О – 0,204%. Химия, казавшаяся в 19-м веке точной наукой, превратилась в оценочную науку, где масса элемента зависит от статистики нахождения тех или иных изотопов элемента на Земле, а «Таблица Менделеева», которую в будущем создадут, к примеру, для Марса будет отличаться от нашей «земной» таблицы.
В 1931 г. американский физик Гарольд Юри (1893—1981) теоретически обосновал существование стабильного изотопа водорода
Н и назвал его дейтерием, а в 1932 г. практически получил его окись – тяжелую воду, ее формула имела такой вид: (
Н)
О. Параллельно с Юри существование дейтерия в 1931 г. доказал американский физик Фрэд Аллисон (1882—1974) и предсказал американский физик Раймонд Бёрдж (1887—1980).
В 1933 г. американский физик Гилберт Льюис (1875—1946) методом многократного электролиза первым получил тяжелую воду из обычной воды и выделил из нее дейтерий
Н. Он же обнаружил, что существует полутяжелая вода, имеющая в своем составе два разных изотопа водорода, т.е. такую формулу – (
Н) (
Н)
О.
Американские физики несколько лет изучали тяжелую воду (
Н)
О и обнаружили, что она химически существенно отличается от обычной воды – имеет другую массу, другие температуры замерзания и кипения, сладковатый вкус. Тяжелая вода стабильна и присутствует повсеместно – в речной воде на тонну воды приходится около 150 мл. тяжелой воды, в морской воде около 165 мл. тяжелой воды. Радиоактивной опасности тяжелая вода не представляет.
В 1934 году австралийский физик Маркус Олифант (1901—2000), работавший в Англии с Резерфордом, при проведении ядерной реакции получил полустабильный (период полураспада до 14 дней) изотоп водорода
Н, названный тритием. Тритий может образовывать супертяжелую воду (
Н)
О, которая радиационно опасна, но накопиться в водоемах не может, ввиду быстрого распада трития.
В настоящее время известны три изотопа водорода Н и три стабильных изотопа кислорода О (всего у кислорода 14 изотопов). Считается, что тонна речной воды может содержать: 2 литра воды (
Н)
О, 300 мл. воды (
Н)
О, 300 мл. полутяжелой воды (
Н) (
Н)
О, 150 мл. тяжелой воды (
Н)
О, и остальное это обычная вода (
Н)
О. Следовательно, в 500 мл. воды в вашем чайнике может быть около 2,5 мл. «другой» воды, в которой около 0,4 мл. тяжелой и полутяжелой воды.
Изотопный состав воды зависит от ее происхождения, возраста, этапов «жизни». В тонком плане явно отличаются изотопные составы речной воды, морской воды, колодезной воды, ключевой воды, воды полученной таянием снега, воды полученной таяньем льда, горной воды, воды текущей с ледников, воды из айсбергов и т. п. Нужно ли это все учитывать? Наука и практика однозначного ответа не дает, а дешевых и надежных методов исправления изотопного состава воды не существует. Следствием этого явилось то, что практически все эксперименты с водой проведены не с обычной водой (
Н)
О, а с этой водой с некоторым набором ее изотопных «братьев».
Сложной оказалась структура молекулы воды – здесь и далее под этим термином мы понимаем обычную воду (
Н)
О – и взаимное расположение молекул жидкой воды в занимаемом объеме.
В молекуле воды атомы водорода относительно атома кислорода образуют равнобедренный треугольник, расположение атомов в молекуле воды, в состоянии жидкости, показано на рис 3. Размеры на рисунке приведены в ангстремах ?, как это принято в ядерной физике. Связано это с тем, что один ангстрем приблизительно равен диаметру орбиты электрона в атоме водорода. С другой стороны 1?=10
м. Отсюда следует, что по диаметру блюдца с водой (15 см) могут поместиться около миллиарда молекул воды.
Размеры молекулы, при изменении водой своего агрегатного состояния, меняются незначительно: молекула пара сжимается на 1%, молекула льда расширяется на 4%. Последнее свойство приводит к тому, что лед плавает в обычной воде, и водоем замерзает не всем своим объемом, а последовательно сверху – вниз.
Однако молекулы воды далеко не стабильны. Даже самая чистая вода обладает способностью к химической диссоциации – распаду некоторой части пар молекул Н
О в объеме жидкости на отрицательный ион гидроксила (ОН
) и положительный ион гидроксония (Н
О+). Этот процесс носит обратимый характер и может быть охарактеризован такой формулой:
2Н
О ? (ОН
) + (Н
О+) ? 2Н
О
Свойство диссоциации у воды приводит к тому, что даже чистая вода, не имеющая никаких посторонних примесей, например дистиллированная по ГОСТ 6709—72, может иметь при температуре +18
С проводимость около 0,75 микросименс.
Рис. 3