Тяжёлая вода́ — обычно этот термин применяется для обозначения тяжеловодородной воды, известной также как оксид дейтерия. Тяжеловодородная вода имеет ту же химическую формулу, что и обычная вода, но вместо двух атомов обычного лёгкого изотопа водорода (протия) содержит два атома тяжёлого изотопа водорода — дейтерия, а её кислород по изотопному составу соответствует кислороду воздуха. Формула тяжеловодородной воды обычно записывается как D2O или 2H2O. Внешне тяжёлая вода выглядит как обычная — бесцветная жидкость без запаха, но обладающая сладковатым вкусом. Не радиоактивна.
История открытия Молекулы тяжеловодородной воды были впервые обнаружены в природной воде Гарольдом Юри в 1932 году, за что учёный был удостоен Нобелевской премии по химии в 1934 году. Уже в 1933 году Гилберт Льюис впервые выделил чистую тяжеловодородную воду. При электролизе обычной воды, содержащей наряду с обычными молекулами воды незначительное количество молекул полутяжёлой воды (HDO) и ещё меньшее количество молекул тяжёлой воды (D2O), включающих в себя тяжёлый изотоп водорода, остаток постепенно обогащается молекулами этих соединений. Из такого остатка после многократного повторения электролиза Льюису удалось выделить небольшое количество воды, состоящей почти на 100 % из молекул соединения кислорода с дейтерием и получившей название тяжёлой. Этот способ производства тяжёлой воды остаётся основным и сейчас, хотя используется в основном на окончательной стадии обогащения от 5—10 % до >99 % (см. ниже).
После открытия в конце 1938 года деления ядер и осознания возможности использования цепных ядерных реакций деления, индуцированных нейтронами, возникла необходимость в замедлителе нейтронов — веществе, позволяющем эффективно замедлять нейтроны, не теряя их в реакциях захвата. Наиболее эффективно нейтроны замедляются лёгкими ядрами, и самым эффективным замедлителем должны были бы быть ядра обычного водорода (протия), однако они обладают высоким сечением захвата нейтронов. Напротив, тяжёлый водород захватывает очень мало нейтронов (сечение захвата тепловых нейтронов у протия в более чем 100 тысяч раз выше, чем у дейтерия). Технически наиболее удобным соединением дейтерия является тяжёлая вода, причём она способна также служить теплоносителем, отводя выделяющееся тепло от области, где происходит цепная реакция деления. С самых ранних времён ядерной энергетики тяжёлая вода стала важным компонентом в некоторых реакторах, как энергетических, так и предназначенных для наработки изотопов плутония для ядерного оружия. Эти так называемые тяжеловодные реакторы имеют то преимущество, что могут работать на природном (необогащённом) уране без использования графитовых замедлителей, которые на этапе вывода из эксплуатации могут представлять опасность взрыва пыли и содержат наведённую радиоактивность (углерод-14 и ряд других радионуклидов). Однако в большинстве современных реакторов используется обогащённый уран с нормальной «лёгкой водой» в качестве замедлителя, несмотря на частичную потерю замедленных нейтронов.
Производство тяжёлой воды В 1934 году Норвегия построила первый коммерческий завод по производству тяжелой воды с помощью электролиза, мощностью 12 тонн в год.
В 1943 году Карл-Герман Гейб и (Манхэттенский проект), независимо друг от друга, изобрели (назван по имени компании Girdler, построившей первый американский завод по производству тяжёлой воды).
В СССР Промышленное производство и применение тяжёлой воды началось с развитием атомной энергетики. В СССР при организации Лаборатории № 3 АН СССР (современный ИТЭФ) перед руководителем проекта А. И. Алихановым была поставлена задача создания реактора на тяжёлой воде. Это обусловило потребность в тяжёлой воде, и техническим советом Специального комитета при СНК СССР был разработан проект Постановления СНК СССР «О строительстве полупромышленных установок по производству продукта 180», работы по созданию производительных установок тяжёлой воды в кратчайшие сроки были поручены руководителю атомного проекта Б. Л. Ванникову, народному комиссару химической промышленности М. Г. Первухину, представителю Госплана Н. А. Борисову, народному комиссару по делам строительства СССР С. З. Гинзбургу, народному комиссару машиностроения и приборостроения СССР П. И. Паршину и народному комиссару нефтяной промышленности СССР Н. К. Байбакову. Главным консультантом в вопросах тяжёлой воды стал начальник сектора Лаборатории № 2 АН СССР М. И. Корнфельд.
Свойства + Свойства тяжёлой водыЭнтальпия образования −294,6 кДж/моль (ж) (при 298 К)Энергия Гиббса образования −243,48 кДж/моль (ж) (при 298 К)Энтропия образования 75,9 Дж/моль·K (ж) (при 298 К)Критическая плотность0,363 г/см³
+ Сравнение характеристик тяжёлой, полутяжёлой и обычной водыChaplin M. Water properties. — Water Structure and Science. Параметр D2O HDO H2O Температура плавления, °C 3,82 2,04 0,00 Температура кипения, °C 101,42 100,7 99,974 Плотность при 20 °C, г/см³ 1,1056 1,054 0,9982 Плотность жидкости при температуре плавления, г/см³ 1,10546 — 0,99984 Плотность льда при температуре плавления, г/см³ 1,0175 — 0,91672 Температура максимальной плотности, °C 11,6 — 4,0 Вязкость при 20 °C, сантипуаз 1,2467 1,1248 1,0016 Поверхностное натяжение при 25 °C, дин·см 71,87 71,93 71,98 Молярное уменьшение объёма при плавлении, см³/моль 1,567 1,634 Молярная теплота плавления, ккал/моль 1,515 1,436 Молярная теплота парообразования, ккал/моль 10,864 10,757 10,515 pH при 25 °C 7,41 7,266 7,00
Нахождение в природе В природных водах один атом дейтерия приходится на 6400—7600 атомов протия. Почти весь он находится в составе молекул полутяжёлой воды DHO, одна такая молекула приходится на 3200—3800 молекул лёгкой воды. Лишь очень незначительная часть атомов дейтерия формирует молекулы тяжёлой воды D2O, поскольку вероятность двум атомам дейтерия встретиться в составе одной молекулы в природе мала (примерно 0,5). При искусственном повышении концентрации дейтерия в воде эта вероятность растёт.
Тяжёлая вода встречается в природе практически во всех естественных водоёмах, однако содержание её составляет миллионные доли процента. При этом в изолированных водоёмах в областях, где отмечаются жаркие климатические условия, а также в океанических водах экватора и тропиков содержание тяжёлой воды больше, а в Антарктиде и во льдах Гренландии её присутствие минимально. В наши дни высказана гипотеза, что тяжёлая вода может содержаться в донном льде Аджиев М. Э. Явление криогенного концентрирования тяжёлой воды // Материалы гляциологических исследований. — Т. 65. 1989. С. 65Аджиев М. Э. Осторожно, тяжёлая вода! // Наука и жизнь. 1988, № 10Аджиев М. Э. Тяжёлая вода? Почему бы и нет! — М.: Знание. 1989, № 3.. Однако подтверждения этой гипотезы нет.
Биологическая роль и физиологическое воздействие 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 незначительно сильнее обычных, но за счёт двукратной разницы в массе лёгкого и тяжёлого нуклидов существенно меняется (замедляется от дейтерия) кинетика протекающих процессов ионообмена. Эксперименты над млекопитающими (мыши, крысы, собаки). — «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». показали, что замещение 25 % водорода в тканях дейтерием приводит к стерильности, иногда необратимой. Более высокие концентрации приводят к быстрой гибели животного; так, млекопитающие, которые пили тяжёлую воду в течение недели, погибли, когда половина воды в их теле была дейтерирована; рыбы и беспозвоночные погибают лишь при 90 % дейтерировании воды в телеTrotsenko, 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. Простейшие способны адаптироваться к 70 % раствору тяжёлой воды, а водоросли и бактерии способны жить даже в чистой тяжёлой водеCrespi 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.. Человек может без видимого вреда для здоровья выпить несколько стаканов тяжёлой воды, весь дейтерий будет выведен из организма через несколько дней. Так, в одном из экспериментов по изучению связи вестибулярного аппарата и непроизвольных движений глаз (нистагма) добровольцам предлагалось выпить от 100 до 200 граммов тяжёлой воды; в результате поглощения более плотной тяжёлой воды купулой (желатинообразной структурой в полукружных каналах) её нейтральная плавучесть в эндолимфе каналов нарушается, и возникают лёгкие нарушения пространственной ориентации, в частности нистагм. Этот эффект аналогичен возникающему при приёме алкоголя (однако в последнем случае плотность купулы уменьшается, поскольку плотность этилового спирта меньше плотности воды). Таким образом, тяжёлая вода гораздо менее токсична, чем, например, поваренная соль. Тяжёлая вода использовалась для лечения артериальной гипертензии у людей в суточных дозах от 10 до D2O в день.
В человеческом организме содержится в качестве естественной примеси столько же дейтерия, сколько в 5 граммах тяжёлой воды; этот дейтерий в основном входит в молекулы полутяжёлой воды HDO, а также во все прочие биологические соединения, в которых есть водород.
Некоторые люди отмечают, что тяжёлая вода сладковатая на вкус. Научное подтверждение этого факта было опубликовано в 2021 году. Установлено, что сладковатый привкус у тяжёлой воды примерно совпадает со вкусом раствора сахарозы в обычной воде (17 г/л, или половина чайной ложки сахара на стакан воды).
Некоторые сведения 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. В 1935 году, сразу после открытия тяжёлой воды, её цена составляла ориентировочно за грамм. В настоящее время тяжёлая вода с содержанием дейтерия , продаваемая поставщиками химических реактивов, при покупке сто́ит около за граммDeuterium oxide, 99 atom % D | D2O | Sigma-Aldrich, однако эта цена относится к продукту с контролируемым и гарантированным качеством химического реактива; при снижении требований к качеству цена может быть на порядок ниже.
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, из-за публикации предположения В. В. Похлёбкина в книге «Чай. Его типы, свойства, употребление», вышедшей в 1968 году. В действительности повышение концентрации тяжёлой воды при кипячении ничтожно. Академик Игорь Васильевич Петрянов-Соколов как-то подсчитал, сколько воды должно испариться из чайника, чтобы в остатке заметно повысилось содержание дейтерия. Оказалось, что для получения воды, в которой концентрация дейтерия равна 0,15 %, то есть всего в превышает природную, в чайник надо долить в общей сложности 2,1 тонн воды, что в 300 млн раз превышает массу Земли. Гораздо сильнее сказывается на вкусе и свойствах воды при кипячении повышение концентрации растворённых солей, переход в раствор веществ из стенок посуды и термическое разложение органических примесей.
Получение