Так ли ординарна вода?
Внимание!
Публикуем материал книжки М.Бармина с комментами и уточнениями О.Мосина (смотрите ниже).
Так ли ординарна вода?
Простейшее устойчивое соединение водорода с кислородом», — такое определение воды
дает Короткая хим энциклопедия.
Все правильно, только простейшее в химии — это далековато не обычное.
До XIX века люди не знали, что вода — хим соединение. Ее считали обыденным
хим элементом. Только в 1805 году Александр Гумбольдт и Жозеф Луи Гей-Люссак
установили, что вода состоит из молекул, любая из которых содержит два атома
водорода и один кислорода.
После чего выше 100 лет все и везде считали, что вода личное
соединение, описываемое единственно вероятной формулой H2O.
Дефицитность этого положения выяснилась только в 1932 году. Мир облетела сенсация:
не считая воды обыкновенной, в природе существует к тому же томная вода. В молекулах таковой воды
место водорода занимает его тяжкий изотоп — дейтерий.
Томную воду открыли южноамериканские физики Гаральд Юри и Эльберт Осборн. В 1933 году
янки Герберт Льюис вместе с Ричардом Макдональдом в первый раз выделили ее в
чистом виде.
В маленьких количествах томная вода повсевременно и везде находится в
природных водах, снаружи совсем не отличаясь от обыкновенной воды. Различить их можно
только по физическим чертам. В молекулу тяжеленной воды входят атомы не легкого
водорода — протия (1H), а его изотопа — дейтерия (2D), атом которого на единицу
тяжелее протиевого, как следует, молекулярная масса тяжеленной воды на 2 единицы
больше: 20, а не 18.
Формула тяжеленной воды D2O. Она на 10 % плотнее обыкновенной, ее вязкость выше на 23 %. Она
бурлит при 101,42 oС, а леденеет при +3,8 oС.
Такие особенности позволяют осознать не равномерность содержания тяжеленной воды в тех
либо других природных водах. К примеру, в замкнутых водоемах ее больше, потому что по
сопоставлению с обыкновенной водой она испаряется наименее активно. Потому тяжеленной воды
больше в местностях с горячим климатом. Обогащается дейтерием и поверхность океана на
экваторе и в тропиках, тем паче что свою лепту заносят нередкие осадки,
при образовании которых идут процессы конденсации воды из паровой фазы (см. дальше),
а томная вода конденсируется резвее, чем легкая, как следует, осадки обогащены
тяжеленной водой. Но для океанской поверхности завышенное содержание тяжеленной воды
типично только на низких широтах.
Поблизости полюсов свои особенности. В больших южных широтах (в Антарктике) океанские
воды приметно «легче». В этом сказывается воздействие талых вод антарктических айсбергов,
которые отличаются более низким содержанием дейтерия на планетке.
Невелика толика дейтерия и во льдах Гренландии, все же, океанские воды больших
северных широт обогащены тяжеленной водой. Здесь сказывается таяние «томных» арктических
льдов.
Фактически томная вода D2O в природе находится в жалких количествах — в
миллионных толиках процента. Преобладает ее разновидность, состав которой можно
выразить формулой HDO.
Томная вода — очень принципиальное промышленное сырье, действенный замедлитель стремительных
нейтронов. Потому уже на данный момент ее обширно используют в разных реакторных установках.
А в дальнейшем томная вода может стать сырьем для термоядерной энергетики: 1 г
дейтерия при термоядерном распаде дает в 10 млн. раз больше энергии, чем 1 г угля
при сгорании. В Мировом океане содержится 1015 тонн HDO.
Открытия последних лет проявили, что томная вода играет большую роль в
био процессах. Это и понятно, ведь она является неизменной и повсеместной
примесью природных вод. 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.
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.
Пониженное содержание дейтерия в воде провоцирует актуальные процессы. Такие данные
получили Б.И. Родимов и И.П. Торопов. Они длительное время следили за растениями и
животными, потреблявшими воду, в какой содержалось дейтерия на 25% ниже нормы.
Оказалось, что, потребляя такую воду, свиньи, крысы и мыши дали потомство, еще
многочисленнее и крупнее обыденного, яйценоскость кур поднялась в два раза, пшеница созрела
ранее и отдала более высочайший сбор.
1-ые результаты исследования тяжеленной воды демонстрируют, сколько необыкновенных параметров таит
такое обычное вещество, как вода.
Открытие тяжеленной воды послужило толчком к выяснению фракционного состава воды.
Скоро была найдена сверхтяжелая вода Т20. В ее составе место водорода занимает
его природный изотоп, еще больше тяжкий, чем дейтерий. Это тритий (Т), он
радиоактивен, атомная масса его равна 3. 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, — чем в экваториальных. По своим
свойствам сверхтяжелая вода еще заметнее отличается от обыкновенной воды: бурлит при 104
oС, леденеет при 4…9 oС, имеет плотность 1,33 г/см3.
Сверхтяжелую воду используют в термоядерных реакциях. Она удобнее дейтериевой воды,
потому что чувствительнее в определении.
Список изотопов водорода не кончается тритием. Искусственно получены и поболее
томные изотопы 4H и 5H, тоже радиоактивные.
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 воды,
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:
1H216O 1HD16O D216O
1H217O 1HD17O 1H217O
1H218O 1HD18O 1H218O
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:
Т216O 1НТ216O DТ16O
Т217O 1НТ217O DТ17O
Т218O 1НТ218O DТ18O
Со всей научной строгостью 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 воды 1H216O ведут очень узкую, многостадийную чистку
природных вод либо синтезируют воду из начальных частей 1H2 и 16O2, которые
за ранее кропотливо очищают от изотопных примесей.
Такую воду используют в опытах и процессах, требующих исключительной чистоты
хим реактивов.
Формально протиевую воду можно было бы именовать легкой водой, но незапятнанная 1H216O —
уникальность. Потому рабочим образцом легкой воды считают смесь разновидностей воды
состава 1H216O, 1H217O и 1H218O, взятых в том же соотношении, в каком находятся
в воздухе надлежащие изотопы кислорода. Выходит, что, обширно оперируя
понятием «легкая вода», мы не можем представить ее однородной формулой.
Термин «томная вода» на практике также не имеет эквивалента. Вода, отвечающая
формуле D2 8O, которую как раз и следовало бы считать тяжеленной истинной водой,
практически заменяется консистенцией разновидностей воды с неизменной водородной частью
(тут это дейтерий) и с содержанием изотопов кислорода в согласовании с изотопным
составом воздуха.
Вот какое сложное это «простейшее соединение» — вода. В предстоящем, говоря о воде
и называя ее принятую формулу Н2O, будем подразумевать, что состав воды, даже
стопроцентно освобожденной от минеральных и органических примесей, сложен и
многообразен.
М.И. Бармин
Комменты к.х.н. О. В. Мосина.
Согласно последним самым новым данным [1] может быть существование 7 изотопных разновидностей водорода, включая 2 размеренных (водород (1Н), дейтерий (2Н)) и 5 радиоактивных (тритий (3Н) и 4 искусственно синтезированных нестабильных изотопа 4Н, 5Н, 6Н, 7Н,) и 13 изотопов кислорода, включая 3 размеренных (16O, 17O, 18O) и 10 радиоактивных искусственно синтезированных радиоактивных изотопов кислорода (12O, 13O, 14O, 15O, 19O, 20O, 21O, 22O, 23O, 24O). 17O и 18O являются вторичными изотопами. С учетом этих данных количество изотопных разновидностей воды (изотопологов) возрастает до 476.
Таблица 1. Изотопы кислорода
Знак
Z(p)
N(n)
Масса изотопа (u)
Период полураспада
Спин
изотопный состав
(мольная толика)
Спектр природных
конфигураций (мольная толика)
энергия
12O
8
4
12.034405(20)
580(30) 10 24 с [0.40(25) MeV]
0+
13O
8
5
13.024812(10)
8.58(5) мс
(3/2-)
14O
8
6
14.00859625(12)
70.598(18) с
0+
15O
8
7
15.0030656(5)
122.24(16) с
1/2-
16O
8
8
15.99491461956(16)
Размеренный
0+
0.99757(16)
0.99738-0.99776
17O
8
9
16.99913170(12)
Размеренный
5/2+
0.00038(1)
0.00037-0.00040
18O
8
10
17.9991610(7)
Размеренный
0+
0.00205(14)
0.00188-0.00222
19O
8
11
19.003580(3)
26.464(9) с
5/2+
20O
8
12
20.0040767(12)
13.51(5) с
0+
21O
8
13
21.008656(13)
3.42(10) с
(1/2,3/2,5/2)+
22O
8
14
22.00997(6)
2.25(15) с
0+
23O
8
15
23.01569(13)
82(37) мс
1/2+
24O
8
16
24.02047(25)
65(5) мс
0+
Но на практике распад практически всех радиоактивных изотопов водорода и кислорода происходит за секунды либо толики секунды (иключением является тритий, период полураспада которого составляет более 12 лет). Более тяжёлые, чем тритий, искусственно приобретенные радиоактивные изотопы водорода 4H и 5H живут порядка 10?20 с; за этот период времени никакие хим связи просто не успевают образоваться, и, как следует, молекул воды с такими изотопами в природных критериях не существует. Тяжёлые радиоизотопы кислорода имеют периоды полураспада от нескольких 10-ов секунд до наносекунд. Потому эталоны воды с такими изотопным составом в обычных критериях получить фактически нереально, хотя молекулы таких вод могут быть получены в критериях современных ускорителей изотопов – в синхрофазотронах.
Если подсчитать все вероятные нерадиоактивные изотопологи, имеющиеся в природе с общей формулой Н2О, то полное количество вероятных изотопных модификаций воды получится девять (так как существует два размеренных изотопа водорода и три — кислорода):
Постоянные:
- Н216O ? легкая вода (вода)
- Н217O
- Н218O ? тяжёлокислородная вода
- HD16O ? полутяжёлая вода
- HD17O
- HD18O-полутяжелокислородная вода
- D216O ? тяжёлая вода
- D217O
- D218O – тяжёлокислородная вода
Радиоактивные:
- T216O – тритиевая вода
- T217O
- T218O
- DT16O – полутритиевая вода
- DT17O
- DT18O
- HT16O
- HT17O
- HT18O
С учётом наличия трития число изотопологов растет до 18. Таким макаром, в природе не считая обыкновенной, более распространённой в природе «лёгкой» воды 1H216O, в общей трудности существует 8 нерадиоактивных (размеренных) и 9 нерадиоактивных «тяжёлых вод».
Концентрации изотопологов воды варьируют в границах, зафиксированных в главных эталонах изотопного состава гидросферы Standard Marine Ordinary Water (SMOW) (таблица 2).
Таблица 2. Рассчитанные массовые концентрации изотопологов в природной воде, надлежащие интернациональному эталону SMOW
Изотополог воды
Молекулярная масса
Содержание, г/кг SMOW
1H216O
18,0106
997,03253636
1HD16O
19,01684
0,32800009
D216O
20,0231
0,00002690
1H217O
19,0148
0,41150907
1HD17O
20,0211
0,00013499
D217O
21,0273
0,00000001
1H218O
20,0148
2,22706373
1HD18O
21,0211
0,00072876
D218O
22,0274
0,00000005
В природных водах в 10000 молекул в среднем содержится 9973 молекул 1H216O, 3 молекулы 1HD16O, 4 молекулы 1H217O, 20 молекул 1H218O и около 2 молекул 2Н216О. В поверхностных водах отношение D/(H+D)=(1,32-1,51) .10-4 D/(H+D)=(1,32-1,51) .10-4, в прибрежной морской воде D/(H+D)=(1,55-1,56).10-4 [2]. Для природных вод СНГ в большинстве случаев свойственны отрицательные отличия от SMOW на (1,0 -1,5) .10-5, в отдельных случаях до (6,0-6,7) .10-5, но встречаются и положительные отличия до 2,0.10-5.
К. х. н. О. В. Мосин
Литературные данные:
1. G. Ауди, O. Bersillon, J. Blachot and A.H. Wapstra, The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties // Nuclear Physics. 2003. 729. P. 1-128.
2. Lis G., Wassenaar L. I., Hendry M. J. High-Precision Laser Spectroscopy D/H and 18O/16O Measurements of Microliter Natural Water Samples // Anal. Chem. 2008. V. 80 (1). P. 287-293.