Новости химической науки > Найдены новые отличия между простой и тяжелой водой

Известно, что простая (H₂O) и тяжелая вода (D₂O) обладают похожим, хотя и не идентичным строением. Квантовая химия позволила Алану Соперу (Alan Soper) из Оксфорда и Крису Бенмору (Chris Benmore) из Национальной Лаборатории Аргонны (Иллинойс) найти несколько новых отличий между двумя молекулами с различным изотопным составом.

Молекула воды. Физики выяснили, почему тяжелая вода представляет собой более структурированную жидкость. (Рисунок из Physical Review Letters, 2008, 101 065502)

С химической точки зрения D₂O, молекулу воды, в которой вместо более распространенного легкого изотопа водорода – протия с атомом кислорода связаны атомы дейтерия, в ядре которого присутствует один нейтрон и один протон. Дополнительные нейтроны приводят к тому, что тяжелая вода на 10% плотнее H₂O. Это может быть продемонстрировано тем, что ледяные кубики из тяжелой воды тонут в обычной. С биологической точки зрения эта разница приводит к тому, что большое количество тяжелой воды может оказаться опасным для жизни животных. Тем не менее, для гибели человека, он должен потреблять только D₂O вместо H₂O в течение целых двух недель.

В новом исследовании Сопер и Бенмор исследовали различия между обычной и тяжелой водой на квантово-химическом уровне. Для того, чтобы определить, почему тяжелая вода более структурирована по сравнению с обычной (как было продемонстрировано предыдущими исследованиями) они использовали набор методик – дифракцию рентгеновских лучей, дифракцию нейтронов и квантово-химические расчеты.

Сопер поясняет, что некоторые из полученных результатов могут быть противоречивыми, поскольку они не совпадают с предсказаниями. Первоначально исследователи выяснили, что у H₂O наблюдается более длинная внутримолекулярная связь OH в сравнении с соответствующей связью OD в D₂O. Различие в длине составляет около 3%.

Вторая особенность, обнаруженная исследователями, заключалась в том, что в конденсированной H₂O межмолекулярная водородная связь короче, чем в D₂O. Эта разница составляет около 0.07 ангстрем, или 4%. Ни одно из этих различий ранее не было ни зафиксировано, ни предсказано.

Поскольку различие между длиной связей OH/OD и водородных связей неэквивалентно (3% и 4% соответственно), может существовать геометрическое различие между структурами обычной и тяжелой воды: расстояние между атомами водорода соседних молекул в обычной воде примерно на 2% больше, чем в тяжелой воде. Кроме этого, число водородных связей, приходящихся на одну молекулу воды в H₂O меньше, чем в D₂O (3.62 и 3.76 соответственно). Все эти различия приводят к тому, что обычная вода обладает более разрыхленной структурой, а тяжелая – более упорядоченной «тетраэдрической» структурой.

Сопер отмечает, что некоторые из неожиданных результатов (как, например, большая степень асимметрии водородных связей H₂O в сравнении с D₂O и различием в длине связей OH/OD) могут быть предметом для дискуссий между специалистами по квантовой химии.

Он также поясняет, что длина водородных связей определяется движением электронов, влияющим на положение протонов протия или ядер дейтерия. Так как масса ядра протия меньше массы ядра дейтерия, он располагается выше в «яме» потенциальной энергии по сравнению с атомом дейтерия.

Источник: Physical Review Letters 101 065502 (2008).

метки статьи: #квантовая химия, #физическая химия