Важка вода

Молекула важкої води доволі суттєво відрізняється за масою від молекули легкої води, внаслідок чого помітно відрізняються також фізичні властивості.

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 в природі мала (близько 0,5×10⁻⁷).

Важка вода зустрічається в природі практично у всіх природних водоймах, однак зміст 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 зміст важкої води більше. А в Антарктиді і в льодах Гренландії її присутність мінімально[2]. В наші дні висловлена 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].

Оскільки різниця у властивостях дейтерію та протію є невеликою, коефіцієнти розділення для різних методів також є невеликими і тому виробництво тяжкої води пов'язане із необхідністю проведення багатоступеневого протиструменевого процесу концентрування, здійснюваного у каскаді багатоступеневих апаратів.

Ряд методів не мають промислового значення важкої води внаслідок низької продуктивності (дифузія, термодифузія, адсорбція), невеликого коефіцієнту розділення (абсорбція, екстракція), тяжкості здійснення протиструменю (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].

Важка вода використовується як сповільнювач нейтронів у ядерних реакторах. Таке використання зумовлене тим, що на відміну від легкої води, важка вода поглинає набагато менше нейтронів.

Важка вода слабо токсична, хімічні реакції в її середовищі проходять дещо повільніше у порівнянні зі звичайною водою, водневі зв'язки з участю дейтерію дещо сильніші 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 природного домішку 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 гідроген.

У природі існує два стабільних ізотопи гідрогену — протій (позначається ¹H чи H) і дейтерій (²H чи D), та три — оксигену (¹⁶O, ¹⁷O і ¹⁸O). Це дає дев'ять нерадіоактивних сполук 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 рахувати всі відомі ізотопи гідрогену (7) та оксигену (17), можна отримати 476 різновидів важкої води. Однак період піврозпаду радіоактивних ізотопів гідрогену, важчих від тритію, й оксигену дуже малий, тому отримати макроскопічні зразки води з такими ізотопами неможливо.

• Вода
• Тритієва вода