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

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.

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.

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.