100 mmHg Kunst. bei 54°C
Schweres Wasser Dieser Begriff wird normalerweise verwendet, um sich darauf zu beziehen schweres Wasserstoffwasser, auch bekannt als Deuteriumoxid. Schweres Wasserstoffwasser hat die gleiche chemische Formel wie gewöhnliches Wasser, aber anstelle von zwei Atomen des üblichen leichten Wasserstoffisotops (Protium) enthält es zwei Atome des schweren Wasserstoffisotops Deuterium, und sein Sauerstoff in der Isotopenzusammensetzung entspricht dem Luftsauerstoff . Die Formel von schwerem Wasserstoffwasser wird normalerweise als D 2 O oder 2 H 2 O geschrieben. Äußerlich sieht schweres Wasser wie gewöhnlich aus - eine farblose Flüssigkeit ohne Geschmack oder Geruch. Sie ist nicht radioaktiv.
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Untertitel
Entdeckungsgeschichte
Moleküle des schweren Wasserstoffwassers wurden erstmals 1932 von Harold Urey in natürlichem Wasser entdeckt, wofür der Wissenschaftler 1934 den Nobelpreis für Chemie erhielt. Und bereits 1933 isolierte Gilbert Lewis reines, schweres Wasserstoffwasser. Während der Elektrolyse von gewöhnlichem Wasser, das neben gewöhnlichen Wassermolekülen eine unbedeutende Menge schwerer (D 2 O) und halbschwerer (HOD) Wassermoleküle enthält, die durch das schwere Wasserstoffisotop gebildet werden, wird der Rückstand allmählich mit Molekülen angereichert dieser Verbindungen. Aus einem solchen Rückstand gelang es Lewis 1933 nach wiederholter Elektrolyse erstmals, eine kleine Menge Wasser zu isolieren, das zu fast 100% aus den Molekülen der Sauerstoffverbindung mit Deuterium bestand und als schwer bezeichnet wurde. Diese Methode der Schwerwasserproduktion ist bis heute die Hauptmethode, obwohl sie hauptsächlich in der Endstufe der Anreicherung von 5-10 % auf > 99 % verwendet wird (siehe unten).
Nach der Entdeckung der Kernspaltung Ende 1938 und der Erkenntnis der Möglichkeit, durch Neutronen induzierte Kettenkernspaltungsreaktionen zu nutzen, entstand ein Bedarf an einem Neutronenmoderator - einer Substanz, die Neutronen effektiv verlangsamen kann, ohne sie in Einfangreaktionen zu verlieren. Neutronen werden am effektivsten durch leichte Kerne moderiert, und gewöhnliche Wasserstoffkerne (Protium) sollten die effektivsten Moderatoren sein, aber sie haben einen hohen Neutroneneinfangquerschnitt. Im Gegensatz dazu fängt schwerer Wasserstoff nur sehr wenige Neutronen ein (der thermische Neutroneneinfangquerschnitt für Protium ist mehr als 100.000 Mal höher als für Deuterium). Technisch gesehen ist die bequemste Verbindung von Deuterium schweres Wasser, und es kann auch als Kühlmittel dienen und die freigesetzte Wärme aus dem Bereich entfernen, in dem die Spaltungskettenreaktion stattfindet. Seit den frühesten Tagen der Atomkraft war schweres Wasser ein wichtiger Bestandteil einiger Reaktoren, sowohl zur Stromerzeugung als auch zur Herstellung von Plutoniumisotopen für Atomwaffen. Diese sogenannten Schwerwasserreaktoren haben den Vorteil, dass sie mit natürlichem (nicht angereichertem) Uran ohne den Einsatz von Graphitmoderatoren betrieben werden können, die während der Stilllegungsphase eine Staubexplosionsgefahr darstellen und induzierte Radioaktivität (Kohlenstoff-14 und eine Reihe von Kohlenstoff-14) enthalten können anderer Radionuklide). Die meisten modernen Reaktoren verwenden jedoch angereichertes Uran mit normalem "leichtem Wasser" als Moderator, trotz des teilweisen Verlustes moderierter Neutronen.
Produktion von schwerem Wasser in der UdSSR
Die industrielle Produktion und Nutzung von schwerem Wasser begann mit der Entwicklung der Kernenergie. In der UdSSR wurde der Projektleiter A. I. Alikhanov bei der Organisation des Labors Nr. 3 der Akademie der Wissenschaften der UdSSR () mit der Schaffung eines Schwerwasserreaktors beauftragt. Dies führte dazu, dass schweres Wasser benötigt wurde, und der technische Rat des Sonderausschusses des Rates der Volkskommissare der UdSSR entwickelte den Entwurf eines Dekrets des Rates der Volkskommissare der UdSSR „Über den Bau halbindustrieller Anlagen für die Produktion des Produkts 180", die Arbeiten zur Schaffung produktiver Schwerwasseranlagen wurden dem Leiter des Nuklearprojekts B. L. Vannikov, dem Volkskommissar der chemischen Industrie M. G. Pervukhin, dem Vertreter der staatlichen Planungskommission N. A. Borisov, dem Volkskommissar für Bauwesen der UdSSR, anvertraut S. Z. Ginzburg, Volkskommissar für Maschinenbau und Instrumentierung der UdSSR P. I. Parshin und Volkskommissar für Erdölindustrie der UdSSR N. K. Baibakov. M. O. Kornfeld, Leiter des Sektors des Labors Nr. 2 der Akademie der Wissenschaften der UdSSR, wurde zum Hauptberater in Sachen schweres Wasser.
Eigenschaften
Vergleich der Eigenschaften von gewöhnlichem und schwerem Wasser
| Parameter | D2O | HDO | H2O |
|---|---|---|---|
| Schmelzpunkt (°C) | 3,82 | 0,00 | |
| Siedepunkt (°C) | 101,42 | 100,7 | 100,00 |
| Dichte (g/cm³, bei 20 °C) | 1,1056 | 1,054 | 0,9982 |
| Maximale Temperatur Dichte (°C) |
11,6 | 4,0 | |
| Viskosität (Centipoise, bei 20 °C) | 1,25 | 1,1248 | 1,005 |
| Oberflächenspannung (dyne cm, bei 25 °C) |
71,87 | 71,93 | 71,98 |
| Molare Volumenabnahme beim Schmelzen (cm³/mol) |
1,567 | 1,634 | |
| Molare Schmelzwärme (kcal/mol) | 1,515 | 1,436 | |
| Molare Verdampfungswärme (kcal/mol) | 10,864 | 10,757 | 10,515 |
| (bei 25 °C) | 7,41 | 7,266 | 7,00 |
In der Natur sein
In natürlichen Gewässern macht ein Deuteriumatom 6400 ... 7600 Protiumatome aus. Fast alles besteht aus DHO-Molekülen, ein solches Molekül fällt auf 3200 ... 3800 Moleküle leichtes Wasser. Nur ein sehr kleiner Teil der Deuteriumatome bildet schwere Wassermoleküle D 2 O, da die Wahrscheinlichkeit, dass sich zwei Deuteriumatome in einem Molekül treffen, in der Natur gering ist (etwa 0,5⋅10 −7 ). Mit einer künstlichen Erhöhung der Deuteriumkonzentration im Wasser steigt diese Wahrscheinlichkeit.
Biologische Rolle und physiologische Wirkung
Schweres Wasser ist nur wenig toxisch, chemische Reaktionen in seiner Umgebung sind etwas langsamer als gewöhnliches Wasser, Wasserstoffbrückenbindungen mit Deuterium sind etwas stärker als üblich. Experimente an Säugetieren (Mäuse, Ratten, Hunde) zeigten, dass der Ersatz von 25 % des Wasserstoffs in Geweben durch Deuterium zu einer manchmal irreversiblen Sterilität führt. Höhere Konzentrationen führen zum schnellen Tod des Tieres; So starben Säugetiere, die eine Woche lang schweres Wasser tranken, wenn die Hälfte des Wassers in ihrem Körper deuteriert war; Fische und Wirbellose sterben erst bei 90 % Deuterierung des Wassers im Körper. Die einfachsten können sich an eine 70%ige Lösung aus schwerem Wasser anpassen, und Algen und Bakterien können sogar in reinem schwerem Wasser leben. Eine Person kann mehrere Gläser schweres Wasser ohne sichtbare Gesundheitsschäden trinken, das gesamte Deuterium wird in wenigen Tagen aus dem Körper entfernt.
Schweres Wasser ist also viel weniger giftig als beispielsweise Kochsalz. Schweres Wasser wurde zur Behandlung von arterieller Hypertonie bei Menschen in Tagesdosen im Bereich von 10 bis 675 g D 2 O pro Tag verwendet.
Der menschliche Körper enthält als natürliche Verunreinigung so viel Deuterium wie 5 Gramm schweres Wasser; Dieses Deuterium ist hauptsächlich in den halbschweren HDO-Wassermolekülen enthalten, sowie in allen anderen biologischen Verbindungen, die Wasserstoff enthalten.
Einige Informationen
Bei wiederholter Elektrolyse von Wasser sammelt sich schweres Wasser im Rest des Elektrolyten an. Im Freien absorbiert schweres Wasser schnell die Dämpfe von gewöhnlichem Wasser, sodass wir sagen können, dass es hygroskopisch ist. Die Produktion von schwerem Wasser ist sehr energieintensiv, daher sind seine Kosten ziemlich hoch. 1935, unmittelbar nach der Entdeckung von schwerem Wasser, lag sein Preis bei etwa 19 $ pro Gramm). Derzeit kostet schweres Wasser mit einem Deuteriumgehalt von 99 at.%, das von Anbietern chemischer Reagenzien verkauft wird, etwa 1 Euro pro Gramm für 1 kg, aber dieser Preis bezieht sich auf ein Produkt mit einer kontrollierten und garantierten Qualität des chemischen Reagenz; bei geringeren Qualitätsanforderungen kann der Preis um eine Größenordnung niedriger sein.
Anwendung
Die wichtigste Eigenschaft von schwerem Wasserstoffwasser ist, dass es praktisch keine Neutronen absorbiert, daher wird es in Kernreaktoren zur Moderation von Neutronen und als Kühlmittel verwendet. Es wird auch als Isotopenindikator in Chemie, Biologie und Hydrologie, Physiologie, Agrochemie usw. (einschließlich Experimenten mit lebenden Organismen und humandiagnostischen Studien) verwendet. In der Teilchenphysik wird schweres Wasser zum Nachweis von Neutrinos verwendet; So enthält der größte Solar-Neutrino-Detektor SNO (Kanada) 1000 Tonnen schweres Wasser.
Deuterium ist ein Kernbrennstoff für die Energie der Zukunft, basierend auf kontrollierter thermonuklearer Fusion. In den ersten Leistungsreaktoren dieser Art soll er die Reaktion durchführen D + T → 4 He + n + 17,6 MeV .
In einigen Ländern (z. B. in Australien) ist die kommerzielle Zirkulation von schwerem Wasser staatlichen Beschränkungen unterworfen, was mit der theoretischen Möglichkeit verbunden ist, damit "nicht autorisierte" Natururanreaktoren zu bauen, die zur Herstellung von waffenfähigem Plutonium geeignet sind.
Andere Arten von schwerem Wasser
halbschweres Wasser
Es gibt auch halbschweres Wasser (auch bekannt als Deuteriumwasser, Monodeuteriumwasser, Deuteriumhydroxid), bei der nur ein Wasserstoffatom durch Deuterium ersetzt ist. Die Formel für solches Wasser wird wie folgt geschrieben: DHO oder ²HHO. Es sei darauf hingewiesen, dass Wasser mit der formalen Zusammensetzung DHO aufgrund von Isotopenaustauschreaktionen tatsächlich aus einer Mischung von DHO-, D 2 O- und H 2 O-Molekülen (in einem Verhältnis von etwa 2:1:1) bestehen wird. Diese Bemerkung gilt auch für THO und TDO.
Superschweres Wasser
Superschweres Wasser enthält Tritium, das eine Halbwertszeit von über 12 Jahren hat. Superschweres Wasser ( T2O) unterscheidet sich noch deutlicher vom Üblichen: Es siedet bei 104 °C, gefriert bei +9 °C und hat eine Dichte von 1,21 g/cm³. Alle neun Varianten von superschwerem Wasser sind bekannt (d. h. in Form von mehr oder weniger reinen makroskopischen Proben erhalten): THO, TDO und T 2 O mit jedem der drei stabilen Sauerstoffisotope (16 O, 17 O und 18 O) . Manchmal wird superschweres Wasser einfach als schweres Wasser bezeichnet, es sei denn, dies kann zu Verwirrung führen. Superschweres Wasser hat eine hohe Radiotoxizität.
Schwere Sauerstoffisotopenmodifikationen von Wasser
Begriff schweres Wasser werden auch in Bezug auf schweres Sauerstoffwasser verwendet, bei dem der übliche leichte Sauerstoff 16 O durch eines der schweren stabilen Isotope 17 O oder 18 O ersetzt wird. Schwere Isotope des Sauerstoffs kommen in einem natürlichen Gemisch vor, also in natürlichem Wasser immer eine Mischung aus beiden schweren Sauerstoffmodifikationen. Ihre physikalischen Eigenschaften unterscheiden sich auch etwas von denen von gewöhnlichem Wasser; Der Gefrierpunkt von 1 H 2 18 O beträgt also +0,28 ° C.
Schweres Sauerstoffwasser, insbesondere 1 H 2 18 O, wird zur Diagnose onkologischer Erkrankungen verwendet (am Zyklotron wird daraus das Isotop Fluor-18 gewonnen, das zur Synthese von Arzneimitteln insbesondere zur Diagnose onkologischer Erkrankungen verwendet wird 18-fdg).
Gesamtzahl der Isotopenmodifikationen von Wasser
Wenn wir alle möglichen zählen nicht radioaktiv Verbindungen mit der allgemeinen Formel H 2 O, dann beträgt die Gesamtzahl der möglichen Isotopenmodifikationen von Wasser nur neun (da es zwei stabile Isotope von Wasserstoff und drei von Sauerstoff gibt).
Viele Menschen fragen sich, was in der Umwelt leichter ist: Wasser oder Eis? Schließlich ist Eis gefrorenes Wasser, und wenn man es aus einer anderen Perspektive betrachtet, dann ist Flüssigkeit geschmolzene Eismasse. Alles in unserer Welt kann auf den Kopf gestellt und so dargestellt werden, dass jeder Prozess in beide Richtungen verläuft. Aber um das Gespräch über die Schwerkraft und folglich die Dichte fortzusetzen, sollte beachtet werden, dass es in vielerlei Hinsicht sein geringes Gewicht der gewöhnlichen Luft verdankt.
Eisgeheimnisse
Man muss nicht raten: Der Grund liegt in den kleinen Hohlräumen, die entstehen, wenn Wasser gefriert. Diese Hohlräume sind mit gewöhnlicher Luft gefüllt, wodurch das Eis weniger Gewicht erhält. Ein sehr nützliches Phänomen, aber nicht nur deshalb sind die Eisschichten leichter. Vor nicht allzu langer Zeit haben wir darüber gesprochen, dass die höchste Wasserdichte unter normalen Bedingungen bei einer Temperatur von 4 Grad Celsius erreicht wird. Dies bedeutet, dass die Nulltemperatur des Wassers eine geringere Dichte, dh ein größeres Volumen, ergibt. Aus diesem Grund (weil sich bei Temperaturen über 0 kein Eis bilden kann) schwimmen Eisstücke.
Alles Interessante ist einfach
Wie können Sie mehr über dieses interessante Phänomen erzählen? Stellen Sie sich also einen Prozess vor, der im Wasser stattfindet. Dieser Vorgang wird Konvektion genannt: der Energieaustausch durch Fäden. Auch in stehenden Gewässern gibt es Strömungen und Rinnsale, denen kann man sich nicht entziehen, und selbst moderne Wissenschaftler haben noch nicht herausgefunden, was genau hinter der Natur der Wasserbewegung steckt. Daher findet der Energieaustausch ständig statt. Findet ein Energieaustausch statt, so ändert sich auch die Temperatur. Addiert man dazu die Dichteänderung, so sinkt das Wasser, das eine höhere Dichte hat, zu Boden. Aber frieren kann sie nicht, dafür ist ihr zu warm.
Somit bewegt sich ein weniger dichter, dh einer, der den Punkt von +4 Grad bereits überschritten hat und sich Null nähert, auf den freien Platz vor. Dieses Wasser hat jede Chance zu gefrieren. Die Hauptmerkmale zeigen und beweisen also, dass Wasser dichter und schwerer und Eis leichter ist. Zuallererst ist dies das Vorhandensein von Luftblasen oder einer Art Gas (schließlich können sowohl Luft als auch ein einzelnes Gas gefrieren). Zweitens eine geringe Dichte und dadurch ein größeres Volumen. Zusammen ergibt dies nur eine geringfügig geringere Dichte.
Und wenn Eismassen leichter sind als die gleiche Menge Wasser, dann nicht viel. Stellen Sie sich einen Unterschied von nur zehn Prozent vor. Ein Stück Eis kann eine große Anzahl von Hohlräumen haben, aber ihr Gesamtvolumen wird sehr klein sein. Man kann sich vorstellen, dass, wenn ein Eisberg auf dem Wasser schwimmt, 90 % der Gesamtmasse des Eisbergs unter der Wasserkante verborgen sind. Unglaubliche Volumina und Gewichte, die manchmal einfach fantastisch erscheinen. Und doch schweben diese Objekte.
Wenn Salz im Wasser ist
All dies gilt für Süßwasser. Was soll man zu salzig sagen? Sie ist . Geben Sie normalerweise etwas von -3,2 bis -3,5 Grad an. Es stellt sich heraus, dass in diesem Fall, wenn es aufgrund von Salz größer wird und die Eismassen beim Gefrieren Salz fast auf molekularer Ebene teilweise abweisen, der Unterschied in der Dichte viel bedeutender wird. Und es sind nicht mehr zehn Prozent, sondern fast zwanzig. Das heißt, wenn Sie denselben Eisberg nehmen, befinden sich 20% seiner Masse über dem Wasser und 80% unter Wasser.
Da so viel von der Zusammensetzung des Wassers abhängt, lässt sich nicht immer schnell und objektiv sagen, um wie viel leichter das Eisvolumen ist. Aber auch ohne gründliche Untersuchung können wir mit Sicherheit sagen, dass Feuchtigkeit immer schwerer ist, sonst würden heute oft Unterwassereisberge in der Arktis auftauchen.
Ein Liter ist eine Volumeneinheit für flüssige Stoffe. Es ist auch zulässig, Schüttgüter mit ausreichender Feinfraktion in Litern zu messen. Für andere Feststoffe wird das Konzept eines Kubikmeters (Dezimeter, Zentimeter) verwendet. Die Definition des Begriffs und Konzepts eines Liters wurde von der Generalkonferenz für Maß und Gewicht im Jahr 1901 formuliert. Die Definition lautet wie folgt: 1 Liter ist das Volumen von einem Kilogramm reinem Süßwasser bei einem Atmosphärendruck von 760 mm Hg und einer Temperatur von +3,98 °C. Bei dieser Temperatur erreicht Wasser seine höchste Dichte.
Dampf, Wasser und Eis sind Zustände ein und derselben Substanz, deren Molekül zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom enthält. Der Unterschied zwischen flüssigem Wasser und festem Wasser liegt in den Merkmalen intermolekularer Konstruktionen. Wasser hat in einer Flüssigkeit eine höhere Dichte als in einem Feststoff.
Nach Überschreiten der Temperaturschwelle von +3,98°C beginnt die Dichte des Wassers wieder abzunehmen und erreicht bei +8°C wieder die gleichen Werte wie bei Null.
Was ist schwerer?
Wenn zum Beispiel Wasser in ein Gefäß gegossen wird, hat es ein Volumen von einem Liter. Wenn Sie dieses Wasser einfrieren, nimmt das gefrierende Wasser bei der gleichen Masse von 1 kg tendenziell mehr Platz im Gefäß ein. Ein geschlossenes Gefäß, begrenzt auf eine Kapazität von 1 qm. dm (1 Liter), das Eis bricht. Es stellt sich heraus, dass das Eis bei gleicher Masse an Flüssigkeit und gefrorenem Wasser ein größeres Volumen hat, was den ursprünglichen Zustand verletzt.
Wenn wir zunächst von der Gleichheit der Volumina ausgehen und gefrorenes Wasser - ein Stück Eis - auf die Größe eines Würfels mit einer Seitenlänge von 1 dm (1 l) beschränken, wird seine Masse kleiner als das ursprüngliche Kilogramm. Wie könnte es anders sein, wenn Sie einen Teil des Eises schneiden und entfernen und den Würfel auf ein bestimmtes Volumen anpassen. Daher ist Wasser im Volumen eines Liters schwerer als Eis im gleichen Volumen.
Wenn Sie einen Liter mit 1.000 ml Wasser (1 Liter) einfrieren, dann fließen beim Aushärten ca. 80 ml Wasser heraus. Und um 1 Liter Eis zu bekommen, reicht es aus, 920 ml Wasser einzufrieren.
Einfrieren und Wiederherstellen
Heutzutage wird es immer schwieriger reines natürliches Wasser zu finden. Besonders unter den Bedingungen der Stadt, wo es vor dem Betreten der Wohnung gefiltert, gechlort und anderen physikalischen und chemischen Behandlungen unterzogen wird. Sauberes Wasser wird knapp, die Kosten für Wasser aus artesischen Brunnen steigen. Es stellt sich jedoch heraus, dass Wasser nach dem Einfrieren seine ursprüngliche Struktur und Energie wieder herstellt - es wird gereinigt. Deshalb: Schmelzwasser trinken! Kein Wunder, dass alle Pflanzen im Frühling so gut darauf reagieren und Tiere gerne trinken.
Die erstaunliche Fähigkeit des Eises, auf der Wasseroberfläche zu schwimmen und zu schwimmen, erklärt sich aus nichts anderem als elementaren physikalischen Eigenschaften, die im Laufe der Mittel- und Oberstufe studiert werden. Es ist sicher bekannt, dass sich Stoffe bei Erwärmung ausdehnen, wie Quecksilber in einem Thermometer, und Wasser gefriert und bei sinkender Temperatur an Volumen zunimmt, wodurch sich auf der Oberfläche von Stauseen eine Eiskruste bildet.
Die Zunahme des Volumens von gefrorenem Wasser ist oft ein grausamer Scherz für diejenigen, die in der Kälte Behälter mit Flüssigkeiten vergessen. Wasser bricht buchstäblich den Behälter.
Die Meinung, dass in der neu gebildeten Eisschicht mikroskopisch kleine, mit Luft gefüllte Poren erscheinen, ist nicht falsch, kann aber die Tatsache des Aufstiegs nicht richtig erklären. In Übereinstimmung mit den vom antiken griechischen Wissenschaftler abgeleiteten und formulierten Prinzipien, später als Gesetz des Archimedes bezeichnet, werden Körper, die in eine Flüssigkeit eingetaucht sind, mit einer Kraft aus dieser herausgedrückt, die den Gewichtseigenschaften der von diesem Körper verdrängten Flüssigkeit entspricht .
Physik des Wassers
Sicher ist, dass Eis etwa ein Zehntel leichter ist als Wasser, weshalb riesige Eisberge etwa neun Zehntel ihres Gesamtvolumens im Ozean versinken und nur zu einem Bruchteil sichtbar sind. Diese Gewichte erklären sich aus den Eigenschaften des Kristallgitters, das im Wasser bekanntlich keine geordnete Struktur aufweist und durch ständige Bewegung und Kollision von Molekülen gekennzeichnet ist. Dies erklärt die höhere Dichte von Wasser im Vergleich zu Eis, dessen Moleküle unter dem Einfluss niedriger Temperaturen eine geringe Beweglichkeit und einen geringen Energieanteil und dementsprechend eine geringere Dichte aufweisen.
Es ist auch bekannt, dass Wasser bei einer Temperatur von 4 ° C die maximale Dichte und das maximale Gewicht hat, eine weitere Abnahme führt zu einer Ausdehnung und einer Abnahme des Dichteindex, was die Eigenschaften von Eis erklärt. Deshalb sinkt in Stauseen schweres Vier-Grad-Wasser auf den Grund, wodurch kühleres Wasser aufsteigen und sich in nicht sinkendes Eis verwandeln kann.
Eis hat spezifische Eigenschaften, zum Beispiel ist es resistent gegenüber Fremdelementen, hat eine geringe Reaktivität, zeichnet sich durch die Beweglichkeit von Wasserstoffatomen aus und hat daher eine geringe Streckgrenze.
Es ist klar, dass diese Eigenschaft für die Erhaltung des Lebens auf der Erde von grundlegender Bedeutung ist, denn wenn Eis die Fähigkeit hätte, unter die Wassersäule zu sinken, könnten im Laufe der Zeit nach einem Temperaturabfall alle Gewässer der Erde mit Schichten gefüllt werden ständig auf der Eisoberfläche gebildet, was zu einer Naturkatastrophe und dem vollständigen Verschwinden der Flora und Fauna der Gewässer vom Äquator selbst bis zu den gegenüberliegenden Polen führen würde.
und wie es sich von einfach unterscheidet.
Viele haben von der Existenz einer Art „schwerem Wasser“ gehört, aber nur wenige wissen, warum es als schwer bezeichnet wird und wo sich diese fabelhafte Substanz im Allgemeinen befindet. Der Zweck dieses Materials besteht darin, die Situation zu klären, und gleicher Weg erklären, dass nichts gefährlich und fabelhaft in schwerem Wasser Nein , und dass es in kleinen Mengen in fast allen gewöhnlichen Gewässern vorhanden ist, einschließlich denen, die wir täglich trinken.
"Schweres Wasser" ist im Verhältnis zu gewöhnlichem Wasser wirklich schwer. Nicht viel, etwa ein Zehntel der Masse, aber genug, um die Eigenschaften dieses Wassers zu verändern. Und seine „Schwerkraft“ liegt darin, dass die Moleküle dieses Wassers anstelle von „leichtem Wasserstoff“ oder Protium, 1H, ein schweres Isotop enthalten Wasserstoff 2H oder Deuterium (D), in dessen Kern sich neben dem Proton noch ein weiteres Neutron befindet. Aus chemischer Sicht ist die Formel von schwerem Wasser dieselbe wie die von einfachem Wasser, H2O, aber die Physiker haben Anpassungen vorgenommen, und daher ist es üblich, die Formel als - D2O oder 2H2O zu schreiben. Es gibt eine andere Version von schwerem, oder es wird auch "superschweres" Wasser genannt - T2O ist Tritiumoxid, ein Isotop von Wasserstoff mitzwei Neutronen im Kern (und es gibt insgesamt drei Nukleonen, daher "Tritium"). Aber drei t ii ist radioaktiv, und das Militär benutzen es als Rohstoff für Wasserstoffbomben(und entsprechend Geheimnis alles, was damit zusammenhängt - nur für den Fall), daher werden wir in diesem Material nicht über superschweres Wasser sprechen.
Warum ist schweres Wasser so wertvoll, dass es nicht nur von einfachem Wasser isoliert ist (und das ist, glauben Sie mir, eine ganze Sache), sondern auch wie mit einem geschriebenen Sack getragen wird?
Und der springende Punkt sind die zusätzlichen Neutronen, die sich den Protiumkernen angeschlossen haben. Wenn ein in Betracht ziehen kein Wassermolekül als Ganzes, sondern Wasserstoffatome getrennt , stellt sich heraus, dass sie doppelt so schwer geworden sind! Nicht ein Zehntel, sondern zwei! Also, " dicker" wurden sie, tschlauer. Und da sind sie dicker, Wie alle übergewichtigen Menschen möchten sie sich nicht viel bewegen. Sie sind "faul", im Vergleich zu Protium nicht sehr aktiv und genau das sie erklären alle Unterschiede in den Eigenschaften zwischen leichtem und schwerem Wasser.
Beginnen wir mit einer Liste dieser Eigenschaften.
Schweres Wasser hat keinen Geruch oder Farbe;durch diesen Parameterleichtes und schweres Wasser nicht unterscheiden.
Sein Schmelzpunkt ist höher, schweres Wassereis beginnt sich bereits bei einer Temperatur von 3.813 °C zu bilden
kocht es hat eine höhere Temperatur - 101,43 °C
Die Viskosität von schwerem Wasser ist 20 % höher als die Viskosität von normalem Wasser
Dichte - 1, 1042 g/cm3 bei 25°C, das ist auch nicht viel, aber höher als die Dichte von gewöhnlichem Wasser.
Das heißt, sie können sogar auf einer primitiven, alltäglichen Ebene unterschieden werden. Aber auch schweres Wasser hat Eigenschaften, die "zu Hause in der Küche" schwer zu definieren sind. Zum Beispiel:
Schweres Wasser absorbiert im Gegensatz zu leichtem Wasser Neutronen sehr schlecht. Und damit ein idealer Moderator für Kernreaktionen an langsamen, "thermischen" Neutronen.
Es hat noch andere spezifische Eigenschaften, die aber den Rahmen der Spießbürgerlichkeit sprengen und vor allem für schmale Spezialisten interessant sind., also werden wir auch nicht darüber sprechen.
Nun, wo befindet es sich, dieses "schwere Wasser"? Wo ist diese magische Quelle wertvoller Inhalte? Wertvoll, denn ein Kilogramm schweres Wasser kostet mehr als tausend Euro.
Aber es gibt keine, eine magische Quelle! Es befindet sich… überall.
Im Durchschnitt beträgt das Verhältnis von schweren und gewöhnlichen Wassermolekülen in der Natur 1:5500. Dieser Wert ist jedoch „Krankenhausdurchschnitt“; in Meerwasser ist der Gehalt an schweren Isotopen höher, in Fluss- und Regenwasser deutlich geringer. (1:3000-3500 gegenüber 1:7000-7500). Auch regional und örtlich schwanken die Konzentrationen stark. Es gibt auch separate Quellen (separate Regionen), in denen die Konzentration von schwerem Wasser außerhalb des Maßstabs liegt und mit der Konzentration von gewöhnlichem Wasser vergleichbar ist Protium , aber das sind Ausnahmefälle.
Einerseits ist die Fülle an schwerem Wasser ein Segen. Es ist buchstäblich überall in jedem Glas zu finden. Andererseits die geringe Konzentration trägt nicht bei Isolierung in seiner reinen Form, getrennt von Protium . Daher die hohen Anschaffungskosten.
Interessant aber wahr: Wissenschaftler, die schweres Wasser entdeckten, behandelten es als wissenschaftlichen Vorfall, etwas Unbedeutendes, Nebensächliches und Unterhaltsames. Hsah in der Anwendung keine großen Chancen(mit anderen Worten, seien wir objektiv, eine solche Situation, mit wissenschaftlichen Entdeckungen bei jedem Schritt). Und erst einige Zeit später wurde von ganz anderen Forschern sein wissenschaftliches und industrielles Potenzial entdeckt.
"Schweres Wasser" wird verwendet:
In Nukleartechnologien;
In Kernreaktoren, zum Abbremsen von Neutronen und als Kühlmittel;
Als Isotopentracer in Chemie, Physik, Biologie und Hydrologie;
Als Detektor einiger Elementarteilchen;
Es ist sehr wahrscheinlich, dass invorhersehbare Zukunftschweres Wasser wird endlose Energiequelle Wissenschaftler erwägen ernsthaft, wie man es benutzt Deuterium und als Brennstoff fürkontrollierte Kernfusion.Aber das ist immer noch aus dem Reich der Fantasie, obwohl der Erfolg ist gegeben Feld sind unbestreitbar.
Chemiker interessieren sich für schweres Wasser, weildas daraus gewonnene Deuterium lässt sich leicht durch einfache Labormethoden bestimmen. Und wenn man mit seiner Hilfe die angegebenen Substanzen synthetisiert, Protium komplett durch Deuterium ersetzt und mit anderen, „normalen“ Substanzen kombiniert, kann man verfolgen, welches Wasserstoffatomwährend der Reaktiontrat in die Zusammensetzung dieses Moleküls ein, und welche - eine andere. Das heißt, mit Hilfe von Deuterium „markieren“ Chemiker Moleküle und sehen, wie der Mechanismus einer bestimmten Reaktion abläuft. Und glauben Sie mir, diese Methode ist es wert, sie revolutionär zu nennen - einst veränderte sie das Wissen vieler Theoretiker, die wussten, „wie es sein sollte“, und zwang sie, die Naturgesetze immer wieder zu revidieren und neue und neue Ursachen zu findeninvestigative Links, neue Hypothesen und Theorien aufstellen, die natürlich die Chemie als Wissenschaft stark vorangebracht haben.
Es ist für einen einfachen Laien weit entfernt von der theoretischen Chemie interessanter, aber wie wirkt sich schweres Wasser auf einen Menschen und im Allgemeinen auf biologische Systeme als solche aus? Und das ist ein sehr korrektes Interesse. Denn schweres Wasser ist für lebende Organismen ein GIFT!
Schweres Wasser, im Gegensatz zu mild, drückt die Vitalität Prozesse auf allen Ebenen. Biologen nennen es „totes Wasser“ . In ihrer Gegenwartchemische Reaktionen werden verlangsamtbiologische Prozesse… ZU zumindest verlangsamen. Darunter wird zum Beispiel die Vermehrung von Mikroben und Bakterien verlangsamt und gestoppt.
Experimente an Säugetieren haben gezeigt, dass der Ersatz von 25 % des Wasserstoffs in Geweben durch Deuterium zu Unfruchtbarkeit führt, höhere Konzentrationen zum schnellen Tod des Tieres führen. H einige Mikroorganismen können in 70 % schwerem Wasser (Protozoen) und sogar in reinem schwerem Wasser (Bakterien) leben, sondern das sind Ausnahmen. Eine Person kann ein Glas schweres Wasser ohne sichtbare Gesundheitsschäden trinken, das gesamte Deuterium wird in wenigen Tagen aus dem Körper entfernt, aber bei konstant längerer Exposition beginnt der Wasserersatz im Gewebe, woraufhin negative Folgen auftreten.
Als Experiment versuchten Wissenschaftler, schwere Wassermäuse mit bösartigen Tumoren zu trinken. Nun, erinnern Sie sich lebhaft an die Geschichte von th und totes Wasser, wo der Tote Wunden heilt? Und es gelang ihnen - das Wasser erwies sich als wirklich tot, die Tumore zerstört! Stimmt, zusammen mit Mäusen. Auch schweres Wasserut negativ auf Pflanzen. Versuchshunde, Ratten und Mäuse erhielten Wasser, von dem ein Drittel durch schweres Wasser ersetzt wurde., h nach kurzer Zeitbei ihnengestartet Stoffwechselstörung, Nierenversagen. Bei einer Zunahme des Schwerwasseranteils starben die Tiere.
Aber es gibt auch die andere Seite der Medaille: umgekehrt abnehmen der Deuteriumgehalt von 25 % unter der Norm im Wasser, das den Tieren verabreicht wurde, wirkte sich positiv auf ihre Entwicklung aus: Schweine, Ratten und Mäuse brachten viel zahlreichere und größere Nachkommen als gewöhnlich zur Welt Eierproduktion Hühner haben sich verdoppelt.Das heißt, neben "totem Wasser" entdeckten Wissenschaftler "lebendiges" Wasser, und das Kindermärchen wurde Wirklichkeit.
Wie kann man den Kontakt mit "totem" Wasser vermeiden und die Verwendung von "lebendem" Wasser erhöhen? Wahrscheinlich nicht. Sowohl das als auch das wird im industriellen Maßstab ausfallen und wahnsinniges Geld kosten. Im Alltag können wir jedoch, obwohl wir nicht stark sind, die Qualität des Wassers, das wir verwenden, beeinflussen, zum Beispiel Regenwasser enthält deutlich mehr schweres Wasser als Schnee. Also im „mystischen »experimente mit schmelzwasser und dessen wirkung auf den körper sind weniger mystisch. Es ist auch ein höherer Gehalt an schwerem Wasser enthaltenMeer, und bei der Entsalzung durch Umkehrosmose fällt es nur an, was bei der Auslegung von Entsalzungsanlagen berücksichtigt werden sollte. Es sind Fälle bekannt, in denen ganze Regionen Opfer der Unkenntnis dieser Tatsache wurden. Die Menschen in diesen Regionen verwendeten regelmäßig entsalztes Meerwasser mit hohem Deuteriumgehalt, wodurch viele Bewohner an schweren Krankheiten erkrankten.
Jedoch In der Natur gibt es nichts Überflüssiges,Und seien Sie nicht zu hart auf schwerem Wasser., sie mit Gift brandmarken oder sie "nutzlos" nennen. Sie ist erfordert von uns eine besondere adäquate Einstellung, Aufmerksamkeit uweiteres Studium, und das macht keinen großen Unterschied. aus der großen MengeSubstanzen die mehr Aufmerksamkeit erfordern. Chemie ist eine Wissenschaft, also muss man sich dem Thema mit dem ganzen Arsenal seiner Möglichkeiten nähern.
M. ADSCHIEV
Schweres Wasser ist sehr teuer und knapp. Gelingt es jedoch, einen günstigen und praktikablen Weg zu finden, wird sich der Umfang dieser seltenen Ressource merklich erweitern. Neue Seiten können in Chemie, Biologie aufgeschlagen werden, und dies sind neue Materialien, unbekannte Verbindungen und vielleicht unerwartete Lebensformen.
Reis. ein.
Wassermoleküle sind fest miteinander verbunden und bilden eine stabile Molekülstruktur, die allen äußeren Einflüssen, insbesondere thermischen, widersteht. (Deshalb braucht es viel Wärme, um Wasser in Dampf zu verwandeln.) Die Molekularstruktur von Wasser wird durch ein Gerüst aus speziellen quantenmechanischen Bindungen zusammengehalten, die 1920 von den beiden amerikanischen Chemikern Latimer und Rodebush als Wasserstoffbrückenbindungen bezeichnet wurden. Alle anomalen Eigenschaften von Wasser, einschließlich des ungewöhnlichen Gefrierverhaltens, werden mit dem Konzept der Wasserstoffbrückenbindungen erklärt.
Wasser kommt in der Natur in mehreren Varianten vor. Einfach oder Protium (H 2 O). Schwer oder Deuterium (D 2 O). Superschwer oder Tritium (T 2 O), aber es kommt in der Natur fast nicht vor. Wasser unterscheidet sich auch in der Isotopenzusammensetzung von Sauerstoff. Insgesamt gibt es mindestens 18 seiner Isotopensorten.
Wenn wir den Wasserhahn öffnen und den Wasserkocher füllen, entsteht kein homogenes Wasser, sondern dessen Mischung. Gleichzeitig wird es sehr wenige Deuterium-„Einschlüsse“ geben – etwa 150 Gramm pro Tonne. Es stellt sich heraus, dass schweres Wasser überall ist – in jedem Tropfen! Das Problem ist, wie man es nimmt. Seine Gewinnung ist heute weltweit mit enormen Energiekosten und sehr aufwendigen Apparaturen verbunden.
Es besteht jedoch die Annahme, dass solche natürlichen Situationen auf dem Planeten Erde möglich sind, wenn sich schweres und gewöhnliches Wasser für einige Zeit voneinander trennen - D 2 O aus einem dispergierten, "gelösten" Zustand in einen konzentrierten übergeht. Also gibt es vielleicht Ablagerungen von schwerem Wasser? Bisher gibt es keine eindeutige Antwort: Keiner der Forscher hat sich zuvor mit dieser Frage beschäftigt.
Und gleichzeitig ist bekannt, dass sich die physikalisch-chemischen Eigenschaften von D 2 O völlig von denen seines ständigen Begleiters H 2 0 unterscheiden. So liegt der Siedepunkt von schwerem Wasser bei +101,4°C und es gefriert bei +3,81°C. Seine Dichte ist 10 Prozent höher als die von gewöhnlichen.
Es sollte auch beachtet werden, dass der Ursprung von schwerem Wasser anscheinend rein terrestrisch ist - im Weltraum wurden keine Spuren davon gefunden. Deuterium entsteht aus Protium durch den Einfang eines Neutrons aus kosmischer Strahlung. Ozeane, Gletscher, Luftfeuchtigkeit – das sind die natürlichen „Fabriken“ des schweren Wassers.
Reis. 2. Die Abhängigkeit der Dichte von gewöhnlichem und schwerem Wasser von der Temperatur. Der Unterschied in der Dichte der einen und der anderen Wasserart übersteigt 10%, und daher sind Bedingungen möglich, bei denen der Übergang in einen festen Zustand beim Abkühlen zuerst in schwerem Wasser und dann in gewöhnlichem Wasser auftritt. Die Physik verbietet jedenfalls nicht das Auftreten von Bereichen der Festphase mit hohem Deuteriumgehalt. Dieses "schwere" Eis im Diagramm entspricht dem schraffierten Bereich. Wenn Wasser eher eine "normale" als eine anomale Flüssigkeit wäre, dann hätte die Abhängigkeit der Dichte von der Temperatur die durch die gepunktete Linie gezeigte Form.
Da also zwischen D 2 O und H 2 O ein deutlicher Dichteunterschied besteht, kann neben der Dichte auch der Aggregatzustand als empfindlichstes Kriterium bei der Suche nach möglichen Schwerwasservorkommen dienen - nachher Alle diese Kriterien beziehen sich auf die Umgebungstemperatur. Und wie Sie wissen, ist die Umwelt in den hohen Breiten des Planeten der "kontrastreichste".
Doch inzwischen hat sich die Meinung gebildet, dass die Gewässer der hohen Breiten arm an Deuterium sind. Grund dafür waren Untersuchungsergebnisse von Wasser- und Eisproben aus dem Great Bear Lake in Kanada und aus anderen nördlichen Stauseen. Auch der Deuteriumgehalt schwankte je nach Jahreszeit – im Winter beispielsweise im Columbia River ist er geringer als im Sommer. Diese Abweichungen von der Norm waren mit den Besonderheiten der Niederschlagsverteilung verbunden, die, wie allgemein angenommen wird, Deuterium um den Planeten „tragen“.
Es scheint, dass keiner der Forscher den versteckten Widerspruch in dieser Aussage sofort bemerkt hat. Ja, Niederschläge beeinflussen die Verteilung von Deuterium in den Gewässern des Planeten, aber sie beeinflussen nicht den globalen Prozess der Deuteriumbildung!
Wenn im Norden der Herbst kommt, beginnt in den Flüssen eine rasche Abkühlung der Wassermasse, die sich unter dem Einfluss des Permafrostes beschleunigt, gleichzeitig kommt es zu einer Assoziation von H 2 O-Molekülen, schließlich kommt der kritische Moment der maximalen Dichte - Die Wassertemperatur liegt überall etwas unter + 4 ° C. Und dann wird in der bodennahen Zone teilweise loses Unterwassereis intensiv gefroren.
Im Gegensatz zu gewöhnlichem Eis hat es kein regelmäßiges Kristallgitter, sondern eine andere Struktur. Die Zentren seiner Kristallisation sind unterschiedlich: Steine, Haken und verschiedene Unregelmäßigkeiten, die nicht unbedingt auf dem Boden liegen und mit gefrorenem Boden verbunden sind. Lockeres Eis erscheint auf tiefen Flüssen mit einer ruhigen - laminaren - Strömung.
Die Unterwassereisbildung endet normalerweise damit, dass Eisschollen an die Oberfläche schwimmen, obwohl es zu diesem Zeitpunkt kein anderes Eis gibt. Unterwassereis tritt manchmal im Sommer auf. Es stellt sich die Frage: Was ist dieses „Wasser im Wasser“, das seinen Aggregatzustand ändert, wenn die eingestellte Temperatur im Fluss zu hoch ist, als dass gewöhnliches H 2 O zu Eis werden könnte, so dass es, wie die Physiker sagen, zu einem Phasenübergang kommt?
Es ist davon auszugehen, dass Lockereis angereicherte Konzentrationen von schwerem Wasser darstellt. Übrigens, wenn dies der Fall ist, müssen Sie daran denken, dass schweres Wasser nicht von gewöhnlichem Wasser zu unterscheiden ist, aber sein Konsum im Körper kann zu schweren Vergiftungen führen. Übrigens verwenden Anwohner in hohen Breiten kein Flusseis zum Kochen, sondern nur Seeeis oder Schnee.
Der „Mechanismus“ des D 2 O-Phasenübergangs in einem Fluss ähnelt sehr dem, den Chemiker in sogenannten Kristallisationssäulen verwenden. Nur im nördlichen Fluss erstreckt sich die "Säule" über Hunderte von Kilometern und ist in der Temperatur nicht so kontrastreich.
Wenn wir bedenken, dass in einem Fluss in kurzer Zeit Hunderte und Tausende Kubikmeter Wasser durch die Kristallisationszentren fließen, aus denen es zu Eis wird – es gefriert – sogar zu einem Tausendstel Prozent, dann reicht das zum Reden über die Fähigkeit von schwerem Wasser, sich zu konzentrieren, dann Ablagerungen zu bilden.
Nur das Vorhandensein solcher Konzentrationen kann die nachgewiesene Tatsache erklären, dass im Winter der Deuteriumanteil in nördlichen Gewässern deutlich abnimmt. Ja, und polare Gewässer sind, wie Proben zeigen, auch deuteriumarm, und in der Arktis dürfte es Gebiete geben, in denen nur mit Deuterium angereicherte Eisschollen schwimmen, weil lockeres Bodeneis zuerst entsteht und zuletzt schmilzt.
Darüber hinaus haben Studien gezeigt, dass Gletscher und Eis in hohen Breiten im Allgemeinen reicher an schweren Isotopen sind als das Wasser, das das Eis umgibt. Beispielsweise wurden in Südgrönland in der Nähe der Dai-3-Station Isotopenanomalien auf der Oberfläche von Gletschern identifiziert, deren Ursprung noch nicht geklärt ist. Das bedeutet, dass auch mit Deuterium angereicherte Eisschollen anzutreffen sind. Der Punkt ist, wie sie sagen, klein - Sie müssen diese noch hypothetischen Ablagerungen von schwerem Wasser finden.
M. ADZHIEV, Geograph.
Informationsquellen:
- L. Kulsky, V. Dahl, L. Lenchina. Das Wasser ist vertraut und geheimnisvoll.
- K .: "Radjansker Schule", 1982. - Wissenschaft und Leben Nr. 10, 1988.
