Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

ПЕРСПЕКТИВЫ И НАПРАВЛЕНИЯ В ИССЛЕДОВАНИИ ВОДЫ

Шишелова Т И, Корзун Н Л, Толстой М Ю,

1.3. Изотопный состав 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 [16–17].

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 [19–21].

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 [19].

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 % [19, 10], содержание изотопных модификаций водыв природе представлено в табл. 1.

Таблица 1

Содержание изотопных модификаций воды в природе

Молекулы воды

Содержание, %

Н218O

0,205

HD16O

0,015

HD18O

6·10–5

HD17O

1·10–6

D216O

3·10–6

D218O

9·10–9

D217O

1·10–9

На рис. 6 показано, что количество 2Н в атмосферной влаге и в природных водах зависит от климата, близости региона к морям и ледникам, высоты над уровнем океана. 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.

Рис. 6. Фракционирование водорода в атмосферном водяном цикле

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 [22].

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 [23], 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 [24].

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).

Таблица 2

Содержание дейтерия в природных водах

Место отбора проб

Содержание дейтерия, ррm

Арктический бассейн

110,1

Атлантический бассейн

155,9

Индийский океан

155,9

Тихий океан

155,5

Антарктические льды (водяные пары)

90,0

Гренландия (водяные пары)

126,0

Центральная Европа

140,0–150,0

Оз. Хабсугул (МНР)

145,8

Оз. Хлоридное (Камчатка)

142,8

Москва-река

139,3

Аршан (источник), Республика Бурятия

133,8

Мунок, ист.17

132,5

Оз. Байкал (Листвянка)

137,5

Исходя из изотопного состава, выделяют легкую, тяжелую и полутяжелую воду.

Вода только с легкими изотопами в природе не встречается. Нулевая вода состоит из чистого легкого водорода и кислорода воздуха. Эта вода выбрана в качестве эталона: у нее очень постоянный состав. С ней удобно сравнивать воду неизвестного состава: определив разницу в плотности, легко найти содержание дейтерия. Формально протиевую воду называют легкой водой. Рабочим эталоном легкой воды считают смесь разновидностей воды состава 1H216O, 1H217O и 1H218O, взятых в том же соотношении, в котором присутствуют в воздухе соответствующие изотопы кислорода [7].

Тяжелая вода – это вода, в которой протий полностью замещен на дейтерий и представлена формулой D2О. Изотопный состав по кислороду в этой воде соответствует обычно составу кислорода воздуха. Плотность тяжелой воды 1104 кг/м3. Тяжелая вода кипит при более высокой и замерзает при более низкой температуре, чем легкая [20].

Полутяжелой называют воду со смешанными молекулами состава HDO. Она есть во всякой природной воде, но получить ее в чистом виде невозможно, потому что в воде всегда протекают реакции изотопного обмена. Атомы изотопов водорода очень подвижны и непрерывно переходят из одной молекулы в другую. Приготовить воду, средний состав которой будет соответствовать формуле полутяжелой воды, нетрудно. Но из-за реакции обмена она будет представлять собой смесь молекул с разным изотопным составом H2O, HDO, D2O [19].

Кроме всех перечисленных вод, еще существует тяжелокислородная вода с атомной массой кислорода 18 [7].

Изотопные модификации молекул воды оказывают различное действие на структуру воды. Например, происходит самоорганизация упорядоченной структуры приповерхностного слоя воды в результате ее стабилизации молекулами НDО, обладающими бóльшей энергией ассоциации по сравнению с молекулами Н2О [20].


Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074