Тяжелая вода - Физика в школе
Главное меню:
статьи
Тяжелая вода
Одним из основных законов химии является закон постоянства состава, устанавливающий, что элементы вступают в соединение друг с другом в постоянных весовых отношениях. Например, анализ химически чистой воды, независимо от ее происхождения, показывает, что она всегда содержит 2,0016 весовых частей водорода на 16 весовых частей кислорода» В течение долгого времени из этого закона делали вывод, что все атомы каждого элемента имеют совершенно одинаковый вес. Но нетрудно видеть, что предположение о равенстве весов атомов каждого элемента является лишь простейшим, но не единственно возможным. Можно было бы также предположить, что атомы каждого элемента имеют разный вес, но всегда образуют смесь постоянного состава, так что средний вес атомов элемента оказывается одинаковым во всех соединениях. Так, вместо того, чтобы предполагать, что все атомы хлора имеют вес 35,46, можно представить, что часть атомов хлора имеет вес 35, а часть - вес 37 и они постоянно смешаны в такой пропорции, что дают средний вес 35,46.
Закон постоянства состава не дает основания для того, чтобы отдать предпочтение какой-либо из этих двух возможностей. Химики в течение долгого времени останавливались на первой из них, как на простейшей. Такой взгляд, казалось, нашел подтверждение в периодическом законе, открытом нашим великим химиком Д. И. Менделеевым. Из этого закона как будто бы следовало, что атомный вес является основным свойством элемента, определяющим его химические свойства, так что два атома с разным весом не могут иметь одинаковых химических свойств.
В настоящее время нам известно, что это не совсем и не всегда так. Химические свойства элемента определяются не столько его весом, сколько строением его атома.
Заряд ядра определяет число электронов в электронной оболочке атома. Между тем именно строение электронной оболочки определяет химические свойства элемента. Д. И. Менделеев пришел к правильному расположению элементов в своей периодической таблице только потому, что последовательность атомных весов приблизительно совпадает с последовательностью атомных номеров, т. е. зарядов атомных ядер. Из сказанного ясно, что вполне возможно существование атомов с различными массами, но с одинаковыми химическими свойствами. Для этого нуж но, чтобы ядра этих атомов имели разную массу, но одинаковый заряд. Исследования ряда ученых, в особенности английского ученого Астона, показали, что, действительно, большинство элементов является смесью атомов разной массы, получивших название изотопов.
Изотопы и первичные элементы занимают одно и то же место в системе Менделеева. Так, хлор оказался смесью двух изотопов с атомным весом 35 и 37.
Мы видим, что из двух возможностей истолкования закона постоянства состава, о которых шла речь выше, оказалась верной вторая. Из этого закона следует, что изотопы каждого элемента находятся в природе в виде смеси постоянного состава и одновременно, без нарушения соотношения количеств изотопов, вступают в химические реакции.
Астон при изучении изотопов сделал важное открытие: атомные веса изотопов выражаются числами, очень близкими к целым числам (если принять массу главного изотопа кислорода за 16).
Ряд ученых пытался осуществить различными методами разделение изотопов, но в результате длительных и сложных манипуляций удалось добиться лишь очень незначительного обогащения элемента каким-либо одним из его изотопов. Впервые удалось простым способом и полностью разделить изотопы водорода в 1933 г. американским ученым Льюису и Макдональду после того как в 1932 г. Зреем, Брикведом и Мерфи было установлено различие изотопов водорода. Полное разделение изотопов других элементов является значительно более трудным делом и не осуществлено до сих пор.
Мы говорили, что свойства изотопов какого-либо элемента практически одинаковы, но они не тождественны. Разница в массах приводит и к некоторому различию в свойствах. Ясно, что различие будет тем больше, чем больше будет относительная разница масс.
Изотопы водорода имеют атомный вес 1 и 2, тяжелый изотоп здесь, следовательно, вдвое тяжелее легкого. Ясно, что у элементов с большим атомным весом отношение масс изотопов значительно меньше, почему и разделить их гораздо труднее.
Изотопы обычно обозначаются химическим символом элемента с указанием атомного веса; например О18 обозначает изотоп кислорода с массой 18.
Разделение изотопов водорода, ведущее к получению так называемой тяжелой воды, было осуществлено лишь в 1933 году, так как только в 1932 г. было доказано существование изотопа водорода с массой 2. Тяжелый изотоп водорода Н составляет лишь очень небольшую часть всего водорода - один атом Н2 приходится на 5 или 6 тысяч атомов легкого водорода Н.
Вскоре после открытия тяжелого водорода последовал ряд попыток разделить изотопы водорода. Однако, вначале эти по пытки были сравнительно малоэффективны в количественном отношении до тех пор, пока Уюшборн и Эрей не открыли, что при электролизе воды (т. е. при разложении воды постоянным электрическим током) выделяется по преимуществу легкий изотоп водорода, а тяжелый водород накапливается в остатке. Они обнаружили это, исследуя воду из промышленных электролизеров (служащих для получения водорода). Оказалось, что содержание тяжелого водорода Н2 в этой воде превышало обычное в 5 - 6 раз. Вода, исследованная Уошборном и Эреем, была взята из электролизера, работавшего в течение нескольких лет без смены раствора.
Основываясь на этом замечательном открытии, Льюис и Макдональд предприняли систематические опыты по обогащению воды тяжелым водородом и вскоре получили чистую тяжелую воду, т. е. такую воду, в которой весь водород представлял собой тяжелый изотоп. Формулу такой воды можно написать так: Н2Н20.
Идея метода Льюиса и Макдональда состоит в следующем. Состав водорода, выделяющегося при электролизе, зависит от соотношения количеств легкого и тяжелого водорода в разлагаемой воде и от отношения скоростей их выделения.
Тяжелый водород выделяется в 5 раз медленнее легкого, поэтому вода в электролизере постепенно обогащается тяжелым водородом. Однако такое обогащение не может идти беспредельно. Если при электролизе добавлять свежую воду, то нельзя получить обогащения больше, чем в 5 раз.
Другой результат получится, если разлагать воду током, не прибавляя свежей воды, тогда можно получить после электролиза очень малое количество почти исключительно тяжелой воды. Льюис и Макдональд взяли 20 л воды и довели ее объем до 0,5 см3. Плотность полученной воды составила 1,073, что соответствует 66% Н2 по отношению ко всему водороду. Вскоре Льюис и Макдональд получили 0,12 см3 почти стопроцентной тяжелой воды и исследовали некоторые ее свойства. Каковы же эти свойства?
По внешнему виду тяжелая вода ничем не отличается от обычной. Ее плотность при 25° равна 1,1079 (по отношению к обычной воде при той же температуре). Тяжелая вода замерзает при +3,8° и кипит при 101,4°. Известная особенность воды - максимальная плотность при определенной температуре - наблюдается и у тяжелой воды, но, в то время как у обычной воды эта температура равна 4°, у тяжелой воды она близка к 11,6°.
Полученные результаты весьма интересны. Ведь многие физические константы воды служат основными при различных физических измерениях. Ее точка плавления принимается за 0°, точка кипения за 100°, плотность за единицу и т. д. И вот оказывается, что существует вода, которая плавится не при 0°, кипит не при 100° и имеет плотность на 11 % больше обычной.
Неудивительно, что тяжелая вода вызвала большой интерес, и целый ряд химиков, физиков и биологов сразу же начал заниматься изучением свойств тяжелой воды и других соединений тяжелого водорода.
Большое число исследований, посвященных изотопам водорода, потребовало установления специальной терминологии. Было предложено называть легкий изотоп водорода протием, а тяжелый - дейтерием (от греческих слов «протос» - первый и «дейтерос» - второй).
Точные измерения показали, что атомный вес протия Н1 равен 1,00778, а дейтерия Н2 - 2,0136 (по отношению к главному изотопу кислорода, принятому за 16).
Физические свойства тяжелой воды изучены довольно подробно. Некоторые из них отличаются от свойств обычной воды весьма мало, другие же - довольно значительно. Различие в свойствах, как правило, уменьшается с повышением температуры. Следует отметить большую разницу в вязкости. Вязкость тяжелой воды превышает вязкость обычной воды при 20° на 25%, а при 5° даже на 31%. Растворимость солей в тяжелой воде меньше, чем в обычной.
Но особенно резко выступает разница свойств изотопов водорода в скоростях химических реакций. Она невелика для реакций, идущих при высокой температуре, но весьма значительна для реакций, протекающих при комнатной температуре.
Особый интерес для химиков представляет возможность применения тяжелого водорода для обнаружения реакций, которые раньше было невозможно наблюдать, именно - реакций обмена атомами водорода между различными веществами. Рассмотрим такой пример.
Сахар содержит в своем составе водород. Растворим сахар в воде. Обмениваются ли молекулы растворенного сахара атомами водорода с молекулами воды, или же атомы водорода, входившие в его состав, остаются все время связанными в молекуле сахара? — Раньше ответить на этот вопрос было невозможно, теперь же с помощью тяжелой воды его легко решить. Растворим сахар в тяжелой воде (не обязательно стопроцентной), затем выпарим раствор и соберем воду. Если между сахаром и водой происходит обмен атомами водорода, то содержание тяжелого водорода в воде, а следовательно и плотность должны уменьшиться, так как часть тяжелого водорода заменится легким водородом сахара. Если обмена нет, то плотность воды должна остаться прежней. Такой опыт сделан Бонгофером, и оказалось, что действительно сахар, растворенный в воде, обменивается с водой атомами водорода.
Всеобщий интерес вызывает физиологическое действие тяжелой воды. Еще до того, как Льюису удалось получить воду с большим содержанием Н, им было высказано предположение, что тяжелая вода не будет поддерживать жизнь и должна умерщвлять высшие организмы. Как только в распоряжении Льюиса оказалось достаточное количество тяжелой воды, им были поставлены опыты для проверки этой мысли. Он нашел, что семена табака не прорастают в чистой тяжелой воде. Семена не прорастали в течение трех недель, в то время как в обычной воде при тех же условиях семена прорастали через два дня. Вскоре Тэйлор и другие сотрудники Принстонского университета, располагавшие большим количеством тяжелой воды, исследовали ее влияние на водные организмы - головастиков, рыб, плоских червей и простейших (парамеции). Высокопроцентная тяжелая вода (92%) оказалась для всех испытанных животных ядовитой. Так, например, головастики погибали через час после того, как они были помещены в тяжелую воду. Простейшие сопротивляются ядовитому действию тяжелой воды значительно дольше - смерть наступает лишь через 48 часов.
Наконец, Льюис испытал влияние тяжелой воды на теплокровное животное. Он взял трех маленьких белых мышей, поместил их в одинаковые условия, но одну из них поил тяжелой водой. В три приема мышь, весом в 10 г, выпила 0,54 г 87% - й тяжелой воды и 0,26 г 71 % - й тяжелой воды, что соответствует в сумме 0,66 г чистой воды. «Это, - говорит Льюис, - эквивалентно, если пересчитать по весу, тому, что человек выпил бы 4 или 5 л тяжелой воды. К удивлению Льюиса, мышь не умерла, однако она проявляла заметные признаки отравления. В то время как две другие мыши спокойно ели и спали, мышь, выпившая тяжелую воду, стала очень беспокойной, бегала взад и вперед и большую часть времени лизала стеклянные стенки сосуда, в котором она находилась. Чем больше она пила тяжелой воды, тем сильнее становилась ее жажда; она выпила бы, вероятно, гораздо больше, если бы у Льюиса не исчерпался его запас тяжелой воды.
Льюис на основании этого опыта приходит к выводу, что тяжелая вода вовсе не так уж ядовита, как это думали вначале. Ученые в 30-е годы прошлого века думали, что тяжелая вода, со временем, найдет свое применение в медицине, в других областях. И со временем, действительно, тяжелая вода нашла свое применение, но не в медицине, а в ядерной промышленности.