Важка вода
Важка́ вода́ (D2O) — вода, молекула якої складається з двох атомів дейтерію та атома кисню. Вода з формулою HDO називається напівважкою, а H2O — легкою.
| Важка вода | |
|---|---|
| |
| |
| Інші назви | оксид дейтерію |
| Ідентифікатори | |
| Номер CAS | 7789-20-0 |
| PubChem | 24602 |
| Номер EINECS | 232-148-9 |
| KEGG | D03703 |
| Назва MeSH | D01.045.250.875.200, D01.248.497.158.459.650.200, D01.268.406.500.250 і D01.362.340.500.250 |
| ChEBI | 41981 |
| RTECS | ZC0230000 |
| SMILES | [2H]O[2H] |
| InChI | InChI=1S/H2O/h1H2/i/hD2 |
| Номер Гмеліна | 97 |
| Властивості | |
| Молекулярна формула | D2O, 2H2O |
| Молярна маса | 20,04 г/моль |
| Зовнішній вигляд | безбарвна рідина без запаху і смаку |
| Густина | 1,1042 г/см³ |
| Тпл | 3,81 °C |
| Ткип | 101,43 °C |
| Розчинність (вода) | необмежена |
| Розчинність (діетиловий етер) | малорозчинна |
| Розчинність (етанол) | необмежена |
| Тиск насиченої пари | 10 мм рт. ст. при 13,1 °C 100 мм рт. ст. при 54 °C |
| Показник заломлення (nD) | 1,32844 (при 20 °C) |
| В'язкість | 1,25 мПа·с (при 20 °C) |
| Дипольний момент | 1,87 D |
| Небезпеки | |
| NFPA 704 |
 0
1
1
|
| Якщо не зазначено інше, дані наведено для речовин у стандартному стані (за 25 °C, 100 кПа) | |
| Інструкція з використання шаблону | |
| Примітки картки | |
Порівняння фізичних властивостей важкої та легкої води
ред.Молекула важкої води доволі суттєво відрізняється за масою від молекули легкої води, внаслідок чого помітно відрізняються також фізичні властивості.
| Властивість | D2O (Важка вода) | H2O (легка вода) |
|---|---|---|
| Температура замерзання (°C) | 3,82 | 0,0 |
| Температура кипіння (°C) | 101,4 | 100,0 |
| Густина при нормальних умовах (г/мл) | 1,1056 | 0,9982 |
| Температура максимальної густини (°C) | 11,6 | 3,98 |
| В'язкість (за 20 °C, мПа·с) | 1,25 | 1,005 |
| Поверхневий натяг (за 25 °C, мкДж) | 7,193 | 7,197 |
| Теплота плавлення (кал/моль) | 1,515 | 1,436 |
| Теплота випаровування (кал/моль) | 10,864 | 10,515 |
| pH (за 25 °C) | 7,41 (іноді позначається «pD») | 7,00 |
| Показник поглинання (за 20 °C, на довжині хвилі 589,3 нм)[1] | 1,32844 | 1,33335 |
Поширення у природі
ред.Природна вода містить невелику кількість атомів дейтерію у складі молекул напівважкої води HDO. Одна така молекула припадає на 3200–3800 молекул легкої води. Важкої води з формулою D2O дуже мало, оскільки ймовірність двох атомів дейтерію зустрітися у складі однієї молекули води в природі мала (близько 0,5×10-7).
Важка вода зустрічається в природі практично у всіх природних водоймах, однак вміст її складає мільйонні частки відсотка. При цьому в ізольованих водоймах в областях, де відзначаються спекотні кліматичні умови, а також в океанічних водах екватора і тропіків вміст важкої води більше. А в Антарктиді та льодах Гренландії її присутність є мінімальною[2]. Наразі існує гіпотеза про те, що важка вода може міститися в донному льоді.[3][4][5] Гіпотеза викликала інтерес фахівців.[6] На думку мерзлознавця Алексєєва В. Р., якщо ця гіпотеза підтвердиться, «заготівля» важкої води стане справою техніки[2].
Отримання
ред.Оскільки різниця у властивостях дейтерію та протію є невеликою, коефіцієнти розділення для різних методів також є невеликими і тому виробництво важкої води пов'язане із необхідністю проведення багатоступеневого протиструменевого процесу концентрування, що здійснюється у каскаді багатоступеневих апаратів.
Ряд методів отримання важкої води не мають промислового значення внаслідок низької продуктивності (дифузія, термодифузія, адсорбція), невеликого коефіцієнту розділення (абсорбція, екстракція), важкості здійснення протитоку (дробна кристалізація, зонне плавлення). Концентрація атомів дейтерію збільшується при електролізі, оскільки на електродах виділяється відносно вища доля протію. Основним методом отримання важкої води є багаторазовий електроліз у комбінації із ізотопним обміном між водою та воднем, ректифікація води, низкотемпературна ректифікація водню, двохтемпературний обмін між водою та сірководнем.
Сполученням у каскад окремих пар багатоступеневих апаратів, які працюють один за низької, інший за високої температур, вперше запропонували Гартек й Зюсс. Розміри ступенів у каскаді зменшуються зворотно пропорційно підвищенню концентрація, проведення двохтемпературного процесу по такій схемі пов'язане із багатократним повторенням нагрівання та охолодження потоків, що обумовлює великі витрати енергії[7].
Використання
ред.Важка вода використовується як сповільнювач нейтронів у ядерних реакторах. Таке використання зумовлене тим, що на відміну від легкої води, важка вода набагато менше поглинає нейтрони.
Біологічна роль та фізіологічна дія
ред.Важка вода слабко токсична, хімічні реакції в її середовищі проходять дещо повільніше у порівнянні зі звичайною водою, водневі зв'язки з участю дейтерію дещо міцніші від звичайних. Експерименти над ссавцями (миші, щури, собаки)[8] показали, що заміщення 25 % протію в тканинах дейтерієм призводить до стерильності, іноді незворотної[9][10]. Вищі концентрації призводять до швидкої загибелі тварини; так, ссавці, що пили важку воду протягом тижня, загинули, коли половина води в їхньому тілі була дейтерована; риби та безхребетні гинуть лише при 90 % дейтеруванні води в тілі[11]. Найпростіші здатні адаптуватися до 70 % розчину важкої води, а водорості й бактерії здатні жити навіть у чистій важкій воді[8][12][13][14][15].
Людина може без видимої шкоди для здоров'я випити кілька склянок важкої води, увесь дейтерій буде виведений з організму через кілька днів. Таким чином, важка вода набагато менш токсична, ніж, наприклад, кухонна сіль.
Важка вода використовувалася для лікування артеріальної гіпертензії у людей в добових дозах від 10 до 675 г D2O за день[16].
В організмі людини міститься у вигляді природної домішки стільки ж дейтерію, скільки у 5 грамах важкої води; цей дейтерій переважно входить до складу молекул напівважкої води HDO, а також усіх інших біологічних сполук, що містять водень.
Інші різновиди важких вод
ред.У природі існує два стабільних ізотопи водень — протій (позначається 1H чи H) і дейтерій (2H чи D), та три — кисню (16O, 17O і 18O). Це дає дев'ять нерадіоактивних різновидів молекул сполуки з формулою H2O. Сполука H216O називається легкою водою, H218O — важкокисневою, HD16O — напівважкою і D216O — важкою водою.
З урахуванням радіоактивного тритію (3H чи T) загальна кількість різновидів важкої води зростає до 18. T216O називають надважкою водою.
Формально, якщо врахувати усі відомі ізотопи водню (7) та кисню (17), можна отримати 476 різновидів важкої води. Однак період піврозпаду радіоактивних ізотопів водню, важчих від тритію, та інших — окрім зазначених вище — ізотопів кисню дуже малий, тому отримати макроскопічні зразки води з такими ізотопними різновидами неможливо.
Цікаві факти
ред.На смак важка вода дещо солодка, "немов у воду додали трохи цукру". Принаймні так стверджує користувач Facebook NileRed, який розмістив на свої сторінці відео споживання важкої води і описав її смак. Також, дослідним шляхом було встановлено, що важка вода не лише має солодкий смак, але і збільшує інтенсивність солодкого смаку інших речовин (вуглеводів, синтетичних підсолоджувачів), не змінюючи інтенсивність інших модальностей смаку[17].
Див. також
ред.Примітки
ред.- ↑ RefractiveIndex.INFO. Архів оригіналу за 1 липня 2013. Процитовано 30 липня 2009.
- ↑ а б Алексеев В. Р. Этот загадочный обыкновенный лёд [Архівовано 29 січня 2021 у Wayback Machine.] //Наука и техника в Якутии № 2 (37) 2019.
- ↑ Аджиев М. Э. Явление криогенного концентрирования тяжелой воды // Материалы гляциологических исследований.— Т. 65. 1989. С. 65
- ↑ Аджиев М. Э. Осторожно, тяжелая вода! [Архівовано 29 серпня 2020 у Wayback Machine.] // Наука и жизнь. 1988, № 10
- ↑ Аджиев М. Э. Тяжелая вода? Почему бы и нет! [Архівовано 8 серпня 2018 у Wayback Machine.] — М.: Знание. 1989, № 3.
- ↑ Див. наприклад:
- Дягтерев К. В поисках тяжёлой воды // Русское Географическое общество: Информационный портал.
- Цымбал Л. А. Синергетика информационных процессов: закон информативности и его следствия. — М.: Наука. 1995.
- Андреева Е. А., Константинова Н. А., Буравкова Л. Б., Синяк Ю. Е. Влияние воды различного изотопного состава на пролиферативную активность эндотелиальных клеток in vitro // «Авиакосмическая и экологическая медицина».— Т.39, № 3, 2005.
- Турчин А. В. Структура глобальной катастрофы: Риски вымирания человечества в XXI веке [Архівовано 25 лютого 2020 у Wayback Machine.].— М.: ЛКИ, 2011.
- Семиков С. Лед и пламень [Архівовано 15 вересня 2020 у Wayback Machine.] // Инженер. 2005. № 2.
- Петров М. Н., Петров И. М. Патент на изобретение № 2366949. // Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.
- Ирбэ В. А. Выделение в толщах пород интервалов, содержащих углеводороды и воду в различных фазовых состояниях методами разведочной, скважинной геофизики, нетрадиционным методом биолокации. // Геология и нефтегазоносность Западносибирского мегабассейна: Материалы Шестой Всероссийской научно- техниеческой конференции (23 – 24 апреля 2009 год) – Тюмень, 2009.
- Будник С. В. Талый сток со склонов[недоступне посилання]. – Житомир: Изд-во ЖДУ им. И. Франко, 2010.
- Алексеев В. Р. Этот загадочный обыкновенный лёд // Наука и техника в Якутии. 2019, №2 (37)
- ↑ К.И.Сакодинский, Н.М.Жаворонков - Двухтемпературные методы получения тяжелой воды.
- ↑ а б D. J. Kushner, Alison Baker, and T. G. Dunstall (1999). Pharmacological uses and perspectives of heavy water and deuterated compounds (PDF). Can. J. Physiol. Pharmacol. 77 (2): 79—88. doi:10.1139/cjpp-77-2-79. PMID 10535697. Архів оригіналу (PDF) за 5 березня 2016. Процитовано 17 жовтня 2012.
used in boron neutron capture therapy ... D2O is more toxic to malignant than normal animal cells ... Protozoa are able to withstand up to 70% D2O. Algae and bacteria can adapt to grow in 100% D2O
(англ.) - ↑ Лобышев В.Н, Калиниченко Л. П. Изотопные эффекты D2O в биологических системах. — М.: Наука, 1978. — 215 с.
- ↑ Vertes A. Physiological effects of heavy water. Elements and isotopes: formation, transformation, distribution. — Dordrecht: Kluwer Acad. Publ., 2004. — 112 p. (англ.)
- ↑ Trotsenko, Y. A., Khmelenina, V. N., Beschastny, A. P. (1995) The Ribulose Monophosphate (Quayle) Cycle: News and Views. Microbial Growth on C1 Compounds, in: Proceedings of the 8th International Symposium on Microbial Growth on C1 Compounds (Lindstrom M.E., Tabita F.R., eds.). San Diego (USA), Boston: Kluwer Academic Publishers, pp. 23-26 (англ.)
- ↑ Мосин, О. В., В. И. Швец, Складнев Д. А., И. Игнатов. Микробный синтез дейтерий-меченного L-фенилаланина факультативной метилотрофной бактерией Brevibacterium Methylicum на средах с различными концентрациями тяжелой воде// Биофармацевтический журнал. 2012. Т.4. № 1. С. 11-22.
- ↑ Мосин, О. В., Игнатов, И. Изотопные эффекты дейтерия в клетках бактерий и микроводорослей при росте на тяжелой воде (D2O) //Вода: химия и экология. 2012 № 3. С. 83-94.
- ↑ Crespi H.L. Fully deuterated microorganisms: tools in magnetic resonance and neutron scattering. Synthesis and Applications of Isotopically Labeled Compounds / in: Proceedings of an International Symposium. Baillie T, Jones J.R eds. Amsterdam: Elsevier. 1989. pp. 329—332. (англ.)
- ↑ Mosin, O. V., I. Ignatov, I. (2013) Microbiological Synthesis of 2H-Labeled Phenylalanine, Alanine, Valine, and Leucine/Isoleucine with Different Degrees of Deuterium Enrichment by the Gram-Positive Facultative Methylotrophic Bacterium Brevibacterium Methylicum, International Journal of BioMedicine, Vol. 3, N 2, pp. 132—138 (англ.)
- ↑ 223 269 US patent 5 223 269, "Method and composition for the treatment of hyoertension" (англ.)
- ↑ Ben Abu, Natalie; Mason, Philip E.; Klein, Hadar; Dubovski, Nitzan; Ben Shoshan-Galeczki, Yaron; Malach, Einav; Pražienková, Veronika; Maletínská, Lenka; Tempra, Carmelo (6 квітня 2021). Sweet taste of heavy water. Communications Biology (англ.). Т. 4, № 1. с. 1—10. doi:10.1038/s42003-021-01964-y. ISSN 2399-3642. Процитовано 24 липня 2023.