Различия между тяжелой и легкой водой выявлены на квантовом уровне

Алан Сопер (Alan Soper) из лаборатории им. Резерфорда в Оксфордшире (Великобритании) и Крис Бенмор (Chris Benmore) из Национальной Лаборатории в Аргонне (штат Иллинойс, США) опубликовали результаты сравнительного изучения свойств тяжелой и легкой воды в журнале Physical Review Letters.

В своей работе д-р Сопер и д-р Бенмор исследовали различия между легкой и тяжелой водой на квантовом уровне. Они использовали комбинацию методов – дифракцию рентгеновских лучей и нейтронов, а также компьютерное моделирование – для изучения различий в структурировании тяжелой и легкой воды.

Тяжелая вода D2O с точки зрения химии является изотопическим вариантом обычной воды H2O, при этом каждый из атомов дейтерия D имеет дополнительный нейтрон, в то время как обычный водородный атом содержит только протон. Эти избыточные нейтроны делают тяжелую воду приблизительно на 10% более плотной, чем H2O. Тяжелую воду иногда образно называют "мертвой", поскольку экспериментально было установлено, что потребление только тяжелой воды приводит к гибели животных, однако этот процесс требует нескольких дней, и механизм его не до конца ясен. В принципе тяжелая вода токсична лишь в слабой степени, к тому же в природе тяжелая вода составляет лишь очень незначительную долю обычной воды (примерно 0,5x10^-7).

В ходе изучения тяжелой и легкой воды А.Сопер и К.Бенмор получили некоторые результаты, которые противоречат ранее сделанным экспериментальным и теоретическим работам. Они установили, что связь OH в молекуле H2O приблизительно на 0,03 ангстрема (или на 3%) длиннее связи OD в молекуле D2O. Водородная связь, с помощью которой соединены две соседние молекулы воды, наоборот, короче в H2O, чем в D2O. Разница достигает 0,07 ангстрема, или 4%. Ни одно из этих различий в длине связи не было предсказано в предыдущих исследованиях.

Эти различия в длине внутримолекулярной и водородной связи приводят к тому, что возникают и геометрические различия между структурами легкой и тяжелой воды. Если раньше считалось, что структура H2O в целом подобна структуре D2O, только отличается меньшей плотностью упаковки, то теперь, по мнению Сопера и Бенмора, можно указать по крайней мере три существенных различия.

Во-первых, OH-связи в H2O более симметричны, чем OD-связи в D2O. Далее, расстояние между атомами водорода в соседних молекулах на 2% больше для H2O, чем в случае D2O. Наконец, число водородных связей в расчете на одну молекулу воды меньше в H2O, чем в D2O (3,62 против 3,76). Все вместе, эти структурные различия приводят к тому, что у тяжелой воды структура связей более близка к правильному тетраэдру.

Исследователи признают, что никаких практических выводов их работа не несет, однако в дальнейшем более точное знание свойств воды поможет при предсказании ее свойств, таких как способность образовывать кристаллы и водные капельки в атмосфере, способность растворять самые различные материалы и т.д., сообщает PhysOrg.