Сравнительно недавно обнаруженная учеными прочно вошла в мир науки. Признаная биологами и химиками, физиками и ядерщиками, тяжелая вода стала верным помощником во многих исследованиях.

Физика вообще достаточно интересная наука. Если решение задач по физике для Вас не просто слова, то всегда можно найти подобный сайт или форум для этого, да и общение с людьми похожих интересов на блогфоруме всегда интересно.

Обнаруженные впервые в 1932 году Гарольдом Юри молекулы тяжелой воды сразу заинтересовали ученый мир. И уже в 1933 Гилберт Льюис с помощью электролиза простой воды получил тяжелую воду.

Химическая формула тяжелой воды совпадает с обычной, но также имеет в составе тяжелые изотопы водорода. Формула тяжелой воды выглядит следующим образом: D2O или 2H2O.

Тяжелая вода мало, чем отличается от обыкновенной воды, но это только на первый взгляд. С тяжелой водой медленней происходят реакции, меньше чем для обычной воды и константы диссоциации молекул тяжелой воды.

Кроме тяжелой воды D2O существует еще и полутяжелая вода (HDO) и частично дейтерий тяжелой воды находится в воде полутяжелой. В естественных условиях соотношение между тяжелой водой и обычной составляет 1:5500.

У тяжелой воды слабая токсичность, медленнее химическая реакция с участием тяжелой воды, но зато сильнее водородные связи с участием дейтерия.

Некоторые простые микроорганизмы могут жить в 70% тяжелой воде, а бактерии выживают даже в чистой 100% тяжелой воде. Но эксперименты показали, что более чем 28% замещение водорода в тканях животных приводят к бесплодию, а 30% и к смерти подопытных животных. Для человека тяжелая вода безвредна в небольшом количестве и очищается организм от тяжелой воды в течение пары дней.

При частом электролизе обычной воды, в остатке электролита накапливается тяжелая вода. гигроскопична, так как при открытом доступе воздуха тяжелая вода поглощает испарения обычной воды.

Покупка тяжелой воды обойдется недешево (около 300 долларов за кг), так как производство тяжелой воды затрачивает очень много энергоресурсов.

Тяжелую воду используют в ядерных реакторах для ослабевания нейтронов. Также тяжелую воду используют в качестве теплоносителя. В химии тяжелая вода используется как изотопный индикатор, такое же применение тяжелая вода нашла и в биологии, а в физике для детектирования нейтрино. Тяжелая вода не поглощает нейтроны, и поэтому используется в работе на ядерных реакторах.

Все мы состоим из воды: люди и звери, деревья и травы. В воде человек зарождается и растет, без воды не прорастет зерно, не зацветут деревья. Вода является колыбелью природы, и важно использовать как обычную воду, так и тяжелую воду исключительно во благо, а не во вред.

В этом материале мы кратко расскажем про «Тяжёлую воду», или как еще ее называют — оксид дейтерия. Этот вид воды был открыт в 1932 году известным ученым Гарольдом Юри.

Многие из нас слышали про существование «тяжёлой воды», но мало кто знает, почему она называется тяжелой и то, что «тяжелая вода» присутствует в небольших количествах практически во всех обычных водах.

«Тяжелая вода» действительно является «тяжелой» по отношению к обычной воде, поскольку содержит вместо «легкого водорода» 1 H тяжелый изотоп 2 H или дейтерий (D), вследствие чего ее удельная масса на 10% больше чем у обычной. Химическая формула тяжелой воды — D 2 O или 2 H 2 O (2H2O).

Предлагаю обратиться к первоисточникам и ознакомиться с точными формулировками «тяжелой воды», данными в словарях и справочниках.

Тяжёлая вода

Тяжелая вода (Heavy water) оксид дейтерия, D 2 О - по сравнению с обычной имеет значительно лучшие ядерно-физические свойства. Она почти не поглощает тепловых нейтронов, поэтому является лучшим замедлителем. Применение тяжелой воды в качестве замедлителя позволяет использовать в качестве топлива природный уран; уменьшается первоначальная загрузка топлива и ежегодное его потребление. Однако стоимость тяжелой воды очень высока.

Термины атомной энергетики. — Концерн Росэнергоатом, 2010

ТЯЖЕЛАЯ вода — D 2 О, изотопная разновидность воды, в молекулах которой атомы водорода заменены атомами дейтерия. Плотность 1,104 г/см³ (3,98 .С), tпл 3,813 .С, tкип 101,43 .С. Соотношение в природных водах Н:D в среднем 6900:1. На организмы действует угнетающе, в больших дозах вызывает их гибель. Замедлитель нейтронов и теплоноситель в ядерных реакторах, изотопный индикатор, растворитель; используется для получения дейтерия. Существуют также сверхтяжелая вода Т 2 О (Т — тритий) и тяжелокислородная вода, молекулы которой вместо атомов 16О содержат атомы 17О и 18О.

Большой Энциклопедический словарь. 2000

ТЯЖЕЛАЯ ВОДА (оксид дейтерия, D 2 O), вода, в которой атомы водорода замещены ДЕЙТЕРИЕМ (изотоп ВОДОРОДА с ОТНОСИТЕЛЬНОЙ АТОМНОЙ МАССОЙ, примерно равной 2, в то время как у обычного водорода относительная атомная масса равна примерно 1. Встречается в малых концентрациях в воде, из которой ее получают ЭЛЕКТРОЛИЗОМ. Тяжелая вода используется как ЗАМЕДЛИТЕЛЬ в некоторых АТОМНЫХ РЕАКТОРАХ.

Научно-технический энциклопедический словарь

Свойства тяжёлой воды

Некоторые исследователи полагают, что употребление избыточного количества «тяжелой воды» способствует старению, а регулярное превышение нормы приводит к тяжелым заболеваниям. Поэтому контроль уровня «тяжелых вод» является жизненно важным. Необходимо знать, что механические фильтры не очищают воду от «тяжелой воды».

Это особо важно учитывать при использовании фильтров обратного осмоса и в первую очередь при опреснении морской воды, поскольку уровень «тяжелой воды» в морской воде, как правило, превышает норму. Известны случаи, когда целые регионы стали жертвами «незнания» этого факта. Люди, проживавшие в этих регионах, регулярно использовали опресненную методом обратного осмоса морскую воду, вследствие чего многие жители заболели тяжелыми болезнями.

Один из методов уменьшения концентрации тяжелой воды в питьевой воде, мы рассматривали в статье .

Понимая, что в природе нет ничего лишнего, можем утверждать, что тяжелая вода требует от нас особого адекватного отношения, внимания и дальнейшего изучения. Ее потенциал, как говорится, «налицо» и вероятно будет реализован в будущем и возможно в ближайшем.

По материалам — О. В. Мосин «Все о дейтерии и тяжелой воде».

Содержание статьи

ДЕЙТЕРИЙ И ТЯЖЕЛАЯ ВОДА. Дейтерий (тяжелый водород) – один из двух стабильных изотопов водорода , ядро которого состоит из одного протона и одного нейтрона. Молекула D 2 – двухатомна. Содержание в природном водороде – 0,012–0,016%. Температура плавления – 254,5° С, температура кипения – 249,5° С. Тяжелая вода D 2 O (оксид дейтерия) – изотопная разновидность воды; плотность 1,1, температура плавления – 3,8° С, температура кипения – 101,4° С.

В 1932 одно за другим следовали выдающиеся открытия в области физики: были открыты нейтрон и позитрон, разработана протоно-нейтронная теория строения ядер и релятивистская квантовая механика, построен первый циклотрон и изобретен электронный микроскоп, проведена первая реакция ядерного синтеза, экспериментально измерена скорость движения молекул. Недаром физики назвали этот год anno mirabilis – год чудес. В этом же году был открыт и второй изотоп водорода, названный дейтерием (от греческого deuteros – второй, символ D).

Открытие дейтерия может служить прекрасной иллюстрацией к парадоксальному на первый взгляд высказыванию французского физикохимика Анри Ле Шателье , обращенному к ученикам: «Ошибкой не только начинающих исследователей, но многих немолодых, весьма опытных и зачастую талантливых ученых является то, что они устремляют свое внимание на разрешение очень сложных проблем, для чего еще недостаточно подготовлена почва. Если вы хотите сделать нечто действительно большое в науке, если вы хотите создать нечто фундаментальное, беритесь за детальное обследование самых, казалось бы, до конца обследованных вопросов. Эти-то на первый взгляд простые и не таящие в себе ничего нового объекты и являются тем источником, откуда вы при умении сможете почерпнуть наиболее ценные и порой неожиданные данные».

Действительно, что можно было ожидать от исследования физических свойств обыкновенной чистой воды – они были изучены, как говорится, вдоль и поперек еще в 19 в. Вспомним однако, что проведенные в 1893 рутинные определения плотности газообразного азота, полученного разными методами (литр азота из воздуха весил 1,257 г, а полученного химическим путем – 1,251 г), привели к выдающемуся открытию – сначала аргона, а за ним и других благородных газов.

Можно ли было надеяться обнаружить нечто новое в обычной воде? В начале 19 в. лондонский врач и химик Уильям Праут опубликовал гипотезу, согласно которой из самого легкого элемента – водорода могли возникнуть все остальные элементы путем конденсации. В этом случае атомные массы всех элементов должны быть кратны массе атома водорода. Определения атомных масс, которые оказались дробными, эту гипотезу не подтвердили, и химики 19 в. часто осмеивали ее как лишенную научного содержания (см . ОТНОСИТЕЛЬНАЯ АТОМНАЯ МАССА).

В 1917 немецкий ученый К.Шерингер предположил, что атомы разных элементов построены не только из протия (от греческого protos – первый), т.е. «легкого» водорода с атомной массой 1, а из разных изотопов водорода. К тому времени уже было известно, что один и тот же элемент может иметь изотопы с разной массой. Впечатляющих успехов в открытии большого числа изотопов нерадиоактивных элементов достиг английский физик Фрэнсис Уильям Астон с помощью сконструированного им масс-спектрографа. В этом приборе изучаемые атомы или молекулы бомбардируются пучком электронов и превращаются в положительно заряженные ионы. Пучок этих ионов далее подвергается действию электрического и магнитного поля, и их траектории отклоняются от прямой. Это отклонение тем сильнее, чем больше заряд иона и чем меньше его масса. Из значений отклоняющих напряжений непосредственно получают относительные массы ионов. А из интенсивности пучка ионов с данной массой можно судить об относительном содержании в образце этих ионов.

Гипотеза Шерингера предполагала, что и у самого легкого элемента – водорода тоже могут быть изотопы. Однако попытки обнаружить «второй», тяжелый водород, предпринятые в 1919 Отто Штерном и Максом Фольмером, оказались безуспешными. Не удалось обнаружить его и Астону. Это означало одно из двух: либо у водорода тяжелого изотопа вовсе нет, либо его содержание в природном водороде слишком мало и чувствительности имевшегося в распоряжении Астона прибора недостаточно для его обнаружения. Правильным оказалось второе предположение, однако тяжелый водород прятался от исследователей в течение еще многих лет, маскируясь под ошибки эксперимента.

В 1927 Астон очень точно для того времени измерил отношение масс атомов водорода и кислорода-16; у него получилось 1,00778:16,0000, что, казалось, находится в прекрасном соответствии с результатами самых точных измерений атомной массы водорода химическим путем: у химиков это отношение получалось равным 1,00777:16,0000. Однако такое единодушие физиков и химиков было недолгим: оказалось, что природный кислород, с которым работали химики, – плохой эталон для измерения атомных масс, поскольку кислород представляет собой смесь изотопов, причем их относительное содержание в разных источниках не вполне постоянно. Точные измерения в начале 30-х соотношения 18 O: 16 O = 1:630 существенным образом изменили все прежние расчеты и данные об атомных массах. Пришлось в срочном порядке отказываться от «химической» шкалы атомных масс и переходить на «физическую» шкалу, основанную на кислороде-16. Такой пересчет данных химических анализов дал отношение масс Н: 16 О = 1,00799:16,0000, что уже заметно отличалось от измерений Астона. Кто же ошибся – физики или химики, выполнившие определения атомных масс? И те и другие ручались за точность своих определений, расхождение в результатах далеко выходило за пределы экспериментальных ошибок.

В 1931 было высказано предположение о том, что причина небольшого расхождения – наличие в обычном водороде более тяжелого изотопа. Расчеты показали, что расхождение устраняется в том случае, если на 5000 атомов обычного водорода 1 H приходится всего один атом его вдвое более тяжелой разновидности 2 Н. Дело оставалось за малым – обнаружить этот изотоп экспериментально. Но как это сделать, если его действительно так мало? С учетом чувствительности имевшейся в то время аппаратуры выход был один: сконцентрировать тяжелый водород, увеличив тем самым его содержание в обычном водороде, – примерно так же, как концентрируют спирт, перегоняя его смесь с водой. Если перегонять смесь обычного и тяжелого водорода, остаток должен обогащаться более тяжелым изотопом. После этого можно было снова попытаться обнаружить тяжелый изотоп водорода аналитически.

В конце 1931 группа американских физиков – Гарольд Юри со своими учениками, Фердинандом Брикведде и Джорджем Мерфи, взяли 4 л жидкого водорода и подвергли его фракционной перегонке, получив в остатке всего 1 мл, т.е. уменьшив объем в 4 тысячи раз. Этот последний миллилитр жидкости после ее испарения и был исследован спектроскопическим методом. Талантливый спектроскопист Гарольд Клейтон Юри заметил на спектрограмме обогащенного водорода новые очень слабые линии, отсутствующие у обычного водорода. При этом положение линий в спектре точно соответствовало проведенному им квантово-механическому расчету предполагаемого атома 2 H. Соотношение интенсивностей линий нового изотопа (Юри назвал его дейтерием) и обычного водорода показало, что в исследованном обогащенном образце нового изотопа в 800 раз меньше, чем обычного водорода. Значит, в исходном водороде тяжелого изотопа еще меньше. Но насколько?

Пытаясь оценить так называемый коэффициент обогащения при испарении жидкого водорода, исследователи поняли, что в своих опытах использовали самый неподходящий источник водорода. Дело в том, что он был получен, как обычно, путем электролиза воды. А ведь при электролизе легкий водород должен выделяться быстрее, чем тяжелый. Получается, что образец был сначала обеднен тяжелым водородом, а затем снова обогащался им!

После того, как дейтерий был обнаружен спектроскопически, Эдвард Уошберн предложил разделять изотопы водорода электролизом. Эксперименты показали, что при электролизе воды легкий водород действительно выделяется быстрее, чем тяжелый. Именно это открытие стало ключевым для получения тяжелого водорода. Статья, в которой сообщалось об открытии дейтерия, была напечатана весной 1932, а уже в июле были опубликованы результаты по электролитическому разделению изотопов. В 1934 за открытие тяжелого водорода Юри была присуждена Нобелевская премия по химии. (Уошберн тоже был представлен к премии, но скончался в том же году, а по положению о Нобелевских премиях они вручаются только прижизненно.)

Когда был открыт нейтрон, стало ясно, что в ядре дейтерия, в отличие от протия, помимо протона находится также нейтрон. Поэтому ядро дейтерия – дейтрон вдвое тяжелее протона; его масса в углеродных единицах равна 2,0141018. В среднем в природном водороде содержится 0,0156% дейтерия. В прибрежной морской воде его немного больше, в поверхностных водах суши – меньше, в природном газе – еще меньше (0,011–0,013%). По химическим свойствам дейтерий схож с протием, но огромное различие в их массах приводит к заметному замедлению реакций с участием атомов дейтерия. Так, реакция дейтерированного углеводорода R–D с хлором или кислородом замедляется, в зависимости от температуры, в 5–10 раз по сравнению с реакцией R–Н. С помощью дейтерия можно «пометить» водородсодержащие молекулы и изучить механизмы их реакций. Так, в частности, были изучены реакции синтеза аммиака, окисления углеводородов, ряд других важных процессов.

Тяжелая вода.

После фундаментальных работ Уошберна и Юри исследования нового изотопа стали развиваться быстрыми темпами. Уже вскоре после открытия дейтерия в природной воде была обнаружена ее тяжелая разновидность. Обычная вода состоит в основном из молекул 1 Н 2 О. Но если в природном водороде есть примесь дейтерия, то и в обычной воде должны быть примеси НDO и D 2 O. И если при электролизе воды Н 2 выделяется с большей скоростью, чем НD и D 2 , то со временем в электролизере должна накапливаться тяжелая вода. В 1933 Гилберт Льюис и американский физикохимик Роналд Макдональд сообщили, что в результате длительного электролиза обычной воды им удалось получить не виданную никем до этого новую разновидность воды – тяжелую воду.

Открытие и выделение весовых количеств новой разновидности воды – D 2 O произвело большое впечатление на современников. Всего за два года после открытия было опубликовано более сотни работ, посвященных исключительно тяжелой воде. О ней читались популярные лекции, печатались статьи в массовых изданиях. Практически сразу же после открытия тяжелую воду стали использовать в химических и биологических исследованиях. Так, было обнаружено, что рыбы, микробы и черви не могут существовать в ней, а животные погибают от жажды, если их поить тяжелой водой. Не прорастают в тяжелой воде и семена растений.

Однако технически получение значительных количеств D 2 О представляло собой трудную задачу. Для обогащения воды дейтерием на 99% необходимо уменьшить объем воды при электролизе в 100 тысяч раз. Льюис и Макдональд взяли для своих опытов 10 л воды из проработавшей несколько лет большой электролитической ванны, в которой содержание дейтерия было повышенным. Пропуская через эту воду ток большой силы – 250 ампер (для увеличения электропроводности вода содержала щелочь), они за неделю уменьшили ее объем в 10 раз. Чтобы жидкость при электролизе таким огромным током не закипела, ее приходилось непрерывно охлаждать холодной водой, пропускаемой по металлическим трубкам внутри электролизера. Остаток объемом 1 л перенесли в электролизер поменьше и снова путем электролиза снизили объем в 10 раз. Затем в третьей ячейке объем был уменьшен до 10 мл, и, наконец, в четвертой он был доведен до 0,5 мл. Отогнав этот остаток в вакууме в небольшую колбочку, они получили воду, содержащую 31,5% D 2 O. Ее плотность (1,035) уже заметно отличалась от плотности обычной воды.

В следующей серии опытов из 20 л воды, также в несколько этапов, получили 0,5 мл воды с плотностью 1,075, содержащей уже 65,7% D 2 O. Продолжая такие опыты, удалось, наконец, получить 0,3 мл воды, плотность которой (1,1059 при 25° С) уже больше не увеличивалась при уменьшении объема при электролизе до 0,12 мл. Эти несколько капель и были первые за всю историю Земли капли почти чистой тяжелой воды. Соответствующие расчеты показали, что прежние оценки соотношения обычного и тяжелого водорода в природе были слишком оптимистическими: оказалось, что в обычной воде содержится всего 0,017% (по массе) дейтерия, что дает соотношение D:Н = 1:6800.

Чтобы получать заметные количества тяжелой воды, необходимой ученым для исследований, необходимо было подвергать электролизу уже огромные по тем временам объемы обычной воды. Так, в 1933 группе американских исследователей для получения всего 83 мл D 2 O 99%-ой чистоты пришлось взять уже 2,3 тонны воды, которую разлагали в 7 стадий. Было ясно, что такими методами ученые не смогут обеспечить всех желающих тяжелой водой. А тут выяснилось, что тяжелая вода является прекрасным замедлителем нейтронов и потому может быть использована в ядерных исследованиях, в том числе для построения ядерных реакторов. Спрос на тяжелую воду вырос настолько, что стала ясна необходимость налаживания ее промышленного производства. Трудность состояла в том, что для получения 1 тонны D 2 O необходимо переработать около 40 тысяч тонн воды, израсходовав при этом 60 млн кВт-ч электроэнергии – столько уходит на выплавку 3000 т алюминия!

Первые полупромышленные установки были маломощными. В 1935 на установке в Беркли еженедельно получали 4 г почти чистой D 2 O, стоимость которой составляла 80 долларов за грамм – это очень дорого, если учесть, что за прошедшие годы доллар «подешевел» в десятки раз. Более эффективной была установка в химической лаборатории Принстонского университета – она давала ежедневно 3 г D 2 O ценой по 5 долларов за грамм (через 40 лет стоимость тяжелой воды снизилась до 14 центов за грамм). Наиболее трудоемким оказался самый первый этап электролиза, в котором концентрация тяжелой воды повышалась до 5–10%, поскольку именно на этом этапе приходилось перерабатывать огромные объемы обычной воды. Дальнейшее концентрирование можно было уже без особых проблем провести в лабораторных условиях. Поэтому преимущества получали те промышленные установки, которые могли подвергать электролизу большие объемы воды.

Теоретически можно вместо электролиза использовать простую перегонку, поскольку обычная вода испаряется легче, чем тяжелая (ее температура кипения 101,4° С). Однако этот способ еще более трудоемкий. Если при электролизе коэффициент разделения изотопов водорода (т.е. степень обогащения в одной стадии) теоретически может достигать 10, то при перегонке он составляет всего 1,03–1,05. Это означает, что разделение путем перегонки исключительно малоэффективно. Академик Игорь Васильевич Петрянов-Соколов как-то подсчитал, сколько воды должно испариться из чайника, чтобы в остатке заметно повысилось содержание дейтерия. Оказалось, что для получения 1 литра воды, в которой концентрация D 2 О всего в 10 раз превышает природную, в чайник надо долить в общей сложности 2,1O 30 тонн воды, что в 300 млн. раз превышает массу Земли!

Масса молекулы D 2 O на 11% превышает массу Н 2 О. Такая разница приводит к существенным различиям в физических, химических и, что особенно важно, биологических свойствах тяжелой воды. Тяжелая вода кипит при 101,44° С, замерзает при 3,82° С, имеет плотность при 20° С 1,10539 г/см 3 , причем максимум плотности приходится не на 4° С, как у обычной воды, а на 11,2° С (1,10602 г/см 3). Кристаллы D 2 O имеют такую же структуру, как и обычный лед, но они более тяжелые (0,982 г/см 3 при 0°С по сравнению с 0,917 г/см 3 для обычного льда). В смесях с обычной водой с большой скоростью происходит изотопный обмен: Н 2 О + D 2 O 2HDO. Поэтому в разбавленных растворах атомы дейтерия присутствуют в основном в виде HDO. В среде тяжелой воды значительно замедляются биохимические реакции, и эта вода не поддерживает жизни животных и растений.

В настоящее время разработан ряд эффективных методов получения тяжелой воды: электролизом, изотопным обменом, сжиганием обогащенного дейтерием водорода. В настоящее время тяжелую воду получают ежегодно тысячами тонн. Ее используют в качестве замедлителя нейтронов и теплоносителя в ядерных реакторах (для заполнения одного современного крупного ядерного реактора требуется 100–200 тонн тяжелой воды чистотой не менее 99,8%); для получения дейтронов D + в ускорителях частиц; как растворитель в спектроскопии протонного магнитного резонанса (обычная вода своими протонами смазывает картину). Не исключено, что роль тяжелой воды значительно возрастет, если будет осуществлен промышленный термоядерный синтез.

«Битва за воду».

Для промышленного получения тяжелой воды очень важно наличие дешевой электроэнергии. Уже в довоенные годы стало понятно, что идеальные условия для этого имеются в Норвегии, где давно работали мощные электролизные установки для получения водорода. Завод по производству тяжелой воды вошел в строй в 1934; к 1938 он производил 40 кг D 2 О в год, а в 1939 – второе больше. В то время уже стало очевидным огромное стратегическое значение тяжелой воды для разработки ядерного оружия. Поэтому не удивительно, что немцы, оккупировавшие Норвегию в мае 1940, приняли самые энергичные меры по засекречиванию завода тяжелой воды и его охране. К концу 1941 Германия вывезла из Норвегии 361 кг чистой D 2 O, а через год – уже 800 кг.

Союзники отдавали себе отчет в смертельной для себя опасности норвежского производства и потому решили во что бы то ни стало уничтожить завод. Главный инженер завода Йомар Брун с риском для жизни достал исключительно ценную информацию – чертежи и фотографии завода. Все материалы были пересняты на микропленку и в тюбике для зубной пасты переправлены через Швецию в Англию. Немцы ожидали нападения с воздуха на завод и усиленно укрепляли особо важные цеха. Поэтому было решено послать в Норвегию специально подготовленную команду подрывников. Диверсионной группе удалось взорвать электролизные баки в цехе концентрирования тяжелой воды. На восстановление оборудования ушло полгода – срок огромный в условиях войны. Немцы решили подстраховаться, и в мае 1943 их делегация, состоящая из ученых и промышленников, выехала в Италию, чтобы наладить там производство тяжелой воды на электролизном заводе в поселке Маренго на севере страны. Но было уже поздно: 3 сентября король Виктор-Эммануил III подписал на Сицилии акт о капитуляции Италии, а 9 сентября около Неаполя на территорию Италии вступили англо-американские войска. Так что норвежский завод оставался для немцев единственным источником тяжелой воды. Однако и он уже был обречен: 16 ноября на завод был произведен массированный воздушный налет. В течение 33 минут 140 тяжелых бомбардировщиков «Летающая крепость» сбросили на завод 800 бомб! В результате была выведена из строя гидроэлектростанция, однако установки для производства тяжелой воды, защищенные толстым слоем бетона, практически не пострадали. Не обошлось и без жертв среди мирного норвежского населения – погибло 22 человека.

Немцы понимали, что и после бомбежки союзники не оставят завод в покое, и потому приняли решение вывезти в Германию все имеющиеся запасы тяжелой воды – а было ее ни много ни мало 15 тонн! Разведка союзников сработала четко и своевременно: в результате тщательно продуманной и с блеском проведенной операции 20 февраля 1944 был взорван паром, на котором находились железнодорожные цистерны с тяжелой водой. Паром, переправлявшийся в этот момент через озеро Тинсьё, пошел на дно, и поднять его было практически невозможно, так как озеро было очень глубоким – около 400 м. И в этом эпизоде битвы за тяжелую воду не обошлось без трагедии: за уничтожение практически всего запаса тяжелой воды заплатили жизнью 14 норвежцев, находившихся на пароме. Но немцы лишились всякой возможности запустить ядерный реактор и получить атомную бомбу.

Илья Леенсон

В феврале 1944 года в районе норвежской долины Ръюкан разворачивалась диверсионная операция союзных войск «Тяжелая вода», целью которой было препятствование созданию нацистской Германией атомного заряда. Станцию Веморк, на которой шло производство сырья для научных исследований, удалось взорвать. Позже выяснилось, что даже в случае провала операции работы по созданию бомбы все равно гитлеровцы не успели бы завершить. Но в начале 1944 года об этом никто не знал…

Физико-химические свойства тяжелой воды

Формулу обычной воды сегодня знает каждый школьник, но человечеству она известна лишь немногим более двух веков. Отрыта она была в 1805 году Гей-Люссаком и Гумбольдтом, которые установили, что каждая молекула самой распространенной на Земле жидкости состоит из одного атома водорода и двух кислорода. 1932 год дополнил это знание новой информацией. В каждом глотке чая, кофе и любого другого напитка кроме Н2О есть, правда, совсем немного другой составляющей, отличающейся тем, что водород-протий заменен на дейтерий D, тяжелый изотоп этого химического элемента таблицы Менделеева. Соединению было присвоено название «тяжелая вода». Получение ее через год Ричардом Макдональдом и Гербертом Льюисом в чистом виде открыло возможность для научных исследований. Сравнение свойств легкой и тяжелой воды показало, что плотность и вязкость D2O больше, чем у Н2О. Это полностью соответствовало теоретическим расчетам. Разница в 10% соответствует соотношению молекулярных весов протия (легкого водорода) и дейтерия, 18 и 20 соответственно. Отличаются температуры кипения и замерзания, у тяжелой воды они выше (101,42 и +3,8 градусов Цельсия соответственно).

Действие тяжелой воды на живые организмы

Несмотря на то, что D2O в воде присутствует в очень малых количествах (миллионные доли процента), его содержание оказывает влияние на жизнедеятельность организмов. Чаще встречается тяжелая вода, в которой изотоп заменил не два, а один атом водорода, ее формула HDO. Действие обеих разновидностей на обмен веществ определяется как угнетающее, подопытные животные умирают от почечной недостаточности при употреблении смеси H2O и HDO в соотношении 3 к 1. При поливе растений этим соединением прекращается их рост. И напротив, чем меньшую долю занимает тяжелая вода, тем активнее идут жизненные процессы. Интересный факт - чем ближе к полюсам, тем вода «легче».

Применение тяжелой воды

Тяжелая вода служит замедлителем быстрых нейтронов при термоядерных реакциях. Из единицы массы дейтерия можно извлекать энергии в десять миллионов раз больше, чем при сжигании того же количества угля. Дальнейшие исследования природы изотопов выявили наличие в атмосфере и возможность лабораторного получения сверхтяжелой воды Т20, в которой место водорода занимает радиоактивный тритий с атомной массой, равной 3. Полученные искусственным путем изотопы водорода 4H и 5H также могут совместно с кислородом образовывать сверхтяжелую воду, их используют в качестве «меченых атомов» при проведении научных экспериментов.

Виде

лёд Вид прозрачная жидкость без цвета,
вкуса и запаха Номер CAS Свойства Плотность
и фазовое состояние 1104,2 кг/м³, жидкость
1017,7 кг/м³, твёрдая (при н. у.) Растворимость Малорастворима в диэтиловом эфире ;
Смешивается с этанолом ;
C обычной водой смешивается
в любых пропорциях. удельная теплоёмкость 4,105 кДж/К·кг Точка плавления 3,81 °C (276,97 K) Точка кипения 101,43 °C (374,55 K) Константа диссоциации
кислоты (pK a) Вязкость 0,00125 Па·с (0,0125 пз) при 20 °C

Тяжёлая вода́ (также оксид дейтерия ) - обычно этот термин применяется для обозначения тяжёловодородной воды . Тяжёловодородная вода имеет ту же химическую формулу , что и обычная вода , но вместо атомов обычного лёгкого изотопа водорода (протия) содержит два атома тяжёлого изотопа водорода - дейтерия . Формула тяжёловодородной воды обычно записывается как D 2 O или 2 H 2 O. Внешне тяжёлая вода выглядит как обычная - бесцветная жидкость без вкуса и запаха.

История открытия

Молекулы тяжёловодородной воды были впервые обнаружены в природной воде Гарольдом Юри в 1932 году , за что ученый был удостоен Нобелевской премии по химии в 1934 году. А уже в 1933 году Гилберт Льюис выделил чистую тяжёловодородную воду.

Свойства

Свойства тяжёлой воды

Молекулярная масса	20,03 а.е.м.
Давление паров	10 мм. рт. ст. (при 13,1 °C), 100 мм. рт. ст. (при 54 °C)
Показатель преломления	1,32844 (при 20 °C)
Энтальпия образования ΔH	−294,6 кДж/моль (ж) (при 298 К)
Энергия Гиббса образования G	−243,48 кДж/моль (ж) (при 298 К)
Энтропия образования S	75,9 Дж/моль·K (ж) (при 298 К)
Мольная теплоёмкость C p	84,3 Дж/моль·K (жг) (при 298 К)
Энтальпия плавления ΔH пл	5,301 кДж/моль
Энтальпия кипения ΔH кип	45,4 кДж/моль
Критическое давление	21,86 МПа
Критическая плотность	0,363 г/см³

Нахождение в природе

В природных водах один атом дейтерия приходится на 6400 атомов протия . Почти весь он находится в составе молекул DHO, одна такая молекула приходится на 3200 молекул лёгкой воды. Лишь очень незначительная часть атомов дейтерия формирует молекулы тяжёлой воды D 2 O, поскольку вероятность двух атомов дейтерия встретиться в составе одной молекулы в природе мала (примерно 0,5·10 −7). При искусственном повышении концентрации дейтерия в воде эта вероятность растёт.

Биологическая роль и физиологическое воздействие

Тяжёлая вода токсична лишь в слабой степени, химические реакции в её среде проходят несколько медленнее, по сравнению с обычной водой, водородные связи с участием дейтерия несколько сильнее обычных. Эксперименты над млекопитающими (мыши, крысы, собаки) показали, что замещение 25 % водорода в тканях дейтерием приводит к стерильности, иногда необратимой. Более высокие концентрации приводят к быстрой гибели животного; так, млекопитающие , которые пили тяжёлую воду в течение недели, погибли, когда половина воды в их теле была дейтерирована; рыбы и беспозвоночные погибают лишь при 90 % дейтерировании воды в теле. Простейшие способны адаптироваться к 70 % раствору тяжёлой воды, а водоросли и бактерии способны жить даже в чистой тяжёлой воде . Человек может без видимого вреда для здоровья выпить несколько стаканов тяжёлой воды, весь дейтерий будет выведен из организма через несколько дней.
Таким образом, тяжёлая вода гораздо менее токсична, чем, например, поваренная соль . Тяжёлая вода использовалась для лечения артериальной гипертензии у людей в суточных дозах до 1,7 г дейтерия на кг веса пациента .

Некоторые сведения

Тяжёлая вода накапливается в остатке электролита при многократном электролизе воды. На открытом воздухе тяжёлая вода быстро поглощает пары обычной воды, поэтому можно сказать, что она гигроскопична . Производство тяжёлой воды очень энергоёмко, поэтому её стоимость довольно высока (ориентировочно 19 долларов за грамм в 2012 году ).

Общее число изотопных модификаций воды

Если подсчитать все возможные нерадиоактивные соединения с общей формулой Н 2 О, то общее количество возможных изотопных модификаций воды всего девять (так как существует два стабильных изотопа водорода и три - кислорода):

• Н 2 16 O − лёгкая вода , или просто вода
• Н 2 17 O
• Н 2 18 O − тяжёлокислородная вода
• HD 16 O − полутяжёлая вода
• HD 17 O
• HD 18 O
• D 2 16 O − тяжёлая вода
• D 2 17 O
• D 2 18 O

С учётом трития их число возрастает до 18:

• T 2 16 O - сверхтяжелая вода
• 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

Таким образом, кроме обычной, наиболее распространённой в природе «лёгкой» воды 1 H 2 16 O, в общей сложности существует 8 нерадиоактивных (стабильных) и 9 слаборадиоактивных «тяжёлых вод».

Всего же общее число возможных «вод» с учётом всех известных изотопов водорода (7) и кислорода (17) формально равняется 476. Однако распад почти всех радиоактивных изотопов водорода и кислорода происходит за секунды или доли секунды (важным исключением является тритий, период полураспада которого более 12 лет). Например, все более тяжёлые, чем тритий, изотопы водорода живут порядка 10 −20 с; за это время никакие химические связи просто не успевают образоваться, и, следовательно, молекул воды с такими изотопами не бывает. Радиоизотопы кислорода имеют периоды полураспада от нескольких десятков секунд до наносекунд. Поэтому макроскопические образцы воды с такими изотопами получить невозможно, хотя молекулы и микрообразцы могут быть получены. Интересно, что некоторые из этих короткоживущих радиоизотопных модификаций воды легче, чем обычная «лёгкая» вода (например, 1 H 2 15 O).