71. Тяжелая вода

Тяжелая вода – оксид дейтерия D2O с кислородом природного изотопного состава, бесцветная жидкость без запаха и вкуса.

Тяжелая вода была открыта в 1932 г. Г. Юри, Ф. Брикведде и Дж. Мерфи, впервые получена в чистом виде и изучена в 1933 г. Г. Льюисом и P. Макдональдом. При электролизе обыкновенной воды, включающей в себя молекулы НО, существует также малая доля молекул DO, образованных тяжелым изотопом водорода. Разлагаются в основном молекулы НО, поэтому при длительном электролизе воды остаток постепенно обогащается молекулами DO. В 1933 году из такого остатка электролиза удалось выделить небольшое количество воды с молекулярным составом DО, которая получила название тяжелая вода.

В смеси D2O и H2O с большой скоростью протекает изотопный обмен: H2O + D2O = 2HDO

Дейтерий обычно присутствует в воде в малом количестве (HDO), реже в большом – D2O.

Строение молекулы тяжелой воды аналогично строению простой воды, отличия существуют лишь в длине связей и углов между ними. При конденсированном состоянии наличествует водородная связь.

Химические и физические свойства.

У тяжелой воды температура кипения – 101,44 °C, температура плавления – 3,823 °C.

Кристаллы D2O имеют такую же структуру, как и кристаллы обычного льда, различие в размерах элементарной ячейки очень мало (0,1 %). Тяжелая вода менее летуча, чем обыкновенная вода. Растворимость и растворяющая способность тяжелой воды ниже, чем у обычной воды. Она имеет меньшую ионизацию.

Получение. Тяжелую воду получают выделением воды или при окислении водорода, имеющего естественный изотопный состав. Производство тяжелой воды делиться на две стадии.

1. Начальное концентрирование (от природной концентрации равной 5—10 % из расчета D2O):

а) изотопный обмен между водой и H2S в двух-, трехступенчатой каскадной системе противоточных колонн по двухтемпературной схеме;

б) многоступенчатый электролиз воды с каталитическим изотопным обменом между водой и водородом;

в) низкотемпературная ректификация жидкого водорода с последующим сжиганием дейтерия и кислорода.

2. Изотопный обмен между водородом и аммиаком в присутствии K и конечное концентрирование (от 5—10 % до 99,8 % D2O). Происходит ректификация воды с использованием вакуума или электролиза.

Применение. Используют в качестве замедлителя нейтронов и теплоносителя в энергетических и исследовательских ядерных реакторах на тепловых нейтронах, как источник дейтерия для термоядерного синтеза и как источник его в ускорителях частиц, изотопный индикатор. Замедляет биологические процессы.