Тяжёлая вода

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

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 водорода содержит два тяжёлых изотопа водорода — атомы дейтерия. Формула тяжёловодородной воды обычно записывается как: D₂O или ²H₂O. Внешне тяжёлая вода выглядит как обычная — бесцветная жидкость без вкуса и запаха.

Молекулы тяжёловодородной воды были впервые обнаружены в природной воде Гарольдом Клейтоном Юри в 1932 году. А уже в 1933 году Гилберт Ньютон Льюис получил чистую тяжёловодородную воду.

Свойства тяжёлой воды

Молекулярная масса	20,03 а.е.м.
Температура плавления	3,81°C
Температура кипения	101,43°C
Растворимость	Мало растворима в диэтиловом эфире смешивается с этанолом
Плотность ρ	1,1042 г/см3 (при 25°C)
Давление паров	10 мм. рт. ст. (при 13.1°C), 100 мм. рт. ст. (при 54°C)
Показатель преломления σ	1,32844 (при 20°C)
Стандартная энтальпия образования ΔH	-294,6 кДж/моль (ж) (при 298 К)
Стандартная энергия Гиббса образования G	-243,48 кДж/моль (ж) (при 298 К)
Стандартная энтропия образования S	75,9 Дж/моль·K (ж) (при 298 К)
Стандартная мольная теплоёмкость Cp	84,3 Дж/моль·K (жг) (при 298 К)
Энтальпия плавления ΔHпл	5,301 кДж/моль
Энтальпия кипения ΔHкип	45,4 кДж/моль
Критическое давление	31,86 МПа
Критическая плотность	0,363 г/см3

В природных водах соотношение между тяжёлой и обычной водой составляет 1:5500 (в предположении, что весь дейтерий находится в виде тяжёлой воды D₂O, хотя на самом деле он частично находится в составе полутяжёлой воды, см. ниже).

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 показали, что замещение 25% водорода в тканях дейтерием приводит к стерильности, более высокие концентрации приводят к быстрой гибели животного. Однако некоторые микроорганизмы способны жить в 70% растворе D₂O в H₂O (простейшие) и даже в чистой тяжёлой воде (бактерии). Человек может без видимого вреда для здоровья выпить стакан тяжёлой воды, весь дейтерий будет выведен из организма через несколько дней. Таким образом, тяжёлая вода менее токсична, чем, например, поваренная соль.

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 200-250 долларов за кг).

Среди населения бытует миф о том, что при длительном кипячении природной воды концентрация тяжёлой воды в ней повышается, что якобы может вредно сказаться на здоровье. В действительности же повышение концентрации тяжёлой воды при кипячении ничтожно (к тому же тяжёлая вода практически не ядовита).

Важнейшим свойством тяжёловодородной воды является то, что она практически не поглощает нейтроны, поэтому используется в ядерных реакторах для торможения нейтронов и в качестве теплоносителя. Она используется также в качестве изотопного индикатора в химии, биологии и гидрологии. В физике элементарных частиц тяжёлая вода используется для детектирования нейтрино; так, крупнейший детектор солнечных нейтрино SNO (Канада) содержит 1 килотонну тяжёлой воды.

Выделяют также полутяжёлую (или дейтериевую) воду, у которой только один атом водорода замещен дейтерием. Формулу такой воды записывают так: DHO или ²HHO.

Термин тяжёлая вода применяют также по отношению к воде, у которой любой из атомов заменен тяжёлым изотопом:

• к тяжёлокислородной воде (в ней лёгкий изотоп кислорода ¹⁶O замещен тяжёлыми изотопами ¹⁷O или ¹⁸O),
• к тритиевой и сверхтяжёлой воде (содержащей вместо атомов ¹H его радиоактивный изотоп тритий ³H).

Если подсчитать все возможные различные соединения с общей формулой Н₂О, то общее количество возможных «тяжёлых вод» достигнет 48. Из них 39 вариантов — радиоактивные, а стабильных вариантов всего девять:
Н₂¹⁶O, Н₂¹⁷O, Н₂¹⁸O, HD¹⁶O, HD¹⁷O, HD¹⁸O, D₂¹⁶O, D₂¹⁷O, D₂¹⁸O.
На сегодняшний день в лабораториях получены не все варианты тяжёлой воды, в них просто нет необходимости, однако никаких препятствий, кроме низкой стабильности полученных молекул, не существует.