Какая бывает вода в природе на Земле

Какая бывает вода в природе на Земле — 80 лет назад учеными было установлено, что встречающаяся в природе вода представляет собою не однородное вещество, а смесь нескольких разновидностей воды. Важнейшими из них являются легкая вода (ее содержится в природной воде около 99,75%), тяжелокислородная вода (около 0,18%) и тяжеловодородная или тяжелая вода (около 0,017%).

Все эти разновидности воды имеют почти одинаковые химические свойства, но заметно различаются по своим физическим свойствам. Так, например, удельный вес тяжелой воды при 20°С равен 1,1056, а легкой воды — 0,9982. Температура кипения тяжелой воды 101,4°С.

Какая бывает вода в природе на Земле 

Существование разновидностей воды объясняется явлением изотопии. Теперь известно, что входящие в состав воды элементы водород и кислород (как и все другие элементы) существуют в нескольких разновидностях, атомы которых почти тождественны по химическим свойствам, но различны по физическим свойствам, например по весу. Такие разновидности атомов получили название изотопов.

В природе встречаются два изотопа водорода: легкий водород — протий (Н), имеющий атомный вес, равный единице, и тяжелый водород—дейтерий (Д), атомы которого весят вдвое больше атомов протия. Природный водород представляет собой почти чистый протий. Изотопов кислорода (О) в природе встречается три: О16, О17, О18 (цифра вверху обозначает атомный вес).

Мoлекула воды сoстоит из двух атoмов водорода и однoго атома кислорoда — Н2O. Разновидности воды существуют в связи с тем, что ее молекулы могут быть образованы различными изотопами водорода и кислорода. Так, легкая вода состоит из протия и О16 (НгО16), тяжелая вода состоит из дейтерия и О16 (Д2О16) и т. п.

Вскоре после открытия разновидностей воды, их стали широко применять для исследований в разных областях науки, а в последние годы и в технике. Тяжелую воду получают, разлагая природную воду электрическим током.

Какая бывает вода в природе на Земле

Легкая вода, входящая в состав природной воды, разлагается при этом в несколько раз быстрее, чем тяжелая. Поэтому жидкость все более обогащается тяжелой водой, и если этот процесс довести до достаточно малого остатка, то последний оказывается практически чистой тяжелой водой. Этим путем в 1933 году была впервые получена чистая тяжелая вода. Концентраты тяжелокислородной воды получают из природной воды путем ее многократной перегонки через специальные фракционные колонны.

В нашей стране тяжелая вода и концентраты тяжелокислородной воды были впервые поручены в лаборатории члена-корреспондента Академии Наук СССР А. И. Бродского, под руководством которого с ними было проведено множество интересных исследований. Ряд важных работ в этой области выполнен также членом-корреспондентом Академии Наук СССР А. П. Виноградовым и его сотрудниками.

В лаборатории А. И. Бродского был разработан метод раздельного определения содержания тяжелой и тяжелокислородной воды в природных водах. Это достигается точным измерением удельных весов и показателей преломления тщательно очищенных образцов воды. Новым методом были исследованы содержания тяжелых разновидностей воды в различных природных водах. Оказалось, что в больших реках, проточных озерах, дожде, речном льде и атмосферной влаге содержание тяжелой и тяжелокислородной воды всегда одинаково.

Воды арктических морей и морских льдов отличаются от речной воды по изотопному составу. Это было установлено при изучении проб, взятых в полярных экспедициями. Упомянутые отличия связаны с водным режимом той области, где взята проба, и условиями образования льдов. Поэтому по месту взятия образца воды или неподвижного льда можно предсказать содержание в них тяжелых разновидностей воды и, наоборот, по изотопному составу дрейфующего льда судить о месте его возникновения, о направлении дрейфа льдов и морских течений.

Снег дает воду иного изотопного состава, чем дождь. То же касается инея и высокогорных рек. Этот удивительный факт показывает, что снежинки и дождевые капли образуются в облаках различными путями.

С открытием тяжелой воды началось изучение ее влияния на живые организмы. Опыты показали, что в чистой тяжелой воде не прорастают семена табака, погибают головастики, золотые рыбки, плоские черви и простейшие организмы. Однако эти же организмы живут в разбавленной тяжелой воде, содержащей 30% тяжелой и 70% легкой воды. Следовательно, тяжелая вода не ядовита, а невозможность жизни в ней объясняется ее физическими свойствами, отличающимися от свойств обыкновенной воды.

Животные и растительные организмы содержат воду с повышенным количеством тяжелой и тяжелокислородной воды.

Вода, получаемая сжиганием нефти, так же как и вода животных и растений, имеет повышенное содержание тяжелой воды. Это является подтверждением гипотезы об органическом происхождении нефти.

С помощью тяжелой воды исследуются и разрешаются сложные научные проблемы биологии, физиологии, химии и т. д. Например, для изучения обмена веществ в человеческом организме необходимо было выяснить длительность пребывания в нем выпитой воды. Этот вопрос был решен следующим путем: исследователь выпил около двух литров разбавленной тяжелой воды (содержащей 0,5% тяжелой воды) и через известные промежутки времени определял количество этой воды в выделенной организмом моче. При этом было установлено, что за очень длительное время — около десяти суток — из организма выводится лишь половина выпитой воды.

Прежде ученые полагали, что так называемый жировой запас животных и людей почти не участвует в обмене жиров в организме. Однако опыты с тяжелой водой опровергли эти представления. Для экспериментов был приготовлен жир, в котором часть его атомов водорода заменили атомами дейтерия. Таким «меченым», «тяжелым» жиром кормили мышей. Затем их убивали и определяли содержание «меченого» жира в жировом запасе. Оказалось, что «меченый» жир быстро попадает в запас, с одновременным «уходом» оттуда обычного жира, причем за три дня, таким образом, обновляется 63% жирового запаса. Обратный обмен «меченого» жира из запаса на обычный жир, поступивший из пищи, проходил с такой же скоростью.

В других исследованиях тяжелая вода, наоборот, помогла подтвердить предположения ученых. Врачи считали, что некоторые половые гормоны и желчные кислоты образуются в организме из холестерина. Однако долгое время этого не удавалось окончательно доказать. С помощью тяжелой воды был изготовлен «меченый», «тяжелый» холестерин, тоесть содержавший вместо части атомов водорода атомы дейтерия. Этот холестерин вводился в организм беременной женщины. Продукты распада женского полового гормона — прогестерона, выделенные через некоторое время из мочи, содержали дейтерий. Таким образом, было доказано, что прогестерон синтезируется в организме из холестерина. Введение «меченого» холестерина собаке показало, что желчные кислоты также образуются из этого вещества. Тяжелая и тяжелокислородная воды нашли важное применение в химии, особенно в той ее области, которая изучает механизм протекания химических реакций.

Реакция гидролиза сложных эфиров состоит в том, что при действии воды сложный эфир превращается в кислоту в спирт. В течение многих лет ученые не могли окончательно решить, какой атом кислорода переходит при этой реакции в образующийся спирт — тот ли, что был в эфире, или тот, который был в воде. Применив для гидролиза тяжелокислородную воду, удалось окончательно установить, что в спирт попадает кислород из эфира.

В молекуле фенола (карболовой кислоты) имеются атомы водорода, соединенные с кислородом, и атомы водорода, соединенные с углеродом. Вопрос о том, могут ли эти атомы водорода обмениваться друг с другом местами, имеет важное теоретическое значение. Тяжелая вода позволяет «пометить» водород, связанный с кислородом (заменив его дейтерием). Перемещение «меченого» водорода обнаруживается без труда. Оказывается, что при нагревании он обменивается местами с водородом, соединенным с углеродом.

В области геохимии очень интересны работы А. П. Виноградова и его сотрудников. Изучив изотопный состав вод, полученных при помощи кислорода, входящего в состав различных минералов, они получили важные сведения об условиях, в которых эти минералы образовались много тысячелетий назад.

Важнее техническое применение нашла тяжелая вода в производстве плутония, используемого для получения атомной энергии. Плутоний получают из урана в специальных установках, называемых урановыми котлами или реакторами. Превращение урана в плутоний наступает, когда образующиеся в реакторе нейтроны сталкиваются с ядрами атомов урана и внедряются в них. Однако в ядра урана способны внедряться лишь медленно двигающиеся нейтроны. Для замедления их движения стержни урана перемежаются в реакторах замедлителем. Из всех известных замедлителей наиболее аффективными оказались тяжелая вода и тяжелый парафин (получаемый с помощью тяжелой воды), которые меньше других замедлителей поглощают нейтроны и позволяют поэтому свести их потери к минимуму. Это дает возможность уменьшить размеры реакторов и их загрузку.

С каждым годом тяжелая вода находит все более широкое применение в научных исследованиях и в производстве.