Ծանր ջուր

Ծանր ջուր (նաև՝ դեյտերիումի օքսիդ, նշանակումը՝ 2H2O կամ D2O), ջրի իզոտոպային տարատեսակ, որում ջրածնի մեկ կամ երկու ատոմները փոխարինված են ծանր իզոտոպներով՝ դեյտերիումով (D) կամ տրիտիումով (T), և թթվածնի O16 իզոտոպը կամ փոխարինվում է Օ17 կամ Օ18 իզոտոպներով։ Ծանր ջուր ասելով հիմնականում նկատի են ունենում առավել տարածված HDO և D2O միացությունները (հայտնաբերվել են սովորական ջրում, 1932 թվականին, ԱՄՆ-ում)։ Քիմիական հատկություններով ծանր ջուրը շատ քիչ է տարբերվում սովորականից, մինչդեռ դրանց ֆիզիկական հատկությունները բավական տարբեր են։

 Պատմություն 
Ամերիկացի գիտնական և Նոբելյան մրցանակի դափնեկիր Հարոլդ Յուրին 1931 թվականին հայտնաբերեց դեյտերիում իզոտոպը և հետագայում կարողացավ այն կոնցենտրացնել ջրի մեջ։ Յուրիի ուսուցիչ Գիլբերտ Նյուտոն Լյուիսը 1933 թվականին էլեկտրոլիզի միջոցով առանձնացրեց մաքուր ծանր ջրի առաջին նմուշը։ 1934 թվականին Ջորջ դե Հևեսին և Էրիխ Հոֆերը ծանր ջուր կիրառեցին առաջին կենսաբանական հետագծող փորձերից մեկում՝ գնահատելով մարդու օրգանիզմում ջրի շրջանառության արագությունը։

1934 թվականին Էմիլիան Բրատուն և Օտտո Ռեդլիխը ուսումնասիրեցին ծանր ջրի ավտոտարանջատումըEm. Bratu, E. Abel, O. Redlich, Die elektrolytische Dissoziation des schweren Wassers; vorläufige Mitttelung, Zeitschrift für physikalische Chemie, 170, 153 (1934)։ 1930-ականներին Միացյալ Նահանգներն ու Խորհրդային Միությունը կասկածում էին, որ ավստրիացի քիմիկոս Ֆրից Յոհան Հանսգիրգը Ճապոնիայի կայսրության համար՝ Ճապոնիայի կողմից վերահսկվող Հյուսիսային Կորեայում, կառուցել է փորձնական գործարան՝ իր մշակած նոր գործընթացով ծանր ջուր արտադրելու նպատակով։

Երկրորդ համաշխարհային պատերազմի տարիներին Շվեդիայի Լյունգավերկ քաղաքում գործող «Ֆոսֆատբոլագետ» ընկերությունն տարեկան արտադրում էր մոտ 2300 լիտր ծանր ջուր, որը վաճառվում էր ինչպես Գերմանիային, այնպես էլ «Մանհեթենյան նախագծին»՝ 1,40 շվեդական կրոն գնով մեկ գրամի համար։

1939 թվականի հոկտեմբերին խորհրդային ֆիզիկոսներ Յակով Զելդովիչը և Յուլի Խարիտոնը եզրակացրին, որ ծանր ջուրն ու ածխածինը բնական ուրանի ռեակտորի միակ հնարավոր դանդաղեցուցիչներն են։ 1940 թվականի օգոստոսին նրանք՝ Գեորգի Ֆլյորովի հետ միասին, Ռուսաստանի Գիտությունների ակադեմիային ներկայացրին մի ծրագիր, ըստ որի ռեակտորի կառուցման համար անհրաժեշտ էր 15 տոննա ծանր ջուր։ Սակայն, քանի որ ԽՍՀՄ-ն այդ շրջանում ուրանի հանքավայրեր չուներ, երիտասարդ գիտնականներին ուղարկեցին Լենինգրադի լուսանկարչական արհեստանոցներ՝ ուրանի նիտրատ ձեռք բերելու։ Ծրագիրը դադարեցվեց 1941 թվականին՝ «Բարբարոսա» գործողության ընթացքում գերմանական զորքերի ներխուժման պատճառով։

1943 թվականին խորհրդային գիտնականները պարզեցին, որ Արևմուտքում ծանր ջրի վերաբերյալ ամբողջ գիտական գրականությունը անհետացել էր։ Ֆլյորովը այդ մասին նամակով տեղեկացրեց Ստալինին։ Այդ պահին ԽՍՀՄ-ում կար ընդամենը 2–3 կգ ծանր ջուր։ Նույն թվականին ԱՄՆ-ում գտնվող խորհրդային գնումների հանձնաժողովը ձեռք բերեց 1 կգ ծանր ջուր, իսկ 1945 թվականի փետրվարին՝ ևս 100 կգ։ Պատերազմից հետո նախագիծը վերահսկվում էր ՆԿՎԴ-ի կողմից։

1946 թվականի հոկտեմբերին, «Ռուսական Ալսոս» ծրագրի շրջանակում, ՆԿՎԴ-ն Գերմանիայից Խորհրդային Միություն արտաքսեց ծանր ջրի արտադրության վրա աշխատող մի շարք գերմանացի գիտնականների, այդ թվում՝ Կառլ-Հերման Գեյբին՝ Գիրդլերի սուլֆիդային գործընթացի գյուտարարին։ Նրանք աշխատում էին Մոսկվայի ֆիզիկական քիմիայի ինստիտուտում՝ գերմանացի ֆիզիկոս-քիմիկոս Մաքս Վոլմերի ղեկավարությամբ։ Գիտնականների կառուցած գործարանը մինչև 1948 թվականը արտադրում էր մեծ քանակությամբ ծանր ջուր։

 Բնության մեջ 
Սովորական և ծանր ջրերի հարաբերությունը կազմում է՝ H2O ։ D2O=5000 ։ 1

 Ֆիզիկական հատկությունները 
D2O-ն ֆիզիկական հատկություններով զգալիորեն տարբերվում է սովորական ջրից, թեև նույնպես՝ անգույն, անհամ հեղուկ է։ Հարաբերական մոլեկուլային զանգվածը 20 է։ ρ=1,1 գ/մլ, սառչում է 3,82 °C-ում, եռում է 101,4 °C-ում։

 Կենսաբանական դերը և ֆիզիոլոգիական ազդեցությունները 
Ծանր ջուրը միայն թեթևակի թունավոր է։ Դրա միջավայրում քիմիական ռեակցիաները տեղի են ունենում ավելի դանդաղ՝ համեմատած սովորական ջրի հետ։ Դեյտերիումի մասնակցությամբ ջրածնային կապերը մի փոքր ավելի ուժեղ են, իսկ լույս և ծանր նուկլիդների զանգվածների տարբերության պատճառով իոնափոխանակման գործընթացների կինետիկան զգալիորեն փոխվում է. մասնավորապես՝ դանդաղում է դեյտերիումի մասնակցությամբ ռեակցիաներում։ D և 1H պարունակող որոշ նյութերի համար քիմիական ռեակցիայի արագությունները տարբերվում է 5-10 անգամ։

Ձկներն ու անողնաշարավորները մահանում են միայն այն դեպքում, երբ օրգանիզմում ջրի մոտ 90%-ը փոխարինված է դեյտերիումով։ Նախակենդանիները կարող են հարմարվել մինչև 70% դեյտերացված ջրին, իսկ որոշ ջրիմուռներ և մանրէներ կարող են գոյատևել նույնիսկ մաքուր ծանր ջրում։

Մարդը կարող է խմել մի քանի բաժակ ծանր ջուր՝ առանց տեսանելի վնասի առողջությանը։ Դեյտերիումը մի քանի օրվա ընթացքում դուրս է բերվում օրգանիզմից։ Օրինակ՝ մի փորձի ժամանակ, որի նպատակը վեստիբուլյար ապարատի և աչքերի ակամա շարժումների (նիստագմի) փոխազդեցության ուսումնասիրությունն էր, կամավորներին տրվել էր 100–200 գրամ ծանր ջուր։ Քանի որ ծանր ջուրը ավելի խիտ է, դրա կլանումը կիսաշրջանաձև ջրանցքների գելանման կառուցվածքներով խաթարում է էնդոլիմֆի չեզոք լողունակությունը՝ առաջացնելով տարածական կողմնորոշման թեթև խանգարումներ, մասնավորապես նիստագմ։ Այս ազդեցությունը նման է ալկոհոլի օգտագործման հետևանքով առաջացողին. սակայն վերջին դեպքում խտությունը նվազում է, քանի որ էթիլ սպիրտի խտությունը փոքր է ջրից։

Այսպիսով, ծանր ջուրը զգալիորեն պակաս թունավոր է, քան, օրինակ, սեղանի աղը։ Այն նույնիսկ օգտագործվել է մարդկանց մոտ զարկերակային հիպերտոնիայի բուժման փորձերում՝ օրական 10-ից մինչև 675 գրամ D₂O դեղաչափերով։

 Ստացումը 
Ջրի էլեկտրոլիզի ժամանակ արագ էլեկտրոլիզվում է H2O-ն և այս պրոցեսում ջուրը հարստանում է ծանր ջրով։ Այսպես ստանում են ծանր ջուր։

 Կիրառությունը 
Այն կիրառում են ատոմային ռեակտորներում, որպես նեյտրոնների դանդաղեցուցիչներ, ինչպես նաև դեյտերիում պարունակող այլ նյութեր ստանալու համար։

 Ծանոթագրություններ 

Կատեգորիա:Թթվածնային միացություններ
Կատեգորիա:Ջուր