Полагаю, все слышали про тяжёлую воду. А кто-то (надеюсь, что многие) даже помнит, что это такое. А некоторые (надеюсь, что немногие) даже пытаются от неё избавиться в домашних условиях. Рецепт сего встречается в сети нередко, его автором называют Г. Малахова - известного на всю страну электрослесаря, через телевизор учившего зрителей пить мочу в целях оздоровления и дававшего другие медицинские советы:
Протиевая вода - это легкая вода. Протий - это легкий водород, ядро атомов которого представляет собой одну элементарную частицу - протон. В тяжёлой воде водород тяжёлый, его ядра примерно вдвое тяжелее протонов, поскольку состоят из одного протона и одного нейтрона - такое ядро называется "дейтрон". Есть ещё сверхтяжёлый водород - тритий, но его в природе почти нет, его в обычной воде даже обнаружить трудно, несмотря на радиоактивность. Протий, дейтерий, тритий - изотопы водорода, т.е., атомы разной массы, относящиеся к одному химическому элементу. "Изос" - по-гречески "равный", "топос" - "место": они занимают одно и то же место в таблице Менделеева.
Утверждающие, что таким способом можно разделить изотопы и получить легкую воду, заявляют также, что эта легкая вода обладает чудодейственно полезным влиянием на организм, в противоположность воде тяжёлой.
Есть даже патент на этот метод:
Однако, кроме рекомендаций по разделению изотопов водорода, в сети встречаются также и сомнения в его осуществимости. Например:
Впрочем, поиск в интернете - это как-то уже не совсем современно. Ныне эпоха Искусственного Интеллекта. Вот что выдала по запросу "можно ли выморозить тяжёлую воду" Алиса от Яндекса:
Результат, прямо скажем, неважный, удручающий. Хваленый ИИ даже перепутал тяжёлую воду с тяжёлыми металлами. Впрочем, в этом нет ничего удивительного - ИИ обучается на информации из интернета, качество которой в среднем ниже плинтуса. Да, в навозной куче под названием "интернет" встречаются жемчужные зёрна достоверной информации, но их трудно найти, а ещё надо уметь их распознать. Люди тоже путают тяжёлую воду и тяжёлые металлы, у них ИИ и набрался таких "познаний":
По второму разу по тому же запросу Алиса выдала уже несколько другое, на этот раз не усмотрев разницы между "выморозить" и "заморозить":
Ладно хоть во второй раз появился раздел "Критика" с фразой про отсутствие научных доказательств.
Разделение изотопов, в том числе и изотопов водорода - важная практическая задача. Правда, цель не в очищении легкой воды от примеси тяжёлой, а в получении чистой тяжёлой воды, без примеси воды легкой. Для этого используется изотопный обмен между водой и сероводородом либо аммиаком, а также электролиз воды. Вымораживанием никто тяжёлую воду от легкой в промышленных масштабах не отделяет.
Химические и многие физические свойства у изотопов очень близкие, вплоть до неразличимости. Причина проста - эти свойства определяются электронным строением атомов и молекул, в которые входят эти атомы, а масса ядра на электронную структуру влияет слабо. Сильнее всего это влияние, кстати, как раз у водорода, у которого - единственного из всех химических элементов - массы изотопов различаются в разы. Тяжёлая вода и вправду замерзает при +3.8 градусах (легкая при 0.0 градусов), и кипит при 101.4 (легкая при 100.0). Если частично заморозить воду, получившийся лед действительно будет содержать больше дейтерия, чем незамерзшая вода. Только вот степень этого разделения очень мала. Коэффициент распределения дейтерия между льдом и жидкой водой давно определен и опубликован в открытой научной печати. Например, в этой статье:
Arnason B. // J. Phys. Chem., 1969, V, 73, N.10, P.3491-3494. https://doi.org/10.1021/j100844a062
Статью можно скачать бесплатно при помощи замечательного сервиса sci-hub, созданного Александрой Элбакян https://sci-hub.ru/10.1021/j100844a062
Согласно этому исследованию, распределение дейтерия зависит от скорости заморозки, т.е., равновесие достигается медленно - примерно за 1 час. Коэффициент распределения дейтерия оказывается равным примерно 1.02, при более медленной заморозке он остается приблизительно таким же - т.е., это и есть коэффициент равновесного распределения. В природной воде дейтерия обычно 0.01-0.02%. Если взять воду с содержанием дейтерия, к примеру, 0.02% и медленно заморозить её наполовину, лед будет содержать 0.0204%, а незамезшая вода - 0.0196%. Если же воспользоваться методикой, приведенной в начале этой статьи, разделение будет ещё хуже, поскольку по ней сначала замораживают меньше половины воды (в незамерзшей воде при этом дейтерия будет больше, чем 0.0196%), а при втором частичном замораживании лед будет также содержать больше дейтерия, чем незамерзшая вода, которую отбрасывают. В этой незамерзшей воду и вправду сконцентрируются все примеси, но не только вредные, а и полезные, нужные человеку элементы, такие как, например, кальций и магний.
Добиться существенного разделения при таком малом коэффициенте, в принципе, можно. Есть такая техника очистки веществ - зонная плавка. Если взять узкий продолговатый сосуд, в котором замерзший лед будет похож по форме на сосульку, расплавить с одного конца его небольшую часть (зону), и потом эту зону двигать к другому концу, так чтобы позади зоны расплава вода снова замерзала, получим образец льда, один конец которого будет дейтерием обогащен, а другой обеднен. Повторяя процедуру, можно степень разделения увеличить. Однако, и в этом случае понадобится более десятка таких перекристаллизаций, чтобы снизить содержание дейтерия хотя бы вдвое. Т.е., процесс будет долгим, энергозатратным, а количество получится небольшое. В промышленных масштабах так не делают, очевидно, из-за низкой эффективности, нерентабельности.
Таким образом, вымораживанием протиевую воду в домашних условиях получить невозможно. Да и не в домашних так не делают. А при кипячении воды изотопы не разделяются? Некоторые считают, что разделяются, и потому воду нельзя кипятить долго или повторно из-за её обогащения тяжёлой водой. На самом деле ситуация тут почти что та же, что и с вымораживанием тяжёлой воды. Хотя коэффициент распределения дейтерия между водой и паром повыше, чем между льдом и водой - 1.03 против 1.02 - все равно разделение неэффективно:
Информация на этих скриншотах частично дублируется, но тут уж я ничего поделать не могу.
Хоть ссылки на Википедию и сопровождают пометкой "РКН: иностранный владелец ресурса нарушает закон РФ", и в ней вправду информация не всегда достоверна, в таких случаях, никак не затрагивающих политику, ей верить можно.
Ну и последний вопрос - опасна ли примесь дейтерия в обычной питьевой воде? Тяжёлая вода, действительно, обладает некоторой токсичностью, но она проявляется лишь при замене 25% всей воды в организме на тяжёлую. Для такой замены надо несколько дней пить только тяжёлую воду и не пить обычную. Природное содержание дейтерия в воде меньше в тысячу с лишним раз! Эта микропримесь никак не влияет на биохимические процессы и здоровью повредить не может.