Изотопный состав воды

Изотопный состав воды — процент содержание 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.%. ^[1][2]

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-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.

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

Элемент	Водород		Кислород
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 спектроскопии ^[3].

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), ^[4].

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 спектроскопия^[5], 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)^[6][7]:

• 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^[8] : D VSMOW /¹H VSMOW=(155,76±0,05)·10⁻⁶, или 155,76 ppm ¹⁸O VSMOW/¹⁶O VSMOW =(2005,20±0,45)·10⁻⁶, или 2005 ppm. Для стандарта SLAP концентрации в воде составляют^[9]: дейтерия D/H=89·10⁻⁶ или 89 ppm, кислорода-18 ¹⁸O/¹⁶O=1894·10⁻⁶ 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.

Свойства и эффекты лёгкой 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 состава^[10].

Тяжёлые изотопологи в природной воде являются примесями по отношению к ¹H₂¹⁶O, которые по некоторым исследованиям можно рассматривать как дефекты структуры ^[11].

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.

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 ^[12]. В организме человека происходит «фракционирование изотопов, сопровождающееся удалением тяжёлых стабильных изотопов водорода и кислорода воды»^[13]. Применение воды с повышенной концентрацией тяжёлых изотопов, в частности, дейтерия, вызывает выраженные токсические эффекты на уровне организма ^[14][15]. 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^[16][17]. 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 ^[18]

Биологические свойства

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 ^[19].

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 ^[20].

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 ^[21].

Лёгкая вода проявляет противоопухолевую активность, что показано в работах учёных, проводимых в исследовательских центрах разных стран ^{[22][23][24][25]}. 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 ^[26].

Токсикопротекторные свойства легкой воды подтверждены экспериментальными исследованиями ^[27] , из которых следует, что легкая вода, очищенная от тяжелых изотопологов, за счет своих транспортных свойств эффективно выводит токсины и продукты метаболизма из организма.

См. также

• Вода
• Тяжёлая вода

Примечания

1. ↑ Кульский Л. А., Даль В. В., Ленчина Л. Вода знакомая и загадочная.- Киев: «Радянська школа», 1982.- 120 с.
2. ↑ Петрянов-Соколов И. В. Самое необычное вещество в мире.// Химия и жизнь. 2007. № 1. с.26.
3. ↑ Rothman et al., J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 1998, 60, 665. Rothman et al., J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 2003, 82, p.9.
4. ↑ Патент RU 2295493. «Способ и установка для производства лёгкой воды». Соловьев С. П.
5. ↑ Lis 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
6. ↑ Ферронский В. И., Поляков В. А. Изотопия гидросферы. М.: Наука, 1983 г.
7. ↑ Craig, H. Standard for Reporting Concentrations of Deuterium and Oxygen-18 in Natural Waters. // Science. 1961. V. 133. PP. 1833−1834.
8. ↑ 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.
9. ↑ 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.
10. ↑ 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.
11. ↑ 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
12. ↑ 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.
13. ↑ 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.
14. ↑ Денько Е. И. Действие тяжёлой воды (D2O) на клетки животных, растений и микроорганизмы. // Усп. совр. биол.. 1970. Т. 70, № 4, С. 41.
15. ↑ Лобышев В. И. Механизмы термодинамических и кинетических изотопных эффектов D2O в биологических системах Автореф. докт. диссертации. Москва, — 1987 (биофак МГУ)
16. ↑ GLEASON J.D., FRIEDMAN I. Oats may grow better in water depleted in oxygen 18 and deuterium. NATURE 256, 305 (24 July 1975)
17. ↑ Bild W, Năstasă V, Haulică I. In vivo and in vitro research on the biological effects of deuterium-depleted water: 1. Influence of deuterium-depleted water on cultured cell growth. // Rom J. Physiol. 2004. V.41. N 1-2. P:53-67.
18. ↑ Sinyak Y., Grigoriev A., Gaydadimov V., Gurieva T., Levinskih M., Pokrovskii B. Deuterium-free water (1H2O) in complex life-support systems of long-tern space missions. // Acta Astronautica. 2003. V. 52, P. 575.
19. ↑ Райхардт К. «Растворители и эффекты среды в органической химии». -М.: «Мир», 1991. — 763 с.
20. ↑ Т.Н. Бурдейная, В.А. Поплинская, А.С. Чернопятко, Э.Н. Григорян. Влияние легкой воды на динамику выведения красителя из обонятельной системы личинок Xenopus laevis // Вода: химия и экология 2011.-№9 - C. 86-91
21. ↑ Pomytkin I.A., Kolesova O.E. //Bulletin of Experimental Biology and Medicine. 2006. V.142. N 5.
22. ↑ Gyöngyi Z, Somlyai G. Deuterium depletion can decrease the expression of C-myc Ha-ras and p53 gene in carcinogen-treated mice. // In Vivo. 2000. V.14. N.3. P. 437.
23. ↑ Berdea P., Cuna S., Cazacu M., Tudose M. Deuterium variation of human blood serum. // Studia Universitatis Babeş-Bolyai, Physica. 2001. Special issue
24. ↑ Krempels K., Somlyai I., Somlyai G. A Retrospective Evaluation of the Effects of Deuterium Depleted Water Consumption on 4 Patients with Brain Metastases from Lung Cancer. // Integrative Cancer Therapies. 2008. V.7. N.3. P. 172—181.
25. ↑ Cong F.-S., Zhang Y.-R., Sheng H.-C., Ao Z.-H., Zhang S.-Y., Wang J.-Y. Deuterium-depleted water inhibits human lung carcinoma cell growth by apoptosis. // Experimental and Therapeutic Medicine. 2010. V.1. N.2. P.277-283
26. ↑ Somlyai G. «Let’s Defeat Cancer!». Akadémiai Kiadó, Budapest, 2001.
27. ↑ Doina P.M. et al., Bulletin UASVM, Veterinary Medicine. 2008. V.65(1). P.1843

Ссылки

• SMOW  (англ.)
• Isotopologue  (англ.)
• БСЭ. Изотопные методы в геологии