Изотопный состав воды — процент содержания молекул с различной изотопной массой (изотопологов) в воде. Содержание воды, состоящей из лёгких стабильных изотопов 1H216O («лёгкой воды», в отличие от содержащей повышенное количество тяжелого изотопа водорода 2H «тяжёлой воды») в природной воде составляет 99.73 — 99.76 мол.%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.. Также есть полутяжёлая вода, сверхтяжёлая вода.

Изотопика воды

Изотопы — разновидности атомов одного и того же химического элемента, имеющие одинаковые заряд ядра и строение электронных оболочек, различающиеся по массе ядер. Разница масс обусловлена тем, что ядра изотопов содержат одинаковое число протонов p и различное число нейтронов n. Комбинации различных атомов-изотопов дают набор молекул-.

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) — 1H и дейтерий (D) — 2H.

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

+ Таблица 1. Изотопы воды ЭлементВодородКислород Изотоп Н D 16O 17O 18O Количество протонов в ядре 1 1 8 8 8 Количество нейтронов в ядре 0 1 8 9 10 Атомная масса 1 2 16 17 18 Комбинации 5 стабильных изотопов водорода и кислорода дают набор 9 молекул-изотопологов воды (табл.2).

+ Таблица 2. Изотопологи воды Изотополог 1H216O 1HD16O D216O 1H217O 1HD17O D217O 1H218O 1HD18O D218O Изотопы водорода 1H 1H, D D 1H 1H, D D 1H 1H, D D Изотопы кислорода 16O 16O 16O 17O 17O 17O 18O 18O 18O Молекулярная масса 18 19 20 19 20 21 20 21 22 Молекула 1H216O является самой лёгкой из совокупности всех изотопологов воды. Именно воду 1H216O следует считать классической или лёгкой водой.

Лёгкая вода как моноизотопная композиция 1H216O является предельным случаем изотопной чистоты. В естественных условиях такой чистой лёгкой воды не существует. Для получения изотополога 1H216O ведут тонкую многостадийную очистку природных вод или синтезируют из исходных элементов 1H2 и 16O2.

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 1H216O, 311 молекул 1HD16O, 390 молекул 1H217O, и около 2005 молекул 1H218O.

Концентрация молекул воды, содержащих тяжёлые изотопы D, 17O, 18O, 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 спектроскопииRothman et al., J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 1998, 60, 665. Rothman et al., J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 2003, 82, p.9..

+ 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 1H216O 18,01056470 997,032536356 997,317982662 1HD16O 19,01684144 0,328000097 0,187668379 D216O 20,02311819 0,000026900 0,000008804 1H217O 19,01478127 0,411509070 0,388988825 1HD17O 20,02105801 0,000134998 0,000072993 D217O 21,02733476 0,000000011 0,000000003 1H218O 20,01481037 2,227063738 2,104884332 1HD18O 21,02108711 0,000728769 0,000393984 D218O 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 1H216O 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 < 1H216O ≤ 100.

Если из воды, отвечающей стандарту SMOW, удалить все тяжёлые молекулы, массовое содержание которых составляет 2,97 г/кг и заменить их на 1H216O, 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 спектроскопияLis G., Wassenaar L. I., Hendry M. J. High-Precision Laser Spectroscopy D/H and 18O/16O Measurements of Microliter Natural Water Samples.// Anal. Chem. 2008. V. 80 (1). P. 287—293, ЯМР.

Международные стандарты на природные воды различного изотопного состава Содержание тяжёлых изотопов водорода и кислорода в природных водах определяется двумя международными стандартами, введенными Международным агентством по атомной энергии (МАГАТЭ)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.: 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 составляетHagemann 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. : D VSMOW /1H VSMOW=(155,76±0,05), или 155,76 ppm 18O VSMOW/16O VSMOW =(2005,20±0,45), или 2005 ppm. Для стандарта SLAP концентрации в воде составляютDe 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.: дейтерия D/H=89 или 89 ppm, кислорода-18 18O/16O=1894 или 1894 ppm.

Содержание лёгкого изотополога 1H216O в воде, соответствующей по изотопному составу VSMOW, составляет 997,0325 г/кг (99,73 мол. %). Доля самого лёгкого изотополога в воде, соответствующей по изотопному составу SLAP, составляет 997,3179 г/кг (99,76 мол. %).

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).

+ Таблица 4. Изменение физических свойств воды при изотопном замещении Физические свойства 1H216O D216O 1H218O Плотность при 20 °C, г/см3 0.9970 1.1051 1.1106 Температура максимальной плотности, °C 3.98 11.24 4.30 Температура плавления при 1 атм, °C 0 3.81 0.28 Температура кипения при 1 атм, °C 100 101,42 100,14 Давление пара при 100 °C, Торр 760,00 721,60 758,10 Вязкость при 20 °C, сантипуаз 1,002 1,247 1,056

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 %, 18O/16O →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 составаV.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..

Тяжёлые изотопологи в природной воде являются примесями по отношению к 1H216O, которые по некоторым исследованиям можно рассматривать как дефекты структурыСмирнов 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.

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.