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核电站里常用的“重水”是水吗?能喝吗?

2020-05-14 08:39  来源:数字北京科学中心    重水

水应该是大家最熟悉不过的物质了,每人每天都需要摄入一定量的水以维持机体代谢所需。 人有胖瘦之分,但你知道水也有轻重之别吗?只听说要多喝热水,那重水又是什么,跟普通的水有什么区别,喝了重水会中毒吗?重水样品重水重在哪里?一提到重水,人们常常把它与核电站联系起来。没错,重水确实是核电站常用的中子减速剂,但它本身是没有辐射的,外观也几乎与普通的水一模一样。 无论是重水还是普通水,都由氢和氧两种元素组成。普通的水分子相对分子质量...


水应该是大家最熟悉不过的物质了,每人每天都需要摄入一定量的水以维持机体代谢所需。 人有胖瘦之分,但你知道水也有“轻重之别”吗?只听说要“多喝热水”,那重水又是什么,跟普通的水有什么区别,喝了重水会中毒吗?
 
重水样品

重水“重”在哪里?一提到重水,人们常常把它与核电站联系起来。没错,重水确实是核电站常用的中子减速剂,但它本身是没有辐射的,外观也几乎与普通的水一模一样。 无论是重水还是普通水,都由氢和氧两种元素组成。普通的水分子相对分子质量为18,而重水分子却是20。重水“重”在哪里?问题就出在氢上。

水分子的结构氢元素是一个统称,自然界中一共有3种氢,分别为氕、氘、氚,它们互为彼此的同位素。这三兄弟长得十分相像,都含有一个质子和一个核外电子。它们之间最大的区别就在质量上,氕的质量最小,其次是氘,氚最重。 之所以质量不同,是因为它们的原子核不同,氕的原子核内只有1个质子,没有中子,氘核则由1个质子和1个中子构成,而最重的氚核内有1个质子和2个中子。

普通氢原子及其同位素

日常生活中普通的水由2个氕原子和1个氧原子构成,而核电站用的重水则由2个氘原子和1个氧原子构成,因此重水其实“重”在了氢上。

此外,2个氚原子也可以与1个氧原子结合成更重的水分子,我们管它叫超重水,这种水是有放射性的。

重水能喝吗?有没有毒?

要回答重水有没有毒,我们首先要知道到底什么是“毒”,中毒时人体到底发生了哪些变化? 常见的有毒化学物质进入肌体后,能与肌体发生一系列生物化学反应,干扰或破坏肌体的正常生理功能,引起暂时性或持久性的病理状态,甚至危及生命。 除此之外,还有些物质会与人体发生更复杂的作用,引起中毒。

当然,剂量也是一个重要的因素,盐、糖,甚至纯净水等一些看似“人畜无害的”物质如果摄入过多也会中毒。

历史上真的有人尝试喝过重水(请勿模仿)

下面我们就来仔细讨论下,重水是否有毒。首先,重水本身并不会向外辐射射线,自然也不会通过电离辐射来对人体造成损害,这就排除了由辐射引起的毒性。 仅从化学反应导致中毒的角度看,如果重水和普通水的化学性质足够地相似,那么它在人体内能发生的化学反应理论上是与普通的水一样的,应该和水一样无害。如果重水和普通水的化学性质有所不同,那么不同之处很可能就是重水的毒性所在。 讲到这里一些化学小天才可能要抢答了:氕与氘只相差一个中子,核外电子个数完全相同,它们各自与氧结合后形成的水分子的电子个数与分布也是几乎相同的。 化学老师一定讲过,电子结构往往决定了化学性质,因此重水的化学性质应该与水是相同的,所以重水毒性也和水相似,只有极大量饮用才有害。

水分子的电子分布几乎与重水分子相同颜色越红代表电子密度越大电子结构决定化学性质不假,重水分子与水分子的电子结构确实也很相似,一切似乎都是那么的合情合理,然而下面的实验却给出了不同的答案。 曾有实验人员用重水配置食物喂养小鼠,一段时间后,小鼠体内的水渐渐被重水取代。当血浆中的重水含量达到20%时,小鼠就会开始出现皮肤发炎、尾巴坏死的现象;达到30%时,小鼠出现痉挛、昏睡、拒食等症状;达到35%以上时,小鼠开始陆续死亡。 除了小鼠,其他动物和一些植物同样也无法依靠重水生存,根据体内重水浓度的不同,会出现不同程度的中毒症状,甚至死亡。
 
小鼠:水里有毒!这一系列实验都指向了一个结论:重水和水的化学性质并不完全相同。

难道是化学老师讲错了?除了电子结构,还有什么在暗中影响着物质的化学性质?这恐怕还要从小弹簧说起。 每个分子都在不停地振动,水分子也不例外。构成水分子的氢、氧原子之间好像有一根无形的弹簧,不停地伸缩往复。 我们分别在两根完全相同的弹簧上拴上轻重不同的小球,拉开弹簧迅速放手,让小球振动起来。

你会发现,质量较重的小球振动频率更慢,而质量较轻的小球振动频率更快。


上:球的质量小,振动频率快
下:球的质量大,振动频率慢

两弹簧完全相同水分子里也有类似的现象,普通水分子中的氕就像较轻的小球,基态振动频率更高;而重水分子中的氘就像是那个重的小球,基态振动频率更低。 在原子的世界里,频率和能量息息相关,频率越高能量就越大。这意味着普通水分子振动的基态能量要比重水分子更多。 化学反应可以看作把分子拆开再重新组装成新分子的过程,只有能量足够高分子才有可能被拆开。 这就意味着自身能量更高的分子更容易被拆散,更容易参与到化学反应中,反应速率也更快,而自身能量低的分子就更难发生反应。

化学反应需要克服一定的能量才能发生初始能量高的分子更容易发生反应

因此,与普通水相比重水更难发生化学反应,即便发生了,速率也远低于普通的水,这便是重水与普通水在化学上的最大差别。

据统计,对于存在氢原子转移的化学反应,普通水的反应速率大概是重水的5-6倍,这种现象也被称作同位素分馏。 就好比一场爬楼比赛,目标同样是爬到10层,一个人从3层出发,另一人从1层出发,显然第一个人能容易达成目标。 利用这个性质,人们发明了电解提纯重水的方法。

给水通电时,水会被分解为氢气和氧气,由于水比重水反应速率更快,因此水会被优先电解消耗,剩下没来得及反应的便是重水。 那么问题来了,反应速率和难易的差距对人体会造成哪些影响呢? 要知道,对于人来说,水是最重要的物质之一。人体时时刻刻发生着无数生物化学反应,这些反应多数都需要水的参与,且往往伴随着氢原子的转移。

人体多数生化反应都需要水的参与及氢原子的转移

如果把水替换成重水,一些生化反应就可能减慢,甚至慢到如同停滞一般,这样人体正常的生理活动就难以维系,进而表现出中毒的症状,这便是重水导致中毒的原理了。 不过,我们日常喝的水中本身就含有微量的重水,人体也天然含有大约4 mL的重水,这些都不会对健康产生影响。但是,当喝下的重水足够多时,就很可能对健康造成严重危害。 说到这儿,你有没有灵光一闪!既然重水能抑制生理活动,那么我们能不能用重水来阻碍一种本不该出现在人体内的异常生理活动,即癌细胞的分裂呢? 正常细胞内的生化反应都能被重水抑制,那么作为生命活动最旺盛、不断分裂的癌细胞,自然首当其冲。 聪明的科学家也想到了这点,试图利用重水来抑制癌细胞分裂和病毒灭活。目前,相关研究仍在进行中,这依然只是一个大胆的猜想,并未在临床得到应用。

读到这里,大家是不是对重水、同位素、化学反应又有了新的认识呢?没想到重水毒性之谜竟然与常见的小弹簧有着微妙的联系。

科学正是如此,一些显而易见的结论不一定正确,而一些令人迷惑的现象背后往往藏着十分简单的原理。




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