Почему эта вода тяжелее обычной на 11%: в чём секрет редкого водорода

✦ ИИ  Этот пост, предположительно, был создан при помощи искусственного интеллекта
Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
| Мнение | Наука и космос

Вода кажется нам одним из самых привычных и важных веществ на Земле. Мы пьём её каждый день, видим в реках, морях и дождях. Со школьных времён всем известна простая формула H₂O. Но если мы возьмём два одинаковых стакана с водой и поставим их на весы, один из них вполне может оказаться на 11% тяжелее другого.

Кажется, что такого не может быть, или жидкости в стаканах абсолютно разные. Но это не так: в природе существует не только привычная нам вода, но и её двойник, под названием тяжёлая вода с формулой D₂O. И нет, это не какая-то искусственная вода. Обе эти жидкости имеют полностью естественное происхождение, состоят из водорода и кислорода и встречаются прямо вокруг нас. Но одна из них способна меняться в физических свойствах, влиять на ход ядерных реакций и останавливать биологические процессы в живых организмах.

Автор: ИИ Flow Источник: labs.google

В чём разница между обычной и тяжёлой водой

Понятно, что тяжёлая вода имеет больший вес, чем её обычный аналог. Состоят обе воды из водорода и кислорода, так откуда же берётся лишний вес? Чтобы это понять, нужно заглянуть на атомный уровень. Молекула обычной воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. В 99,98% случаев водород на Земле представлен самым простым его изотопом (разновидностью атома одного и того же элемента) под названием протий.

Но у водорода есть ещё один изотоп (разновидность) под названием дейтерий. Из-за содержания дополнительного нейтрона в атоме дейтерия, ядро дейтерия тяжелее ядра протия в два раза.

Когда два атома дейтерия соединяются с атомом кислорода, получается оксид дейтерия с формулой D₂O, или тяжёлая вода. А когда два атома протия соединяются с одним атомом кислорода, получается оксид протия, или привычная нам вода H₂O.

Тяжёлая вода имеет не только больший вес, но и другие физические свойства: к примеру, она замерзает при температуре +3,82 °C. При этом её лёд сразу утонет в обычной воде. А вот внешне D₂O неотличима от H₂O: она прозрачная, не имеет цвета и запаха.

Где на Земле встречается тяжёлая вода

Тяжёлая вода всегда присутствовала в гидросфере Земли с момента её формирования. Она буквально встречается в разных количествах во всех водоёмах и даже во льдах. Однако её количество крайне мало. Если отойти от вычислений и других аспектов, можно условно сказать, что на Земле одна молекула тяжёлой воды попадается на миллионы молекул обычной воды. К слову, гораздо чаще можно встретить в природе полутяжёлую воду, но это уже тема другой публикации.

В целом в масштабах всей Земли содержатся миллионы тонн дейтерия, но образование D₂O является крайне редким.

Кто и когда открыл тяжёлую воду

Существование дейтерия теоретически предсказывали ещё в 1920-х годах, но выделить его экспериментально удалось только в 1931-1932 годах. Это сделал учёный из США Гарольд Юри вместе со своими коллегами. За открытие дейтерия через два года Гарольд получил Нобелевскую премию в области химии.

Спустя всего два года путям определенных химических проццессов другой ученый из америки смог получить уже чистый образец тяжёлой воды.

Где используется тяжёлая вода

Главная ценность D₂O заключается в её уникальных ядерно-физических свойствах. Она применяется в качестве замедлителя нейтронов и теплоносителя в атомных реакторах (например, типа CANDU). Это позволяет использовать в качестве топлива природный необогащённый уран.

В ядерно-магнитном резонансе D₂O используют как растворитель, не дающий помех при анализе органических соединений. Также тяжёлая вода важна для физики элементарных частиц. Здесь её используют в огромных резервуарах, применяя для детектирования солнечных нейтрино. Ещё D₂O используют в фармацевтике, так как некоторые лекарства с дейтерием разрушаются в организме медленнее, что позволяет уменьшить дозировку и токсичность препаратов.

Пример использования тяжёлой воды в ядерных реакторах, Китай
Пример использования тяжёлой воды в ядерных реакторах, Китай
Автор: Atomic Energy of Canada Limited Источник: ru.wikipedia.org

Можно ли пить тяжёлую воду

Наверное, у вас мог возникнуть вопрос: а можно ли пить тяжёлую воду? Короткий ответ: от нескольких глотков ничего не произойдёт, но пить её вместо обычной воды смертельно опасно. Как отмечают некоторые исследователи, тяжёлая вода имеет слегка сладковатый привкус, связанный с воздействием дейтерия на вкусовые рецепторы. В малых дозах она абсолютно безвредна, к примеру, в организме каждого человека естественным образом содержится несколько граммов дейтерия.

Однако химические связи с участием дейтерия прочнее, чем с участием протия. Это меняет скорость протекания биохимических процессов. Этот эффект, как говорилось выше, может применяться в фармацевтике, но при длительном воздействии на организм человека и при больших количествах тяжёлая вода не подходит для употребления ни человеку, ни какому-либо другому животному. В то же время некоторые растения и бактерии переносят высокую концентрацию D₂O лучше, хотя их рост при этом значительно замедляется.

На этом у меня всё, надеюсь вам было интересно. Спасибо всем за внимание.

Изображение в превью:
Автор: ИИ Flow
Источник: labs.google

1 комментарий

matrixart
А еще немецкая ядерная программа пошла по пути реакторов на тяжелой воде. Хорошо, что они выбрали не правильный путь, иначе бы сейчас все было немножко по другому.

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Звук дискретен: физики впервые зафиксировали квантовый скачок в реальном времени

В классической механике движение считается непрерывным. Если привести твердое тело в состояние вибрации, амплитуда его колебаний будет уменьшаться постепенно. Энергия механического движения...

Чем отличаются дешевые механические клавиатуры от дорогих: за что действительно приходится платить

Разница между бюджетной механической клавиатурой за $20-30 и флагманской моделью за $150-300 давно вышла за рамки обычной надежности. Внешне они могут выполнять одну и ту же функцию, но с...

Из-за ошибки в калибровке «Джеймс Уэбб» случайно открыл быстрый способ искать экзопланеты

В наблюдательной астрономии точность фундаментальных измерений зависит от стабильности опорных источников. Чтобы переводить электрические сигналы детекторов в физические величины —...

Почему магнитные свитчи лучше механических и какие преимущества они дают

Магнитные свитчи (переключатели на эффекте Холла) совершили революцию в мире периферии для киберспорта и работы. В отличие от традиционной механики, где регистрация происходит за счет физического...

Как Торричелли измерил давление воздуха с помощью ртутной трубки

Воздух кажется почти идеальным кандидатом на роль «ничего». Его не видно, он проходит между пальцами, а человек обычно замечает его только тогда, когда воздух превращается в ветер. Поэтому мысль о...

Солнце поглотило собственную суперземлю: как гибель планеты в пять раз массивнее Земли решила 30-летнюю проблему физики звезд

Солнце — наиболее изученная звезда во Вселенной. Астрофизики с высокой точностью знают его массу, радиус, светимость и возраст, который составляет 4,57 миллиарда лет. На основе этих...