Тяжёлая вода D₂O: почему она на 11% тяжелее обычной и где её применяют
Два одинаковых стакана с прозрачной жидкостью без цвета и запаха могут отличаться по весу почти на 11%. Один из них будет привычной нам водой, а второй — её полным химическим двойником, тяжёлой водой с формулой D₂O. Обе жидкости имеют естественное происхождение, обе состоят из водорода и кислорода, и обе встречаются буквально вокруг нас. Разгадка кроется не в примесях и не в температуре, а в устройстве атомного ядра.
Молекула обычной воды собрана из двух атомов водорода и одного атома кислорода. В 99,98% случаев водород на Земле представлен самым простым своим изотопом — протием. Но у водорода есть и второй изотоп, дейтерий, ядро которого из-за дополнительного нейтрона ровно в два раза тяжелее ядра протия. Когда с кислородом соединяются два атома дейтерия, получается оксид дейтерия — та самая тяжёлая вода. Разница в массе ядер и даёт те самые 11%, которые легко зафиксировать на весах.
Физические свойства D₂O тоже отличаются. Тяжёлая вода замерзает при температуре +3,82 °C, и её лёд, вопреки привычке, сразу тонет в обычной воде. Внешне же отличить две жидкости невозможно: они одинаково прозрачны, не имеют ни цвета, ни запаха.
В гидросфере Земли тяжёлая вода присутствовала с момента её формирования. Она встречается во всех водоёмах и даже во льдах, но в мизерных количествах: условно одна молекула D₂O приходится на миллионы молекул обычной воды. В масштабах планеты это миллионы тонн дейтерия, однако само образование тяжёлой воды — процесс крайне редкий. Куда чаще в природе попадается полутяжёлая вода.
Существование дейтерия теоретически предсказывали ещё в 1920-х годах, но выделить его экспериментально удалось лишь в 1931–1932 годах. Это сделал американский учёный Гарольд Юри вместе с коллегами, и уже через два года он получил Нобелевскую премию по химии. Ещё через пару лет другой американский исследователь с помощью определённых химических процессов сумел получить чистый образец тяжёлой воды.
Главная ценность D₂O — в её ядерно-физических свойствах. Её применяют в качестве замедлителя нейтронов и теплоносителя в атомных реакторах, например типа CANDU, что позволяет использовать в качестве топлива природный необогащённый уран. В ядерно-магнитном резонансе тяжёлую воду берут как растворитель, не создающий помех при анализе органических соединений. В физике элементарных частиц её заливают в огромные резервуары для детектирования солнечных нейтрино. Нашлось место D₂O и в фармацевтике: некоторые лекарства с дейтерием разрушаются в организме медленнее, что позволяет снизить дозировку и токсичность препаратов.
Можно ли пить такую воду? Несколько глотков ничем не грозят — в организме каждого человека естественным образом содержится несколько граммов дейтерия, а сама тяжёлая вода, по наблюдениям исследователей, имеет слегка сладковатый привкус из-за воздействия на вкусовые рецепторы. Но пить её вместо обычной смертельно опасно. Химические связи с участием дейтерия прочнее, чем с протием, а значит, меняется скорость биохимических процессов. При длительном воздействии и больших количествах тяжёлая вода не подходит ни человеку, ни любому другому животному. Некоторые растения и бактерии переносят высокие концентрации D₂O лучше, однако их рост заметно замедляется.
Так привычная формула H₂O оказывается лишь одним из вариантов воды — самым распространённым, но не единственным. Рядом с нами, в каждой реке и каждом облаке, существует её тяжёлый близнец, который способен замедлять ядерные реакции, останавливать биологические процессы и служить инструментом сразу для атомной энергетики, медицины и физики элементарных частиц.
По материалам: iXBT
