Тяжелая вода: секретное оружие или мирный атом?
Тяжелая вода. Что скрывается за этим загадочным названием? Вещество с необычными свойствами, которое может быть использовано и в мирных, и в военных целях. В 1932 году Гарольд Юри открыл в обычной воде молекулы неизвестного соединения. Это была тяжелая вода, или оксид дейтерия. Через год химик Гилберт Льюис впервые выделил чистое вещество. С тех пор тяжелая вода привлекает пристальное внимание ученых и правительств.
История открытия тяжелой воды
В 1932 году американский физик Гарольд Юри при исследовании воды обнаружил неизвестные ранее молекулы. Они оказались соединением водорода с его тяжелым изотопом дейтерием и обычным кислородом. Это была тяжелая вода с химической формулой D2O.
Молекулы тяжеловодородной воды впервые обнаружил в природной воде Гарольд Юри в 1932 году, за что ученый был удостоен Нобелевской премии по химии в 1934 году.
В 1933 году химик Гилберт Льюис сумел выделить чистую тяжелую воду методом электролиза. Это было первое получение вещества в макроскопических количествах.
Уникальные свойства тяжелой воды
По внешнему виду тяжелая вода ничем не отличается от обычной - это бесцветная жидкость без запаха. Однако ее свойства существенно иные.
- Плотность тяжелой воды на 10% выше, чем у H2O.
- Температура замерзания - 3,82°C, кипения - 101,42°C.
- Теплоемкость выше на 3-5%, теплопроводность ниже на 25%.
- Молекулы D2O образуют на 25% больше водородных связей.
- У тяжелой воды сладковатый вкус, как 0,05М раствор сахарозы.
Эти особенности обусловлены увеличенной массой и размером молекул по сравнению с H2O. Некоторые физические характеристики тяжелой воды представлены в таблице:
| Характеристика | D2O | H2O |
| Молярная масса, г/моль | 20,03 | 18,02 |
| Плотность, г/см3 (20°C) | 1,105 | 0,998 |
| Температура плавления, °C | 3,82 | 0 |
Применение тяжелой воды
Благодаря уникальным свойствам тяжелая вода нашла широкое применение в различных областях.
- Ядерная энергетика. Используется в качестве замедлителя нейтронов и теплоносителя в тяжеловодных реакторах.
- Медицина. Применяется в диагностике онкозаболеваний с помощью изотопа фтор-18.
- Биология и химия. Служит индикатором в исследованиях обмена веществ.
- Гидрология. Помогает отслеживать источники подземных вод.
Крупнейшим производителем тяжелой воды в мире является Канада. Это связано с использованием дейтерия в канадских ядерных реакторах типа CANDU.
CANDU (CANada Deuterium Uranium) – канадский тяжеловодный ядерный реактор, работающий на природном необогащенном уране. В качестве теплоносителя и замедлителя используется тяжелая вода.
Технологии производства тяжелой воды
Получение тяжелой воды - сложный и энергозатратный процесс. В природных водах содержится лишь 0,015% D2O. Поэтому применяются специальные методы для концентрирования и выделения дейтерия.
Электролиз воды
Первый способ получения чистой тяжелой воды - электролиз. При прохождении электрического тока происходит постепенное обогащение электролита молекулами D2O и HDO.
Ректификация водорода
Метод основан на разнице температур кипения водорода и дейтерия. Позволяет получать D2 в газообразном виде.
Изотопный обмен
Наиболее распространенный промышленный способ. Происходит обмен изотопами водорода между молекулами H2S и H2O.
Токсическое действие тяжелой воды
Несмотря на широкое применение, тяжелая вода может оказывать токсическое воздействие на живые организмы. Причина в том, что D2O замещает H2O в обмене веществ, нарушая биохимические процессы.
- У грызунов наблюдается снижение веса, нарушения координации и летальный исход.
- У растений - задержка роста, деформация листьев и цветков.
- У человека опасная доза - замещение 20% воды в организме.
Отработавшее ядерное топливо, содержащее дейтерий, требует особых методов переработки и захоронения.
Мокрое хранение
Используемый в России метод. Отработавшие тепловыделяющие сборки помещают в бассейны с водой для охлаждения и защиты.
В будущем тяжелая вода может найти применение в термоядерной энергетике. Дейтерий рассматривается в качестве основного топлива для управляемого термоядерного синтеза.