На вопрос лёд тяжелее чем вода? заданный автором M. S. лучший ответ это Известно что вода в твёрдом агрегатном состоянии имеет 7мь изветных науке фаз. Обычный лёд легче воды примерно на одну десятую часть, при равном объёме. При объёмном сжатии плотность скачкообразно меняется в зависимости от соответствующей давлению кристаллической решётки. Самый плотный лёд в 2,4 раза тяжелее воды и твёрже обычного железа, плавится при температуре +70 С.
Ответ от Марина Мартина
[гуру]
легче
Ответ от [email protected]
[гуру]
нифига подобного
Ответ от Ўрий
[гуру]
Если об голову то да, а так плотность одинаковая
Ответ от Иван Сипачёв
[гуру]
Плавает же! Легче.
Ответ от Маша Булойчик
[гуру]
если бы он лед был тяжелее, он бы утонул))
Ответ от Andrey Vischivkin
[гуру]
Нет Вода - уникальное вещество: наибольший удельный вес имеет в ЖИДКОЙ фазе, при температуре +4 градуса Цельсия. Поэтому лёд плавает по поверхности водоёмов, а банка с водой при замерзании лопается.
Ответ от Lyuda Dm...
[гуру]
вес - это масса, притягиваемая силой тяготения к земле.. . при обращении воды в лёд, масса остается прежней, если не учитывать испарения в момент оледенения.. . :))
но сосулька с крыше "тяжелее " ударит по голове. . т. к. вес придётся на острый её конец. . сила давления зависит от площади, на которую масса давит...
Ответ от ВАДИМ
[активный]
вода тяжелей, однозначно
Ответ от Полиграф Полиграфович
[эксперт]
Нет! Лед тяжелее. Иначе центробежная сила земли вытолкнула бы воду на поверхность, а лед утонул бы на дне. Кроме того, вещества при нагревании расширяются. Вода - это расплавленный лед, поэтому, естественно, она легче. (шутка) .
В действительности, они в одинаковых весовых категориях. И лед болтается на поверхности рек лишь потому, что "кавитационные" процессы, сопровождающие процесс кристаллизации вещества (в данном случае - жидкости) при понижении температуры, разрыхляют ее новое состояние присутствием газов (пустот) . Они то и придают застывшему веществу способность "плавать". Вообще, понятия "легче-тяжелее" более уместны у прилавка магазина. Потому что, если в одном из одинаковых батонов колбасы проковырять незаметную дырку и выскоблить оттуда содержимое, они будут отличаться по весу.
Вода - это лёд, из которого вытопили "жир". Толстому человечку легче держаться на воде, чем тонкому.
При кипении жидкости её более нагретая часть, как более легкая (менее плотная) , выталкивается более холодной водой под действием силы тяжести на поверхность. Остывает там, утяжеляется, и вновь замещает менее плотные слои, разрыхленные многократно расширившимися растворенными в жидкости и составляющими жидкость газами.
Попробуйте кинуть лом в расплавленную сталь. Он воткнется в расплав, как сосулька в воду и выскочит на поверхность.
Уф--ф-ф.. . надоело нести чушь.. . А что поделаешь: раз в неделю нужно на что-то отвечать.... Не повезло воде....
и чем она отличается от лёгкой.
Многие слышали про существование некой «тяжелой воды», но мало кто знает, почему она называется тяжелой, и где вообще эта сказочная субстанция находится. Цель этот материала - прояснить ситуацию, а так же пояснить, что ничего опасного и сказочного в тяжёлой воде нет , и что она присутствует в небольших количествах практически во всех обычных водах, в том числе которые мы каждый день пьём.
«Тяжелая вода» действительно является тяжелой по отношению к обычной воде. Ненамного, примерно на одну десятую по массе, но этого достаточно, чтобы изменить свойства оной воды. А «тяжесть» её заключается в том, что вместо «легкого водорода», или протия, 1H, в молекулах этой воды присутствует тяжелый изотоп водорода 2H, или дейтерий (D), в ядре атома которого кроме протона находится ещё и один нейтрон. С точки зрения химии, формула тяжёлой воды такая же, как у простой, Н2О, но физики внесли коррективы, и поэтому записывать формулу принято как - D2O или 2H2O. Есть ещё один вариант тяжёлой, или её ещё называют «сверхтяжёлой» воды - Т2О - это оксид трития, изотопа водорода с двумя нейтронами в ядре (а всего нуклонов три, отсюда «тритий»). Но три т ий радиоактивен, да и военные используют его в качестве сырья для водородных бомб (и, соответственно, секретят всё, что с ним связано - просто на всякий случай) , так что о сверхтяжёлой воде мы в этом материале говорить не будем.
Чем же так ценна тяжёлая вода, что её не только выделили из простой (а это, поверьте, целое дело), но и носятся, как с писаной торбой?
А всё дело в добавочных нейтронах, присоединившихся к ядрам протия. Если рассматривать не молекулу воды в целом, а атомы водорода по отдельности , то получается, что они стали в два раза тяжелее ! Не на одну десятую, а в два! То есть, « толше » они стали, т учнее. А раз они тучнее , то как всем тучным, им не хочется много двигаться. Они «ленивые», не особо активные по сравнению с протием, и именно эт им объясняются все отличия в свойствах между лёгкой и тяжёлой водой .
Для начала приведём перечень этих свойств.
Тяжелая вода не имеет ни запаха, ни цвета; по этому параметру лёгкую и тяжёлую воду не различить.
Температура её плавления выше, лёд тяжёлой воды начинает образовываться уже при температуре 3,813 °C
Закипает же она при более высокой температуре - 101,43 °C
Вязкость тяжелой воды на 20% выше вязкости обычной
Плотность - 1, 1042 г/см3 при температуре 25°C, что тоже ненамного, но выше плотности обычной воды.
То есть, различить их можно даже на примитивном, бытовом уровне. Но есть у тяжёлой воды и свойства, которые трудно определить «дома на кухне». Например:
Тяжёлая вода, в отличие от лёгкой, очень плохо поглощает нейтроны. И потому является идеальным замедлителем для ядерных реакциях на медленных, «тепловых» нейтронах.
Есть и другие специфические её свойства, но они выходят за рамки обывательского восприятия и интересны в основном узким специалистам , так что о них тоже не будем.
Хорошо, а где же она располагается, эта «тяжёлая вода»? Где этот волшебный источник с ценным содержимым? Ценным, ибо килограмм тяжёлой воды стоит более тысячи евро.
А нет его, волшебного источника ! Он расположен… Везде.
В среднем соотношение молекул тяжёлой и обычной воды в природе составляет 1:5500. Однако это значение «среднее по больнице»; в морской воде содержание тяжёлых изотопов выше, в речной и дождевой воде - заметно ниже. (1:3000-3500 против 1:7000-7500). Так же наблюдается сильное различие в концентрациях в зависимости от региона и местности. Существуют также отдельные источники (отдельные районы) где концентрация тяжёлой воды зашкаливает и сравнима с концентрацией обычной протиевой , но это исключительные случаи.
С одной стороны, распространённость тяжёлой воды - благо. Её можно найти буквально везде, в любом стакане. С другой - малая концентрация очень неспособствует выделению её в чистом виде, отдельно от протиевой . Отсюда и такая высокая стоимость её получения.
Интересн о, но факт: ученые, открывшие тяжелую воду, отнеслись к ней как к научному казусу , чему-то малозначимому, побочному и развлекательному. Н е увидели больших возможностей в ее применении (в прочем, будем объективны , такая ситуация, с научными открытиями на каждом шагу). И лишь спустя некоторое время, совершенно другими исследователями, был открыт ее научный и промышленный потенциал.
«Тяжелая вода» применяется:
В ядерных технологиях;
В ядерных реакторах, для торможения нейтронов и в качестве теплоносителя;
В качестве изотопного индикатора в химии, физике, биологии и гидрологии;
Как детектор некоторых элементарных частиц;
Вполне вероятно, что в обозримом будущем тяжелая вода станет бесконечным источником э нергии - учёные всерьёз думают, как использовать дейтери й в качестве топлива для управляемого термоядерного синтеза. Но это пока из области фантастики, хотя успехи на данном поприще неоспоримы.
Химикам же тяжёлая вода интересна тем, что полученный из неё дейтерий легко определяем простыми лабораторными способами. И если синтезировать с его помощью заданные вещества, полностью заменив дейтерием протий, и соединить их с другими, «нормальными» веществами, можно отследить, какой именно атом водорода в процессе реакции вошел в состав той молекулы, а какой - иной. То есть с помощью дейтерия химики «метят» молекулы и смотрят, как протекает механизм той или иной реакции. И поверьте, этот метод стоит того, чтоб назвать его революционным - в своё время он перевернул знания множества теоретиков, знавших «как оно должно быть», заставив вновь и вновь пересматривать законы природы, находя новые и новые причинно- следственные связи , строить новые гипотезы и теории, что, конечно, сильно продвинуло химию, как науку .
Простому же далёкому от теоретической химии обывателю интереснее, а как тяжёлая вода действует на человека, и вообще на биологические системы, как таковые? И это очень правильный интерес. Ибо тяжёлая вода для живых организмов - ЯД!
Тяжелая вода, в отличие от лёгкой, угнетает жизненные процессы на всех уровнях . Биологи е ё так и называют - «мё ртв ая вода» . В ее присутствии химические реакции тормозятся, а биологические процессы … К ак минимум, замедляются. В том числе, например, замедляется и прекращается размножение микробов и бактерий.
Эксперименты над млекопитающими показали, что замещение 25% водорода в тканях дейтерием приводит к стерильности, более высокие концентрации приводят к быстрой гибели животного. Н екоторые микроорганизмы способны жить в 70%-ной тяжёлой воде) (простейшие) и даже в чистой тяжёлой воде (бактерии), но это исключения. Человек может без видимого вреда для здоровья выпить стакан тяжёлой воды, весь дейтерий будет выведен из организма через несколько дней, но при постоянном длительном воздействии начинается замещение воды в тканях, после чего проявляются негативные последствия.
В качестве эксперимента учёные попробовали поить тяжелой водой мышей со злокачественными опухолями. Ну, помните сказку о живо й и мёртвой воде, где мёртвая заживляет раны? И у них получилось - вода оказалась по настоящему мертвой, опухоли уничтожила ! Правда, вместе с мышами. Так же тяжелая вода действ ует отрицательно на раститения . Подопытных собак, крыс и мышей поили водой, треть которой была заменена тяжелой водой , ч ерез недолгое время у них начиналось расстройство обмена веществ, разрушались почки. При увеличении доли тяжелой воды животные погибали.
Но есть и обратная сторона медали: н аоборот, снижени е содержания дейтерия на 25% ниже нормы в воде, которую давали животным, благотворно сказалось на их развитии: свиньи, крысы и мыши дали потомство, во много раз многочисленнее и крупнее обычного, а яйценосность кур поднялась вдвое. То есть, кроме «мёртвой воды» учёные обнаружили и «живую», и детская сказка стала реальностью.
Как избежать контакта с «мёртвой» водой и увеличить использование «живой»? Наверное, никак. И та и та получатся в промышленных масштабах и стоит сумасшедших денег. Однако в быту мы хоть и несильно, но можем влиять на качество употребляемой воды Например, дождевая вода содержит заметно больше тяжелой воды , чем снег. Так что в « мистическх » экспериментах с талой водой и её влиянием на организм не так уж много мистического. Так же выше содержание тяжёлой воды в море, и в процессе опреснения методом обратного осмоса она только накапливается, что следует учитывать при проектировании опреснительных установок. Известны случаи, когда целые регионы стали жертвами незнания этого факта. Люди, проживавшие в этих регионах, регулярно использовали опресненную морскую воду с повышенным содержанием дейтерия, вследствие чего многие жители заболели тяжелыми болезнями.
Однако в природе нет ничего лишнего, и не стоит так уж открещиваться от тяжёлой воды , клеймя её ядом или называя «бесполезной» . Она требует от нас особого адекватного отношения, внимания и дальнейшего изучения , и этим мало чем отлчается от великого множества веществ , которые требуют не меньшего внимания . Химия - это наука, вот и надо подходить и вопросу со всем арсеналом её возможностей .
Тяжелая вода - вода в которой "обычный" водород 1 H (легкий) заменен тяжелым изотопом 2 H - дейтерием (D). У тяжелой воды, также как и у обычной, нет ни цвета, ни вкуса, ни запаха.
В настоящее время известны три изотопа водорода: 1 H, 2 H(D), 3 H(T). Самый легкий из них - 1 H называется протием. Почти целиком из него состоит обычная вода, частично в ней содержится более тяжелый водород - дейтерий (D) и сверхтяжелый тритий (T). Встречаются три изотопа кислорода: 16 O, тяжелый 18 O и совсем немного в природе 17 O. С помощью мощных ускорителей и реакторов физики получили еще пять радиоактивных изотопов кислорода: 13 O, 14 O, 15 O, 19 O, 20 O. Продолжительность их жизни очень коротка - она измеряется несколькими минутами, затем, распадаясь, они превращаются в изотопы других элементов.
В составе обычной воды можно обнаружить не только тяжелую воду. Известна сверхтяжелая вода T 2 O (атомная масса трития - Т равна 3) и тяжелокислородная вода, молекулы которой содержат вместо атомов 16 O атомы 17 O и 18 O. Изотопные разновидности воды присутствуют в обычной в ничтожнейших количествах. В природных водах на один атом дейтерия приходится 6500-7200 атомов водорода 1 H, а чтобы обнаружить один атом трития, надо иметь по крайней мере 10 18 атомов 1 H.
После обнаружения тяжелой воды ученые поначалу были настолько удивлены, что рассматривали тяжелую воду как химический курьез. Однако удивление было недолгим. Итальянский физик Энрико Ферми, проводивший эксперименты в области ядерной физики, понял, что тяжелая вода имеет огромнейшее военное значение. С тех пор события, развивающиеся вокруг этой странной жидкости, были полны драматизма и глубочайшей секретности. И все потому, что судьба тяжелой воды тесно переплеталась с развитием атомной энергетики. Такая вода используется в ядерных реакторах как теплоноситель и замедлитель нейтронов.
Основные физико-химические константы обычной и тяжелой воды существенно различаются. Обычная вода, ее водяной пар и лед, состав которых выражается химической формулой H 2 O, имеет молекулярную массу 18,0152 г. Лед образуется при 0°С (273 K), а закипает вода при 100 °C (373 K). Тяжелая вода превращается в лед при 3,813 °C, а пар образуется при 101,43 °C. По вязкости тяжелая вода на 20 % превосходит обычную воду, а максимальная плотность наблюдается при температуре 11,6 °C. Ее химическая формула D 2 O, где водород заменен на дейтерий, атомная масса которого в 2 раза больше. Окись дейтерия имеет молекулярную массу 20,027. Удельная масса ее на 10 % выше, чем у обычной воды. Вот почему она и называется тяжелой водой.
Тяжелая вода, как выяснили ученые, подавляет все живое. Вот какими резко полярными свойствами отличаются дейтериевая вода и обычная - протиевая. Тяжелая вода замедляет биологические процессы и действует угнетающе на живые организмы. Микробы в тяжелой воде гибнут, семена не прорастают, растения и цветы вянут при поливке такой водой. Тяжелая вода гибельно влияет на животных. А на человека? К сожалению, о тяжелой воде нам известно еще далеко не все.
В 1 т речной воды присутствует около 150 г тяжелой. В океанской воде ее чуть больше: на 1 т приходится 165 г. В озерах тяжелой воды обнаружено на 15-20 г больше, чем в реках, из расчета на 1 т. Любопытно отметить, что дождевая вода содержит больше окиси дейтерия, чем снег. Такие различия кажутся странными, ведь то и другое - осадки атмосферного происхождения. Да, источник один, а содержание тяжелой воды разное. Таким образом, речные, озерные, грунтовые и морские воды весьма несхожи по изотопному составу и, следовательно, как объекты, используемые для получения тяжелой воды, далеко не равнозначны. Было время, когда ее считали "мертвой водой" и полагали, что присутствие тяжелой воды в обычной замедляет обмен веществ, способствует старению организма. Случаи долгожительства на Кавказе некоторые исследователи связывают с меньшим количеством окиси дейтерия в горных потоках ледникового и атмосферного происхождения. Возникновение пустынь, исчезновение оазисов и гибель даже целых цивилизаций древности нередко приписывают накоплению окиси дейтерия в питьевой воде. Однако пока это все только гипотезы, туманные догадки, не подтвержденные экспериментальными результатами.
Предполагается, что молекулы тяжелой воды D 2 O в естественных условиях практически не встречаются, а преобладают молекулы, имеющие один атом дейтерия - HDO.
Несколько большая масса молекул HDO, D 2 O и повышенная прочность дейтериевой связи способствуют тому, что тяжелая вода активнее удерживается в жидкой фазе по сравнению с обычной водой. Следовательно, давление пара тяжелой воды всегда ниже, чем H 2 O, и это приводит к тому, что молекулы, содержащие дейтерий, концентрируются в жидкой фазе в процессе испарения. На этом построено фракционное разделение изотопов. В естественных условиях эти явления наблюдаются в экваториальных водах, когда в процессе испарения в поверхностных водах увеличивается концентрация изотопа D по сравнению с глубинными горизонтами. Изучение атмосферных осадков показывает, что в первую очередь с дождем выпадают тяжелые изотопы D или 18 O. Изотопное разделение происходит в процессе замерзания и таяния. Арктический лед, образующийся из морской воды, содержит на 2 % изотопов D больше, чем вода, из которой он образовался.
Прочность дейтериевой связи и фракционное разделение изотопов заставляют многих исследователей обратить внимание на изучение обменных процессов в живом организме. Одни считают, что удаление дейтерия из воды приведет к резкому повышению жизнестойкости организма и даже к продлению жизни. Другие полагают, что наличие дейтерия создает в биологическом мире определенный баланс в процессах внутриклеточного обмена и его отсутствие вызовет серьезные нарушения в живой и неживой природе.
Исследования жизнедеятельности микроорганизмов при постепенном добавлении тяжелой воды к обычной показали их удивительную приспособляемость к новой среде. Когда обычная вода была полностью заменена на дейтериевую, микроорганизмы не погибли, а какое-то время испытывали лишь некоторое угнетение, но после "акклиматизации" продолжали активно развиваться. Такое поведение микроорганизмов наталкивает на мысль, что живая клетка снабжена удивительнейшим механизмом приспособляемости, который спасает ее от гибели даже в условиях накопления дейтерия. Однако отдельные клетки организма из-за каких-то нарушений могут оказаться неустойчивыми, и это приводит их к гибели.
Сколько изотопных разновидностей воды может существовать
Оказывается, очень много. По мнению И. В. Петрянова-Соколова, теоретически можно взять различные комбинации изотопов водорода и кислорода, т.е. если каждый изотоп кислорода прореагирует в аналогичном для воды соотношении с изотопами водорода - 1:2, то из всего набора компонентов можно будет получить 48 разновидностей воды.
Как ни парадоксально это звучит, но факт остается фактом. Из нескольких десятков разновидностей воды большая часть существует только теоретически, попросту говоря, только на бумаге. Из 48 вод 39 - радиоактивны и всего лишь 9 стабильны, т.е. устойчивы:
H 2 16 O, H 2 17 O, H 2 18 O, HD 16 O, HD 17 O, HD 18 O, D 2 16 O, D 2 17 O, D 2 18 O.
Открытие каких-либо новых изотопов водорода и кислорода будет резко повышать число теоретически возможных вод.
Использование тяжелой воды
В течение непродолжительного времени после открытия Юри тяжелая вода рассматривалась лишь как химический курьез. Но в это же самое время известный итальянский физик Энрико Ферми проводил эксперименты в области ядерной физики, составившие эпоху в науке. Результаты этих опытов обнаружили огромное военное и экономическое значение тяжелой воды. Ферми и его сотрудники в 1934 г. подвергали различные элементы обстрелу нейтронами, обладавшими большой энергией (скоростью). В результате были получены атомы с искусственной радиоактивностью, или так называемые радиоизотопы. Ферми установил, что почти каждый нерадиоактивный в нормальных условиях элемент можно сделать радиоактивным, т.е. превратить его в радиоизотоп, с помощью обстрела нейтронами. Он нашел также, что общая эффективность бомбардировки нейтронами с целью вызвать искусственную радиоактивность значительно увеличивалась с уменьшением их скорости.
Подобно электрону и фотону света, нейтрон обнаруживает свойства частицы, но его движению присущи также свойства волны. Он обладает длиной волны, которая физически определяет его "размер", и эта длина волны изменяется обратно пропорционально его частоте. Чем ниже частота, являющаяся мерой энергии нейтрона, тем больше длина волны. Нейтрон с низкой энергией (маленькой скоростью), например с энергией в 0,1 эв, будет иметь длину волны или "размер", превышающую более чем в 10 000 раз диаметр атомного ядра. Очевидно, что такой замедленный нейтрон, проходя через скопление атомов, имеет больше шансов удариться (задеть) об ядро, чем более быстрый электрон. Имеется также больше вероятия, что такой электрон будет "захвачен", или поглощен, ядром, которое он заденет. Но как может ядро поглотить предмет, в 10 000 раз превышающий его по своим размерам? Здесь снова следует припомнить, что в данном случае мы имеем дело с волновыми характеристиками нейтрона. Внутри ядра нейтрон приобретает энергию примерно в 50 млн. в с соответствующим огромным увеличением своей частоты, которая обратно пропорциональна длине волны. При увеличении частоты длина волны уменьшается. Нейтрон, поглощенный таким образом ядром, вызывает нарушение ядерного равновесия, в результате чего начинается радиоактивное излучение. Другими словами, создается радиоизотоп.
Вскоре после открытия Ферми и его сотрудников немецкие ученые О. Ган и Ф. Штрассман обнаружили, что поглощение нейтронов ядрами урана вызывает расщепление, или деление, этих ядер. Оба осколка ядра, вместе взятые, имеют меньшую массу, чем первоначальное ядро, а поскольку разница в массе превращается в кинетическую энергию в количестве, определяемом соотношением между массой и энергией Альберта Эйнштейна (E=mc 2), то оба осколка разлетаются в стороны с колоссальной скоростью. При этом они испускают два или три нейтрона, которые сверхтяжелый атом урана имеет во множестве. Каждый выпущенный нейтрон теоретически может расщепить любое способное к расщеплению ядро, какое он встретит на своем пути; в результате такого столкновения высвободятся еще два или три нейтрона. Другими словами, процесс расщепления, или деления, ядер может стать самопроизвольным, самораспространяющимся: может начаться так называемая цепная реакция. Дальнейшие опыты вскоре показали, что из трех изотопов урана расщепление происходит почти исключительно лишь у ядер урана U 235 , который при нормальных условиях составляет всего лишь 0,7% обыкновенного урана. Как и следовало ожидать из исследований Ферми, расщепление урана U 235 происходило наиболее эффективно под воздействием замедленных нейтронов. Было установлено, что для возбуждения цепной реакции в обыкновенном уране необходимо иметь большой запас весьма замедленных нейтронов. Нейтроны, обладающие большой скоростью, с энергией в миллионы электронвольт, также иногда случайно расщепляют урановые атомы, но это происходит не настолько часто, чтобы вызвать цепную реакцию. Нейтроны с умеренной энергией (в несколько электронвольт) представляют собой осколки урана U 235 , но они подвергаются захвату ядрами урана U 238 - изотопа, составляющего около 99% обыкновенного урана. Захват их ураном U 238 исключает их, так сказать, из обращения, поскольку уран U 238 не расщепляется, а, наоборот, стремится приобрести устойчивость, выделяя из себя один электрон (это, разумеется, увеличивает ядерный заряд на единицу, превращая уран с атомным числом 93 в плутоний с атомным числом 94). Для расщепления требуются "тепловые" нейтроны, названные так потому, что их энергия, равная примерно 0,02 эв, не превышает энергии нормального теплового движения атомов, среди которых они перемещаются. Тепловые нейтроны не только легко расщепляют U 235 , но они не подвержены также захвату ураном U 238 . Они отличаются, кроме того, значительными размерами, перемещаясь среди атомов урана U 238 , они с большей вероятностью могут встретиться с легко расщепляющимся ураном U 235 . Все это делает возможным возникновение самопроизвольной цепной реакции в обычном уране, несмотря на то, что он содержит лишь 0,7% урана U 235 , при условии, однако, что имеется какой-то способ для замедления нейтронов, испускаемых при расщеплении урана U 235 . Необходим так называемый "замедлитель" - такое вещество, которое могло бы поглощать излишнюю энергию нейтронов, не захватывая самих нейтронов.
Движение нейтрона будет резко замедлено, если он столкнется с ядром, вес которого лишь ненамного превышает его собственный; при этом нейтрон сообщит часть своей энергии частице, с которой он столкнулся, совершенно так же, как это происходит с биллиардным шаром при его ударе о другой шар. Это предопределяет возможность использования в качестве замедлителя водородных соединений, в частности, воды. Поскольку ядро простого водорода, состоящее из одного лишь протона, имеет ту же самую массу, что и нейтрон, оно способно принять на себя при столкновении значительную часть энергии нейтрона. Но, к сожалению, ядро простого водорода не только частично поглощает энергию нейтрона, но часто захватывает и сам нейтрон, превращаясь в ядро атома дейтерия. Поэтому обыкновенная вода как замедлитель малоэффективна. Зато лучшими свойствами обладает тяжелая вода. Ядра дейтерия, состоящие из одного нейтрона и одного протона, с трудом поглощают нейтроны, но легко воспринимают при столкновении значительные количества энергии нейтронов. Таким образом, тяжелая вода D 2 O является очень эффективным замедлителем, наиболее эффективным среди всех известных нам веществ. Чтобы отдать свою энергию и стать "тепловым", для взаимодействия с урана U 235 , нейрону достаточно 25 столкновений с ядром дейтерия, а например при столкновении с ядром углерода (графитовые стержни) потребуется 110 столкновений.
Но у тяжелой воды есть потенциал сталь гораздо более полезной, чем замедлитель нейронов. При очень высоких температурах может произойти нечто совершенно противоположное расщеплению ядра. Теплота является энергией движения, и при достижении ею некоторого предела ядерная энергия настолько возрастает, что она может преодолеть электростатические силы, которые при более низких температурах вызывают отталкивание двух положительных зарядов. Так возникнет новое ядро путем слияния двух ядер в результате так называемой термоядерной реакции. Однажды начавшись в среде легких атомов, она будет развиваться дальше подобно цепной реакции: ядро, образовавшееся в результате слияния, имеет несколько меньшую массу, чем оба исходных ядра; разница в массе преобразуется в энергию в соответствии с уравнением Эйнштейна, выражающим соотношение между массой и энергией (E=mc 2); часть этой энергии передается другим ядрам, вызывая их слияние. Но как получить необходимую для термоядерной реакции начальную температуру, измеряемую миллионами градусов? Раньше такую температуру можно было получить лишь на короткий миг во время взрыва урановой или плутониевой атомной бомбы. Поэтому у всех водородных бомб в качестве "запала" применялись атомные бомбы, действующие по принципу ядерного распада. Когда будут найдены способы дешевого и безопасного получения необходимой начальной температуры и способы её локализации, то наступит время, когда ядерное слияние в качестве источника промышленной энергии окажется экономически более выгодным, чем ядерный распад. Одно из его крупных преимуществ заключается в том, что управляемое слияние не будет давать опасных радиоактивных отходов. Другое его преимущество состоит в том, что топливо для слияния в противоположность топливу для распада имеется на Земле в огромных количествах.
Физики ядерщики определили, что ядра дейтерия особенно легко подвергаются слиянию. Поэтому значение дейтерия все возрастает по мере приближения того времени, когда запасы ископаемого топлива на Земле будут исчерпаны. Запасы же ядерного горючего в Мировом океане практически безграничны. Дейтерий, содержащийся в 1 л морской воды, заключает энергию, эквивалентную энергии около 350 л бензина. Теоретически воды океанов и морей могут обеспечить человечество источником энергии на миллиарды лет .
История открытия тяжелой воды
Американский физико-химик Гарольд Юри (1893-1981), в молодости проявлявший большой интерес к ядерной структуре вещества, решил использовать спектроскопический метод для изучения водорода.
Выполненные Г. Юри теоретические расчеты убедили, что попытки разделения водорода на изотопы могут привести к интересным результатам - к выявлению нового стабильного изотопа водорода, существование которого предсказал ещё Э. Резерфорд.
Руководствуясь этими соображениями, Г. Юри поручил одному из своих учеников выпарить 6 л жидкого водорода, и в конце эксперимента исследователи получили остаток объемом около 3 см 3 .
Самое удивительное, что в результате спектрального анализа остатка было найдено такое же расположение линий, какое было предсказано Г. Юри на основе теоретических предпосылок.
Тяжелый водород - дейтерий был открыт.
Об этом Г. Юри сообщил в 1931 году на новогоднем собрании Американской Ассоциации развития науки в Нью-Орлеане. Дальнейшие усилия ученого были направлены на получение образца с высокой концентрацией дейтерия. Это удалось сделать с помощью электролиза, газовой диффузии, дистилляции воды и других методов. Разные упругости пара H 2 и HD позволили Г. Юри, Ф. Брикведде и Г. Мэрфи доказать существование дейтерия. Опубликованная Г. Юри совместно с сотрудниками работа произвела ошеломляющее впечатление на ученых самых различных областей науки. Многие специалисты воспринимали это известие как что-то фантастическое и спорное, но экспериментальные факты показывали, что тяжелый изотоп водорода реально существует.
Дейтерий начал свой сложный путь, а Г. Юри была вручена Нобелевская премия (1934). После открытия дейтерия события развивались очень быстро. Дело было только за экспериментом, но это оказалось весьма сложной технической задачей. Тяжелая вода была впервые обнаружена в природной воде Г. Юри и Э.Ф. Осборном в 1932 году.
Академик Н.Д. Зелинский, узнав об открытии тяжелой воды, писал в 1934 году: "Кто бы мог подумать, что в природе существует еще другая вода, о которой мы до прошлого года ничего не знали, вода, которую в весьма небольшом количестве мы ежедневно вводим в свой организм вместе с питьевой водой. Однако небольшие количества этой новой воды, потребляемые человеком в течение жизни, составляют уже порядок величины, с которым нельзя не считаться". Развивая свою мысль, продолжал: "В эволюции химических форм в биосфере и литосфере тяжелая вода не может не принимать участия, и вопрос о том, в какой стадии такого эволюционного процесса находится тяжелая вода в нашу эпоху, в стадии накопления ее в природе или в стадии деградации, представляется весьма важным и с точки зрения обмена веществ в живых организмах, в котором вода играет первостепенную роль. Все живое проводит через свой организм громадные массы обыкновенной воды, а вместе с ней и тяжелую воду; какое же влияние оказывает последняя на жизненные функции организма? Пока это неизвестно, но такое влияние должно быть несомненным".
М. АДЖИЕВ
Тяжелая вода очень дорога и дефицитна. Однако если удастся найти дешевый и практичный способ ее получения, то области применения этого редкого пока ресурса заметно расширятся. Могут открыться новые страницы в химии, биологии, а это новые материалы, неизвестные соединения, может быть, и неожиданные формы жизни.
Рис. 1.
Молекулы воды прочно связаны друг с другом и образуют устойчивую молекулярную конструкцию, которая сопротивляется любым внешним воздействиям, в частности тепловым. (Именно поэтому, чтобы превратить воду в пар, нужно подвести к ней много тепла). Молекулярная конструкция воды скреплена каркасом из особых квантово-механических связей, названных в 1920 году двумя американскими химиками Латимером и Родебушем водородными. Все аномальные свойства воды, включая необычное поведение при замерзании, объясняются с точки зрения концепции водородных связей.
Вода в природе бывает нескольких «сортов». Обычная, или протиевая (Н 2 О). Тяжелая, или дейтериевая (D 2 O). Сверхтяжелая, или тритиевая (Т 2 О), но ее в природе почти нет. Различается вода и по изотопному составу кислорода. Всего же насчитывается не менее 18 ее изотопных разновидностей.
Если мы откроем водопроводный кран и наберем чайник, то там будет не однородная вода, а ее смесь. При этом дейтериевых «вкраплений» окажется очень немного – примерно 150 граммов на тонну. Получается, что тяжелая вода есть повсюду – в каждой капле! Проблема в том, как ее взять. Ныне во всем мире ее добыча связана с огромными затратами энергии и очень сложным оборудованием.
Однако есть предположение, что на планете Земля возможны такие природные ситуации, когда тяжелая и обычная вода на какое-то время отделяются одна от другой – D 2 O из рассеянного, «растворенного» состояния переходит в концентрированное. Так, может быть, существуют месторождения тяжелой воды? Пока однозначного ответа нет: никто из исследователей этим вопросом прежде не занимался.
А вместе с тем известно, что физико-химические свойства D 2 O совсем иные, чем у Н 2 0 – ее постоянного спутника. Так, температура кипения тяжелой воды +101,4°С, а замерзает она при +3,81°С. Ее плотность на 10 процентов больше, чем у обычной.
Надо также заметить, что происхождение тяжелой воды, по-видимому, сугубо земное – в космосе ее следов не обнаружено. Дейтерий образуется из протия вследствие захвата им нейтрона космического излучения. Мировой океан, ледники, атмосферная влага – вот природные «фабрики» тяжелой воды.
Рис. 2. Зависимость плотности обычной и тяжелой воды от температуры. Разница в плотности одной и другой разновидностей воды превышает 10%, и поэтому возможны условия, когда переход в твердое состояние при охлаждении происходит вначале у тяжелой воды, а затем у обычной. Во всяком случае, физика не запрещает появления участков твердой фазы с повышенным содержанием дейтерия. Такому «тяжелому» льду на диаграмме соответствует заштрихованный участок. Если бы вода была «нормальной», а не аномальной жидкостью, то зависимость плотности от температуры имела бы вид, показанный пунктирной линией.
Итак, поскольку есть заметная разница в плотности между D 2 O и Н 2 О, то именно плотность, а также агрегатное состояние и могут служить наиболее чувствительными критериями в поисках возможных месторождений тяжелой воды – ведь эти критерии связаны с температурой окружающей среды. А как известно, окружающая среда наиболее «контрастна» в высоких широтах планеты.
Но к настоящему времени сложилось мнение, что воды высоких широт бедны дейтерием. Поводом к этому стали результаты исследований проб воды и льда из Большого Медвежьего озера в Канаде и из других северных водоемов. Обнаружились также колебания в содержании дейтерия по сезонам года – зимой, например, в реке Колумбия его меньше, чем летом. Эти отклонения от нормы связывались с особенностями распределения атмосферных осадков, которые, как принято предполагать, «разносят» дейтерий по планете.
Похоже, что никто из исследователей сразу не заметил скрытого противоречия в этом утверждении. Да, атмосферные осадки влияют на распределение дейтерия по водоемам планеты, однако они никак не влияют на глобальный процесс образования дейтерия!
Когда на Севере наступает осень, в реках начинается быстрое остывание водной массы, которое убыстряется под воздействием вечной мерзлоты, одновременно идет ассоциация молекул H 2 O. Наконец, наступает критический момент максимальной плотности – температура воды всюду чуть ниже +4°С. И тогда в придонной зоне на некоторых участках интенсивно намораживается рыхлый подводный лед.
В отличие от обычного льда он не имеет правильной кристаллической решетки, у него иная структура. Центры его кристаллизации различны: камни, коряги и разные неровности, причем не обязательно лежащие на дне и связанные с мерзлым грунтом. Появляется рыхлый лед на реках глубоких, со спокойным – ламинарным – течением.
Подводное ледообразование обычно заканчивается тем, что льдины всплывают на поверхность, хотя в это время никакого другого льда нет. Подводный лед иногда появляется и летом. Возникает вопрос: что это за «вода в воде», которая меняет свое агрегатное состояние, когда установившаяся температура в реке слишком высока для того, чтобы в лед превращалась обычная Н 2 О, чтобы, как говорят физики, произошел фазовый переход?
Можно допустить, что рыхлый лед представляет собой обогащенные концентрации тяжелой воды. Кстати, если это так, то нужно помнить, что тяжелая вода не отличима от обычной, однако потребление ее внутрь организма может вызвать тяжелые отравления. К слову сказать, местные жители высоких широт не употребляют речной лед для приготовления пищи – только озерный лед или снег.
«Механизм» фазового перехода D 2 O в реке очень напоминает тот, что используется химиками в так называемых кристаллизационных колоннах. Только в северной реке «колонна» растянута на сотни километров и не столь контрастна по температурному режиму.
Если же иметь в виду, что через центры кристаллизации в реке за короткое время проходят сотни и тысячи кубических метров воды, из которых превращается в лед – намораживается – пусть тысячная доля процента, то и этого достаточно, чтобы говорить о способности тяжелой воды концентрироваться, то есть образовывать месторождения.
Только присутствием таких концентраций можно объяснить тот доказанный факт, что зимой в северных водоемах процентное содержание дейтерия заметно уменьшается. Да и полярные воды, как показывают пробы, тоже бедны дейтерием, и в Арктике, вполне вероятно, есть районы, где плавают в основном только льдины, обогащенные дейтерием, – ведь рыхлый донный лед появляется первым и тает последним.
Больше того, как показали исследования, ледники и льды высоких широт в целом богаче тяжелыми изотопами, чем воды, омывающие льды. Например, в Южной Гренландии, в районе станции «Дай-3», выявлены изотопные аномалии на поверхности ледников, и происхождение таких аномалий пока не объяснено. Значит, могут встретиться и льдины, обогащенные дейтерием. Дело, как говорится, за малым – нужно найти эти пока еще гипотетические месторождения тяжелой воды.
М. АДЖИЕВ, географ.
Источники информации:
- Л. Кульский, В. Даль, Л. Ленчина. Вода знакомая и загадочная .
– К.: «Радянська школа», 1982. - Наука и жизнь №10, 1988.
Литр – это единица объема для жидких веществ. Литрами допустимо измерять также сыпучие вещества с достаточно мелкой фракцией. Для прочих твердых тел используют понятие кубический метр (дециметр, сантиметр). Определение термина и понятия литра было сформулировано Генеральной конференцией по мерам и весам в 1901 году. Определение звучит следующим образом: 1 литр – это объем одного килограмма чистой пресной воды при атмосферном давлении 760 мм ртутного столба и температуре +3,98оС. При этой температуре вода достигает наибольшей плотности.
Пар, вода и лед – это состояния одного и того же вещества, молекула которого содержит два атома водорода и один атом кислорода. Разница между водой в жидком состоянии и твердом заключается в особенностях межмолекулярных построений. В жидкой субстанции вода имеет большую плотность, чем в твердом.
Перейдя температурный порог в +3,98оС, плотность воды снова начинает уменьшаться, и при +8оС опять достигает тех же значений, что и при нуле.
Что тяжелее?
Если в какой-либо сосуд налить, к примеру, воды, она будет иметь объем, равный одному литру. Если вы подвергните эту воду заморозке, то при той же массе в 1 кг, вода, замерзая, будет стремиться занять больше места в сосуде. Закрытый сосуд, ограниченный емкостью 1 кв. дм (1 литр), лед разорвет. Получается, что при одинаковой массе жидкой и замороженной воды, лед будет иметь больший объем, что нарушит первоначальное условие.
Если же изначально исходить из равенства объемов, и замороженную воду – кусок льда – ограничить размерами куба со стороной, равной 1 дм (1 л), то его масса станет меньше первоначального килограмма. Как может быть иначе, если вы обрежете и удалите часть льда, подгоняя кубик под заданный объем. Поэтому вода в объеме литра тяжелее льда в том же объеме.
Если поставить на заморозку литровую с 1 000 мл воды (1 литр), то в процессе отвердения из нее выльется примерно 80 мл воды. А чтобы получить 1 литр льда, достаточно заморозить 920 мл воды.
Заморозить и восстановить
Сегодня все труднее встретить чистую природную воду. Особенно в условиях города, где она, прежде чем попасть в квартиру, фильтруется, хлорируется, подвергается другим видам физической и химической обработки. Чистая вода становится дефицитом, стоимость добываемой воды из артезианских скважин растет. Однако вода, оказывается, восстанавливает свою изначальную структуру и энергетику после заморозки – она очищается. Поэтому: пейте талую воду! Не зря на нее так хорошо реагируют весной все растения и с удовольствием пьют животные.
Удивительная способность льда всплывать и курсировать на поверхности воды объясняется ни чем иным, как элементарными физическими свойствами, который изучают в курсе средней и старшей школы. Доподлинно известен тот факт, что вещества при нагревании имеют свойство расширяться, как, например, ртуть в градуснике, также и вода при понижении температуры замерзает и увеличивается в объемах, образуя на поверхности водоемов корку льда.
Увеличение объема замерзшей воды нередко играет злую шутку с теми, кто забывает емкости с жидкостью на морозе. Вода буквально разрывает тару.
Мнение о том, что во вновь образованной толще льда появляются микроскопические поры, заполненные воздухом, не является ошибочным, но и не может объяснить факт всплывания должным образом. В соответствии с принципами, выведенными и сформулированными древнегреческим ученым, получившими впоследствии название закон Архимеда, тела, которые погружаются в жидкость, выталкиваются из нее с силой, которая равна весовым характеристикам жидкости, вытесняемой данным телом.
Физика воды
Доподлинно известно, что лед примерно на одну десятую легче воды, именно поэтому гигантские айсберги погружены в океан примерно на девять десятых своего общего объема и видны лишь на небольшую долю. Данные весовые объясняются свойствами кристаллической решетки, которая у воды, как известно, не обладает упорядоченной структурой и характеризуется постоянным перемещением и столкновением молекул. Это и объясняет более высокую плотность воды по сравнению со льдом, молекулы которого под воздействием низких температур показывают низкую подвижность и небольшую энергетическую составляющую и соответственно меньшую плотность.
Известно также, что максимальную плотность и вес вода имеет при температуре, равной 4оС, дальнейшее понижение ведет к расширению и снижению показателя плотности, что и объясняет свойства льда. Именно поэтому в водоемах тяжелая четырехградусная вода опускается на дно, давая возможность более прохладной подняться и превратиться в не тонущий лед.
Лед имеет специфические свойства, к примеру, он устойчив к инородным элементам, имеет низкую реактивную способность, отличается подвижностью атомов водорода, а потому имеет низкий предел текучести.
Понятно, что данное свойство является основополагающим для сохранения жизни на Земле, ведь если бы лед имел свойство погружаться под толщу воды, с течением времени все водоемы Земли после понижения температур могли заполниться слоями, постоянно образующимися на поверхности льда, что привело бы к природной катастрофе и полному исчезновению флоры и фауны водоемов от самого экватора до противоположных полюсов.