на тему: «Вода. Структура и необычные свойства» (стр. 3 из 11)

Н216O, Н217O, Н218O, HD16O, HD17O, HD18O, D216O, D217O, D218O.

Если же окончательно подтвердится сообщение о том, что существуют еще два сверхтяжелых изотопа водорода — 4Н и 5Н, то будут возможны уже сто двадцать различных вод. Но и это еще не все. Советские физики в 1970 г. на большом ускорителе многозарядных ионов создали совершенно удивительный кислород — сверхтяжелый изотоп 24О. В его ядре огромный избыток нейтронов, и оно очень неустойчиво. Если принять во внимание и этот новый изотоп кислорода, то тогда различных вод можно будет насчитать уже сто тридцать пять!

Подсчитайте сами, сколько различных вод, молекулы которых содержат тритий, может образовываться на границе с космосом и постепенно вместе с дождями выпадать на землю. Попробуйте сосчитать также, сколько различных радиоактивных вод возникает в воде, охлаждающей атомный реактор. Где бы в мире ни зачерпнуть стакан воды, в нем всегда окажется смесь различных молекул, неодинаковых по изотопному составу. Конечно, вероятность образования молекул с разным изотопным составом далеко не одинакова. Молекулы, содержащие сразу два или три редко встречающихся изотопных атома, будут возникать так редко и их будет так мало, что, по мнению физиков, их пока можно не принимать во внимание.

Что же такое обыкновенная вода? Такой воды в мире нет. Нигде нет обыкновенной воды. Она всегда необыкновенная. Даже по изотопному составу вода в природе всегда различна. Состав зависит от истории воды — от того, что с ней происходило в бесконечном многообразии ее круговорота в природе. При испарении вода обогащается протием, и вода дождя, поэтому отлична от воды озера. Вода реки не похожа на морскую воду. В закрытых озерах вода содержит больше дейтерия, чем вода горных ручьев. В каждом источнике свой изотопный состав воды.

Когда зимой замерзает вода в озере, никто из тех, кто катается на коньках, и не подозревает, что изотопный состав льда изменился: в нем уменьшилось содержание тяжелого водорода, но повысилось количество тяжелого кислорода. Вода из тающего льда другая и отличается от воды, из которой лед был получен.

Если воду разложить химически и сжечь добытый из нее водород, то получится снова вода, но совсем другая, потому что в воздухе изотопный состав кислорода отличается от среднего изотопного состава кислорода воды. Но зато в отличие от воды изотопный состав воздуха один и тот же на всем земном шаре.

Вода в природе не имеет постоянного изотопного состава, она вечно меняется, и только поэтому нельзя сказать, что где-то есть какая-то обыкновенная вода.

Что такое легкая вода? Это та самая вода, формулу которой знают все школьники — 1Н216О. Но такой воды в природе нет. Такую воду с огромным трудом приготовили ученые. Она им понадобилась для точного измерения свойств воды, и в первую очередь для измерения ее плотности. Пока такая вода существует только в нескольких крупнейших лабораториях мира, где изучают свойства различных изотопных соединений.

Что такое тяжелая вода? И этой воды в природе нет. Строго говоря, нужно было бы называть тяжелой воду, состоящую только из одних тяжелых изотопов водорода и кислорода — D218O; но такой воды нет даже и в лабораториях ученых. Конечно, если эта вода понадобится науке или технике, ученые сумеют найти способ, как ее получить: и дейтерия, и тяжелого кислорода в природной воде сколько угодно.

В науке и ядерной технике принято условно называть тяжелой водой тяжеловодородную воду. Она содержит только дейтерий, в ней совсем нет обычного легкого изотопа водорода. Изотопный состав по кислороду в этой воде соответствует обычно составу кислорода воздуха. Формулу тяжеловодородной воды написать нельзя. Это не химическое соединение, а смесь нескольких различных вод, в которых во всех содержится дейтерий, легкого водорода нет совсем, а стабильные изотопы кислорода в этой смеси вод с разным изотопным составом находятся точно в таком же соотношении, в каком они присутствуют в воздухе.

Еще совсем недавно никто в мире и не подозревал, что такая вода существует, а теперь во многих странах мира работают гигантские заводы, перерабатывающие миллионы тонн воды, чтобы извлечь из нее дейтерий и получить чистую тяжелую воду.

Бывает ли полутяжелая вода? Полутяжелой водой можно назвать воду со смешанными молекулами состава HDO. Она есть во всякой природной воде, но получить ее в чистом виде невозможно, потому что в воде всегда протекают реакции изотопного обмена. Атомы изотопов водорода очень подвижны и непрерывно переходят, из одной молекулы воды в другую. Приготовить воду, средний состав которой будет соответствовать формуле полутяжелой воды, нетрудно. Но благодаря реакции обмена: обой смесь молекул с разным изотопным составом: Н2О, HDO, D2O.

Что такое нулевая вода? Нулевая вода состоит из чистого легкого водорода и кислорода воздуха. И для нулевой воды формулу не напишешь. Она тоже смесь нескольких вод, каждая из которых состоит из легкого водорода и одного из стабильных изотопов кислорода.

Соотношение между кислородами в нулевой воде тоже точно такое же, как в воздухе. Тяжелого водорода в нулевой воде нет.

Эту воду физико-химики выбрали в качестве эталона: у нее очень постоянный состав. Ее не так уж трудно получать, и с ней удобно сравнивать воду неизвестного состава: определив разницу в плотности, легко найти содержание дейтерия.

А может быть, есть еще какая-нибудь вода? Кроме всех перечисленных вод, еще существует тяжелокислородная вода — Н218О. Получить ее из природной воды очень сложно и трудно. До сих пор эту воду в чистом виде еще, пожалуй, никто не сумел приготовить.Тяжелокислородная вода очень нужна для исследования многих биологических и химических процессов, поэтому довольно концентрированные растворы этой воды в воде обычной получают теперь на заводах.

А радиоактивная вода существует? Да. Физики научились получать тритиевую воду искусственным путем в атомных реакторах. Из-за сильной радиоактивности эта вода очень опасна. Пока такая вода нужна только ученым.

Больше еще никаких вод не получено? Больше нет. Просто потому, что все остальные возможные воды пока еще никому не нужны. Если понадобятся и они, то, без сомнения, наука найдет способ получать любую из них.

Должна ли существовать антивода? К сожалению, физики на этот вопрос пока ответить не могут. Хотя и есть все основания утверждать возможность существования антиводорода, но говорить об антикислороде еще рано. Наши исследователи, правда, уже получили ядра одного из изотопов антигелия — антигелий-3. Если уже получен антиэлемент № 2, то можно высказать надежду, что физики скоро могут дойти и до антиэлемента № 8 (антикислорода), скорее всего, они приготовят его сами. Тогда можно будет говорить и об антиводе. Вода же из антиводорода и обычного кислорода, как вы сами понимаете, немыслима. Их встреча может только привести к большой катастрофе.

Поэтому не следует пока подсчитывать число различных вод, содержащих изотопы антиводорода. Для того чтобы могла возникнуть молекула антиводы, должен существовать и антикислород. Пока мы еще о нем ничего не знаем. Но может быть, где-нибудь в недрах Вселенной есть миры (физики и астрономы обсуждают этот вопрос совершенно серьезно), состоящие из антивещества. В этих антимирах и существует, может быть, столько же различных антивод, сколько мы их насчитали в нашем мире. Так это или нет, никто еще сказать не может. Поэтому, сколько всего в мире может существовать различных вод, мы еще не знаем.

Много ли различных вод содержится в воде? В какой воде? В той, что льется из водопроводного крана, куда она пришла из реки, тяжелой воды D216O около 150 г на тонну, а тяжелокислородной (Н217О и Н218О вместе) почти 1800 г на тонну воды. А в воде из Тихого океана тяжелой воды почти 165 г на тонну.

В тонне льда одного из больших ледников Кавказа тяжелой воды на 7 г больше, чем в речной воде, а тяжелокислородной воды столько же. Но зато в воде ручейков, бегущих по этому леднику, D216O оказалось меньше на 7 г, а Н218О — на 23 г больше, чем в речной.

Тритиевая вода Т216О выпадает на землю вместе с осадками, но ее очень мало — всего лишь 1 г на миллион миллионов тонн дождевой воды.

В океанской воде ее еще меньше.

Строго говоря, вода всегда и всюду разная. Даже в снеге, выпадающем в разные дни, разный изотопный состав. Конечно, отличие невелико. Всего 1—2 г на тонну. Только, пожалуй, очень трудно сказать — мало это или много.

Тяжёлая вода потому и тяжёлая, что тяжелее обычной. Её плотность 1,104.

Тяжёлая вода замерзает при более высокой температуре, чем обычная вода (3,813°C)…

…и кипит при более высокой температуре (101,431°C).

В чем же различие между легкой природной и тяжелой водой? Ответ на этот вопрос будет зависеть от того, кому он задан. Каждый из нас не сомневается, что с водой-то он знаком хорошо. Если каждому из нас показать три стакана с обычной, тяжелой и легкой водой, то каждый даст совершенно четкий и определенный ответ: во всех трех сосудах простая чистая вода. Она одинаково прозрачна и бесцветна. Ни на вкус, ни на запах нельзя найти между ними никакой разницы. И это будет верно. Это все — вода.

Химик на этот вопрос ответит почти так же, между ними нет почти никакой разницы. Все их химические свойства почти неразличимы: в каждой из этих вод натрий будет одинаково выделять водород, каждая из них при электролизе будет одинаково разлагаться, все их химические свойства будут почти совпадать. Это и понятно: ведь химический состав у них одинаков. Это вода.

Физик не согласится. Он укажет на заметную разницу в их физических свойствах; и кипят и замерзают они при различных температурах, плотность у них разная, а упругость их пара тоже немного различна. И при электролизе они разлагаются с разной скоростью. Легкая вода чуть быстрее, а тяжелая — помедленнее. Разница в скоростях ничтожна, но остаток воды в электролизере оказывается немного обогащенным тяжелой водой. Таким путем она и была открыта. Изменения в изотопном составе мало влияют на физические свойства вещества. Те из них, которые зависят от массы молекул, изменяются заметнее, например скорости диффузии молекул пара.