Изотопный состав природных вод. Изотопные модификации Изотопы воды

Атомы водорода и кислорода, образующие воду, или окись водорода, могут иметь различные массовые числа и отличаться друг от друга своими физико-химическими свойствами, но при этом они имеют одинаковый электрический заряд атомных ядер и поэтому занимают в периодической системе элементов одно и то же место. Такие разновидности атомов одного и того же химического элемента называются изотопами.

Известны пять водородов и пять кислородов. Правда, по два из них (4Н, 5Н, 14О и 15О ) радиоактивны и очень короткоживущи. Например, длительность существования водорода-4 – 4 10-11 сек. Такие короткоживущие изотопы из нашего рассмотрения исключены.

Итак, наиболее широко известны следующие изотопы водорода: протий 1Н (с относительной атомной массой 1), дейтерий 2Н , или D (с относительной атомной массой 2) и тритий 3Н , или Т (с относительной атомной массой 3), наиболее тяжелый, но слаборадиоактивный водород (его период полураспада 12,3 года), и изотопы кислорода: 16О, 17О и 18О. Эти шесть изотопов могут образовывать 18 изотопических разновидностей воды: 1H216О; 1HD16О; D216О; 1HT16О; DT16О; T2О16; 1Н217О; 1НD17О; D217O; lНT17O; DТ17О; Т217О; 1Н218О; 1НD18О; D218O; 1HT18O; DT18O; Т218О.

Тритий и кислород-17 обнаружены в природных водах только в виде следов, а дейтерий и кислород-18 - в ощутимых количествах, которые мы приводим в таб. 2, где одновременно эти условные количества сопоставляем с содержанием в морской воде некоторых других элементов.

Объединив и осреднив изотопные составные природной воды, можем сказать, следующее: в земных водах содержится «легкой» воды 99,75, тяжелой кислородной - 0,18 и тяжелой водородной - 0,017%. Разумеется, это приближенные осредненные данные. На Земле на 6800 атомов протия приходится один атом дейтерия, а в межзвездном пространстве один атом дейтерия приходится уже на 200 атомов протия.

Дейтерий образуется при расщеплении ядер гелия, когда они сталкиваются друг с другом и происходит захват нейтрона протоном. Атмосферная вода в процессе круговорота обогащается дейтерием в результате диссипации протия в космическое пространство. Именно благодаря этому дождевая вода более богата тяжелым водородом. Тритий может поступать в атмосферу в результате космических процессов, а также обогащать земную воду, правда в очень небольших количествах, сверхтяжелой водой.

В атмосфере наблюдается некоторый избыток тяжелого кислорода-18, поступающего в результате разложения растений, содержащих его в повышенных количествах.

Изотопические разновидности воды различаются прежде всего своими физико-химическими характеристиками. Дейтерий обладает высокой гигроскопичностью, с жадностью поглощая влагу из воздуха и из стенок сосуда. Растворимость некоторых солей в тяжелой воде заметно меньше, чем в обыкновенной; с повышением содержания дейтерия отмечается уменьшение скорости некоторых реакций.

Какие разновидности соединений водорода с кислородом в «чистой» воде возможны еще? Мы говорили, что вода состоит из молекул Н2О или их изотопических разновидностей, которые сами по себе не несут электрического заряда, они нейтральны.

Внутри их положительные и отрицательные заряды уравновешены, хотя сама молекула воды полярна, как кусок магнита. Нейтральность заряда достигается равновесием между положительно заряженными протонами, и отрицательно заряженными электронами.

Однако вода обладает способностью к диссоциации (расщеплению) на противоположно заряженные ионы водорода Н+ и гидроксила ОН-, т. е. происходит ионизация самой воды. В случаях связывания одного из ионов с каким-либо другим веществом вода из нейтральной может стать кислой (при преобладании положительных свободных ионов водорода) или щелочной (при преобладании отрицательного гидроксильного иона). Например, если сжать воду под давлением 160 кбар, то ее плотность при температуре 1300 °С будет равна 2, а сама вода будет обладать свойствами кислоты. Такая «чистая» вода - хороший электролит. Если чистая вода совершенно не ионизирована, она не электропроводна. В действительности в природе вода всегда является электролитом, пропускающим в большей или меньшей степени электрический ток. Наличие ионов Н+ и ОН- делает воду очень активной.

Диссоциация (ионизация) молекул воды в большинстве поверхностных вод очень незначительна: при 25 °С в тонне «чистой» воды всего 1,8 мг или одна десятимиллионная часть воды. Однако и эта незначительность очень важна.

В воде могут находиться и отрицательно заряженные ионы кислорода О-, а также другие соединения водорода с кислородом, например гидрооксоний НзО +, который встречается в растворах галита (NaCI) при повышенных температурах и давлениях, а также в узлах решетки льда (вместе с гидроксильным ионом ОН-) , во многих минералах и т. д.

Однако в отношении Н+ и НзО+ следует сделать весьма существенную оговорку для температур до 100 °С. При ионизации воды, т. е. при распаде незаряженной молекулы Н2О на гидроксильный анион ОН - и катион Н+ , последний в воде не образуется, а гидратируется до иона гидрооксония Н3О+.

В 1 кг «чистой» воды при 25 °С содержится только 10-7 моль ионов НзО+ и, разумеется, столько же ионов ОН-. Но в воде не только не существует голых протонов Н+ , а даже гидратированные протоны Н3О+ в действительности подвергаются дальнейшей гидратации и реально существуют в форме иона Н9О4+.

Из других соединений водорода с кислородом известны перекись водорода Н2О2, гидроксил-моногидрат Н3О2 , встреченный в облаках ионосферы, перигидроксил НО2. Эти неустойчивые в основном соединения при определенных температуре и давлении могут быть весьма устойчивыми, о чем будет сказано позднее. В особых условиях сама молекула воды может оказаться носительницей положительного заряда Н2О+ или быть в возбужденном состоянии.

Следует упомянуть о существовании еще двух модификаций водорода: орто- и пароводород. В молекуле ортоводорода оба протона вращаются вокруг своей оси в одном и том же направлении, или, как говорят физики, имеют одинаковые ядерные спины. В молекуле же пароводорода протоны вращаются в противоположных направлениях. При 20 °С в обычном водороде содержится около 75% молекул ортоводорода и лишь 25% пароводорода. Помимо ядерного существует и электронный спин. Суммарный эффект спинов атома обусловливает его магнетизм, и наоборот, постороннее магнитное поле, в которое попадает молекула водорода, может изменять ее ядерный спин. Существуют. также модификации орто- и пароводы с параллельными и антипараллельными спинами как ядер, так и электронов.

Чистый пароводород (99,7%) впервые был получен в 1929 г. немецкими учеными К. Бонхеффером и П. Гартеком. От ортоводорода он отличается температурами кипения, плавления, упругостью пара, рядом других физических и химических свойств. При взрыве смеси пароводорода с кислородом первый нацело переходит в обыкновенный водород. Аналогичные явления наблюдаются и для тяжелой воды с различными ядерными и электронными спинами дейтерия. Отношение ортоводы к пароводе в водяном паре равно 3:1, а в тяжелой воде - 2:1. Молекула воды является как бы несимметричным ротором. При этом наблюдается большая скорость перехода от орта- к парвооде и наоборот, что сильно затрудняет исследования.

Все рассмотренные соединения водорода и кислорода требуют особых условий (температуры, давления и др.).

Здесь же мы еще раз подчеркнем, что даже та идеальная, реально несуществующая вода без примесей других (кроме кислорода и водорода) элементов есть вещество исключительно сложное, очень далекое от примитивного и привычного нам изображения в виде формулы Н2О .

n . Комбинации различных атомов-изотопов дают набор молекул-изотопологов.

Изотопологи - молекулы, различающиеся только по изотопному составу атомов, из которых они состоят. Изотополог имеет в своём составе, по крайней мере, один атом определенного химического элемента, отличающийся по количеству нейтронов от остальных.

Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.

Водород имеет два стабильных изотопа - протий (Н) - 1 H и дейтерий (D) - 2 H.

У кислорода три устойчивых изотопа: 16 O, 17 O и 18 O (табл.1).

Таблица 1. Изотопы воды

Комбинации 5 стабильных изотопов водорода и кислорода дают набор 9 молекул-изотопологов воды (табл.2).

Таблица 2. Изотопологи воды

Молекула 1 H 2 16 O является самой лёгкой из совокупности всех изотопологов воды. Именно воду 1 H 2 16 O следует считать классической или лёгкой водой.

Лёгкая вода как моноизотопная композиция 1 H 2 16 O является предельным случаем изотопной чистоты. В естественных условиях такой чистой лёгкой воды не существует. Для получения изотополога 1 H 2 16 O ведут тонкую многостадийную очистку природных вод или синтезируют из исходных элементов 1 H 2 и 16 O 2 . Природная вода представляет собой многокомпонентную смесь изотопологов. Содержание самого лёгкого изотополога в ней значительно превосходит концентрацию всех остальных вместе взятых. В природных водах в 1000000 молекул в среднем содержится 997284 молекул 1 H 2 16 O, 311 молекул 1 HD 16 O, 390 молекул 1 H 2 17 O, и около 2005 молекул 1 H 2 18 O. Концентрация молекул воды, содержащих тяжёлые изотопы D, 17 O, 18 O, в природной воде колеблется в пределах, зафиксированных в основных стандартах изотопного состава гидросферы SMOW и SLAP (табл.3). Весовые количества изотопологов в природной воде рассчитаны на основании данных прямого определения их содержания методом молекулярной спектроскопии.

Таблица 3. Рассчитанные весовые количества изотопологов в природной воде, соответствующие международным стандартам SMOW (средняя молекулярная масса = 18,01528873) и SLAP (средняя молекулярная масса = 18,01491202), .

Изотополог воды	Молекулярная масса	Содержание, г/кг
		SMOW	SLAP
1 H 2 16 O	18,01056470	997,032536356	997,317982662
1 HD 16 O	19,01684144	0,328000097	0,187668379
D 2 16 O	20,02311819	0,000026900	0,000008804
1 H 2 17 O	19,01478127	0,411509070	0,388988825
1 HD 17 O	20,02105801	0,000134998	0,000072993
D 2 17 O	21,02733476	0,000000011	0,000000003
1 H 2 18 O	20,01481037	2,227063738	2,104884332
1 HD 18 O	21,02108711	0,000728769	0,000393984
D 2 18 O	22,02736386	0,000000059	0,000000018

Как видно из таблицы 3, в природной воде весовая концентрация тяжёлых изотопологов может достигать 2,97 г/кг, что является значимой величиной, сопоставимой, например, с содержанием минеральных солей.

Природная вода, близкая по содержанию изотополога 1 H 2 16 O к стандарту SLAP, а также специально очищенная с существенно увеличенной долей этого изотополога по сравнению со стандартом SLAP, определяется как особо чистая лёгкая вода (менее строгое определение, которое применимо в реальной жизни).

В лёгкой воде доля самого лёгкого изотополога составляет (мол.%): 99.76 < 1 H 2 16 O ≤ 100.

Если из воды, отвечающей стандарту SMOW, удалить все тяжёлые молекулы, массовое содержание которых составляет 2,97 г/кг и заменить их на 1 H 2 16 O, то масса 1 л такой лёгкой и изотопно чистой воды уменьшится на 250 мг. Таким образом, параметры лёгкой воды, в первую очередь, её «лёгкость» и изотопный состав поддаются измерению с помощью таких методов, как масс-спектрометрия , гравиметрия , лазерная абсорбционная спектроскопия , ЯМР .

Международные стандарты на природные воды различного изотопного состава

Стандарт VSMOW (Vienna Standard Mean Ocean Water) определяет изотопный состав глубинной воды Мирового океана.
Стандарт SLAP (Standard Light Antarctic Precipitation) определяет изотопный состав природной воды из Антарктики.

По международному стандарту VSMOW абсолютное содержание дейтерия и кислорода-18 в океанической воде составляет: D VSMOW / 1 H VSMOW=(155,76±0,05)·10 −6 , или 155,76 ppm 18 O VSMOW/ 16 O VSMOW =(2005,20±0,45)·10 −6 , или 2005 ppm. Для стандарта SLAP концентрации в воде составляют : дейтерия D/H=89·10 −6 или 89 ppm, кислорода-18 18 O/ 16 O=1894·10 −6 или 1894 ppm.

Стандарт SLAP характеризует самую лёгкую природную воду на Земле. Вода в различных точках земного шара неодинакова по своей лёгкости.

Свойства и эффекты лёгкой воды

Изотопологи отличаются друг от друга по физическим, химическим и биологическим свойствам (табл.4).

Таблица 4. Изменение физических свойств воды при изотопном замещении

Равновесное давление паров у изотопологов воды различается, и весьма существенно. Чем меньше масса молекулы воды, тем выше давление пара, а это означает, что пар, равновесный с водой, всегда обогащён лёгкими изотопами кислорода и водорода. Относительно малой массы элементов разница масс изотопов велика, поэтому они способны сильно фракционировать в природных процессах: D/H → 100 %, 18 O/ 16 O →12,5 %. Изотопы водорода и кислорода наиболее эффективно фракционируют в процессах испарения-конденсации и кристаллизации воды.

Результаты экспериментальных исследований свидетельствуют о различии физико-химических свойств легкой воды и деионизированной воды природного изотопного состава .

Тяжёлые изотопологи в природной воде являются примесями по отношению к 1 H 2 16 O, которые по некоторым исследованиям можно рассматривать как дефекты структуры .

Устранение гетерогенности воды по изотопному составу приводит к увеличению её гомогенности. Лёгкая вода является более однородной жидкостью. Тяжелоизотопные молекулы, содержащиеся в воде в природных концентрациях, практически не оказывают заметного влияния на неживые системы. В наибольшей степени эффекты лёгкой воды проявляются на биологических объектах, для которых характерны каскадные реакции.

Реакция биосистем при воздействии на них воды может изменяться в зависимости от количественных и качественных изменений её изотопного состава. В ходе эволюции живых организмов произошёл отбор биохимических процессов с настройкой их только на один изотоп, как правило, лёгкий . В организме человека происходит «фракционирование изотопов, сопровождающееся удалением тяжёлых стабильных изотопов водорода и кислорода воды» . Применение воды с повышенной концентрацией тяжёлых изотопов, в частности, дейтерия, вызывает выраженные токсические эффекты на уровне организма . В то же время на разных объектах зарегистрирована положительная биологическая активность вод с пониженным, относительно природного, содержанием тяжелых изотопологов, в частности дейтерия и кислорода 18 . Проводимые в ГНЦ РФ «Институт медико-биологических проблем» РАН систематические исследования по созданию среды обитания космонавтов с оптимальным изотопным составом биогенных химических элементов показали, что вода с пониженным по сравнению с природным содержанием тяжелоизотопных молекул является необходимым компонентом системы жизнеобеспечения космонавтов во время длительных полётов

Биологические свойства

Транспортные свойства легкой воды доказаны при изучении влияния тяжелых изотопологов в составе природной воды на динамику выведения красителя метиленового синего из обонятельной системы шпорцевых лягушек .

Наиболее сильное влияние очистка воды от тяжёлых изотопологов оказывает на энергетический аппарат живой клетки. Дыхательную цепь митохондрий отличают каскадные реакции. Тяжёлые изотопологи замедляют скорость реакций дыхательной цепи. На примере реакции генерации перекиси водорода митохондриями с янтарной кислотой в качестве субстрата экспериментально доказан общий ингибирующий эффект тяжёлых изотопологов воды. Снижение их содержания в воде до уровня ниже природных концентраций деингибирует и достоверно ускоряет исследованную реакцию .

Лёгкая вода проявляет противоопухолевую активность, что показано в работах учёных, проводимых в исследовательских центрах разных стран . По данным Г.Шомлаи, результаты клинических испытаний, проведённых в 1994-2001 гг. в Венгрии, показали, что уровень выживаемости больных, употреблявших лёгкую воду в сочетании с традиционными методами лечения или после них выше, чем у больных, использовавших только химио- или лучевую терапию .

Токсикопротекторные свойства легкой воды подтверждены экспериментальными исследованиями , из которых следует, что легкая вода, очищенная от тяжелых изотопологов, за счет своих транспортных свойств эффективно выводит токсины и продукты метаболизма из организма.

См. также

Примечания

Кульский Л. А., Даль В. В., Ленчина Л. Вода знакомая и загадочная.- Киев: «Радянська школа», 1982.- 120 с.
Петрянов-Соколов И. В. Самое необычное вещество в мире.// Химия и жизнь. 2007. № 1. с.26.
Rothman et al., J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 1998, 60, 665. Rothman et al., J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 2003, 82, p.9.
Патент RU 2295493. «Способ и установка для производства лёгкой воды». Соловьев С. П.
Lis G., Wassenaar L. I., Hendry M. J. High-Precision Laser Spectroscopy D/H and 18 O/ 16 O Measurements of Microliter Natural Water Samples.// Anal. Chem. 2008. V. 80 (1). P. 287-293
Ферронский В. И., Поляков В. А. Изотопия гидросферы. М.: Наука, 1983 г.
Craig, H. Standard for Reporting Concentrations of Deuterium and Oxygen-18 in Natural Waters. // Science. 1961. V. 133. PP. 1833−1834.
Hagemann R., Niff G., Roth E. Absolute isotopic scale for deuterium analysis of natural waters. Absolute D/H ratio for SMOW. // Tellus. 1970. V.22. N6. PP.712-715.
De Wit J.C., van der Straaten C.M.; Mook W.G. Determination of the Absolute Hydrogen Isotopic Ratio of VSMOW and SLAP. // Geostandards Newsletter. 1980. V. 4. N. 1. PP. 33−36.
V.V. Goncharuk, V.B. Lapshin, T.N. Burdeinaya, T.V. Pleteneva, A.S. Chernopyatko et al. Physicochemical Properties and Biological Activity of the Water Depleted of Heavy Isotopes // 2011, published in Khimiya i Tekhnologiya Vody, 2011, Vol. 33, No. 1, pp. 15–25. Journal of Water Chemistry and Technology, 2011, Vol. 33, No. 1, pp. 8–13.
Смирнов А. Н., Лапшин В. Б., Балышев А. В., Лебедев И. М., Гончарук В. В., Сыроешкин А. В. Структура воды: гигантские гетерофазные кластеры воды. // Химия и технология воды. - 2005.- № 2. - C. 11-37; Смирнов А. Н., Сыроешкин А. В. Супранадмолекулярные комплексы воды. // Рос. хим. ж. - 2004.- Т.48 - № 2. - C. 125-135
Синяк Ю. Е.., Григорьев А. И. Оптимальный изотопный состав биогенных химических элементов на борту пилотируемых космических аппаратов. // Авиакосмическая и экологическая медицина. 1996. Т. 30, № 4, С. 26.
Синяк Ю. Е., Скуратов В. М., Гайдадымов В. Б., Иванова С. М., Покровский Б. Г. Григорьев А. И. Исследование фракционирования стабильных изотопов водорода и кислорода на международной космической станции. // Авиакосмическая и экологическая медицина. 2005. Т. 39, № 6, С. 43.
Денько Е. И. Действие тяжёлой воды (D2O) на клетки животных, растений и микроорганизмы. // Усп. совр. биол.. 1970. Т. 70, № 4, С. 41.
Лобышев В. И. Механизмы термодинамических и кинетических изотопных эффектов D2O в биологических системах Автореф. докт. диссертации. Москва, - 1987 (биофак МГУ)
GLEASON J.D., FRIEDMAN I. Oats may grow better in water depleted in oxygen 18 and deuterium. NATURE 256, 305 (24 July 1975)
Bild W, Năstasă V, Haulică I. In vivo and in vitro research on the biological effects of deuterium-depleted water: 1. Influence of deuterium-depleted water on cultured cell growth. // Rom J. Physiol. 2004. V.41. N 1-2. P:53-67.
Sinyak Y., Grigoriev A., Gaydadimov V., Gurieva T., Levinskih M., Pokrovskii B. Deuterium-free water (1H2O) in complex life-support systems of long-tern space missions. // Acta Astronautica. 2003. V. 52, P. 575.
Райхардт К. «Растворители и эффекты среды в органической химии». -М.: «Мир», 1991. - 763 с.
Т.Н. Бурдейная, В.А. Поплинская, А.С. Чернопятко, Э.Н. Григорян. Влияние легкой воды на динамику выведения красителя из обонятельной системы личинок Xenopus laevis // Вода: химия и экология 2011.-№9 - C. 86-91
Pomytkin I.A., Kolesova O.E. //Bulletin of Experimental Biology and Medicine. 2006. V.142. N 5.
Gyöngyi Z, Somlyai G. Deuterium depletion can decrease the expression of C-myc Ha-ras and p53 gene in carcinogen-treated mice. // In Vivo. 2000. V.14. N.3. P. 437.

И кислород, и водород имеют природные и искусственные изотопы. В зависимости от типа изотопов водорода, входящих в молекулу, выделяют следующие виды воды:

Лёгкая вода (основная составляющая привычной людям воды) H2O.

Тяжёлая вода (дейтериевая) D2O.

Сверхтяжёлая вода (тритиевая) T2O.

Тритий-дейтериевая вода TDO

Тритий-протиевая вода THO

Дейтерий-протиевая вода DHO

Последние три вида возможны, так как молекула воды содержит два атома водорода. Протий — самый легкий изотоп водорода. Дейтерий имеет атомную массу 2,0141017778 а.е.м.. Тритий — самый тяжелый, атомная масса 3,0160492777 а.е.м..

Известно, что тяжёлая вода не поддерживает жизни, то есть большинство живых организмов (за исключением некоторых микроорганизмов и грибов) в такой воде умирает.

По стабильным изотопам кислорода 16O, 17O и 18O существуют три разновидности молекул воды. Таким образом, по изотопному составу существуют 18 различных молекул воды. В действительности любая вода содержит все разновидности молекул.

Известны пять водородов и пять кислородов. Правда, по два из них (4Н, 5Н, 14О и 15О) радиоактивны и очень короткоживущи. Например, длительность существования водорода-4 – 4 10-11 сек. Такие короткоживущие изотопы из нашего рассмотрения исключены.

Итак, наиболее широко известны следующие изотопы водорода: протий 1Н (с относительной атомной массой 1) дейтерий 2Н, или D (с относительной атомной массой 2) и тритий 3Н, или Т (с относительной атомной массой 3) наиболее тяжелый, но слаборадиоактивный водород (его период полураспада 12,3 года), и изотопы кислорода: 16О, 17О и 18О. Эти шесть изотопов могут образовывать 18 изотопических разновидностей воды: 1H216О; 1HD16О; D216О; 1HT16О; DT16О; T2О16; 1Н217О; 1НD17О; D217O; lНT17O; DТ17О; Т217О; 1Н218О; 1НD18О; D218O; 1HT18O; DT18O; Т218О.

Объединив изотопные составные природной воды, можем сказать, следующее: в земных водах содержится «легкой» воды 99,75, тяжелой кислородной - 0,18 и тяжелой водородной - 0,017%. Разумеется, это приближенные осредненные данные. На Земле на 6800 атомов протия приходится один атом дейтерия, а в межзвездном пространстве один атом дейтерия приходится уже на 200 атомов протия.

Дейтерий образуется при расщеплении ядер гелия, когда они сталкиваются друг с другом и происходит захват нейтрона протоном.

Атмосферная вода в процессе круговорота обогащается дейтерием в результате диссипации протия в космическое пространство. Именно благодаря этому дождевая вода более богата тяжелым водородом.

Тритий может поступать в атмосферу в результате космических процессов, а также обогащать земную воду, правда в очень небольших количествах, сверхтяжелой водой.

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.

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.

Изотопика воды

Изотопы - разновидности атомов одного и того же химического элемента, имеющие одинаковые заряд ядра и строение электронных оболочек, различающиеся по массе ядер. Разница масс обусловлена тем, что ядра изотопов содержат одинаковое число протонов p и различное число нейтронов n . Комбинации различных атомов-изотопов дают набор молекул-изотопологов.

Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.

Водород имеет два стабильных изотопа - протий (Н) - 1 H и дейтерий (D) - 2 H.

У кислорода три устойчивых изотопа: 16 O, 17 O и 18 O .

ТЯЖЕЛАЯ И ЛЕГКАЯ ВОДА

До 1932 года никто и понятия не имел, что в природе может быть еще и тяжелая вода, в состав которой могут входить тяжелые изотопы водорода - дейтерий и тритий пусть даже в малых количествах. Именно это обстоятельство и послужило причиной того, что эти элементы "прятались" от ученых, маскируясь под ошибки опытов и недостаточную точность измерений. Тяжелый водород - дейтерий был открыт американским физико-химиком Гарольдом Юри (1893-1981) в 1931 году. Одному из своих помощников Г. Юри поручил выпарить шесть литров жидкого водорода и в последней фракции объемом 3 см спектральным анализом впервые был обнаружен тяжелый изотоп водорода, с атомной массой в два раза превышающий известный протий. Ученые пришли к выводу, что, по-видимому, существует тяжелый изотоп водорода с атомным весом 2. В 1932 году Г. Юри и Э.Ф. Осборн впервые обнаружили в природной воде тяжелую воду. Через два года Гарольд Юри был удостоен Нобелевской премии. Открытие третьего сверхтяжелого изотопа водорода трития с атомным весом 3 первые годы держали в секрете по стратегическим соображениям. В 1951 году была получена и исследована тритиевая вода. Если дейтериевая вода сейчас уже хорошо изучена практически во всех отраслях науки и техники, то "звездный" час тритиевой воды еще не настал, потому что трития на Земле очень малое количество. Всего его на Земле около 25-30 кг и содержится он в основном в мировых водах (около 20кг). Но его количество в водах Земли непрерывно возрастает, так как он образуется при бомбардировке ядер азота и кислорода атмосферы космическими лучами. В результате этого содержание трития в первоначальных (реликтовых) водах непрерывно увеличивается. В отличие от протия и дейтерия тритий - радиоактивный элемент с периодом полураспада девять лет. По своим свойствам сверхтяжелая тритиевая вода отличается от протиевой (легкой) воды больше, чем дейтериевая вода. Тритий зарождается в сверхвысоких слоях атмосферы в основном при бомбардировке ядер азота и кислорода нейтронами космического излучения. В природной воде содержание трития ничтожно - всего 10-18 атомных процента. И тем не менее он есть в той воде, которую мы пьем, и за долгие годы жизни он наносит существенный вред нашим генам, вызывая старение, болезни. Получают тяжелую дейтериевую воду с мизерным присутствием тритиевой воды концентрированном ее в остатке электролита после электролитического разложения природной воды, а также при фракционной перегонке жидкого водорода. Промышленное производство тяжелой воды с каждым годом возрастает почти во всех странах и особенно в странах, обладающих ядерным оружием. Тяжелую воду используют главным образом как замедлитель быстрых нейтронов при расщеплении радиоактивных элементов в ядерных реакторах. Перспектива использования тяжелой воды для нужд человечества грандиозна. Тяжелая вода может стать неисчерпаемым источником энергии: 1 грамм дейтерия может дать энергии в 10 млн. раз больше, чем сгорание 1 грамма угля. А запасы дейтерия в Мировом океане составляют поистине колоссальную величину - около 1015 тонн. Тритиевая вода пока имеет ограниченное применение и используется в настоящее время главным образом при термоядерных реакциях, а. также в физико-химических и биологических исследованиях в качестве меченых радиоактивных молекул НТО. Учитывая разнообразие изотопного состава водорода и кислорода, с большой долей достоверности можно утверждать о наличии 36 изотопных разновидностей природной воды.

ИЗОТОПЫ В СОСТАВЕ ВОДЫ

Водород воды имеет три изотопа: протий 1 Н (протон + электрон), дейтерий 2 Н или Д (протон + нейтрон + электрон), тритий 3 Н 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 О 16 (с молекулярным весом 16). Три из них оказались радиоактивными – О 14 , О 15 и О 19 , а О 17 и О 18 – стабильными. О 16 , О 17 и О 18 содержатся во всех природных водах

В зависимости от видов и содержания изотопов водорода (Н, Д, Т) и кислорода (О 14 , О 15 , О 16 , О 17 , О 18 , О 19), от степени чистоты и загрязнения исследователи выделяют свыше тысячи разновидностей питьевой воды.

БИОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДЫ С РАЗНЫМ ИЗОТОПНЫМ СОСТАВОМ

Вода, обогащенная дейтерием, тритием, тяжелыми и радиоактивными изотопами кислорода вредна для всего живого и человека.

В качестве универсальной среды, в которой идут все биологические реакции, лёгкая вода увеличивает скорость этих реакций по сравнению с водой природного изотопного состава. Этот эффект известен под названием кинетический изотопный эффект растворителя. Транспортные свойства легкой воды доказаны при изучении влияния тяжелых изотопологов в составе природной воды на динамику выведения красителя метиленового синего из обонятельной системы шпорцевых лягушек. Наиболее сильное влияние очистка воды от тяжёлых изотопологов оказывает на энергетический аппарат живой клетки. Лёгкая вода проявляет противоопухолевую активность, что показано в работах учёных, проводимых в исследовательских центрах разных стран. Токсикопротекторные свойства легкой воды подтверждены экспериментальными исследованиями, из которых следует, что легкая вода, очищенная от тяжелых изотопологов, за счет своих транспортных свойств эффективно выводит токсины и продукты метаболизма из организма. Также отмечено влияние легкой воды на пациентов с сахарным диабетом II типа. Результаты открытого предклинического исследования продолжительностью 90 дней показали, что под действием легкой воды у добровольцев снизился повышенный уровень глюкозы натощак и снизилась инсулинорезистентность..

Биологические эффекты тяжёлой воды заключаются:

Снижение скорости биохимических реакций, тканевого дыхания Повышение вязкости протоплазмы клеток, скорости старения организма Индукция мутаций, повреждение генофонда, рак, другие болезни Торможение деления клеток, снижение роста Гибель высших позвоночных

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.

Кислорода в человеке 60%, но по количеству атомов все живые существа на 2/3 состоят из атомов водорода и на ј 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.

Молекулы воды отличаются друг от друга по своему изотопному составу. В настоящее время известны 5 различных изотопов водорода. Из них только два являются стабильными: самый легкий протий - с атомной массой 1, его обозначают символом 1Н - состоит из 1 протона и 1 электрона, и тяжелый водород, или дейтерий с атомной массой 2, его обозначают символом 2D - состоит из 1 протона, 1 нейтрона и 1 электрона. Третий сверхтяжелый водород (с атомной массой 3) соответственно состоит из 1 протона, 2-х нейтронов и 1 электрона. Тритий радиоактивен, его период полураспада около 12,3 лет. Время жизни остальных изотопов не превышает нескольких секунд.

У кислорода обнаружены шесть изотопов: О14 О15, О16, О17, О18 и О19. Три из них: О16, О17 и О18 - стабильные, а О14, О15 и О19 являются радиоактивными изотопами. Стабильные изотопы кислорода содержатся во всех природных водах: их соотношение таково: на 10000 частей О16 приходится 4 части О17 и 20 частей О18.

Изотопные или изотопические эффекты воды основаны на различиях в свойствах изотопов водорода и кислорода, обусловленных разницей их атомных масс, моментов инерции, прочности соответствующих химических связей. Относительное различие масс изотопов тем меньше, чем больше атомный номер элемента. У изотопов водорода оно составляет 100 % для дейтерия D (2H) и 200 % для трития Т (3H) по сравнению с протием Н (1H). Поэтому для водорода изотопные эффекты выражены наиболее сильно.

Существует 42 изотополога (комбинации различных атомов-изотопов дают набор молекул-изотопологов1) воды (включая стабильные и нестабильные изотопы водорода и кислорода). Из них тридцать три молекулы воды радиоактивные, и девять стабильных, устойчивых молекул воды.

Вероятность образования молекул с разным изотопным составом не одинакова. Самой распространенной является молекула с наименьшей массой, состоящая из водорода - 1 (протия) и кислорода - 16. Содержание других более тяжелых молекул в природе не превышает 0,23 %, содержание изотопных модификаций водыв природе представлено в табл. 1.

В мировой практике принято выражать содержание дейтерия в ‰ или ppm. Ppm - это число монодейтерированнных молекул воды на 1 миллион молекул, содержащих только легкий изотоп 1Н. По мере испарения воды с поверхности океана содержание дейтерия изменяется на 20 ppm.

В замкнутых водоемах тяжелой воды больше, так как по сравнению с обычной она испаряется менее интенсивно. Поэтому тяжелой воды больше в местностях с жарким климатом.

Обогащается дейтерием и поверхность океана на экваторе (155 ppm) и в тропиках, где свою лепту вносят частые атмосферные осадки, при образовании которых идут процессы конденсации воды из паровой фазы, а тяжелая вода конденсируется быстрее, чем легкая, следовательно, осадки обогащены тяжелой водой.

Самое низкое содержание 2Н в водяных парах над антарктическими льдами? 90 ppm. Невелика доля дейтерия и во льдах Гренландии (126 ppm). Содержание дейтерия в природных водах различного происхождения показано в табл. 2.

Стоит обратить внимание на то, что содержание дейтерия в природных водах Иркутской области ниже, чем в Европейской части России и в Европе. Так, D/Н в Байкале составляет 137,0 ppm, а в некоторых минеральных источниках - 132,0 ppm, в то время как содержание D аналогичных источниках в Европе не менее 145-150 ppm. Такие данные могут использоваться при идентификации источника минеральных и столовых вод (табл. 2).