Свойства тяжелой воды

«Тяжелая вода» — вещество, молекулы которого состоят из более тяжелых (имеющих большую атомную массу из-за дополнительного количества нейтронов в ядре), нежели ¹Н и ¹⁶0, изотопов кислорода и водорода.

В параграфе 1.1 уже упоминалось, что доля «тяжелой воды» в природных условиях составляет менее 0,3%. Однако, несмотря на столь низкую концентрацию, относительная доля изотопов ^{, 8}0/^{, 6}0 и D/'H в последние годы стала одним из важнейших океанологических и гляциологических параметров, помогающих проследить условия формирования вод и льдов.

Разное число нейтронов в ядре изотопов кислорода и водорода приводят к различиям в физических свойствах. Для иллюстрации этих особенностей в таблице 1.2 приводятся примеры различий в физических свойствах изотопных разновидностей воды.

Основные физические свойства изотопных разновидностей воды при атмосферном давлении Таблица 1.2.

Главный механизм изменения соотношения изотопных компонентов (фракционирования изотопов) воды — процессы фазового перехода и прежде всего — испарение и конденсация. За счет различия упругостей (давлений) паров изотопных составляющих воды с открытой поверхности водоема в первую очередь улетучиваются молекулы с меньшей массой. Таким образом, пар обогащается изотопами 'Н и ^|60, а вода верхнего слоя — тяжелыми изотопами ^{, 8}0 и D.

При 20° С в случае равновесия пара с водой пар на 0,9% беднее изотопом ^{, 8}0 и на 8,4% беднее дейтерием, при 0° С это уменьшение относительной концентрации составляет соответственно 1,2% и 11,1%.

В процессе многократного испарения и конденсации водяного пара в атмосфере изотопное фракционирование приводит к последовательному его обеднению изотопами тяжелой воды. Исследования показали, что чем ниже температура воздуха и, соответственно, упругость водяного пара, тем меньшей оказывается концентрация ^{, 8}0 и дейтерия в атмосферных осадках (над полюсами на — 3−6% ниже средних значений). Таким образом, приповерхностный слой водоемов в высоких широтах за счет выпадения осадков и таяния ледников оказывается также обедненным «тяжелой водой».

Подобное фракционирование, но в меньшей степени, происходит и при замерзании: при 0° С лед имеет более высокую относительную концентрацию ¹⁸0 по сравнению с водой — на 0,35%, для дейтерия это обогащение достигает 2,1%.

Задачи и вопросы для повторения

• 1.1. Чем отличается ковалентная связь от водородной?
• 1.2. Чем обусловлен большой дипольный момент молекулы воды?
• 1.3. Какая из энергий в жидкой фазе больше: тепловая энергия молекулы воды или энергия водородной связи?
• 1.4. В чем сущность эффекта гибридизации?
• 1.5. В каком фазовом состоянии расстояние между молекулами больше: в водяном паре или во льду?
• 1.6. Что такое «тяжелая вода»?
• 1.7. Что понимается под фракционированием изотопов?
• 1.8. Какие модели структуры воды являются энергетически двухструктурными?
• 1.9. Чем объясняются аномальные температуры плавления и кипения воды по сравнению с родственными веществами — гидридами элементов VI группы?
• 1.10. Как модель Самойлова объясняет очень высокую удельную теплоемкость воды?