Тяжёлая вода

Материал из Викицитатника
(перенаправлено с «Тяжелая вода»)
Перейти к навигации Перейти к поиску
Ампула с оксидом дейтерия

Тяжёлая вода́ — обычно этот термин применяется для обозначения тяжёловодородной воды, известной также как оксид дейтерия. Тяжеловодородная 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. Формула тяжеловодородной воды обычно записывается как D2O или 2H2O. Внешне тяжёлая вода выглядит как обычная — бесцветная жидкость без вкуса и запаха. Не радиоактивна.

Молекулы тяжеловодородной воды были впервые обнаружены в природной воде Гарольдом Юри в 1932 году, за что учёный был удостоен Нобелевской премии по химии в 1934 году. При электролизе обычной воды, содержащей наряду с обычными молекулами воды незначительное количество молекул полутяжёлой воды (НDО) и ещё меньшее количество молекул тяжёлой воды (D2O), включающих в себя тяжёлый изотоп водорода, остаток постепенно обогащается молекулами этих соединений. Крупнейшим в мире производителем тяжёлой воды является Канада, что связано с применением в её энергетике тяжеловодных ядерных реакторов.

Термин тяжёлая вода применяют также по отношению к тяжелокислородной воде, у которой обычный лёгкий кислород 16O заменён одним из тяжёлых стабильных изотопов 17O или 18O. Существует также радиоактивная сверхтяжёлая вода, которая содержит тритий.

Тяжёлая вода в научной и научно-популярной прозе[править]

  •  

С открытием тяжелой воды началось изучение ее влияния на живые организмы. Опыты показали, что в чистой тяжелой воде не прорастают семена табака, погибают головастики, золотые рыбки, плоские черви и простейшие организмы. Однако эти же организмы живут в разбавленной тяжелой воде, содержащей 30% тяжелой и 70% легкой воды. Следовательно, тяжелая вода не ядовита, а невозможность жизни в ней объясняется ее физическими свойствами, отличающимися от свойств обыкновенной воды. Животные и растительные организмы содержат воду с несколько повышенным количеством тяжелой и тяжелокислородной разновидностей. Некоторые ученые в связи с этим высказывали предположения, что ряд заболеваний человека и животных, таких, например, как рак, ведет к накоплению тяжелой воды в органах, пораженных болезнью. Однако впоследствии выяснилась неправильность этого предположения.
Вода, получаемая сжиганием нефти, так же как и вода животных и растений, имеет повышенное содержание тяжелой воды. Это является подтверждением гипотезы об органическом происхождении нефти. С помощью тяжелой воды в настоящее время исследуются и разрешаются сложные научные проблемы биологии, физиологии, химии и т. д. Например, для изучения обмена веществ в человеческом организме необходимо было выяснить длительность пребывания в нем выпитой воды. Этот вопрос был решен следующим путем: исследователь выпил около двух литров разбавленной тяжелой воды (содержащей 0,5% тяжелой воды) и через известные промежутки времени определял количество этой воды в выделенной организмом моче. При этом было установлено, что за очень длительное время ― около десяти суток ― из организма выводится лишь половина выпитой воды.[1]

  И. П. Грагеров, «Тяжёлая вода», 1951
  •  

Водород в «обычной» воде почти нацело состоит из протия. Кроме него во всякой воде есть тяжелый водород ― дейтерий Н2, его чаще обозначают символом D. Дейтерия в воде очень мало. На каждые 6700 атомов протия в среднем приходится только один атом дейтерия. Не следует думать, что это так уж мало. В природе часто малые причины вызывают большие последствия. Кроме протия и дейтерия, существует еще сверхтяжелый водород Н3. Его обычно называют тритием и обозначают символом Т. <...>
В науке и ядерной технике принято условно называть «тяжелой водой» тяжеловодородную воду. Она содержит только дейтерий, в ней совсем нет обычного легкого изотопа водорода. Изотопный состав кислорода в этой воде соответствует обычному составу кислорода воздуха. Бывает ли полутяжелая вода? Полутяжелой водой можно назвать воду с молекулами HDO. Она есть во всякой природной воде, но получить ее в чистом виде невозможно, потому что в воде всегда протекают реакции изотопного обмена. Атомы изотопов водорода очень подвижны и непрерывно переходят из одной молекулы в другую. <...> Еще совсем недавно считали, что в тяжелой воде живые существа не могут жить. Ее даже мертвой водой называли. Но оказалось, что если очень медленно, постепенно заменять в воде, где живут некоторые микроорганизмы, протий на дейтерий, то можно их приучить к тяжелой воде, и они будут в ней неплохо жить и развиваться. А обычная вода станет для них вредной. Кому нужна тяжелая вода? Всему человечеству. Мы уже подходим к порогу, за которым появится совершенно реальная угроза: ресурсов химического топлива ― нефти, газа, угля хватит очень не надолго. И все надежды связаны с будущим термоядерной энергетики. Ее топливо ― это тяжелая вода.[2]

  Игорь Петрянов-Соколов, «Самое необыкновенное вещество», 1965
  •  

Обуздать термоядерную энергию, сделать ее управляемой ― значит навсегда решить проблему источников энергии для человечества. Это одновременно означает очищение атмосферы от вредных отходов. «Золой» термоядерного процесса будут безопасные атомы гелия. Горючим для термоядерной реакции служит тяжелый водород (дейтерий). Кладовая дейтерия ― это вода океанов. В ней примерно на пять тысяч молекул обычной воды H2O приходится одна молекула тяжелой воды D2O. Получение дейтерия ― уже отработанный технологический процесс. А запасы его в мировом океане практически навсегда обеспечат человечество энергией при максимальном ее потреблении.[3]

  Матвей Рабинович, «Размышления о проблемах современной управляемого термоядерного синтеза», 1967
  •  

Водород ― непременная составная часть всех органических веществ, в том числе макромолекулярных, имеющих огромное значение для жизнедеятельности. И в составе их молекул всегда есть и протиевые, и дейтериевые участки: например, определенное число гидроксильных групп ОН всегда содержит дейтерий (OD). Через живой организм за время его жизни проходит огромное количество воды, а значит, и водорода. Это, пожалуй, единственный элемент, атомы которого в организме так часто обновляются. И каждый раз при водном обмене происходит и обмен изотопов водорода: например, группы ОН превращаются в OD, a OD ― в ОН, и так много раз, постоянно. Большинство молекул полимеров в организме обладает высокой степенью упорядоченности. <...> А так как физико-химические характеристики протия и дейтерия различны, то при изотопном обмене внутри биомакромолекул то и дело меняются энергии ковалентных и водородных связей. Это «расшатывает» макромолекулы организма, что не может не оказывать влияния на биосинтез белка, на ферментативные и другие жизненно важные процессы. Тут нужно оговориться, что нельзя считать вредным для жизни вообще именно дейтерий. Он вреден только потому, что находится «в меньшинстве». Надо полагать, что для организмов, выращенных на дейтериевых соединениях, таким же «ядом» будут атомы протия: вредным всегда будет изотоп-примесь. Это подтвердили эксперименты, которые были проведены в Америке: оказалось, что низшие организмы, «привыкшие» к тяжелой воде, погибают при переселении в обычную. А что если в организме совсем не будет тяжелых изотопов водорода, а будет только тот, которого в природной воде больше всего, ― протий? В таком организме все химические и прочие связи водорода станут совершенно одинаковыми, и водородный обмен не будет вызывать расшатывания макромолекул. Не будут ли такие условия более благоприятными для роста и развития? <...> Нужно только вводить в организм воду (а желательно, и все продукты питания) без дейтерия или хотя бы с уменьшенным его содержанием. Тогда протий, как более подвижный атом, будет замещать дейтерий, и содержание последнего будет неуклонно сокращаться. Протиевую (легкую) воду можно получить, например, сжигая водород, собранный при электролизе природной воды. Известно, что выделяющийся в первые моменты разложения воды водород обеднен дейтерием, который остается в электролизере. Есть и другие методы. «Облегченную» воду, где содержание дейтерия уменьшено почти наполовину, можно получить из первых фракций (20% от первоначального веса) тающего свежевыпавшего снега. Конечно, полученная таким путем вода не содержит минеральных солей, входящих в состав природной, и их нужно в нее добавлять. [4]

  Николай Тюрин, «Легкая вода» — путь к долголетию? 1969
  •  

После деления урана-235 рождаются быстрые нейтроны с энергиями порядка 10 6 электрон-вольт. Основное число полезных реакций в естественном уране происходит только после того, как в результате многократных соударений нейтроны замедляются до энергии, близкой к энергии теплового равновесия со средой (около 1/40 электрон-вольт). Тяжелая вода как раз и служит оптимальным замедлителем нейтронов. Их потери в процессе замедления в тяжелой воде очень малы. И все-таки критический объем для получения цепной реакции по предварительным оценкам должен был составить от 2 до 3 куб. м. Такого количества тяжелой воды у нас в 1946 году не было, как не было, впрочем, и многого другого. Пока развертывалось производство тяжелой воды, надо было найти методы расчета физических процессов в ядерном реакторе и просчитать десятки вариантов расположения урановых стержней в объеме, заполненном тяжелой водой. <...> Нужно было свести к минимуму и потери тяжелой воды на испарение и утечку. Поэтому ее заливали в герметичный сосуд, испытанный на вакуумную плотность вместе со всеми трубами, по которым в процессе работы реактора могла циркулировать тяжелая вода. Над тяжелой водой находился газ ― гелий, система циркуляции которого была также тщательно герметизирована. Уже в 1946 году было известно, что резина и резиноподобные пластмассы, применяемые для вакуумных уплотнений, разрушаются под действием излучения реактора. Так что резиновые уплотнения пришлось защитить от излучения. Особенно сложным казалось уплотнение вращающегося вала насоса для тяжелой воды, но и эту задачу удалось успешно решить, уменьшив потери до нескольких килограммов в год.[5]

  Василий Владимирский, «Рождение реактора, рождение института», 1975
  •  

Давно уже установлено, что химические элементы имеют своих двойников ― изотопы. Они отличаются от основного элемента лишь тем, что масса их атомов другая. Изотопы могут быть, тяжелее или легче основного элемента. В химически чистой воде есть такая, молекулы которой состоят из изотопов водорода или кислорода. Чаще всего это тяжёлая вода, в ней присутствует не водород, а его тяжелый собрат ― дейтерий. У тяжелой воды, естественно, и плотность, и другие физические характеристики иные. Некоторые ученые считают, что вода, даже химически чистая, представляет собой смесь молекул разного сорта: простых и ассоциированных, объединенных в группы. Простая молекула ― это всем известное Н2О, ассоциированные (Н2О)8, (Н2О) и (Н2О)2. Правда, такое строение воды экспериментально еще не доказано. Похоже, что на изучении воды как химического соединения рано ставить точку.[6]

  Владимир Мезенцев, «Чудеса: Популярная энциклопедия», 1991
  •  

Иное дело изотопная разновидность воды. Установлено, что так называемая тяжелая вода, в которой, как мы уже знаем, «нормальный» водород заменен тяжелым дейтерием, в больших дозах вызывает гибель организмов, в меньших ― действует угнетающе. Тут уж перед нами действительно мертвая вода ― без всяких кавычек. Тяжелая вода обязательный спутник воды обыкновенной, но содержание ее в природных водах определяется таким соотношением: одна часть тяжелой воды на шесть тысяч восемьсот частей нормальной. Это очень и очень немного, так что нам нечего опасаться. Впрочем, некоторые опытные данные, требующие, правда, дальнейшей проверки, говорят, что было бы еще лучше для нас и для всего живого, если бы тяжелой воды в обыкновенной содержалось еще меньше. В течение нескольких лет в Томске ученые исследовали, как влияет на жизнедеятельность животных и растений чистая снеговая вода. Дело в том, что в ней содержится меньше тяжелой воды, чем в обычной, взятой из реки или колодца. И обнаружилось, что снеговая вода ― в полном смысле слова вода «живая».[6]

  Владимир Мезенцев, «Чудеса: Популярная энциклопедия», 1991
  •  

Важным достоинством Курчатова было то, что, являясь главой атомной программы и обладая колоссальнейшей властью, он не стал полным монополистом и не стремился задавить конкурентов, как это сделал бы современный босс от науки. Примером такого поведения может служить программа сооружения ядерных реакторов для производства трития, о которой я говорил выше. Как глава всего атомного проекта, Курчатов мог легко забрать программу себе. Он этого не сделал, но предложил своему институту представить проект графитового реактора, а конкурирующей организации, ТТЛ, — проект тяжеловодного реактора для той же цели.[7]

  Борис Иоффе, «Особо секретное задание» (из истории атомного проекта в СССР), 1999
  •  

В 1932 году американский физик Гарольд Юри, изучая свойства воды, обнаружил ее разновидность с большей плотностью. Вода была названа тяжелой. Возможность ее существования объяснялась тем, что вместо водорода в молекуле воды был дейтерий. Дейтерий отличался от водорода наличием в ядре еще и нейтрона, открытого в этом же году англичанином Джеймсом Чедвиком. А о том, что атомное ядро и должно состоять из протонов и нейтронов, догадался все в том же 1932 году русский физик Дмитрий Иваненко. Вот так международными усилиями и развивалась в те годы ядерная физика. Пока не стало ясно, что это путь к супероружию. Тут все сотрудничество разом и прекратили.[8]

  Владислав Быков, Ольга Деркач, «Книга века», 2000
  •  

С Мировым океаном связаны также проекты сооружения искусственных морских островов. Подобные проекты существуют в Европе ― для Северного моря, в Америке ― для Мексиканского залива, в Японии. В Японии разработаны также многочисленные проекты плавучих искусственных островов, на которых могли бы разместиться заводы, электростанции, установки по опреснению морской воды, получению дейтерия из тяжёлой воды и, как считают, даже целые города с населением в 1-2 млн человек.[9]

  Владимир Максаковский. «Географическая картина мира» (Книга I. Общая характеристика мира), 2003
  •  

Теория о том, что причиной старения организма может быть так называемая тяжёлая вода, содержащая вместо водорода его тяжёлый изотоп дейтерий, была впервые выдвинута в 1934 году. Предполагалось, что тяжёлая вода не может обеспечивать биохимические реакции. Дейтерий ― открытый в 1932 году изотоп водорода с атомным весом 2, имеющий в ядре атома один протон и один нейтрон. Формула тяжёлой воды ― D20 и молекулярный вес 20, а не 18, как у лёгкой воды. Тяжёлая вода содержится в природной воде, но в очень небольших количествах. В натуральных источниках, в реках и морях, одна молекула тяжёлой воды приходится на 6700 молекул H2O. Это составляет 0,015%. В 1938-1939 годах началось промышленное производство тяжёлой воды посредством избирательного расщепления лёгкой воды электролизом. Тяжёлая вода нашла применение в ядерной физике как замедлитель нейтронов. Эксперименты с растениями и животными показали, что тяжёлая вода действительно токсична, но лишь в очень больших концентрациях. Мыши погибали, если доля тяжёлой воды превышала 20%. Простейшие животные, нематоды, не только могли жить в тяжёлой воде, но их жизнь даже удлинялась на несколько дней. Заметить какую-либо токсичность при концентрациях дейтерия в 0,015% не удавалось. Было к тому же обнаружено, что содержание тяжёлой воды в организме с возрастом у млекопитающих не увеличивается, а уменьшается, так как дейтерий хуже включается в биохимические процессы, чем обычный водород. Однако интерес к тяжёлой воде как причине старения возродился после публикации в 1973 году нового варианта теории токсичности тяжёлой воды.[10]

  Жорес Медведев, «Пить или не пить?» 2008
  •  

Это приводит к неприятным последствиям ― в самых интересных областях межзвездной среды привычные и хорошо изученные молекулы, оказывается, переходят в твердое состояние, и астрономам приходится искать новые молекулы, которые можно было бы наблюдать в качестве индикаторов физического состояния будущей звезды. Наиболее многообещающими, с этой точки зрения, в наши дни кажутся молекулы-изотопомеры с участием дейтерия ― тяжелого водорода, ядро которого состоит из протона и нейтрона. Дейтерий ― это не только тяжелая вода Из школьного курса химии мы должны были бы помнить, что одни и те же атомы могут соединяться в молекулу несколькими различными способами.[11]

  Дмитрий Вибе, «К истокам жизни во Вселенной», 2013

Тяжёлая вода в художественной прозе, публицистике и мемуарах[править]

  •  

Кончил часть обработки «Ист<ории> воды» ― для перевода Наташе (Н. Е. Вернадской). Так быстро идут исследования, что приходится все время прибавлять и изм<енять> основные положения ― так, тяжелая вода, два характера жидкостей (обычная и ассоц<иативная>). И еще сегодня надо изменить в связи с отсутствием воды в стратосфере на высоте 23 км. Исправил и сдал часть корректур окончательно для печатания «Истории воды». <...> Напечатана моя статья, в которой я указывал, что в метаморфических породах и минералах можно ожидать повышения (содержания) тяжёлых атомов в воде этих минералов и горных пород. Я думал об увеличении D (дейтерия). В полученных в работе Тейс (и Флоренского) и Виноградова (данных) оказалось, что тяжелая вода зависит от О18. Открылось очень большое новое явление. <...> В «Comptes Rendues» Парижской академии ― моя статья о вероятности «тяжелой воды» в метаморфических породах и минералах. (май 1934)[12]

  Владимир Вернадский, Дневники, 1926-1934
  •  

Жолио-Кюри сделал все для того, чтобы в руки гитлеровцев не попал запас «тяжелой воды», который мог бы значительно ускорить использование атомной энергии в их кровавых целях. Славный учёный превратил свою лабораторию в «Коллеж де Франс» в арсенал боеприпасов для партизан. Дважды гитлеровцы арестовывали отважного патриота, но он вновь продолжал борьбу с врагом.[13]

  Сергей Вавилов, «В защиту выдающегося ученого ― пламенного борца за мир Фредерика Жолио-Кюри», 1950
  •  

— …мы сидим на болоте. Мало того, по данным радиолокации — не очень надежным, правда, — болото окружено горным хребтом, заключено в кольцо скал, и в этом кольце не удалось нащупать никаких признаков просвета.
Вулкан? — спросил Дауге.
— Возможно, мы находимся в кратере исполинского грязевого вулкана. И престранный это вулкан, должно быть, потому что анализ илистой воды показывает… — Ермаков раскрыл блокнот:
— Вот, извольте. Смесь примерно в равной пропорции тяжелой и сверхтяжелой воды.
Юрковский подскочил на месте:
Тритиевая вода?
— T-2-O, — кивнул Ермаков.

  Аркадий и Борис Стругацкие, «Страна багровых туч», 1957
  •  

Тяжело осевший в трясину планетолет был окружен странным и страшным миром этой планеты, лишь по недоразумению носящей имя богини любви и красоты. Атмосфера, состоящая из углекислоты, азота и горячего тумана; ядовитая тяжелая вода, содержащая большой процент дейтериевой и тритиевой воды; влажная жара, доходящая до ста градусов по Цельсию; флора и фауна, один вид которых исключал всякую мысль об употреблении их в пищу
— Хорошо, что Голконда ваша не похожа на эти болота, — говорил Михаил Антонович Ермакову.

  Аркадий и Борис Стругацкие, «Страна багровых туч», 1957
  •  

Огромные гидроэлектростанции, занесенные илом, плотины, разломанные смещениями земной коры. Гниющие заливы и бухты морей, биологический режим которых был нарушен, а воды отравлены накоплением тяжелой воды при убыстренном испарении искусственных мелких бассейнов на перегороженных реках. Гигантские полосы безжизненной пены вдоль опустелых берегов: черные ― от нефтяной грязи, белые ― от миллионов тонн моющих химикатов, спущенных в моря и озера. Затем потянулись скорбной вереницей переполненные больницы, психиатрические клиники и убежища для калек и идиотов.[14]

  Иван Ефремов, «Час Быка», 1969
  •  

У всех на языке были экспериментальные открытия минувших полутора лет. Вслед за первой нейтральной частицей ― нейтроном Чэдвика ― появление первой античастицы ― позитрона Андерсона. Вслед за первыми ядерными реакциями на кавендишевском ускорителе Коккрофта и Уолтона ― первые признаки искусственной радиоактивности в парижских опытах Фредерика и Ирэн Жолио-Кюри. И еще: тяжелый изотоп водорода ― дейтерий ― и первые капли тяжелой воды… Новые триумфы ― новые проблемы ― новые надежды… Если бы эта волна научных успехов сумела смыть хоть одну из печалей трагического времени![15]

  Даниил Данин. «Нильс Бор», 1975
  •  

Я же почему-то чувствую себя замечательно. Мой респиратор хотя и хрипит, но довольно хорошо пропускает очищенный воздух. Но что же делать? Чем разогнать газ, медленно наползающий, мощный, как тяжелая вода, сверху в наше подземелье? Инстинктивно хватаю из ранца пачку писем мне, зажигаю и кидаю на земляной пол. Огонь и дым.[16]

  Валентин Катаев, «Юношеский роман», 1981

Тяжёлая вода в стихах[править]

  •  

Но ― грохотом чревата тишина.
Костыль отброшен, вылечена рана.
Стучит, пищит короткая волна
в магнитной атмосфере океана.
Пищит волна, и вдалеке видна
сиреневая дымка урагана.
Тяжёлая вода освящена
для верной службы атому урана.[17]

  Семён Кирсанов, «Но — грохотом чревата тишина...» (из цикла «Весть о мире») 1945
  •  

То расщепленное ядро
Нам мира вывернет нутро
Гремучую природу.
Отяжелевшая вода,
Мутясь, откроет без труда
Значенье водорода.
Липучей зелени листок,
Прозрачный розы лепесток ―
Они ― как взрыв ― в засаде.
И, приподняв покров земной,
Мир предстаёт передо мной
Артиллерийским складом.[18]

  Варлам Шаламов, «Атомная поэма», до 1956

Источники[править]

  1. И. П. Грагеров. Тяжелая вода. — М.: «Наука и жизнь», № 10, 1951 г.
  2. И. В. Петрянов-Соколов. Самое необыкновенное вещество. — М.: «Химия и жизнь» № 3, 1965 г.
  3. М. С. Рабинович. Размышления о проблемах современной управляемого термоядерного синтеза. — М.: «Химия и жизнь», № 11, 1967 г.
  4. Н. Е. Тюрин. «Лёгкая вода» — путь к долголетию? — М.: «Химия и жизнь», № 3, 1969 г.
  5. Василий Владимирский. Рождение реактора, рождение института. — М.: «Техника — молодежи», № 8, 1975 г.
  6. 6,0 6,1 В.А.Мезенцев «Чудеса: Популярная энциклопедия». Том 1. — Алма-Ата: Главная редакция Казахской советской энциклопедии, 1991 г.
  7. Б.Л.Иоффе, «Особо секретное задание». Из истории атомного проекта в СССР. — М.: «Новый Мир» №5, 1999 г.
  8. Владислав Быков, Ольга Деркач. «Книга века». ― М.: Вагриус, 2001 г.
  9. В. П. Максаковский. Географическая картина мира. — М.: Дрофа, 2008
  10. Жорес Медведев. Пить или не пить? — М.: «Наука и жизнь», № 6, 2008 г.
  11. Дмитрий Вибе. «К истокам жизни во Вселенной». — М.: «Знание-сила», № 9, 2006 г.
  12. Вернадский В.И. Дневники: 1926-1934 гг. ― М.: Наука, 2001 г.
  13. С. И. Вавилов. В защиту выдающегося ученого ― пламенного борца за мир Фредерика Жолио-Кюри. — М.: «Наука и жизнь», № 6, 1950 г.
  14. Иван Ефремов, «Час быка». — М.: Детгиз, 1969 г.
  15. Даниил Данин. «Нильс Бор». — М.: «Молодая гвардия», 1978 г.
  16. Катаев В.П. Юношеский роман. — Москва, Советский писатель, 1983 г.
  17. С. Кирсанов, Стихотворения и поэмы. Новая библиотека поэта. Большая серия. — СПб.: Академический проект, 2006 г.
  18. Шаламов В. Т. Собрание сочинений. — Москва, Художественная литература Вагриус, 1998 г.

См. также[править]