Тяжелая и обычная вода

Мир неожиданно облетела сенсационная новость: обнаружена тяжелая вода. Американский физико-химик Гарольд Юри (1893—1981), в молодости проявлявший большой интерес к ядерной структуре вещества, решил использовать спектроскопический метод для изучения водорода. На этом пути ему сопутствовала большая удача, он открыл тяжелый водород — дейтерий, предсказанный еще Э. Резерфордом.

Гарольд Юри

Гарольд Юри

Выполненные Г. Юри теоретические расчеты убедили что попытки разделения водорода на изотопы могут при вести к интересным результатам — к выявлению новоп стабильного изотопа водорода.

Руководствуясь этими соображениями, Г. Юри поручил одному из своих учеников выпарить 6 л жидкого вдорода, и в конце эксперимента исследователи получили остаток объемом около 3 см3.

Самое удивительное, что в результате спектрального анализа остатка было найдено такое же расположение линий, какое было предсказано Г. Юри на основе теоре­тических предпосылок.

Тяжелый водород — дейтерий был открыт.

Об этом Г. Юри сообщил в 1931 году на новогоднем собрании Американской Ассоциации развития науки в Нью-Орлеане. Дальнейшие усилия ученого были направ­лены на получение образца с высокой концентрацией дейтерия. Это удалось сделать с помощью электролиза, газовой диффузии, дистилляции воды и других методов. Разные упругости пара Н2 и HD позволили Г. Юри, Ф. Брикведде и Г. Мэрфи доказать существование дейте­рия. Опубликованная Г. Юри совместно с сотрудниками работа произвела ошеломляющее впечатление на ученых самых различных областей науки.

Многие специалисты воспринимали это известие как нечто фантастическое и спорное, но экспериментальные факты показывали, что тяжелый изотоп водорода реаль­но существует.

Дейтерий начал свой сложный путь, а Г. Юри была вручена Нобелевская премия (1934).

После открытия дейтерия события развивались очень быстро. Дело было только за экспериментом, но это ока­залось весьма сложной технической задачей. Тяжелая вода была впервые обнаружена в природной воде Г. Юри и Э. Ф. Осборном в 1932 году.

В 1933 году в Калифорнийском университете США известный физико-химик Г. Льюис (1875—1946), ино­странный почетный член АН СССР (1942), и его коллега Р. Макдональд впервые выделили из природной воды практически чистую тяжелую воду. В их распоряжении оказалось очень небольшое количество нового бесценного соединения, всего лишь 0,3 см3, содержание окиси дейтерия в котором составило более 99%. Ученые провели сложнейшие экспериментальные исследования и определили плотность тяжелой воды при 25 °С, но она оказалась несколько ниже расчетной. Раздумывая над полученными результатами, экспериментаторы пришли к мысли, что расхождения, очевидно, связаны с тем, что количество окиси дейтерия в образце составляло не 100%, а чуть-чуть меньше.

Дальнейший электролиз тяжелой воды позволил и увеличить ее содержание, и концентрация окиси дейтерия возросла до 99,99 %, но объем пробы при этих сложных операциях снизился до 0,12 см3 — весьма малого объема, работа с которым приводила к огромным трудностям. Измеренная плотность, к великому разочарованию ис­следователей, оказалась еще ниже.

Конечно, изучение тяжелой воды в столь мизерном количестве не исключает различных ошибок, поэтому Г. Льюис и Р. Макдональд усреднили полученные ими результаты и за величину плотности приняли значение

d2525= 1,088 * (по современным данным, 1,0775). (d2525 — отношение плотности тяжелой воды при 25 °С к плот­ности обычной воды при этой же температуре (25 °С); безразмерная величина)

Они также установили, что температура для D20 мак­симальной плотности составляет 11,6 °С (напомним, что для обычной воды — 3,98 °С).

В последнее предвоенное пятилетие интенсивно изу­чаются различные свойства тяжелой воды, такие, как вязкость, теплоемкость, растворимость различных со­лей в D20.

В Норвегии известная фирма «Норск-Гидро» органи­зует производство D20, применяя метод гидролиза мор­ской воды. Однако оккупация Норвегии фашистской Гер­манией надолго прерывает деятельность научных цент­ров этой страны, активно изучающих тяжелую воду.

Последняя довоенная работа норвежских физиков по исследованию плотности тяжелой воды относится к 1938 году и проведена в Институте прикладной неорга­нической химии в Торндхейме. Фирма «Норск-Гидро» предоставила ученым образцы тяжелой воды со 100-про­центным содержанием D20. Исследование, выполненное К. Стокландом, Э. Ронаэссом и Л. Тронстадом, по своей тщательности и точности принадлежит к числу лучших работ по измерению плотности жидкости. Для тяжелой воды с нормальным изотопным составом, т. е. содержа­щей изотоп кислорода 160, при 25 °С было получено значение плотности 1,10773, а для образца с изотопом 180— 1,10775.

Главная заслуга этих ученых в том, что они обнару­жили интересное явление — обычная вода в процессе пе­регонки (очистки) может менять свой изотопный состав, следовательно, соотношение между компонентами D2O : Н2160 : Н2180 не постоянно. А поскольку присутствие тяжелой воды экспериментально устанавливается из сравнения плотностей имеющегося образца и нормаль­ной, очищенной воды, то даже небольшая перекомпонов­ка в изотопах приводит к тому, что в различных работах плотность D20 варьирует.

Так что же это за неожиданно открывшийся фено­мен — тяжелая вода? В одной из современных научно- популярных книг сказано так: «Тяжелая вода ни по цве­ту, ни по вкусу, ни по запаху не отличается от обычной, но у нее несколько иные физические свойства». Это слова А. Меркулова из работы «Самая удивительная на свете жидкость». Вот и прекрасно, остается выяснить совсем немногое, чтобы иметь о тяжелой воде конкретное представление. Какой же вкус, цвет и запах у обычной воды? У Б. 3. Фрадкина в «Белых пятнах безбрежного океана» легко находим ответ и на эти вопросы: «Вода яв­ляется отличным растворителем, бесцветна, не имеет ни запаха, ни вкуса».

Наконец мы и подошли к самым истокам. Однако не так-то просто выяснить цвет, вкус и запах тяжелой воды. Оказывается, как тяжелая, так и обычная вода не имеют ни того, ни другого, ни третьего.

Академик Н. Д. Зелинский, узнав об открытии тяже­лой воды, писал в 1934 году: «Кто бы мог подумать, что в природе существует еще другая вода, о которой мы до прошлого года ничего не знали, вода, которую в весьма небольшом количестве мы ежедневно вводим в свой организм вместе с питьевой водой. Однако небольшие ко­личества этой новой воды, потребляемые человеком в течение жизни, составляют уже порядок величины, с ко­торым нельзя не считаться». Развивая свою мысль, про­должал: «В эволюции химических форм в биосфере и ли­тосфере тяжелая вода не может не принимать участия, и вопрос о том, в какой стадии такого эволюционного про­цесса находится тяжелая вода в нашу эпоху, в стадии накопления ее в природе или в стадии деградации, пред­ставляется весьма важным и с точки зрения обмена ве­ществ в живых организмах, в котором вода играет перво­степенную роль. Все живое проводит через свой организм громадные массы обыкновенной воды, а вместе с ней и тяжелую воду; какое же влияние оказывает последняя на жизненные функции организма? Пока это неизвестно, но такое влияние должно быть несомненным» .

Тяжелая вода, как выяснили ученые, подавляет все живое. Вот какими резко полярными свойствами отли­чаются дейтериевая вода и обычная — протиевая. Что же касается цвета, запаха и вкуса, то они проявляются в обычной воде лишь при растворении различных ве­ществ, содержание которых составляет иногда ничтожные доли процента, но и этого достаточно, чтобы придать ей| характерную индивидуальность. Вода очень разнообразна, и глубочайший смысл скрыт в словах: в одну реку (воду) нельзя войти дважды.

Каждая капля водопроводной воды проделывает сложнейший путь, прежде чем вырвется на свободу из системы городского водоснабжения и встретится с теми, кто в ней так нуждается. Каждая из них могла бы рассказать о трудных дорогах через горы, долины, поля и  леса. О геологических породах, которые выщелачивают капли на своем пути, обогащаясь различными солями Потом многочисленные капли попадают в отстойники городской водоочистительной станции и, пройдя систему фильтров, превращаются в питьевую воду. Однако чистота такой воды, приемлемая для человека, явно недостаточна для лабораторных целей. В химических лабораториях воду подвергают дополнительной очистке — дистилляции. Современные экспериментаторы при неудачах часто грешат на загрязнение воды. Подчас так оно есть: ведь вода—лучший растворитель из всех известных на Земле.

Она нет-нет да что-нибудь обязательно прихватит своем пути, находясь в самой герметичной химической аппаратуре. Даже многократная перегонка воды не зволяет получить абсолютно чистый дистиллят.

Основные физико-химические константы обычной и тяжелой воды существенно различаются. Обычная вода, ее водяной пар и лед, состав которых выражается хими­ческой формулой Н20, имеет молекулярную массу 18,0152 г. Лед образуется при 0°С (273 К), а закипает вода при 100 °С (373 К). Эти параметры воспринимают­ся как нечто само собой разумеющееся. А на самом деле все эти цифры — исключение. Мы уже говорили, что сое­динения, подобные воде и именуемые гидридами, не жид­кости, а газы. Если вода была бы похожа на них, то как жидкость она существовала бы в зоне отрицательных температур.

Подобную метаморфозу следовало бы ожидать и от тяжелой воды, но все же свойства ее несколько иные. Тяжелая вода превращается в лед при 3,813 °С, а пар образуется при 101,43 °С. По вязкости она на 20 %  превосходит обычную воду, а максимальная плотность на­блюдается при температуре 11,6°С. Ее химическая фор­мула D2O, где водород заменен на дейтерий, атомная масса которого в 2 раза больше. Окись дейтерия имеет молекулярную массу 20,027. Удельная масса ее на 10 % выше, чем у обычной воды. Вот почему она и называется тяжелой водой.

Академик И. В. Петрянов-Соколов отмечает, что в настоящее время известны три изотопа водорода: 1H, 2H(D), 3Н(Т). Самый легкий из них — 1Н называется протием. Почти целиком из него состоит обычная вода, частично в ней содержится более тяжелый водо­род — дейтерий (D) и сверхтяжелый тритий (Т). Встре­чаются три изотопа кислорода: 60, тяжелый 180 и совсем немного в природе 170. С помощью современных мощных Ускорителей и реакторов физики получили еще пять ра­диоактивных изотопов кислорода: 130, 140, 150, 190, 20О. Продолжительность их жизни очень коротка — она изме­ряется несколькими минутами, затем, распадаясь, они превращаются в изотопы других элементов.

В составе обычной воды можно обнаружить не только тяжелую воду. Теперь известна сверхтяжелая вода Т20 (атомная масса трития — Т равна 3) и тяжелокислородная вода, молекулы которой содержат вместо атомов 160 атомы 170 и 180. Изотопные разновидности воды присутствуют в обычной в ничтожнейших количествах, в природных водах на один атом дейтерия приходится 6500—7200 атомов водорода 1Н, а чтобы обнаружить один атом трития, надо иметь по крайней мере 1018 атомов 1H. Вот с какими количествами приходится сегодня иметь дело ученым, чтобы изучить некоторые неизвестные разновидности воды.

А сколько же всего изотопных разновидностей воды может существовать? Оказывается, очень много.

По мнению И. В. Петрянова-Соколова, теоретически можно взять различные комбинации изотопов водорода  и кислорода, т. е. если каждый изотоп кислорода проре­агирует в аналогичном для воды соотношении с изотопа· ми водорода — 1:2, то из всего набора компонентов мож­но будет получить 48 разновидностей воды.

Да, именно 48! Эта цифра не раз заставит нас серь· езно призадуматься и с грустью отметить, что мы слиШ: ком мало знакомы с водой. Как ни парадоксально этс [  звучит, но факт остается фактом. Из нескольких десятков разновидностей воды большая часть существует только теоретически, попросту говоря, только на бумаге.    Из 48 вод 39 — радиоактивны и всего лишь 9 стабильны, т. е. устойчивы:  ’

н21бо, н217о, н218о, HD16O, HD17O, HD18O, D216O, D217О, D218O.

Но это число может существенно возрасти, если под­твердится сообщение о наличии двух сверхтяжелых водородов 4Н и 5Н, тогда различных вод будет уже 120. Таким образом, открытие каких-либо новых изотопов во­дорода и кислорода будет резко повышать число теоре­тически возможных вод. Каждая из 9 стабильных вод, несомненно, обладает очень специфическими физико-хи­мическими свойствами, но на сегодня это можно только предполагать. Наши знания в этом направлении еще так скромны, что лучше воздержаться от каких-либо сопо­ставлений и сравнений. А когда доводится слышать и читать, что в настоящее время изучены такие типы воды; как 16Н20 (протиевая вода), т. е. обычная, и 16D20 (тя­желая вода), то остается лишь улыбнуться и с надеждой на будущее сказать: «Наши представления о воде еще недостаточно полны, хотя многое уже известно. Радует лишь то, что мы знаем главное — путь, по которому сле­дует двигаться, чтобы раскрыть в перспективе многие тайны воды».

После обнаружения тяжелой воды ученые поначалу были настолько удивлены, что рассматривали тяжелую воду как химический курьез. Однако удивление было недолгим. Итальянский физик Энрико Ферми, проводив­ший эксперименты в области ядерной физики, понял, что тяжелая вода имеет огромнейшее военное значение. С тех пор события, развивающиеся вокруг этой странной жид­кости, были полны драматизма и глубочайшей секрет­ности. И все потому, что судьба тяжелой воды тесно Пе­реплеталась с развитием атомной энергетики. Такая вода используется в ядерных реакторах как теплоноситель и замедлитель нейтронов.

Как мы уже говорили, тяжелая вода замедляет био­логические процессы и действует угнетающе на живые организмы. Микробы в тяжелой воде гибнут, семена не прорастают, растения и цветы вянут при поливке такой водой. Тяжелая вода гибельно влияет на животных. А на человека? К сожалению, о тяжелой воде нам извест­но еще далеко не все. А что же мы все-таки знаем? На­пример, знаем, что в 1 т речной воды присутствует около 150 г тяжелой. В океанской воде ее чуть больше: на 1 т приходится 165 г. В озерах дейтериевой воды обнаруже­но на 15—20 г больше, чем в реках, из расчета на 1 т. Любопытно отметить, что дождевая вода содержит боль­ше окиси дейтерия, чем снег. Такие различия кажутся странными, ведь то и другое — осадки атмосферного про­исхождения. Да, источник один, а содержание тяжелой воды разное.

Таким образом, речные, озерные, грунтовые и морские воды весьма несхожи по изотопному составу и, следова­тельно, как объекты, используемые для получения тяже­лой воды, далеко не равнозначны.

Высказано много всевозможных гипотез о свойствах окиси дейтерия, но они базируются на очень ограничен­ном экспериментальном материале. Опытных данных для каких-либо окончательных выводов пока крайне мало. Было время, когда ее считали «мертвой водой» и пола­яли, что присутствие тяжелой воды в обычной замедля­ет обмен веществ, способствует старению организма. Слу­чаи долгожительства на Кавказе некоторые исследовате­ли связывают с меньшим количеством окиси дейтерия в горных потоках ледникового и атмосферного происхож­дения.

Возникновение пустынь, исчезновение оазисов и ги­бель даже целых цивилизаций древности нередко при­писывают накоплению окиси дейтерия в питьевой воде. А почему океанская рыба идет на нерест в речные воды? Не потому ли, что там меньше дейтерия, чем в морских? Возможно? Конечно, возможно! Однако пока это все только гипотезы, туманные догадки, не подтвержденные экспериментальными результатами. Увеличение или уменьшение процентного содержания тяжелой воды в обычной и воздействие этих изменений на живые орга­низмы и растения практически еще не изучены. Несом­ненно, наука прольет свет на многое, что сегодня состав­ляет предмет догадок и неподтвержденных гипотез. При­дет время, когда многие типы изотопных вод из 48 теоретически возможных человечество начнет широко применять в самых различных областях: в медицине, в промышленности, в сельском хозяйстве и т. д.

Комментарии 1

  • Тяжелые изотопы водорода — основа одного из направлений развития энергетики. Причем именно в части низкотемпературного ядерного синтеза, отрицаемого официальной наукой. В вихревых и кавитационных процессах этот синтез уже получают. Но эти изотопы есть не только в воде.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *