Химия - Лёгкая вода

01 марта 2011


Оглавление:
1. Лёгкая вода
2. Международные стандарты на природные воды различного изотопного состава
3. Свойства и эффекты лёгкой воды



изотополог воды H2O, образованный лёгкими стабильными изотопами входящих в него элементов, содержание которого в природной воде составляет 99.73 — 99.76 мол.%.

Изотопика воды

Изотопы — разновидности атомов одного и того же химического элемента, имеющие одинаковые заряд ядра и строение электронных оболочек, различающиеся по массе ядер. Разница масс обусловлена тем, что ядра изотопов содержат одинаковое число протонов p и различное число нейтронов n. Комбинации различных атомов-изотопов дают набор молекул-изотопологов.

Изотопологи — молекулы, различающиеся только по изотопному составу атомов, из которых они состоят. Изотополог имеет в своём составе, по крайней мере, один атом определенного химического элемента, отличающийся по количеству нейтронов от остальных.

Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.

Водород имеет два стабильных изотопа — протий — H и дейтерий — H.

У кислорода три устойчивых изотопа: O, O и O.

Таблица 1. Изотопы воды

Элемент Водород Кислород
Изотоп Н D O O O
Количество протонов в ядре 1 1 8 8 8
Количество нейтронов в ядре 0 1 8 9 10
Атомная масса 1 2 16 17 18

Комбинации 5 стабильных изотопов водорода и кислорода дают набор 9 молекул-изотопологов воды.

Таблица 2. Изотопологи воды

Изотополог H2O HDO D2O H2O HDO D2O H2O HDO D2O
Изотопы водорода H H, D D H H, D D H H, D D
Изотопы кислорода O O O O O O O O O
Молекулярная масса 18 19 20 19 20 21 20 21 22

Молекула H2O является самой лёгкой из совокупности всех изотопологов воды. Именно воду H2O следует считать классической или лёгкой водой.

Лёгкая вода как моноизотопная композиция H2O является предельным случаем изотопной чистоты. В естественных условиях такой чистой лёгкой воды не существует. Для получения изотополога H2O ведут тонкую многостадийную очистку природных вод или синтезируют из исходных элементов H2 и O2. Природная вода представляет собой многокомпонентную смесь изотопологов. Содержание самого лёгкого изотополога в ней значительно превосходит концентрацию всех остальных вместе взятых. В природных водах в 1000000 молекул в среднем содержится 997284 молекул H2O, 311 молекул HDO, 390 молекул H2O, и около 2005 молекул H2O. Концентрация молекул воды, содержащих тяжёлые изотопы D, O, O, в природной воде колеблется в пределах, зафиксированных в основных стандартах изотопного состава гидросферы SMOW и SLAP. Весовые количества изотопологов в природной воде рассчитаны на основании данных прямого определения их содержания методом молекулярной спектроскопии .


Таблица 3. Рассчитанные весовые количества изотопологов в природной воде, соответствующие международным стандартам SMOW и SLAP, .

Изотополог воды Молекулярная масса Содержание, г/кг
SMOW SLAP
H2O 18,01056470 997,032536356 997,317982662
HDO 19,01684144 0,328000097 0,187668379
D2O 20,02311819 0,000026900 0,000008804
H2O 19,01478127 0,411509070 0,388988825
HDO 20,02105801 0,000134998 0,000072993
D2O 21,02733476 0,000000011 0,000000003
H2O 20,01481037 2,227063738 2,104884332
HDO 21,02108711 0,000728769 0,000393984
D2O 22,02736386 0,000000059 0,000000018

Как видно из таблицы 3, в природной воде весовая концентрация тяжёлых изотопологов может достигать 2,97 г/кг, что является значимой величиной, сопоставимой, например, с содержанием минеральных солей.

Природная вода, близкая по содержанию изотополога H2O к стандарту SLAP, а также специально очищенная с существенно увеличенной долей этого изотополога по сравнению со стандартом SLAP, определяется как особо чистая лёгкая вода.

В лёгкой воде доля самого лёгкого изотополога составляет: 99.76 < H2O ≤ 100.

Если из воды, отвечающей стандарту SMOW, удалить все тяжёлые молекулы, массовое содержание которых составляет 2,97 г/кг и заменить их на H2O, то масса 1 л такой лёгкой и изотопно чистой воды уменьшится на 250 мг. Таким образом, параметры лёгкой воды, в первую очередь, её «лёгкость» и изотопный состав поддаются измерению с помощью таких методов, как масс-спектрометрия, гравиметрия, лазерная абсорбционная спектроскопия, ЯМР.



Просмотров: 4295


<<< Изотопы углерода
Магические числа (физика) >>>