ДЕУТЕРИЙ И ТЕЖКА ВОДА, Енциклопедия около света
ДЕУТЕРИЙ И ТЕЖКА ВОДА.Деутерият (тежкият водород) е един от двата стабилни изотопа на водорода, чието ядро се състои от един протон и един неутрон. Молекулата D2 е двуатомна. Съдържанието на естествен водород е 0,012–0,016%. Точка на топене - 254,5 ° C, точка на кипене - 249,5 ° C. Тежка вода D2O (деутериев оксид) е изотопна разновидност на водата; плътност 1,1, точка на топене - 3,8 ° C, точка на кипене - 101,4 ° C.
През 1932 г. забележителни открития в областта на физиката следват едно след друго: открити са неутронът и позитронът, разработена е протон-неутронната теория за структурата на ядрата и релативистката квантова механика, построен е първият циклотрон и е изобретен електронният микроскоп, проведена е първата реакция на ядрен синтез и е експериментално измерена скоростта на движение на молекулите. Нищо чудно, че физиците нарекоха тази година anno mirabilis - годината на чудесата. През същата година е открит втори изотоп на водорода, наречен деутерий (от гръцки deuteros - втори, символ D).
Откриването на деутерия може да послужи като отлична илюстрация на на пръв поглед парадоксалното твърдение на френския физикохимик Анри Льо Шателие, адресирано до неговите ученици: „Грешката не само на начинаещите изследователи, но и на много учени на средна възраст, много опитни и често талантливи е, че те насочват вниманието си към решаването на много сложни проблеми, за които почвата все още не е достатъчно подготвена. Ако искате да направите нещо наистина голямо в науката, ако искате да създадете нещо фундаментално, вземете подробен преглед на най-много, изглежда, до края на разгледаните въпроси. Тези, на пръв поглед, прости и не изпълнени с нищо нови предмети са източникът, от който с умение можете да извлечете най-ценното и понякоганеочаквани данни.
Наистина, какво може да се очаква от изследването на физичните свойства на обикновената чиста вода - те са били изследвани, както се казва, нагоре-надолу още през 19 век. Нека припомним обаче, че рутинните определяния на плътността на газообразния азот, получен през 1893 г., получен по различни методи (литър азот от въздуха тежеше 1,257 g, а получен по химичен път, 1,251 g), доведоха до изключително откритие - първо на аргон, а след това и на други благородни газове.
През 1917 г. немският учен К. Шерингер предполага, че атомите на различни елементи са изградени не само от протий (от гръцки protos - първият), т.е. "лек" водород с атомна маса 1, но от различни изотопи на водорода. По това време вече е известно, че един и същ елемент може да има изотопи с различни маси. Впечатляващ успех в откриването на голям брой изотопи на нерадиоактивни елементи е постигнат от английския физик Франсис Уилям Астън с помощта на конструирания от него масспектрограф. В това устройство изследваните атоми или молекули се бомбардират от електронен лъч и се превръщат в положително заредени йони. Лъчът от тези йони допълнително е подложен на действието на електрически и магнитни полета, а траекториите им се отклоняват от права линия. Това отклонение е толкова по-силно, колкото по-голям е зарядът на йона и колкото по-малка е неговата маса. Относителните маси на йоните се получават директно от стойностите на отклоняващите напрежения. И от интензитета на лъча от йони с дадена маса може да се съди за относителното съдържание на тези йони в пробата.
В края на 1931 г. група американски физици - Харолд Юри със своите ученици Фердинанд Брикуед и Джордж Мърфи, взеха 4 литра течен водород и го подложиха на фракционна дестилация, като в остатъка получиха само 1 ml, т.е. намаляване на обема с 4 хиляди пъти. Този последен милилитър течност след изпаряването й бешеизследвани чрез спектроскопски метод. Талантливият спектроскопист Харолд Клейтън Юри забеляза нови много слаби линии в спектрограмата на обогатен водород, които липсват при обикновения водород. В същото време позицията на линиите в спектъра точно съответстваше на неговото квантово-механично изчисление на предполагаемия атом 2 H. Съотношението на интензитетите на линиите на новия изотоп (Юри го нарече деутерий) и обикновения водород показа, че в обогатената проба на новия изследван изотоп е 800 пъти по-малко от обикновения водород. Това означава, че има още по-малко тежък изотоп в оригиналния водород. Но колко?
Опитвайки се да оценят така наречения коефициент на обогатяване по време на изпаряването на течния водород, изследователите осъзнаха, че в своите експерименти са използвали най-неподходящия източник на водород. Факт е, че се получава, както обикновено, чрез електролиза на вода. Но по време на електролиза лекият водород трябва да се отделя по-бързо от тежкия водород. Оказва се, че пробата първо е била обеднена на тежък водород, а след това отново е обогатена с него!
Когато беше открит неутронът, стана ясно, че в ядрото на деутерия, за разлика от протия, освен протон, има и неутрон. Следователно ядрото на деутерия - деутрона е два пъти по-тежко от протона; масата му във въглеродни единици е 2,0141018. Средно естественият водород съдържа 0,0156% деутерий. Той е малко по-висок в крайбрежните морски води, по-малко в земните повърхностни води и още по-малко в природния газ (0,011–0,013%). По отношение на химичните свойства деутерият е подобен на протия, но огромната разлика в техните маси води до забележимо забавяне на реакциите, включващи атоми на деутерий. Така реакцията на деутерирания въглеводород R–D с хлор или кислород се забавя, в зависимост от температурата, с коефициент 5–10 в сравнение с реакцията R–H. С помощта на деутерий е възможно да се "маркират" съдържащи водородмолекули и изучаване на механизмите на техните реакции. По този начин са изследвани по-специално реакциите на синтез на амоняк, окисление на въглеводороди и редица други важни процеси.
Тежка вода.
След фундаменталната работа на Washburn и Urey, изследванията върху новия изотоп започват да се развиват бързо. Скоро след откриването на деутерия, неговата тежка разновидност беше открита в естествена вода. Обикновената вода се състои главно от молекули 1H2O. Но ако в естествения водород има примес на деутерий, тогава в обикновената вода трябва да има примеси на HDO и D2O. И ако по време на електролизата на водата H2 се освобождава с по-висока скорост от HD и D2, тогава тежката вода трябва да се натрупа в електролизера с течение на времето. През 1933 г. Гилбърт Луис и американският физикохимик Роналд Макдоналд съобщават, че в резултат на продължителна електролиза на обикновена вода са успели да получат нов вид вода, който никой не е виждал преди - тежка вода.
В следващата серия от експерименти от 20 литра вода, също на няколко етапа, се получава 0,5 ml вода с плътност 1,075, вече съдържаща 65,7% D2O. Продължавайки такива експерименти, най-накрая беше възможно да се получат 0,3 ml вода, чиято плътност (1,1059 при 25 ° C) вече не се увеличава, когато обемът се намали по време на електролиза до 0,12 ml. Тези няколко капки бяха първите капки почти чиста тежка вода в историята на Земята. Съответните изчисления показаха, че предишните оценки на съотношението на обикновения и тежкия водород в природата са твърде оптимистични: оказа се, че обикновената вода съдържа само 0,017% (по маса) деутерий, което дава съотношение D:H = 1:6800.
За да се получат значителни количества тежка вода, необходима на учените за изследвания, беше необходимо да се подложат на електролиза вече огромни обеми обикновена вода. И така, през 1933 г. група американски изследователи получиха общо 83ml D2O с 99% чистота трябваше да поеме вече 2,3 тона вода, която беше разложена на 7 етапа. Беше ясно, че учените няма да могат да осигурят на всички тежка вода с подобни методи. И тогава се оказа, че тежката вода е отличен модератор на неутрони и следователно може да се използва в ядрени изследвания, включително за изграждане на ядрени реактори. Търсенето на тежка вода е нараснало толкова много, че е станала ясна необходимостта от установяване на нейното промишлено производство. Трудността беше, че за да се получи 1 тон D2O, е необходимо да се преработят около 40 хиляди тона вода, като същевременно се изразходват 60 милиона kWh електроенергия - толкова много се изразходва за топенето на 3000 тона алуминий!
Първите полупромишлени инсталации бяха с ниска мощност. През 1935 г. съоръжението в Бъркли произвежда 4 грама почти чист D2O седмично по 80 долара за грам, което е много скъпо, като се има предвид, че през годините доларът се е "обезценил" десетократно. По-ефективна беше настройката в химическата лаборатория на Принстънския университет, която произвеждаше 3 грама D2O дневно по $5 на грам (след 40 години цената на тежката вода падна до 14 цента на грам). Първият етап на електролизата се оказа най-трудоемък, в който концентрацията на тежка вода се увеличи до 5–10%, тъй като на този етап трябваше да се преработят огромни количества обикновена вода. По-нататъшната концентрация вече може да се извърши без проблеми в лабораторията. Следователно, предимствата бяха получени от тези промишлени инсталации, които могат да електролизират големи обеми вода.
Масата на молекулата D2O е с 11% по-висока от масата на H2O. Тази разлика води до значителни разлики във физичните, химичните и, най-важното, биологичните свойства на тежката вода. Тежката вода кипи при 101,44°C,замръзва при 3,82 ° C, има плътност при 20 ° C от 1,10539 g / cm 3, а максималната плътност пада не при 4 ° C, както в обикновената вода, а при 11,2 ° C (1,10602 g / cm 3). D2O кристалите имат същата структура като обикновения лед, но са по-тежки (0,982 g/cm3 при 0°C в сравнение с 0,917 g/cm3 за обикновения лед). В смеси с обикновена вода изотопният обмен се извършва с висока скорост: H2O + D2O2HDO. Следователно в разредените разтвори деутериевите атоми присъстват главно под формата на HDO. В средата на тежка вода биохимичните реакции се забавят значително и тази вода не поддържа живота на животните и растенията.
Понастоящем са разработени редица ефективни методи за производство на тежка вода: електролиза, изотопен обмен и изгаряне на водород, обогатен с деутерий. В момента се произвеждат хиляди тонове тежка вода годишно. Използва се като модератор на неутрони и охлаждаща течност в ядрени реактори (за запълване на един модерен голям ядрен реактор са необходими 100–200 тона тежка вода с чистота най-малко 99,8%); за получаване на дейтрони D + в ускорители на частици; като разтворител в спектроскопията на протонния магнитен резонанс (обикновената вода размазва картината с протоните си). Възможно е ролята на тежката вода да се увеличи значително, ако се осъществи промишлен термоядрен синтез.
"Водна битка"
За промишленото производство на тежка вода наличието на евтина електроенергия е много важно. Още в предвоенните години стана ясно, че идеалните условия за това съществуват в Норвегия, където отдавна работят мощни електролизни инсталации за производство на водород. Заводът за тежка вода влиза в експлоатация през 1934 г.; до 1938 г. той произвежда 40 kg D2O годишно, а през 1939 г. още една секунда. По това време огромното стратегическо значение на тежкитевода за разработване на ядрени оръжия. Ето защо не е изненадващо, че германците, които окупираха Норвегия през май 1940 г., взеха най-енергични мерки за класифициране на инсталацията за тежка вода и за нейната защита. До края на 1941 г. Германия изнася от Норвегия 361 кг чист D2O, а година по-късно - вече 800 кг.