Содержание
Реферат на тему Тяжелая вода | Рефераты Инженерное Дело и Технологии
Скачай Реферат на тему Тяжелая вода и еще Рефераты в формате PDF Инженерное Дело и Технологии только на Docsity! Осторожно, тяжелая вода М. Аджиев Тяжелая вода очень дорога и дефицитна. Однако если удастся найти дешевый и практичный способ ее получения, то области применения этого редкого пока ресурса заметно расширятся. Могут открыться новые страницы в химии, биологии, а это новые материалы, неизвестные соединения, может быть, и неожиданные формы жизни. Рис. 1. Молекулы воды прочно связаны друг с другом и образуют устойчивую молекулярную конструкцию, которая сопротивляется любым внешним воздействиям, в частности тепловым. (Именно поэтому, чтобы превратить воду в пар, нужно подвести к ней много тепла). Молекулярная конструкция воды скреплена каркасом из особых квантово-механических связей, названных в 1920 году двумя американскими химиками Латимером и Родебушем водородными. Все аномальные свойства воды, включая необычное поведение при замерзании, объясняются с точки зрения концепции водородных связей.
Вода в природе бывает нескольких «сортов». Обычная, или протиевая (Н2О). Тяжелая, или дейтериевая (D2O). Сверхтяжелая, или тритиевая (Т2О), но ее в природе почти нет. Различается вода и по изотопному составу кислорода. Всего же насчитывается не менее 18 ее изотопных разновидностей. Если мы откроем водопроводный кран и наберем чайник, то там будет не однородная вода, а ее смесь. При этом дейтериевых «вкраплений» окажется очень немного – примерно 150 граммов на тонну. Получается, что тяжелая вода есть повсюду – в каждой капле! Проблема в том, как ее взять. Ныне во всем мире ее добыча связана с огромными затратами энергии и очень сложным оборудованием. Однако есть предположение, что на планете Земля возможны такие природные ситуации, когда тяжелая и обычная вода на какое-то время отделяются одна от другой – D2O из рассеянного, «растворенного» состояния переходит в концентрированное. Так, может быть, существуют месторождения тяжелой воды? Пока однозначного ответа нет: никто из исследователей этим вопросом прежде не занимался.
А вместе с тем известно, что физико-химические свойства D2O совсем иные, чем у Н20 – ее постоянного спутника. Так, температура кипения тяжелой воды +101,4°С, а замерзает она при +3,81°С.Ее плотность на 10 процентов больше, чем у обычной. Надо также заметить, что происхождение тяжелой воды, по-видимому, сугубо земное – в космосе ее следов не обнаружено. Дейтерий образуется из протия вследствие захвата им нейтрона космического излучения. Мировой океан, ледники, атмосферная влага – вот природные «фабрики» тяжелой воды. Рис. 2. Зависимость плотности обычной и тяжелой воды от температуры. Разница в плотности одной и другой разновидностей воды превышает 10%, и поэтому возможны условия, когда переход в твердое состояние при охлаждении происходит вначале у тяжелой воды, а затем у обычной. Во всяком случае, физика не запрещает появления участков твердой фазы с повышенным содержанием дейтерия. Такому «тяжелому» льду на диаграмме соответствует заштрихованный участок. Если бы вода была «нормальной», а не аномальной жидкостью, то зависимость плотности от температуры имела бы вид, показанный пунктирной линией.
Итак, поскольку есть заметная разница в плотности между D2O и Н2О, то именно плотность, а также агрегатное состояние и могут служить наиболее чувствительными критериями в поисках возможных месторождений тяжелой воды – ведь эти критерии связаны с температурой окружающей среды. А как известно, окружающая среда наиболее «контрастна» в высоких широтах планеты. Но к настоящему времени сложилось мнение, что воды высоких широт бедны дейтерием. Поводом к этому стали результаты исследований проб воды и льда из Большого Медвежьего озера в Канаде и из других северных водоемов. Обнаружились также колебания в содержании дейтерия по сезонам года – зимой, например, в реке Колумбия его меньше, чем летом. Эти отклонения от нормы связывались с особенностями распределения атмосферных осадков, которые, как принято предполагать, «разносят» дейтерий по планете. Похоже, что никто из исследователей сразу не заметил скрытого противоречия в этом утверждении. Да, атмосферные осадки влияют на распределение дейтерия по водоемам планеты, однако они никак не влияют на глобальный процесс образования дейтерия! Когда на Севере наступает осень, в реках начинается быстрое остывание водной массы, которое убыстряется под воздействием вечной мерзлоты, одновременно идет ассоциация молекул h3O.
Наконец, наступает критический момент максимальной плотности –
Что такое «легкая» и «тяжелая» вода
Мы знаем, что человек на 60% состоит из воды, что формула ее h3O и что воду пить нужно каждый день. Но это действительно школьные знания, ведь состав воды сложнее. Нашими незнаниями умело пользуются маркетологи, которые продают целебную «легкую» воду и пугают страшной «тяжелой». Разбираемся в изотопах водорода и «тяжести» воды.
Влад Фатеев
Радиоактивный, замедляющий жизненные процессы — это тоже о водороде.
Обычная вода действительно состоит из легкой и тяжелой. Связано это с разными изотопами водорода. Изотопы имеют одинаковый порядковый номер в периодической таблице, но разные массовые числа. У водорода семь изотопов, однако только два из них стабильны — протий и дейтерий, а тритий — долгоживущий, его период полураспада около 12 лет. Остальные очень быстро распадаются.
В ядре протия (это и есть обычный водород) нет нейтронов, а только один протон.
Атом водорода содержит таким образом один протон и один электрон. Если взять все изотопы водорода, то протия будет 99,98%. Молекула легкой (обычной) воды h3O состоит из двух атомов водорода (протия) и одного кислорода, а в тяжелая воду входят два атома дейтерия.
Дейтерий — изотоп водорода. Его ядро содержит протон и нейтрон, что, соответственно, увеличивает его атомную массу. Молекулы тяжелой воды D2О есть в обычной воде, но в очень малых количествах. Примерно 200 молекул тяжелой воды на каждый 1 000 000 обычной. Поскольку дейтерий является стабильным изотопом, тяжелая вода не радиоактивна.
Дейтерий был открыт в 1931 году лауреатом Нобелевской премии Гарольдом Юри. Изотоп используется, как замедлитель нейтронов при ядерных реакциях. Это его качество было использовано физиками при создании ядерных реакторов, в которых тяжелая вода выступает в качестве теплоносителя и замедлителя. Первый такой реактор появился в 1944 году в США.
D2О замедляет и процессы деления клеток.
У эукариот (всех живых организмов, клетки которых содержат ядро) деление останавливается. Семена растений не прорастают, если их поливать тяжелой водой. Это доказал эксперимент американских ученых Джозефа Дж. Каца и Х. Креспи. Если в воде, которая содержится в организме животных, заменить 25-50% атомов протия на дейтерий, последствия будут те же, что и при химиотерапии.
Однако такой исход маловероятен в обычной жизни, ведь, повторим, содержание тяжелой воды очень мало. Однако и в ней есть и польза. В 2015 году группа ученых из МГУ рассказала, что тяжелой водой можно остановить деление быстроделящихся клеток при лимфосаркоме. Лабораторных крыс, страдающих от опухолей, поили 1% раствором дейтерия, после двухнедельного приема тяжелая вода вышла из организма при водообмене, а значит, ее можно использовать при химиотерапии.
Получается, что человеку нужно избегать пить тяжелую воду? Получается, что да, и наука не опровергает такое заключение.
Однако целебные свойства воды с пониженным содержанием дейтерия так и не доказаны. Чаще всего маркетологи, которым очень хочется продавать чудо-воду за большие деньги, приводят исследование Татьяны Стрекаловой и других авторов, связавших депрессию у жителей южных и юго-восточных штатов США с повышенным содержанием дейтерия в водопроводах. Действительно, в более теплых местах на Земле дейтерия больше, потому что он тяжелее и его пар оседает в нижних слоях атмосферы, тогда как h3O под воздействием лучей Солнца улетучивается. Но в этом исследовании кроме корреляции между содержанием дейтерия в водопроводной воде и уровнем депрессии в южных штатах США, доказательств пользы легкой воды представлено не было.
Есть и еще более тяжелый изотоп водорода, который тоже может входить в тяжелую воду — тритий. Это радиоактивный изотоп с периодом полураспада около 12 лет, его ядро состоит из протона и двух нейтронов, в природе он образуется в верхних слоях атмосферы при соударении частиц космического излучения.
Тритий был открыт учеными Э. Рейзерфордом и М. Олифантом в 1935 году, а через 20 лет стал использоваться на атомных электростанциях. Химик Игорь Петрянов-Соколов в середине прошлого века исследовал влияние тяжелой воды и доказал, что кипячение не способствует повышению концентрации дейтерия и трития.
Вода была и остается незаменимым источником жизни для человека, все ее целебные и опасные свойства только предстоит узнать.
часто задаваемых вопросов (FAQ) | Совет по тяжелой воде, правительство Индии
Что такое тяжелая вода?
Тяжелая вода (D 2 O) или оксид дейтерия состоит из двух атомов дейтерия и одного атома кислорода. Дейтерий — это стабильный изотоп водорода с удвоенной массой водорода из-за наличия в его ядре дополнительного нейтрона. Дейтерий присутствует в водороде и водородсодержащих соединениях, таких как вода, углеводороды и т. д., и имеет небольшое естественное присутствие (D/D+H) примерно от 140 до 160 частей на миллион.
То же экстрагируется и обогащается до > 99,85 масс. % IP используется в тяжеловодном реакторе под давлением (PHWR).
Какая польза от тяжелой воды?
Тяжелая вода обладает схожими физическими и химическими свойствами, но отличается ядерными свойствами по сравнению с обычной водой, что делает ее чрезвычайно эффективным материалом для использования в качестве замедлителя и теплоносителя в тяжеловодных реакторах под давлением (PHWR).
Что такое модератор?
Замедлитель требуется в ядерном реакторе для замедления нейтронов, образующихся во время реакции деления, чтобы можно было поддерживать цепную реакцию. Тяжелая вода является отличным замедлителем благодаря высокому коэффициенту замедления и низкому сечению поглощения нейтронов.
Что такое охлаждающая жидкость?
Тепловая энергия, вырабатываемая в активной зоне реактора в результате реакции деления, должна отводиться теплоносителем. Тяжелая вода используется в качестве теплоносителя первого контура для переноса тепла, выделяемого в результате реакции деления, на вторичный теплоноситель, легкую воду.
Легкая вода забирает тепловую энергию тяжелой воды и производит пар под соответствующим давлением для работы паровых турбин. Паровые турбины приводят в действие генераторы для выработки электроэнергии.
Радиоактивна ли тяжелая вода?
Нет, тяжелая вода не радиоактивна. Это оксид дейтерия (D 2 O), который является стабильным изотопом водорода.
Когда и почему говорится, что тяжелая вода, используемая на атомных электростанциях, радиоактивна?
Немного дейтерия в тяжелой воде преобразуется в тритий путем поглощения нейтрона в ядерном реакторе. Тритий — радиоактивный изотоп водорода, имеющий в ядре два нейтрона. Кроме того, некоторые ионные примеси, переносимые тяжелой водой в качестве замедлителя или теплоносителя, также активируются в процессе облучения. Следовательно, радиоактивность наблюдается в тяжелой воде, используемой в ядерных реакторах.
Вредна ли тяжелая вода для здоровья?
Небольшое количество тяжелой воды не вредно для здоровья человека.
Фактически, человеческое тело содержит несколько граммов тяжелой воды в естественном изобилии. Небольшие количества тяжелой воды использовались в клинических исследованиях и лечении младенцев, кормящих женщин и взрослых без каких-либо побочных эффектов. Токсическое действие тяжелой воды начинает проявляться только тогда, когда содержание дейтерия в жидкостях организма превышает 20%, что является наиболее маловероятным событием.
Что такое вода, обедненная дейтерием?
Вода, содержащая меньше дейтерия, чем его естественное содержание (<125 частей на миллион), называется водой, обедненной дейтерием. Он популяризируется как адъювантная терапия рака.
Может ли тяжелая вода разлагаться?
Тяжелая вода имеет большее сходство с легкой водой, и ее IP может ухудшиться при контакте с легкой водой в любой форме. Он может легко поглощать легкую воду, присутствующую в воздухе, в виде влаги.
Есть ли фиксированный срок службы тяжелой воды?
Срок службы тяжелой воды не ограничен.
Один приятный контраст — ANS / Nuclear Newswire
Research & Applications
26 апреля 2021 г., 12:00Nuclear News
Взгляд художника на тяжелую воду, вызывающую сладкий вкус у людей. Графический дизайн: Томаш Белло/IOCB Прага
Является ли изотопная наука сладостью и светом? Недавние заголовки исследований, подтверждающих сладкий вкус тяжелой воды и создание самого легкого изотопа урана, могут создать такое впечатление. Но серьезная наука, стоящая за этими отдельными результатами исследований, имеет значение для здоровья человека и для понимания процесса альфа-распада.
Прежде чем идти дальше, стоит признать, что термины «тяжелый» и «легкий» относительны, и атом нового сверхлегкого изотопа урана со 122 нейтронами и атомной массой 214 все же более чем в 10 раз больше. массивнее, чем молекула тяжелой воды, с атомным весом 20.
Сладость в умеренных количествах: Тяжелая вода (D 2 O) стабильна и встречается в природе.
Она отличается от обычной воды (H 2 O) заменой водорода на дейтерий (так называемый тяжелый водород). Потому что он с меньшей вероятностью поглощает нейтроны, чем H 2 O, очищенная тяжелая вода используется в качестве замедлителя и теплоносителя в некоторых конструкциях ядерных энергетических реакторов, особенно в канадском парке тяжеловодных реакторов CANDU под давлением.
Дейтерий был открыт в 1931 году Гарольдом Юри, получившим за свою работу Нобелевскую премию. Вскоре после того, как ученые попробовали тяжелую воду, они начали сравнивать анекдотические сообщения. В 1935 году журнал Science опубликовал короткое письмо Юри, в котором после слепого дегустационного теста, проведенного двумя субъектами (одним из которых был сам Юри), недвусмысленно говорилось, что «чистый оксид дейтерия имеет тот же вкус, что и обычная дистиллированная вода». Однако недавние исследования доказали обратное.
Павел Юнгвирт и Фил Мейсон из Института органической химии и биохимии Чешской академии наук (IOCB Praha) возглавили исследовательскую группу, которая использовала моделирование молекулярной динамики, эксперименты на основе клеток, модели мышей и людей, чтобы показать окончательно, что тяжелая вода сладка на вкус для людей (но не для мышей).
В своем исследовании, опубликованном в Communications Biology , они пришли к выводу, что эффект был опосредован человеческим рецептором сладкого вкуса TAS1R2/TAS1R3.
«Несмотря на то, что два изотопа номинально химически идентичны, мы убедительно показали, что люди могут различать по вкусу (который основан на химическом ощущении) между H 2 O и D 2 O, причем последний имеет отчетливый сладкий вкус», — сказал Юнгвирт в статье, опубликованной 7 апреля IOCB в Праге. «Наше исследование, таким образом, разрешает старый спор о сладком вкусе тяжелой воды с использованием современных подходов экспериментального и компьютерного моделирования, демонстрируя, что небольшой ядерный квантовый эффект может оказывать выраженное влияние на такую основную биологическую функцию, как распознавание вкуса. ».
Исследователи также обнаружили, что тяжелая вода может сделать вкус химических подсластителей еще более сладким, но у нее нет будущего в производстве напитков, поскольку в больших концентрациях тяжелая вода токсична для животных и растений.
Рецептор сладкого вкуса, ответственный за восприятие сладости, находится не только в человеческом языке, но и в других тканях, и, поскольку в некоторых медицинских процедурах используется тяжелая вода, исследователи полагают, что их результаты могут иметь клиническое применение.
Сверхлегкий уран: Исследовательская группа под руководством Зай-Го Гана из Китайской академии наук создала новый изотоп урана в реакции «синтез-испарение», обстреляв вольфрамовую мишень лучом аргона и наблюдая за выходом . Исследование было проведено в Исследовательском центре тяжелых ионов в Ланьчжоу и опубликовано в журнале Physical Review Letters 14 апреля. (уран-238). Недавно подтвержденный изотоп имеет всего 122 нейтрона, что на один меньше, чем предыдущий рекорд для этого элемента.
Исследователи идентифицировали два ранее открытых легких изотопа урана — уран-216 и уран-218, а также новый уран-214, период полураспада которого составляет 0,5 миллисекунды.