Що таке важка вода? Зрозуміле пояснення терміну та практичного застосування

Важка вода на перший погляд здається цілком звичайною, проте її склад робить цю речовину відмінною від тієї, яку ми звикли пити щодня. 

Властивості важкої води є унікальними та відкривають широкі можливості для наукових досліджень і знаходять своє застосування в енергетиці. Користь ця речовина приносить так само для промислових та наукових процесів, адже дає інструменти для глибшого розуміння фізичних і хімічних явищ. Тож що називають важкою водою, який її склад, можливе застосування, і найголовніше – який вплив чинить ця речовина на людину і навколишнє середовище?

Важка вода що це? Склад та відмінності від звичайної води

Хімічна формула важкої води включає таку ж кількість молекул, у якій водень замінюється на ізотоп дейтерію. Так, замість звичайного водню (або протію, як його ще називають) у молекулі міститься дейтерій, який вдвічі важчий за водень. Ця дрібна зміна, хоч існує лише на атомному рівні, проте помітно впливає на фізичні та хімічні властивості рідини.

Наприклад, якщо звичайна вода зазвичай замерзає при температурі 0°C, а кипить при 100°C, то важка вода це речовина, яка завдяки унікальному складу атомів, замерзає при більшій температурі – 3,8°C, і кипить при температурі 101,4°C.

Також ця вода є більш густою і менш токсичною, що дозволяє хімічним реакціям у її середовищі проходити повільніше, аніж якщо у досліді використана звичайна вода.

Фізичні та хімічні властивості важкої води

Важка вода відрізняється декількома унікальними властивостями:

• Густина
  • Порівняно зі звичайною водою, важка має вищу густину. Це впливає на те, як рідина поводиться у фізичних та хімічних процесах. Наприклад, речовини у важкій воді можуть розчинятись не так активно, що має значення для хімічних дослідів.
• Теплоємність
  • Дейтерій, що у складі важкої води замінює водень, збільшує тепломісткість рідини. У процесах нагрівання чи охолодження, ця здатність дозволяє зберегти більше тепла.  
• В’язкість
  • У порівнянні зі звичною нам водою, важка вода має більшу в’язкість, що допомагає у багатьох промислових процесах.

Ці особливості роблять важку воду незамінним інструментом для науки та промисловості.

Вплив важкої води на організм людини

Невелика кількість важкої води не здатна зашкодити організму людини та буде повністю виведена за кілька днів. 

Важка вода формула якої – D₂O, замість водню містить саме дейтерій, підвищення якого в організмі людини викликає порушення нормальної його роботи. 

У високих концентраціях дейтерій може впливати на клітинні процеси, призводячи до змін в обміні речовин та збільшення ваги, як наслідок. Крім того, може спричинити сонливість, втому, розлади травлення, а у крайніх випадках – навіть загрожувати життю. 

Споживання важкої води не є необхідним для людини й не приносить жодної користі, навпаки – може мати негативні наслідки. Ця речовина не може використовуватися як заміна питної води й загалом для споживання людиною не призначена.

На щастя, важка вода не має широкого застосування у побутовому середовищі через її специфічні фізико-хімічні властивості та високу вартість. Сфери застосування речовини – експерименти, дослідницькі процеси, а також ядерна енергетика, хімія та інші високоспеціалізовані галузі.

Застосування важкої води в науці та промисловості

Завдяки винятковим фізичним і хімічним властивостям, застосування важкої води є справді широким та поширене у багатьох сферах.

Ядерна промисловість

Найбільш значущим із них називають використання важкої води як нейтронного модератора в ядерних реакторах. Важка вода має здатність уповільнювати нейтрони без значного їх поглинання.

Це робить рідину незамінною для реакторів які використовують як паливо природний уран. Таким чином підвищується ефективність реакції та зменшуються витрати на збагачення урану.

Наукові дослідження

Ще один важливий напрям використання, про який ми згадували вище – використання важкої води в наукових дослідженнях. Зокрема у спектроскопії ядерного магнітного резонансу. Завдяки дейтерію, важка вода дозволяє чіткіше розрізнення сигналів в ЯМР спектрах, а це, своєю чергою, допомагає більш детально аналізувати молекулярну структуру та динаміку досліджуваних зразків.

Медична сфера

Важка вода це незамінний ресурс також і у медичній галузі. Без цієї речовини не обходиться виробництво деяких видів радіоактивних ізотопів, які використовуються в діагностиці та терапії.

Хімічна індустрія

У хімічній промисловості речовина використовується як ізотопний маркер у дослідженнях механізмів реакцій. Це допомагає вченим розуміти та відстежувати механізми переміщення молекул в реакції, а також знаходити оптимальні умови для проведення процесів. 

Промисловість

Застосування важкій воді знаходять у закритих системах охолодження або в теплообмінниках, що демонструє її цінність у промислових процесах. Зокрема тих, що вимагають управління тепловими навантаженнями.

Хімічні та фізичні властивості важкої води є запорукою надійних та ефективних рішень для промисловості, та допомагають відповідати вимогам сучасних енергетичних технологій.

Як виготовляється важка вода? Технології та процеси

Отримати важку воду – досить складно технологічно. Проте сам процес, завдяки великому значенню речовини у науковій та промисловій сферах, уже відпрацьований досить добре.

Основний метод, який використовують для виробництва важкої води – ізотопне розділення. З його допомогою дейтерій відокремлюють від звичайного водню у воді. Кожен із методів ізотопного розділення має свої особливості.

Процес Гершковича

Один із найпоширеніших методів, який використовує водяний газ (суміш водню і водяної пари). Хімічна реакція відбувається під тиском за високої температури, в процесі відбувається збагачення водню дейтерієм. Метод застосовується безліч разів для досягнення необхідної концентрації дейтерію.

Дистиляційні методи

Випаровування та конденсація води, себто – дистиляція, – використовує різницю у точках кипіння звичайної питної води та важкої. Оскільки важка вода має вищу точку кипіння, то повільне зниження температури кипіння дозволяє відокремити цю речовину.

Електролітичні методи

У процесі електролізу крізь звичайну воду пропускається струм, вивільняючи легший водень швидше, аніж дейтерій. Такий метод справді ефективний, проте його недоліками є великі затрати електроенергії та потреба у спеціальному обладнанні.

Кожен з описаних процесів потребує складного обладнання та ретельного контролю технологічних параметрів. Однак вибір тієї чи іншої методики залежить від економічної доцільності, доступного обладнання та кінцевих потреб у важкій воді.

Який вплив на навколишнє середовище та екологію має важка вода?

Хоч сама по собі ця речовина не є токсичною, її застосування в різних промислових процесах, зокрема в ядерній енергетиці, може мати опосередкований вплив на екологію.

Така вода виконує роль нейтронного модератора у реакторах та бере участь у складних процесах, які повинні проходити під суворим контролем. Будь-яка аварія чи витік можуть стати причиною радіаційного забруднення. 

Під час виробництва важкої води утворюються побічні продукти, які потребують правильної утилізації, адже в іншому разі ці речовини можуть мати негативний вплив на природу.

Розуміючи що таке важка вода, не важко здогадатись, що процеси, пов’язані з видобутком та збагаченням ізотопів водню для отримання цієї речовини, так само мають і вплив на навколишнє середовище. Це може спричиняти підвищену експлуатацію природних ресурсів, наприклад, води та енергії з викопного палива, викликаючи додаткове навантаження на екосистеми.

Проте, з виваженим підходом до управління та застосування, важка вода може бути відносно безпечною і корисною у своєму функціоналі.

Підсумки: все, що варто знати про важку воду

Важка вода – це унікальний вид води, яка має велике значення для багатьох промислових процесів, наукових досліджень та набула широкого практичного застосування.

Використання важкої води у побуті людей обмежене, до того ж – ця рідина, хоч і безпечна для організму в малих кількостях, проте не призначена для споживання людиною. 

Найчастіше важку воду використовують у специфічних сферах, як-от: ядерна промисловість, медична та хімічна індустрії тощо. 

Важка вода може мати негативні наслідки для екосистеми за умови неправильного використання чи неправильної утилізації побічних продуктів утворення рідини. Має наслідки також використання ресурсів для утворення важкої води. 

Розуміння цих аспектів допомагає оцінити різницю між важкою та звичайною водою та важливість раціонального та відповідального створення та використання цієї речовини.

У ZIKO ми розуміємо важливість кожного аспекту, що стосується водних ресурсів, адже понад 30 років створюємо найефективніші рішення для постачання, очищення води та стічних вод промислових підприємств та ОТГ. Шукайте більше цікавого у нашому блозі!