Номер 5, страница 53 - гдз по химии 8 класс учебник Габриелян

Почему дейтериевую воду D₂O называют тяжёлой водой?

Дейтериевую воду ($D_2O$) называют «тяжёлой» из-за большей массы её молекул по сравнению с молекулами обычной, или «лёгкой», воды ($H_2O$). Это различие обусловлено изотопным составом водорода.

Водород в природе существует в виде нескольких изотопов — атомов с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов в ядре.

• Протий ($^1H$ или $H$) — самый распространённый изотоп водорода. Его ядро состоит только из одного протона. Обычная вода состоит из протия и кислорода, её формула — $H_2O$.
• Дейтерий ($^2H$ или $D$) — стабильный изотоп водорода, ядро которого содержит один протон и один нейтрон. Он примерно в два раза тяжелее протия.

Из-за наличия нейтрона в ядре дейтерия, его атомная масса почти вдвое больше атомной массы протия. Следовательно, молекула тяжёлой воды $D_2O$, где два атома дейтерия соединены с атомом кислорода, имеет большую молекулярную массу, чем молекула лёгкой воды $H_2O$.

• Молярная масса лёгкой воды ($H_2O$) составляет примерно $M(H_2O) \approx 2 \times 1.008 + 15.999 \approx 18.015 \text{ г/моль}$.
• Молярная масса тяжёлой воды ($D_2O$) составляет примерно $M(D_2O) \approx 2 \times 2.014 + 15.999 \approx 20.027 \text{ г/моль}$.

Это различие в массе (около 11%) приводит к тому, что тяжёлая вода имеет большую плотность. При стандартных условиях плотность $D_2O$ составляет примерно 1,107 г/см³, в то время как плотность $H_2O$ — около 1,000 г/см³. Из-за этой большей массы и плотности вода, состоящая из дейтерия, и получила своё название — «тяжёлая вода».

Ответ: Дейтериевую воду называют тяжёлой, потому что входящий в её состав изотоп водорода дейтерий ($D$) почти в два раза тяжелее обычного водорода протия ($H$) за счёт наличия в ядре дополнительного нейтрона. Вследствие этого молекулы $D_2O$ тяжелее молекул $H_2O$, а плотность тяжёлой воды примерно на 11% выше плотности обычной воды.

Подготовьте сообщение «Сравнение свойств лёгкой и тяжёлой воды», пользуясь дополнительными источниками информации.

Сообщение: Сравнение свойств лёгкой и тяжёлой воды

Лёгкая (обычная) вода ($H_2O$) и тяжёлая (дейтериевая) вода ($D_2O$) являются изотопологами — молекулами, которые отличаются только изотопным составом. Несмотря на химическое сходство, разница в массе атомов водорода приводит к заметным различиям в их физических, химических и биологических свойствах.

1. Молекулярный состав и масса

• Лёгкая вода ($H_2O$): Состоит из двух атомов протия ($^1H$) и одного атома кислорода. Молярная масса $\approx 18.015 \text{ г/моль}$.
• Тяжёлая вода ($D_2O$): Состоит из двух атомов дейтерия ($^2H$ или $D$) и одного атома кислорода. Молярная масса $\approx 20.027 \text{ г/моль}$.

2. Физические свойства

Различия в физических свойствах являются наиболее выраженными.

• Плотность: Тяжёлая вода плотнее лёгкой. Плотность $D_2O$ максимальна при температуре 11,2 °C (1,106 г/см³), в то время как плотность $H_2O$ максимальна при 3,98 °C (1,000 г/см³).
• Температуры фазовых переходов: У $D_2O$ они выше.
  • Температура плавления (замерзания): 0,00 °C для $H_2O$ и 3,82 °C для $D_2O$.
  • Температура кипения (при нормальном давлении): 100,00 °C для $H_2O$ и 101,42 °C для $D_2O$.
• Вязкость: Тяжёлая вода примерно на 24% более вязкая, чем лёгкая (при 20 °C).
• Показатель преломления: Немного ниже у $D_2O$ по сравнению с $H_2O$.

3. Химические свойства

Химически $D_2O$ и $H_2O$ ведут себя похоже, но реакции с участием тяжёлой воды протекают медленнее. Это явление называется кинетическим изотопным эффектом. Связь $O-D$ прочнее связи $O-H$, поэтому для её разрыва требуется больше энергии. В результате:

• Константа ионизации: Тяжёлая вода ионизируется в меньшей степени. Константа ионизации $K_w$ для $D_2O$ при 25 °C составляет $1.35 \times 10^{-15}$, в то время как для $H_2O$ она равна $1.0 \times 10^{-14}$. Поэтому нейтральное значение pD для тяжёлой воды равно 7,44 (сравните с pH = 7,00 для лёгкой).
• Скорость реакций: Реакции электролиза, гидратации и многие другие в среде $D_2O$ идут медленнее.
• Растворимость: Соли, как правило, немного хуже растворяются в $D_2O$, чем в $H_2O$.

4. Биологическое действие

Для большинства высших организмов тяжёлая вода в высоких концентрациях токсична. Небольшие количества (до 5-10% в организме) обычно безвредны, но замена более 25-30% воды в теле на $D_2O$ становится летальной для млекопитающих. Причина токсичности кроется в замедлении биохимических реакций из-за кинетического изотопного эффекта. Замедляется работа ферментов, нарушаются процессы клеточного деления (митоз), репликации ДНК и синтеза белка. Простейшие организмы и водоросли могут адаптироваться к жизни в практически чистой тяжёлой воде.

5. Применение

• Лёгкая вода ($H_2O$): Основа жизни на Земле, универсальный растворитель, теплоноситель, используется в быту, промышленности и сельском хозяйстве.
• Тяжёлая вода ($D_2O$):
  • Ядерная энергетика: Используется как замедлитель нейтронов в некоторых типах ядерных реакторов (например, CANDU), так как эффективно замедляет быстрые нейтроны, не поглощая их.
  • Научные исследования: В ЯМР-спектроскопии (ядерный магнитный резонанс) $D_2O$ используется как растворитель, не дающий сигнала от протонов.
  • Медицина и биология: Применяется в качестве изотопной метки для изучения метаболических процессов в организме.

Ответ: Сообщение раскрывает ключевые различия между лёгкой ($H_2O$) и тяжёлой ($D_2O$) водой. Тяжёлая вода отличается большей молярной массой, плотностью, более высокими температурами кипения и замерзания. Химические реакции в ней протекают медленнее из-за большей прочности связи $O-D$ (кинетический изотопный эффект), что также обуславливает её токсичность для живых организмов при высоких концентрациях. Различия в свойствах определяют их разное применение: лёгкая вода — основа жизни, а тяжёлая — важный материал в ядерной энергетике и научных исследованиях.