ТЯЖЕЛАЯ ВОДА

ДЕВЯТЬ СОРТОВ ВОДЫ

Осле открытия дейтерия водород и вода, эти самые обыч­ные и, казалось бы, уже хорошо исследованные вещества, неожиданно приобрели особый интерес. Ведь тяжелый во­дород— это единственный в природе изотоп, который от­личается по массе от своего «брата» — протия в два раза.

Высказывалась надежда, что новый сорт атомов водорода позволит глубже проникнуть в строение самих атомных ядер. На изотопах водорода легче всего будет подметить влияние массы ядра на различные свойства атома. Эти ожидания оправдались.

Сколько лет пытались исследователи выделить в чистом виде хотя бы маленькое количество изотопа какого-ни­будь элемента, но все их старания были напрасны. А теперь сразу же представилась возможность получить необходи­мое количество чистого изотопа и на опыте сравнить свой­ства двух сортов атомов, принадлежащих одному и тому же химическому элементу.

Различие в массах ядер у изотопов приводит к небольшо­му, но все же заметному отличию их физических и хими­ческих свойств. Чем больше отличаются своими массами ядра изотопов, тем большего различия следует ожидать в свойствах их атомов. Как правило, массы изотопов редко отличаются больше чем на десять процентов. Например, крайние из десяти изотопов олова: Бп112 и Бп124, имеют разность в массовых числах, равную 12, что по отношению даже к самому легкому из них составляет только десять процентов. У большинства других элементов это отноше­ние еще меньше. Только у некоторых элементов, стоящих в начале таблицы Менделеева, расхождение в массах изото­пов превышает 10 процентов; крайние изотопы серы и кислорода отличаются массами на 12,5 процента, лития — на 16,6, а гелия — на 33,3 процента.

Изотопы сходны между собой более, чем любые, самые близкие по свойствам химические элементы. Обычно, если один из изотопов вступает в химическое соединение с ка­ким-нибудь другим атомом, то и все остальные изотопы этого элемента следуют за ним. Именно подобие в хими­ческих свойствах изотопов и явилось причиной того, что они былиоткрытытолько во втором десятилетии нашего века.

Единственный элемент, изотопы которого отличаются своими массами в два раза, это — водород. Поэтому две раз­новидности водорода, находятся ли они в свободном состо­янии или в виде химических соединений, больше отли­чаются по своим свойствам, чем изотопы других элементов. Однако и здесь различие не столь велико, чтобы его можно было подметить обычными химическими методами.

Изотопы водорода с массовыми числами 1 и 2, а также изотопы кислорода 16, 17 и 18 могут существовать в природе неопределенно долгое время как в виде свободных моле­кул, так и в составе различных химических соединений. Это — устойчивые изотопы. Если протий, сгорая в кисло­роде, образует воду, то то же самое будет и с тяжелым водо­родом: сгорая, он даст воду. С другой стороны, с протием или дейтерием может вступить в соединение один из изото­пов кислорода, в результате тоже образуется вода. Комби­нируя все возможные сочетания изотопов водорода и кисло­рода, можно представить себе воду девяти различных изо­топных составов: Н2016, Н2017, Н2018, ШО16, НЭО17, ИБО18, 02016, Э2017 и 02018.

Относительное содержание устойчивых изотопов в есте­ственных химических элементах большей частью постоян­но. Из каких бы соединений ни получали хлор, в нем всегда содержится на каждые три атома хлор-35 один атом хлор-37. То же справедливо и для многих других элементов: кремния, натрия, калия, меди, серебра, железа и т. д. Но это наблюдается не всегда. У некоторых элементов изо­топный состав значительно изменяется, в зависимости от их происхождения. К ним принадлежат: гелий, аргон, уг­лерод и некоторые другие элементы.

Изотопный состав водорода и кислорода также не по­стоянен. Он зависит от того, откуда выделены эти газы: из воздуха, воды, минералов или живых организмов.

В естественном водороде дейтерия содержится около 0,02 процента, то есть на каждые 5000 атомов легкого во­дорода— протия (1Н1) приходится только один атом тяже­лого водорода—дейтерия ^Н2).

Наиболее распространенным соединением водорода с кислородом в наших земных условиях является вода. Какой же воды в природе больше? Очевидно, той, которая состоит из атомов наиболее распространенных изотопов. Это будет вода, отвечающая по составу формуле Н2016. Относитель­ное содержание изотопов кислорода О17 и О18 в природе неве­лико, а атомов дейтерия итого меньше. Поэтому количество тяжелой воды, содержащей в своей молекуле атомы дей­терия, сравнительно небольшое; а количество воды, вклю­чающей в себя наряду с дейтерием атомы тяжелых изо­топов кислорода, совершенно ничтожно.

Практическое значение приобрела только вода, содер­жащая в составе своей молекулы атомы дейтерия и изото­па кислорода-16, то есть отвечающая химической форму­ле В2016. Ее и назвали тяжелой водой.

В природных водах молекул 02016 очень мало, так как они легко вступают во взаимодействие с молекулами Н2016, заменяя один атом дейтерия на атом легкого водо­рода; в результате такого обмена образуются две молекулы состава НОО16. Таких молекул в обычной воде около 0,02 процента. Воды состава Н2017 примерно в два раза больше— около 0,04 процента, воды состава Н2018 еще больше — около 0,20 процента. Свойства воды, содержащей тяжелые изотопы кислорода, пока изучены еще недостаточно.