Тяжелая вода

Вода H2O - самое распространённое в природе химическое соединение.

Тяжелая вода играет значительную роль в различных биологических процессах. Различные исследователи независимо друг от друга установили, что тяжелая вода действует отрицательно на растительные и живые организмы. Но всё же, как показали исследования многие клетки бактерий, водорослей и растений могут быть адаптированы к росту на тяжёлой воде. Как сообщил ведущий научный сотрудник Пущинского института теоретической и экспериментальной биофизики РАН Виктор Кутышенко, в ходе экспериментов было установлено, что чайный гриб адаптируется к воде, на 98% состоящей из тяжелой, всего за сутки. Это рекорд среди исследованных до сих пор организмов. Грибы помещали в среду, где, кроме тяжелой воды, содержались чайный настой и протонированная глюкоза. За адаптацией наблюдали по скорости утилизации глюкозы и накопления промежуточных метаболитов: этилового спирта и уксусной кислоты. Содержание метаболитов измеряли с помощью ЯМР-спектрометра. При пересадке в тяжелую воду рост чайного гриба на сутки приостанавливался, а затем возобновлялся, хотя и с меньшей скоростью, чем в контроле. Это рекорд по адаптации к воде из дейтерия, большинству микроорганизмов для этого нужны недели и месяцы, а прежнему чемпиону - хлорелле - 6 суток.

Подопытных собак, крыс и мышей поили водой, треть которой была заменена тяжелой водой. Через недолгое время начиналось расстройство обмена веществ животных, разрушались почки. При увеличении доли тяжелой воды животные погибали.

И наоборот, снижение содержания дейтерия на 25% ниже нормы в воде, которую давали животным, благотворно сказалось на их развитии: свиньи, крысы и мыши дали потомство, во много раз многочисленнее и крупнее обычного, а яйценосность кур поднялась вдвое.

И тогда раздались голоса в пользу полного изъятия дейтерия из употребленной в пищу воды. Это привело бы к ускорению обменных процессов в организме человека, а, следовательно, к увеличению его физической и интеллектуальной активности. Но вскоре возникли опасения, что полное изъятие из воды дейтерия приведет к сокращению общей длительности человеческой жизни. Ведь известно, что наш организм почти на 70% состоит из воды. И в этой воде 0,015% дейтерия. По количественному содержанию (в атомных процентах) он занимает 12-е место среди химических элементов, из которых состоит организм человека. В этом отношении его следует отнести к разряду микроэлементов. Вот тут то дейтерий сразу попадает на первое место. Содержание таких микроэлементов как медь, железо, цинк, молибден, марганец в нашем теле в десятки и сотни раз меньше, чем дейтерия. Что же случится, если удалить весь дейтерий?

На этот вопрос науке еще предстоит ответить. Пока же несомненным является тот факт, что, меняя количественное содержание дейтерия в растительном или животном организме, мы можем ускорять или замедлять ход жизненных процессов.

Как сообщил ведущий научный сотрудник Пущинского института теоретической и экспериментальной биофизики РАН Виктор Кутышенко, в ходе экспериментов было установлено, что чайный гриб адаптируется к воде, на 98% состоящей из тяжелой, всего за сутки. Это рекорд среди исследованных до сих пор организмов. Грибы помещали в среду, где, кроме тяжелой воды, содержались чайный настой и протонированная глюкоза. За адаптацией наблюдали по скорости утилизации глюкозы и накопления промежуточных метаболитов: этилового спирта и уксусной кислоты. Содержание метаболитов измеряли с помощью ЯМР-спектрометра. При пересадке в тяжелую воду рост чайного гриба на сутки приостанавливался, а затем возобновлялся, хотя и с меньшей скоростью, чем в контроле. Это рекорд по адаптации к воде из дейтерия, большинству микроорганизмов для этого нужны недели и месяцы, а прежнему чемпиону - хлорелле - 6 суток.

Запасы воды на Земле:
в морях и океанах - 1,4 млрд. км3
в ледниках - 30 млн. км3
в реках и озёрах - 2 млн. км3
в атмосфере - 14 тыс. км3
в живых организмах - 65%

Молекула полярна; угол Н-О-Н -104,5; связь O–H ковалентная полярная.

Вода является дипольным растворителем (растворяет многие газы, жидкие и твёрдые вещества).

Между молекулами воды - водородные связи - см.рисунок справа.

Тяжёлая вода́ (также оксид дейтерия) — обычно этот термин применяется для обозначения тяжёловодородной воды. Тяжёловодородная вода имеет ту же химическую формулу, что и обычная вода, но вместо атомов водорода содержит два тяжёлых изотопа водорода — атомы дейтерия. Формула тяжёловодородной воды обычно записывается как: D2O или 2H2O. Внешне тяжёлая вода выглядит как обычная — бесцветная жидкость без вкуса и запаха.

Молекулы тяжёловодородной воды были впервые обнаружены в природной воде Гарольдом Клейтоном Юри в 1932 году. А уже в 1933 году Гилберт Ньютон Льюис получил чистую тяжёловодородную воду. 

В природных водах соотношение между тяжёлой и обычной водой составляет 1:5500 (в предположении, что весь дейтерий находится в виде тяжёлой воды D2O, хотя на самом деле он частично находится в составе полутяжёлой воды, см. ниже).

Тяжёлая вода токсична лишь в слабой степени, химические реакции в её среде проходят несколько медленнее, по сравнению с обычной водой, водородные связи с участием дейтерия несколько сильнее обычных. Эксперименты над млекопитающими показали, что замещение 25% водорода в тканях дейтерием приводит к стерильности, более высокие концентрации приводят к быстрой гибели животного. Однако некоторые микроорганизмы способны жить в 70% растворе D2O в H2O (простейшие) и даже в чистой тяжёлой воде (бактерии). Человек может без видимого вреда для здоровья выпить стакан тяжёлой воды, весь дейтерий будет выведен из организма через несколько дней. Таким образом, тяжёлая вода менее токсична, чем, например, поваренная соль.

Тяжёлая вода накапливается в остатке электролита при многократном электролизе воды. На открытом воздухе тяжёлая вода быстро поглощает пары обычной воды, поэтому можно сказать, что она гигроскопична. Производство тяжёлой воды очень энергоёмко, поэтому её стоимость довольно высока (ориентировочно 200-250 долларов за кг).

Среди населения бытует миф о том, что при длительном кипячении природной воды концентрация тяжёлой воды в ней повышается, что якобы может вредно сказаться на здоровье. В действительности же повышение концентрации тяжёлой воды при кипячении ничтожно (к тому же тяжёлая вода практически не ядовита).

Важнейшим свойством тяжёловодородной воды является то, что она практически не поглощает нейтроны, поэтому используется в ядерных реакторах для торможения нейтронов и в качестве теплоносителя. Она используется также в качестве изотопного индикатора в химии, биологии и гидрологии. В физике элементарных частиц тяжёлая вода используется для детектирования нейтрино; так, крупнейший детектор солнечных нейтрино SNO (Канада) содержит 1 килотонну тяжёлой воды.

Выделяют также полутяжёлую (или дейтериевую) воду, у которой только один атом водорода замещен дейтерием. Формулу такой воды записывают так: DHO или 2HHO.

Термин тяжёлая вода применяют также по отношению к воде, у которой любой из атомов заменен тяжёлым изотопом:

• к тяжёлокислородной воде (в ней лёгкий изотоп кислорода 16O замещен тяжёлыми изотопами 17O или 18O),
• к тритиевой и сверхтяжёлой воде (содержащей вместо атомов 1H его радиоактивный изотоп тритий 3H).

Если подсчитать все возможные различные соединения с общей формулой Н2О, то общее количество возможных «тяжёлых вод» достигнет 48. Из них 39 вариантов — радиоактивные, а стабильных вариантов всего девять: Н216O, Н217O, Н218O, HD16O, HD17O, HD18O, D216O, D217O, D218O.

На сегодняшний день в лабораториях получены не все варианты тяжёлой воды, в них просто нет необходимости, однако никаких препятствий, кроме низкой стабильности полученных молекул, не существует.