Страница 11 из 15
Мировой океан, ледники, атмосферная влага — вот природные «фабрики тяжелой и сверхтяжелой воды». «Фабрики», которые работают без выходных — каждый год, каждый час, каждый миг.
Если мы откроем водопроводный кран, то там никогда не будет однородной воды — всегда только «разноизотопная» ее смесь. Причем молекул, содержащих дейтерий D2O и HDO, окажется очень немного, по массе где-то 150 граммов в пересчете на тонну простой воды… Получается, что тяжелая вода есть всюду — в каждой капле, в каждой луже! — проблема в том, как ее взять.
150 граммов в пересчете на тонну. А много это или мало? И вообще, как оценивать подобные соотношения? 0,015 % — цифра явно невелика, чтобы говорить о ее весомости. И тем не менее. Для ее «прочувствования» проведем простейший опыт. В стакан с водой бросим несколько крупичек марганцовки, вообразив при этом, что марганцовка имитирует вкрапления тяжелой воды… Очень наглядный получается опыт. Вся вода окрашивается. А ведь несколько крупиц — это еще далеко не 0,015 %.
Рис. 4. Зависимость между температурой и плотностью протиевой и дейтериевой воды
Возможное существование дейтерия предсказал в начале века Э. Резерфорд, это было одно из тех выдающихся открытий, которые относятся к категории «открытий на кончике пера». Но в 1932 году американский исследователь Гарольд Юри на новогоднем собрании Американской ассоциации развития науки объявил миру об открытии им тяжелого водорода — дейтерия. За это выдающееся достижение ученый был отмечен Нобелевской премией 1934 года.
Потом узнали о тяжелой воде, о ее удивительных свойствах. Оказывается, плотность ее на 10 % больше, чем у обычной. А максимальная плотность наблюдается при плюс 11 градусах, в то время как у обычной воды максимальная плотность бывает только при плюс 4 градусах.
Но все-таки самым отличительным в свойствах тяжелой воды мне показалось то, что она замерзает при положительной температуре, а именно при плюс 3,81 градуса.
Предположить, что именно тяжелая вода концентрируется в осенних льдинах, было бы очень соблазнительно. И такое предположение не противоречило бы физическим законам! Фазовый переход при той температуре, что получается на дне осенней реки, вполне возможен.
Некоторое количество нового вида льда при этом обязательно получится.
Но… разочарование уже поджидало меня. Буквально первые же литературные источники сообщили, что тяжелой воды (D2O) в природе нет. Вернее, почти нет. Дейтерий в природных водах обычно находится в составе молекул, включающих атом кислорода, один атом протия и один дейтерия (HDO).
У этих «гибридных» молекул свойства и поведение несколько иные, чем у тяжелой воды, хотя бы потому, что они лишь на 5 процентов тяжелее обыкновенной — протиевой воды. Разочарование, однако, не обескуражило, а лишь заставило углубить поиск, расширить свои познания. Как? Больше читать физической и химической литературы. Было трудно, но, как говорится, было бы желание, а при желании можно самостоятельно освоить и китайский язык.
Удалось узнать, например, как получают ныне тяжелую воду. Более всего распространены три метода: изотопный обмен воды и сероводорода, дистилляция водорода и многоступенчатый электролиз. Так, например, в последнем методе тяжелая вода концентрируется в остатке электролита. Все эти методы требуют больших затрат энергии и дорогостоящего оборудования. Производительность их невелика.
И вот находка — если сопоставить некоторые физико-химические данные (это узкоспециальный вопрос, и останавливаться на нем здесь не имеет смысла), то согласно известным формулам и зависимостям при понижении температуры в природной воде количество молекул тяжелой воды увеличивается. А количество «гибридных» молекул, наоборот, уменьшается. Что не случайно, а следствие ассоциации и диссоциации молекул — процессов, обязательных при понижении температуры. Так вещество — вода — готовится совершить свой фазовый переход из жидкого в твердое состояние.
В этот период в воде протекают сложные процессы на молекулярном уровне: изменяются водородные связи, структура, появляются удвоенные, а потом и утроенные молекулы. Все эти перемены есть как бы подготовительная работа, вследствие которой нарождается структурное кристаллическое тело — лед.
Этот подготовительный процесс можно назвать своеобразным предкристаллизационным разделением водного раствора. Вода начинает напоминать жидкий кристалл — жидкость находится в некоей пограничной зоне.
Как же при этом ведут себя соединения дейтерия? Как родные братья в трудную пору — они объединяются. Поэтому-то число «гибридных» молекул в растворе уменьшается, а «чистых» дейтериевых и «чистых» протиевых, наоборот, расчет.
И лишь когда наконец созреют условия для фазового перехода, дейтериевые молекулы первыми прореагируют на них. В йоде, в водоеме у дна появятся мельчайшие кристаллики льда.
Эти кристаллики под воздействием течения могут слипаться между собой и образовывать плавающую снежинку. Могут таять и вновь появляться в воде, но уже более крупными кристаллами. Они не могут лишь одного — всплыть. Потому что их плотность больше, чем плотность воды в придонной зоне водоема.
Течение несет образовавшиеся в воде кристаллы, они где-то прилипают ко дну, намораживаются к корягам, камням, к любым преградам, встречающимся на пути. Постепенно кристаллов дейтериевой воды на преградах собирается все больше. Они уже совсем облепили некоторые преграды и образовали на них белые льдины.
Если же преграда на дне оказалась подвижной — а кристаллы вполне могут облепить и такую, — то по дну реки тогда будут кататься шары. Ледяные белые шары, похожие на степное растение, которое принято называть перекати-полем. Водолазы не раз встречали странные шарообразные льдины, которые катило течение по дну замерзающей северной реки.
А всплывают подводные льдины потому, что они сложены не только из кристаллов тяжелой воды, но и некоторого количества простой, протиевой воды, которая всегда должна быть между хаотически намерзшими чуть ранее кристаллами. Такая вода называется кристаллизационной. Она, видимо, остывая у дна водоема, и придает плавучесть подводным льдинам…
Теоретически в моих новых рассуждениях теперь вроде бы все выходило складно: фазовый переход, кристаллы, подводные льдины, представляющие собой некое хаотическое нагромождение кристаллов. Но известен ли в природе такой «бесформенный» лед?
Без особых надежд опять ищу в книгах по гляциологии — какие бывают составы и структура льдин. Хотя со школы помню, что лед — это в первую очередь кристаллическое тело, не случайно же процесс его появления называется кристаллизацией. Наконец нахожу то, что не думал найти.
«Подводный лед имеет весьма разнообразные формы. Как правило, он слагается довольно крупными кристаллами с хаотической ориентировкой». Эврика!
Вот оно, нагромождение смерзшихся мельчайших кристаллов!
Появилась некоторая уверенность. Узнаю больше о тяжелой воде, именно о тяжелой, тяну за ниточку. Оказывается, дейтериевая вода подавляет все живое. Биологически опасное вещество! Значит, не случайно северные народы столь привередливы к воде, вернее ко льду…
Что дальше?
Гипотез о всевозможных свойствах дейтерия высказано в литературе больше, чем достаточно. Но фактических данных, подтвержденных опытом, крайне мало. Приходится только удивляться, как могли авторы иных высказываний строить свои выводы, располагая столь скудной исходной информацией?
Сведения о переносе дейтерия у разных авторов порой существенно отличаются. Чему верить? Информация догадок порой явно преобладает над информацией факта.
Конечно, со временем, возможно, все и изменится, будет разложено по своим полочкам, пока же причина такого разнобоя мнений (или неосведомленности?), по-моему, в… чрезвычайно высокой цене дейтерия на рынке, в огромной потребности в нем. И в секретности, которой окутаны работы с дейтерием.