Молекула воды состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода (H 2 O). Схематично строение молекулы воды можно изобразить так:

Молекула воды является так называемой полярной молекулой, потому что ее положительный и отрицательный заряды не распределены равномерно вокруг какого-то центра, а размещены асимметрично, образуя положительный и отрицательный полюсы. Рисунок показывает в чрезвычайно упрощенном виде, как присоединены два атома водорода к одному атому кислорода, образуя молекулу воды.

Угол отмеченный на рисунке и расстояние между атомами зависит от агрегатного состояния воды (подразумеваются равновесные параметры, т.к. имеют место постоянные колебания). Так в парообразном состоянии угол равен 104° 40", расстояние O-H - 0,096 нм; во льду угол - 109° 30", расстояние O-H - 0,099 нм. Различие параметром молекулы в парообразном (свободном) состоянии и во льду вызвано влиянием соседних молекул. Также влиянию подвержены и молекулы в жидкой фазе, в которой помимо влияния соседних молекул воды существует сильное влияние растворенных ионов других веществ.

История определения состава молекулы воды

Начиная с истоков химии учёные в продолжение довольно большого периода времени считали воду простым веществом, так как она не могла быть разложена в результате тех реакций, которые были известны в то время. Кроме того, постоянство свойств воды как бы подтверждало это положение.

Весной 1783 г., Канендиш в своей кембриджской лаборатории работал с недавно открытым "жизненным воздухом" - так в то время называли кислород, и "горючим воздухом" (так называли водород). Он смешивал один объем "жизненного воздуха" с двумя объемами "горючего воздуха" и пропускал через смесь электрический разряд. Смесь вспыхивала, и стенки колбы покрывались капельками жидкости. Исследуя жидкость, ученый пришел к выводу, что это чистая вода. Ранее подобное явление описал французский химик Пьер Макер: он ввел в пламя "горючего воздуха" фарфоровое блюдце, на котором образовались капельки жидкости. Каково же было удивление Макера, когда он исследовал образовавшуюся жидкость, и обнаружил что это вода. Получался какой-то парадокс: вода, гасящая огонь, сама образуется при горении. Как мы теперь понимаем, происходил синтез воды из кислорода и водорода:

H 2 + O 2 → 2H 2 O + 136,74 ккал.

В обычных условиях эта реакция не идет, и чтобы водород стал активен, нужно повысить температуру смеси например с помощью электрической искры, как в опытах Кавендиша. Генри Кавендиш располагал достаточными данными, чтобы установить, в каких пропорциях входит кислород и водород в состав воды. Но он этого не сделал. Возможно, ему помешала глубокая вера в теорию флогистона, в рамках которой он пытался интерпретировать свои эксперименты.

Весть об опытах Кавендиша достигла Парижа в июне того же года. Лавуазье сразу же повторил эти опыты, затем провел целую серию подобных экспериментов и через несколько месяцев 12 ноября 1783 г. в день святого Мартина доложил результаты исследований на традиционном собрании Французской академии наук. Любопытно название его доклада, характерное для всей той несуетливой педантичной эпохи великих открытий естествознания: "О природе воды и экспериментах, по-видимому, подтверждающих, что это вещество не является, строго говоря, элементом, а может быть разложено и образовано вновь". Доклад был встречен горячими возражениями - данные Лавуазье явно противоречили уважаемой и популярной в то время теории флогистона. Он сделал правильный вывод, что вода образуется при соединении "горючего газа" с кислородом и содержит (по массе) 15% первого и 85% второго (современные данные - 11,19% и 88,81%).

Через два года Лавуазье вновь вернулся к опытам с водой. Академия наук поставила перед Лавуазье практическую задачу - найти дешевый способ получения водорода как самого легкого газа для нужд нарождающегося воздухоплавания. Лавуазье привлек к работе военного инженера, математика и химика Жана Мёнье. В качестве исходного вещества они выбрали воду - вряд ли можно было отыскать сырье дешевле. Зная, что вода - это соединение водорода с кислородом, они пытались найти способ отнять от нее кислород. Для этой цели годились различные восстановители, наиболее же доступным было металлическое железо. Из реторты-кипятильника водяные пары поступали в раскаленный докрасна на жаровне ружейный ствол с железными опилками. При температуре красного каления (800 °С) железо вступает в реакцию с водяным паром, и выделяется водород:

3Fe + 4H 2 O → Fe 3 O 4 + 4H 2

Образовавшийся при этом водород собирался, а не прореагировавшие водяные пары конденсировались в холодильнике и отделялись в виде конденсата от водорода. Из каждых 100 гран воды получалось 15 гран водорода и 85 гран кислорода (1гран = 62,2мг). Эта работа имела и важное теоретическое значение. Она подтвердила ранее сделанные выводы (из опыта по сжиганию водорода в кислороде под колоколом), что вода содержит 15% водорода и 85% кислорода (современные данные - 11,19% и 88,81%).

Исходя из того, что "горючий воздух" участвует в образовании воды, французский химик Гитон де Морво в 1787 г. предложил назвать его hydrogene (от слов гидро- вода и геннао-рождаю). Русское слово "водород", т.е. "рождающий воду", является точным переводом латинского названия.

Жозеф Луи Гей-Люссак и Александр Гумбольдт, проведя совместные опыты в 1805 году, впервые установили, что для образования воды необходимы два объема водорода и один объем кислорода. Подобные мысли были высказаны и итальянским ученым Амедео Авогадро. В 1842 г. Жан Батист Дюма установил весовое соотношение водород и кислорода в воде как 2:16.

Однако в силу того что с атомными массами элементов в первой половине XIX века было много неразберихи и эта обстановка еще больше осложнилась в связи с введением понятия "эквивалентный вес", то долгое время формула воды записывалась в самых различных вариантах: то как HO, то как H 2 O и даже H 2 O 2 . Об этом писал Д.И. Менделеев: "В 50-х годах одни принимали O=8, другие O=16, если H=1. Вода для первых была HO, перекись водорода HO 2 , для вторых, как ныне, вода H 2 O, перекись водорода H 2 O 2 или HO. Смута, сбивчивость господствовали...".

После Международного конгресса химиков в Карлсруэ, состоявшегося в 1860 году, удалось внести ясность в некоторые вопросы, сыгравшие заметную роль в дальнейшем развитии атомно-молекулярной теории, а следовательно, и в правильном толковании атомарного состава воды. Была установлена единая химическая символика.

Экспериментальные исследования, выполненные в XIX веке весовыми и объемными методами, в конце концов убедительно показали, что вода как химическое соединение может быть выражена формулой H 2 O.

Как уже известно, молекула воды довольно "однобока" - оба атома водорода примыкают к кислороду с одной стороны. Интересно, что эта чрезвычайно важная особенность молекулы воды была установлена чисто умозрительно задолго до эпохи спектроскопических исследований английским профессором Д. Берналом. Он исходил из того, что вода обладает весьма сильным электрическим моментом (в то время, в 1932 г., это было известно). Проще всего, конечно, молекулу воды "сконструировать", расположив все входящие в нее атомы по прямой линия, т.е. H-O-H. "Однако, - пишет Бернал, - водяная молекула подобным образом построена быть не может, ибо при такой структуре молекула, содержащая два положительных атома водорода и отрицательный атом кислорода, была бы электрически нейтральной, не обладала бы определенной направленностью… электрический момент может быть только, если оба атома водорода примыкают к кислороду с одной и той же стороны".

Вода (оксид водорода) - бинарное неорганическое соединение с химической формулой Н 2 O. Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного - кислорода, которые соединены между собой ковалентной связью.

Пероксид водорода.

Физические и химические свойства

Физические и химические свойства воды определяются химическим, электронным и пространственным строением молекул Н 2 O.

Атомы Н и О в молекуле Н 2 0 находятся в своих устойчивых степенях окисления, соответственно +1 и -2; поэтому вода не проявляет ярко выраженных окислительных или восстановительных свойств. Обратите внимание: в гидридах металлов водород находится в степени окисления -1.

Молекула Н 2 O имеет угловое строение. Связи Н-O очень полярны. На атоме О существует избыточный отрицательный заряд, на атомах Н - избыточные положительные заряды. 8 целом молекула Н 2 O является полярной, т.е. диполем. Этим объясняется тот факт, что вода является хорошим растворителем для ионных и полярных веществ.

Наличие избыточных зарядов на атомах Н и О, а также неподеленных электронных пар у атомов О обусловливает образование между молекулами воды водородных связей, вследствие чего они объединяются в ассоциаты. Существованием этих ассоциатов объясняются аномально высокие значения т. пл. и т. кип. воды.

Наряду с образованием водородных связей, результатом взаимного влияния молекул Н 2 O друг на друга является их самоионизация:
в одной молекуле происходит гетеролитический разрыв полярной связи О-Н, и освободившийся протон присоединяется к атому кислорода другой молекулы. Образующийся ион гидроксония Н 3 О + по существу является гидратированным ионом водорода Н + Н 2 O, поэтому упрощенно уравнение самоионизации воды записывается так:

Н 2 O ↔ H + + OH -

Константа диссоциации воды чрезвычайно мала:

Это свидетельствует о том, что вода очень незначительно диссоциирует на ионы, и поэтому концентрация недиссоциированных молекул Н 2 O практически постоянна:

В чистой воде [Н + ] = [ОН - ] = 10 -7 моль/л. Это означает, что вода представляет собой очень слабый амфотерный электролит, не проявляющий в заметной степени ни кислотных, ни основных свойств.
Однако вода оказывает сильное ионизирующее действие на растворенные в ней электролиты. Под действием диполей воды полярные ковалентные связи в молекулах растворенных веществ превращаются в ионные, ионы гидратируются, связи между ними ослабляются, в результате чего происходит электролитическая диссоциация. Например:
HCl + Н 2 O - Н 3 O + + Сl -

(сильный электролит)

(или без учета гидратации: HCl → Н + + Сl -)

CH 3 COOH + H 2 O ↔ CH 3 COO - + H + (слабый электролит)

(или CH 3 COOH ↔ CH 3 COO - + H +)

Согласно теории кислот и оснований Брёнстеда-Лоури, в этих процессах вода проявляет свойства основания (акцептор протонов). По той же теории в роли кислоты (донора протонов) вода выступает в реакциях, например, с аммиаком и аминами:

NH 3 + H 2 O ↔ NH 4 + + OH -

CH 3 NH 2 + H 2 O ↔ CH 3 NH 3 + + OH -

Окислительно-восстановительные реакции с участием воды

I. Реакции, в которых вода играет роль окислителя

Эти реакции возможны только с сильными восстановителями, которые способны восстановить ионы водорода, входящие в состав молекул воды, до свободного водорода.

1) Взаимодействие с металлами

а) При обычных условиях Н 2 О взаимодействует только со щел. и щел.-зем. металлами:

2Na + 2Н + 2 О = 2NaOH + H 0 2

Ca + 2Н + 2 О = Ca(OH) 2 + H 0 2

б) При высокой температуре Н 2 О вступает в реакции и с некоторыми другими металлами, например:

Mg + 2Н + 2 О = Mg(OH) 2 + H 0 2

3Fe + 4Н + 2 О = Fe 2 O 4 + 4H 0 2

в) Al и Zn вытесняют Н 2 из воды в присутствии щелочей:

2Al + 6Н + 2 О + 2NaOH = 2Na + 3H 0 2

2) Взаимодействие с неметаллами, имеющими низкую ЭО (реакции происходят в жестких условиях)

C + Н + 2 О = CO + H 0 2 («водяной газ»)

2P + 6Н + 2 О = 2HPO 3 + 5H 0 2

В присутствии щелочей кремний вытесняет водород из воды:

Si + Н + 2 О + 2NaOH = Na 2 SiO 3 + 2H 0 2

3) Взаимодействие с гидридами металлов

NaH + Н + 2 O = NaOH + H 0 2

CaH 2 + 2Н + 2 О = Ca(OH) 2 + 2H 0 2

4) Взаимодействие с угарным газом и метаном

CO + Н + 2 O = CO 2 + H 0 2

2CH 4 + O 2 + 2Н + 2 O = 2CO 2 + 6H 0 2

Реакции используются в промышленности для получения водорода.

II. Реакции, в которых вода играет роль восстановителя

ти реакции возможны только с очень сильными окислителями, которые способны окислить кислород СО С. О. -2, входящий в состав воды, до свободного кислорода O 2 или до пероксид-анионов 2- . В исключительном случае (в реакции с F 2) образуется кислород со c o. +2.

1) Взаимодействие с фтором

2F 2 + 2Н 2 O -2 = O 0 2 + 4HF

2F 2 + Н 2 O -2 = O +2 F 2 + 2HF

2) Взаимодействие с атомарным кислородом

Н 2 O -2 + O = Н 2 O - 2

3) Взаимодействие с хлором

При высокой Т происходит обратимая реакция

2Cl 2 + 2Н 2 O -2 = O 0 2 + 4HCl

III. Реакции внутримолекулярного окисления - восстановления воды.

Под действием электрического тока или высокой температуры может происходить разложение воды на водород и кислород:

2Н + 2 O -2 = 2H 0 2 + O 0 2

Термическое разложение - процесс обратимый; степень термического разложения воды невелика.

Реакции гидратации

I. Гидратация ионов. Ионы, образующиеся при диссоциации электролитов в водных растворах, присоединяют определенное число молекул воды и существуют в виде гидратированных ионов. Некоторые ионы образуют столь прочные связи с молекулами воды, что их гидраты могут существовать не только в растворе, но и в твердом состоянии. Этим объясняется образование кристаллогидратов типа CuSO4 5H 2 O, FeSO 4 7Н 2 O и др., а также аквакомплексов: CI 3 , Br 4 и др.

II. Гидратация оксидов

III. Гидратация органических соединений, содержащих кратные связи

Реакции гидролиза

I. Гидролиз солей

Обратимый гидролиз:

а) по катиону соли

Fe 3+ + Н 2 O = FeOH 2+ + Н + ; (кислая среда. рН

б) по аниону соли

СО 3 2- + Н 2 O = НСО 3 - + ОН - ; (щелочная среда. рН > 7)

в) по катиону и по аниону соли

NH 4 + + СН 3 СОО - + Н 2 O = NH 4 OH + СН 3 СООН (среда, близкая к нейтральной)

Необратимый гидролиз:

Al 2 S 3 + 6Н 2 O = 2Аl(ОН) 3 ↓ + 3H 2 S

II. Гидролиз карбидов металлов

Al 4 C 3 + 12Н 2 O = 4Аl(ОН) 3 ↓ + 3CH 4 нетан

СаС 2 + 2Н 2 O = Са(ОН) 2 + С 2 Н 2 ацетилен

III. Гидролиз силицидов, нитридов, фосфидов

Mg 2 Si + 4Н 2 O = 2Mg(OH) 2 ↓ + SiH 4 силан

Ca 3 N 2 + 6Н 2 O = ЗСа(ОН) 2 + 2NH 3 аммиак

Cu 3 P 2 + 6Н 2 O = ЗСu(ОН) 2 + 2РН 3 фосфин

IV. Гидролиз галогенов

Cl 2 + Н 2 O = HCl + HClO

Вr 2 + Н 2 O = НВr + НВrО

V. Гидролиз органических соединений

Классы органических веществ	Продукты гидролиза (органические)
Галогеналканы (алкилгалогениды)
Арилгалогениды
Дигалогеналканы	Альдегиды или кетоны
Алкоголяты металлов
Галогенангидриды карбоновых кислот	Карбоновые кислоты
Ангидриды карбоновых кислот	Карбоновые кислоты
Сложные зфиры карбоновых кислот	Карбоновые кислоты и спирты
	Глицерин и высшие карбоновые кислоты
Ди- и полисахариды	Моносахариды
Пептиды и белки	α-Аминокислоты
Нуклеиновые кислоты

, гипс и др.), присутствует в почве, является обязат. компонентом всех живых организмов .

Изотопный состав. Существует 9 устойчивых изотопных разновидностей воды. Содержание их в пресной воде в среднем следующее (мол. %): 1 Н 2 16 О - 99,13; 1 Н 2 18 О - 0,2; 1 Н 2 17 0-0,04; 1 Н 2 О 16 О-0,03; остальные пять изотопных разновидностей присутствуют в воде в ничтожных кол-вах. Кроме стабильных изотопных разновидностей, в воде содержится небольшое кол-во радиоактивного 3 Н 2 (или Т 2 О). Изотопный состав природной воды разного происхождения неск. варьирует. Особенно непостоянно отношение 1 Н/ 2 Н: в пресных водах - в среднем 6900, в морской воде -5500, во льдах - 5500-9000. По физ. свойствам D 2 O заметно отличается от обычной воде (см. Тяжелая вода). Вода, содержащая 18 О, по св-вам ближе к воде с 16 О.

Физ. свойства воды аномальны. Плавление льда при атм. давлении сопровождается уменьшением объема на 9%. Температурный коэф. объемного расширения льда и жидкой воды отрицателен при т-pax соотв. ниже -210°С и 3,98 °С. Теплоемкость Ѱ при плавлении возрастает почти вдвое и в интервале 0-100°С почти не зависит от т-ры (имеется минимум при 35 °С). Минимум изо-термич. сжимаемости (44,9*10 -11 Па -1), наблюдаемый при 46°С, выражен довольно четко. При низких давлениях и т-рах до 30 °С вязкость воды с ростом давления падает. Высокие диэлектрич. проницаемость и диполъный момент воды определяют ее хорошую растворяющую способность по отношению к полярным и ионогенным в-вам. Благодаря высоким значениям Ѱ, и вода-важный регулятор климатич. условий на земле, стабилизирующий т-ру на ее пов-сти. Кроме того, близость угла Н-О-Н к тетраэдрическому (109° 28") обусловливает рыхлость структур льда и жидкой воды и, как следствие, аномальную зависимость плотности от т-ры. Поэтому не промерзают до дна крупные водоемы, что делает возможным существование в них жизни.

Табл. 1 - СВОЙСТВА ВОДЫ И ВОДЯНОГО ПАРА , НАХОДЯЩИХСЯ В РАВНОВЕСИИ

Но плотность модификаций II-VI значительно ниже той, к-рой мог бы обладать лёд при плотной упаковке молекул . Только в модификациях VII и VIII достигается достаточно высокая плотность упаковки: в их структуре две правильные сетки, построенные из тетраэдров (аналогичные существующим в кубич. низкотемпературном льде Iс, изоструктурном алмазу), вставлены одна в другую; при этом сохраняется система прямолинейных водородных связей , а координац. число по кислороду удваивается и достигает 8. Расположение атомов кислорода во льдах VII и VIII подобно расположению атомов вжелезе и многих др. металлах . В обычном (Ih) и кубическом (Iс) льдах , а также во льдах HI, V-VII ориентация молекул не определена: оба ближайших к атому О протона образуют с ним ковалентные связи , к-рые м. б. направлены к любым двум из четырех соседних атомов кислорода в вершинах тетраэдра. Диэлектрич. проницаемость этих модификаций высока (выше, чем у жидкой воды). Модификации II, VIII и IX ориентационно упорядочены; их диэлектрич. проницаемость низка (ок. 3). Лед VIII представляет собой упорядоченный по размещению протонов вариант льда VII, а лед IX - льда III. Плотности ориентационно упорядоченных модификаций (VIII, IX) близки к плотностям соответствующих неупорядоченных (VII, III).

Вода как растворитель . Вода хорошо растворяет мн. полярные и диссоциирующие на ионы в-ва. Обычно р-римость возрастает с увеличением т-ры, но иногда температурная зависимость имеет более сложный характер. Так, р-римость мн. сульфатов , карбонатов и фосфатов при повышении т-ры уменьшается или сначала повышается, а затем проходит через максимум. Р-римость малополярных в-в (в т. ч. газов , входящих в состав атмосферы) в воде низкая и при повышении т-ры обычно сначала снижается, а затем проходит через минимум. С ростом давления р-римость газов возрастает, проходя при высоких давлениях через максимум. Многие в-ва, растворяясь в воде, реагируют с ней. Напр., в р-рах NH 3 могут присутствовать ионы NH 4 (см. также Гидролиз). Между растворенными в воде ионами , атомами , молекулами , не вступающими с ней в хим. р-ции, и

Формулы для ковалентных связей в корне отличаются от формул для ионных связей. Дело в том, что ковалентные соединения могут образовываться самыми разными способами, поэтому в результате реакции возможно появление различных соединений.

1. Эмпирическая формула

В эмпирической формуле указываются элементы, из которых состоит молекула, с наименьшим целочисленными соотношениями.

Например, C 2 H 6 O - соединение содержит два атома углерода, шесть атомов водорода и один атом кислорода.

2. Молекулярная формула

Молекулярная формула указывает из каких атомов состоит соединение и в каких количествах эти атомы в нем находятся.

Например, для соединения C 2 H 6 O молекулярными формулами могут быть: C 4 H 12 O 2 ; C 6 H 18 O 3 ...

Для полного описания ковалентного соединения молекулярной формулы недостаточно:

Как видим, оба соединения имеют одинаковую молекулярную формулу - C 2 H 6 O, но являются совершенно разными веществами:

• диметиловый эфир применяется в холодильных установках;
• этиловый спирт - основа алкогольных напитков.

3. Структурная формула

Структурная формула служит для точного определения ковалентного соединения, т.к., кроме элементов в соединении и количества атомов, показывает еще и схему связей соединения.

В качестве структурной формулы используют электронно-точечную формулу и формулу Льюиса .

4. Структурная формула для воды (H 2 O)

Рассмотрим порядок построение структурной формулы на примере молекулы воды.

I Строим каркас соединения

Атомы соединения располагаются вокруг центрального атома. В качестве центральных обычно выступают атомы: углерода, кремния, азота, фосфора, кислорода, серы.

II Находим сумму валентных электронов всех атомов соединения

Для воды: H 2 O = (2·1 + 6) = 8

В атоме водорода один валентный электрон, в атоме кислорода - 6. Поскольку в соединении присутствует два атома водорода, то общее число валентных электронов молекулы воды будет равно 8.

III Определяем количество ковалентных связей в молекуле воды

Определяем по формуле: S = N - A , где

S - количество электронов, совместно используемых в молекуле;

N - сумма валентных электронов, соответствующих завершенному внешнему энергетическому уровню атомов в соединении:

N = 2 - для атома водорода;

N = 8 - для атомов остальных элементов

A - сумма валентных электронов всех атомов в соединении.

N = 2·2 + 8 = 12

A = 2·1 +6 = 8

S = 12 - 8 = 4

В молекуле воды совместно используемых электронов - 4. Поскольку ковалентная связь состоит из пары электронов, то получаем две ковалентные связи.

IV Распределяем совместные электроны

Между центральным атомом и атомами, которые окружают его, должна быть хотя бы одна связь. Для молекулы воды таких связей будет по два для каждого атома водорода:

V Распределяем оставшиеся электроны

Из восьми валентных электронов четыре уже распределены. Куда "девать" оставшиеся четыре электрона?

Каждый атом в соединении должен иметь полный октет электронов. Для водорода - это два электрона; для кислорода - 8.

Совместно используемые электроны называются связывающими .

Электронно-точечная формула и формула Льюиса наглядно описывают строение ковалентной связи, но громоздки и занимают много места. Этих недостатков можно избежать применяя сжатую структурную формулу , в которой указывается только порядок "следования" связей.

Пример сжатой структурной формулы:

• диметиловый эфир - CH 3 OCH 3
• этиловый спирт - C 2 H 5 OH

О.В.Мосин

Тяжёлая вода (оксид дейтерия) - имеет ту же химическую формулу, что и обычная вода, но вместо атомов водорода содержит два тяжёлых изотопа водорода - атомы дейтерия. Формула тяжёловодородной воды обычно записывается как: D2O или 2H2O. Внешне тяжёлая вода выглядит как обычная - бесцветная жидкость без вкуса и запаха.

По своим свойствам тяжелая вода заметно отличается от обычной воды. Реакции с тяжелой водой протекают медленнее, чем с обычной, константы диссоциации молекулы тяжёлой воды меньше таковых для обычной воды.

Молекулы тяжёловодородной воды были впервые обнаружены в природной воде Гарольдом Юри в 1932 году году. А уже в 1933 году Гильберт Льюис получил чистую тяжёловодородную воду путём электролиза обычной воды.

В природных водах соотношение между тяжёлой и обычной водой составляет 1:5500 (в предположении, что весь дейтерий находится в виде тяжёлой воды D2O, хотя на самом деле он частично находится в составе полутяжёлой воды HDO).

Тяжёлая вода токсична лишь в слабой степени, химические реакции в её среде проходят несколько медленнее, по сравнению с обычной водой, водородные связи с участием дейтерия несколько сильнее обычных. Эксперименты над млекопитающими показали, что замещение 25% водорода в тканях дейтерием приводит к стерильности, более высокие концентрации приводят к быстрой гибели животного. Однако некоторые микроорганизмы способны жить в 70%-ной тяжёлой воде) (простейшие) и даже в чистой тяжёлой воде (бактерии). Человек может без видимого вреда для здоровья выпить стакан тяжёлой воды, весь дейтерий будет выведен из организма через несколько дней. В этом отношении тяжёлая вода менее токсична, чем, например, поваренная соль.

Тяжёлая вода накапливается в остатке электролита при многократном электролизе воды. На открытом воздухе тяжёлая вода быстро поглощает пары обычной воды, поэтому можно сказать, что она гигроскопична. Производство тяжёлой воды очень энергоёмко, поэтому её стоимость довольно высока (ориентировочно 200-250 долларов за кг).

Физические свойства обычной и тяжёлой воды

Физические свойства

Молекулярная масса

Плотность при 20°C (г/см3)

t° кристаллизации (°C)

t° кипения (°C)

Свойства тяжёлой воды

Важнейшим свойством тяжёлой воды является то, что она практически не поглощает нейтроны, поэтому используется в ядерных реакторах для торможения нейтронов и в качестве теплоносителя . Она используется также в качестве изотопного индикатора в химии и биологии. В физике элементарных частиц тяжёлая вода используется для детектирования нейтрино; так, крупнейший детектор солнечных нейтрино в Канаде содержит 1 килотонну тяжёлой воды.

Российскими учёными из ПИЯВ разработаны на опытных установках оригинальные технологии получения и очистки тяжелой воды. В 1995 была введена в эксплуатацию первая в России и одна из первых в мире опытно-промышленная установка на основе метода изотопного обмена в системе вода-водород и электролиза воды (ЭВИО).

Высокая эффективность установки ЭВИО дает возможность получать тяжелую воду с содержанием дейтерия > 99,995 % ат. Отработанная технология обеспечивает высокое качество тяжелой воды, включая глубокую очистку тяжелой воды от трития до остаточной активности, позволяющей без ограничений использовать тяжелую воду в медицинских и научных целях. Возможности установки позволяют полностью обеспечить потребности российских предприятий и организаций в тяжелой воде и дейтерии, а также экспортировать часть продукции. За время работы для нужд Росатома и других предприятий России были произведены более 20 тонн тяжёлой воды и десятки килограммов газообразного дейтерия.

Существует также и полутяжёлая (или дейтериевая) вода, у которой только один атом водорода замещен дейтерием. Формулу такой воды записывают так: DHO.

Термин тяжёлая вода применяют также по отношению к воде, у которой любой из атомов заменен тяжёлым изотопом:

К тяжёлокислородной воде (в ней лёгкий изотоп кислорода 16O замещен тяжёлыми изотопами 17O или 18O),

К тритиевой и сверхтяжёлой воде (содержащей вместо атомов 1H его радиоактивный изотоп тритий 3H).

Если подсчитать все возможные различные соединения с общей формулой Н2О, то общее количество возможных «тяжёлых вод» достигнет 48. Из них 39 вариантов - радиоактивные, а стабильных вариантов всего девять:
Н216O, Н217O, Н218O, HD16O, HD17O, HD18O, D216O, D217O, D218O.
На сегодняшний день в лабораториях получены не все варианты тяжёлой воды.

Тяжелая вода играет значительную роль в различных биологических процессах . Российские исследователи давно обнаружили, что тяжелая вода тормозит рост бактерий, водорослей, грибов, высших растений и культуры тканей животных. А вот вода со сниженной до 50% концентрацией дейтерия (так называемая "бездейтериевая" вода) обладает антимутагенными свойствами, способствует увеличению биомассы и количества семян, ускоряет развитие половых органов и стимулирует сперматогенез у птиц.

За рубежом пробовали поить тяжелой водой мышей со злокачественными опухолями. Та вода оказалась по настоящему мертвой: и опухоли губила, и мышей. Различные исследователи установили, что тяжелая вода действует отрицательно на растительные и живые организмы. Подопытных собак, крыс и мышей поили водой, треть которой была заменена тяжелой водой. Через недолгое время начиналось расстройство обмена веществ животных, разрушались почки. При увеличении доли тяжелой воды животные погибали. И наоборот, снижение содержания дейтерия на 25% ниже нормы в воде, которую давали животным, благотворно сказалось на их развитии: свиньи, крысы и мыши дали потомство, во много раз многочисленнее и крупнее обычного, а яйценосность кур поднялась вдвое.

Тогда Российские исследователи взялись за "облегченную" воду. Эксперименты проводили на 3 моделях перевиваемых опухолей: карцинома легких Льюис, быстро растущая саркома матки и рак шейки матки, который развивается медленно. "Бездейтериевую" воду исследователи получали по технологии, разработанной в Институте космической биологии. В основе метода лежит электролиз дистиллированной воды. В опытных группах животные с перевитыми опухолями получали воду с пониженным содержанием дейтерия, в контрольных группах - обычную. Животные начали пить "облегченную" и контрольную воду в день перевивки опухоли и получали ее до последнего дня жизни.

Вода с пониженным содержанием дейтерия задерживает появление первых узелков на месте перевивки рака шейки матки. На время возникновения узелков других типов опухоли облегченная вода не действует. Но во всех опытных группах, начиная с первого дня измерений и практически до завершения эксперимента, объем опухолей был меньше, чем в контрольной группе. К сожалению, хотя тяжёлая вода и тормозит развитие всех исследованных опухолей, жизнь экспериментальным мышам она не продлевает.

И тогда раздались голоса в пользу полного изъятия дейтерия из употребленной в пищу воды. Это привело бы к ускорению обменных процессов в организме человека, а, следовательно, к увеличению его физической и интеллектуальной активности. Но вскоре возникли опасения, что полное изъятие из воды дейтерия приведет к сокращению общей длительности человеческой жизни. Ведь известно, что наш организм почти на 70% состоит из воды. И в этой воде 0,015% дейтерия. По количественному содержанию (в атомных процентах) он занимает 12-е место среди химических элементов, из которых состоит организм человека. В этом отношении его следует отнести к разряду микроэлементов. Содержание таких микроэлементов как медь, железо, цинк, молибден, марганец в нашем теле в десятки и сотни раз меньше, чем дейтерия. Что же случится, если удалить весь дейтерий? На этот вопрос науке еще предстоит ответить. Пока же несомненным является тот факт, что, меняя количественное содержание дейтерия в растительном или животном организме, мы можем ускорять или замедлять ход жизненных процессов .