поглощает нейтроны, потому употребляется в ядерных реакторах для торможения нейтронов и в качестве теплоносителя. Она употребляется также в качестве изотопного индикатора в химии и биологии. В физике простых частиц тяжёлая вода употребляется для детектирования нейтрино; так, наикрупнейший сенсор солнечных нейтрино в Канаде содержит 1 килотонну тяжёлой воды.
Говоря об изотопных разновидносях воды следует отметить, что существует также и полутяжёлая (либо дейтериевая) вода, у которой только один атом водорода замещен дейтерием. Формулу таковой воды записывают так: DHO.
Термин тяжёлая вода используют также по отношению к воде, у которой хоть какой из атомов заменен тяжёлым изотопом:
к тяжёлокислородной воде (в ней лёгкий изотоп кислорода 16O замещен тяжёлыми изотопами 17O либо 18O),
к тритиевой и сверхтяжёлой воде (содержащей заместо атомов 1H его радиоактивный изотоп тритий 3H). Сверхтяжелую воду используют в термоядерных реакциях. Она удобнее дейтериевой, потому что чувствительнее в определении.
Список изотопов водорода не кончается тритием. Искусственно получены и поболее томные изотопы 4H и 5H,тоже радиоактивные.
Если подсчитать все вероятные разные соединения с общей формулой Н2О, то полное количество вероятных «тяжёлых вод» достигнет 48. Из их 39 вариантов — радиоактивные, а размеренных вариантов всего девять:
Н26O, Н217O, Н218O, HD16O, HD17O, HD18O, D216O, D217O, D218O.
Таким макаром, может быть существование молекул воды, в каких содержатся любые из 5 водородных изотопов в любом сочетании.
Этим не исчерпывается сложность изотопного состава воды. Есть также изотопы кислорода. В повторяющейся системе хим частей Д.И. Менделеева числится всем узнаваемый кислород 16O. Есть еще два природных изотопа кислорода – 17O и 18O. В природных водах в среднем на каждые 10 тыщ атомов изотопа 16O приходится 4 атома изотопа 17O и 20 атомов изотопа 18O.
По физическим свойствам тяжелокислородная вода меньше отличается от обыкновенной, чем тяжеловодородная. Получают ее в главном перегонкой природной воды и употребляют как источник препаратов с меченым кислородом.
Кроме природных, есть и 6 искусственно сделанных изотопов кислорода. Как и искусственные изотопы водорода, они недолговечны и радиоактивны. Из их: 13O, 14O и 15O – легкие, 19O и 20O – томные, а сверхтяжелый изотоп – 24O получен в 1970 году.
Существование 5 водородных и 9 кислородных изотопов гласит о том, что изотопных разновидностей воды может быть 135.
Более всераспространены в природе 9 устойчивых разновидностей воды.
Основную массу природной воды – выше 99% – составляет протиевая вода – 1H216O. Тяжелокислородных вод намного меньше: 1H218O – десятые толики процента.
1H217O – сотые толики от полного количества природных вод. Только миллионные толики процента составляет томная вода D2O, зато в форме 1HDO тяжеленной воды в природных водах содержится уже приметное количество.
Еще пореже, чем D2O, встречаются и девять радиоактивных естественных видов воды, содержащих тритий.
Традиционной водой следует считать протиевую воду 1H216O в чистом виде, другими словами без мельчайших примесей других 134 изотопных разновидностей. И хотя содержание протиевой воды в природе существенно превосходит содержание всех других взятых вместе видов, незапятанной 1H216O в естественных критериях не существует. В мире такую воду можно найти только в немногих особых лабораториях. Ее получают очень сложным методом и хранят с величайшими предосторожностями. Для получения незапятанной 1H216O ведут очень узкую, многостадийную чистку природных вод либо синтезируют воду из начальных частей 1H2 и 16O, которые за ранее кропотливо очищают от изотопных примесей. Такую воду используют в опытах и процессах, требующих исключительной чистоты хим реактивов.