Что такое тяжелая вода?

Мы привыкли к тому, что формула воды H₂O значит, что она содержит два атома водорода и один атом кислорода. В типичном состоянии атом водорода имеет заряд 1, то есть в его ядре находится один протон, его называют протием. Но существуют и особенные атомы - дейтерий и тритий. Они называются изотопами. Их химические свойства настолько близки к атомам обычного водорода, что они с легкостью образовывают такие же молекулы.

Соответственно могут существовать несколько модификаций привычной нам воды.

Состав и свойства тяжелой воды

Наиболее распространенной является протиевая или обычная вода (H­₂O). Она составляет 99,985% общей массы воды на планете. Остальные 0,015% могут состоять из молекул, которые содержат разные изотопы водорода, упомянутые выше, а также кислорода.

Самой распространенной модификацией является полутяжелая вода (HDO), которая содержит один атом обычного водорода (протия) и один атом дейтерия, она составляет основную массу тяжелой воды в целом. Фактически благодаря реакциям изотопного обмена, она являет собой смесь H2O, HDO, D2O в примерном соотношении, соответственно, 2:1:1.

Сверхтяжелая вода в составе содержит тритий. В общей сложности к ней относится 9 модификаций - существует 9 формул тяжелой воды, которые содержат в разных соотношениях протий, дейтерий, тритий и изотопные модификации кислорода - 16O, 17O, 18O и пр. Содержание сверхтяжелой воды критично мало — до нескольких молекул в литре.

Строение атомов в молекулах приводит к изменению физических свойств воды. Ниже можно сравнить показатели для разных вод.

Стоит понимать, что тяжелая вода в природе существовала всегда, и ее содержание не увеличилось и не уменьшилось. Интересно, что в горных источниках ее меньше, чем в других поверхностных водоемах.

Радиоактивность тяжелой воды

Стоит отметить, что дейтерий и кислород O16, O17, O18 не являются радиоактивными изотопами, как, соответственно, и их соединения.

Относительно трития период его полураспада равен 12 годам. Он действительно обладает радиотоксичностью, как и ряд атомов кислорода. При этом важно понимать что содержание трития в воде менее 1:10¹⁸ миллионов атомов водорода. Его попросту невозможно обнаружить в природных водах.

Причиной его поступления в окружающую среду являются непрерывные ядерные реакции происходящие в атмосфере. Отсюда можно прийти к выводу, что он также существует в воде миллионы лет и не может влиять на здоровье человека.

Больше всего трития в дожде и снеге, меньше всего в океанической воде. А в глубинных льдах Антарктиды его просто нет, поскольку он полностью распадается.

Получение тяжелой воды

До 1946 года тяжелая вода получалась только электролизом, позже появились технологии ректификации жидкого водорода, а также изотопного обмена в разных системах (водород/аммиак, водород/вода, сероводород/вода).

В современном производстве используются метод, в котором исходной водой являются стоки электролитических цехов получения водорода, она содержит до 0,2% тяжелой воды. После применяется технология изотопного обмена в системах сероводород/вода, где происходит концентрирование до 5 - 10%. И на конечном этапе производится ступенчатый электролиз раствора щелочи с получением степени чистоты дейтериевой воды 99,75 - 99,995%.

Стоимость дейтериевой воды отличается в зависимости от ее чистоты. Для примера грамм воды с содержанием атомов дейтерия 70% от общего числа водорода стоит примерно 0,8$, а грамм воды содержащей уже более 99,6% стоит 2,5$.

Если рассмотреть получение тяжелой воды дома с точки зрения технологии производства, которая описана выше, вы догадаетесь, что это невозможно. Существует теория о том, что ее можно получить частичным замораживанием воды, за счет разницы температур замерзания воды. Теоретически данный метод может помочь вам повысить содержание дейтерия на 10-20%, но целесообразность этих манипуляций остается под большим вопросом. Такая вода не имеет практического применения.

Применение

Существует несколько сфер применения тяжелой воды.

1. Энергетика. Существуют ядерные реакторы, в которых тяжелая вода применяется в качестве теплоносителя. Ее использование позволяет использовать природный уран более низкой степени обогащения.
2. В лабораториях. Как индикатор и растворитель в физико-химическом анализе, в исследованиях биологических объектов, а также живых организмов, в том числе человека.
3. В медицине. Помимо лабораторных исследований человека, тяжелая вода может применяться для лечения грибков и бактерий, лечения гипертензии и пр.

Влияние на человека

Выше мы акцентировали внимание на главном факторе - вредна ли тяжела? Поскольку ее содержание стабильно в атмосфере уже многие тысячелетия, то ее невысокие количества в питьевой воде точно не являются опасными для человечества.

Что касается экспериментов с применением концентрированной дейтериевой воды, то ее не зря называют мертвой водой.

Из-за различия физических свойств, в частности, плотности, она сложнее проходит через клеточные мембраны, и, соответственно, она фактически угнетает жизнедеятельность. А из-за более крепких водородных связей химические реакции замедлены.

Простейшие могут адаптироваться к 70-% воде, а водоросли способны жить и размножаться даже в 99% дейтериевой воде.

Что касается млекопитающих, тут замещение 25% процентов воды приводит к невозможности давать потомство. Также большой объем тяжелой воды имел эффективность при лечении раковых опухолей, но при этом приводил к смерти животного.

Человек может спокойно выпить несколько стаканов тяжелой воды без какого либо влияния на состояние внутренних органов и самочувствия. Сегодня такая вода используется для лечения определенных случаев гипертонии, что доказывает отсутствие побочных эффектов даже при регулярном применении ее небольших количеств.

Стоит также отметить, что в организме человека находится определенное количество тяжелой воды, равное тому которое находится в пяти граммах обычной воды.

Тяжелая или жесткая?

Когда мы изучали публикации в Интернете о тяжелой воде, то узнали, что некоторые люди путают ее с “жесткой”.

Жесткая вода — это вода, которая содержит определенное количество солей жесткости, преимущественно карбонатов кальция и магния. Жесткая вода - это про известковый налет и накипь.

Что такое легкая вода?

Легкой является вода, которая содержит пониженное количество дейтериевой воды. Кто-то пытается изготовить ее дома, а кто-то покупает. Как мы писали выше, тяжелая вода является естественным компонентом поверхностных и питьевых вод, которые употребляли наши предки. Каких либо подтвержденных клинических исследований о терапевтическом эффекте такой воды не существует.

Можно ли очистить воду от дейтерия дома?

Никакие фильтры для воды, в том числе системы обратного осмоса не способны задерживать дейтериевую воду, поскольку между частицами дейтерия и протия нет существенных различий.

Мы уже писали в нашем блоге об очистке воды замораживанием. Теоретически этот метод способен удалить определенное количество тяжелой воды. Но рациональность этих манипуляций остается под вопросом.

В этом тексте мы попробовали объяснить, что представляет собой тяжелая вода, где ее искать, и как с ней жить. Также надеемся, что получилось развеять популярные лженаучные мифы и беспокойство наших клиентов и просто читателей.

Если у вас остались вопросы, пишите в комментариях. С радостью ответим на них.