ВСЕМИРНЫЙ КЛУБ ПОЛЬЗОВАТЕЛЕЙ КФС

ИЗОТОПНЫЕ РАЗНОВИДНОСТИ 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 , или D (с относительной атомной массой 2) и тритий , 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.

 

www.okeani.ru

 

      Всемирный Клуб пользователей КФС Желает Вам Здоровья!!!