Изотопы воды. Биологические свойства воды с разным изотопным составом. Изотопы в составе воды

16.12.2019

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

Кульский Л. А., Даль В. В., Ленчина Л. Вода знакомая и загадочная.- Киев: «Радянська школа», 1982.- 120 с.
Петрянов-Соколов И. В. Самое необычное вещество в мире.// Химия и жизнь. 2007. № 1. с.26.
Harold C. Urey, F. G. Brickwedde, and G. M. Murphy. A Hydrogen Isotope of Mass 2 // Columbia University and the Bureau of Standards.
Rothman et al., J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 1998, 60, 665. Rothman et al., J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 2003, 82, p.9.
Патент RU 2295493. «Способ и установка для производства лёгкой воды». Соловьев С. П.
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
Ферронский В. И., Поляков В. А. Изотопия гидросферы. М.: Наука, 1983 г.
Craig, H. Standard for Reporting Concentrations of Deuterium and Oxygen-18 in Natural Waters. // Science. 1961. V. 133. PP. 1833−1834.
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.
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.
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.
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
Lewis, G. N. ,Biology of heavy water. Science, 79, 151 (1934)
Торопцев И.В. и др. Биологическая роль тяжелой воды в живых организмах. Вопросы радиобиологии и гематологии, Издательство Томского университета, 1966г.
Оригинал публикации Торопцев И.В. и др. Биологическая роль тяжелой воды в живых организмах. Вопросы радиобиологии и гематологии, Издательство Томского университета, 1966г.
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.
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.

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 ј 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.

В зависимости от видов и содержания изотопов водорода (Н, Д, Т) и кислорода (О14, О15, О16, О17, О18, О19), от степени чистоты и загрязнения исследователи выделяют свыше тысячи разновидностей питьевой воды.

Молекулы воды отличаются друг от друга по своему изотопному составу. В настоящее время известны 5 различных изотопов водорода. Из них только два являются стабильными: самый легкий протий - с атомной массой 1, его обозначают символом 1Н - состоит из 1 протона и 1 электрона, и тяжелый водород, или дейтерий с атомной массой 2, его обозначают символом 2D - состоит из 1 протона, 1 нейтрона и 1 электрона. Третий сверхтяжелый водород (с атомной массой 3) соответственно состоит из 1 протона, 2-х нейтронов и 1 электрона. Тритий радиоактивен, его период полураспада около 12,3 лет. Время жизни остальных изотопов не превышает нескольких секунд.

У кислорода обнаружены шесть изотопов: О14 О15, О16, О17, О18 и О19. Три из них: О16, О17 и О18 - стабильные, а О14, О15 и О19 являются радиоактивными изотопами. Стабильные изотопы кислорода содержатся во всех природных водах: их соотношение таково: на 10000 частей О16 приходится 4 части О17 и 20 частей О18.

Изотопные или изотопические эффекты воды основаны на различиях в свойствах изотопов водорода и кислорода, обусловленных разницей их атомных масс, моментов инерции, прочности соответствующих химических связей. Относительное различие масс изотопов тем меньше, чем больше атомный номер элемента. У изотопов водорода оно составляет 100 % для дейтерия D (2H) и 200 % для трития Т (3H) по сравнению с протием Н (1H). Поэтому для водорода изотопные эффекты выражены наиболее сильно.

Существует 42 изотополога (комбинации различных атомов-изотопов дают набор молекул-изотопологов1) воды (включая стабильные и нестабильные изотопы водорода и кислорода). Из них тридцать три молекулы воды радиоактивные, и девять стабильных, устойчивых молекул воды.

Вероятность образования молекул с разным изотопным составом не одинакова. Самой распространенной является молекула с наименьшей массой, состоящая из водорода - 1 (протия) и кислорода - 16. Содержание других более тяжелых молекул в природе не превышает 0,23 %, содержание изотопных модификаций водыв природе представлено в табл. 1.

В мировой практике принято выражать содержание дейтерия в ‰ или ppm. Ppm - это число монодейтерированнных молекул воды на 1 миллион молекул, содержащих только легкий изотоп 1Н. По мере испарения воды с поверхности океана содержание дейтерия изменяется на 20 ppm.

В замкнутых водоемах тяжелой воды больше, так как по сравнению с обычной она испаряется менее интенсивно. Поэтому тяжелой воды больше в местностях с жарким климатом.

Обогащается дейтерием и поверхность океана на экваторе (155 ppm) и в тропиках, где свою лепту вносят частые атмосферные осадки, при образовании которых идут процессы конденсации воды из паровой фазы, а тяжелая вода конденсируется быстрее, чем легкая, следовательно, осадки обогащены тяжелой водой.

Самое низкое содержание 2Н в водяных парах над антарктическими льдами? 90 ppm. Невелика доля дейтерия и во льдах Гренландии (126 ppm). Содержание дейтерия в природных водах различного происхождения показано в табл. 2.

Стоит обратить внимание на то, что содержание дейтерия в природных водах Иркутской области ниже, чем в Европейской части России и в Европе. Так, D/Н в Байкале составляет 137,0 ppm, а в некоторых минеральных источниках - 132,0 ppm, в то время как содержание D аналогичных источниках в Европе не менее 145-150 ppm. Такие данные могут использоваться при идентификации источника минеральных и столовых вод (табл. 2).

У кислорода обнаружены шесть изотопов: О14, О15, О16, О17, О18 и О19. Три из них: О16, О17 и О18 - стабильные, а О14, О15 и О19 являются радиоактивными изотопами. Стабильные изотопы кислорода содержатся во всех природных водах: их соотношение таково: на 10000 частей О16 приходится 4 части О17 и 20 частей О18 .

Существует 42 изотополога (комбинации различных атомов-изотопов дают набор молекул-изотопологов) воды (включая стабильные и нестабильные изотопы водорода и кислорода). Из них тридцать три молекулы воды радиоактивные, и девять стабильных, устойчивых молекул воды.

Вероятность образования молекул с разным изотопным составом не одинакова. Самой распространенной является молекула с наименьшей массой, состоящая из водорода - 1 (протия) и кислорода - 16. Содержание других более тяжелых молекул в природе не превышает 0,23 % , содержание изотопных модификаций водыв природе представлено в табл. 1.

Таблица 1

На рис. 6 показано, что количество 2Н в атмосферной влаге и в природных водах зависит от климата, близости региона к морям и ледникам, высоты над уровнем океана. В мировой практике принято выражать содержание дейтерия в ‰ или ppm. Ppm - это число монодейтерированнных
молекул воды на 1 миллион молекул, содержащих только легкий изотоп 1Н. По мере испарения воды с поверхности океана содержание дейтерия изменяется на 20 ppm.

Рис. 6. Фракционирование водорода в атмосферном водяном цикле

Обогащается дейтерием и поверхность океана на экваторе (155 ppm) и в тропиках, где свою лепту вносят частые атмосферные осадки, при образовании которых идут процессы конденсации воды из паровой фазы, а тяжелая вода конденсируется быстрее, чем легкая , следовательно, осадки обогащены тяжелой водой.

Самое низкое содержание 2Н в водяных парах над антарктическими льдами ≈ 90 ppm. Невелика доля дейтерия и во льдах Гренландии (126 ppm). Содержание дейтерия в природных водах различного происхождения показано в табл. 2 .

Стоит обратить внимание на то, что содержание дейтерия в природных водах Иркутской области ниже, чем в Европейской части России и в Европе. Так, D/Н в Байкале составляет 137,0 ppm, а в некоторых минеральных источниках - 132,0 ppm, в то время как содержание D аналогичных источниках в Европе не менее 145-150 ppm. Такие данные
могут использоваться при идентификации источника минеральных
и столовых вод (табл. 2).

Таблица 2

Исходя из изотопного состава, выделяют легкую, тяжелую и полутяжелую воду.

Вода только с легкими изотопами в природе не встречается. Нулевая вода состоит из чистого легкого водорода и кислорода воздуха. Эта вода выбрана в качестве эталона: у нее очень постоянный состав. С ней удобно сравнивать воду неизвестного состава: определив разницу в плотности, легко найти содержание дейтерия. Формально протиевую воду называют легкой водой. Рабочим эталоном легкой воды считают смесь разновидностей воды состава 1H216O, 1H217O и 1H218O, взятых в том же соотношении, в котором присутствуют в воздухе соответствующие изотопы кислорода .

Тяжелая вода - это вода, в которой протий полностью замещен на дейтерий и представлена формулой D2О. Изотопный состав по кислороду в этой воде соответствует обычно составу кислорода воздуха. Плотность тяжелой воды 1104 кг/м3. Тяжелая вода кипит при более высокой и замерзает при более низкой температуре, чем легкая .

Полутяжелой называют воду со смешанными молекулами состава HDO. Она есть во всякой природной воде, но получить ее в чистом виде невозможно, потому что в воде всегда протекают реакции изотопного обмена. Атомы изотопов водорода очень подвижны и непрерывно переходят из одной молекулы в другую. Приготовить воду, средний состав которой будет соответствовать формуле полутяжелой воды, нетрудно. Но из-за реакции обмена она будет представлять собой смесь молекул с разным изотопным составом H2O, HDO, D2O .

Кроме всех перечисленных вод, еще существует тяжелокислородная вода с атомной массой кислорода 18 .

Изотопные модификации молекул воды оказывают различное действие на структуру воды. Например, происходит самоорганизация упорядоченной структуры приповерхностного слоя воды в результате ее стабилизации молекулами НDО, обладающими бóльшей энергией ассоциации по сравнению с молекулами Н2О .

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»

Изучение изотопов кислорода (О 16 , О 17 , О 18) и водорода (Н 1 , Н 2 , Н 3) показало, что в зависимости от их комбинаций может существовать 18 различных типов воды. Особое внимание сейчас привлекла тяжелая или мертвая вода (Н 2 2 О или Д 2 О), которая отличается от обычной воды особыми биологическими свойствами. В ней не прорастают семена, она смертельна для различных организмов. Однако содержание этой воды обычно незначительно и не оказывает вредного воздействия. Тяжелая вода имеет плотность 1,106, максимальная плотность – при + 11,8 0 С, t кип. = 101,42 0 , t плавл. = 3,82.

Изучение изотопов водорода показало, что их природное фракционирование зависит от многих причин. С увеличением возраста вод (седиментационные воды) количество дейтерия увеличивается; тяжелее обычной воды оказалась кристаллизационная, а также вода, содержащаяся в тканях растений и животных. Сверхтяжелая вода (Т 2 О 18 или Н 2 3 О 18) имеет плотность 24, т.е. она на 33% тяжелее обычной воды. Удельный вес ее 1,332, t кип. 103-105 0 С, точка плавления льда 8-10 0 , точка наибольшей плотности 18-20 0 С.

Некоторые исследователи (А.С. Уклонский и др.) считают, что кислород О 16 характерен для атмосферной воды, воды на поверхности Земли и подземных вод, питаемых атмосферными осадками; О 17 –для океанов, а О 18 – для глубинных вод литосферы. Вполне возможно, что непостоянство изотопного состава воды наряду со структурой является одной из причин проявления свойственных воде аномалий.

14.4 Физические свойства воды

К главнейшим физическим свойствам природных вод, которые обычно определяются при гидрогеологических исследованиях, относятся: температура, цвет, прозрачность, вкус, запах, удельный вес.

Температура.

Температура подземных вод колеблется в широких пределах: от минусовой в области многолетней мерзлоты (-13,5 0 С), до температуры перегретых паров (>120 0 С) в районах молодой вулканической деятельности и на больших глубинах. Температура вод определенным образом влияет на химический состав. Повышение температуры увеличивает скорость движения молекул в растворе и скорость течения большинства физико-химических реакций (правило Оствальда). Определение температуры воды производят различными термометрами, применяются так называемые родниковые термометры (ленивые), а также максимальные и минимальные. Более чувствительными и точными являются электрические термометры и электронные датчики.

Прозрачность.

Прозрачность воды зависит от количества в ней взвешенных частиц. Качественно ее определяют в пробирке, в которую налито 10мл воды. Глядя сверху, определяют степень прозрачности воды по номенклатуре: прозрачная, слабоопалесцирующая, опалесцирующая, слегка мутная, мутная, сильно мутная. Количественное определение прозрачности проводят в приборе,- цилиндре с объемным плоским пришлифованным дном, градуированном по высоте на сантиметры. Прозрачность выражается в сантиметрах высоты столба с точностью до 0,5см. Для определения количества взвешенных частиц пробу воды (0,5-1,0л) взбалтывают и фильтруют через взвешенный тигель с пористым дном или через взвешенный фильтр, затем сушат и взвешивают. В случае изменения прозрачности воды при стоянии дают характеристику выпавшему осадку (нет, незначительный, заметный, большой) и по качеству (кристаллический, хлопьевидный, илистый, песчаный и т.д.) с указанием его цвета.

Цвет.

Цвет воды до некоторой степени характеризует ее качество. Химически чистая вода бесцветна, и только в слое толщиной несколько метров она приобретает голубой цвет. Окраску воде придают механические примеси. Желтоватый цвет характерен для болотных вод, содержащих гуминовые вещества. Иногда вода имеет цвет чая (р.Чая). Вода чернеет за счет образования моносульфида железа в поверхностных условиях, после извлечения ее с глубины.

Качественное определение цвета производят в прозрачной воде, в пробирке, под которую подставляют белую бумагу. Цвет воды характеризуется следующим образом: бесцветная, зеленоватая, желтоватая, бурая и т.д.

Количественное определение производят сравнением исследуемой воды, налитой в цилиндр бесцветного стекла 100мл и высотой 20см, со стандартным платинокобальтовым раствором, налитым в такой же цилиндр, при просмотре на белом фоне.

Вкус.

Вкус воды зависит от состава растворенных в ней веществ. Например, соленый вкус вызывается NaCl, горький – MgSO 4 , ржавый или чернильный – солями железа. Сладковатый вкус имеют воды, богатые органическим веществом.

Для определения вкуса воду подогревают до 30 0 С набирают в рот около 15 мл и держат несколько секунд. Различают: соленый, горький, сладкий и кислый вкус, а также привкус: хлорный, рыбный, металлический и др.

Запах.

Запах воды свидетельствует или о наличии газов биохимического происхождения (H 2 S и др.) или о присутствии гниющих органических веществ.

Нагревают воду в пробирке с пробкой, а затем нюхают, характер запаха: без запаха, сероводородный, болотный, глинистый, плесневелый и т.д. по баллам (от 0 до 5).

Удельный вес (плотность, г/см 3 ).

Зависит от величины минерализации, температуры, газонасыщенности и др.). Он определяется: ориентировочно – ареометром, точно – пикнометром, при определенной температуре.