A víz izotóp-összetétele a vízben lévő különböző izotóptömegű (izotóp-) molekulák százalékos aránya. A könnyű stabil 1 H 2 16 O izotópokból álló víz ("könnyű víz", ellentétben a megnövelt mennyiségű nehézhidrogén 2 H izotópot tartalmazó " nehézvízzel " ) a természetes vízben 99,73 - 99,76 mol%. [1] [2]
Az izotópok ugyanazon kémiai elem atomjainak változatai, amelyek azonos nukleáris töltéssel és az elektronhéjak szerkezetével rendelkeznek, és amelyek az atommagok tömegében különböznek egymástól. A tömegkülönbség abból adódik, hogy az izotópmagok ugyanannyi p protont és eltérő számú n neutront tartalmaznak . Különböző izotópatomok kombinációi izotóp-molekulák halmazát adják.
Az izotopológusok olyan molekulák, amelyek csak az őket alkotó atomok izotóp-összetételében különböznek egymástól. Az izotopológ egy bizonyos kémiai elem legalább egy atomjából áll, amely a neutronok számában különbözik a többitől.
A vízmolekula két hidrogénatomból és egy oxigénatomból áll.
A hidrogénizotópok létezését először G. Urey amerikai fizikai kémikus [3] 1932-es publikációja erősítette meg .
A hidrogénnek két stabil izotópja van - a protium (H) - 1 H és a deutérium (D) - 2 H.
Az oxigénnek három stabil izotópja van: 16 O, 17 O és 18 O (1. táblázat).
| Elem | Hidrogén | Oxigén | |||
|---|---|---|---|---|---|
| Izotóp | H | D | 16 O | 17 O | 18 O |
| A protonok száma az atommagban | egy | egy | nyolc | nyolc | nyolc |
| A neutronok száma az atommagban | 0 | egy | nyolc | 9 | tíz |
| Atomtömeg | egy | 2 | 16 | 17 | tizennyolc |
A hidrogén és az oxigén 5 stabil izotópjának kombinációja 9 vízizotopológ molekulát ad (2. táblázat).
| izotólóg | 1 H 2 16 O | 1 HD 16 O | D216O _ _ _ | 1 H 2 17 O | 1 HD 17 O | D217O _ _ _ | 1 H 2 18 O | 1 HD 18O _ | D218O _ _ _ |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| A hidrogén izotópjai | 1H_ _ | 1 H, D | D | 1H_ _ | 1 H, D | D | 1H_ _ | 1 H, D | D |
| Az oxigén izotópjai | 16 O | 16 O | 16 O | 17 O | 17 O | 17 O | 18 O | 18 O | 18 O |
| Molekulatömeg | tizennyolc | 19 | húsz | 19 | húsz | 21 | húsz | 21 | 22 |
Az 1 H 2 16 O molekula a legkönnyebb az összes vízizotopológ közül. Ez az 1 H 2 16 O víz, amelyet klasszikus vagy könnyű víznek kell tekinteni.
A könnyű víz, mint monoizotóp összetétel Az 1 H 2 16 O az izotóptisztaság határesete. Természetes körülmények között ilyen tiszta könnyű víz nem létezik. Az 1 H 2 16 O izotopológ előállításához a természetes vizek finom többlépcsős tisztítását hajtják végre, vagy szintetizálják az 1 H 2 és 16 O 2 kezdeti elemekből .
A természetes víz izotopológok többkomponensű keveréke. A legkönnyebb izotopológ tartalma jelentősen meghaladja az összes többi együttes koncentrációját. A természetes vizekben 1 000 000 molekula tartalmaz átlagosan 997 284 molekula 1 H 2 16 O-t, 311 molekula 1 HD 16 O-t, 390 molekula 1 H 2 17 O -t és körülbelül 2005 molekula 1 H 2218 O-t .
A D, 17 O, 18 O nehéz izotópokat tartalmazó vízmolekulák koncentrációja a természetes vízben a SMOW és SLAP hidroszféra izotópösszetételének fő szabványaiban rögzített határokon belül változik (3. táblázat). A természetes vízben található izotopológok tömegmennyiségét tartalmuk molekulaspektroszkópiával történő közvetlen meghatározása alapján számítják ki [4] .
| Víz izotólóg | Molekulatömeg | Tartalom, g/kg | |
|---|---|---|---|
| SMOW | POCS | ||
| 1 H 2 16 O | 18.01056470 | 997.032536356 | 997.317982662 |
| 1 HD 16 O | 19.01684144 | 0,328000097 | 0,187668379 |
| D216O _ _ _ | 20.02311819 | 0,000026900 | 0,000008804 |
| 1 H 2 17 O | 19.01478127 | 0,411509070 | 0,388988825 |
| 1 HD 17 O | 20.02105801 | 0,000134998 | 0,000072993 |
| D217O _ _ _ | 21.02733476 | 0,000000011 | 0,000000003 |
| 1 H 2 18 O | 20.01481037 | 2,227063738 | 2,104884332 |
| 1 HD 18O _ | 21.02108711 | 0,000728769 | 0,000393984 |
| D218O _ _ _ | 22.02736386 | 0,000000059 | 0,000000018 |
A 3. táblázatból látható, hogy a természetes vízben a nehéz izotopológok tömegkoncentrációja elérheti a 2,97 g/kg-ot, ami jelentős érték, összevethető például az ásványi sók tartalommal.
Extra tiszta könnyű víznek minősül az a természetes víz, amely az 1 H 2 16 O izotopológ tartalmában közel áll a SLAP szabványhoz, valamint speciálisan tisztított, a SLAP szabványhoz képest jelentősen megnövelt arányban ezen izotopológból. definíció, amely a való életben is alkalmazható).
Könnyű vízben a legkönnyebb izotopológ aránya (mol.%):
99,76 < 1 H 2 16 O ≤ 100.
Ha a SMOW szabványnak megfelelő vízből eltávolítunk minden 2,97 g/kg tömegű nehéz molekulát és 1 H 2 16 O-val helyettesítjük, akkor 1 liter ilyen könnyű és izotóp tiszta víz tömege 250 mg-mal csökken. . Így a könnyű víz paraméterei, mindenekelőtt „könnyűsége” és izotópösszetétele mérhető olyan módszerekkel, mint a tömegspektrometria , gravimetria , lézeres abszorpciós spektroszkópia [6] , NMR .
A természetes vizek nehéz hidrogén- és oxigénizotóp-tartalmát a Nemzetközi Atomenergia Ügynökség (NAÜ) által bevezetett két nemzetközi szabvány [7] [8] határozza meg :
A VSMOW nemzetközi szabvány szerint az óceánvíz deutérium és oxigén-18 abszolút tartalma [9] : D VSMOW / 1 H VSMOW=(155,76±0,05)⋅10 −6 , vagy 155,76 ppm 18 O VSMOW/ 16 O VSMOW \u003d (2005,20 ± 0,45) ⋅ 10 -6 vagy 2005 ppm. A SLAP szabványnál a vízben a koncentrációk [10] : deutérium D/H=89⋅10 −6 vagy 89 ppm, oxigén-18 18 O/ 16 O=1894⋅10 −6 vagy 1894 ppm.
A VSMOW izotóp-összetételének megfelelő 1 H 2 16 O könnyű izotólóg tartalma a vízben 997,0325 g/kg (99,73 mol%). A SLAP izotóp-összetételének megfelelő legkönnyebb izotopológ aránya a vízben 997,3179 g/kg (99,76 mol%).
A SLAP szabvány a Föld legkönnyebb természetes vizét jellemzi. A víz a világ különböző részein nem egyforma könnyedségében.
Az izotopológusok fizikai, kémiai és biológiai tulajdonságaikban különböznek egymástól (4. táblázat).
| Fizikai tulajdonságok | 1 H 2 16 O | D216O _ _ _ | 1 H 2 18 O |
|---|---|---|---|
| Sűrűség 20 °C-on, g/cm3 | 0,9970 | 1.1051 | 1.1106 |
| Maximális sűrűségi hőmérséklet, °C | 3.98 | 11.24 | 4.30 |
| Olvadáspont 1 atm, °C | 0 | 3.81 | 0,28 |
| Forráspont 1 atm, °C | 100 | 101.42 | 100.14 |
| Gőznyomás 100 °C-on, Torr | 760,00 | 721,60 | 758.10 |
| Viszkozitás 20 °C-on, centipoise | 1.002 | 1.247 | 1.056 |
A vízizotopológok egyensúlyi gőznyomása eltér, és meglehetősen jelentősen. Minél kisebb egy vízmolekula tömege, annál nagyobb a gőznyomás, ami azt jelenti, hogy a vízzel egyensúlyban lévő gőz mindig az oxigén és a hidrogén könnyű izotópjaiban gazdagodik. Az elemek kis tömegét tekintve az izotópok tömegkülönbsége nagy, ezért természetes folyamatokban erősen frakcionálódnak: D/H → 100%, 18 O/ 16 O → 12,5%. A hidrogén és az oxigén izotópjai a leghatékonyabban a víz párolgási-kondenzációs és kristályosodási folyamataiban frakcionálódnak.
A kísérleti vizsgálatok eredményei a könnyű víz és a természetes izotópos összetételű ioncserélt víz fizikai-kémiai tulajdonságai közötti különbséget mutatják [11] .
A természetes víz nehéz izotopológjai 1 H 2 16 O-hoz képest szennyeződések, amelyek egyes tanulmányok szerint szerkezeti hibának tekinthetők [12] .
A víz heterogenitásának megszüntetése az izotóp-összetétel tekintetében a homogenitásának növekedéséhez vezet. A könnyű víz homogénebb folyadék. A vízben természetes koncentrációban található nehéz izotópmolekulák gyakorlatilag nem gyakorolnak észrevehető hatást a nem élő rendszerekre. A fényvíz hatása a legnagyobb mértékben biológiai objektumokban nyilvánul meg, amelyekre kaszkád reakciók jellemzőek.
A nehézvíz magnövekedést gátló (gátló) tulajdonságait először 1934-ben Gilbert Lewis fedezte fel. [13]
A sejtek nehézvízben történő tenyésztése élesen felgyorsítja az öregedési folyamatot, és a tenyészet pusztulásához vezet. [14] [15]
Súlyozott vízzel (3% nehézvíz) táplált emlősökön (egereken) végzett kísérletekben kimutatták, hogy a negatív hatások generációról generációra nőnek, beleértve a hímek aktivitásának és a nőstények laktációs képességének csökkenését, valamint a csökkenést. az újszülöttek súlyában és a gyapjú állapotának romlásában. Az állatok harmadik generációját, amely súlyozott vizet ivott, nem sikerült megszerezni.
Ezzel szemben az alacsony deutériumtartalmú ivóvíz már az első generációban fokozott szexuális aktivitást váltott ki a férfiaknál. A nőstényeknél többes terhességet figyeltek meg az utódok súlyának nagyobb növekedésével. [14] [15]
A bioszisztémák reakciója vízzel való érintkezéskor az izotóp összetételének mennyiségi és minőségi változásaitól függően változhat. Az élőlények evolúciója során olyan biokémiai folyamatok válogattak, amelyek csak egy izotópra, általában a fényre hangoltak [16] . Az emberi szervezetben „izotópfrakcionálódás megy végbe, amely a hidrogén és oxigén nehéz, stabil izotópjainak vízből való eltávolításával jár együtt” [17] . A nehéz izotópok, különösen a deutérium megnövekedett koncentrációjú víz használata kifejezett toxikus hatásokat okoz a szervezet szintjén [18] [19] . Ezzel egyidejűleg a nehéz izotólógokat, különösen a deutériumot és oxigént tartalmazó vizek pozitív biológiai aktivitását (a természeteshez viszonyítva) több helyen is feljegyezték 18 [20] [21] . Az Orosz Tudományos Akadémia Orvosbiológiai Probléma Intézetében és az Orosz Tudományos Akadémia Orvosbiológiai Problémái Intézetében végzett szisztematikus tanulmányok a kozmonauták számára optimális biogén kémiai elemek izotópösszetételű élőhely létrehozásáról azt mutatták, hogy a víz csökkentett a nehéz izotópmolekulák tartalma a nehéz izotópmolekulák természetes tartalmához képest a kozmonauták életfenntartó rendszerének szükséges eleme a hosszú távú repülések során [22]
Univerzális közegként, amelyben minden biológiai reakció végbemegy, a könnyű víz megnöveli e reakciók sebességét a természetes izotópos összetételű vízhez képest. Ezt a hatást oldószerkinetikus izotóphatásnak nevezik [23] .
A könnyű víz transzport tulajdonságait a természetes víz összetételében lévő nehéz izotopológok hatásának vizsgálata során igazolták a karmos békák szaglórendszeréből a metilénkék festék eltávolításának dinamikájára [24] .
A víz nehéz izotólógoktól való megtisztítása hat a legerősebben az élő sejt energia-apparátusára. A mitokondriumok légzőláncát kaszkád reakciók különböztetik meg. A nehéz izotólógok lelassítják a légzési láncreakciók sebességét. A mitokondriumok hidrogén-peroxid-termelésének és a borostyánkősav szubsztrát reakciójának példáján kísérletileg igazoltam a nehézvíz izotólógok általános gátló hatását. Tartalmuk vízben való csökkentése a természetes koncentráció alatti szintre gátolja és jelentősen felgyorsítja a vizsgált reakciót [25] .
A könnyű víz daganatellenes aktivitást mutat, amit a különböző országok kutatóközpontjaiban végzett tudósok munkái mutatnak [26] [27] [28] [29] . G. Shomlai szerint az 1994-2001-ben végzett klinikai vizsgálatok eredményei. Magyarországon kimutatta, hogy a könnyű vizet hagyományos kezelési módszerekkel kombinálva vagy azok után fogyasztó betegek túlélési aránya magasabb, mint a csak kemoterápiát vagy sugárterápiát alkalmazó betegeknél [30] .
A könnyű víz toxikoprotektív tulajdonságait kísérleti vizsgálatok igazolták [31] [32] , amiből az következik, hogy a nehéz izotólógoktól megtisztított könnyűvíz szállító tulajdonságainak köszönhetően hatékonyan távolítja el a szervezetből a méreganyagokat és az anyagcseretermékeket.
A könnyű víz hatását a II-es típusú cukorbetegségben szenvedő betegekre is megfigyelték. Egy 90 napig tartó nyílt preklinikai vizsgálat eredményei azt mutatták, hogy önkénteseknél a könnyű víz hatására az emelkedett éhomi glükózszint és az inzulinrezisztencia csökkent [33] .
Van olyan vélemény is, hogy a könnyű víz különleges biológiai tulajdonságainak megléte nem bizonyított [34] .
Az Egyesült Államok lakosságának depressziós szintje erősen korrelál a deutérium földrajzi eloszlásával, és számos független állatkísérlet megerősítette a depresszió és az anhedonia okozati összefüggését az ivóvíz deutériumtartalmával. Kimutatták, hogy a rendszeres ivóvíz deutériumszegény vízzel való helyettesítése az antidepresszánsokhoz hasonló módon ellensúlyozza a depressziót. A deutériumszegény ivóvíz egy új depresszió-megelőzési stratégia alapja lehet. [35] [36]