水的家族

水的雨露冰霜三態(tài)變化是物理變化，其化學(xué)性能是不變的。但水除了物理變化之外，還會(huì)因其分子結(jié)構(gòu)的變化而表現(xiàn)出不同的性質(zhì)。所以說(shuō)水有一個(gè)家族，重水、超重水是其兩個(gè)孿生兄弟。它們的外表長(zhǎng)相一樣，但是體重不同，只要一稱(chēng)就能分辨出來(lái)。水的體重最輕，1升水在20℃時(shí)只有0.9982千克；1升重水1.105千克；超重水最重，1升超重水1.21千克。用物理學(xué)的語(yǔ)言說(shuō)，就是它們的密度不同。水的密度最小，超重水的密度最大。這是什么原因呢？我們知道，水是由兩個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子構(gòu)成的。氫元素有3個(gè)同位素，它們分別是氫、重氫和超重氫，或叫做氕、氘和氚。它們分別與氧結(jié)合，就生成水（也叫輕水）、重水和超重水。這3種同位素有個(gè)共同的特點(diǎn)，就是原子核外都有一個(gè)電子圍繞其旋轉(zhuǎn)。但它們的原子核不同：氫的原子核中只有一個(gè)帶正電荷的質(zhì)子，重氫的原子核中除了一個(gè)質(zhì)子以外，還多了一個(gè)不帶電荷的中子。因?yàn)橹凶拥馁|(zhì)量和質(zhì)子差不多，電子的質(zhì)量又極其微小，大約只有質(zhì)子的1/1840，所以重氫的質(zhì)量幾乎是普通氫的2倍，超重氫的原子核中又比氫多了1個(gè)中子，所以它的質(zhì)量將近普通氫的3倍。由于重氫和超重氫的質(zhì)量分別是氫的2倍和3倍，因此它們與氧結(jié)合生成重水和超重水，要比水重。

氘是由美國(guó)科學(xué)家尤里·勃里庫(kù)埃德及麥菲于1932年發(fā)現(xiàn)的，氘的發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生過(guò)巨大的影響，它不僅是化學(xué)和物理界的重要發(fā)現(xiàn)，而且是植物學(xué)、生理學(xué)和醫(yī)學(xué)界的最重要發(fā)現(xiàn)。氘與當(dāng)時(shí)已知的同位素不同，是一種特殊的同位素。氘在所有氫同位素中是獨(dú)一無(wú)二的，它的原子量比氕大2倍。這在門(mén)捷列夫周期表上是沒(méi)有先例的。

其實(shí)，氫的同位素不只3種，氧也有同位素。由此可見(jiàn)，水也不是只有3兄弟。不過(guò)水的那些兄弟，在自然界太少了。超重水在自然界也少得幾乎等于沒(méi)有，即使在超重水較多的海洋表層水中，也只有海洋表層水的1/10億。雖然重水較多，但是在普通水中也不過(guò)1/5000。

重水比普通水的沸點(diǎn)高，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，需要加熱到101.42℃才會(huì)沸騰。但是，它比普通水怕冷，當(dāng)溫度降到3.8℃時(shí)，它就被凍得硬邦邦的。聲音在普通水中的傳播速度是1498米/秒，而在重水中只有1398米/秒。重水折光、溶解都不如普通水顯著。超重水的貯存必須用特制的容器，否則就有爆炸的可能。因?yàn)闃?gòu)成超重水的超重氫是一種放射性同位素，它能放出射線，從而衰變成為氦氣。同時(shí)，由于其放射作用，超重水容易分解成氫和氧，如果不采取特別措施，與一定數(shù)量的氧氣混合就容易爆炸。

重水對(duì)生命有抑制作用，或?qū)ι鼛?lái)嚴(yán)重的后果。動(dòng)物體液中重水濃度達(dá)到50%～60%就可以完全抑制腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)，重水有可能成為醫(yī)治癌癥的靈丹妙藥。遺憾的是，試驗(yàn)證明，哺乳動(dòng)物所能忍受重水的最高含量只不過(guò)25%，超過(guò)此限度就會(huì)引起嚴(yán)重的癥狀或突然死亡。生物對(duì)重水的適應(yīng)能力不同，越是高級(jí)生物，適應(yīng)能力越差。試驗(yàn)表明，用雪水喂養(yǎng)禽畜和灌溉農(nóng)田，能夠顯著增加產(chǎn)量，這是因?yàn)檠┧镏厮勘绕胀ㄋ俚枚嗟木壒省？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，在化學(xué)反應(yīng)中，如果用重同位素代替輕同位素，總會(huì)使化學(xué)反應(yīng)速度變慢。同時(shí)，人們通過(guò)試驗(yàn)還證明，重水會(huì)抑制生命，并帶來(lái)嚴(yán)重的后果。有人用小鼠做對(duì)比實(shí)驗(yàn)，把3組小鼠腹部注入腫瘤細(xì)胞。讓其中2組飲用重水，重水濃度分別達(dá)到15%和25%，結(jié)果，飲用重水小鼠的腫瘤生長(zhǎng)速度慢得多，而且重水濃度較大的一組最緩慢。

重水異常昂貴，因?yàn)樘崛≈厮щy了。重水在普通水中含量非常稀少。在曬鹽剩下的苦鹵里，重水的含量也只比普通水里高20%，要把含量如此稀少的重水分離出來(lái)，是非常不容易的事。重水提取的方法通常是利用重水比普通水沸點(diǎn)高的性質(zhì)，用蒸餾法提取重水。把水放在分餾塔中反復(fù)蒸餾，普通水的沸點(diǎn)低，首先變成氣體跑掉了，留下來(lái)的就是重水。用這種方法獲得的重水，純度只能達(dá)到92%。因?yàn)槠胀ㄋ戎厮菀纂娊猓砸部梢杂秒娊夥ㄖ迫≈厮?。把大量的普通水反?fù)電解，大部分水變成氫氣和氧氣跑掉了，重水就剩下了。電解法可以得到純度99.7%的重水。無(wú)論用哪種方法制取重水，都需要眾多的勞力、龐大的設(shè)備、充足的燃料、巨大的電力。制取1千克重水，要耗電6萬(wàn)千瓦時(shí)，所以重水的身價(jià)貴逾千金。現(xiàn)在制造超重水的一般方法，是把鋰的同位素放在反應(yīng)堆中，在中子的作用下，使鋰的原子核發(fā)生轉(zhuǎn)變，生成超重氫、氫化鋰和氘化鋰等，再用復(fù)雜的化學(xué)方法把超重氫分離出來(lái)，與氧化合生為超重水。且不說(shuō)把鋰變成超重水的過(guò)程如何復(fù)雜，就是從海水里提取鋰也是很困難的，因?yàn)楹Ｋ镤嚨暮勘戎厮€少得多。據(jù)計(jì)算，1升海水里只含有0.17毫克鋰。因此，生產(chǎn)超重水的速度異常緩慢，按目前的生產(chǎn)水平，一座巨型工廠工作2年，僅能生產(chǎn)出幾千克重水，而且生產(chǎn)1千克超重氫，就要耗去將近10噸的原子燃料。所以超重水的身價(jià)要高出重水幾千倍。重水和超重水貴重，不僅是因?yàn)橹迫r(shí)需要巨大的勞動(dòng)量，而且還因?yàn)樗刑厥獾挠猛?。超重水有放射性，可以在生物或化學(xué)的研究過(guò)程中作為“示蹤原子”。例如，要了解病人體內(nèi)水循環(huán)情況時(shí)，可讓病人喝一點(diǎn)兒含微量重水的茶水，半小時(shí)后，就會(huì)發(fā)現(xiàn)尿有放射性，一直到14天以后才消失。說(shuō)明水在人體內(nèi)停留的時(shí)間是14天。如果要了解化學(xué)反應(yīng)中水的來(lái)龍去脈，也可加上微量的重水，就會(huì)清楚地告訴人們，水在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的行蹤。重水是原子反應(yīng)堆中理想的中子減速劑和載熱劑。在鈾原子核裂變過(guò)程中產(chǎn)生的快中子，要通過(guò)減速后才能促進(jìn)鈾核裂變，因此，有了重水就能使核反應(yīng)不斷地進(jìn)行下去，而且能利用濃縮度較低的鈾做燃料。這樣就更可省去鈾的提純工序，大大降低原子燃料的成本。

重水和超重水蘊(yùn)藏的能量，可以說(shuō)在世界上是無(wú)與倫比的。據(jù)理論上的計(jì)算，1克重氫全部發(fā)生聚合反應(yīng)，可以放出相當(dāng)于15萬(wàn)千瓦時(shí)的能量。如果把1噸海水中所含的重水全部提煉出來(lái)，并使其中的重氫都發(fā)生聚合反應(yīng)，那么，要產(chǎn)生的能量就相當(dāng)于一座15萬(wàn)千瓦的發(fā)電廠一晝夜所發(fā)出的電力，真是令人瞠目結(jié)舌。重水和超重水還可以當(dāng)作氫彈的“炸藥”。因?yàn)橹貧浜统貧湟话阒豢梢栽诮鼉|攝氏度的高溫下發(fā)生聚合反應(yīng)，同時(shí)放出比原子彈還大得多的能量。氫彈比原子彈的威力大得多就是這個(gè)原因。試想，全世界海洋里所含重水蘊(yùn)藏的能量相當(dāng)于15億億噸優(yōu)質(zhì)煤?，F(xiàn)在全世界每年消耗的能量折成煤炭60億噸左右，以后會(huì)逐年增加，即使增到現(xiàn)在的100倍，這些能量還足夠使用25億年。但是，目前產(chǎn)生聚合反應(yīng)的條件，大多只能在原子彈爆炸時(shí)才能產(chǎn)生，其反應(yīng)過(guò)程是難以控制的。在常溫下進(jìn)行核聚變，當(dāng)代的技術(shù)水平只能在實(shí)驗(yàn)室里少量的進(jìn)行。我國(guó)的卡馬卡裝置就是目前處于先進(jìn)行列的核聚變裝置。使聚合反應(yīng)產(chǎn)生的能量造福人類(lèi)，還有一大段路要走。2005年，一個(gè)以中試型核聚變?yōu)槟茉吹陌l(fā)電廠在法國(guó)開(kāi)始建設(shè)。如果以核聚變?yōu)槟茉吹陌l(fā)電廠達(dá)到今天核裂變能源的利用程度，那么，地球上的能源就會(huì)取之不盡、用之不竭。