Pomerne nedávno objavený vedcami pevne vstúpil do sveta vedy. Ťažká voda, uznávaná biológmi a chemikmi, fyzikmi a jadrovými vedcami, sa stala verným spoločníkom mnohých štúdií.

Fyzika je vo všeobecnosti celkom zaujímavá veda. Ak pre vás riešenie fyzikálnych problémov nie sú len slová, vždy na to nájdete podobnú stránku alebo fórum a komunikácia s ľuďmi s podobnými záujmami na blogovom fóre je vždy zaujímavá.

Molekuly ťažkej vody, ktoré prvýkrát objavil v roku 1932 Harold Urey, okamžite zaujali vedecký svet. A už v roku 1933 Gilbert Lewis získal ťažkú ​​vodu pomocou elektrolýzy obyčajnej vody.

Chemický vzorec ťažkej vody je rovnaký ako zvyčajne, ale obsahuje aj ťažké izotopy vodíka. Vzorec pre ťažkú ​​vodu je D2O alebo 2H2O.

Ťažká voda sa veľmi nelíši od bežnej vody, ale to je len na prvý pohľad. S ťažkou vodou prebiehajú reakcie pomalšie, menej ako pri bežnej vode a disociačných konštantách molekúl ťažkej vody.

Okrem ťažkej vody D2O je tam aj poloťažká voda (HDO) a čiastočne deutérium ťažkej vody je v ľahko ťažkej vode. V prírodných podmienkach je pomer medzi ťažkou vodou a obyčajnou vodou 1: 5500.

Ťažká voda má nízku toxicitu, pomalšiu chemickú reakciu zahŕňajúcu ťažkú ​​vodu, ale silnejšie vodíkové väzby za účasti deutéria.

Niektoré jednoduché mikroorganizmy dokážu žiť v 70% ťažkej vode a baktérie prežívajú aj v čistej 100% ťažkej vode. Ale experimenty ukázali, že viac ako 28 % náhrady vodíka v tkanivách zvierat vedie k neplodnosti a 30 % k smrti pokusných zvierat. Pre človeka je ťažká voda v malých množstvách neškodná a telo sa od ťažkej vody očistí v priebehu niekoľkých dní.

Pri častej elektrolýze obyčajnej vody sa ťažká voda hromadí vo zvyšku elektrolytu. je hygroskopický, pretože keď je vzduch otvorený, ťažká voda absorbuje výpary obyčajnej vody.

Nákup ťažkej vody nie je lacný (asi 300 dolárov za kg), pretože výroba ťažkej vody spotrebuje veľa energetických zdrojov.

Ťažká voda sa používa v jadrových reaktoroch na zoslabenie neutrónov. Ťažká voda sa používa aj ako nosič tepla. V chémii sa ťažká voda používa ako izotopový indikátor, ťažká voda našla rovnaké uplatnenie v biológii a vo fyzike na detekciu neutrín. Ťažká voda neabsorbuje neutróny a preto sa používa v jadrových reaktoroch.

Všetci sme stvorení z vody: ľudia a zvieratá, stromy a byliny. Vo vode sa človek rodí a rastie, bez vody zrno nevyklíči, stromy nerozkvitnú. Voda je kolískou prírody a je dôležité používať obyčajnú aj ťažkú ​​vodu výlučne na dobro, nie na škodu.

V tomto článku budeme stručne hovoriť o "ťažkej vode", alebo ako sa tiež nazýva - oxid deutérium. Tento typ vody objavil v roku 1932 známy vedec Harold Urey.

Mnohí z nás už počuli o existencii „ťažkej vody“, no málokto vie, prečo sa jej hovorí ťažká a o tom, že „ťažká voda“ sa v malom množstve vyskytuje takmer vo všetkých bežných vodách.

„Ťažká voda“ je v porovnaní s obyčajnou vodou skutočne „ťažká“, pretože namiesto „ľahkého vodíka“ 1H obsahuje ťažký izotop 2H alebo deutérium (D), v dôsledku čoho je jej špecifická hmotnosť o 10 % vyššia. obyčajnej vody. Chemický vzorec ťažkej vody je D 2 O alebo 2 H 2 O (2H2O).

Navrhujem odvolať sa na primárne zdroje a oboznámiť sa s presným znením výrazu „ťažká voda“ uvedeným v slovníkoch a referenčných knihách.

Ťažká voda

Ťažká voda je oxid deutéria, D 2 O - v porovnaní s obyčajnou vodou má oveľa lepšie jadrovo-fyzikálne vlastnosti. Takmer neabsorbuje tepelné neutróny, preto je najlepším moderátorom. Použitie ťažkej vody ako moderátora umožňuje použiť prírodný urán ako palivo; zníži sa počiatočné zaťaženie paliva a jeho ročná spotreba. Náklady na ťažkú ​​vodu sú však veľmi vysoké.

Pojmy jadrová energia. - Koncern Rosenergoatom, 2010

ŤAŽKÁ voda - D 2 O, izotopický typ vody, v molekulách ktorej sú atómy vodíka nahradené atómami deutéria. Hustota 1,104 g / cm³ (3,98, C), bod topenia 3,813, C, bod varu 101,43, C. Pomer v prírodných vodách H:D je v priemere 6900:1. Na organizmy pôsobí tlmivo, vo veľkých dávkach spôsobuje ich smrť. Moderátor neutrónov a chladivo v jadrových reaktoroch, izotopový indikátor, rozpúšťadlo; používa sa na získanie deutéria. Existuje aj superťažká voda T 2 O (T je trícium) a ťažká kyslíková voda, ktorej molekuly namiesto 16O atómov obsahujú 17O a 18O atómov.

Veľký encyklopedický slovník. 2000

ŤAŽKÁ VODA (oxid deutéria, D 2 O), voda, v ktorej sú atómy vodíka nahradené DEUTÉRIOM (izotop VODÍKA s RELATÍVNOU ATÓMOVOU HMOTNOSŤOU približne 2, kým obyčajný vodík má relatívnu atómovú hmotnosť približne 1. Vyskytuje sa v nízkych koncentráciách vo vode, z ktorej sa získava ELEKTROlýzou Ťažká voda sa používa ako MODERÁTOR v niektorých JADROVÝCH REAKTOROCH.

Vedecko-technický encyklopedický slovník

Vlastnosti ťažkej vody

Niektorí vedci sa domnievajú, že nadmerné pitie „ťažkej vody“ prispieva k starnutiu a pravidelné prekročenie normy vedie k vážnym ochoreniam. Preto je dôležité kontrolovať hladinu „ťažkej vody“. Je potrebné vedieť, že mechanické filtre neodstraňujú z vody „ťažkú ​​vodu“.

Toto je obzvlášť dôležité zvážiť pri použití filtrov s reverznou osmózou a predovšetkým pri odsoľovaní morskej vody, pretože hladina „ťažkej vody“ v morskej vode spravidla prekračuje normu. Sú prípady, keď sa obeťou „nevedomosti“ tejto skutočnosti stali celé regióny. Ľudia žijúci v týchto regiónoch pravidelne využívali morskú vodu odsolenú metódou reverznej osmózy, v dôsledku čoho mnohí obyvatelia ochoreli na vážne choroby.

Jednou z metód na zníženie koncentrácie ťažkej vody v pitnej vode sme sa zaoberali v článku.

Uvedomujúc si, že v prírode nie je nič zbytočné, môžeme tvrdiť, že ťažká voda si od nás vyžaduje osobitný primeraný prístup, pozornosť a ďalšie štúdium. Jeho potenciál, ako sa hovorí, je „očividný“ a zrejme sa v budúcnosti a možno aj v blízkej budúcnosti zrealizuje.

Na základe materiálov - OV Mosin "Všetko o deutériu a ťažkej vode".

Obsah článku

DEUTER A ŤAŽKÁ VODA. Deutérium (ťažký vodík) je jeden z dvoch stabilných izotopov vodíka, ktorého jadro pozostáva z jedného protónu a jedného neutrónu. Molekula D2 je dvojatómová. Obsah prírodného vodíka je 0,012–0,016 %. Teplota topenia - 254,5 ° С, teplota varu - 249,5 ° С Ťažká voda D 2 O (oxid deutéria) - izotopový typ vody; hustota 1,1, bod topenia - 3,8 ° С, bod varu - 101,4 ° С.

V roku 1932 nasledovali jeden po druhom vynikajúce objavy v oblasti fyziky: bol objavený neutrón a pozitrón, bola vyvinutá protónovo-neutrónová teória štruktúry jadier a relativistická kvantová mechanika, bol zostrojený prvý cyklotrón a elektrónový mikroskop. vynájdená, uskutočnila sa prvá reakcia jadrovej fúzie, experimentálne sa merala rýchlosť pohybu molekúl. Niet divu, že fyzici tento rok nazvali anno mirabilis – rok zázrakov. V tom istom roku bol objavený druhý izotop vodíka, nazývaný deutérium (z gréckeho deuteros - druhý, symbol D).

Objav deutéria môže poslúžiť ako výborná ilustrácia zdanlivo paradoxného výroku francúzskeho fyzikochema Henriho Le Chateliera na adresu jeho študentov: zložité problémy, na ktoré pôda ešte nie je dostatočne pripravená. Ak chcete urobiť niečo naozaj veľké vo vede, ak chcete vytvoriť niečo zásadné, urobte si podrobný prieskum toho, čo by sa zdalo, až na koniec skúmaných otázok. Tieto, na prvý pohľad jednoduché a v sebe neukrývajúce nič nové, sú zdrojom, z ktorého môžete so zručnosťou čerpať tie najcennejšie a niekedy neočakávané údaje.

Čo sa totiž dalo očakávať od štúdia fyzikálnych vlastností obyčajnej čistej vody – skúmali sa, ako sa hovorí, široko-ďaleko ešte v 19. storočí. Pripomeňme si však, že rutinné stanovenia hustoty plynného dusíka, uskutočnené v roku 1893, získaného rôznymi metódami (liter dusíka zo vzduchu vážil 1,257 g a ten získaný chemicky - 1,251 g), viedli k výnimočný objav - najskôr argónu a potom ďalších vzácnych plynov.

Dá sa dúfať, že v obyčajnej vode nájde niečo nové? Začiatkom 19. stor. Londýnsky lekár a chemik William Prout zverejnil hypotézu, že z najľahšieho prvku, vodíka, mohli všetky ostatné prvky vzniknúť kondenzáciou. V tomto prípade musia byť atómové hmotnosti všetkých prvkov násobkami hmotnosti atómu vodíka. Stanovenia atómových hmotností, ktoré sa ukázali ako zlomkové, túto hypotézu nepotvrdili a chemici 19. storočia. často sa jej vysmievali, že nemá vedecký obsah ( cm... RELATÍVNA ATÓMOVÁ HMOTA).

V roku 1917 nemecký vedec K. Scheringer navrhol, že atómy rôznych prvkov sú postavené nielen z protium (z gréckeho protos - prvý), t.j. "Ľahký" vodík s atómovou hmotnosťou 1, ale z rôznych izotopov vodíka. V tom čase už bolo známe, že ten istý prvok môže mať izotopy s rôznymi hmotnosťami. Anglický fyzik Francis William Aston dosiahol pôsobivý úspech pri objavení veľkého množstva izotopov nerádioaktívnych prvkov pomocou ním navrhnutého hmotnostného spektrografu. V tomto zariadení sú študované atómy alebo molekuly bombardované lúčom elektrónov a premieňané na kladne nabité ióny. Lúč týchto iónov je potom vystavený pôsobeniu elektrického a magnetického poľa a ich trajektórie sa odchyľujú od priamky. Táto odchýlka je tým silnejšia, čím väčší je náboj iónu a tým menšia je jeho hmotnosť. Relatívne hmotnosti iónov sa získavajú priamo z hodnôt vychyľovacích napätí. A z intenzity iónového lúča s danou hmotnosťou možno posúdiť relatívny obsah týchto iónov vo vzorke.

Scheringerova hypotéza naznačila, že najľahší prvok, vodík, môže mať aj izotopy. Pokusy odhaliť „druhý“, ťažký vodík, ktoré v roku 1919 podnikli Otto Stern a Max Vollmer, však boli neúspešné. Nemohla som ho nájsť a Astona. To znamenalo jednu z dvoch vecí: buď vodík nemá vôbec žiadny ťažký izotop, alebo je jeho obsah v prírodnom vodíku príliš nízky a citlivosť Astonovho prístroja je nedostatočná na jeho detekciu. Druhý predpoklad sa ukázal ako správny, no ťažký vodík bol pred výskumníkmi ešte mnoho rokov skrytý, maskovaný ako experimentálne chyby.

V roku 1927 Aston na tú dobu veľmi presne zmeral pomer hmotností vodíka a kyslíka - 16 atómov; dostal 1,00778:16,0000, čo sa zdalo byť vo výbornej zhode s výsledkami najpresnejších meraní atómovej hmotnosti vodíka chemickými prostriedkami: pre chemikov sa tento pomer rovnal 1,00777:16,0000. Táto jednomyseľnosť fyzikov a chemikov však mala krátke trvanie: ukázalo sa, že prírodný kyslík, s ktorým chemici pracovali, je slabým štandardom na meranie atómových hmotností, pretože kyslík je zmesou izotopov a ich relatívny obsah v rôznych zdrojoch je nie úplne konštantná. Presné merania na začiatku 30. rokov pomeru 18 O : 16 O = 1 : 630 výrazne zmenili všetky doterajšie výpočty a údaje o atómových hmotnostiach. Musel som naliehavo opustiť „chemickú“ škálu atómových hmotností a prejsť na „fyzikálnu“ škálu založenú na kyslíku-16. Takýto prepočet údajov chemických analýz poskytol hmotnostný pomer H: 16 O = 1,00799: 16,0000, ktorý sa už výrazne líšil od meraní Astonu. Kto sa mýlil - fyzici alebo chemici, ktorí určovali atómové hmotnosti? Títo aj iní ručili za presnosť svojich definícií, rozpor vo výsledkoch ďaleko presahoval experimentálne chyby.

V roku 1931 bolo navrhnuté, že dôvodom mierneho rozporu bola prítomnosť ťažšieho izotopu v obyčajnom vodíku. Výpočty ukázali, že nezrovnalosť je eliminovaná, ak na každých 5000 atómov obyčajného vodíka 1H pripadá iba jeden atóm jeho dvakrát ťažšej odrody 2H. Zostávalo už len experimentálne detekovať tento izotop. Ako to však urobiť, ak je toho naozaj tak málo? Ak vezmeme do úvahy citlivosť vtedajšieho vybavenia, existovalo len jediné východisko: koncentrovať ťažký vodík, a tým zvýšiť jeho obsah v bežnom vodíku, približne rovnakým spôsobom, ako sa koncentruje alkohol destiláciou jeho zmesi s vodou. Ak sa destiluje zmes obyčajného a ťažkého vodíka, zvyšok by sa mal obohatiť o ťažší izotop. Potom bolo možné opäť skúsiť analyticky detegovať ťažký izotop vodíka.

Koncom roku 1931 skupina amerických fyzikov – Harold Urey so svojimi študentmi, Ferdinandom Brikvedde a Georgeom Murphym, odobrala 4 litre tekutého vodíka a podrobila ho frakčnej destilácii, pričom zo zvyšku dostala len 1 ml, t.j. zníženie objemu o 4 tisíc krát. Práve tento posledný mililiter kvapaliny po odparení bol skúmaný spektroskopicky. Talentovaný spektroskopista Harold Clayton Urey si na spektrograme obohateného vodíka všimol nové veľmi slabé čiary, ktoré v obyčajnom vodíku chýbajú. V tomto prípade poloha čiar v spektre presne zodpovedala jeho kvantovo-mechanickému výpočtu predpokladaného atómu 2 H. Pomer intenzít čiar nového izotopu (Yuri ho nazval deutérium) a obyčajného vodíka ukázal, že v študovanej obohatenej vzorke nového izotopu 800-krát menej ako obyčajný vodík ... To znamená, že v počiatočnom vodíku je ešte menej ťažkého izotopu. Ale koľko?

Pri pokuse odhadnúť takzvaný faktor obohatenia pre odparovanie kvapalného vodíka si vedci uvedomili, že pri svojich experimentoch použili ten najnevhodnejší zdroj vodíka. Faktom je, že sa získaval, ako inak, elektrolýzou vody. Ale počas elektrolýzy by sa mal ľahký vodík uvoľňovať rýchlejšie ako ťažký. Ukazuje sa, že vzorka bola najskôr ochudobnená o ťažký vodík a potom v ňom opäť obohatená!

Potom, čo bolo deutérium detegované spektroskopicky, Edward Washburn navrhol separáciu izotopov vodíka elektrolýzou. Experimenty ukázali, že pri elektrolýze vody sa ľahký vodík v skutočnosti uvoľňuje rýchlejšie ako ťažký. Práve tento objav sa stal kľúčom k výrobe ťažkého vodíka. Článok, ktorý informoval o objave deutéria, vyšiel na jar 1932 a už v júli boli publikované výsledky o elektrolytickej separácii izotopov. V roku 1934 dostal Jurij Nobelovu cenu za chémiu za objav ťažkého vodíka. (Na cenu bol nominovaný aj Washburn, zomrel však v tom istom roku a podľa nariadenia o Nobelových cenách sa udeľujú iba počas jeho života.)

Keď bol neutrón objavený, vyšlo najavo, že v jadre deutéria sa na rozdiel od protia nachádza okrem protónu aj neutrón. Preto je jadro deutéria deuterón dvakrát tak ťažký ako protón; jeho hmotnosť v uhlíkových jednotkách je 2,0141018. V priemere prírodný vodík obsahuje 0,0156 % deutéria. V pobrežnej morskej vode je to o niečo viac, v povrchových vodách pevniny - menej, v zemnom plyne - ešte menej (0,011–0,013 %). Pokiaľ ide o chemické vlastnosti, deutérium je podobné protiu, ale obrovský rozdiel v ich hmotnosti vedie k výraznému spomaleniu reakcií s atómami deutéria. Reakcia deuterovaného uhľovodíka R – D s chlórom alebo kyslíkom sa teda v závislosti od teploty spomalí 5 až 10-krát v porovnaní s reakciou R – H. Pomocou deutéria možno „označiť“ molekuly obsahujúce vodík a študovať mechanizmy ich reakcií. Študovali sa najmä reakcie syntézy amoniaku, oxidácie uhľovodíkov a množstvo ďalších dôležitých procesov.

Ťažká voda.

Po základnej práci Washburna a Ureyho sa výskum nového izotopu začal rýchlo rozvíjať. Krátko po objavení deutéria bolo v prírodnej vode objavené veľké množstvo deutéria. Bežná voda pozostáva hlavne z molekúl 1 H 2 O. Ale ak je v prírodnom vodíku nečistota deutérium, tak v bežnej vode by mali byť nečistoty НDO a D 2 O. A ak sa pri elektrolýze vody uvoľňuje Н 2 vyššou rýchlosťou ako НD a D 2, potom by sa časom mala v elektrolyzéri nahromadiť ťažká voda. V roku 1933 Gilbert Lewis a americký fyzikochemik Ronald McDonald oznámili, že v dôsledku dlhotrvajúcej elektrolýzy obyčajnej vody sa im podarilo získať nový typ vody, ktorý nikto nikdy nevidel – ťažkú ​​vodu.

Objav a rozdelenie hmotnostných množstiev novej odrody vody - D 2 O urobilo na súčasníkov veľký dojem. Len dva roky po jej objavení bolo publikovaných viac ako sto prác venovaných výlučne ťažkej vode. Čítali sa o nej populárne prednášky, články boli publikované v masových publikáciách. Takmer okamžite po objave sa ťažká voda začala využívať v chemickom a biologickom výskume. Zistilo sa teda, že ryby, mikróby a červy v ňom nemôžu existovať a zvieratá umierajú od smädu, ak dostanú na pitie ťažkú ​​vodu. Semená rastlín tiež neklíčia v ťažkej vode.

Výroba značného množstva D20 však bola technicky náročná. Na obohatenie vody o deutérium o 99% je potrebné znížiť objem vody pri elektrolýze o faktor 100 tis. Lewis a MacDonald odobrali na svoje experimenty 10 litrov vody z veľkého elektrolytického kúpeľa, ktorý fungoval niekoľko rokov a v ktorom bol zvýšený obsah deutéria. Prechodom vysokého prúdu cez túto vodu - 250 ampérov (na zvýšenie elektrickej vodivosti obsahovala voda alkálie) zmenšili jej objem 10-krát za týždeň. Aby kvapalina nevarila pri elektrolýze takým obrovským prúdom, musela sa priebežne chladiť studenou vodou, ktorá prechádzala cez kovové rúrky vo vnútri elektrolyzéra. Zvyšok s objemom 1 liter sa preniesol do menšieho elektrolyzéra a opäť elektrolýzou sa objem 10-násobne zmenšil. Potom sa v tretej bunke objem znížil na 10 ml a nakoniec vo štvrtej sa objem upravil na 0,5 ml. Po oddestilovaní tohto zvyšku vo vákuu do malej banky získali vodu s obsahom 31,5 % D 2 O. Jej hustota (1,035) sa už výrazne líšila od hustoty obyčajnej vody.

V ďalšej sérii pokusov z 20 litrov vody, tiež v niekoľkých stupňoch, sa získalo 0,5 ml vody s hustotou 1,075, ktorá už obsahovala 65,7 % D 2 O. Pokračovaním v takýchto pokusoch sa nakoniec podarilo získať 0,3 ml vody, ktorej hustota (1,1059 pri 25 °C) sa už nezvyšovala s poklesom objemu počas elektrolýzy na 0,12 ml. Týchto pár kvapiek boli prvé kvapky takmer čistej ťažkej vody v celej histórii Zeme. Zodpovedajúce výpočty ukázali, že predchádzajúce odhady pomeru obyčajného a ťažkého vodíka v prírode boli príliš optimistické: ukázalo sa, že obyčajná voda obsahuje iba 0,017 % (hmotn.) deutéria, čo dáva pomer D:H = 1:6800 .

Na získanie citeľného množstva ťažkej vody, ktorú vedci potrebovali na výskum, bolo potrebné elektrolyzovať už vtedy obrovské objemy obyčajnej vody. Takže v roku 1933 skupina amerických výskumníkov na získanie iba 83 ml D2O s 99% čistotou musela prijať už 2,3 tony vody, ktorá sa rozložila v 7 etapách. Bolo jasné, že takýmito metódami vedci nedokážu zabezpečiť každému ťažkú ​​vodu. A potom sa ukázalo, že ťažká voda je výborný moderátor neutrónov a preto sa dá využiť v jadrovom výskume, vrátane stavby jadrových reaktorov. Dopyt po ťažkej vode vzrástol natoľko, že je zrejmá potreba zaviesť jej priemyselnú výrobu. Náročnosť spočívala v tom, že na získanie 1 tony D 2 O je potrebné spracovať asi 40 000 ton vody a minúť 60 miliónov kWh elektriny - toľko sa minie na tavenie 3 000 ton hliníka!

Prvé polopriemyselné závody boli nízkoenergetické. V roku 1935 zariadenie v Berkeley vyrábalo 4 g takmer čistého D2O týždenne, ktorého cena bola 80 dolárov za gram – to je veľmi drahé, ak vezmeme do úvahy, že za posledné roky dolár „zlacnel“ o desiatky krát. Závod v chemickom laboratóriu Princetonskej univerzity bol efektívnejší – denne dával 3 g D 2 O za cenu 5 dolárov za gram (po 40 rokoch cena ťažkej vody klesla na 14 centov za gram). Ako najpracnejšia sa ukázala prvá etapa elektrolýzy, v ktorej sa koncentrácia ťažkej vody zvýšila na 5–10 %, keďže práve v tejto fáze bolo potrebné spracovať obrovské objemy obyčajnej vody. Ďalšie zahusťovanie bolo možné uskutočniť v laboratórnych podmienkach bez zvláštnych problémov. Preto výhody získali tie priemyselné závody, ktoré mohli podrobiť veľké objemy vody elektrolýze.

Teoreticky je možné namiesto elektrolýzy použiť jednoduchú destiláciu, keďže obyčajná voda sa odparuje ľahšie ako ťažká voda (jej bod varu je 101,4 °C). Tento spôsob je však ešte pracnejší. Ak pri elektrolýze môže separačný faktor izotopov vodíka (tj stupeň obohatenia v jednom stupni) teoreticky dosiahnuť 10, potom pri destilácii je to len 1,03–1,05. To znamená, že separácia destiláciou je mimoriadne neúčinná. Akademik Igor Vasiljevič Petrjanov-Sokolov raz vypočítal, koľko vody sa musí vypariť z čajníka, aby obsah deutéria vo zvyšku citeľne stúpol. Ukázalo sa, že na získanie 1 litra vody, v ktorej je koncentrácia D 2 O len 10-krát vyššia ako prírodná, treba do kanvice pridať celkovo 2,1O 30 ton vody, čo je 300 miliónkrát väčšia ako hmotnosť Zeme!

Hmotnosť molekuly D 2 O je o 11 % vyššia ako hmotnosť H 2 O. Tento rozdiel vedie k výrazným rozdielom vo fyzikálnych, chemických a hlavne biologických vlastnostiach ťažkej vody. Ťažká voda vrie pri 101,44 ° C, zamrzne pri 3,82 ° C, má hustotu pri 20 ° C 1,10539 g / cm3 a maximálna hustota neklesne pri 4 ° C, ako v bežnej vode, ale pri 11, 2 ° C (1,10602 g/cm3). Kryštály D2O majú rovnakú štruktúru ako obyčajný ľad, ale sú ťažšie (0,982 g/cm3 pri 0 °C v porovnaní s 0,917 g/cm3 pre obyčajný ľad). V zmesiach s obyčajnou vodou dochádza k izotopovej výmene vysokou rýchlosťou: Н 2 О + D 2 O 2HDO. Preto sú v zriedených roztokoch atómy deutéria prítomné hlavne vo forme HDO. V prostredí ťažkej vody sú biochemické reakcie výrazne spomalené a táto voda nepodporuje život živočíchov a rastlín.

V súčasnosti je vyvinutých množstvo účinných metód na výrobu ťažkej vody: elektrolýza, výmena izotopov, spaľovanie vodíka obohateného deutériom. V súčasnosti sa ťažká voda prijíma ročne v tisíckach ton. Používa sa ako moderátor neutrónov a chladivo v jadrových reaktoroch (na naplnenie jedného moderného veľkého jadrového reaktora je potrebných 100 – 200 ton ťažkej vody s čistotou minimálne 99,8 %); získať D + deuteróny v urýchľovačoch častíc; ako rozpúšťadlo v protónovej magnetickej rezonančnej spektroskopii (obyčajná voda rozmazáva obraz svojimi protónmi). Je možné, že úloha ťažkej vody sa výrazne zvýši, ak sa uskutoční priemyselná termonukleárna fúzia.

"Bitka o vodu".

Dostupnosť lacnej elektriny je veľmi dôležitá pre priemyselnú výrobu ťažkej vody. Už v predvojnových rokoch sa ukázalo, že ideálne podmienky na to existujú v Nórsku, kde už dlho fungovali výkonné elektrolýzne zariadenia na výrobu vodíka. Ťažkovodná elektráreň bola uvedená do prevádzky v roku 1934; do roku 1938 vyrábala 40 kg D 2 O ročne av roku 1939 - druhý viac. V tom čase sa už prejavil obrovský strategický význam ťažkej vody pre vývoj jadrových zbraní. Preto nie je prekvapujúce, že Nemci, ktorí obsadili Nórsko v máji 1940, podnikli najráznejšie opatrenia, aby udržali ťažkú ​​​​vodu v tajnosti a bezpečnosti. Do konca roku 1941 Nemecko vyviezlo z Nórska 361 kg čistého D 2 O ao rok neskôr už 800 kg.

Spojenci si boli vedomí smrteľného nebezpečenstva nórskej výroby a preto sa rozhodli závod za každú cenu zničiť. Hlavný inžinier závodu Yomar Brun s ohrozením života získal mimoriadne cenné informácie – nákresy a fotografie závodu. Všetky materiály boli znovu zachytené na mikrofilme a odoslané v tube na zubnú pastu cez Švédsko do Anglicka. Nemci očakávali letecký útok na závod a intenzívne opevňovali najmä dôležité dielne. Preto bolo rozhodnuté vyslať do Nórska špeciálne vyškolený demolačný tím. Záškodníckej skupine sa podarilo vyhodiť do vzduchu nádrže na elektrolýzu v dielni na koncentrovanie ťažkej vody. Obnova vybavenia trvala šesť mesiacov - obrovské obdobie vo vojnových podmienkach. Nemci sa rozhodli hrať na istotu a v máji 1943 ich delegácia zložená z vedcov a priemyselníkov odišla do Talianska, aby tam založila výrobu ťažkej vody v elektrolýze v obci Marengo na severe krajiny. Ale už bolo neskoro: 3. septembra podpísal kráľ Viktor Emanuel III. na Sicílii akt kapitulácie Talianska a 9. septembra pri Neapole vstúpili do Talianska anglo-americké jednotky. Takže nórsky závod zostal pre Nemcov jediným zdrojom ťažkej vody. Bol však už odsúdený na zánik: 16. novembra bol na závod vykonaný mohutný nálet. Za 33 minút zhodilo 140 ťažkých bombardérov „Lietajúca pevnosť“ 800 bômb na elektráreň! V dôsledku toho bola vodná elektráreň vyradená z prevádzky, ale ťažkovodné elektrárne chránené hrubou vrstvou betónu zostali prakticky nedotknuté. Nie bez obetí medzi civilným nórskym obyvateľstvom - zomrelo 22 ľudí.

Nemci pochopili, že ani po bombardovaní nenechajú spojenci závod na pokoji, a preto sa rozhodli vyviezť do Nemecka všetky dostupné zásoby ťažkej vody – a nebolo jej menej ako 15 ton! Spojenecký prieskum fungoval presne a včas: v dôsledku dôkladne premyslenej a bravúrne vykonanej operácie bol 20. februára 1944 vyhodený do vzduchu trajekt, na ktorom boli železničné cisterny s ťažkou vodou. Trajekt, ktorý v tom čase prechádzal cez jazero Tinsieu, šiel ku dnu a bolo takmer nemožné ho zdvihnúť, pretože jazero bolo veľmi hlboké - asi 400 m. A v tejto epizóde bitky o ťažkú ​​vodu došlo k tragédii. : za zničenie takmer celej ťažkej vody zaplatilo životmi 14 Nórov, ktorí boli na trajekte. Ale Nemci boli zbavení akejkoľvek možnosti spustiť jadrový reaktor a získať atómovú bombu.

Iľja Leenson

Vo februári 1944 bola v oblasti nórskeho údolia Ryukan spustená sabotážna operácia spojeneckých síl „Ťažká voda“, ktorej účelom bolo zabrániť vytvoreniu atómového náboja nacistickým Nemeckom. Stanica Vemork, ktorá vyrábala suroviny na vedecký výskum, bola vyhodená do vzduchu. Neskôr sa ukázalo, že aj keby operácia zlyhala, nacisti by nestihli dokončiť prácu na vytvorení bomby. Ale na začiatku roku 1944 o tom nikto nevedel ...

Fyzikálne a chemické vlastnosti ťažkej vody

Receptúru obyčajnej vody dnes pozná každý školák, no ľudstvo ho pozná len o niečo viac ako dve storočia. Objavili ju v roku 1805 Gay-Lussac a Humboldt, ktorí zistili, že každá molekula najbežnejšej kvapaliny na Zemi pozostáva z jedného atómu vodíka a dvoch kyslíka. Rok 1932 doplnil tieto poznatky o nové informácie. V každom dúšku čaju, kávy a akéhokoľvek iného nápoja okrem H2O je však veľmi mierne odlišná zložka, ktorá sa líši tým, že vodík-protium je nahradené deutériom D, ťažkým izotopom tohto chemického prvku v periodickej tabuľke prvkov. Zlúčenina bola pomenovaná „ťažká voda“. To, že ho o rok neskôr Richard Macdonald a Herbert Lewis dostali v čistej forme, otvorilo príležitosť pre vedecký výskum. Porovnanie vlastností ľahkej a ťažkej vody ukázalo, že hustota a viskozita D2O je vyššia ako u H2O. To bolo úplne v súlade s teoretickými výpočtami. Rozdiel 10 % zodpovedá pomeru molekulových hmotností protia (ľahkého vodíka) a deutéria 18 a 20. Teploty varu a mrazu sa líšia, v ťažkej vode sú vyššie (101,42 a +3,8 stupňa Celzia).

Vplyv ťažkej vody na živé organizmy

Napriek tomu, že D2O je vo vode prítomný vo veľmi malých množstvách (milióntiny percenta), jeho obsah ovplyvňuje životnú činnosť organizmov. Častejšia je ťažká voda, v ktorej izotop nahradil nie dva, ale jeden atóm vodíka, jej vzorec je HDO. Vplyv oboch odrôd na metabolizmus je definovaný ako depresívny, pokusné zvieratá hynú na zlyhanie obličiek pri použití zmesi H2O a HDO v pomere 3 ku 1. Polievanie rastlín touto zlúčeninou zastavuje ich rast. A naopak, čím menší je podiel ťažkej vody, tým sú životné procesy aktívnejšie. Zaujímavý fakt – čím bližšie k pólom, tým „ľahšia“ voda.

Aplikácia ťažkej vody

Ťažká voda slúži ako moderátor rýchlych neutrónov pri termonukleárnych reakciách. Z jednotkovej hmotnosti deutéria možno získať desaťmiliónkrát viac energie ako spaľovaním rovnakého množstva uhlia. Ďalšie štúdie charakteru izotopov odhalili prítomnosť v atmosfére a možnosť laboratórnej výroby superťažkej vody T20, v ktorej miesto vodíka zaberá rádioaktívne trícium s atómovou hmotnosťou 3. Umelo získané izotopy vodíka 4H a 5H môže tiež tvoriť superťažkú ​​vodu spolu s kyslíkom, používajú sa ako "označené atómy" vo vedeckých experimentoch.

Vide

ľad vyhliadka transparentná kvapalina bez farby,
chuť a vôňu CAS číslo Vlastnosti Hustota
a fázový stav 1104,2 kg / m³, kvapalina
1017,7 kg / m³, pevné (v štandarde) Rozpustnosť Mierne rozpustný v dietyléteri;
Miešateľný s etanolom;
Mieša sa s obyčajnou vodou
v akomkoľvek pomere. špecifické teplo 4,105 kJ / K kg Bod topenia 3,81 °C (276,97 K) Bod varu 101,43 °C (374,55 K) Disociačná konštanta
kyselina (str K a) Viskozita 0,00125 Pa s (0,0125 ps) pri 20 °C

Ťažká voda(tiež oxid deutéria) - zvyčajne sa tento výraz používa na označenie ťažkej vody. Voda s ťažkým vodíkom má rovnaký chemický vzorec ako obyčajná voda, ale namiesto atómov obvyklého ľahkého izotopu vodíka (protium) obsahuje dva atómy ťažkého izotopu vodíka – deutéria. Vzorec ťažkej vody sa zvyčajne píše ako D 2 O alebo 2 H 2 O. Navonok ťažká voda vyzerá ako obyčajná voda - bezfarebná kvapalina bez chuti a zápachu.

História objavov

Molekuly vody s ťažkým vodíkom boli prvýkrát objavené v prírodnej vode Haroldom Ureym v roku 1932, za čo bol vedec v roku 1934 ocenený Nobelovou cenou za chémiu. A už v roku 1933 Gilbert Lewis izoloval čistú vodu s ťažkým vodíkom.

Vlastnosti

Vlastnosti ťažkej vody

Molekulová hmotnosť	20.03 hod
Tlak vodnej pary	10 mm. rt. čl. (pri 13,1 °C), 100 mm. rt. čl. (pri 54 °C)
Index lomu	1,32844 (pri 20 °C)
Entalpia tvorby Δ H	-294,6 kJ / mol (l) (pri 298 K)
Gibbsova energia vzdelávania G	-243,48 kJ / mol (l) (pri 298 K)
Entropia vzdelania S	75,9 J / mol K (l) (pri 298 K)
Molárna tepelná kapacita C str	84,3 J / mol K (lg) (pri 298 K)
Entalpia topenia Δ H pl	5,301 kJ / mol
Entalpia varu Δ H balík	45,4 kJ / mol
Kritický tlak	21,86 MPa
Kritická hustota	0,363 g / cm³

Byť v prírode

V prírodných vodách pripadá jeden atóm deutéria na každých 6400 atómov protia. Takmer celý je obsiahnutý v molekulách DHO, jedna takáto molekula na 3200 molekúl ľahkej vody. Len veľmi malá časť atómov deutéria tvorí molekuly ťažkej vody D 2 O, keďže pravdepodobnosť, že sa dva atómy deutéria stretnú v zložení jednej molekuly v prírode, je malá (asi 0,5 · 10 −7). Pri umelom zvýšení koncentrácie deutéria vo vode sa táto pravdepodobnosť zvyšuje.

Biologická úloha a fyziologický vplyv

Ťažká voda je len mierne toxická, chemické reakcie v jej prostredí prebiehajú o niečo pomalšie ako v bežnej vode, vodíkové väzby za účasti deutéria sú o niečo silnejšie ako obyčajné. Pokusy na cicavcoch (myši, potkany, psy) ukázali, že nahradenie 25 % vodíka v tkanivách deutériom vedie k sterilite, niekedy nezvratnej. Vyššie koncentrácie vedú k rýchlej smrti zvieraťa; teda cicavce, ktoré týždeň pili ťažkú ​​vodu, zomreli, keď bola polovica vody v ich tele deuterovaná; ryby a bezstavovce umierajú len pri 90% deuterácii vody v tele. Prvoky sú schopné prispôsobiť sa 70% roztoku ťažkej vody a riasy a baktérie sú schopné žiť aj v čistej ťažkej vode. Človek môže vypiť niekoľko pohárov ťažkej vody bez viditeľného poškodenia zdravia, všetko deutérium sa z tela odstráni za pár dní.
Ťažká voda je teda oveľa menej toxická ako napríklad kuchynská soľ. Ťažká voda sa používala na liečbu hypertenzie u ľudí v denných dávkach až 1,7 g deutéria na kg hmotnosti pacienta.

Nejaké informácie

Pri opakovanej elektrolýze vody sa vo zvyšku elektrolytu hromadí ťažká voda. Vo voľnej prírode ťažká voda rýchlo absorbuje obyčajnú vodnú paru, takže môžeme povedať, že je hygroskopická. Výroba ťažkej vody je veľmi energeticky náročná, takže jej cena je pomerne vysoká (približne 19 USD za gram v roku 2012).

Celkový počet izotopových modifikácií vody

Ak spočítame všetky možné nerádioaktívne zlúčeniny so všeobecným vzorcom H2O, potom je celkový počet možných izotopových modifikácií vody iba deväť (keďže existujú dva stabilné izotopy vodíka a tri kyslíka):

• H 2 16 O - ľahká voda, alebo len voda
• H2170
• H 2 18 O - ťažká kyslíková voda
• HD 16 O - ľahká voda
• HD 17 O
• HD 18 O
• D 2 16 O - ťažká voda
• D 2 17 O
• D 2 18 O

Ak vezmeme do úvahy trícium, ich počet sa zvýši na 18:

• T 2 16 O - extra ťažká voda
• T 2 17 O
• T 2 18 O
• DT 16 O
• DT 17 O
• DT 18 O
• HT 16 O
• HT 17 O
• HT 18 O

Touto cestou, Okrem toho bežné, najčastejšie v prírode "Ľahká" voda 1 H 2 16 O, celkovo je to 8 nerádioaktívnych (stabilných) a 9 slabo rádioaktívnych „ťažkých vôd“.

Celkovo je celkový počet možných „vod“ s prihliadnutím na všetky známe izotopy vodíka (7) a kyslíka (17) formálne rovný 476. Rozpad takmer všetkých rádioaktívne izotopy vodíka a kyslíka sa vyskytujú v sekundách alebo zlomkoch sekundy (dôležitou výnimkou je trícium, ktoré má polčas rozpadu viac ako 12 rokov). Napríklad všetky ťažšie ako izotopy vodíka trícia žijú asi 10 -20 s; počas tejto doby sa jednoducho nestihnú vytvoriť žiadne chemické väzby, a preto molekuly vody s takýmito izotopmi neexistujú. Kyslíkové rádioizotopy majú polčas rozpadu od niekoľkých desiatok sekúnd do nanosekúnd. Preto nie je možné získať makroskopické vzorky vody s takýmito izotopmi, hoci je možné získať molekuly a mikrovzorky. Je zaujímavé, že niektoré z týchto krátkodobých rádioizotopových modifikácií vody sú ľahšie ako bežná „ľahká“ voda (napr. 1 H 2 15 O).