Самое необычное вещество на Земле

☝ ВСЁ ЛИ НАМ ИЗВЕСТНО О ВОДЕ?

Относительно недавно, в 30-х годах 20-го века, химики были уверены, что состав воды им известен. Но однажды один из них измерил плотность остатка воды после электролиза и был крайне удивлен: плотность оказалась на несколько стотысячных долей выше нормальной. Но в науке мелочей нет и даже такая ничтожная разница требовала объяснения. В результате учёные открыли много новых больших тайн природы. Они узнали, что вода очень сложна.

Так например были открыты новые изотопные формы воды: из обычной получена тяжёлая вода, без которой невозможна сегодняшняя атомная энергетика: при термоядерной реакции дейтерий, выделенный из литра воды, даст столько же энергии, как 120 кг угля!

БЫВАЕТ ЛИ «ОБЫКНОВЕННАЯ ВОДА»?

Оказывается — нет. Нигде нет обыкновенной воды. Она везде разная. Даже по изотопному составу вода в природе всегда различна. Состав зависит от истории воды — от того, что с ней происходило в бесконечном круговороте ее в природе. Так 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 тяжёлого водорода, но повысилось количество тяжелого кислорода. Вода из тающего льда тоже другая и отличается от воды, из которой лед был получен.

ЧТО ЗНАЧИТ «ЛЕГКАЯ ВОДА»?

Это та самая вода, формулу которой мы знаем со школы — H²O. Но оказывается, такой воды в природе нет. Такую воду с огромным трудом приготовили учёные. Она им понадобилась для точного измерения свойств воды в качестве эталона. Пока такая вода существует только в нескольких крупнейших лабораториях мира, где изучают свойства различных изотопных соединений.

ЧТО ТАКОЕ «ТЯЖЕЛАЯ ВОДА»?

И такой воды в природе нет. Строго нужно было бы называть тяжелой воду, состоящую только из одних тяжелых изотопов водорода и кислорода, D²O, но такой воды нет пока даже и в лабораториях ученых. Разумеется, если эта вода понадобится в науке или технике, то ученые сумеют найти способ ее получить: и дейтерия, и тяжёлого кислорода в природной воде сколько угодно.

В науке и ядерной технике принято для простоты называть тяжелой водой тяжеловодородную воду. То есть она содержит только дейтерий вместо обычного, легкого изотопа водорода. Изотопный состав по кислороду в этой воде соответствует обычно составу кислорода воздуха. Ещё 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.

СКОЛЬКО ВОД СОДЕРЖИТСЯ В ВОДЕ?

В воде, которая льется из водопроводного крана и имеет речное происхождение, тяжёлой воды около 150 г на тонну, а тяжелокислородной, содержащей «тяжелый» изотоп кислорода и обычный водород — почти 1,8 кг на тонну воды. Ну а если взять воду из Тихого океана, то в ней тяжелой воды содержится почти 165 г на тонну. Мелочь, но все же…

В тонне льда одного из крупных 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, тяжеловодородной воды оказалось меньше на 7 г, а тяжелокислородной — на 23 г больше, чем в речной.

Тритиевая вода T2O выпадает на землю вместе с осадками, но еу 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.

В ЧЕМ РАЗЛИЧИЕ МЕЖДУ ЛЕГКОЙ ПРИРОДНОЙ И ТЯЖЕЛОЙ ВОДОЙ?

Ответ на этот вопрос будет зависеть от того, кому он задан. Простой человек не сомневается, что с водой он знаком хорошо. Если любому из нас показать три стакана с обычной, тяжелой и легкой водой, то каждый даст совершенно четкий ответ: во всех сосудах простая чистая вода. Она одинаково прозрачна и бесцветна. Ни на вкус, ни на запах нельзя найти между ними никакой разницы. 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. Оно 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, упругость их пара тоже немного отличается. И при электролизе они разлагаются с разной скоростью. Легкая вода быстрее, а тяжелая — помедленнее. Разница в скоростях ничтожна, но остаток воды в электролизере оказывается немного обогащенным тяжелой водой. Так, собственно, она и была открыта. Изменения в изотопном составе мало влияют на физические свойства вещества. Те из них, которые зависят от массы молекул, меняются заметнее, например скорости диффузии молекул пара.

Биологам, пожалуй, еще нужно будет над вопросом о различии между водой с разным изотопным составом поработать. Ведь различия влияния этих видов воды на живые организмы и вовсе мало изучены. Так например совсем недавно все считали, что в тяжелой воде живые существа не могут жить. Ее даже мертвой водой называли. Но затем оказалось, что если медленно и и постепенно заменять протий в воде, где живут некоторые микроорганизмы, на дейтерий, то можно их приучить к тяжелой воде и они будут в ней неплохо жить и развиваться. А вот обычная вода для них станет вредной.