Тяжёлая вода

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Тяжёлая вода
Heavy-water-2D-dimensions.svg
Тяжёлая вода
Общие
Систематическое
наименование
оксид дейтерия
Традиционные названия тяжёлая вода
Хим. формула D2O
Физические свойства
Состояние жидкость
Молярная масса 20,04 г/моль
Плотность 1,1042 г/см³
Динамическая вязкость 0,00125 Па·с
Термические свойства
Т. плав. 3,81 °C
Т. кип. 101,43 °C
Кр. давл. 21,86 МПа
Мол. теплоёмк. 84,3 Дж/(моль·К)
Уд. теплоёмк. 4,105 Дж/(кг·К)
Энтальпия образования −294,6 кДж/моль
Энтальпия плавления 5,301 кДж/моль
Энтальпия кипения 45,4 кДж/моль
Давление пара 10 мм рт. ст. при 13,1 °C
100 мм рт. ст. при 54 °C
Химические свойства
Растворимость в воде неограниченная
Растворимость в эфире малорастворима
Растворимость в этаноле неограниченная
Оптические свойства
Показатель преломления 1,32844 (при 20 °C)
Классификация
Рег. номер CAS 7789-20-0
PubChem 24602
Рег. номер EINECS 232-148-9
SMILES
RTECS ZC0230000
ChemSpider 23004
Безопасность
NFPA 704
NFPA 704.svg
Приводятся данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иного.

Тяжёлая вода́ — обычно этот термин применяется для обозначения тяжёловодородной воды, известной также как оксид дейтерия. Тяжёловодородная вода имеет ту же химическую формулу, что и обычная вода, но вместо двух атомов обычного лёгкого изотопа водорода (протия) содержит два атома тяжёлого изотопа водорода — дейтерия, а её кислород по изотопному составу соответствует кислороду воздуха[1]. Формула тяжёловодородной воды обычно записывается как D2O или 2H2O. Внешне тяжёлая вода выглядит как обычная — бесцветная жидкость без вкуса и запаха. Она нерадиоактивна.

История открытия[править | править вики-текст]

Молекулы тяжёловодородной воды были впервые обнаружены в природной воде Гарольдом Юри в 1932 году, за что ученый был удостоен Нобелевской премии по химии в 1934 году. А уже в 1933 году Гилберт Льюис выделил чистую тяжёловодородную воду. При электролизе обычной воды, содержащей наряду с обычными молекулами воды незначительное количество молекул тяжёлой (D2O) и полутяжёлой (НОD) воды, образованных тяжёлым изотопом водорода, остаток постепенно обогащается молекулами этих соединений. Из такого остатка после многократного повторения электролиза Льюису в 1933 г. впервые удалось выделить небольшое количество воды, состоящей почти на 100 % из молекул соединения кислорода с дейтерием и получившей название тяжёлой. Этот способ производства тяжёлой воды остаётся основным и сейчас, хотя используется в основном на окончательной стадии обогащения от 5-10 % до >99 % (см. ниже).

После открытия в конце 1938 года деления ядер и осознания возможности использования цепных ядерных реакций деления, индуцированных нейтронами, возникла необходимость в нейтронном модераторе — веществе, позволяющем эффективно замедлять нейтроны, не теряя их в реакциях захвата. Наиболее эффективно нейтроны замедляются лёгкими ядрами, и самым эффективным замедлителем должны были бы быть ядра обычного водорода (протия), однако они обладают высоким сечением захвата нейтронов. Напротив, тяжёлый водород захватывает очень мало нейтронов (сечение захвата тепловых нейтронов у протия в более чем 100 тысяч раз выше, чем у дейтерия). Технически наиболее удобным соединением дейтерия является тяжёлая вода, причём она способна также служить теплоносителем, отводя выделяющееся тепло от области, где происходит цепная реакция деления. С самых ранних времён ядерной энергетики тяжёлая вода стала важным компонентом в некоторых реакторах, как энергетических, так и предназначенных для наработки изотопов плутония для ядерного оружия. Эти так называемые тяжеловодные реакторы имеют то преимущество, что могут работать на природном (необогащённом) уране без использования графитовых модераторов, которые на этапе вывода из эксплуатации могут представлять опасность взрыва пыли и содержат наведённую радиоактивность (углерод-14 и ряд других радионуклидов)[2]. Однако в большинстве современных реакторов используется обогащённый уран с нормальной «лёгкой водой» в качестве замедлителя, несмотря на частичную потерю замедленных нейтронов.

Производство тяжёлой воды в СССР[править | править вики-текст]

Промышленное производство и применение тяжёлой воды началось с развитием атомной энергетики. В СССР при организации Лаборатории № 3 АН СССР (современный ИТЭФ) перед руководителем проекта А. И. Алихановым была поставлена задача создания реактора на тяжёлой воде. Это обусловило потребность в тяжёлой воде, и техническим советом Специального комитета при СНК СССР был разработан проект Постановления СНК СССР «О строительстве полупромышленных установок по производству продукта 180», работы по созданию производительных установок тяжёлой воды в кратчайшие сроки были поручены руководителю атомного проекта Б. Л. Ванникову, народному комиссару химической промышленности М. Г. Первухину, представителю Госплана Н. А. Борисову, народному комиссару по делам строительства СССР С. З. Гинзбургу, народному комиссару машиностроения и приборостроения СССР П. И. Паршину и народному комиссару нефтяной промышленности СССР Н. К. Байбакову[3]. Главным консультантом в вопросах тяжёлой воды стал Начальник сектора Лаборатории № 2 АН СССР М. О. Корнфельд.

Свойства[править | править вики-текст]

Свойства тяжёлой воды
Энтальпия образования ΔH −294,6 кДж/моль (ж) (при 298 К)
Энергия Гиббса образования G −243,48 кДж/моль (ж) (при 298 К)
Энтропия образования S 75,9 Дж/моль·K (ж) (при 298 К)
Критическая плотность 0,363 г/см³

Сравнение свойств обычной и тяжёлой воды[править | править вики-текст]

Сравнение свойств D2O, HDO и H2O[4]
Параметр D2O HDO H2O
Температура плавления (°C) 3,82 0,00
Температура кипения (°C) 101,42 100,7 100,00
Плотность (г/см³, при 20 °C) 1,1056 1,054 0,9982
Температура максимальной
плотности (°C)
11,6 4,0
Вязкость (сантипуаз, при 20 °C) 1,25 1,1248 1,005
Поверхностное натяжение
(дин·см, при 25 °C)
71,87 71,93 71,98
Молярное уменьшение объёма при плавлении
(см³/моль)
1,567 1,634
Молярная теплота плавления (ккал/моль) 1,515 1,436
Молярная теплота парообразования (ккал/моль) 10,864 10,757 10,515
pH (при 25 °C) 7,41 7,266 7,00

Нахождение в природе[править | править вики-текст]

В природных водах один атом дейтерия приходится на 6400…7600[5] атомов протия. Почти весь он находится в составе молекул полутяжёлой воды DHO, одна такая молекула приходится на 3200…3800 молекул лёгкой воды. Лишь очень незначительная часть атомов дейтерия формирует молекулы тяжёлой воды D2O, поскольку вероятность двух атомов дейтерия встретиться в составе одной молекулы в природе мала (примерно 0,5·10−7). При искусственном повышении концентрации дейтерия в воде эта вероятность растёт.

Биологическая роль и физиологическое воздействие[править | править вики-текст]

Тяжёлая вода токсична лишь в слабой степени, химические реакции в её среде проходят несколько медленнее, по сравнению с обычной водой, водородные связи с участием дейтерия несколько сильнее обычных. Эксперименты над млекопитающими (мыши, крысы, собаки)[6] показали, что замещение 25 % водорода в тканях дейтерием приводит к стерильности, иногда необратимой[7][8] Более высокие концентрации приводят к быстрой гибели животного; так, млекопитающие, которые пили тяжёлую воду в течение недели, погибли, когда половина воды в их теле была дейтерирована; рыбы и беспозвоночные погибают лишь при 90 % дейтерировании воды в теле[9]. Простейшие способны адаптироваться к 70 % раствору тяжёлой воды, а водоросли и бактерии способны жить даже в чистой тяжёлой воде[6][10][11][12][13].Человек может без видимого вреда для здоровья выпить несколько стаканов тяжёлой воды, весь дейтерий будет выведен из организма через несколько дней.
Таким образом, тяжёлая вода гораздо менее токсична, чем, например, поваренная соль. Тяжёлая вода использовалась для лечения артериальной гипертензии у людей в суточных дозах от 10 до 675 г D2O в день[14].

В человеческом организме содержится в качестве естественной примеси столько же дейтерия, сколько в 5 граммах тяжёлой воды; этот дейтерий в основном входит в молекулы полутяжёлой воды HDO, а также во все прочие биологические соединения, в которых есть водород.

Некоторые сведения[править | править вики-текст]

Тяжёлая вода накапливается в остатке электролита при многократном электролизе воды. На открытом воздухе тяжёлая вода быстро поглощает пары обычной воды, поэтому можно сказать, что она гигроскопична. Производство тяжёлой воды очень энергоёмко, поэтому её стоимость довольно высока. В 1935 году, сразу после открытия тяжёлой воды, её цена составляла ориентировочно 19 долларов за грамм[15]). В настоящее время тяжёлая вода с содержанием дейтерия 99 ат.%, продаваемая поставщиками химических реактивов, при покупке 1 кг сто́ит около 1 евро за грамм[16], однако эта цена относится к продукту с контролируемым и гарантированным качеством химического реактива; при снижении требований к качеству цена может быть на порядок ниже.

Среди населения бытует миф о том, что при длительном кипячении природной воды концентрация тяжёлой воды в ней повышается, что якобы может вредно сказаться на здоровье[источник не указан 1265 дней]. В действительности же реальное повышение концентрации тяжёлой воды при кипячении ничтожно. Академик Игорь Васильевич Петрянов-Соколов как-то подсчитал, сколько воды должно испариться из чайника, чтобы в остатке заметно повысилось содержание дейтерия. Оказалось, что для получения 1 литра воды, в которой концентрация дейтерия равна 0,15 %, то есть всего в 10 раз превышает природную, в чайник надо долить в общей сложности 2,1·1030 тонн воды, что в 300 млн раз превышает массу Земли![17]. Гораздо сильнее сказывается на вкусе и свойствах воды при кипячении повышение концентрации растворённых солей, переход в раствор веществ из стенок посуды и термическое разложение органических примесей.

Получение[править | править вики-текст]

Стоимость производства тяжёлой воды определяется затратами энергии. Поэтому при обогащении тяжёлой воды применяют последовательно разные технологии — вначале пользуются технологиями с бо́льшими потерями тяжёлой воды, но более дешёвыми, а в конце — более энергозатратными, но с меньшими потерями тяжёлой воды.

С 1933 по 1946 годы единственным применявшимся методом обогащения был электролиз. В последующем появились технологии ректификации жидкого водорода и изотопного обмена в системах водород — жидкий аммиак, водород — вода и сероводород — вода. Современное массовое производство во входном потоке использует воду, дистиллированную из электролита цехов получения электролитического водорода, с содержанием 0,1—0,2 % тяжёлой воды.

На первой стадии концентрирования применяется двухтемпературная противоточная сероводородная технология изотопного обмена, выходная концентрация тяжёлой воды 5—10 %. На второй — каскадный электролиз раствора щёлочи при температуре около 0 °C, выходная концентрация тяжёлой воды 99,75—99,995 %.

Крупнейшим в мире производителем тяжёлой воды является Канада, что связано с применением в её энергетике тяжеловодных ядерных реакторов CANDU.

Применение[править | править вики-текст]

Важнейшим свойством тяжёловодородной воды является то, что она практически не поглощает нейтроны, поэтому используется в ядерных реакторах для замедления нейтронов и в качестве теплоносителя. Она используется также в качестве изотопного индикатора в химии, биологии и гидрологиифизиологии, агрохимии и др. (в том числе в опытах с живыми организмами и при диагностических исследованиях человека). В физике элементарных частиц тяжёлая вода используется для детектирования нейтрино; так, крупнейший детектор солнечных нейтрино SNO (Канада) содержит 1000 тонн тяжёлой воды.

Дейтерий — ядерное топливо для энергетики будущего, основанной на управляемом термоядерном синтезе. В первых энергетических реакторах такого типа предполагается осуществить реакцию D + T → 4He + n + 17,6 МэВ[18].

В некоторых странах (например, в Австралии) коммерческий оборот тяжёлой воды поставлен под государственные ограничения, что связано с теоретической возможностью её использования для создания «несанкционированных» реакторов на природном уране, пригодных для наработки оружейного плутония.

Другие виды тяжёлых вод[править | править вики-текст]

Полутяжёлая вода[править | править вики-текст]

Выделяют также полутяжёлую воду (известную также под названиями дейтериевая вода, монодейтериевая вода, гидроксид дейтерия), у которой только один атом водорода замещён дейтерием. Формулу такой воды записывают так: DHO или ²HHO. Следует отметить, что вода, имеющая формальный состав DHO, вследствие реакций изотопного обмена реально будет состоять из смеси молекул DHO, D2O и H2O (в пропорции примерно 2:1:1). Это замечание справедливо и для THO и TDO.

Сверхтяжёлая вода[править | править вики-текст]

Сверхтяжёлая вода содержит тритий, период полураспада которого более 12 лет. По своим свойствам сверхтяжёлая вода (T2O) ещё заметнее отличается от обычной: кипит при 104 °C, замерзает при +9 °C и имеет плотность 1,21 г/см³.[19] Известны (то есть получены в виде более или менее чистых макроскопических образцов) все девять вариантов сверхтяжёлой воды: THO, TDO и T2O с каждым из трёх стабильных изотопов кислорода (16O, 17O и 18O). Иногда сверхтяжёлую воду называют просто тяжёлой водой, если это не может вызвать путаницы. Сверхтяжёлая вода имеет высокую радиотоксичность.

Тяжёлокислородные изотопные модификации воды[править | править вики-текст]

Термин тяжёлая вода применяют также по отношению к тяжёлокислородной воде, у которой обычный лёгкий кислород 16O заменён одним из тяжёлых стабильных изотопов 17O или 18O. Тяжёлые изотопы кислорода существуют в природной смеси, поэтому в природной воде всегда есть примесь обеих тяжёлокислородных модификаций. Их физические свойства также несколько отличаются от свойств обычной воды; так, температура замерзания 1H218O составляет +0,28 °C[4].

Тяжёлокислородная вода, в частности, 1H218O, используется в ранней диагностике онкологических заболеваний[источник не указан 1724 дня].

Общее число изотопных модификаций воды[править | править вики-текст]

Если подсчитать все возможные нерадиоактивные соединения с общей формулой Н2О, то общее количество возможных изотопных модификаций воды всего девять (так как существует два стабильных изотопа водорода и три — кислорода):

  • Н216O − лёгкая вода, или просто вода
  • Н217O
  • Н218O − тяжёлокислородная вода
  • HD16O − полутяжёлая вода
  • HD17O
  • HD18O
  • D216O − тяжёлая вода
  • D217O
  • D218O

С учётом трития их число возрастает до 18:

  • T216O — сверхтяжелая вода
  • T217O
  • T218O
  • DT16O
  • DT17O
  • DT18O
  • HT16O
  • HT17O
  • HT18O

Таким образом, кроме обычной, наиболее распространённой в природе «лёгкой» воды 1H216O, в общей сложности существует 8 нерадиоактивных (стабильных) и 9 слаборадиоактивных «тяжёлых вод».

Всего же общее число возможных «вод» с учётом всех известных изотопов водорода (7) и кислорода (17) формально равняется 476. Однако распад почти всех радиоактивных изотопов водорода и кислорода происходит за секунды или доли секунды (важным исключением является тритий, период полураспада которого более 12 лет). Например, все более тяжёлые, чем тритий, изотопы водорода живут порядка 10−20 с; за это время никакие химические связи просто не успевают образоваться, и, следовательно, молекул воды с такими изотопами не бывает. Радиоизотопы кислорода имеют периоды полураспада от нескольких десятков секунд до наносекунд. Поэтому макроскопические образцы воды с такими изотопами получить невозможно, хотя молекулы и микрообразцы могут быть получены. Интересно, что некоторые из этих короткоживущих радиоизотопных модификаций воды легче, чем обычная «лёгкая» вода (например, 1H215O).

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Петрянов И.В. Самое необыкновенное вещество // Химия и жизнь. — 1965. — № 3. — С. 2—14.
  2. http://www-pub.iaea.org/MTCD/publications/PDF/ngwm-cd/PDF-Files/paper%2017%20%28Holt%29.pdf
  3. Логотип Викитеки документа Протокол № 9 заседания Специального комитета при Совнаркоме СССР. Москва, Кремль 30 ноября 1945 года в Викитеке
  4. 1 2 http://www1.lsbu.ac.uk/water/water_properties.html
  5. Дейтерий / В кн.: Химическая энциклопедия / Редкол.: Кнунянц И.Л. и др.. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1. — 623 с.
  6. 1 2 D. J. Kushner, Alison Baker, and T. G. Dunstall (1999). «Pharmacological uses and perspectives of heavy water and deuterated compounds». Can. J. Physiol. Pharmacol. 77 (2): 79–88. DOI:10.1139/cjpp-77-2-79. PMID 10535697. Проверено 2012-10-17. “used in boron neutron capture therapy ... D2O is more toxic to malignant than normal animal cells ... Protozoa are able to withstand up to 70% D2O. Algae and bacteria can adapt to grow in 100% D2O”
  7. Лобышев В.Н, Калиниченко Л. П. Изотопные эффекты D2O в биологических системах. М.: Наука, 1978. 215 с.
  8. Vertes A. Physiological effects of heavy water. Elements and isotopes: formation, transformation, distribution. Dordrecht: Kluwer Acad. Publ., 2004. 112 p.
  9. Trotsenko, Y. A., Khmelenina, V. N., Beschastny, A. P. (1995) The Ribulose Monophosphate (Quayle) Cycle: News and Views. Microbial Growth on C1 Compounds, in: Proceedings of the 8th International Symposium on Microbial Growth on C1 Compounds (Lindstrom M.E., Tabita F.R., eds.). San Diego (USA), Boston: Kluwer Academic Publishers, pp. 23-26
  10. Мосин, О. В., В. И. Швец, Складнев Д. А., И. Игнатов. Микробный синтез дейтерий-меченного L-фенилаланина факультативной метилотрофной бактерией Brevibacterium Methylicum на средах с различными концентрациями тяжелой воде// Биофармацевтический журнал. 2012. Т.4. № 1. С. 11-22.
  11. Мосин, О. В., Игнатов, И. Изотопные эффекты дейтерия в клетках бактерий и микроводорослей при росте на тяжелой воде (D2O) //Вода: химия и экология. 2012 № 3. С. 83-94.
  12. Crespi H.L. Fully deuterated microorganisms: tools in magnetic resonance and neutron scattering. Synthesis and Applications of Isotopically Labeled Compounds / in: Proceedings of an International Symposium. Baillie T, Jones J.R eds. Amsterdam: Elsevier. 1989. pp. 329—332.
  13. Mosin, O. V., I. Ignatov, I. (2013) Microbiological Synthesis of 2H-Labeled Phenylalanine, Alanine, Valine, and Leucine/Isoleucine with Different Degrees of Deuterium Enrichment by the Gram-Positive Facultative Methylotrophic Bacterium Вrevibacterium Methylicum, International Journal of BioMedicine, Vol. 3, N 2, pp. 132—138
  14. Патент США № 5 223 269 от 29 июня 1993. Method and composition for the treatment of hyoertension. Описание патента на сайте Бюро по регистрации патентов и торговых марок США.
  15. Pharmacologist drinks heavy water in experiment (англ.). Science News Staff (February 9, 1935). Проверено 7 сентября 2013.
  16. http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/435767?lang=en
  17. Илья Леенсон. Тяжелая вода. Энциклопедия Кругосвет. Проверено 7 сентября 2013.
  18. Андреев Б. М., Зельвенский Я. Д., Катальников С. Г., Тяжелые изотопы водорода в ядерной технике, М., 1987.
  19. Тритий // Химическая энциклопедия Т.5 — Москва — Научное издательство «Большая Российская энциклопедия» — 1998