Що таке важка вода?

Важка вода дуже дорога і дефіцитна. Однак якщо вдасться знайти дешевий і практичний спосіб її отримання, то області застосування цього рідкісного поки ресурсу помітно розширяться. Можуть відкритися нові сторінки в хімії, біології, а це нові матеріали, невідомі сполуки, може бути, і несподівані форми життя.

Молекули води міцно пов'язані один з одним і утворюють стійку молекулярну конструкцію, яка чинить опір будь-яким зовнішнім впливам, зокрема тепловим. (Саме тому, щоб перетворити воду в пар, потрібно підвести до неї багато тепла). Молекулярна конструкція води скріплена каркасом з особливих квантово-механічних зв'язків, названих в 1920 році двома американськими хіміками Латимерія і Родебушем водневими. Всі аномальні властивості води, включаючи незвичайна поведінка при замерзанні, пояснюються з точки зору концепції водневих зв'язків.

Вода в природі буває кількох «сортів». Звичайна, або протиевой (Н2О). Важка, або дейтерієва (D2O). Надважка, або тритієва (Т2О), але її в природі майже немає. Різниться вода і за ізотопним складом кисню. Всього ж налічується не менше 18 її ізотопних різновидів.

Якщо ми відкриємо водопровідний кран і наберемо чайник, то там буде не однорідна вода, а її суміш. При цьому дейтерієвої «вкраплень» виявиться дуже небагато - приблизно 150 грамів на тонну. Виходить, що важка вода є всюди - в кожній краплі! Проблема в тому, як її взяти. Нині в усьому світі її видобуток пов'язана з величезними витратами енергії і дуже складним устаткуванням.

Однак є припущення, що на планеті Земля можливі такі природні ситуації, коли важка і звичайна вода на якийсь час відокремлюються одна від іншої - D2O з розсіяного, «розчиненого» стану переходить в концентроване. Так, може бути, існують родовища важкої води? Поки однозначної відповіді немає: ніхто з дослідників цим питанням раніше не займався.

А разом з тим відомо, що фізико-хімічні властивості D2O зовсім інші, ніж у Н20 - її постійного супутника. Так, температура кипіння важкої Різниця в щільності однієї й іншої різновидів води перевищує 10%, і тому можливі умови, коли перехід в твердий стан при охолодженні відбувається спочатку у важкої води, а потім у звичайної. У всякому разі, фізика не забороняє появи ділянок твердої фази з підвищеним вмістом дейтерію. Такому «важкого» льоду на діаграмі відповідає заштрихований ділянку. Якби вода була «нормальною», а не аномальної рідиною, то залежність щільності від температури мала б вигляд, показаний пунктирною лінією.

Отже, оскільки є помітна різниця в щільності між D2O і Н2О, то саме щільність, а також агрегатний стан і можуть служити найбільш чутливими критеріями в пошуках можливих родовищ важкої води - адже ці критерії пов'язані з температурою навколишнього середовища. А як відомо, навколишнє середовище найбільш «контрастна» у високих широтах планети.

Але до теперішнього часу склалася думка, що води високих широт бідні дейтерієм. Приводом до цього стали результати досліджень проб води і льоду з Великого Ведмежого озера в Канаді та з інших північних водойм. Виявилися також коливання у вмісті дейтерію за сезонами року - взимку, наприклад, в річці Колумбія його менше, ніж влітку. Ці відхилення від норми зв'язувалися з особливостями розподілу атмосферних опадів, які, як прийнято вважати, «розносять» дейтерій по планеті.

Схоже, що ніхто з дослідників відразу не помітив прихованого протиріччя в цьому твердженні. Так, атмосферні опади впливають на розподіл дейтерію по водоймах планети, проте вони ніяк не впливають на глобальний процес утворення дейтерію!

Коли на Півночі настає осінь, в річках починається швидке охолодження водної маси, яке прискорюється під впливом вічної мерзлоти, одночасно йде асоціація молекул H2O. Нарешті, настає критичний момент максимальної щільності - температура води усюди трохи нижче + 4 ° С. І тоді в придонному зоні на деяких ділянках інтенсивно наморожують пухкий підводний лід.

На відміну від звичайного льоду він не має правильної кристалічної решітки, у нього інша структура. Центри його кристалізації різні: камені, корчі і різні нерівності, причому не обов'язково лежать на дні і пов'язані з мерзлим грунтом. З'являється пухкий лід на річках глибоких, зі спокійним - ламінарним - течією.

Підводне льодоутворення зазвичай закінчується тим, що крижини спливають на поверхню, хоча в цей час ніякого іншого льоду немає. Підводний лід іноді з'являється і влітку. Виникає питання: що це за «вода у воді», яка змінює свій агрегатний стан, коли встановилася температура в річці занадто висока для того, щоб в лід перетворювалася звичайна Н2О, щоб, як кажуть фізики, стався фазовий перехід?

Можна припустити, що пухкий лід являє собою збагачені концентрації важкої води. До речі, якщо це так, то потрібно пам'ятати, що важка вода не відмінна від звичайної, проте споживання її всередину організму може викликати тяжкі отруєння. До слова сказати, місцеві жителі високих широт не вживають річковий лід для приготування їжі - тільки озерний лід або сніг.

«Механізм» фазового переходу D2O в річці дуже нагадує той, що використовується хіміками в так званих кристалізаційних колонах. Тільки в північній річці «колона» розтягнута на сотні кілометрів і не настільки контрастна по температурному режиму.

Якщо ж мати на увазі, що через центри кристалізації в річці за короткий час проходять сотні і тисячі кубічних метрів води, з яких перетворюється на лід - наморожують - нехай тисячна частка відсотка, то і цього достатньо, щоб говорити про здатність важкої води концентруватися, то є утворювати родовища.

Тільки присутністю таких концентрацій можна пояснити той доведений факт, що взимку в північних водоймах процентний вміст дейтерію помітно зменшується. Та й полярні води, як показують проби, теж бідні дейтерієм, і в Арктиці, цілком імовірно, є райони, де плавають в основному тільки крижини, збагачені дейтерієм, - адже пухкий донний лід з'являється першим і тане останнім.

Більше того, як показали дослідження, льодовики і льоди високих широт в цілому багатшими важкими ізотопами, ніж води, які омивають льоди. Наприклад, у Південній Гренландії, в районі станції «Дай-3», виявлено ізотопні аномалії на поверхні льодовиків, і походження таких аномалій поки не пояснено. Значить, можуть зустрітися і крижини, збагачені дейтерієм. Справа, як кажуть, за малим - потрібно знайти ці поки ще гіпотетичні родовища важкої води.