И кислород, и водород имеют природные и искусственные изотопы. В зависимости от типа изотопов водорода, входящих в молекулу, выделяют следующие виды воды:

Лёгкая вода (основная составляющая привычной людям воды) H2O.

Тяжёлая вода (дейтериевая) D2O.

Сверхтяжёлая вода (тритиевая) T2O.

Тритий-дейтериевая вода TDO

Тритий-протиевая вода THO

Дейтерий-протиевая вода DHO

Последние три вида возможны, так как молекула воды содержит два атома водорода. Протий — самый легкий изотоп водорода. Дейтерий имеет атомную массу 2,0141017778 а.е.м.. Тритий — самый тяжелый, атомная масса 3,0160492777 а.е.м..

Известно, что тяжёлая вода не поддерживает жизни, то есть большинство живых организмов (за исключением некоторых микроорганизмов и грибов) в такой воде умирает.

По стабильным изотопам кислорода 16O, 17O и 18O существуют три разновидности молекул воды. Таким образом, по изотопному составу существуют 18 различных молекул воды. В действительности любая вода содержит все разновидности молекул.

Атомы водорода и кислорода, образующие воду, или окись водорода, могут иметь различные массовые числа и отличаться друг от друга своими физико-химическими свойствами, но при этом они имеют одинаковый электрический заряд атомных ядер и поэтому занимают в периодической системе элементов одно и то же место. Такие разновидности атомов одного и того же химического элемента называются изотопами.

Известны пять водородов и пять кислородов. Правда, по два из них (4Н, 5Н, 14О и 15О) радиоактивны и очень короткоживущи. Например, длительность существования водорода-4 – 4 10-11 сек. Такие короткоживущие изотопы из нашего рассмотрения исключены.

Итак, наиболее широко известны следующие изотопы водорода: протий 1Н (с относительной атомной массой 1) дейтерий 2Н, или D (с относительной атомной массой 2) и тритий 3Н, или Т (с относительной атомной массой 3) наиболее тяжелый, но слаборадиоактивный водород (его период полураспада 12,3 года), и изотопы кислорода: 16О, 17О и 18О. Эти шесть изотопов могут образовывать 18 изотопических разновидностей воды: 1H216О; 1HD16О; D216О; 1HT16О; DT16О; T2О16; 1Н217О; 1НD17О; D217O; lНT17O; DТ17О; Т217О; 1Н218О; 1НD18О; D218O; 1HT18O; DT18O; Т218О.

Тритий и кислород-17 обнаружены в природных водах только в виде следов, а дейтерий и кислород-18 - в ощутимых количествах, которые мы приводим в таб. 2, где одновременно эти условные количества сопоставляем с содержанием в морской воде некоторых других элементов.

Объединив изотопные составные природной воды, можем сказать, следующее: в земных водах содержится «легкой» воды 99,75, тяжелой кислородной - 0,18 и тяжелой водородной - 0,017%. Разумеется, это приближенные осредненные данные. На Земле на 6800 атомов протия приходится один атом дейтерия, а в межзвездном пространстве один атом дейтерия приходится уже на 200 атомов протия.

Дейтерий образуется при расщеплении ядер гелия, когда они сталкиваются друг с другом и происходит захват нейтрона протоном.

Атмосферная вода в процессе круговорота обогащается дейтерием в результате диссипации протия в космическое пространство. Именно благодаря этому дождевая вода более богата тяжелым водородом.

Тритий может поступать в атмосферу в результате космических процессов, а также обогащать земную воду, правда в очень небольших количествах, сверхтяжелой водой.

В атмосфере наблюдается некоторый избыток тяжелого кислорода-18, поступающего в результате разложения растений, содержащих его в повышенных количествах.

Изотопические разновидности воды различаются прежде всего своими физико-химическими характеристиками. Дейтерий обладает высокой гигроскопичностью, с жадностью поглощая влагу из воздуха и из стенок сосуда. Растворимость некоторых солей в тяжелой воде заметно меньше, чем в обыкновенной; с повышением содержания дейтерия отмечается уменьшение скорости некоторых реакций.

Водород воды имеет три изотопа: протий 1Н (протон + электрон), дейтерий 2Н или Д (протон + нейтрон + электрон), тритий 3Н или Т (протон + два нейтрона + электрон), с массовыми числами соответственно 1, 2 и 3. Протий и дейтерий – стабильные изотопы. Тритий – бета радиоактивен, период полураспада равен 12,26 года. Атомы Н бывают разной степени возбуждения.

Кроме водорода, изотопы обнаружены и у кислорода, их пять, кроме известного всем стабильного изотопа О16 (с молекулярным весом 16). Три из них оказались радиоактивными – О14, О15 и О19, а О17 и О18 – стабильными. О16, О17 и О18 содержатся во всех природных водах, причем их соотношение (с колебаниями до 1%) таково: на 10000 частей О16 приходится 4 части О17 и 20 частей О18.

По физическим свойствам тяжелокислородная вода меньше отличается от обычной, чем тяжеловодородная. Получают ее из природной воды фракционной перегонкой и используют как источник препаратов с меченым кислородом.

Учитывая все разнообразие изотопного состава водорода и кислорода, можно говорить о большом разнообразии изотопных разновидностей воды. Девять из них включают только стабильные изотопы и составляют основное содержание природной воды. В ней преобладает обычная вода Н12О16 (99,73%), далее следует тяжелокислородные воды Н12О17 (0,04%) и Н12О18 (0,2%), а также изотопная разновидность тяжелой воды H1D1O16 (0,03%).

Кислорода в человеке 60%, но по количеству атомов все живые существа на 2/3 состоят из атомов водорода и на ¼ из атомов кислорода. Изотопное отношение: П:Д = 1:4700 в материковых водах, П:Д = 1:6800 атомов в морской воде. То есть концентрация в материковых водах Д = 0,0135 ат.% или 0,015 вес%, в морской воде Д = 0,015 ат.% или 0,017 вес%. В природной воде содержание трития ничтожно – всего 10-18 атомных процента. И тем не менее он есть и в питьевой воде.

Поскольку Вселенная в основном состоит из атомов водорода, космические ядра водорода протоны, пронизывая атмосферу, захватывают О2, образуют Н2О. В этой воде много трития и дейтерия. Каждые сутки на Землю падает 1,5 тонны тритиевой-дейтерированой воды. Поэтому основным источником природного трития, дейтерия и радиоактивных кислородов является атмосфера.

n . Комбинации различных атомов-изотопов дают набор молекул-изотопологов.

Изотопологи - молекулы, различающиеся только по изотопному составу атомов, из которых они состоят. Изотополог имеет в своём составе, по крайней мере, один атом определенного химического элемента, отличающийся по количеству нейтронов от остальных.

Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.

Впервые существование изотопов водорода подтверждено в публикации 1932 г. американским физико-химиком Г. Юри .

Водород имеет два стабильных изотопа - протий (Н) - 1 H и дейтерий (D) - 2 H.

У кислорода три устойчивых изотопа: 16 O, 17 O и 18 O (табл.1).

Комбинации 5 стабильных изотопов водорода и кислорода дают набор 9 молекул-изотопологов воды (табл.2).

Молекула 1 H 2 16 O является самой лёгкой из совокупности всех изотопологов воды. Именно воду 1 H 2 16 O следует считать классической или лёгкой водой.

Лёгкая вода как моноизотопная композиция 1 H 2 16 O является предельным случаем изотопной чистоты. В естественных условиях такой чистой лёгкой воды не существует. Для получения изотополога 1 H 2 16 O ведут тонкую многостадийную очистку природных вод или синтезируют из исходных элементов 1 H 2 и 16 O 2 .

Природная вода представляет собой многокомпонентную смесь изотопологов. Содержание самого лёгкого изотополога в ней значительно превосходит концентрацию всех остальных вместе взятых. В природных водах в 1000000 молекул в среднем содержится 997284 молекул 1 H 2 16 O, 311 молекул 1 HD 16 O, 390 молекул 1 H 2 17 O, и около 2005 молекул 1 H 2 18 O.

Концентрация молекул воды, содержащих тяжёлые изотопы D, 17 O, 18 O, в природной воде колеблется в пределах, зафиксированных в основных стандартах изотопного состава гидросферы SMOW и SLAP (табл.3). Весовые количества изотопологов в природной воде рассчитаны на основании данных прямого определения их содержания методом молекулярной спектроскопии.

Таблица 3. Рассчитанные весовые количества изотопологов в природной воде, соответствующие международным стандартам SMOW (средняя молекулярная масса = 18,01528873) и SLAP (средняя молекулярная масса = 18,01491202), .

Изотополог воды	Молекулярная масса	Содержание, г/кг
		SMOW	SLAP
1 H 2 16 O	18,01056470	997,032536356	997,317982662
1 HD 16 O	19,01684144	0,328000097	0,187668379
D 2 16 O	20,02311819	0,000026900	0,000008804
1 H 2 17 O	19,01478127	0,411509070	0,388988825
1 HD 17 O	20,02105801	0,000134998	0,000072993
D 2 17 O	21,02733476	0,000000011	0,000000003
1 H 2 18 O	20,01481037	2,227063738	2,104884332
1 HD 18 O	21,02108711	0,000728769	0,000393984
D 2 18 O	22,02736386	0,000000059	0,000000018

Как видно из таблицы 3, в природной воде весовая концентрация тяжёлых изотопологов может достигать 2,97 г/кг, что является значимой величиной, сопоставимой, например, с содержанием минеральных солей.

Природная вода, близкая по содержанию изотополога 1 H 2 16 O к стандарту SLAP, а также специально очищенная с существенно увеличенной долей этого изотополога по сравнению со стандартом SLAP, определяется как особо чистая лёгкая вода (менее строгое определение, которое применимо в реальной жизни).

В лёгкой воде доля самого лёгкого изотополога составляет (мол.%):

99.76 < 1 H 2 16 O ≤ 100.

Если из воды, отвечающей стандарту SMOW, удалить все тяжёлые молекулы, массовое содержание которых составляет 2,97 г/кг и заменить их на 1 H 2 16 O, то масса 1 л такой лёгкой и изотопно чистой воды уменьшится на 250 мг. Таким образом, параметры лёгкой воды, в первую очередь, её «лёгкость» и изотопный состав поддаются измерению с помощью таких методов, как масс-спектрометрия , гравиметрия , лазерная абсорбционная спектроскопия , ЯМР .

Международные стандарты на природные воды различного изотопного состава

• Стандарт VSMOW (Vienna Standard Mean Ocean Water) определяет изотопный состав глубинной воды Мирового океана.
• Стандарт SLAP (Standard Light Antarctic Precipitation) определяет изотопный состав природной воды из Антарктики.

По международному стандарту VSMOW абсолютное содержание дейтерия и кислорода-18 в океанической воде составляет: D VSMOW / 1 H VSMOW=(155,76±0,05)⋅10 −6 , или 155,76 ppm 18 O VSMOW/ 16 O VSMOW =(2005,20±0,45)⋅10 −6 , или 2005 ppm. Для стандарта SLAP концентрации в воде составляют : дейтерия D/H=89⋅10 −6 или 89 ppm, кислорода-18 18 O/ 16 O=1894⋅10 −6 или 1894 ppm.

Стандарт SLAP характеризует самую лёгкую природную воду на Земле. Вода в различных точках земного шара неодинакова по своей лёгкости.

Физические свойства изотопологов воды

Изотопологи отличаются друг от друга по физическим, химическим и биологическим свойствам (табл.4).

Равновесное давление паров у изотопологов воды различается, и весьма существенно. Чем меньше масса молекулы воды, тем выше давление пара, а это означает, что пар, равновесный с водой, всегда обогащён лёгкими изотопами кислорода и водорода. Относительно малой массы элементов разница масс изотопов велика, поэтому они способны сильно фракционировать в природных процессах: D/H → 100 %, 18 O/ 16 O →12,5 %. Изотопы водорода и кислорода наиболее эффективно фракционируют в процессах испарения-конденсации и кристаллизации воды.

Результаты экспериментальных исследований свидетельствуют о различии физико-химических свойств легкой воды и деионизированной воды природного изотопного состава .

Тяжёлые изотопологи в природной воде являются примесями по отношению к 1 H 2 16 O, которые по некоторым исследованиям можно рассматривать как дефекты структуры .

Устранение гетерогенности воды по изотопному составу приводит к увеличению её гомогенности. Лёгкая вода является более однородной жидкостью. Тяжелоизотопные молекулы, содержащиеся в воде в природных концентрациях, практически не оказывают заметного влияния на неживые системы. В наибольшей степени эффекты лёгкой воды проявляются на биологических объектах, для которых характерны каскадные реакции.

Биологические свойства тяжелой и лёгкой воды

Впервые ингибирующие (тормозящие) рост семян свойства тяжёлой воды были открыты в 1934 году Гилбертом Льюисом.

Культивирование клеток на тяжелой воде резко ускоряет процесс старения и приводит к гибели культуры.

В экспериментах на млекопитающих (мышах), которых поили утяжелённой водой (3% тяжелой воды) было показано, что негативные эффекты нарастают от поколения к поколению, в том числе снижалась активность самцов и способность к лактации у самок, снижался вес новорождённых и ухудшалось состояние шерсти. Третье поколение животных, пивших утяжелённую воду, получить не удалось.
Напротив, поение животных водой с пониженным содержанием дейтерия вызывало повышенную половую активность у самцов уже в первом поколении. У самок наблюдалось многоплодие при большем приросте веса потомства.

Реакция биосистем при воздействии на них воды может изменяться в зависимости от количественных и качественных изменений её изотопного состава. В ходе эволюции живых организмов произошёл отбор биохимических процессов с настройкой их только на один изотоп, как правило, лёгкий . В организме человека происходит «фракционирование изотопов, сопровождающееся удалением тяжёлых стабильных изотопов водорода и кислорода воды» . Применение воды с повышенной концентрацией тяжёлых изотопов, в частности, дейтерия, вызывает выраженные токсические эффекты на уровне организма . В то же время на разных объектах зарегистрирована положительная биологическая активность вод с пониженным, относительно природного, содержанием тяжелых изотопологов, в частности дейтерия и кислорода 18 . Проводимые в ГНЦ РФ «Институт медико-биологических проблем» РАН систематические исследования по созданию среды обитания космонавтов с оптимальным изотопным составом биогенных химических элементов показали, что вода с пониженным по сравнению с природным содержанием тяжелоизотопных молекул является необходимым компонентом системы жизнеобеспечения космонавтов во время длительных полётов

В качестве универсальной среды, в которой идут все биологические реакции, лёгкая вода увеличивает скорость этих реакций по сравнению с водой природного изотопного состава. Этот эффект известен под названием кинетический изотопный эффект растворителя .

Транспортные свойства легкой воды доказаны при изучении влияния тяжелых изотопологов в составе природной воды на динамику выведения красителя метиленового синего из обонятельной системы шпорцевых лягушек .

Наиболее сильное влияние очистка воды от тяжёлых изотопологов оказывает на энергетический аппарат живой клетки. Дыхательную цепь митохондрий отличают каскадные реакции. Тяжёлые изотопологи замедляют скорость реакций дыхательной цепи. На примере реакции генерации перекиси водорода митохондриями с янтарной кислотой в качестве субстрата экспериментально доказан общий ингибирующий эффект тяжёлых изотопологов воды. Снижение их содержания в воде до уровня ниже природных концентраций деингибирует и достоверно ускоряет исследованную реакцию .

Лёгкая вода проявляет противоопухолевую активность, что показано в работах учёных, проводимых в исследовательских центрах разных стран . По данным Г.Шомлаи, результаты клинических испытаний, проведённых в 1994-2001 гг. в Венгрии, показали, что уровень выживаемости больных, употреблявших лёгкую воду в сочетании с традиционными методами лечения или после них выше, чем у больных, использовавших только химио- или лучевую терапию .

Токсикопротекторные свойства легкой воды подтверждены экспериментальными исследованиями , из которых следует, что легкая вода, очищенная от тяжелых изотопологов, за счет своих транспортных свойств эффективно выводит токсины и продукты метаболизма из организма.

Также отмечено влияние легкой воды на пациентов с сахарным диабетом II типа. Результаты открытого предклинического исследования продолжительностью 90 дней показали, что под действием легкой воды у добровольцев снизился повышенный уровень глюкозы натощак и снизилась инсулинорезистентность .

Есть и мнение о недоказанности существования особых биологических свойств лёгкой воды .

Уровень депрессии среди населения США в значительной степени коррелирует с географическим распределением дейтерия, а причино-следственную связь депрессии и ангедонии с содержанием дейтерия в питьевой воде подтвердила серия независимых экспериментов на животных. Было показано, что замена обычной питьевой воды на воду, обедненную по дейтерию, противодействует депрессии сопоставимо с результатами приема антидепрессантов. Питьевая вода, обедненная по дейтерию, может стать средством, лежащим в основе новой стратегии профилактики депрессии.

См. также

Примечания

1. Кульский Л. А., Даль В. В., Ленчина Л. Вода знакомая и загадочная.- Киев: «Радянська школа», 1982.- 120 с.
2. Петрянов-Соколов И. В. Самое необычное вещество в мире.// Химия и жизнь. 2007. № 1. с.26.
3. Harold C. Urey, F. G. Brickwedde, and G. M. Murphy. A Hydrogen Isotope of Mass 2 // Columbia University and the Bureau of Standards.
4. Rothman et al., J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 1998, 60, 665. Rothman et al., J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 2003, 82, p.9.
5. Патент RU 2295493. «Способ и установка для производства лёгкой воды». Соловьев С. П.
6. Lis G., Wassenaar L. I., Hendry M. J. High-Precision Laser Spectroscopy D/H and 18 O/ 16 O Measurements of Microliter Natural Water Samples.// Anal. Chem. 2008. V. 80 (1). P. 287-293
7. Ферронский В. И., Поляков В. А. Изотопия гидросферы. М.: Наука, 1983 г.
8. Craig, H. Standard for Reporting Concentrations of Deuterium and Oxygen-18 in Natural Waters. // Science. 1961. V. 133. PP. 1833−1834.
9. Hagemann R., Niff G., Roth E. Absolute isotopic scale for deuterium analysis of natural waters. Absolute D/H ratio for SMOW. // Tellus. 1970. V.22. N6. PP.712-715.
10. De Wit J.C., van der Straaten C.M.; Mook W.G. Determination of the Absolute Hydrogen Isotopic Ratio of VSMOW and SLAP. // Geostandards Newsletter. 1980. V. 4. N. 1. PP. 33−36.
11. V.V. Goncharuk, V.B. Lapshin, T.N. Burdeinaya, T.V. Pleteneva, A.S. Chernopyatko et al. Physicochemical Properties and Biological Activity of the Water Depleted of Heavy Isotopes // 2011, published in Khimiya i Tekhnologiya Vody, 2011, Vol. 33, No. 1, pp. 15-25. Journal of Water Chemistry and Technology, 2011, Vol. 33, No. 1, pp. 8-13.
12. Смирнов А. Н., Лапшин В. Б., Балышев А. В., Лебедев И. М., Гончарук В. В., Сыроешкин А. В. Структура воды: гигантские гетерофазные кластеры воды. // Химия и технология воды. - 2005.- № 2. - C. 11-37; Смирнов А. Н., Сыроешкин А. В. Супранадмолекулярные комплексы воды. // Рос. хим. ж. - 2004.- Т.48 - № 2. - C. 125-135
13. Lewis, G. N. ,Biology of heavy water. Science, 79, 151 (1934)
14. Торопцев И.В. и др. Биологическая роль тяжелой воды в живых организмах. Вопросы радиобиологии и гематологии, Издательство Томского университета, 1966г.
15. Оригинал публикации Торопцев И.В. и др. Биологическая роль тяжелой воды в живых организмах. Вопросы радиобиологии и гематологии, Издательство Томского университета, 1966г.
16. Синяк Ю. Е.., Григорьев А. И. Оптимальный изотопный состав биогенных химических элементов на борту пилотируемых космических аппаратов. // Авиакосмическая и экологическая медицина. 1996. Т. 30, № 4, С. 26.
17. Синяк Ю. Е., Скуратов В. М., Гайдадымов В. Б., Иванова С. М., Покровский Б. Г. Григорьев А. И. Исследование фракционирования стабильных изотопов водорода и кислорода на международной космической станции. // Авиакосмическая и экологическая медицина. 2005. Т. 39, № 6, С. 43.

Важнейшие для здоровья параметры питьевой воды

Изотопный состав питьевой воды

Данная тема в настоящее время в России не популярна, но крайне важна в силу своих перспектив.

Что представляет собой вода - H 2 O - с точки зрения образующих ее элементов?

99,727% приходится на долю молекул воды, состоящих из протия и кислорода-16, т.е. на долю молекул 1 H 2 16 O.

Более тяжелая вода представлена в пропорциях: H 2 18 O - 73.5%; 1 H 2 17 O - 14,7%; 1 HD 16 O - 11,5%. В воде пресноводных источников содержание тяжеловодородной воды 1 HD 16 O составляет около 330 мг/литр, а тяжелокислородной воды 1 H 2 18 O - около 2 грамм/литр. Такие концентрации сопоставимы с содержанием солей и даже превышают их предельно допустимые нормы . Содержание дейтерия изменяется от 90 ppm в воде из антарктического льда до 180 ppm в водоемах Сахары.

Научно доказано, что природная вода с пониженным содержанием тяжелых изотопов водорода и кислорода обладает стимулирующими и лечебными свойствами . Т.е. живая клетка реагирует даже на небольшое изменение содержания тяжелых изотопов в воде.

Дейтерий - универсальный ингибитор жизни. Он всегда присутствует в любой воде. Его концентрация определяет качество питьевой воды.

Если рассматривать дейтерий как микроэлемент, входящий в состав не только воды, но важнейших органических соединений, то по значимости его можно поставить на одно из первых мест, если не на первое место. Среди других элементов в организме человека D оказывается сразу за натрием. Его содержание в плазме крови в 4 раза больше, чем калия, в 6 раз больше, чем кальция, в 10 раз больше, чем магния и намного больше содержания таких важнейших микроэлементов, как фтор, железо, йод, медь, марганец и кобальт. Про кальций знают все. Кто обращает внимание на дейтерий?

В домашних условиях полностью очистить воду от дейтерия невозможно, да это и не нужно. Для получения оздоровительного эффекта важно лишь снизить его концентрацию. Из доступных вариантов известен метод приготовления протиевой воды. Суть метода в замораживании отфильтрованной воды в холодильнике. Когда на поверхности воды и стенках емкости появится первый лед, воду надо перелить в другую емкость, а лед выбросить, т.к. он будет содежать повышенную концентрацию дейтерия. Причина этого в том, что тяжелая вода замерзает при +3,8°C. При казалось бы очевидной надежности такого метода, он не дает существенного снижения содержания тяжелой воды, т.к. в действительности первой замерзает не тяжелая вода, а вода, находящаяся ближе всего к холодным стенкам емкости. Однако, если активно перемешивать воду в процессе ее охлаждения, то образующиеся в ней кристаллы, действительно содержат повышенную концентрацию тяжелой воды.

Снижение концентрации тяжелой воды даже на 2-3% резко увеличивает биостимулирующие свойства воды.

Бытовые приборы для определения концентрации дейтерия не известны.

Бытовые приборы для приготовления легкой воды неизвестны.

Но один из революционных скачков в качестве подготовки питьевой воды в ближайшие годы будет сделан именно в этом направлении.

Глоссарий

Изотоп - атом одного и того же химического элемента, ядро которого имеет то же число протонов, что и основной элемент, но разное количество нейтронов. В силу этого изотопы имеют различные атомные массы.

Протий - стабильный изотоп водорода с массовым числом 1. Ядро атома протия состоит из одного протона.

Дейтерий - D, 2 Н, тяжёлый водород, стабильный изотоп водорода с массовым числом 2. Большое различие в массах D и 1 Н обусловливает существенную разницу в их свойствах (например, скорости некоторых химических реакций различаются для веществ, содержащих D и 1 Н, в 5-10 раз).

Тритий - наиболее тяжелый изотоп водорода с массовым числом 3.

ppm - parts per million - количество частиц на миллион.

n . Комбинации различных атомов-изотопов дают набор молекул-изотопологов.

Изотопологи - молекулы, различающиеся только по изотопному составу атомов, из которых они состоят. Изотополог имеет в своём составе, по крайней мере, один атом определенного химического элемента, отличающийся по количеству нейтронов от остальных.

Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.

Водород имеет два стабильных изотопа - протий (Н) - 1 H и дейтерий (D) - 2 H.

У кислорода три устойчивых изотопа: 16 O, 17 O и 18 O (табл.1).

Таблица 1. Изотопы воды

Комбинации 5 стабильных изотопов водорода и кислорода дают набор 9 молекул-изотопологов воды (табл.2).

Таблица 2. Изотопологи воды

Молекула 1 H 2 16 O является самой лёгкой из совокупности всех изотопологов воды. Именно воду 1 H 2 16 O следует считать классической или лёгкой водой.

Лёгкая вода как моноизотопная композиция 1 H 2 16 O является предельным случаем изотопной чистоты. В естественных условиях такой чистой лёгкой воды не существует. Для получения изотополога 1 H 2 16 O ведут тонкую многостадийную очистку природных вод или синтезируют из исходных элементов 1 H 2 и 16 O 2 . Природная вода представляет собой многокомпонентную смесь изотопологов. Содержание самого лёгкого изотополога в ней значительно превосходит концентрацию всех остальных вместе взятых. В природных водах в 1000000 молекул в среднем содержится 997284 молекул 1 H 2 16 O, 311 молекул 1 HD 16 O, 390 молекул 1 H 2 17 O, и около 2005 молекул 1 H 2 18 O. Концентрация молекул воды, содержащих тяжёлые изотопы D, 17 O, 18 O, в природной воде колеблется в пределах, зафиксированных в основных стандартах изотопного состава гидросферы SMOW и SLAP (табл.3). Весовые количества изотопологов в природной воде рассчитаны на основании данных прямого определения их содержания методом молекулярной спектроскопии.

Таблица 3. Рассчитанные весовые количества изотопологов в природной воде, соответствующие международным стандартам SMOW (средняя молекулярная масса = 18,01528873) и SLAP (средняя молекулярная масса = 18,01491202), .

Изотополог воды	Молекулярная масса	Содержание, г/кг
		SMOW	SLAP
1 H 2 16 O	18,01056470	997,032536356	997,317982662
1 HD 16 O	19,01684144	0,328000097	0,187668379
D 2 16 O	20,02311819	0,000026900	0,000008804
1 H 2 17 O	19,01478127	0,411509070	0,388988825
1 HD 17 O	20,02105801	0,000134998	0,000072993
D 2 17 O	21,02733476	0,000000011	0,000000003
1 H 2 18 O	20,01481037	2,227063738	2,104884332
1 HD 18 O	21,02108711	0,000728769	0,000393984
D 2 18 O	22,02736386	0,000000059	0,000000018

Как видно из таблицы 3, в природной воде весовая концентрация тяжёлых изотопологов может достигать 2,97 г/кг, что является значимой величиной, сопоставимой, например, с содержанием минеральных солей.

Природная вода, близкая по содержанию изотополога 1 H 2 16 O к стандарту SLAP, а также специально очищенная с существенно увеличенной долей этого изотополога по сравнению со стандартом SLAP, определяется как особо чистая лёгкая вода (менее строгое определение, которое применимо в реальной жизни).

В лёгкой воде доля самого лёгкого изотополога составляет (мол.%): 99.76 < 1 H 2 16 O ≤ 100.

Если из воды, отвечающей стандарту SMOW, удалить все тяжёлые молекулы, массовое содержание которых составляет 2,97 г/кг и заменить их на 1 H 2 16 O, то масса 1 л такой лёгкой и изотопно чистой воды уменьшится на 250 мг. Таким образом, параметры лёгкой воды, в первую очередь, её «лёгкость» и изотопный состав поддаются измерению с помощью таких методов, как масс-спектрометрия , гравиметрия , лазерная абсорбционная спектроскопия , ЯМР .

Международные стандарты на природные воды различного изотопного состава

• Стандарт VSMOW (Vienna Standard Mean Ocean Water) определяет изотопный состав глубинной воды Мирового океана.
• Стандарт SLAP (Standard Light Antarctic Precipitation) определяет изотопный состав природной воды из Антарктики.

По международному стандарту VSMOW абсолютное содержание дейтерия и кислорода-18 в океанической воде составляет: D VSMOW / 1 H VSMOW=(155,76±0,05)·10 −6 , или 155,76 ppm 18 O VSMOW/ 16 O VSMOW =(2005,20±0,45)·10 −6 , или 2005 ppm. Для стандарта SLAP концентрации в воде составляют : дейтерия D/H=89·10 −6 или 89 ppm, кислорода-18 18 O/ 16 O=1894·10 −6 или 1894 ppm.

Стандарт SLAP характеризует самую лёгкую природную воду на Земле. Вода в различных точках земного шара неодинакова по своей лёгкости.

Свойства и эффекты лёгкой воды

Изотопологи отличаются друг от друга по физическим, химическим и биологическим свойствам (табл.4).

Таблица 4. Изменение физических свойств воды при изотопном замещении

Равновесное давление паров у изотопологов воды различается, и весьма существенно. Чем меньше масса молекулы воды, тем выше давление пара, а это означает, что пар, равновесный с водой, всегда обогащён лёгкими изотопами кислорода и водорода. Относительно малой массы элементов разница масс изотопов велика, поэтому они способны сильно фракционировать в природных процессах: D/H → 100 %, 18 O/ 16 O →12,5 %. Изотопы водорода и кислорода наиболее эффективно фракционируют в процессах испарения-конденсации и кристаллизации воды.

Результаты экспериментальных исследований свидетельствуют о различии физико-химических свойств легкой воды и деионизированной воды природного изотопного состава .

Тяжёлые изотопологи в природной воде являются примесями по отношению к 1 H 2 16 O, которые по некоторым исследованиям можно рассматривать как дефекты структуры .

Устранение гетерогенности воды по изотопному составу приводит к увеличению её гомогенности. Лёгкая вода является более однородной жидкостью. Тяжелоизотопные молекулы, содержащиеся в воде в природных концентрациях, практически не оказывают заметного влияния на неживые системы. В наибольшей степени эффекты лёгкой воды проявляются на биологических объектах, для которых характерны каскадные реакции.

Реакция биосистем при воздействии на них воды может изменяться в зависимости от количественных и качественных изменений её изотопного состава. В ходе эволюции живых организмов произошёл отбор биохимических процессов с настройкой их только на один изотоп, как правило, лёгкий . В организме человека происходит «фракционирование изотопов, сопровождающееся удалением тяжёлых стабильных изотопов водорода и кислорода воды» . Применение воды с повышенной концентрацией тяжёлых изотопов, в частности, дейтерия, вызывает выраженные токсические эффекты на уровне организма . В то же время на разных объектах зарегистрирована положительная биологическая активность вод с пониженным, относительно природного, содержанием тяжелых изотопологов, в частности дейтерия и кислорода 18 . Проводимые в ГНЦ РФ «Институт медико-биологических проблем» РАН систематические исследования по созданию среды обитания космонавтов с оптимальным изотопным составом биогенных химических элементов показали, что вода с пониженным по сравнению с природным содержанием тяжелоизотопных молекул является необходимым компонентом системы жизнеобеспечения космонавтов во время длительных полётов

Биологические свойства

В качестве универсальной среды, в которой идут все биологические реакции, лёгкая вода увеличивает скорость этих реакций по сравнению с водой природного изотопного состава. Этот эффект известен под названием кинетический изотопный эффект растворителя .

Транспортные свойства легкой воды доказаны при изучении влияния тяжелых изотопологов в составе природной воды на динамику выведения красителя метиленового синего из обонятельной системы шпорцевых лягушек .

Наиболее сильное влияние очистка воды от тяжёлых изотопологов оказывает на энергетический аппарат живой клетки. Дыхательную цепь митохондрий отличают каскадные реакции. Тяжёлые изотопологи замедляют скорость реакций дыхательной цепи. На примере реакции генерации перекиси водорода митохондриями с янтарной кислотой в качестве субстрата экспериментально доказан общий ингибирующий эффект тяжёлых изотопологов воды. Снижение их содержания в воде до уровня ниже природных концентраций деингибирует и достоверно ускоряет исследованную реакцию .

Лёгкая вода проявляет противоопухолевую активность, что показано в работах учёных, проводимых в исследовательских центрах разных стран . По данным Г.Шомлаи, результаты клинических испытаний, проведённых в 1994-2001 гг. в Венгрии, показали, что уровень выживаемости больных, употреблявших лёгкую воду в сочетании с традиционными методами лечения или после них выше, чем у больных, использовавших только химио- или лучевую терапию .

Токсикопротекторные свойства легкой воды подтверждены экспериментальными исследованиями , из которых следует, что легкая вода, очищенная от тяжелых изотопологов, за счет своих транспортных свойств эффективно выводит токсины и продукты метаболизма из организма.

См. также

Примечания

1. Кульский Л. А., Даль В. В., Ленчина Л. Вода знакомая и загадочная.- Киев: «Радянська школа», 1982.- 120 с.
2. Петрянов-Соколов И. В. Самое необычное вещество в мире.// Химия и жизнь. 2007. № 1. с.26.
3. Rothman et al., J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 1998, 60, 665. Rothman et al., J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 2003, 82, p.9.
4. Патент RU 2295493. «Способ и установка для производства лёгкой воды». Соловьев С. П.
5. Lis G., Wassenaar L. I., Hendry M. J. High-Precision Laser Spectroscopy D/H and 18 O/ 16 O Measurements of Microliter Natural Water Samples.// Anal. Chem. 2008. V. 80 (1). P. 287-293
6. Ферронский В. И., Поляков В. А. Изотопия гидросферы. М.: Наука, 1983 г.
7. Craig, H. Standard for Reporting Concentrations of Deuterium and Oxygen-18 in Natural Waters. // Science. 1961. V. 133. PP. 1833−1834.
8. Hagemann R., Niff G., Roth E. Absolute isotopic scale for deuterium analysis of natural waters. Absolute D/H ratio for SMOW. // Tellus. 1970. V.22. N6. PP.712-715.
9. De Wit J.C., van der Straaten C.M.; Mook W.G. Determination of the Absolute Hydrogen Isotopic Ratio of VSMOW and SLAP. // Geostandards Newsletter. 1980. V. 4. N. 1. PP. 33−36.
10. V.V. Goncharuk, V.B. Lapshin, T.N. Burdeinaya, T.V. Pleteneva, A.S. Chernopyatko et al. Physicochemical Properties and Biological Activity of the Water Depleted of Heavy Isotopes // 2011, published in Khimiya i Tekhnologiya Vody, 2011, Vol. 33, No. 1, pp. 15–25. Journal of Water Chemistry and Technology, 2011, Vol. 33, No. 1, pp. 8–13.
11. Смирнов А. Н., Лапшин В. Б., Балышев А. В., Лебедев И. М., Гончарук В. В., Сыроешкин А. В. Структура воды: гигантские гетерофазные кластеры воды. // Химия и технология воды. - 2005.- № 2. - C. 11-37; Смирнов А. Н., Сыроешкин А. В. Супранадмолекулярные комплексы воды. // Рос. хим. ж. - 2004.- Т.48 - № 2. - C. 125-135
12. Синяк Ю. Е.., Григорьев А. И. Оптимальный изотопный состав биогенных химических элементов на борту пилотируемых космических аппаратов. // Авиакосмическая и экологическая медицина. 1996. Т. 30, № 4, С. 26.
13. Синяк Ю. Е., Скуратов В. М., Гайдадымов В. Б., Иванова С. М., Покровский Б. Г. Григорьев А. И. Исследование фракционирования стабильных изотопов водорода и кислорода на международной космической станции. // Авиакосмическая и экологическая медицина. 2005. Т. 39, № 6, С. 43.
14. Денько Е. И. Действие тяжёлой воды (D2O) на клетки животных, растений и микроорганизмы. // Усп. совр. биол.. 1970. Т. 70, № 4, С. 41.
15. Лобышев В. И. Механизмы термодинамических и кинетических изотопных эффектов D2O в биологических системах Автореф. докт. диссертации. Москва, - 1987 (биофак МГУ)
16. GLEASON J.D., FRIEDMAN I. Oats may grow better in water depleted in oxygen 18 and deuterium. NATURE 256, 305 (24 July 1975)
17. Bild W, Năstasă V, Haulică I. In vivo and in vitro research on the biological effects of deuterium-depleted water: 1. Influence of deuterium-depleted water on cultured cell growth. // Rom J. Physiol. 2004. V.41. N 1-2. P:53-67.
18. Sinyak Y., Grigoriev A., Gaydadimov V., Gurieva T., Levinskih M., Pokrovskii B. Deuterium-free water (1H2O) in complex life-support systems of long-tern space missions. // Acta Astronautica. 2003. V. 52, P. 575.
19. Райхардт К. «Растворители и эффекты среды в органической химии». -М.: «Мир», 1991. - 763 с.
20. Т.Н. Бурдейная, В.А. Поплинская, А.С. Чернопятко, Э.Н. Григорян. Влияние легкой воды на динамику выведения красителя из обонятельной системы личинок Xenopus laevis // Вода: химия и экология 2011.-№9 - C. 86-91
21. Pomytkin I.A., Kolesova O.E. //Bulletin of Experimental Biology and Medicine. 2006. V.142. N 5.
22. Gyöngyi Z, Somlyai G. Deuterium depletion can decrease the expression of C-myc Ha-ras and p53 gene in carcinogen-treated mice. // In Vivo. 2000. V.14. N.3. P. 437.

Атомы водорода и кислорода, образующие воду, или окись водорода, могут иметь различные массовые числа и отличаться друг от друга своими физико-химическими свойствами, но при этом они имеют одинаковый электрический заряд атомных ядер и поэтому занимают в периодической системе элементов одно и то же место. Такие разновидности атомов одного и того же химического элемента называются изотопами.

Известны пять водородов и пять кислородов. Правда, по два из них (4Н, 5Н, 14О и 15О ) радиоактивны и очень короткоживущи. Например, длительность существования водорода-4 – 4 10-11 сек. Такие короткоживущие изотопы из нашего рассмотрения исключены.

Итак, наиболее широко известны следующие изотопы водорода: протий 1Н (с относительной атомной массой 1), дейтерий 2Н , или D (с относительной атомной массой 2) и тритий 3Н , или Т (с относительной атомной массой 3), наиболее тяжелый, но слаборадиоактивный водород (его период полураспада 12,3 года), и изотопы кислорода: 16О, 17О и 18О. Эти шесть изотопов могут образовывать 18 изотопических разновидностей воды: 1H216О; 1HD16О; D216О; 1HT16О; DT16О; T2О16; 1Н217О; 1НD17О; D217O; lНT17O; DТ17О; Т217О; 1Н218О; 1НD18О; D218O; 1HT18O; DT18O; Т218О.

Тритий и кислород-17 обнаружены в природных водах только в виде следов, а дейтерий и кислород-18 - в ощутимых количествах, которые мы приводим в таб. 2, где одновременно эти условные количества сопоставляем с содержанием в морской воде некоторых других элементов.

Объединив и осреднив изотопные составные природной воды, можем сказать, следующее: в земных водах содержится «легкой» воды 99,75, тяжелой кислородной - 0,18 и тяжелой водородной - 0,017%. Разумеется, это приближенные осредненные данные. На Земле на 6800 атомов протия приходится один атом дейтерия, а в межзвездном пространстве один атом дейтерия приходится уже на 200 атомов протия.

Дейтерий образуется при расщеплении ядер гелия, когда они сталкиваются друг с другом и происходит захват нейтрона протоном. Атмосферная вода в процессе круговорота обогащается дейтерием в результате диссипации протия в космическое пространство. Именно благодаря этому дождевая вода более богата тяжелым водородом. Тритий может поступать в атмосферу в результате космических процессов, а также обогащать земную воду, правда в очень небольших количествах, сверхтяжелой водой.

В атмосфере наблюдается некоторый избыток тяжелого кислорода-18, поступающего в результате разложения растений, содержащих его в повышенных количествах.

Изотопические разновидности воды различаются прежде всего своими физико-химическими характеристиками. Дейтерий обладает высокой гигроскопичностью, с жадностью поглощая влагу из воздуха и из стенок сосуда. Растворимость некоторых солей в тяжелой воде заметно меньше, чем в обыкновенной; с повышением содержания дейтерия отмечается уменьшение скорости некоторых реакций.

Какие разновидности соединений водорода с кислородом в «чистой» воде возможны еще? Мы говорили, что вода состоит из молекул Н2О или их изотопических разновидностей, которые сами по себе не несут электрического заряда, они нейтральны.

Внутри их положительные и отрицательные заряды уравновешены, хотя сама молекула воды полярна, как кусок магнита. Нейтральность заряда достигается равновесием между положительно заряженными протонами, и отрицательно заряженными электронами.

Однако вода обладает способностью к диссоциации (расщеплению) на противоположно заряженные ионы водорода Н+ и гидроксила ОН-, т. е. происходит ионизация самой воды. В случаях связывания одного из ионов с каким-либо другим веществом вода из нейтральной может стать кислой (при преобладании положительных свободных ионов водорода) или щелочной (при преобладании отрицательного гидроксильного иона). Например, если сжать воду под давлением 160 кбар, то ее плотность при температуре 1300 °С будет равна 2, а сама вода будет обладать свойствами кислоты. Такая «чистая» вода - хороший электролит. Если чистая вода совершенно не ионизирована, она не электропроводна. В действительности в природе вода всегда является электролитом, пропускающим в большей или меньшей степени электрический ток. Наличие ионов Н+ и ОН- делает воду очень активной.

Диссоциация (ионизация) молекул воды в большинстве поверхностных вод очень незначительна: при 25 °С в тонне «чистой» воды всего 1,8 мг или одна десятимиллионная часть воды. Однако и эта незначительность очень важна.

В воде могут находиться и отрицательно заряженные ионы кислорода О-, а также другие соединения водорода с кислородом, например гидрооксоний НзО +, который встречается в растворах галита (NaCI) при повышенных температурах и давлениях, а также в узлах решетки льда (вместе с гидроксильным ионом ОН-) , во многих минералах и т. д.

Однако в отношении Н+ и НзО+ следует сделать весьма существенную оговорку для температур до 100 °С. При ионизации воды, т. е. при распаде незаряженной молекулы Н2О на гидроксильный анион ОН - и катион Н+ , последний в воде не образуется, а гидратируется до иона гидрооксония Н3О+.

В 1 кг «чистой» воды при 25 °С содержится только 10-7 моль ионов НзО+ и, разумеется, столько же ионов ОН-. Но в воде не только не существует голых протонов Н+ , а даже гидратированные протоны Н3О+ в действительности подвергаются дальнейшей гидратации и реально существуют в форме иона Н9О4+.

Из других соединений водорода с кислородом известны перекись водорода Н2О2, гидроксил-моногидрат Н3О2 , встреченный в облаках ионосферы, перигидроксил НО2. Эти неустойчивые в основном соединения при определенных температуре и давлении могут быть весьма устойчивыми, о чем будет сказано позднее. В особых условиях сама молекула воды может оказаться носительницей положительного заряда Н2О+ или быть в возбужденном состоянии.

Следует упомянуть о существовании еще двух модификаций водорода: орто- и пароводород. В молекуле ортоводорода оба протона вращаются вокруг своей оси в одном и том же направлении, или, как говорят физики, имеют одинаковые ядерные спины. В молекуле же пароводорода протоны вращаются в противоположных направлениях. При 20 °С в обычном водороде содержится около 75% молекул ортоводорода и лишь 25% пароводорода. Помимо ядерного существует и электронный спин. Суммарный эффект спинов атома обусловливает его магнетизм, и наоборот, постороннее магнитное поле, в которое попадает молекула водорода, может изменять ее ядерный спин. Существуют. также модификации орто- и пароводы с параллельными и антипараллельными спинами как ядер, так и электронов.

Чистый пароводород (99,7%) впервые был получен в 1929 г. немецкими учеными К. Бонхеффером и П. Гартеком. От ортоводорода он отличается температурами кипения, плавления, упругостью пара, рядом других физических и химических свойств. При взрыве смеси пароводорода с кислородом первый нацело переходит в обыкновенный водород. Аналогичные явления наблюдаются и для тяжелой воды с различными ядерными и электронными спинами дейтерия. Отношение ортоводы к пароводе в водяном паре равно 3:1, а в тяжелой воде - 2:1. Молекула воды является как бы несимметричным ротором. При этом наблюдается большая скорость перехода от орта- к парвооде и наоборот, что сильно затрудняет исследования.

Все рассмотренные соединения водорода и кислорода требуют особых условий (температуры, давления и др.).

Здесь же мы еще раз подчеркнем, что даже та идеальная, реально несуществующая вода без примесей других (кроме кислорода и водорода) элементов есть вещество исключительно сложное, очень далекое от примитивного и привычного нам изображения в виде формулы Н2О .