100 mmHg čl. pri 54 °C
Ťažká voda Tento termín sa zvyčajne používa na označenie ťažká vodíková voda, taktiež známy ako oxid deutérium. Voda s ťažkým vodíkom má rovnaký chemický vzorec ako obyčajná voda, ale namiesto dvoch atómov bežného ľahkého izotopu vodíka (protium) obsahuje dva atómy izotopu ťažkého vodíka - deutéria a jeho kyslík v izotopovom zložení zodpovedá vzdušnému kyslíku . Vzorec ťažkej vodíkovej vody sa zvyčajne píše ako D 2 O alebo 2 H 2 O. Navonok ťažká voda vyzerá ako obyčajná - bezfarebná kvapalina bez chuti a zápachu. Nie je rádioaktívna.
Encyklopedický YouTube
1 / 5
✪ ZÍSKALI DEUTER A VYSKÚŠALI ŤAŽKÚ VODU!
✪ Jedinečné vlastnosti vody. Chémia je ľahká.
✪ Studená jadrová fúzia v pohári vody. Lacné kúrenie, nízkonákladová výroba vodíka.
✪ Osmium - NAJŤAŽŠÍ KOV NA ZEMI!
✪ Galileo. Suchá voda (1. časť)
titulky
História objavov
Molekuly vody ťažkého vodíka prvýkrát objavil v prírodnej vode Harold Urey v roku 1932, za čo bol vedec v roku 1934 ocenený Nobelovou cenou za chémiu. A už v roku 1933 Gilbert Lewis izoloval čistú, ťažkú vodíkovú vodu. Pri elektrolýze obyčajnej vody, ktorá okrem bežných molekúl vody obsahuje aj nepatrné množstvo molekúl ťažkej (D 2 O) a poloťažkej (HOD) vody tvorených ťažkým izotopom vodíka, sa zvyšok postupne obohacuje o molekuly. týchto zlúčenín. Z takéhoto zvyšku sa Lewisovi po opakovanej elektrolýze v roku 1933 po prvý raz podarilo izolovať malé množstvo vody, pozostávajúcej takmer zo 100 % z molekúl kyslíkatej zlúčeniny s deutériom a nazývanej ťažká. Tento spôsob výroby ťažkej vody zostáva dnes hlavným, hoci sa používa hlavne v konečnom štádiu obohacovania z 5 – 10 % na > 99 % (pozri nižšie).
Po objave jadrového štiepenia koncom roku 1938 a uvedomení si možnosti využitia reťazových reakcií jadrového štiepenia indukovaných neutrónmi vznikla potreba moderátora neutrónov – látky, ktorá dokáže neutróny efektívne spomaliť bez toho, aby ich pri zachytávacích reakciách strácali. Neutróny sú najefektívnejšie moderované ľahkými jadrami a obyčajné vodíkové (protium) jadrá mali byť najúčinnejším moderátorom, ale majú vysoký prierez zachytávania neutrónov. Naopak, ťažký vodík zachytí len veľmi málo neutrónov (prierez záchytu tepelných neutrónov pre protium je viac ako 100-tisíckrát väčší ako pre deutérium). Technicky najpohodlnejšou zlúčeninou deutéria je ťažká voda a môže slúžiť aj ako chladivo, ktoré odvádza uvoľnené teplo z oblasti, kde dochádza k štiepnej reťazovej reakcii. Od prvých dní jadrovej energetiky bola ťažká voda dôležitou zložkou v niektorých reaktoroch, či už na výrobu energie alebo na výrobu izotopov plutónia pre jadrové zbrane. Tieto takzvané ťažkovodné reaktory majú výhodu v tom, že môžu pracovať s prírodným (neobohateným) uránom bez použitia grafitových moderátorov, ktoré môžu vo fáze vyraďovania predstavovať nebezpečenstvo výbuchu prachu a môžu obsahovať indukovanú rádioaktivitu (uhlík-14 a množstvo iných rádionuklidov). Väčšina moderných reaktorov však používa ako moderátor obohatený urán s normálnou „ľahkou vodou“, a to aj napriek čiastočnej strate moderovaných neutrónov.
Výroba ťažkej vody v ZSSR
Priemyselná výroba a využívanie ťažkej vody sa začali rozvojom jadrovej energetiky. V ZSSR pri organizácii Laboratória č.3 Akadémie vied ZSSR () bol projektový manažér A. I. Alikhanov poverený vytvorením ťažkovodného reaktora. To viedlo k potrebe ťažkej vody a technická rada osobitného výboru pri Rade ľudových komisárov ZSSR vypracovala návrh vyhlášky Rady ľudových komisárov ZSSR „o výstavbe polopriemyselných zariadení pre výroba produktu 180“, prácami na vytvorení produktívnych ťažkovodných zariadení bol poverený vedúci jadrového projektu B. L. Vannikov, ľudový komisár chemického priemyslu M. G. Pervukhin, zástupca Štátnej plánovacej komisie N. A. Borisov, ľudový komisár výstavby ZSSR. S. Z. Ginzburg, ľudový komisár strojárstva a prístrojovej techniky ZSSR P. I. Parshin a ľudový komisár ropného priemyslu ZSSR N. K. Baibakov. Hlavným poradcom v otázkach ťažkej vody sa stal M. O. Kornfeld, vedúci sektora laboratória číslo 2 AÚ ZSSR.
Vlastnosti
Porovnanie vlastností obyčajnej a ťažkej vody
| Parameter | D2O | HDO | H2O |
|---|---|---|---|
| Teplota topenia (°C) | 3,82 | 0,00 | |
| Bod varu (°C) | 101,42 | 100,7 | 100,00 |
| Hustota (g/cm³, pri 20 °C) | 1,1056 | 1,054 | 0,9982 |
| Maximálna teplota hustota (°C) |
11,6 | 4,0 | |
| Viskozita (centipoise, pri 20 °C) | 1,25 | 1,1248 | 1,005 |
| Povrchové napätie (dyne cm, pri 25 °C) |
71,87 | 71,93 | 71,98 |
| Molárny pokles objemu pri tavení (cm³/mol) |
1,567 | 1,634 | |
| Molárne teplo topenia (kcal/mol) | 1,515 | 1,436 | |
| Molárne teplo vyparovania (kcal/mol) | 10,864 | 10,757 | 10,515 |
| (pri 25°C) | 7,41 | 7,266 | 7,00 |
Byť v prírode
V prírodných vodách predstavuje jeden atóm deutéria 6400 ... 7600 atómov protia. Takmer všetko je v zložení molekúl DHO, jedna takáto molekula pripadá na 3200 ... 3800 molekúl ľahkej vody. Len veľmi malá časť atómov deutéria tvorí molekuly ťažkej vody D 2 O, keďže pravdepodobnosť, že sa v prírode stretnú dva atómy deutéria v jednej molekule, 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 sú v porovnaní s obyčajnou vodou o niečo pomalšie, vodíkové väzby zahŕňajúce deutérium sú o niečo silnejšie ako zvyčajne. 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. Najjednoduchšie sa dokážu prispôsobiť 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 používa na liečbu arteriálnej hypertenzie u ľudí v denných dávkach v rozmedzí od 10 do 675 g D20 denne.
Ľudské telo obsahuje ako prirodzenú nečistotu toľko deutéria ako 5 gramov ťažkej vody; toto deutérium je obsiahnuté hlavne v molekulách HDO poloťažkej vody, ako aj vo všetkých ostatných biologických zlúčeninách, ktoré obsahujú vodík.
Nejaké informácie
Pri opakovanej elektrolýze vody sa ťažká voda hromadí vo zvyšku elektrolytu. Vo voľnom ovzduší ťažká voda rýchlo absorbuje výpary bežnej vody, takže môžeme povedať, že je hygroskopická. Výroba ťažkej vody je veľmi energeticky náročná, takže jej cena je dosť vysoká. V roku 1935, hneď po objavení ťažkej vody, bola jej cena približne 19 dolárov za gram). V súčasnosti ťažká voda s obsahom deutéria 99 at.%, predávaná dodávateľmi chemických činidiel, stojí približne 1 euro za gram za 1 kg, táto cena sa však vzťahuje na produkt s kontrolovanou a garantovanou kvalitou chemického činidla; pri nižších nárokoch na kvalitu môže byť cena rádovo nižšia.
Aplikácia
Najdôležitejšou vlastnosťou ťažkej vodíkovej vody je, že prakticky neabsorbuje neutróny, preto sa používa v jadrových reaktoroch na moderovanie neutrónov a ako chladivo. Používa sa tiež ako izotopový indikátor v chémii, biológii a hydrológii, fyziológii, agrochémii atď. (vrátane experimentov so živými organizmami a diagnostických štúdií u ľudí). V časticovej fyzike sa ťažká voda používa na detekciu neutrín; Najväčší slnečný neutrínový detektor SNO (Kanada) teda obsahuje 1000 ton ťažkej vody.
Deutérium je jadrové palivo pre energiu budúcnosti, založené na riadenej termonukleárnej fúzii. V prvých energetických reaktoroch tohto typu má vykonávať reakciu D + T → 4 He + n + 17,6 MeV .
V niektorých krajinách (napríklad v Austrálii) je komerčná cirkulácia ťažkej vody uvalená na štátne obmedzenia, s čím súvisí teoretická možnosť jej využitia na vytvorenie „neoprávnených“ prírodných uránových reaktorov vhodných na výrobu zbrojného plutónia.
Iné druhy ťažkej vody
poloťažká voda
Je tu aj poloťažká voda (známa aj ako deutériová voda, monodeutériová voda, hydroxidu deutéria), v ktorej je iba jeden atóm vodíka nahradený deutériom. Vzorec pre takúto vodu je napísaný takto: DHO alebo ²HHO. Je potrebné poznamenať, že voda s formálnym zložením DHO bude v dôsledku izotopových výmenných reakcií v skutočnosti pozostávať zo zmesi molekúl DHO, D20 a H20 (v pomere približne 2:1:1). Táto poznámka platí aj pre THO a TDO.
Super ťažká voda
Superťažká voda obsahuje trícium, ktorého polčas rozpadu je viac ako 12 rokov. Podľa svojich vlastností superťažká voda ( T2O) sa od bežného líši ešte výraznejšie: vrie pri 104 °C, zamŕza pri +9 °C a má hustotu 1,21 g/cm³. Známych (t. j. získaných vo forme viac-menej čistých makroskopických vzoriek) je všetkých deväť variantov superťažkej vody: THO, TDO a T2O s každým z troch stabilných izotopov kyslíka (16O, 17O a 18O) . Niekedy sa superťažká voda jednoducho označuje ako ťažká voda, pokiaľ to nemôže spôsobiť zmätok. Superťažká voda má vysokú rádiotoxicitu.
Ťažké kyslíkové izotopové modifikácie vody
Termín ťažká voda sa používajú aj vo vzťahu k ťažkej kyslíkovej vode, v ktorej je obvyklý ľahký kyslík 16 O nahradený jedným z ťažkých stabilných izotopov 17 O alebo 18 O. Ťažké izotopy kyslíka existujú v prírodnej zmesi, preto sa v prírodnej vode nachádza vždy prímes oboch ťažkých kyslíkových modifikácií. Ich fyzikálne vlastnosti sa tiež trochu líšia od vlastností bežnej vody; takže bod tuhnutia 1H2180 je +0,28 °C.
Ťažká kyslíková voda, najmä 1 H 2 18 O, sa využíva v diagnostike onkologických ochorení (na cyklotróne sa z nej získava izotop fluóru-18, ktorý sa používa na syntézu liečiv na diagnostiku onkologických ochorení, najmä 18-fdg).
Celkový počet izotopových modifikácií vody
Ak spočítame všetko možné nerádioaktívne zlúčenín so všeobecným vzorcom H 2 O, potom je celkový počet možných izotopových modifikácií vody iba deväť (keďže existujú dva stabilné izotopy vodíka a tri kyslíka).
Mnoho ľudí sa pýta, čo presne je v prostredí ľahšie: voda alebo ľad? Koniec koncov, ľad je zamrznutá voda, a ak sa na to pozriete z iného uhla pohľadu, kvapalina je roztopená masa ľadu. Všetko v našom svete možno obrátiť hore nohami a prezentovať tak, že každý proces prebieha oboma smermi. Pri pokračovaní rozhovoru o gravitácii a následne aj hustote je však potrebné poznamenať, že v mnohých ohľadoch vďačí za svoju malú hmotnosť obyčajnému vzduchu.
Ľadové tajomstvá
Nie je potrebné hádať: dôvod spočíva v malých dutinách, ktoré sa vyskytujú pri zamrznutí vody. Tieto dutiny sú vyplnené obyčajným vzduchom a to dáva ľadu menšiu váhu. Veľmi užitočný jav, no nielen z tohto dôvodu sú vrstvy ľadu ľahšie. Nie je to tak dávno, čo sme hovorili o tom, že najväčšia hustota vody sa za normálnych podmienok dosahuje pri teplote 4 stupne Celzia. To znamená, že nulová teplota vody dáva nižšiu hustotu, teda väčší objem. Práve z tohto dôvodu (pretože ľad sa nemôže vytvárať pri teplotách vyšších ako 0) plávajú kusy ľadu.
Všetko zaujímavé je jednoduché
Ako môžete povedať viac o tomto zaujímavom fenoméne? Predstavte si teda proces, ktorý prebieha vo vode. Tento proces sa nazýva konvekcia: výmena energie cez vlákna. Aj v stojatej vode sú prúdy a pramienky, nemôžete sa od nich dostať preč a ani moderní vedci ešte nedokázali prísť na to, čo presne sa skrýva za povahou pohybu vody. Preto výmena energií prebieha neustále. Ak dôjde k výmene energie, zmení sa aj teplota. Keď k tomu pridáme zmenu hustoty, dostaneme, že voda, ktorá má vyššiu hustotu, klesne na dno. Nemôže však zamrznúť, pretože je na to príliš teplo.
Na uvoľnené miesto sa teda posúva menej hustý, teda taký, ktorý už prekonal bod +4 stupňov a blíži sa k nule. Táto voda má každú šancu zamrznúť. Takže hlavné charakteristiky ukazujú a dokazujú, že voda je hustejšia a ťažšia a ľad je ľahší. V prvom rade je to prítomnosť vzduchových bublín alebo nejakého plynu (napokon môže zamrznúť vzduch aj jeden plyn). Po druhé, nízka hustota a v dôsledku toho väčší objem. Spolu to dáva len o niečo nižšiu hustotu.
A ak sú masy ľadu ľahšie ako rovnaký objem vody, potom nie o veľa. Predstavte si rozdiel len desať percent. Kus ľadu môže mať obrovské množstvo dutín, ale ich celkový objem bude veľmi malý. Možno si predstaviť, že ak ľadovec pláva na vode, potom je 90% celkovej hmotnosti ľadovca skrytých pod okrajom vody. Neuveriteľné objemy a váhy, ktoré sa niekedy zdajú jednoducho fantastické. A predsa tieto predmety plávajú.
Keď je vo vode soľ
To všetko platí pre sladkú vodu. Čo povedať o slanom? Ona je . Zvyčajne označujú niečo od -3,2 do -3,5 stupňa. Ukazuje sa, že v tomto prípade, keď sa vďaka soli zväčší a pri mrazení, ľadové masy čiastočne odmietajú soľ takmer na molekulárnej úrovni, potom je rozdiel v hustotách oveľa výraznejší. A to už nie je desať percent, ale dosahuje takmer dvadsať. To znamená, že ak vezmete rovnaký ľadovec, potom 20% jeho hmotnosti bude nad vodou a 80% bude pod vodou.
Keďže toľko závisí od zloženia vody, nie je vždy možné rýchlo a objektívne povedať, o koľko ľahší je objem ľadu. Ale aj bez dôkladnej štúdie môžeme s istotou povedať, že vlhkosť je vždy ťažšia, inak by sa dnes v Arktíde často stretávali podmorské ľadovce.
Liter je jednotka objemu pre kvapalné látky. Je tiež prípustné merať sypké látky s dostatočne jemnou frakciou v litroch. Pre ostatné pevné látky sa používa pojem kubický meter (decimeter, centimeter). Definíciu pojmu a pojmu liter sformulovala Generálna konferencia pre váhy a miery v roku 1901. Definícia je nasledovná: 1 liter je objem jedného kilogramu čistej sladkej vody pri atmosférickom tlaku 760 mm Hg a teplote +3,98 ° C. Pri tejto teplote dosahuje voda najvyššiu hustotu.
Para, voda a ľad sú stavy tej istej látky, ktorej molekula obsahuje dva atómy vodíka a jeden atóm kyslíka. Rozdiel medzi kvapalnou vodou a pevnou vodou spočíva vo vlastnostiach medzimolekulových konštrukcií. Voda má vyššiu hustotu v kvapaline ako v pevnej látke.
Po prekročení teplotného prahu +3,98 ° C sa hustota vody opäť začne znižovať a pri +8 ° C opäť dosiahne rovnaké hodnoty ako pri nule.
čo je ťažšie?
Ak sa napríklad voda naleje do nádoby, bude mať objem rovný jednému litru. Ak túto vodu zmrazíte, potom pri rovnakej hmotnosti 1 kg bude mať zmrazujúca voda tendenciu zaberať viac miesta v nádobe. Uzavretá nádoba, obmedzená na kapacitu 1 m2. dm (1 liter), ľad sa prelomí. Ukazuje sa, že pri rovnakej hmotnosti tekutej a zamrznutej vody bude mať ľad väčší objem, čím sa naruší pôvodný stav.
Ak na začiatku vychádzame z rovnosti objemov a obmedzíme zamrznutú vodu - kúsok ľadu - na veľkosť kocky so stranou 1 dm (1 l), jej hmotnosť bude menšia ako pôvodný kilogram. Ako by to mohlo byť inak, ak by ste narezali a odstránili časť ľadu a prispôsobili kocku danému objemu. Preto je voda v objeme litra ťažšia ako ľad v rovnakom objeme.
Ak liter zamrazíte s 1 000 ml vody (1 liter), tak z neho počas procesu tuhnutia vytečie približne 80 ml vody. A na získanie 1 litra ľadu stačí zmraziť 920 ml vody.
Zmraziť a obnoviť
Dnes je čoraz ťažšie nájsť čistú prírodnú vodu. Najmä v podmienkach mesta, kde sa pred vstupom do bytu filtruje, chlóruje a podrobuje iným druhom fyzikálnych a chemických úprav. Čistá voda sa stáva vzácnou, cena vody vyrobenej z artézskych studní rastie. Ukázalo sa však, že voda po zmrazení obnovuje svoju pôvodnú štruktúru a energiu - je prečistená. Preto: pite roztopenú vodu! Niet divu, že všetky rastliny na ňu na jar tak dobre reagujú a zvieratá pijú s potešením.
Úžasnú schopnosť ľadu plávať a plávať na vodnej hladine nevysvetľuje nič iné ako základné fyzikálne vlastnosti, ktoré sa študujú na strednej a strednej škole. Je s určitosťou známe, že látky majú tendenciu expandovať pri zahrievaní, ako napríklad ortuť v teplomere, a voda tiež zamrzne a zväčší svoj objem, keď teplota klesne, čím sa na povrchu nádrží vytvorí ľadová kôra.
Zväčšenie objemu zamrznutej vody si často robí krutý vtip s tými, ktorí v mraze zabúdajú nádoby s tekutinou. Voda doslova rozbije nádobu.
Názor, že v novovytvorenej ľadovej vrstve sa objavujú mikroskopické póry naplnené vzduchom, nie je mylný, ale nedokáže náležite vysvetliť skutočnosť vzostupu. V súlade s princípmi odvodenými a formulovanými starovekým gréckym vedcom, neskôr nazývaným Archimedov zákon, telesá, ktoré sú ponorené do kvapaliny, sú z nej vytláčané silou, ktorá sa rovná hmotnostným charakteristikám kvapaliny vytlačenej týmto telesom. .
fyzika vody
Je s istotou známe, že ľad je asi o jednu desatinu ľahší ako voda, a preto sú obrovské ľadovce ponorené v oceáne asi deviatimi desatinami ich celkového objemu a sú viditeľné len pre malú časť. Tieto hmotnosti sa vysvetľujú vlastnosťami kryštálovej mriežky, ktorá, ako je známe, nemá vo vode usporiadanú štruktúru a vyznačuje sa neustálym pohybom a kolíziami molekúl. To vysvetľuje vyššiu hustotu vody v porovnaní s ľadom, ktorého molekuly pod vplyvom nízkych teplôt vykazujú nízku pohyblivosť a malú energetickú zložku, a teda aj nižšiu hustotu.
Je tiež známe, že voda má maximálnu hustotu a hmotnosť pri teplote rovnajúcej sa 4 ° C, ďalší pokles vedie k expanzii a zníženiu indexu hustoty, čo vysvetľuje vlastnosti ľadu. To je dôvod, prečo v nádržiach ťažká štvorstupňová voda klesá na dno a umožňuje chladnejšej vode stúpať a meniť sa na neklesajúci ľad.
Ľad má špecifické vlastnosti, napríklad je odolný voči cudzím prvkom, má nízku reaktivitu, vyznačuje sa pohyblivosťou atómov vodíka, a preto má nízku medzu klzu.
Je zrejmé, že táto vlastnosť je zásadná pre zachovanie života na Zemi, pretože ak by mal ľad schopnosť klesať pod vodný stĺpec, časom by sa po znížení teploty mohli všetky vodné útvary Zeme vyplniť vrstvami. sa neustále vytvárali na povrchu ľadu, čo by viedlo k prírodnej katastrofe a úplnému vymiznutiu flóry a fauny vodných útvarov od samotného rovníka k opačným pólom.
a ako sa líši od ľahkého.
Mnohí počuli o existencii akejsi „ťažkej vody“, ale len málo ľudí vie, prečo sa nazýva ťažká a kde sa táto báječná látka vo všeobecnosti nachádza. Účelom tohto materiálu je objasniť situáciu, a Rovnakým spôsobom vysvetliť, že nič nebezpečné a báječné v ťažkej vode nie a že je v malých množstvách prítomný takmer vo všetkých bežných vodách, vrátane tých, ktoré pijeme každý deň.
„Ťažká voda“ je v porovnaní s obyčajnou vodou naozaj ťažká. Nie veľa, asi desatina hmotnosti, ale dosť na to, aby sa zmenili vlastnosti tejto vody. A jej „gravitácia“ spočíva v tom, že namiesto „ľahkého vodíka“ alebo protium, 1H, obsahujú molekuly tejto vody ťažký izotop vodík 2H, čiže deutérium (D), v ktorého jadre je okrem protónu ešte jeden neutrón. Z hľadiska chémie je vzorec ťažkej vody rovnaký ako vzorec jednoduchej, H2O, ale fyzici urobili úpravy, a preto je zvykom písať vzorec ako - D2O alebo 2H2O. Existuje aj iná verzia ťažkej, alebo nazývanej aj „superťažká“ voda – T2O je oxid trícia, izotop vodíka sdva neutróny v jadre (a celkovo sú tam tri nukleóny, teda "trícium"). Ale tri t ii je rádioaktívny a vojenský použitie ako surovina pre vodíkové bomby(a zodpovedajúcim spôsobom, tajný všetko, čo s tým súvisí - pre každý prípad), takže v tomto materiáli nebudeme hovoriť o superťažkej vode.
Prečo je ťažká voda taká cenná, že je nielen izolovaná od jednoduchej vody (a verte mi, že je to celé), ale sa aj nosí ako s napísaným vrecom?
A celá pointa je v dodatočných neutrónoch, ktoré sa pripojili k jadrám protia. Ak zvážiť nie molekula vody ako celok, ale atómy vodíka oddelene , ukazuje sa, že sa stali dvakrát tak ťažkými! Nie jednu desatinu, ale dve! T.j," tučnejšie“ sa stali, tmúdrejší. A keďže sú tučnejšie, ako všetci obézni ľudia sa nechcú veľmi hýbať. Sú "lenivé", málo aktívne v porovnaní s protium a presne toto vysvetľujú všetky rozdiely vo vlastnostiach medzi ľahkou a ťažkou vodou.
Začnime zoznamom týchto vlastností.
Ťažká voda nemá vôňu ani farbu;týmto parametromľahká a ťažká voda nerozlišovať.
Jeho teplota topenia je vyššia, ťažký vodný ľad sa začína vytvárať už pri teplote 3,813 °C
vrie má vyššiu teplotu - 101,43 °C
Viskozita ťažkej vody je o 20% vyššia ako viskozita obyčajnej
Hustota - 1, 1042 g/cm3 pri 25°C, čo tiež nie je veľa, ale je vyššia ako hustota bežnej vody.
To znamená, že ich možno rozlíšiť aj na primitívnej, každodennej úrovni. Ťažká voda má ale aj vlastnosti, ktoré sa ťažko definujú „doma v kuchyni“. Napríklad:
Ťažká voda, na rozdiel od ľahkej vody, veľmi zle pohlcuje neutróny. A preto je ideálnym moderátorom pre jadrové reakcie na pomalých, „tepelných“ neutrónoch.
Má aj ďalšie špecifické vlastnosti, ktoré však presahujú rámec filistínskeho vnímania a sú zaujímavé najmä pre úzkych odborníkov., takže ani o nich sa nebudeme baviť.
Kde sa nachádza táto „ťažká voda“? Kde je tento magický zdroj hodnotného obsahu? Cenné, veď kilogram ťažkej vody stojí viac ako tisíc eur.
Ale neexistuje žiadny, magický zdroj! Nachádza sa... Všade.
V priemere je pomer ťažkých a bežných molekúl vody v prírode 1:5500. Táto hodnota je však „nemocničný priemer“; v morskej vode je obsah ťažkých izotopov vyšší, v riečnej a dažďovej vode citeľne nižší. (1:3000-3500 vs 1:7000-7500). V závislosti od regiónu a lokality sú tiež výrazné rozdiely v koncentráciách. Existujú aj samostatné zdroje (oddelené regióny), kde koncentrácia ťažkej vody klesá a je porovnateľná s koncentráciou bežnej protium , ale to sú výnimočné prípady.
Na jednej strane je hojnosť ťažkej vody požehnaním. Dá sa nájsť doslova všade, v akomkoľvek pohári. Na druhej strane nízka koncentrácia neprispieva izolovať ho v čistej forme, oddelene od protium . Z toho vyplývajú vysoké náklady na jeho získanie.
Zaujímavé, ale pravdivé: vedci, ktorí objavili ťažkú vodu, to považovali za vedecký incident, niečo bezvýznamné, vedľajšie a zábavné. Hnevidel v jeho aplikácii veľké príležitosti(inými slovami, buďme objektívniv takejto situácii s vedeckými objavmi na každom kroku). A až o nejaký čas neskôr, úplne inými výskumníkmi, objavili jeho vedecký a priemyselný potenciál.
Používa sa „ťažká voda“:
V jadrových technológiách;
V jadrových reaktoroch na spomaľovanie neutrónov a ako chladivo;
Ako izotopový indikátor v chémii, fyzike, biológii a hydrológii;
Ako detektor niektorých elementárnych častíc;
Je dosť pravdepodobné, že vDohľadná budúcnosťťažká voda bude nekonečný zdroj energie vedci vážne uvažujú o tom, ako použiť deutérium a ako palivo preriadená termonukleárna fúzia.Ale to je ešte z ríše fantázie, aj keď úspech áno daný oblasti sú nepopierateľné.
Chemici sa o ťažkú vodu zaujímajú, pretožedeutérium z neho získané sa ľahko stanoví jednoduchými laboratórnymi metódami. A ak s jeho pomocou syntetizujete dané látky, úplne nahradíte protium deutériom a skombinujete ich s inými, „normálnymi“ látkami, môžete sledovať, ktorý atóm vodíkapočas reakcievstúpil do zloženia tejto molekuly a ktorý - iný. To znamená, že pomocou deutéria chemici „označia“ molekuly a uvidia, ako prebieha mechanizmus konkrétnej reakcie. A verte, že táto metóda stojí za to nazvať ju revolučnou – svojho času premenila poznatky mnohých teoretikov, ktorí vedeli „ako by to malo byť“, čím ich prinútila znova a znova revidovať zákony prírody, nachádzať nové a nové príčiny.investigatívne odkazy, budujú nové hypotézy a teórie, ktoré, samozrejme, výrazne posunuli chémiu ako vedu.
Pre jednoduchého laika je to od teoretickej chémie zaujímavejšie, ale ako pôsobí ťažká voda na človeka a vôbec na biologické systémy ako také? A to je veľmi správny záujem. Pre ťažkú vodu pre živé organizmy je JED!
Na rozdiel od ťažkej vody mierne, utlmuje vitalitu procesov na všetkých úrovniach. Biológovia to nazývajú „mŕtva voda“ . V jej prítomnostichemické reakcie sú spomalenébiologické procesy… TO aspoň spomaliť. Vrátane napríklad rozmnožovania mikróbov a baktérií sa spomaľuje a zastavuje.
Pokusy na cicavcoch ukázali, že nahradenie 25 % vodíka v tkanivách deutériom vedie k sterilite, vyššie koncentrácie vedú k rýchlej smrti zvieraťa. H niektoré mikroorganizmy sú schopné žiť v 70% ťažkej vode) (prvoky) a dokonca aj v čistej ťažkej vode (baktérie), ale to sú výnimky. Človek môže vypiť pohár ťažkej vody bez viditeľného poškodenia zdravia, všetko deutérium sa z tela odstráni za niekoľko dní, ale pri neustálej dlhšej expozícii začína výmena vody v tkanivách, po ktorej sa objavia negatívne dôsledky.
Ako experiment sa vedci pokúsili piť ťažké vodné myši so zhubnými nádormi. No, živo si zapamätajte rozprávku th a mŕtva voda, kde mŕtvy lieči rany? A podarilo sa – voda sa ukázala byť skutočne mŕtva, nádory zničené! Pravdaže, spolu s myšami. Tiež ťažká vodau negatívne na rastliny. Pokusným psom, potkanom a myšiam bola podávaná voda, z ktorej tretina bola nahradená ťažkou vodou., h po krátkom časeoni majúzačala metabolická porucha, zlyhanie obličiek. S nárastom podielu ťažkej vody zvieratá uhynuli.
Je tu však aj druhá strana mince: naopak, znížiť obsah deutéria 25 % pod normou vo vode, ktorá bola podávaná zvieratám, mal priaznivý vplyv na ich vývoj: ošípané, potkany a myši rodili potomstvo mnohonásobne početnejšie a väčšie ako zvyčajne a produkcia vajec kurčatá sa zdvojnásobili.Teda okrem „mŕtvej vody“ vedci objavili aj „živú“ vodu a detská rozprávka sa stala skutočnosťou.
Ako sa vyhnúť kontaktu s „mŕtvou“ vodou a zvýšiť využitie „živej“? Pravdepodobne nie. To aj to sa ukáže v priemyselnom meradle a bude to stáť šialené peniaze. V bežnom živote však, hoci nie sme silní, vieme ovplyvniť kvalitu vody, ktorú používame.Napríklad dažďová voda obsahuje výrazne viac ťažkej vody ako snehu. Takže v „mystickom »experimenty s roztopenou vodou a jej účinok na telo nie sú až také mystické. Je v nej aj vyšší obsah ťažkej vodymora a v procese odsoľovania pomocou reverznej osmózy sa iba hromadí, čo by sa malo brať do úvahy pri projektovaní odsoľovacích zariadení. Známe sú prípady, kedy sa obeťou neznalosti tejto skutočnosti stali celé regióny. Ľudia žijúci v týchto regiónoch pravidelne využívali odsolenú morskú vodu s vysokým obsahom deutéria, v dôsledku čoho mnohí obyvatelia ochoreli na vážne choroby.
Avšak v prírode nie je nič zbytočné,A nebuďte príliš tvrdý na ťažkú vodu.označovať ju jedom alebo ju nazývať „zbytočnou“. Ona je vyžaduje od nás osobitný primeraný prístup, pozornosť aďalšie štúdium, a to nie je veľký rozdiel. z veľkého množstvalátok ktoré si vyžadujú viac pozornosti. Chémia je veda, takže k problému musíte pristupovať s celým arzenálom jej schopností.
M. ADŽIEV
Ťažká voda je veľmi drahá a vzácna. Ak sa však podarí nájsť lacný a praktický spôsob, ako ho získať, rozsah tohto vzácneho zdroja sa výrazne rozšíri. Môžu sa otvoriť nové stránky v chémii, biológii, a to sú nové materiály, neznáme zlúčeniny a možno neočakávané formy života.
Ryža. jeden.
Molekuly vody sú navzájom pevne spojené a tvoria stabilnú molekulárnu štruktúru, ktorá odoláva akýmkoľvek vonkajším vplyvom, najmä tepelným. (To je dôvod, prečo je potrebné veľa tepla, aby sa voda zmenila na paru.) Molekulárnu štruktúru vody drží pohromade rámec špeciálnych kvantovo-mechanických väzieb, ktoré v roku 1920 pomenovali dvaja americkí chemici Latimer a Rodebush ako vodíkové väzby. Všetky anomálne vlastnosti vody, vrátane nezvyčajného správania pri mrazení, sú vysvetlené z hľadiska konceptu vodíkových väzieb.
Voda v prírode má niekoľko druhov. Obyčajný alebo protium (H20). Ťažké alebo deutérium (D 2 O). Superťažký, čiže trícium (T 2 O), no v prírode takmer chýba. Voda sa líši aj izotopovým zložením kyslíka. Celkovo existuje najmenej 18 jeho izotopových odrôd.
Ak otvoríme vodovodný kohútik a naplníme kanvicu, nebude tam homogénna voda, ale jej zmes. Zároveň bude len veľmi málo „inklúzií“ deutéria – asi 150 gramov na tonu. Ukazuje sa, že ťažká voda je všade - v každej kvapke! Problém je, ako to zobrať. V dnešnej dobe je na celom svete jeho ťažba spojená s obrovskými nákladmi na energiu a veľmi zložitým zariadením.
Existuje však predpoklad, že na planéte Zem sú možné také prirodzené situácie, keď sa ťažká a obyčajná voda od seba na nejaký čas oddelia - D 2 O z rozptýleného, „rozpusteného“ stavu prechádza do koncentrovaného. Takže možno sú tam ložiská ťažkej vody? Zatiaľ neexistuje jednoznačná odpoveď: nikto z výskumníkov sa touto problematikou predtým nezaoberal.
A zároveň je známe, že fyzikálno-chemické vlastnosti D 2 O sú úplne odlišné od vlastností H 2 0, jeho stáleho spoločníka. Bod varu ťažkej vody je teda +101,4 °C a zamrzne pri +3,81 °C. Jeho hustota je o 10 percent väčšia ako hustota obyčajného.
Treba tiež poznamenať, že pôvod ťažkej vody je zjavne čisto pozemský - vo vesmíre sa nenašli žiadne jej stopy. Deutérium vzniká z protia záchytom neutrónu z kozmického žiarenia. Oceány, ľadovce, atmosférická vlhkosť – to sú prirodzené „továrne“ ťažkej vody.
Ryža. 2. Závislosť hustoty obyčajnej a ťažkej vody od teploty. Rozdiel v hustote jedného a druhého druhu vody presahuje 10%, a preto sú možné podmienky, keď k prechodu do tuhého stavu po ochladení dochádza najskôr v ťažkej vode a potom v bežnej vode. Fyzika v každom prípade nezakazuje objavenie sa oblastí tuhej fázy s vysokým obsahom deutéria. Tento "ťažký" ľad na diagrame zodpovedá zatienenej oblasti. Ak by voda bola skôr „normálna“ než anomálna kvapalina, potom by závislosť hustoty od teploty mala tvar znázornený bodkovanou čiarou.
Takže, keďže existuje výrazný rozdiel v hustote medzi D 2 O a H 2 O, potom je to hustota, ako aj stav agregácie, ktoré môžu slúžiť ako najcitlivejšie kritériá pri hľadaní možných usadenín ťažkej vody - koniec koncov, tieto kritériá sú spojené s okolitou teplotou. A ako viete, prostredie je najviac „kontrastné“ vo vysokých zemepisných šírkach planéty.
Ale už sa vytvoril názor, že vody vysokých zemepisných šírok sú chudobné na deutérium. Dôvodom boli výsledky štúdií vzoriek vody a ľadu z Veľkého medvedieho jazera v Kanade a z ďalších severných nádrží. V obsahu deutéria dochádzalo aj k výkyvom podľa ročných období – v zime je to napríklad v rieke Columbia menej ako v lete. Tieto odchýlky od normy súviseli so zvláštnosťami distribúcie zrážok, ktoré, ako sa bežne predpokladá, „prenášajú“ deutérium okolo planéty.
Zdá sa, že nikto z výskumníkov si okamžite nevšimol skrytý rozpor v tomto tvrdení. Áno, zrážky ovplyvňujú distribúciu deutéria vo vodných útvaroch planéty, ale neovplyvňujú globálny proces tvorby deutéria!
S príchodom jesene na severe začína v riekach prudké ochladzovanie vodnej masy, ktorá sa vplyvom permafrostu zrýchľuje, zároveň dochádza k asociácii molekúl H 2 O. Napokon prichádza kritický moment maximálnej hustoty. - teplota vody je všade trochu pod + 4 ° С. A potom v zóne blízko dna v niektorých oblastiach je uvoľnený podvodný ľad intenzívne zamrznutý.
Na rozdiel od bežného ľadu nemá pravidelnú kryštálovú mriežku, má inú štruktúru. Centrá jeho kryštalizácie sú rôzne: kamene, úlomky a rôzne nepravidelnosti, ktoré nemusia nevyhnutne ležať na dne a spojené so zamrznutou zemou. Na hlbokých riekach sa objavuje voľný ľad s pokojným – laminárnym – prúdením.
Tvorba ľadu pod vodou sa zvyčajne končí vyplávaním ľadových krýh na povrch, hoci v tomto čase tam žiadny iný ľad nie je. V lete sa občas objaví aj podvodný ľad. Vynára sa otázka: čo je to za „vodu vo vode“, ktorá mení svoj stav agregácie, keď je ustálená teplota v rieke príliš vysoká na to, aby sa obyčajná H 2 O zmenila na ľad, takže, ako hovoria fyzici, dochádza k fázovému prechodu?
Dá sa predpokladať, že voľný ľad predstavuje obohatené koncentrácie ťažkej vody. Mimochodom, ak je to tak, musíte si uvedomiť, že ťažká voda je na nerozoznanie od obyčajnej vody, ale jej konzumácia v tele môže spôsobiť ťažkú otravu. Mimochodom, miestni obyvatelia vysokých zemepisných šírok nepoužívajú riečny ľad na varenie - iba jazerný ľad alebo sneh.
„Mechanizmus“ fázového prechodu D 2 O v rieke je veľmi podobný tomu, ktorý používajú chemici v takzvaných kryštalizačných kolónach. Len v severnej rieke sa „stĺpec“ tiahne stovky kilometrov a nie je tak teplotne kontrastný.
Ak si uvedomíme, že stredmi kryštalizácie prejdú za krátky čas stovky a tisíce metrov kubických vody, z ktorej sa premení na ľad - zamrzne - aj tisícina percenta, tak to stačí na to, aby sme hovorili o tzv. schopnosť ťažkej vody koncentrovať sa, potom je tvorba usadenín.
Iba prítomnosť takýchto koncentrácií môže vysvetliť preukázaný fakt, že v zime percento deutéria v severných vodných útvaroch výrazne klesá. Áno, a polárne vody, ako ukazujú vzorky, sú tiež chudobné na deutérium a v Arktíde je pravdepodobné, že existujú oblasti, kde plávajú iba ľadové kryhy obohatené o deutérium, pretože uvoľnený ľad na dne sa objavuje ako prvý a roztápa sa ako posledný.
Štúdie navyše ukázali, že ľadovce a ľad vo vysokých zemepisných šírkach sú vo všeobecnosti bohatšie na ťažké izotopy ako vody obklopujúce ľad. Napríklad v Južnom Grónsku, v okolí stanice Dai-3, boli na povrchu ľadovcov identifikované izotopové anomálie, pričom pôvod takýchto anomálií nebol doteraz vysvetlený. To znamená, že možno stretnúť aj ľadové kryhy obohatené o deutérium. Pointa, ako sa hovorí, je malá - musíte nájsť tieto stále hypotetické ložiská ťažkej vody.
M. ADŽIEV, geograf.
Zdroje informácií:
- L. Kulský, V. Dahl, L. Lenchina. Voda je známa a tajomná.
- K .: "Rajanská škola", 1982. - Veda a život číslo 10, 1988.
