И кислород, и водород имеют природные и искусственные изотопы. В зависимости от типа изотопов водорода, входящих в молекулу, выделяют следующие виды воды:
Лёгкая вода (основная составляющая привычной людям воды) H2O.
Тяжёлая вода (дейтериевая) D2O.
Сверхтяжёлая вода (тритиевая) T2O.
Тритий-дейтериевая вода TDO
Тритий-протиевая вода THO
Дейтерий-протиевая вода DHO
Последние три вида возможны, так как молекула воды содержит два атома водорода. Протий — самый легкий изотоп водорода. Дейтерий имеет атомную массу 2,0141017778 а.е.м.. Тритий — самый тяжелый, атомная масса 3,0160492777 а.е.м..
Известно, что тяжёлая вода не поддерживает жизни, то есть большинство живых организмов (за исключением некоторых микроорганизмов и грибов) в такой воде умирает.
По стабильным изотопам кислорода 16O, 17O и 18O существуют три разновидности молекул воды. Таким образом, по изотопному составу существуют 18 различных молекул воды. В действительности любая вода содержит все разновидности молекул.
Атомы водорода и кислорода, образующие воду, или окись водорода, могут иметь различные массовые числа и отличаться друг от друга своими физико-химическими свойствами, но при этом они имеют одинаковый электрический заряд атомных ядер и поэтому занимают в периодической системе элементов одно и то же место. Такие разновидности атомов одного и того же химического элемента называются изотопами.
Известны пять водородов и пять кислородов. Правда, по два из них (4Н, 5Н, 14О и 15О) радиоактивны и очень короткоживущи. Например, длительность существования водорода-4 – 4•10-11 сек. Такие короткоживущие изотопы из нашего рассмотрения исключены.
Итак, наиболее широко известны следующие изотопы водорода: протий 1Н (с относительной атомной массой 1) дейтерий 2Н, или D (с относительной атомной массой 2) и тритий 3Н, или Т (с относительной атомной массой 3) наиболее тяжелый, но слаборадиоактивный водород (его период полураспада 12,3 года), и изотопы кислорода: 16О, 17О и 18О. Эти шесть изотопов могут образовывать 18 изотопических разновидностей воды: 1H216О; 1HD16О; D216О; 1HT16О; DT16О; T2О16; 1Н217О; 1НD17О; D217O; lНT17O; DТ17О; Т217О; 1Н218О; 1НD18О; D218O; 1HT18O; DT18O; Т218О.
Тритий и кислород-17 обнаружены в природных водах только в виде следов, а дейтерий и кислород-18 - в ощутимых количествах, которые мы приводим в таб. 2, где одновременно эти условные количества сопоставляем с содержанием в морской воде некоторых других элементов.
Объединив изотопные составные природной воды, можем сказать, следующее: в земных водах содержится «легкой» воды 99,75, тяжелой кислородной - 0,18 и тяжелой водородной - 0,017%. Разумеется, это приближенные осредненные данные. На Земле на 6800 атомов протия приходится один атом дейтерия, а в межзвездном пространстве один атом дейтерия приходится уже на 200 атомов протия.
Дейтерий образуется при расщеплении ядер гелия, когда они сталкиваются друг с другом и происходит захват нейтрона протоном.
Атмосферная вода в процессе круговорота обогащается дейтерием в результате диссипации протия в космическое пространство. Именно благодаря этому дождевая вода более богата тяжелым водородом.
Тритий может поступать в атмосферу в результате космических процессов, а также обогащать земную воду, правда в очень небольших количествах, сверхтяжелой водой.
В атмосфере наблюдается некоторый избыток тяжелого кислорода-18, поступающего в результате разложения растений, содержащих его в повышенных количествах.
Изотопические разновидности воды различаются прежде всего своими физико-химическими характеристиками. Дейтерий обладает высокой гигроскопичностью, с жадностью поглощая влагу из воздуха и из стенок сосуда. Растворимость некоторых солей в тяжелой воде заметно меньше, чем в обыкновенной; с повышением содержания дейтерия отмечается уменьшение скорости некоторых реакций.
Водород воды имеет три изотопа: протий 1Н (протон + электрон), дейтерий 2Н или Д (протон + нейтрон + электрон), тритий 3Н или Т (протон + два нейтрона + электрон), с массовыми числами соответственно 1, 2 и 3. Протий и дейтерий – стабильные изотопы. Тритий – бета радиоактивен, период полураспада равен 12,26 года. Атомы Н бывают разной степени возбуждения.
Кроме водорода, изотопы обнаружены и у кислорода, их пять, кроме известного всем стабильного изотопа О16 (с молекулярным весом 16). Три из них оказались радиоактивными – О14, О15 и О19, а О17 и О18 – стабильными. О16, О17 и О18 содержатся во всех природных водах, причем их соотношение (с колебаниями до 1%) таково: на 10000 частей О16 приходится 4 части О17 и 20 частей О18.
По физическим свойствам тяжелокислородная вода меньше отличается от обычной, чем тяжеловодородная. Получают ее из природной воды фракционной перегонкой и используют как источник препаратов с меченым кислородом.
Учитывая все разнообразие изотопного состава водорода и кислорода, можно говорить о большом разнообразии изотопных разновидностей воды. Девять из них включают только стабильные изотопы и составляют основное содержание природной воды. В ней преобладает обычная вода Н12О16 (99,73%), далее следует тяжелокислородные воды Н12О17 (0,04%) и Н12О18 (0,2%), а также изотопная разновидность тяжелой воды H1D1O16 (0,03%).
Кислорода в человеке 60%, но по количеству атомов все живые существа на 2/3 состоят из атомов водорода и на ¼ из атомов кислорода. Изотопное отношение: П:Д = 1:4700 в материковых водах, П:Д = 1:6800 атомов в морской воде. То есть концентрация в материковых водах Д = 0,0135 ат.% или 0,015 вес%, в морской воде Д = 0,015 ат.% или 0,017 вес%. В природной воде содержание трития ничтожно – всего 10-18 атомных процента. И тем не менее он есть и в питьевой воде.
Поскольку Вселенная в основном состоит из атомов водорода, космические ядра водорода протоны, пронизывая атмосферу, захватывают О2, образуют Н2О. В этой воде много трития и дейтерия. Каждые сутки на Землю падает 1,5 тонны тритиевой-дейтерированой воды. Поэтому основным источником природного трития, дейтерия и радиоактивных кислородов является атмосфера.