важка вода

  1. Виробництво важкої води в СРСР [ правити | правити код ]
  2. Біологічна роль і фізіологічна дія [ правити | правити код ]
  3. Напівважкій вода [ правити | правити код ]
  4. Надважких вода [ правити | правити код ]
  5. Тяжёлокіслородние ізотопні модифікації води [ правити | правити код ]
  6. Загальна кількість ізотопних модифікацій води [ правити | правити код ]

важка вода важка вода систематичне найменування оксид дейтерію Традиційні назви важка вода Хім систематичне
найменування оксид дейтерію Традиційні назви важка вода Хім. формула D2O стан рідина молярна маса 20,04 г / моль щільність 1,1042 г / см³ динамічна в'язкість 0,00125 Па · с Т. плав. 3,81 ° C Т. кип. 101,43 ° C Кр. тиску. 21,86 МПа Мовляв. теплоємність. 84,3 Дж / (моль · К) Уд. теплоємність. 4,105 Дж / (кг · К) ентальпія освіти -294,6 кДж / моль ентальпія плавлення 5,301 кДж / моль ентальпія кипіння 45,4 кДж / моль Тиск пара 10 мм рт. ст. при 13,1 ° C
100 мм рт. ст. при 54 ° C розчинність в воді необмежена розчинність в ефірі малорастворима розчинність в етанолі необмежена Показник заломлення 1,32844 (при 20 ° C) Реєстр. номер CAS 7789-20-0 PubChem 24602 Реєстр. номер EINECS 232-148-9 SMILES InChI RTECS ZC0230000 ChEBI 41981 ChemSpider 23004 NFPA 704 Наводяться дані для стандартних умов (25 ° C, 100 кПа) , Якщо не вказано іншого.

Важка вода - зазвичай цей термін застосовується для позначення тяжёловодородной води , Відомої також як оксид дейтерію . Тяжёловодородная вода має ту ж хімічну формулу , Що і звичайна вода , Але замість двох атомів звичайного легкого ізотопу водню ( протію ) Містить два атоми важкого ізотопу водню - дейтерію , А її кисень за ізотопним складом відповідає кисню повітря [1] . Формула тяжёловодородной води зазвичай записується як D2O або 2H2O. Зовні важка вода виглядає як звичайна - безбарвна рідина без смаку і запаху. Чи не радіоактивна .

Молекули тяжёловодородной води були вперше виявлені в природній воді Гарольдом Юрі в 1932 році , За що вчений був удостоєний Нобелівської премії з хімії в 1934 році. А вже в 1933 році Гілберт Льюїс виділив чисту тяжёловодородную воду. При електролізі звичайної води, що містить поряд зі звичайними молекулами води незначна кількість молекул важкої (D2O) і напівважкої (НDО) води, утворених важким ізотопом водню, залишок поступово збагачується молекулами цих сполук. З такого залишку після багаторазового повторення електролізу Льюїсу в 1933 р вперше вдалося виділити невелику кількість води, що складається майже на 100% з молекул сполуки кисню з дейтерієм і отримала назву важкої. Цей спосіб виробництва важкої води залишається основним і зараз, хоча використовується в основному на завершальній стадії збагачення від 5-10% до> 99% (див. Нижче).

Після відкриття наприкінці 1938 року ділення ядер і усвідомлення можливості використання ланцюгових ядерних реакцій поділу, індукованих нейтронами, виникла необхідність в сповільнювачі нейтронів - речовині, що дозволяє ефективно сповільнювати нейтрони, не втрачаючи їх в реакціях захоплення. Найбільш ефективно нейтрони сповільнюються легкими ядрами, і найефективнішим сповільнювачем повинні були б бути ядра звичайного водню (протію), проте вони володіють високим перетином захоплення нейтронів . Навпаки, важкий водень захоплює дуже мало нейтронів (перетин захоплення теплових нейтронів у протію в більш ніж 100 тисяч разів вище, ніж у дейтерію). Технічно найбільш зручним з'єднанням дейтерію є важка вода, причому вона здатна також служити теплоносієм, відводячи тепло, що виділяється від області, де відбувається ланцюгова реакція поділу. Із самого раннього часів ядерної енергетики важка вода стала важливим компонентом в деяких реакторах, як енергетичних, так і призначених для напрацювання ізотопів плутонію для ядерної зброї. Ці так звані важководні реактори мають ту перевагу, що можуть працювати на природному (незбагаченого) урані без використання графітових сповільнювачів, які на етапі виведення з експлуатації можуть становити небезпеку вибуху пилу і містять наведену радіоактивність ( вуглець-14 і ряд інших радіонуклідів) [2] . Однак в більшості сучасних реакторів використовується збагачений уран з нормальною «легкої водою» як сповільнювач, незважаючи на часткову втрату уповільнених нейтронів.

Виробництво важкої води в СРСР [ правити | правити код ]

Промислове виробництво і застосування важкої води почалося з розвитком атомної енергетики. В СРСР при організації Лабораторії № 3 АН СРСР ( сучасний ІТЕФ ) Перед керівником проекту А. І. Аліхановим була поставлена ​​задача створення реактора на важкій воді . Це зумовило потребу в важкій воді, і технічною радою Спеціального комітету при РНК СРСР був розроблений проект Постанови РНК СРСР «Про будівництво напівпромислових установок з виробництва продукту 180», роботи зі створення продуктивних установок важкої води в найкоротші терміни були доручені керівнику атомного проекту Б. Л. Ванникова , народному комісару хімічної промисловості М. Г. Первухін , представнику Держплану Н. А. Борисову , народному комісару у справах будівництва СРСР С. З. Гинзбургу , народному комісару машинобудування і приладобудування СРСР П. І. Паршин і народному комісару нафтової промисловості СРСР Н. К. Байбакова [3] . Головним консультантом в питаннях важкої води став Начальник сектора Лабораторії № 2 АН СРСР М. І. Корнфельд .

Порівняння характеристик важкої і звичайної води [4] Параметр D2O HDO H2O Температура плавлення, ° C 3,82 2,04 0,00 Температура кипіння, ° C 101,4 100,7 100,0 Щільність при 20 ° C, г / см³ 1,1056 1,054 0,9982 Температура максимальної щільності, ° C 11,6 4,0 в'язкість при 20 ° C, санти пуаз 1,2467 1,1248 1,0016 Поверхневий натяг при 25 ° C, дин · См 71,87 71,93 71,98 Молярне зменшення обсягу при плавленні, см³ / моль 1,567 1,634 Молярна теплота плавлення , ккал / Моль 1,515 1,436 Молярна теплота пароутворення , Ккал / моль 10,864 10,757 10,515 pH при 25 ° C 7,41 7,266 7,00

У природних водах один атом дейтерію припадає на 6400-7600 [5] атомів протію . Майже весь він знаходиться в складі молекул напівважкої води DHO, одна така молекула доводиться на 3200-3800 молекул легкої води. Лише дуже незначна частина атомів дейтерію формує молекули важкої води D2O, оскільки ймовірність двох атомів дейтерію зустрітися у складі однієї молекули в природі мала (приблизно 0,5⋅10-7). При штучному підвищенні концентрації дейтерію у воді ця ймовірність зростає.

Біологічна роль і фізіологічна дія [ правити | правити код ]

Важка вода токсична лише в слабкому ступені, хімічні реакції в її середовищі проходять дещо повільніше в порівнянні зі звичайною водою, водневі зв'язки з участю дейтерію кілька сильніше звичайних. Експерименти над ссавцями (миші, щури, собаки) [6] показали, що заміщення 25% водню в тканинах дейтерієм призводить до стерильності, іноді незворотною [7] [8] . Більш високі концентрації призводять до швидкої загибелі тварини; так, ссавці , Які пили важку воду протягом тижня, загинули, коли половина води в їх тілі була дейтерированного; риби і безхребетні гинуть лише при 90% дейтерірованності води в тілі [9] . найпростіші здатні адаптуватися до 70% розчину важкої води, а водорості і бактерії здатні жити навіть у чистій важкій воді [6] [10] [11] [12] [13] . Людина може без видимої шкоди для здоров'я випити кілька склянок важкої води, весь дейтерій буде виведений з організму через кілька днів. Так, в одному з експериментів з вивчення зв'язку вестибулярного апарату і мимовільних рухів очей ( нистагма ) Добровольцям пропонувалося випити від 100 до 200 грамів важкої води; в результаті поглинання більш щільною важкої води купуле (желатінообразний структурою в півколових каналах ) Її нейтральна плавучість в ендолімфі каналів порушується, і виникають легкі порушення просторової орієнтації, зокрема ністагм. Цей ефект аналогічний виникає при прийомі алкоголю (проте в останньому випадку щільність купули зменшується, оскільки щільність етилового спирту менше щільності води) [14] .

Таким чином, важка вода набагато менш токсична, ніж, наприклад, кухонна сіль . Важка вода використовувалася для лікування артеріальної гіпертензії у людей в добових дозах від 10 до 675 г D2O в день [15] .

У людському організмі міститься в якості природної домішки стільки ж дейтерію, скільки в 5 грамах важкої води; цей дейтерій в основному входить в молекули напівважкої води HDO, а також в усі інші біологічні сполуки, в яких є водень. [ Джерело не вказано 388 днів ]

Важка вода накопичується в залишку електроліту при багаторазовому електролізі води. На відкритому повітрі важка вода швидко поглинає пари звичайної води, тому можна сказати, що вона гігроскопічна . Виробництво важкої води дуже енергоємні, тому її вартість досить висока. У 1935 році, відразу після відкриття важкої води, її ціна становила орієнтовно 19 доларів за грам [16] . В даний час важка вода з вмістом дейтерію 99% ат. , Що продається постачальниками хімічних реактивів, при купівлі 1 кг коштує близько 1 євро за грам [17] , Однак ця ціна відноситься до продукту з контрольованим і гарантованою якістю хімічного реактиву; при зниженні вимог до якості ціна може бути на порядок нижче.

Серед населення побутує міф про те, що при тривалому кип'ятінні природної води концентрація важкої води в ній підвищується, що нібито може шкідливо позначитися на здоров'ї [ Джерело не вказано 2932 дня ]. Насправді підвищення концентрації важкої води при кип'ятінні мізерно. Академік Ігор Васильович Петрянов-Соколов якось підрахував, скільки води повинно випаруватися з чайника, щоб в залишку помітно підвищився вміст дейтерію. Виявилося, що для отримання 1 літра води, в якій концентрація дейтерію дорівнює 0,15%, тобто всього в 10 разів перевищує природну, в чайник треба долити в цілому 2,1⋅1030 тонн води, що в 300 млн разів перевищує масу землі [18] . Набагато сильніше позначається на смаку і властивості води при кип'ятінні підвищення концентрації розчинених солей, перехід в розчин речовин зі стінок посуду і термічне розкладання органічних домішок.

Вартість виробництва важкої води визначається витратами енергії. Тому при збагаченні важкої води застосовують послідовно різні технології - спочатку користуються більш дешевими технологіями, з великими втратами важкої води, а в кінці - більш енерговитратними, але з меншими втратами важкої води.

З 1933 по 1946 роки єдиним застосовувався методом збагачення був електроліз . У подальшому з'явилися технології ректифікації рідкого водню і ізотопного обміну в системах: водень - рідкий аміак , Водень - вода, сірководень - вода. Сучасне масове виробництво у вхідному потоці використовує воду, дистильовану з електроліту цехів отримання електролітичного водню, з вмістом 0,1-0,2% важкої води.

На першій стадії концентрування застосовується двухтемпературной протівоточная сірководнева технологія ізотопного обміну, вихідна концентрація важкої води 5-10%. На другий - каскадний електроліз розчину лугу при температурі близько 0 ° C, вихідна концентрація важкої води 99,75-99,995%.

Найбільшим у світі виробником важкої води є Канада, що пов'язано із застосуванням в її енергетиці важководяних ядерних реакторів CANDU .

Найважливішим властивістю тяжёловодородной води є те, що вона практично не поглинає нейтрони , Тому використовується в ядерних реакторах для уповільнення нейтронів і в якості теплоносія. Вона використовується також в якості ізотопного індикатора в хімії , біології і гідрології , Агрохімії і ін. (В тому числі в дослідах з живими організмами і при діагностичних дослідженнях людини). В фізиці елементарних частинок важка вода використовується для детектування нейтрино ; так, найбільший детектор сонячних нейтрино SNO (Канада) міститься 1000 тонн важкої води.

Дейтерій - ядерне паливо для енергетики майбутнього, заснованої на керованому термоядерному синтезі. У перших енергетичних реакторах такого типу передбачається здійснити реакцію D + T → 4He + n + 17,6 МеВ [19] .

У деяких країнах (наприклад, в Австралії) комерційний оборот важкої води поставлений під державні обмеження, що пов'язано з теоретичною можливістю її використання для створення «несанкціонованих» реакторів на природному урані, придатних для напрацювання збройового плутонію .

Напівважкій вода [ правити | правити код ]

Виділяють також напівважкій воду (відому також під назвами дейтерієва вода, монодейтеріевая вода, гідроксид дейтерію), у якій тільки один атом водню заміщений дейтерієм. Формулу такої води записують так: DHO або ²HHO. Слід зазначити, що вода, що має формальний склад DHO, внаслідок реакцій ізотопного обміну реально буде складатися з суміші молекул DHO, D2O і H2O (в пропорції приблизно 2: 1: 1). Це зауваження справедливо і для THO і TDO.

Надважких вода [ правити | правити код ]

Надважких вода містить тритій , період напіврозпаду якого більше 12 років. За своїми властивостями надважких вода (T2O) ще помітніше відрізняється від звичайної: кипить при 104 ° C, замерзає при +9 ° C і має щільність 1,21 г / см ³. [20] Відомі (тобто отримані у вигляді більш-менш чистих макроскопічних зразків) всі дев'ять варіантів надважкої води: THO, TDO і T2O з кожним з трьох стабільних ізотопів кисню (16O, 17O і 18O). Іноді надважких воду називають просто важкою водою, якщо це не може викликати плутанину. Надважких вода має високу радиотоксичность .

Тяжёлокіслородние ізотопні модифікації води [ правити | правити код ]

Термін важка вода застосовують також по відношенню до тяжёлокіслородной воді, у якій звичайний легкий кисень 16O замінений одним з важких стабільних ізотопів 17O або 18O. важкі ізотопи кисню існують в природному суміші, тому в природній воді завжди є домішка обох тяжёлокіслородних модифікацій. Їх фізичні властивості також дещо відрізняються від властивостей звичайної води; так, температура замерзання 1H218O становить +0,28 ° C [4] .

Тяжёлокіслородная вода, зокрема, 1H218O, використовується в діагностиці онкологічних захворювань (з неї на циклотроні отримують ізотоп фтор-18, який використовують для синтезу препаратів для діагностики онкозахворювань, зокрема 18-ФДГ ).

Загальна кількість ізотопних модифікацій води [ правити | правити код ]

Якщо підрахувати всі можливі нерадіоактивні з'єднання із загальною формулою Н2О, то загальна кількість можливих ізотопних модифікацій води всього дев'ять (так як існує два стабільних ізотопи водню і три - кисню):

  • Н216O - легка вода , Або просто вода
  • Н217O
  • Н218O - тяжёлокіслородная вода
  • HD16O - напівважкій вода
  • HD17O
  • HD18O
  • D216O - важка вода
  • D217O
  • D218O

З урахуванням тритію їх число зростає до 18:

  • T216O - надважку воду
  • T217O
  • T218O
  • DT16O
  • DT17O
  • DT18O
  • HT16O
  • HT17O
  • HT18O

Таким чином, крім звичайної, найбільш поширеною в природі «легкої» води 1H216O, в цілому існує 8 нерадіоактивних (стабільних) і 9 радіоактивних «важких вод».

Всього ж загальне число можливих «вод» з урахуванням усіх відомих ізотопів водню (7) і кисню (17) формально дорівнює 476. Проте розпад багатьох радіоактивних ізотопів водню і кисню відбувається за секунди або частки секунди (важливим винятком є тритій, період напіврозпаду якого більше 12 років). Наприклад, все більш важкі, ніж тритій, ізотопи водню живуть близько 10-20 с; за цей час ніякі хімічні зв'язки просто не встигають утворитися, і, отже, молекул води з такими ізотопами не буває. Радіоізотопи кисню мають періоди напіврозпаду від декількох десятків секунд до наносекунд. Тому макроскопічні зразки води з такими ізотопами отримати неможливо, хоча молекули і мікрообразци можуть бути отримані. Цікаво, що деякі з цих короткоживучих радіоізотопних модифікацій води легше, ніж звичайна «легка» вода (наприклад, 1H215O).

  1. ↑ Петрянов І. В. Незвичайна речовина // Хімія і життя . - 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. ↑ документа Протокол № 9 засідання Спеціального комітету при Раднаркомі СРСР. Москва, Кремль 30 листопада 1945 року в Вікіджерела
  4. ↑ 1 2 Water properties
  5. ↑ дейтерій / В кн .: Хімічна енциклопедія / Редкол .: Кнунянц І. Л. та ін .. - М.: Радянська енциклопедія, 1988. - Т. 1. - 623 с.
  6. ↑ 1 2 DJ Kushner, Alison Baker, and TG Dunstall. Pharmacological uses and perspectives of heavy water and deuterated compounds (Англ.) // Can. J. Physiol. Pharmacol. (Англ.): Journal. - 1999. - Vol. 77, no. 2. - P. 79-88. - DOI : 10.1139 / cjpp-77-2-79 . - PMID 10535697 .
  7. ↑ Лобишев В. Н., Калиниченко Л. П. Ізотопні ефекти D2O в біологічних 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, YA, Khmelenina, VN, Beschastny, AP (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 ME, Tabita FR, eds.). San Diego (USA), Boston: Kluwer Academic Publishers, pp. 23-26
  10. ↑ Мосін О. В., Швець В. І., складаний Д. А., Ігнатов І. Мікробний синтез дейтерій-міченого L-фенілаланіну факультативної метилотрофних бактерій Brevibacterium Methylicum на середовищах з різними концентраціями важкої води // Біофармацевтичний журнал. - 2012. - Т. 4, вип. 1. - С. 11-22.
  11. ↑ Мосін О. В., Ігнатов І. Ізотопні ефекти дейтерію в клітинах бактерій і мікроводоростей при зростанні на важкій воді (D2O) // Вода: хімія і екологія. - 2012. - Вип. 3. - С. 83-94.
  12. ↑ Crespi HL 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 JR eds. Amsterdam: Elsevier. 1989. pp. 329-332.
  13. ↑ Mosin OV, Ignatov I. 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 (англ.) // International Journal of BioMedicine. - 2013. - Vol. 3, iss. 2. - P. 132-138.
  14. ↑ Money KE, Myles WS Heavy water nystagmus and effects of alcohol (англ.) // Nature. - 1974. - Vol. 247, no. 5440. - P. 404-405. - DOI : 10.1038 / 247404a0 . - Bibcode : 1974Natur.247..404M . - PMID 4544739 .
  15. ↑ Патент США № 5 223 269 від 29 червня 1993. Method and composition for the treatment of hypertension . опис патенту на сайті Відомства з патентів і товарних знаків США .
  16. ↑ Pharmacologist drinks heavy water in experiment (Англ.). Science News Staff (9 February 1935). Дата обігу 7 вересня 2013.
  17. ↑ Deuterium oxide, 99 atom% D | D2O | Sigma-Aldrich
  18. ↑ Ілля Леенсон. важка вода (неопр.). Енциклопедія Кругосвет. Дата обігу 7 вересня 2013.
  19. ↑ Андрєєв Б. М., Зельвенська Я. Д., Катальников С. Г., Важкі ізотопи водню в ядерній техніці, М., 1987.
  20. ↑ Тритій // Хімічна енциклопедія Т.5 - Москва - Наукове видавництво «Велика Російська енциклопедія» - +1998