Acasă Boli și dăunători Care este conținutul de izotopi grei din râuri. Biblioteca științifică electronică. Efectele biologice ale apei grele sunt

Boli și dăunători

Care este conținutul de izotopi grei din râuri. Biblioteca științifică electronică. Efectele biologice ale apei grele sunt

n. Combinațiile de atomi de izotopi diferiți dau un set de molecule izotopologi.

Izotopologii sunt molecule care diferă doar prin compoziția izotopică a atomilor din care sunt alcătuiți. Izotopologul include, conform macar, un atom al unui anumit element chimic, care diferă ca număr de neutroni de restul.

Molecula de apă este formată din doi atomi de hidrogen și un atom de oxigen.

Existența izotopilor de hidrogen a fost confirmată pentru prima dată într-o publicație din 1932 a chimistului fizician american G. Urey.

Hidrogenul are doi izotopi stabili - protiu (H) - 1 H și deuteriu (D) - 2 H.

Oxigenul are trei izotopi stabili: 16 O, 17 O și 18 O (Tabelul 1).

Combinațiile de 5 izotopi stabili ai hidrogenului și oxigenului dau un set de 9 molecule izotopologi de apă (Tabelul 2).

Molecula 1 H 2 16 O este cea mai ușoară dintre toți izotopologii apei. Este apa 1 H 2 16 O care ar trebui considerată apă clasică sau ușoară.

Apa naturală este un amestec multicomponent de izotopologi. Conținutul celui mai ușor izotopolog din acesta depășește semnificativ concentrația tuturor celorlalte combinate. În apele naturale, 1.000.000 de molecule conțin în medie 997.284 molecule de 1 H 2 16 O, 311 molecule de 1 HD 16 O, 390 molecule de 1 H 2 17 O și aproximativ 2005 molecule de 1 H 2 18 O.

Concentrația moleculelor de apă care conțin izotopi grei D, 17 O, 18 O în apa naturală variază în limitele fixate în principalele standarde ale compoziției izotopice a hidrosferei SMOW și SLAP (Tabelul 3). Cantitățile de greutate ale izotopologilor din apa naturală au fost calculate pe baza datelor de determinare directă a conținutului acestora prin spectroscopie moleculară.

Tabelul 3. Cantități de greutate calculate de izotopologi în apa naturală conform standardelor internaționale SMOW (medie masa moleculara= 18,01528873) și SLAP (greutate moleculară medie = 18,01491202), .

Izotopologul apei	Masa moleculara	Conținut, g/kg
		SMOW	PALMĂ
1H216O	18,01056470	997,032536356	997,317982662
1 HD 16 O	19,01684144	0,328000097	0,187668379
D216O	20,02311819	0,000026900	0,000008804
1H217O	19,01478127	0,411509070	0,388988825
1 HD 17 O	20,02105801	0,000134998	0,000072993
D217O	21,02733476	0,000000011	0,000000003
1H218O	20,01481037	2,227063738	2,104884332
1 HD 18O	21,02108711	0,000728769	0,000393984
D218O	22,02736386	0,000000059	0,000000018

După cum se poate observa din Tabelul 3, în apa naturală, concentrația în greutate a izotopologilor grei poate ajunge la 2,97 g/kg, ceea ce este o valoare semnificativă, comparabilă, de exemplu, cu conținutul de săruri minerale.

Apa naturală care este apropiată ca conținut de izotopolog 1 H 2 16 O față de standardul SLAP, precum și purificată special cu o proporție semnificativ crescută din acest izotopolog în comparație cu standardul SLAP, este definită ca apă ușoară extrapură (o apă mai puțin strictă). definiție care este aplicabilă în viața reală).

În apă ușoară, proporția celui mai ușor izotopolog este (% mol.):

99.76 < 1 H 2 16 O ≤ 100.

Dacă scoatem toate moleculele grele cu un conținut de masă de 2,97 g/kg din apă care îndeplinește standardul SMOW și le înlocuim cu 1 H 2 16 O, atunci masa de 1 litru este atât de ușoară și izotopic. apă curată va scadea cu 250 mg. Astfel, parametrii apei ușoare, în primul rând, „luminozitatea” și compoziția izotopică a acesteia pot fi măsurați folosind metode precum spectrometria de masă, gravimetria, spectroscopie de absorbție cu laser, RMN.

Standarde internaționale pentru ape naturale de diferite compoziții izotopice

Standard VSMOW(Vienna Standard Mean Ocean Water) determină compoziția izotopică a apei de adâncime a oceanelor.
Standard PALMĂ(Standard Light Antarctic Precipitation) determină compoziția izotopică a apei naturale din Antarctica.

Conform standardului internațional VSMOW, conținutul absolut de deuteriu și oxigen-18 in apa oceanului este: D VSMOW / 1 H VSMOW \u003d (155,76 ± 0,05) ⋅ 10 sau 2005 ppm. Pentru standardul SLAP, concentrațiile în apă sunt: deuteriu D/H=89⋅10 −6 sau 89 ppm, oxigen-18 18 O/ 16 O=1894⋅10 −6 sau 1894 ppm.

Standardul SLAP caracterizează cea mai ușoară apă naturală de pe Pământ. Apa in diverse puncte globul variind în lejeritatea lor.

Proprietățile fizice ale izotopologilor apei

Izotopologii diferă unul de celălalt prin proprietăți fizice, chimice și biologice (Tabelul 4).

Presiunea de vapori de echilibru a izotopologilor apei diferă și destul de semnificativ. Cu cât masa unei molecule de apă este mai mică, cu atât presiunea vaporilor este mai mare, ceea ce înseamnă că vaporii aflați în echilibru cu apa sunt întotdeauna îmbogățiți în izotopi ușori de oxigen și hidrogen. În ceea ce privește masa mică a elementelor, diferența de masă a izotopilor este mare, astfel încât aceștia sunt capabili să fracționeze puternic în procese naturale: D/H → 100%, 18 O/ 16 O → 12,5%. Izotopii hidrogenului și oxigenului sunt fracționați cel mai eficient în procesele de evaporare-condensare și cristalizare a apei.

Rezultatele studiilor experimentale indică o diferență proprietati fizice si chimice apă ușoarăși apă deionizată cu compoziție izotopică naturală.

Izotopologii grei din apa naturală sunt impurități în raport cu 1 H 2 16 O, care, conform unor studii, pot fi considerate drept defecte structurale.

Eliminarea eterogenității apei în ceea ce privește compoziția izotopică duce la o creștere a omogenității acesteia. Apa ușoară este un lichid mai omogen. Moleculele izotopice grele conținute în apă în concentrații naturale nu au practic niciun efect vizibil asupra sistemelor nevii. În cea mai mare măsură, efectele apei ușoare se manifestă în obiectele biologice, care se caracterizează prin reacții în cascadă.

Proprietățile biologice ale apei grele și ușoare

Pentru prima dată, proprietățile inhibitoare (inhibatoare) de creștere a semințelor ale apei grele au fost descoperite în 1934 de Gilbert Lewis.

Cultivarea celulelor în apă grea accelerează brusc procesul de îmbătrânire și duce la moartea culturii.

În experimente pe mamifere (șoareci) care au fost hrănite cu apă ponderată (3% apă grea), s-a demonstrat că efectele negative cresc de la o generație la alta, inclusiv o scădere a activității masculilor și a capacității de a lacta la femele, o scădere a greutatea nou-născuților și o deteriorare a stării lânii. A treia generație de animale care au băut apă ponderată nu a putut fi obținută.
Dimpotrivă, apa potabilă cu un conținut scăzut de deuteriu a determinat creșterea activității sexuale la bărbați deja în prima generație. La femele, sarcina multiplă a fost observată cu o creștere mai mare a greutății puilor.

Reacția biosistemelor atunci când sunt expuse la apă poate varia în funcție de modificările cantitative și calitative ale compoziției sale izotopice. În cursul evoluției organismelor vii, a existat o selecție de procese biochimice cu acordarea lor la un singur izotop, de obicei lumina. În corpul uman, „are loc fracționarea izotopilor, însoțită de îndepărtarea izotopilor stabili grei de hidrogen și oxigen din apă”. Utilizarea apei din concentrare crescută izotopii grei, în special deuteriu, provoacă efecte toxice pronunțate la nivelul organismului. În același timp, pozitiv activitate biologică ape cu un conținut redus, comparativ cu cel natural, de izotopologi grei, în special deuteriu și oxigen 18 . Cercetări sistematice efectuate la Institutul de Probleme Biomedicale al Academiei Ruse de Științe pentru a crea un habitat pentru cosmonauți cu compoziția izotopică optimă a biogenicului. elemente chimice a arătat că apa cu un conținut redus de molecule izotopice grele în comparație cu conținutul natural este o componentă necesară a sistemului de susținere a vieții astronauților în timpul zborurilor de lungă durată.

La fel de mediu universal, în care au loc toate reacțiile biologice, apa ușoară crește viteza acestor reacții în comparație cu apa cu compoziție izotopică naturală. Acest efect este cunoscut sub numele de efectul izotop cinetic al solventului.

Proprietățile de transport ale apei ușoare au fost dovedite prin studierea efectului izotopologilor grei în compoziția apei naturale asupra dinamicii excreției colorantului albastru de metilen din sistemul olfactiv al broaștelor cu gheare.

Purificarea apei din izotopologii grei are cel mai puternic efect asupra aparatului energetic al unei celule vii. Lanțul respirator al mitocondriilor se distinge prin reacții în cascadă. Izotopologii grei încetinesc rata reacțiilor respiratorii în lanț. Folosind exemplul reacției de generare a peroxidului de hidrogen de către mitocondrii cu acid succinic ca substrat, a fost demonstrat experimental efectul inhibitor general al izotopologilor apei grele. Reducerea conținutului lor în apă la un nivel sub concentrațiile naturale dezinhibă și accelerează semnificativ reacția studiată.

Apa ușoară prezintă activitate antitumorală, care este demonstrată în lucrările oamenilor de știință efectuate în centre de cercetare tari diferite . Potrivit lui G. Shomlai, rezultatele studiilor clinice efectuate în 1994-2001. în Ungaria a arătat că rata de supraviețuire a pacienților care au consumat apă ușoară în combinație cu metode tradiționale tratament sau după acestea este mai mare decât la pacienții care au folosit numai chimioterapie sau radioterapie.

Proprietățile toxicoprotectoare ale apei ușoare au fost confirmate studii experimentale, din care rezultă că apa ușoară, purificată de izotopologii grei, îndepărtează eficient toxinele și produsele metabolice din organism datorită proprietăților sale de transport.

Efectul apei ușoare asupra pacienților cu Diabet tipul II. Rezultatele unui studiu preclinic deschis de 90 de zile au arătat că voluntarii tratați cu apă ușoară au redus nivelurile crescute ale glucozei a jeun și au scăzut rezistența la insulină.

Există și o opinie despre lipsa dovezilor pentru existența unor proprietăți biologice speciale ale apei ușoare.

Nivelul depresiei în rândul populației din SUA este foarte corelat cu distribuție geografică deuteriu, iar relația cauzală a depresiei și anhedoniei cu conținutul de deuteriu din apa de băut a fost confirmată printr-o serie de experimente independente pe animale. S-a demonstrat că înlocuirea celor obișnuite bând apă pe apa sărăcită în deuteriu contracarează depresia comparabilă cu rezultatele luării de antidepresive. Apa potabilă sărăcită în deuteriu ar putea fi baza unei noi strategii de prevenire a depresiei.

Vezi si

Note

Kulsky L. A., Dal V. V., Lenchina L. Apa este familiară și misterioasă.- Kiev: „Școala Radyansk”, 1982.- 120 p.
Petryanov-Sokolov IV Cea mai neobișnuită substanță din lume.// Chimie și viață. 2007. Nr 1. p.26.
Harold C. Urey, F. G. Brickwedde și G. M. Murphy. Un izotop de hidrogen cu masa 2 // Universitatea Columbiași Biroul de Standarde.
Rothman şi colab., J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 1998, 60, 665. Rothman şi colab., J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 2003, 82, p.9.
Brevet RU 2295493. „Metodă și instalație pentru producerea apei ușoare”. Solovyov S.P.
Lis G., Wassenaar L. I., Hendry M. J. Spectroscopie cu laser de înaltă precizie D/H și măsurători 18 O/ 16 O ale probelor de apă naturală în microlitri.// Anal. Chim. 2008. V. 80 (1). P. 287-293
Ferronsky V. I., Polyakov V. A. Izotopia hidrosferei. M.: Nauka, 1983
Craig, H. Standard pentru raportarea concentrațiilor de deuteriu și oxigen-18 în apele naturale. // Știință. 1961. V. 133. PP. 1833−1834.
Hagemann R., Niff G., Roth E. Scala izotopică absolută pentru analiza deuteriului a apelor naturale. Raportul D/H absolut pentru SMOW. // Spune-ne. 1970.V.22. N6. PP.712-715.
De Wit J.C., van der Straaten C.M.; Mook W.G. Determinarea raportului izotopic de hidrogen absolut al VSMOW și SLAP. // Buletin informativ Geostandards. 1980. V. 4. N. 1. PP. 33-36.
V.V. Goncharuk, V.B. Lapshin, T.N. Burdeinaya, T.V. Pleteneva, A.S. Chernopyatko și colab. Proprietăți fizico-chimice și activitate biologică a apei epuizate de izotopi grei // 2011, publicat în Khimiya i Tekhnologiya Vody, 2011, voi. 33, nr. 1, pp. 15-25. Jurnalul de chimie și tehnologie a apei, 2011, voi. 33, nr. 1, pp. 8-13.
Smirnov A. N., Lapshin V. B., Balyshev A. V., Lebedev I. M., Goncharuk V. V., Syroeshkin A. V. Structura apei: grupuri de apă heterofazice gigantice. // Chimia și tehnologia apei. - 2005.- Nr 2. - C. 11-37; Smirnov A. N., Syroeshkin A. V. Supranadmolecular complexe de apă. // Ros. chimic. și. - 2004.- T.48 - Nr 2. - C. 125-135
Lewis, G. N., Biologia apei grele. Știință 79, 151 (1934)
Toroptsev I.V. și alte Rolul biologic al apei grele în organismele vii. Probleme de radiobiologie și hematologie, Editura Universității Tomsk, 1966.
Publicația originală Toroptsev I.V. și alte Rolul biologic al apei grele în organismele vii. Probleme de radiobiologie și hematologie, Editura Universității Tomsk, 1966.
Sinyak Yu. E., Grigoriev A. I. Compoziția optimă a izotopilor elementelor chimice biogene la bordul cu echipaj nava spatiala. // Medicina aerospațială și ecologică. 1996. V. 30, nr. 4, S. 26.
Sinyak Yu. E., Skuratov V. M., Gaidadymov V. B., Ivanova S. M., Pokrovsky B. G. Grigoriev A. I. Investigarea fracționării izotopilor stabili de hidrogen și oxigen la nivel internațional statie spatiala. // Medicina aerospațială și ecologică. 2005. V. 39, Nr. 6, S. 43.

Doi indicatori merită o atenție deosebită: întârzierea metastazelor și pierderea în greutate a animalelor în timpul experimentelor. Efectul pronunțat de stimulare al apei „ușoare” asupra sistem imunitar animalele au dus la o întârziere a dezvoltării metastazelor cu 40% în comparație cu grupul de control, iar pierderea în greutate la animalele care au băut apă „ușoară” a fost la jumătate mai mare până la sfârșitul experimentului.

Când animalele experimentale au fost expuse la iradiere γ la o doză de DL50, s-a constatat că rata de supraviețuire a animalelor care au consumat apă „ușoară” (30 ppm) timp de 15 zile înainte de iradiere a fost de 2,5 ori mai mare decât în grupul martor (iradiere). doza de 850 R) , care indică proprietățile radioprotectoare ale apei „ușoare”. În același timp, la șoarecii supraviețuitori din lotul experimental, numărul de leucocite și eritrocite din sânge a rămas în limitele normale, în timp ce în lotul de control a scăzut semnificativ.

S-a remarcat, de asemenea, că a existat un clar influență pozitivă apă asupra indicatorilor de saturație a țesuturilor hepatice cu oxigen: în acest caz, creșterea pO2 a fost de 15%, adică respirația celulară a crescut de 1,3 ori. Efectul benefic al apei relicve asupra sănătății șoarecilor a fost evidențiat de rezistența crescută a acestora și creșterea în greutate în comparație cu martor. Aceasta înseamnă că utilizarea apei „ușoare” pentru locuitorii orașelor mari în condiții de radiație de fond crescută este justificată.

Apa „ușoară” crește viteza reactii metabolice de exemplu în îmbătrânire, sindrom metabolic, diabet etc. . În plus, conform studiilor preliminare, în probele de apă „ușoară”, spermatozoizii și-au păstrat activitatea funcțională ceva mai mult timp, care crește pe măsură ce conținutul de deuteriu din apă scade. Dacă luăm în considerare faptul binecunoscut că reproducerea vieții este asociată cu potențialul pentru activitatea vitală a celulelor germinale, atunci importanța apei relicte pentru generațiile viitoare va deveni clară. Aceste fapte contribuie la dezvoltarea instalațiilor industriale pentru extracția izotopilor grei din apă.

Apa „ușoară” crește rata reacțiilor metabolice, de exemplu, în timpul îmbătrânirii, sindromului metabolic etc. Conform studiilor preliminare, în probele de apă „uşoară”, spermatozoizii şi-au păstrat activitatea funcţională ceva mai mult timp.

Instalații grele de separare a izotopilor

În prezent, există mai multe metode pentru extragerea izotopilor grei din apă: schimbul izotopilor în prezența paladiuului și platinei, electroliza apei în combinație cu schimbul catalitic de izotopi între apă și hidrogen, distilarea pe coloană, congelarea în vid a vaporilor reci urmată de dezghețare etc. . . În metoda de obținere a apei potabile sărăcite în deuteriu prin înghețare-dezghețare, gheața este produsă prin înghețarea aburului generat din apa sursă la o temperatură care nu depășește +10 °C, iar în procesul de dezghețare a gheții este expusă suplimentar. la radiațiile ultraviolete și infraroșii și saturează apa topit gazul sau amestecul de gaze.

La amestecarea apei „ușoare” (H2O) și grele (D2O + T2O), are loc schimbul de izotopi: H2O + D2O = 2 HDO; H2O + T2O = 2 HTO. Prin urmare, deuteriul și tritiul din apa obișnuită sunt sub formă de HDO și HTO. În acest caz, punctul de îngheț pentru D2O este de +3,8 °C, iar pentru T2O +9 °C, HDO și, respectiv, îngheț NTO la +1,9 °C și la +4,5 °C. S-a stabilit că la temperaturi cuprinse între 0 și +1,9 °C, moleculele de apă cu deuteriu și tritiu, spre deosebire de apa „ușoară” (protium), se află într-o stare inactivă metastabilă-solidă.

Această proprietate stă la baza separării fracționate a apei „ușoare” și grele prin crearea rarefierii aerului deasupra suprafeței apei la această temperatură. Apa „ușoară” se evaporă intens, apoi este capturată de congelator, transformându-se în gheață. Apa „grea”, fiind în stare solidă inactivă și având o presiune parțială mult mai mică, rămâne în rezervorul de evaporare al apei sursei împreună cu sărurile și impuritățile dizolvate în apă.

G.D. construit funcționează pe acest principiu. Berdyshev și I.N. Varnavsky, împreună cu Institutul de Patologie Experimentală, Oncologie și Radiobiologie R. Kavetsky al Academiei Ruse de Științe din Ucraina, instalația industrială VIN-4 „Nadiya” pentru producerea de apă „ușoară” cu un conținut redus cu 30-35% de deuteriu și tritiu (fig. 2).

Instalația este formată dintr-o carcasă 1, în care se află un rezervor de evaporare 2 pentru apă sursă cu dispozitive pentru încălzire 3 și apă de răcire 4. Există, de asemenea, o supapă 5 pentru alimentarea cu apă a vaporizatorului și o supapă 6 pentru evacuarea reziduului uzat. îmbogățit în izotopi grei de hidrogen. Carcasa adăpostește, de asemenea, un dispozitiv 7 pentru condensarea și înghețarea vaporilor reci sub forma unui set de elemente tubulare cu pereți subțiri care sunt conectate la o pompă pentru pomparea agentului frigorific prin ele. Dispozitivul 7 împreună cu sursele de radiații ultraviolete 8 și infraroșii 9 este plasat deasupra recipientului 10 pentru colectarea apei topite. Cavitatea interioară a corpului 1 este conectată printr-o conductă ramificată 11 cu o pompă de vid - o sursă de evacuare a aerului. În plus, carcasa 1 este echipată cu un dispozitiv 12 pentru alimentarea cu aer purificat sau un amestec de gaze în cavitatea sa internă a instalației. În plus, instalația VIN-4 este echipată cu un sistem de control termic în cavitatea rezervorului de evaporare 2 pentru a controla temperatura setată a procesului de evaporare a apei tratate inițial. Carcasa are hublouri 13 și 14 pentru monitorizarea proceselor de evaporare, înghețare a vaporilor reci și topirea gheții. Rezervorul de colectare a apei de topitură 10 este echipat cu supape 15 pentru scurgerea apei de topitură și o conductă de derivație 16 pentru racordarea cu blocul pentru formarea structurii și proprietățile apei de topire 17. Blocul 17 include un recipient conic intern 18 cu minerale. Un filtru de adsorbție 20 și o supapă de scurgere 21 sunt instalate la ieșirea rezervorului 19.

S-a stabilit că la temperaturi cuprinse între 0 și +1,9 °C, moleculele de apă cu deuteriu și tritiu, spre deosebire de apa „ușoară”, se află într-o stare inactivă metastabilă-solidă.

Instalarea funcționează după cum urmează. Din conducta de apă, rezervorul de evaporare 2 este umplut cu apă și agentul frigorific este pompat prin dispozitivul 4. La atingerea temperaturii setate, care nu depășește +10 °C, procesul de răcire cu apă este oprit. Apoi carcasa 1 este etanșată și aerul este pompat prin conducta 11, creând un vid în volumul interior al carcasei de instalare. Crearea unei rarefări este însoțită mai întâi de eliberarea intensivă a gazelor dizolvate în ea din întregul volum al apei sursei și îndepărtarea acestora, iar apoi de vaporizare intensivă până la fierberea apei, care se observă prin ferestrele 13 și 14. vaporii reci rezultați se condensează și îngheață pe suprafața elementelor tubulare ale congelatorului 7. Când grosimea gheții atinge o valoare prestabilită, procesul de evaporare este oprit. Pompă de vid opriți, porniți sursele de radiații ultraviolete 8 și infraroșii 9 și prin dispozitivul 12 introduceți în cavitatea carcasei 1 aer purificat sau un amestec de gaze; apoi aduceți presiunea din carcasă 1 la sau peste valoarea atmosferică. Restul de apă din rezervorul 2, îmbogățită în izotopi grei, este drenată prin supapa 6 în recipiente separate sau drenată într-un rezervor de stocare. Pe măsură ce gheața este iradiată și se topește, apa topită intră în rezervorul 10, apoi în unitatea 17 pentru formarea structurii și proprietăților apei topite. Trecând prin mineralele recipientelor conice interioare 18 și exterioare 19 și mai departe prin filtrul 20, apa topită își finalizează călătoria, dobândind proprietăți vindecatoare active biologic.

O plantă similară pentru obținerea apei potabile biologic active cu un conținut scăzut de deuteriu prin electroliză a fost proiectată în 2000 de oamenii de știință ruși Yu.E. Sinyak, V.B. Gaidadymov și A.I. Grigoriev de la Institutul de Probleme Biomedicale (Fig. 3). Instalația conține un recipient 1 cu condensat sau distilat de umiditate atmosferică, care este conectat la camera anodică 2 a celulei cu electrolit schimbător de ioni. Electrolizorul conține electrozi poroși (anodul 2 și catodul 3) din titan acoperit cu platină, un convertor de gaze de electroliză în apă, un condensator 10 și o colecție de apă „ușoară”. În plus, dispozitivul este echipat suplimentar cu un uscător de oxigen 4, un reactor izotopic de schimb D2/H2O 5, ai cărui pereți laterali exteriori sunt formați din membrane schimbătoare de ioni și un conditionator de apă 11. Pereții exteriori ai reactorului 5 iar uscătorul 4 este format din membrane schimbătoare de ioni 6, 8; uscătorul de oxigen conține schimbător de cationi cu schimb de ioni, iar conditionerul de apă 11, la rândul său, este format dintr-un filtru cu straturi mixte de materiale schimbătoare de ioni - un adsorbant și un mineralizator care conține materiale granulare de carbonat de calciu-magneziu.

Condensul de umiditate atmosferică sau distilat intră în camera anodică a electrolizorului cu electrolit solid, unde procesul de electroliză se efectuează la o temperatură de 60-80 °C. Hidrogenul gazos sărăcit în deuteriu și oxigenul format ca urmare a electrolizei cu vapori de apă sunt introduse în uscătorul de oxigen 4, unde uscarea are loc datorită sorbției vaporilor de apă de către o umplutură schimbătoare de ioni (schimbător de cationi) și trecerii prin ioni. membrane de schimb 6. Apoi, hidrogenul electrolitic uscat este alimentat în reactorul catalitic de schimb de izotopi 5, unde suferă un schimb izotopic D2/H2O cu vapori de apă și hidrogen pe un catalizator format din cărbune activ cu adaos de 4-10% fluoroplast și 2-4°% paladiu sau platină. După schimbul izotopic D2/H2O, hidrogenul este uscat din vaporii de apă (D2O), care sunt absorbiți și îndepărtați prin reactorul 8 schimbătoare de ioni plasate pe pereții săi laterali exteriori. Gazele uscate intră în convertorul gazelor de electroliză și în arzătorul catalitic 9. Flacăra pistoletului este trimisă la condensatorul 10, care este răcit în conductă. apă de la robinet, unde vaporii de apă se condensează și intră în aparatul de aer condiționat 11 pentru post-tratare pe un filtru de sorbție. Apoi apa intră în colectorul de apă sărăcită în deuteriu 12. Răcirea dispozitivului și funcționarea membranelor schimbătoare de ioni pentru uscarea gazelor de electroliză din vaporii de apă se realizează cu ajutorul ventilatorului 7. Purificarea finală a apei și mineralizarea ei ulterioară este efectuată cu minerale carbonatice care conțin calciu-magneziu și dolomit. Productivitatea instalației pentru apă „ușoară” este de 50 ml apă pe oră.

În timpul înghețului-dezghețului în vid, se obține apă potabilă micromineralizată cu un conținut redus de deuteriu cu 10-35% și cu o structură ordonată asemănătoare gheții caracteristică apei de topire.

În timpul procesului de electroliză, apa cu un conținut de deuteriu redus cu 60% sau mai mult păstrează proprietățile negative ale apei distilate (lipsa mineralizării, conținutul crescut de gaze dizolvate, structura moleculară dezordonată a apei). Este materialul sursă pentru obținerea apei potabile pentru astronauți. Avantajul procesului de electroliză este îndepărtarea maximă posibilă a deuteriului (până la 90 °%).

Proiectat în anul trecut metodele combinate de schimb și rectificare izotopică fac posibilă obținerea apei „ușoare” de puritate izotopică ridicată. Prima instalație de distilare din lume pentru purificarea izotopică a apei a fost proiectată în 1975 de compania elvețiană Sulzer și pusă în funcțiune la reactorul HFR ILL. În 1987, o unitate similară, dar mult mai puternică, a fost construită în Canada pentru centralele nucleare canadiene.

La sfârșitul anilor 1990 la Institutul din Sankt Petersburg fizica nucleara numit după B.P. Konstantinov a fost creată prima coloană de distilare domestică pentru separarea izotopică a apei. Înălțimea coloanei - 10 m, diametru - 80 mm. Această configurație se bazează pe metoda combinata schimbul izotopic în sistemul „apă-vapori de hidrogen” și distilarea la temperatură joasă a izotopilor de hidrogen.

În timpul reacției de schimb catalitic de izotopi (COI) între vaporii de apă și deuteriu la o temperatură de 200 °C, proțiul și tritiul sunt extrase din apa „grea” și transferul lor ulterior în faza gazoasă:

DOT+D2=DT+D2O,

HDO + D2 = DH + D2O.

Gradul de extracție a tritiului din apa „grea” este determinat de constanta de echilibru și, cu purificarea în trei etape, nu este mai mare de 30 °%. Apa „grea” purificată din protiu și tritiu este returnată în reactor. Un amestec de izotopi de hidrogen D2, DT, HD după purificarea de impurități și răcirea la o temperatură de 25 K este introdus într-o coloană cu temperatură joasă. Datorită proceselor de transfer de masă între fazele gazoase și lichide ale izotopilor de hidrogen, tritiul este concentrat în partea inferioară, iar proțiul, în partea superioară a coloanei. Fluxul de deuteriu sărăcit în protiu și tritiu sub formă de D2O este returnat la unitatea KIO. Concentratul de protiu este luat din partea superioară a coloanei de temperatură scăzută sub formă de apă „ușoară”, iar concentratul de tritiu este luat din partea inferioară sub formă de apă cu tritiu.

Rectificarea apei se referă la procese de transfer de masă și se realizează în aparate de coloană în contracurent cu elemente de contact - duze sau plăci. În acest proces, există un schimb continuu între moleculele fazelor de apă lichidă și vapori care se deplasează una față de alta. În acest caz, faza lichidă este îmbogățită cu o componentă cu punct de fierbere mai mare, iar faza de vapori este îmbogățită cu deuteriu cu punct de fierbere mai scăzut și alți izotopi grei - tritiu (T) și oxigen (18O).

În cele mai multe cazuri, rectificarea se realizează în aparate cu coloană în contracurent cu diferite elemente de contact.

În cele mai multe cazuri, rectificarea se realizează în aparate cu coloană în contracurent cu diferite elemente de contact (Fig. 4). Procesul de transfer de masă are loc pe toată înălțimea coloanei, între flegma care curge în jos și aburul care se ridică. Pentru a intensifica procesul de transfer de masă, se folosesc duze și plăci, ceea ce face posibilă creșterea suprafeței de transfer de masă. În cazul utilizării unui ambalaj, lichidul curge în jos în peliculă subțire pe suprafața acestuia; în cazul utilizării tăvilor, vaporii trec prin stratul de lichid de pe suprafața tăvilor.

Coloana de distilare se calculează conform diagramei de fierbere a apei pentru parametrii de rectificare dați - compoziția apei sursei, reziduul de distilare, distilat, productivitatea și presiunea de funcționare în coloană. Apoi se selectează tipul și numărul de plăci, viteza aburului, diametrul coloanei, coeficienții de transfer de masă, înălțimea coloanei, rezistenta hidraulica farfurii. După aceea, se efectuează calculul proprietăților operaționale, precum și indicatori economici folosind o coloană de distilare. În practică, pentru o purificare mai profundă a apei din izotopii grei, nu se utilizează o coloană de distilare, ci o baterie de zece sau mai multe coloane separate (până la 20).

Această metodă de separare izotopică a apei are o serie de avantaje semnificative în comparație cu modalități existente si permite purificarea apei naturale din deuteriu la valori de ordinul 20-30 ppm. În plus, productivitatea epurării apei izotopice prin această metodă este mai mare decât alte metode, ceea ce reduce semnificativ costul acesteia. Se presupune că odată cu producția pe scară largă de apă „ușoară” în viitor, aceasta va deveni disponibilă pentru toată lumea.

Recent, pe piața internă a apărut apa potabilă „ușoară” „Langvey”, care este produsă prin metoda de rectificare a coloanei cu diferite conținuturi reziduale de deuteriu (de la 125 la 50 ppm) (Tabelul 3).

Pe baza studiilor clinice efectuate în limba rusă centru științific medicină restaurativă și balneologie și la Institutul de Frumusețe, apa de băut „ușoară” „Langvey” este recomandată pentru normalizarea metabolismului carbohidraților și lipidelor, tensiunii arteriale, corectarea greutății, îmbunătățirea muncii tract gastrointestinal, crescând rata schimbului de apă și eliminând toxinele din organism.

Efectul principal al apei „ușoare” asupra organismului se explică prin scăderea treptată a conținutului de deuteriu din fluidele fiziologice ale corpului datorită reacțiilor de schimb izotop H-D. O analiză a rezultatelor obținute poate indica faptul că purificarea apei corporale din apa „grea” cu ajutorul apei de băut „ușoare” îmbunătățește funcționarea unor sisteme vitale ale corpului. Cu consumul regulat de apă „ușoară”, are loc o purificare mai completă a întregului organism de la apa „grea” datorită reacțiilor de schimb izotopic H-D în fluidele fiziologice și a modificării compoziției izotopice a urinei și a conținutului de calciu. în el sunt înregistrate. Utilizarea zilnică a apei de băut „ușoare” vă permite să reduceți în mod natural conținutul de apă „grea” din corpul uman datorită reacțiilor schimbului de izotopi H-D. Acest proces este însoțit de o creștere a activității funcționale a celulelor, organelor și a unor sisteme ale corpului. În același timp, procesele metabolice sunt normalizate, forţelor defensiveși rezistența organismului la influențele negative externe.

Consumul regulat de apă potabilă „ușoară” vă permite să reduceți în mod natural conținutul de apă „grea” din corpul uman la o valoare de 111 ppm. Acest lucru are un efect benefic asupra metabolismului, îmbunătățește starea de bine, crește eficiența și, de asemenea, contribuie la recuperare rapida corpul după exerciții fizice intense.

Proprietățile pozitive ale apei potabile „ușoare” sunt confirmate de cercetări și studii clinice. Se arată că apa „uşoară” normalizează metabolismul şi tensiune arteriala, reduce glicemia la pacienții cu diabet zaharat de tip II, curăță organismul de toxine și toxine, promovează vindecarea rapidă și refacerea țesuturilor osoase și musculare după leziuni, are efect antiinflamator, sporește efectul medicamente, promovează corectarea greutății, protejează celulele de radiații, elimină semnele de sevraj post-alcool. Apa „ușoară” este recomandată și pentru curățarea rapidă și profundă a organismului, care este necesară în caz de tulburări metabolice, înainte de operație și în perioada postoperatorie, precum și în tratamentul bolilor tumorale.

Apa „ușoară” normalizează metabolismul și tensiunea arterială, reduce conținutul de zahăr, curăță organismul de toxine și toxine, promovează vindecarea rapidă și refacerea țesuturilor osoase și musculare după leziuni, are un efect antiinflamator

Testele clinice ale apei „ușoare” cu un conținut rezidual de deuteriu de 60-100 ppm, efectuate de Centrul de Cercetare Rusă pentru Medicină Restaurativă și Balneologie al Ministerului Sănătății al Federației Ruse, au arătat că poate fi recomandată ca ajutor în tratament complex pacienți cu sindrom metabolic (hipertensiune arterială, obezitate, metabolism alterat al carbohidraților, dislipidemie) și diabet zaharat.

În plus, s-a constatat că apa „uşoară” îmbunătăţeşte calitatea vieţii în nefrolitiază şi diverse afecţiuni ale tractului gastrointestinal (colită şi gastrită). Ținând cont de dinamica distribuției apei în organism, de reacțiile de schimb de izotopi (H / D și 16O / 18O) și de rezultatele obținute pe apa „ușoară”, se poate aștepta ca purificarea apei izotopice să aibă cel mai mare efect asupra sistemele de reglare ale organismului și metabolismul.

Eficacitatea efectului apei „ușoare” depinde de mulți parametri - greutatea corporală, cantitatea de apă din organism, cantitatea de apă „ușoară” consumată zilnic și gradul de puritate izotopică a acesteia. În tabel. Figura 4 prezintă rezultatele calculelor modificărilor conținutului de deuteriu din organism cu un consum regulat de apă „ușoară” cu conținut diferit de deuteriu rezidual.

Calculul a fost efectuat pe baza următoarelor date: consum zilnic apă „ușoară” - 1,0 sau 1,5 l; schimb zilnic de apă - 2,5 l; conținutul de deuteriu din organism corespunde conținutului său în apă naturală - aproximativ 150 ppm; volumul de apă din organism este de 45 de litri (greutatea corporală este de aproximativ 75 kg).

Proprietățile pozitive studiate ale apei „ușoare” ne permit să vorbim despre perspective suplimentare pentru utilizarea apei „ușoare” în medicină, viața de zi cu zi și Industria alimentară. În viitor, sunt planificate experimente în care astronauții vor consuma „apă ușoară”, deoarece proprietățile antiradiații ale apei „ușoare” sunt deosebit de importante pentru zborurile spațiale.

Concluzie

Apa ușoară este o varietate izotopică de apă naturală, complexă în structura și compoziția sa, care are un efect polifiziologic asupra organismului uman - antitumoral, radioprotector și de vindecare generală. Efectul principal exercitat de apa „uşoară” asupra organismului este o scădere treptată a conţinutului de deuteriu datorită reacţiilor de schimb izotopic H-D în fluidele fiziologice. Analiza rezultatelor obținute ne permite să spunem că curățarea corpului de apă „grea” cu ajutorul apei „ușoare” poate îmbunătăți semnificativ funcționarea celor mai importante sisteme vitale ale organismului.

Ținând cont de rolul apei în organism, de efectele izotopice calculate ale apei „grele” și de rezultatele obținute asupra apei „ușoare”, se poate aștepta ca cel mai mare efect să afecteze sistemele de reglare, metabolismul și aparatul energetic al unui celula vie, adică tocmai acele sisteme celulare care utilizează o mobilitate ridicată a protonilor (D) și o rată mare de clivaj a legăturilor de hidrogen H+ și D-. În plus, apa „ușoară” are o vâscozitate mai mică decât apa „grea”, ceea ce îi permite să pătrundă mai ușor în membranele celulare și astfel să regleze rata schimbului de apă în organism. Solubilitatea sărurilor anorganice în apă ușoară este oarecum mai mare decât în apa grea, ceea ce îi permite să elimine mai eficient produsele metabolice și impuritățile de sare dăunătoare din organism. Viteza reacțiilor enzimatice (catalitice) în apa ușoară este ceva mai mare decât în apa obișnuită. Acest lucru vă permite să intensificați procesele metabolice, ceea ce ajută organismul să se recupereze mai repede după sarcini grele. Astfel, apa „ușoară” vă permite să creșteți în mod natural, fără utilizarea niciunui produs farmaceutic, procesele metabolice ale organismului.

YouTube enciclopedic

1 / 5

Oxigenul are trei izotopi stabili: 16 O, 17 O și 18 O (Tabelul 1).

Combinațiile de 5 izotopi stabili ai hidrogenului și oxigenului dau un set de 9 molecule izotopologi de apă (Tabelul 2).

Molecula 1 H 2 16 O este cea mai ușoară dintre toți izotopologii apei. Este apa 1 H 2 16 O care ar trebui considerată apă clasică sau ușoară.

Tabelul 3. Cantități de greutate calculate de izotopologi în apă naturală conform standardelor internaționale SMOW (greutate moleculară medie = 18,01528873) și SLAP (greutate moleculară medie = 18,01491202), .

Izotopologul apei	Masa moleculara	Conținut, g/kg
		SMOW	PALMĂ
1H216O	18,01056470	997,032536356	997,317982662
1 HD 16 O	19,01684144	0,328000097	0,187668379
D216O	20,02311819	0,000026900	0,000008804
1H217O	19,01478127	0,411509070	0,388988825
1 HD 17 O	20,02105801	0,000134998	0,000072993
D217O	21,02733476	0,000000011	0,000000003
1H218O	20,01481037	2,227063738	2,104884332
1 HD 18O	21,02108711	0,000728769	0,000393984
D218O	22,02736386	0,000000059	0,000000018

În apă ușoară, proporția celui mai ușor izotopolog este (% mol.):

99.76 < 1 H 2 16 O ≤ 100.

Dacă scoatem toate moleculele grele cu un conținut de masă de 2,97 g/kg din apa care îndeplinește standardul SMOW și le înlocuim cu 1 H 2 16 O, atunci masa unui litru de apă ușoară și izotopic pură va scădea cu 250 mg. . Astfel, parametrii apei ușoare, în primul rând, „luminozitatea” și compoziția izotopică a acesteia pot fi măsurați folosind metode precum spectrometria de masă, gravimetria, spectroscopie de absorbție cu laser, RMN.

Standarde internaționale pentru ape naturale de diferite compoziții izotopice

Standard VSMOW(Vienna Standard Mean Ocean Water) determină compoziția izotopică a apei de adâncime a oceanelor.
Standard PALMĂ(Standard Light Antarctic Precipitation) determină compoziția izotopică a apei naturale din Antarctica.

Conform standardului internațional VSMOW, conținutul absolut de deuteriu și oxigen-18 în apa oceanului este: D VSMOW / 1 H VSMOW=(155,76±0,05)⋅10 −6 , sau 155,76 ppm 18 O VSMOW/ 16 O VSMOW = ( 2005,20±0,45)⋅10 −6 sau 2005 ppm. Pentru standardul SLAP, concentrațiile în apă sunt: deuteriu D/H=89⋅10 −6 sau 89 ppm, oxigen-18 18 O/ 16 O=1894⋅10 −6 sau 1894 ppm.

Standardul SLAP caracterizează cea mai ușoară apă naturală de pe Pământ. Apa din diferite părți ale lumii nu este aceeași în ușurință.

Proprietățile și efectele apei ușoare

Izotopologii diferă unul de celălalt prin proprietăți fizice, chimice și biologice (Tabelul 4).

Presiunea de vapori de echilibru a izotopologilor apei diferă și destul de semnificativ. Cu cât masa unei molecule de apă este mai mică, cu atât presiunea vaporilor este mai mare, ceea ce înseamnă că vaporii aflați în echilibru cu apa sunt întotdeauna îmbogățiți în izotopi ușori de oxigen și hidrogen. În ceea ce privește masa mică de elemente, diferența de mase de izotopi este mare, prin urmare aceștia sunt capabili să fracționeze puternic în procesele naturale: D/H → 100%, 18 O/ 16 O → 12,5%. Izotopii hidrogenului și oxigenului sunt fracționați cel mai eficient în procesele de evaporare-condensare și cristalizare a apei.

Rezultatele studiilor experimentale indică diferența dintre proprietățile fizico-chimice ale apei ușoare și ale apei deionizate cu compoziție izotopică naturală.

Izotopologii grei din apa naturală sunt impurități în raport cu 1 H 2 16 O, care, conform unor studii, pot fi considerate drept defecte structurale.

Reacția biosistemelor atunci când sunt expuse la apă poate varia în funcție de modificările cantitative și calitative ale compoziției sale izotopice. În cursul evoluției organismelor vii, a existat o selecție de procese biochimice cu acordarea lor la un singur izotop, de obicei lumina. În corpul uman, „are loc fracționarea izotopilor, însoțită de îndepărtarea izotopilor stabili grei de hidrogen și oxigen din apă”. Utilizarea apei cu o concentrație crescută de izotopi grei, în special deuteriu, provoacă efecte toxice pronunțate la nivelul organismului. În același timp, activitatea biologică pozitivă a apelor cu un conținut mai scăzut (față de cel natural) de izotopologi grei, în special deuteriu și oxigen 18, a fost înregistrată în diferite locații. Studiile sistematice efectuate la Centrul de Cercetare de Stat al Federației Ruse „Institutul de Probleme Biomedicale” al Academiei Ruse de Științe privind crearea unui habitat pentru astronauți cu o compoziție izotopică optimă a elementelor chimice biogene au arătat că apa cu un conținut redus de izotop greu. moleculele în comparație cu conținutul natural al moleculelor izotopice grele este o componentă necesară a sistemului de susținere a vieții astronauților în timpul zborurilor de lungă durată

Proprietăți biologice

Ca mediu universal în care au loc toate reacțiile biologice, apa ușoară crește viteza acestor reacții în comparație cu apa cu compoziție izotopică naturală. Acest efect este cunoscut sub numele de efectul izotop cinetic al solventului.

Apa ușoară prezintă activitate antitumorală, care este demonstrată în lucrările oamenilor de știință efectuate în centre de cercetare din diferite țări. Potrivit lui G. Shomlai, rezultatele studiilor clinice efectuate în 1994-2001. în Ungaria, a arătat că rata de supraviețuire a pacienților care au consumat apă ușoară în combinație cu metodele tradiționale de tratament sau după acestea este mai mare decât la pacienții care au folosit doar chimioterapie sau radioterapie.

Proprietățile toxicoprotectoare ale apei ușoare sunt confirmate de studii experimentale, din care rezultă că apa ușoară, purificată de izotopologii grei, elimină eficient toxinele și produsele metabolice din organism datorită proprietăților sale de transport.

De asemenea, a fost observat efectul apei ușoare asupra pacienților cu diabet de tip II. Rezultatele unui studiu preclinic deschis de 90 de zile au arătat că voluntarii tratați cu apă ușoară au redus nivelurile crescute ale glucozei a jeun și au scăzut rezistența la insulină.

Vezi si

Note

Kulsky L. A., Dal V. V., Lenchina L. Apa este familiară și misterioasă.- Kiev: „Școala Radyansk”, 1982.- 120 p.
Petryanov-Sokolov IV Cea mai neobișnuită substanță din lume.// Chimie și viață. 2007. Nr 1. p.26.
Rothman şi colab., J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 1998, 60, 665. Rothman şi colab., J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 2003, 82, p.9.
Brevet RU 2295493. „Metodă și instalare pentru producție apă ușoară”. Solovyov S. P.
Lis G., Wassenaar L. I., Hendry M. J. Spectroscopie cu laser de înaltă precizie D/H și măsurători 18 O/ 16 O ale probelor de apă naturală în microlitri.// Anal. Chim. 2008. V. 80 (1). P. 287-293
Ferronsky V. I., Polyakov V. A. Izotopia hidrosferei. M.: Nauka, 1983
Craig, H. Standard pentru raportarea concentrațiilor de deuteriu și oxigen-18 în apele naturale. // Știință. 1961. V. 133. PP. 1833−1834.
Hagemann R., Niff G., Roth E. Scala izotopică absolută pentru analiza deuteriului a apelor naturale. Raportul D/H absolut pentru SMOW. // Spune-ne. 1970.V.22. N6. PP.712-715.
De Wit J.C., van der Straaten C.M.; Mook W.G. Determinarea raportului izotopic de hidrogen absolut al VSMOW și SLAP. // Buletin informativ Geostandards. 1980. V. 4. N. 1. PP. 33-36.
V.V. Goncharuk, V.B. Lapshin, T.N. Burdeinaya, T.V. Pleteneva, A.S. Chernopyatko și colab. Proprietăți fizico-chimice și activitate biologică a apei epuizate de izotopi grei // 2011, publicat în Khimiya i Tekhnologiya Vody, 2011, voi. 33, nr. 1, pp. 15-25. Jurnalul de chimie și tehnologie a apei, 2011, voi. 33, nr. 1, pp. 8-13.

n. Combinațiile de atomi de izotopi diferiți dau un set de molecule izotopologi.

Izotopologii sunt molecule care diferă doar prin compoziția izotopică a atomilor din care sunt alcătuiți. Un izotopolog este compus din cel puțin un atom al unui anumit element chimic, care diferă ca număr de neutroni de restul.

Molecula de apă este formată din doi atomi de hidrogen și un atom de oxigen.

Hidrogenul are doi izotopi stabili - protiu (H) - 1 H și deuteriu (D) - 2 H.

Oxigenul are trei izotopi stabili: 16 O, 17 O și 18 O (Tabelul 1).

Tabelul 1. Izotopii apei

Combinațiile de 5 izotopi stabili ai hidrogenului și oxigenului dau un set de 9 molecule izotopologi de apă (Tabelul 2).

Tabelul 2. Izotopologii apei

Molecula 1 H 2 16 O este cea mai ușoară dintre toți izotopologii apei. Este apa 1 H 2 16 O care ar trebui considerată apă clasică sau ușoară.

Apa ușoară ca compoziție monoizotopică 1 H 2 16 O este cazul limitativ al purității izotopice. În condiții naturale, o astfel de apă ușoară pură nu există. Pentru a obține un izotopolog 1 H 2 16 O, se realizează sau sintetizează purificarea fină în mai multe etape a apelor naturale din elementele inițiale 1 H 2 și 16 O 2 . Apa naturală este un amestec multicomponent de izotopologi. Conținutul celui mai ușor izotopolog din acesta depășește semnificativ concentrația tuturor celorlalte combinate. În apele naturale, 1.000.000 de molecule conțin, în medie, 997.284 molecule de 1 H 2 16 O, 311 molecule de 1 HD 16 O, 390 molecule de 1 H 2 17 O și aproximativ 2005 molecule de 1 H 2 Concentrația de 1 O 2 . a moleculelor de apă care conţin izotopi grei D , 17 O, 18 O, în apa naturală fluctuează în limitele fixate în principalele standarde ale compoziţiei izotopice a hidrosferei SMOW şi SLAP (Tabelul 3). Cantitățile de greutate ale izotopologilor din apa naturală au fost calculate pe baza datelor de determinare directă a conținutului acestora prin spectroscopie moleculară.

Izotopologul apei	Masa moleculara	Conținut, g/kg
		SMOW	PALMĂ
1H216O	18,01056470	997,032536356	997,317982662
1 HD 16 O	19,01684144	0,328000097	0,187668379
D216O	20,02311819	0,000026900	0,000008804
1H217O	19,01478127	0,411509070	0,388988825
1 HD 17 O	20,02105801	0,000134998	0,000072993
D217O	21,02733476	0,000000011	0,000000003
1H218O	20,01481037	2,227063738	2,104884332
1 HD 18O	21,02108711	0,000728769	0,000393984
D218O	22,02736386	0,000000059	0,000000018

În apă ușoară, proporția celui mai ușor izotopolog este (% mol.): 99,76< 1 H 2 16 O ≤ 100.

Standarde internaționale pentru ape naturale de diferite compoziții izotopice

Standard VSMOW(Vienna Standard Mean Ocean Water) determină compoziția izotopică a apei de adâncime a oceanelor.
Standard PALMĂ(Standard Light Antarctic Precipitation) determină compoziția izotopică a apei naturale din Antarctica.

Conform standardului internațional VSMOW, conținutul absolut de deuteriu și oxigen-18 în apa oceanului este: D VSMOW / 1 H VSMOW=(155,76±0,05) 10 −6 , sau 155,76 ppm 18 O VSMOW/ 16 O VSMOW = (2005,20) ±0,45) 10 -6 sau 2005 ppm. Pentru standardul SLAP, concentrațiile în apă sunt: deuteriu D/H=89 10 −6 sau 89 ppm, oxigen-18 18 O/ 16 O=1894 10 −6 sau 1894 ppm.

Standardul SLAP caracterizează cea mai ușoară apă naturală de pe Pământ. Apa din diferite părți ale lumii nu este aceeași în ușurință.

Proprietățile și efectele apei ușoare

Izotopologii diferă unul de celălalt prin proprietăți fizice, chimice și biologice (Tabelul 4).

Tabelul 4. Modificări ale proprietăților fizice ale apei în timpul substituției izotopice

Presiunea de vapori de echilibru a izotopologilor apei diferă și destul de semnificativ. Cu cât masa unei molecule de apă este mai mică, cu atât presiunea vaporilor este mai mare, ceea ce înseamnă că vaporii aflați în echilibru cu apa sunt întotdeauna îmbogățiți în izotopi ușori de oxigen și hidrogen. În ceea ce privește masa mică de elemente, diferența de mase de izotopi este mare, prin urmare aceștia sunt capabili să fracționeze puternic în procesele naturale: D/H → 100%, 18 O/ 16 O → 12,5%. Izotopii hidrogenului și oxigenului sunt fracționați cel mai eficient în procesele de evaporare-condensare și cristalizare a apei.

Rezultatele studiilor experimentale indică diferența dintre proprietățile fizico-chimice ale apei ușoare și ale apei deionizate cu compoziție izotopică naturală.

Izotopologii grei din apa naturală sunt impurități în raport cu 1 H 2 16 O, care, conform unor studii, pot fi considerate drept defecte structurale.

Reacția biosistemelor atunci când sunt expuse la apă poate varia în funcție de modificările cantitative și calitative ale compoziției sale izotopice. În cursul evoluției organismelor vii, a existat o selecție de procese biochimice cu acordarea lor la un singur izotop, de obicei lumina. În corpul uman, „are loc fracționarea izotopilor, însoțită de îndepărtarea izotopilor stabili grei de hidrogen și oxigen din apă”. Utilizarea apei cu o concentrație crescută de izotopi grei, în special deuteriu, provoacă efecte toxice pronunțate la nivelul organismului. În același timp, activitatea biologică pozitivă a apelor cu un conținut mai scăzut (față de cel natural) de izotopologi grei, în special deuteriu și oxigen 18, a fost înregistrată în diferite locații. Studiile sistematice efectuate la Centrul de Cercetare de Stat al Federației Ruse „Institutul de Probleme Biomedicale” al Academiei Ruse de Științe privind crearea unui habitat pentru astronauți cu o compoziție izotopică optimă a elementelor chimice biogene au arătat că apa cu un conținut redus de izotop greu. moleculele în comparație cu conținutul natural al moleculelor izotopice grele este o componentă necesară a sistemului de susținere a vieții astronauților în timpul zborurilor de lungă durată

Proprietăți biologice

Vezi si

Note

Kulsky L. A., Dal V. V., Lenchina L. Apa este familiară și misterioasă.- Kiev: „Școala Radyansk”, 1982.- 120 p.
Petryanov-Sokolov IV Cea mai neobișnuită substanță din lume.// Chimie și viață. 2007. Nr 1. p.26.
Rothman şi colab., J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 1998, 60, 665. Rothman şi colab., J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 2003, 82, p.9.
Brevet RU 2295493. „Metodă și instalație pentru producerea apei ușoare”. Solovyov S.P.
Lis G., Wassenaar L. I., Hendry M. J. Spectroscopie cu laser de înaltă precizie D/H și măsurători 18 O/ 16 O ale probelor de apă naturală în microlitri.// Anal. Chim. 2008. V. 80 (1). P. 287-293
Ferronsky V. I., Polyakov V. A. Izotopia hidrosferei. M.: Nauka, 1983
Craig, H. Standard pentru raportarea concentrațiilor de deuteriu și oxigen-18 în apele naturale. // Știință. 1961. V. 133. PP. 1833−1834.
Hagemann R., Niff G., Roth E. Scala izotopică absolută pentru analiza deuteriului a apelor naturale. Raportul D/H absolut pentru SMOW. // Spune-ne. 1970.V.22. N6. PP.712-715.
De Wit J.C., van der Straaten C.M.; Mook W.G. Determinarea raportului izotopic de hidrogen absolut al VSMOW și SLAP. // Buletin informativ Geostandards. 1980. V. 4. N. 1. PP. 33-36.
V.V. Goncharuk, V.B. Lapshin, T.N. Burdeinaya, T.V. Pleteneva, A.S. Chernopyatko și colab. Proprietăți fizico-chimice și activitate biologică a apei epuizate de izotopi grei // 2011, publicat în Khimiya i Tekhnologiya Vody, 2011, voi. 33, nr. 1, pp. 15–25. Jurnalul de chimie și tehnologie a apei, 2011, voi. 33, nr. 1, pp. 8–13.
Smirnov A. N., Lapshin V. B., Balyshev A. V., Lebedev I. M., Goncharuk V. V., Syroeshkin A. V. Structura apei: grupuri de apă heterofazice gigantice. // Chimia și tehnologia apei. - 2005.- Nr 2. - C. 11-37; Smirnov A. N., Syroeshkin A. V. Supranadmolecular complexe de apă. // Ros. chimic. și. - 2004.- T.48 - Nr 2. - C. 125-135
Sinyak Yu. E., Grigoriev AI Compoziția optimă izotopică a elementelor chimice biogene la bordul vehiculelor spațiale cu echipaj. // Medicina aerospațială și ecologică. 1996. V. 30, nr. 4, S. 26.
Sinyak Yu. E., Skuratov V. M., Gaidadymov V. B., Ivanova S. M., Pokrovsky B. G. Grigoriev A. I. Investigarea fracționării izotopilor stabili de hidrogen și oxigen pe Stația Spațială Internațională. // Medicina aerospațială și ecologică. 2005. V. 39, Nr. 6, S. 43.
Denko EI Acțiunea apei grele (D2O) asupra celulelor animale, vegetale și microorganismelor. // Succes. modern Biol.. 1970. V. 70, nr. 4, S. 41.
Lobyshev V. I. Mecanisme ale efectelor izotopice termodinamice și cinetice ale D2O în sisteme biologice Abstract doc. disertații. Moscova, - 1987 (facultatea de biologie a Universității de Stat din Moscova)
GLEASON J.D., FRIEDMAN I. Ovăzul poate crește mai bine în apă sărăcită în oxigen 18 și deuteriu. NATURA 256, 305 (24 iulie 1975)
Bild W, Năstasă V, Haulică I. Cercetări in vivo și in vitro asupra efectelor biologice ale apei sărăcite în deuteriu: 1. Influența apei sărăcite în deuteriu asupra creșterii celulelor cultivate. // Rom J. Physiol. 2004. V.41. N 1-2. P:53-67.
Sinyak Y., Grigoriev A., Gaydadimov V., Gurieva T., Levinskih M., Pokrovskii B. Apă fără deuteriu (1H2O) în sisteme complexe de susținere a vieții din misiunile spațiale pe termen lung. // Acta Astronautica. 2003. V. 52, p. 575.
Reichardt C. „Solvenții și efectele asupra mediului în Chimie organica". -M.: „Mir”, 1991. - 763 p.
T.N. Burdeinaya, V.A. Poplinskaya, A.S. Cernopyatko, E.N. Grigorian. Influența apei ușoare asupra dinamicii eliminării coloranților din sistemul olfactiv al larvelor de Xenopus laevis // Apa: chimie și ecologie 2011.-№9 - P. 86-91
Pomytkin I.A., Kolesova O.E. //Buletinul de biologie și medicină experimentală. 2006. V.142. N 5.
Gyöngyi Z, Somlyai G. Depleția de deuteriu poate scădea expresia C-myc Haras și a genei p53 la șoarecii tratați cu cancerigen. // In vivo. 2000. V.14. N.3. p. 437.

Hidrogenul de apă are trei izotopi: protiu 1H (proton + electron), deuteriu 2H sau D (proton + neutron + electron), tritiu 3H sau T (proton + doi neutroni + electron), cu numere de masă 1, 2 și, respectiv, 3. Protiul și deuteriul sunt izotopi stabili. Tritiu - beta este radioactiv, timpul de înjumătățire este de 12,26 ani. Atomii de H sunt grade diferite excitare.

Pe lângă hidrogen, în oxigen s-au găsit și izotopi, există cinci dintre ei, cu excepția binecunoscutului izotop stabil O16 (cu o greutate moleculară de 16). Trei dintre ele s-au dovedit a fi radioactive - O14, O15 și O19, iar O17 și O18 - stabile. O16, O17 și O18 sunt conținute în toate apele naturale, iar raportul lor (cu fluctuații de până la 1%) este următorul: 4 părți de O17 și 20 de părți de O18 cad pe 10.000 de părți de O16.

De proprietăți fizice apa cu oxigen greu diferă mai puțin de apa obișnuită decât apa cu hidrogen greu. Obțineți-o din apă naturală distilație fracționalăși folosit ca sursă de medicamente cu oxigen etichetat.

Luând în considerare toată diversitatea compoziției izotopice a hidrogenului și oxigenului, se poate vorbi de o mare varietate de soiuri izotopice de apă. Nouă dintre ele includ doar izotopi stabili și constituie conținutul principal de apă naturală. Este dominată de apa obișnuită H12O16 (99,73%), urmată de ape grele cu oxigen H12O17 (0,04%) și H12O18 (0,2%), precum și varietatea izotopică a apei grele H1D1O16 (0,03%).

Oxigenul la o persoană este de 60%, dar după numărul de atomi, toate ființele vii sunt formate din 2/3 din atomi de hidrogen și ¼ din atomi de oxigen. Raportul izotopilor: P:D = 1:4700 în apele interioare, P:D = 1:6800 atomi în apa de mare. Adică concentrația în apele continentale D = 0,0135 at.% sau 0,015 wt%, în apa de mare D = 0,015 at.% sau 0,017 wt%. În apa naturală, conținutul de tritiu este neglijabil - doar 10-18 procente atomice. Cu toate acestea, se găsește și în apa de băut.

În funcție de tipurile și conținutul de izotopi de hidrogen (H, D, T) și oxigen (O14, O15, O16, O17, O18, O19), de gradul de puritate și poluare, cercetătorii disting peste o mie de soiuri de apă potabilă.

Moleculele de apă diferă unele de altele prin compoziția lor izotopică. În prezent, sunt cunoscuți 5 izotopi diferiți ai hidrogenului. Dintre acestea, doar două sunt stabile: cel mai ușor proțiu - cu o masă atomică de 1, este notat cu simbolul 1H - este format din 1 proton și 1 electron, și hidrogen greu, sau deuteriu cu masa atomică de 2, este notat cu simbolul 2D - este format din 1 proton, 1 neutron și 1 electron. Al treilea hidrogen supergreu (cu o masă atomică de 3) este format din 1 proton, 2 neutroni și 1 electron. Tritiul este radioactiv, cu un timp de înjumătățire de aproximativ 12,3 ani. Durata de viață a altor izotopi nu depășește câteva secunde.

Oxigenul are șase izotopi: O14 O15, O16, O17, O18 și O19. Trei dintre ele: O16, O17 și O18 sunt stabile, iar O14, O15 și O19 sunt izotopi radioactivi. Izotopi stabili de oxigen se găsesc în toate apele naturale: raportul lor este următorul: pentru 10.000 de părți de O16 există 4 părți de O17 și 20 de părți de O18.

Efectele izotopice sau izotopice ale apei se bazează pe diferențele de proprietăți ale izotopilor de hidrogen și oxigen, datorită diferenței dintre masele lor atomice, momentele de inerție și rezistența legăturilor chimice corespunzătoare. Diferența relativă a maselor izotopilor este cu cât este mai mică, cu atât numărul atomic al elementului este mai mare. Pentru izotopii de hidrogen, este de 100% pentru deuteriu D (2H) și 200% pentru tritiu T (3H) în comparație cu protiul H (1H). Prin urmare, pentru hidrogen, efectele izotopice sunt cele mai pronunțate.

Există 42 de izotopologi (combinațiile de diferiți atomi de izotopi dau un set de molecule izotopologi) de apă (inclusiv izotopi stabili și instabili ai hidrogenului și oxigenului). Dintre acestea, treizeci și trei de molecule de apă sunt radioactive, iar nouă sunt molecule de apă stabile, stabile.

Probabilitatea de formare a moleculelor cu compoziție izotopică diferită nu este aceeași. Cea mai comună este molecula cu cea mai mică masă, constând din hidrogen - 1 (protiu) și oxigen - 16. Conținutul altor molecule mai grele din natură nu depășește 0,23%, conținutul modificărilor izotopice ale apei în natură este prezentat în Masa. 1.

În practica mondială, se obișnuiește să se exprime conținutul de deuteriu în ‰ sau ppm. Ppm este numărul de molecule de apă monodeuterate la 1 milion de molecule care conțin doar izotopul 1H ușor. Pe măsură ce apa se evaporă de la suprafața oceanului, conținutul de deuteriu se modifică cu 20 ppm.

În rezervoarele închise, există mai multă apă grea, deoarece, în comparație cu apa obișnuită, se evaporă mai puțin intens. Prin urmare, există mai multă apă grea în zonele cu un climat cald.

Suprafața oceanului este, de asemenea, îmbogățită în deuteriu la ecuator (155 ppm) și la tropice, unde contribuie precipitații frecvente, în timpul formării cărora apa se condensează din faza de vapori, iar apa grea se condensează mai repede decât apa ușoară, prin urmare, precipitațiile sunt îmbogățit cu apă grea.

Cel mai mic conținut de 2H în vapori de apă peste gheața din Antarctica? 90 ppm. Proporția de deuteriu din gheața Groenlandei este, de asemenea, mică (126 ppm). Conținutul de deuteriu din apele naturale de diferite origini este prezentat în tabel. 2.

Merită să acordați atenție faptului că conținutul de deuteriu în apele naturale Regiunea Irkutsk mai mic decât în partea europeană a Rusiei și în Europa. Deci, D / H în Baikal este de 137,0 ppm, iar în unele izvoare minerale- 132,0 ppm, în timp ce conținutul de D în surse similare din Europa este de cel puțin 145-150 ppm. Astfel de date pot fi folosite pentru a identifica sursa apelor minerale și de masă (Tabelul 2).