Химия воды

ИЗОТОПНЫЙ СОСТАВ ВОДЫ

Вода – самое  распространенное вещество на Земле: ¾ поверхности планеты покрыто морями, океанами, реками, ледниками. Кроме того, вода в больших количествах содержится в земной коре, образуя подземные озера и воды. А общее содержание воды на Земле составляет примерно 1500 млн. км3.

Вода  состоит из самых распространенных атомов в нашем мире – из водорода и кислорода, причем самым распространенным атомом во Вселенной является водород.

Солнце  состоит в основном из водорода, а также содержит немного гелия, углерода и кислорода. Вся Вселенная  на 98% состоит из водорода.

Вселенная образовалась с концентрации межзвездной  воды (НОН) с образованием из нее  гигантских протозвезд. Уплотняясь и  сжимаясь, сжигая водород и образуя  дейтерий, протозвезды постоянно  превращаются в звезды и планеты.

Вода  – самое загадочное вещество на свете. Она  не подчиняется никаким  законам физики и  химии, обладает, как  говорят ученые, аномальными  свойствами. По законам химии она должна кипеть при температуре – 76 °С, и замерзать при температуре – 90 °С. Но мы знаем, что вода замерзает при 0 °С, а кипит при 100 °С.

Известным киевским учёным Бердышевым создана  специальная наука – аквабиотика, наука о роли воды в жизненных процессах.

Из  каких же изотопов состоит человек? Как любая материя человеческий организм сложен из кирпичиков - атомов, атомы одного сорта отличаются количеством  элементарных частиц, их составляющих, то есть обладают свойством изотопии. Представим себе человека, вес которого составляет 50 кг. Тогда на кислород, углерод, азот и водород приходится в общей сложности 48.3 кг. На все  другие элементы – оставшиеся 1.3 кг. Легко посчитать, какое количество в таком гипотетическом человеке содержится тех или иных изотопов. Больше всего в человеке кислорода (30.481 кг). Это означает, что изотопа  кислорода с массовым числом 16 (обозначается 16О) в человеке 30.4 кг, изотопа с  массовым числом 17 (17О) 12.3 г и с  массовым числом 18 (18О) 68.6 г. Углерода в  нашем человеке 11.537 кг и он распределен между изотопом с массовым числом 12 (12С) – 11.4 кг - и изотопом с массовым числом 13 (13С) – 137 г. Водорода в человеке чуть больше пяти кг: с массовым числом 1 (1Н) 5.0 кг, с массовым числом 2 (2Н или D - дейтерий) 1.5 г. Наконец, изотопы азота с массовыми числами 14 (14N ) и 15 (15N ) содержатся в количествах 1.3 кг и 5.1 г, соответственно. Такого "изотопного человека" можно изобразить в следующем виде:

Таким образом при весе тела человека 50 кг в нем содержится 225 г тяжелых изотопов. Человек растет и прибавляет в весе за счет питания. Также за счет питания компенсируются затраты энергии, поддерживается температура тела, обеспечиваются процессы обмена веществ. Пища – это белки, жиры и углеводы. Все эти вещества состоят, в основном, как раз из тех четырех элементов, о которых шла речь выше (кислород, углерод, водород и азот). Все органические вещества в конечном итоге обязаны своим происхождением фотосинтезу в растениях. Растения поглощают углекислый газ из воздуха, который под действием света и катализаторов (в роли последних выступают особые белковые структуры, так называемые энзимы) взаимодействует с водой, втягиваемой корневой системой, с образованием простейших «кирпичиков» органических веществ. Из этих «кирпичиков» также с помощью катализаторов – энзимов создаются сложные органические молекулы углеводов, жиров и белков. 
 

ИЗОТОПЫ В СОСТАВЕ ВОДЫ

Водород воды имеет три изотопа: протий ¹Н (протон + электрон), дейтерий ²Н или Д (протон + нейтрон + электрон), тритий ³Н или Т (протон + два нейтрона + электрон), с массовыми числами соответственно 1, 2 и 3. Протий и дейтерий – стабильные изотопы. Тритий – бета радиоактивен, период полураспада равен 12,26 года. Атомы Н бывают разной степени возбуждения.  

Кроме водорода, изотопы обнаружены и у кислорода, их пять, кроме известного всем стабильного  изотопа О¹⁶ (с молекулярным весом 16). Три из них оказались радиоактивными – О¹⁴, О¹⁵ и О¹⁹, а О¹⁷ и О¹⁸ – стабильными. О¹⁶, О¹⁷ и О¹⁸ содержатся во всех природных водах, причем их соотношение (с колебаниями до 1%) таково: на 10000 частей О¹⁶ приходится 4 части О¹⁷ и 20 частей О¹⁸.

 
По физическим свойствам тяжелокислородная вода меньше отличается от обычной, чем тяжеловодородная. Получают ее из природной воды фракционной перегонкой и используют как источник препаратов с меченым кислородом.

 
Учитывая все разнообразие изотопного состава водорода и кислорода, можно  говорить о большом разнообразии изотопных разновидностей воды. Девять из них включают только стабильные изотопы и составляют основное содержание природной воды. В ней преобладает  обычная вода Н¹₂О¹⁶ (99,73%), далее следует тяжелокислородные воды Н¹₂О¹⁷ (0,04%) и Н¹₂О¹⁸ (0,2%), а также изотопная разновидность тяжелой воды H¹D¹O¹⁶(0,03%).

 
Кислорода в человеке 60%, но по количеству атомов все живые существа на 2/3 состоят  из атомов водорода и на ¼ из атомов кислорода. Изотопное отношение: П:Д = 1:4700 в материковых водах, П:Д = 1:6800 атомов в морской воде. То есть концентрация в материковых водах Д = 0,0135 ат.% или 0,015 вес%, в морской воде Д = 0,015 ат.% или 0,017 вес%. В природной воде содержание трития ничтожно – всего 10^-18 атомных процента. И тем не менее он есть и в питьевой воде.

 
В зависимости от видов и содержания изотопов водорода (Н, Д, Т) и кислорода (О¹⁴, О¹⁵, О¹⁶, О¹⁷, О¹⁸, О¹⁹), от степени чистоты и загрязнения исследователи выделяют свыше тысячи разновидностей питьевой воды.

 
Поскольку Вселенная в основном состоит из атомов водорода, космические  ядра водорода протоны, пронизывая атмосферу, захватывают О₂, образуют Н₂О. В этой воде много трития и дейтерия. Каждые сутки на Землю падает 1,5 тонны тритиевой-дейтерированой воды. Поэтому основным источником природного трития, дейтерия и радиоактивных кислородов является атмосфера. В таблице 2 приведены некоторые реакции образования Т и О¹⁴ в атмосфере под действием космических лучей.