Den isotopiske sammensætning af vand er procentdelen af molekyler med forskellige isotopiske masser (isotopologer) i vand. Indholdet af vand bestående af lette stabile isotoper 1 H 2 16 O ("let vand", i modsætning til " tungt vand " indeholdende en øget mængde tung brintisotop 2 H ) i naturligt vand er 99,73 - 99,76 mol.%. [1] [2]
Isotoper er varianter af atomer af det samme kemiske element, der har den samme kerneladning og strukturen af elektronskaller, der adskiller sig i kernernes masse. Masseforskellen skyldes, at isotopkernerne indeholder det samme antal protoner p og et forskelligt antal neutroner n . Kombinationer af forskellige isotopatomer giver et sæt isotopologmolekyler.
Isotopologer er molekyler, der kun adskiller sig i den isotopiske sammensætning af de atomer, de er sammensat af. En isotopolog er sammensat af mindst et atom af et bestemt kemisk grundstof, som adskiller sig i antallet af neutroner fra resten.
Vandmolekylet består af to brintatomer og et oxygenatom.
Eksistensen af brintisotoper blev først bekræftet i publikationen [3] fra 1932 af den amerikanske fysiske kemiker G. Urey .
Brint har to stabile isotoper - protium (H) - 1 H og deuterium (D) - 2 H.
Ilt har tre stabile isotoper: 16 O, 17 O og 18 O (tabel 1).
| Element | Brint | Ilt | |||
|---|---|---|---|---|---|
| Isotop | H | D | 16 O | 17 O | 18 O |
| Antal protoner i kernen | en | en | otte | otte | otte |
| Antal neutroner i kernen | 0 | en | otte | 9 | ti |
| Atommasse | en | 2 | 16 | 17 | atten |
Kombinationer af 5 stabile isotoper af brint og oxygen giver et sæt af 9 vandisotopologmolekyler (tabel 2).
| isotopolog | 1H216O _ _ _ _ | 1 HD 16 O | D216O _ _ _ | 1H217O _ _ _ _ | 1 HD 17 O | D217O _ _ _ | 1H218O _ _ _ _ | 1 HD 18O _ | D218O _ _ _ |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Isotoper af brint | 1H _ | 1H , D | D | 1H _ | 1H , D | D | 1H _ | 1H , D | D |
| Isotoper af ilt | 16 O | 16 O | 16 O | 17 O | 17 O | 17 O | 18 O | 18 O | 18 O |
| Molekylmasse | atten | 19 | tyve | 19 | tyve | 21 | tyve | 21 | 22 |
1 H 2 16 O-molekylet er det letteste af alle vandisotopologer . Det er vand 1 H 2 16 O, der skal betragtes som klassisk eller let vand.
Let vand som en monoisotopisk sammensætning 1 H 2 16 O er det begrænsende tilfælde af isotopisk renhed. Under naturlige forhold eksisterer sådan rent let vand ikke. For at opnå en isotopolog 1 H 2 16 O udføres eller syntetiseres fin flertrinsrensning af naturligt vand ud fra de oprindelige grundstoffer 1 H 2 og 16 O 2 .
Naturligt vand er en multikomponent blanding af isotopologer. Indholdet af den letteste isotopolog i den overstiger væsentligt koncentrationen af alle de andre kombineret. I naturlige farvande indeholder 1.000.000 molekyler i gennemsnit 997.284 molekyler af 1 H 2 16 O, 311 molekyler af 1 HD 16 O, 390 molekyler af 1 H 2 17 O og omkring 2005 molekyler af 11 H 2 .
Koncentrationen af vandmolekyler indeholdende tunge isotoper D, 17 O, 18 O i naturligt vand varierer inden for de grænser, der er fastsat i hovedstandarderne for isotopsammensætningen af hydrosfæren SMOW og SLAP (tabel 3). Vægtmængder af isotopologer i naturligt vand er beregnet på grundlag af direkte bestemmelse af deres indhold ved molekylær spektroskopi [4] .
| Vand isotopolog | Molekylmasse | Indhold, g/kg | |
|---|---|---|---|
| SMOW | SMÆKKE | ||
| 1H216O _ _ _ _ | 18.01056470 | 997.032536356 | 997.317982662 |
| 1 HD 16 O | 19.01684144 | 0,328000097 | 0,187668379 |
| D216O _ _ _ | 20.02311819 | 0,000026900 | 0,000008804 |
| 1H217O _ _ _ _ | 19.01478127 | 0,411509070 | 0,388988825 |
| 1 HD 17 O | 20.02105801 | 0,000134998 | 0,000072993 |
| D217O _ _ _ | 21.02733476 | 0,000000011 | 0,000000003 |
| 1H218O _ _ _ _ | 20.01481037 | 2,227063738 | 2.104884332 |
| 1 HD 18O _ | 21.02108711 | 0,000728769 | 0,000393984 |
| D218O _ _ _ | 22.02736386 | 0,000000059 | 0,000000018 |
Som det ses af tabel 3, kan vægtkoncentrationen af tunge isotopologer i naturligt vand nå op på 2,97 g/kg, hvilket er en signifikant værdi, f.eks. sammenlignelig med indholdet af mineralsalte.
Naturligt vand, der er tæt på indholdet af isotopologen 1 H 2 16 O til SLAP-standarden, samt specielt renset med en markant øget andel af denne isotopolog sammenlignet med SLAP-standarden, er defineret som ekstra rent let vand (en mindre streng definition, der er anvendelig i det virkelige liv).
I let vand er andelen af den letteste isotopolog (mol.%):
99,76 < 1 H216O ≤ 100 .
Hvis vi fjerner alle tunge molekyler med et masseindhold på 2,97 g/kg fra vand, der opfylder SMOW-standarden og erstatter dem med 1 H 2 16 O, så vil massen af 1 liter af sådant let og isotopisk rent vand falde med 250 mg . Således kan parametrene for let vand, først og fremmest, dets "lethed" og isotopsammensætning måles ved hjælp af metoder som massespektrometri , gravimetri , laserabsorptionsspektroskopi [6] , NMR .
Indholdet af tunge isotoper af brint og ilt i naturlige farvande er bestemt af to internationale standarder indført af Det Internationale Atomenergiagentur (IAEA) [7] [8] :
Ifølge den internationale standard VSMOW er det absolutte indhold af deuterium og oxygen-18 i havvand [9] : D VSMOW / 1 H VSMOW=(155,76±0,05)⋅10 −6 , eller 155,76 ppm 18 O VSMOW/ 16 O VSMOW \u003d (2005.20 ± 0.45) ⋅ 10 -6 , eller 2005 ppm. For SLAP-standarden er koncentrationerne i vand [10] : deuterium D/H=89⋅10 −6 eller 89 ppm, oxygen-18 18 O/ 16 O=1894⋅10 −6 eller 1894 ppm.
Indholdet af den lette isotopolog 1 H 2 16 O i vand svarende til den isotopiske sammensætning af VSMOW er 997,0325 g/kg (99,73 mol.%). Andelen af den letteste isotopolog i vand svarende til den isotopiske sammensætning af SLAP er 997,3179 g/kg (99,76 mol.%).
SLAP-standarden karakteriserer det letteste naturlige vand på Jorden. Vand i forskellige dele af verden er ikke det samme i sin lethed.
Isotopologer adskiller sig fra hinanden i fysiske, kemiske og biologiske egenskaber (tabel 4).
| Fysiske egenskaber | 1H216O _ _ _ _ | D216O _ _ _ | 1H218O _ _ _ _ |
|---|---|---|---|
| Densitet ved 20 °C, g/cm3 | 0,9970 | 1,1051 | 1,1106 |
| Maksimal densitetstemperatur, °C | 3,98 | 11.24 | 4.30 |
| Smeltepunkt ved 1 atm, °C | 0 | 3,81 | 0,28 |
| Kogepunkt ved 1 atm, °C | 100 | 101,42 | 100,14 |
| Damptryk ved 100 °C, Torr | 760,00 | 721,60 | 758,10 |
| Viskositet ved 20 °C, centipoise | 1.002 | 1,247 | 1.056 |
Ligevægtsdamptrykket for vandisotopologer er forskelligt, og det er ganske betydeligt. Jo mindre massen af et vandmolekyle er, jo højere er damptrykket, hvilket betyder, at damp i ligevægt med vand altid er beriget med lette isotoper af ilt og brint. Med hensyn til den lille masse af grundstoffer er forskellen i masser af isotoper stor, derfor er de i stand til at fraktionere stærkt i naturlige processer: D/H → 100 %, 18 O/ 16 O → 12,5 %. Isotoper af brint og oxygen fraktioneres mest effektivt i processerne med fordampning-kondensation og krystallisation af vand.
Resultaterne af eksperimentelle undersøgelser indikerer forskellen i de fysisk-kemiske egenskaber af let vand og deioniseret vand med naturlig isotopsammensætning [11] .
Tunge isotopologer i naturligt vand er urenheder i forhold til 1 H 2 16 O, som ifølge nogle undersøgelser kan betragtes som strukturelle defekter [12] .
Eliminering af vands heterogenitet med hensyn til isotopsammensætning fører til en stigning i dets homogenitet. Let vand er en mere homogen væske. Tunge isotopmolekyler indeholdt i vand i naturlige koncentrationer har praktisk talt ingen mærkbar effekt på ikke-levende systemer. I størst udstrækning manifesteres virkningerne af let vand i biologiske objekter, som er karakteriseret ved kaskadereaktioner.
For første gang blev tungtvands hæmmende (hæmmende) frøvækstegenskaber opdaget i 1934 af Gilbert Lewis. [13]
Dyrkning af celler i tungt vand fremskynder kraftigt ældningsprocessen og fører til kulturens død. [14] [15]
I forsøg på pattedyr (mus), der blev fodret med vægtet vand (3 % tungt vand), blev det vist, at negative effekter øges fra generation til generation, herunder et fald i hannernes aktivitet og evnen til at laktere hos hunner, et fald. i vægten af nyfødte og en forringelse af uldens tilstand. Den tredje generation af dyr, der drak vægtet vand, kunne ikke fås.
Tværtimod forårsagede drikkevand med et lavt deuteriumindhold øget seksuel aktivitet hos mænd allerede i første generation. Hos kvinder blev flerfoldsgraviditet observeret med en større stigning i vægten af afkommet. [14] [15]
Biosystemers reaktion, når de udsættes for vand, kan variere afhængigt af de kvantitative og kvalitative ændringer i dets isotopsammensætning. I løbet af evolutionen af levende organismer var der et udvalg af biokemiske processer med deres tuning til kun én isotop, normalt lys [16] . I den menneskelige krop "opstår isotopfraktionering, ledsaget af fjernelse af tunge stabile isotoper af brint og ilt fra vand" [17] . Brugen af vand med en øget koncentration af tunge isotoper, især deuterium, forårsager udtalte toksiske virkninger på kropsniveau [18] [19] . Samtidig blev positiv biologisk aktivitet af vand med et lavere (i forhold til naturligt) indhold af tunge isotopologer, især deuterium og oxygen, registreret på forskellige steder 18 [20] [21] . Systematiske undersøgelser udført ved Institute of Biomedical Problems of the Russian Academy of Sciences ved Institute of Biomedical Problems of the Russian Academy of Sciences om at skabe et levested for kosmonauter med en optimal isotopsammensætning af biogene kemiske elementer har vist, at vand med en reduceret indhold af tunge isotopmolekyler sammenlignet med det naturlige indhold af tunge isotopmolekyler er en nødvendig komponent i livsstøttesystemet for kosmonauter under langvarige flyvninger [22]
Som et universelt medium, hvori alle biologiske reaktioner finder sted, øger let vand hastigheden af disse reaktioner sammenlignet med vand af naturlig isotopsammensætning. Denne effekt er kendt som den opløsningsmiddelkinetiske isotopeffekt [23] .
Let vands transportegenskaber er blevet bevist i studiet af tunge isotopologers indflydelse i sammensætningen af naturligt vand på dynamikken i fjernelse af farvestoffet methylenblåt fra klørfrøernes lugtesystem [24] .
Rensningen af vand fra tunge isotopologer har den stærkeste effekt på en levende celles energiapparat. Den respiratoriske kæde af mitokondrier er kendetegnet ved kaskadereaktioner. Tunge isotopologer sænker hastigheden af respiratoriske kædereaktioner. Ved at bruge eksemplet med reaktionen af hydrogenperoxidgenerering af mitokondrier med ravsyre som et substrat, er den generelle hæmmende virkning af tungtvandsisotopologer blevet eksperimentelt bevist. Reduktion af deres indhold i vand til et niveau under naturlige koncentrationer deinhiberer og accelererer signifikant den undersøgte reaktion [25] .
Let vand udviser antitumoraktivitet, hvilket er vist i værker af forskere udført i forskningscentre i forskellige lande [26] [27] [28] [29] . Ifølge G. Shomlai, resultaterne af kliniske forsøg udført i 1994-2001. i Ungarn, viste, at overlevelsesraten for patienter, der indtog let vand i kombination med traditionelle behandlingsmetoder eller efter dem, er højere end hos patienter, der kun brugte kemoterapi eller strålebehandling [30] .
Let vands toksicoprotektive egenskaber er blevet bekræftet af eksperimentelle undersøgelser [31] [32] , hvoraf det følger, at let vand, renset fra tunge isotopologer, effektivt fjerner toksiner og stofskifteprodukter fra kroppen på grund af dets transportegenskaber.
Effekten af let vand på patienter med type II diabetes blev også noteret. Resultaterne af et åbent præklinisk studie, der varede 90 dage, viste, at under påvirkning af let vand hos frivillige faldt forhøjede fastende glukoseniveauer og insulinresistens [33] .
Der er også en opfattelse af, at eksistensen af særlige biologiske egenskaber ved letvand ikke er blevet bevist [34] .
Niveauet af depression i den amerikanske befolkning er stærkt korreleret med den geografiske fordeling af deuterium, og en række uafhængige dyreforsøg har bekræftet årsagssammenhængen mellem depression og anhedoni med indholdet af deuterium i drikkevand. Udskiftning af almindeligt drikkevand med deuterium-udtømt vand har vist sig at modvirke depression på en måde, der kan sammenlignes med antidepressiva. Deuterium-udtømt drikkevand kan være grundlaget for en ny depressionsforebyggelsesstrategi. [35] [36]