Химия - Лёгкая вода
01 марта 2011Оглавление:
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: 4830
|
|