Среди всех изотопов дейтерий — уникум, так как его атомный вес вдвое превосходит вес основного изотопа водорода — протия. Причина этого уникального отличия в том, что, если атомное ядро протия состоит из одного протона, то в состав ядра дейтерия кроме протона входит еще и нейтрон.
Ядро дейтерия обладает дополнительной гравитационной силой, удерживающей единственный электрон, который расположен дальше от ядра, чем электрон протия.
Поэтому атом дейтерия и больше по своим размерам, и тяжелее атома протия.
Но логике природы необходимо было в бесчисленном многообразии химических реакций и физических превращений выявить условия, при которых молекулы тяжелой воды D2О и HDO, растворенные в легкой воде, имели бы большие отличия от молекул Н2О. Уточним эту мысль другими словами: требовалось установить физико-химические параметры максимальных отличий свойств D2О и HDO от Н2О. Только после этого могла бы идти речь о магистральных направлениях технологических решений получения целебной и лечебной питьевой воды с пониженным содержанием дейтерия и трития — реликтовой воды. Для этого, по-видимому, необходимо было исследовать хорошо изученные химические реакции с участием дейтерия. Приведем несколько примеров.
Фторид дейтерия получают при взаимодействии фторида водорода — протия с иодидом дейтерия — DI.
HF + DI = HI + DF
Для газовой фазы энтропия реакции ?S°298 = 0,08. Тяжеловодородный аммиак получают так’. 2NН3 + 3D2O = 2ND3 + 3Н2О
Энтропия этой реакции: ?S°298 = 0,3.
Тяжелую воду при повышенном давлении можно получить следующим образом:
D2 + Н2О = H2 + D2O
Энтропия реакции ?S°298 = -0,8.
Судя по значениям энтропии, приведенные обменные реакции близки к равновесным. Особый интерес для нас представляет реакция . Видно, что дейтерий обладает большим химическим сродством к кислороду, чем протиевый водород, поэтому в воде в присутствии Д2 образуется дейтериевая вода.
При растворении тяжелой воды D2O в обычной, например, речной или водопроводной воде, происходит изотопный обмен.
D2O + Н2О = 2HDO
?S°298 = 2,8 (самая большая энтропия).
Поэтому еще раз подчеркнем, что, судя по значению энтропии реакции, весь или почти весь дейтерий в реках, озерах, в морях, океанах, наконец, в атмосфере нашей Земли, находится в форме HDO, а не D2O.
В настоящее время достаточно полно изучены свойства тяжелой воды в форме D2O.
Температура кипения тяжелой воды (D2O) при нормальном давлении составляет 101,4 °С, т.е. на 1,4 °С выше, чем у обычной воды.
Температура плавления (замерзания) тяжелой воды равна +3,8 °С.
Теплота плавления льда тяжелой воды на 5,5% больше, чем для обычной воды и составляет соответственно 1520 и 1436 кал/моль.
В таблице 1 приведены наиболее важные показатели термодинамических свойств обычной и тяжелой воды.
Таблица 1
Термодинамические свойства обычной и тяжелой воды. Количественные показатели отличия воды в форме D2O и Н2O
style=’width:456.0pt;margin-left:2.0pt;border-collapse:collapse;border:none;mso-border-alt:solid windowtext .5pt;mso-padding-alt:0cm 2.0pt 0cm 2.0pt;
mso-border-insideh:.5pt solid windowtext;mso-border-insidev:.5pt solid windowtext’>
Свойства |
Обычная вода (Н2O) |
Тяжелая вода (D2O) |
Количественные показатели отличий воды в форме D2O и |
Температура кипения °С |
100 |
101,4 |
1,4 |
Температура замерзания (таяния) °С |
0 |
3,8 |
3,8 |
Теплота плавления льда, кал/моль |
1436
|
1520
|
84
|
Теплота испарения, кал/моль: — при 100 °С — при 3,82 °С |
9719 10702 |
9927 11109 |
208 407 |
Теплоемкость при 4 °С, кал/моль |
18
|
20,13
|
2,13
|
Константа диссоциации при 25 °С, моль/л |
1,1×10-14 |
1,95×10-15 |
— |
Энтропия, кал/град |
45,14 |
47,41 |
2,27 |
Из анализа других показателей свойств тяжелой и обычной воды следует, что тяжелая вода более инертна, ионизирована слабее.