![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
Ранний Похлебкин и дейтерий в чайнике
Консультации
Дейтерий -- в чайнике?
Недавно появилась в продаже (и быстро была распродана!) книжка В.В. Похлебкина «Чай. Его типы, свойства, употребление» (изд-во «Пищевая промышленность», М., 1968). Книжка маленькая, но великолепная. Сейчас мы (наша семья и наши друзья, которым мы это рекомендовали) пьем чай только «а ля Похлебкин», как мы в шутку это называем.
Одно у нас вызывает недоумение и спор с нашим родственником, преподавателем химии в школе. Автор пишет: «...В процессе длительного кипячения из воды улетучиваются большие массы водорода и таким путем увеличивается доля так называемой тяжелой воды -- D2O, где D -- дейтерий, или тяжелый водород, представляющий собой изотоп обычного водорода. Тяжелая вода, естественно, осаждается внизу любого сосуда -- чайника, титана. Поэтому если не вылить остатки кипяченой воды, а долить к ней свежей, то при повторном кипячении процент тяжелой воды в данном сосуде еще больше увеличится. При многократных добавлениях в остатки старой кипяченой воды новых количеств свежей воды может быть получена довольно высокая концентрация тяжелой воды. А это опасно для здоровья человека».
Мы поступаем так, как советует В.В. Похлебкин, то есть всегда завариваем чай свежевскипяченной водой. Но наш химик говорит, что не может быть никакого накапливания дейтерия в воде.
Хотелось бы знать, кто прав? До сих пор нам не приходилось ни слышать, ни читать о дейтерии в чайнике.
М.М. Цолковнев, гор. Новосибирск
Чтобы не возникло недоразумения, мы должны вас сразу предупредить -- автор неплохой книги, о которой идет речь в письме, прав: в природной воде всегда есть ничтожная примесь тяжелой воды, которая менее летуча и при кипении воды в чайнике будет в нем накапливаться, и тем больше, чем больше воды доливать в чайник. Существуют и работают заводы по получению тяжелого водорода методом перегонки воды.
Конечно, с этим методом связаны очень большие трудности, но ученые для того и существуют, чтобы такие трудности преодолевать. Для того чтобы наглядно себе представить и хорошо оценить эти трудности, а заодно -- и ту опасность, которую, по уверению В.В. Похлебкина, может представлять много раз прокипяченная вода в чайнике, -- лучше всего прямо вычислить, сколько надо испарить из чайника воды для того, чтобы в нем получилась «довольно высокая концентрация тяжелой воды» (само собой разумеется, что водород из воды улетучиваться не может даже «в процессе длительного кипячения», как пишет В.В. Похлебкин).
Тяжелой воды в природной воде очень мало -- всего 0,016%. Разница между ее содержанием в воде и в водяном паре также невелика. Ученые определяют эту важную величину так называемым коэффициентом разделения: коэффициент разделения для любой смеси показывает, во сколько раз одного компонента больше, чем другого, в одной из фаз по сравнению с другой фазой. Попросту говоря, в случае обычной воды этот коэффициент показывает, во сколько раз дейтерия в воде больше, чем в паре.
Для воды коэффициент разделения равен 1,03. Значит, по мере того, как вода в чайнике будет выкипать, содержание дейтерия в оставшейся воде будет постепенно возрастать. Конечно, будет возрастать и его содержание в паре; но в воде дейтерия неизменно будет в 1,03 раза больше, чем в образующемся из нее паре.
Зная величину коэффициента разделения, нетрудно рассчитать, сколько воды должно испариться из чайника, чтобы в остатке заметно повысилось содержание дейтерия. К сожалению, здесь нельзя обойтись без высшей математики.
Допустим, что в чайнике после кипения осталось N молей воды, состоящей из n молей «легкой воды» -- H2O и N -- n молей тяжелой воды -- окиси дейтерия D2O. Начнем чайник нагревать снова и испарим еще очень немного, или, как говорят математики, бесконечно малое количество воды dN. Состав ее будет уже другой: в паре будет содержаться некоторое бесконечно малое количество легкой воды dm, а остальное dN -- dn будет составлять тяжелая.
Отношение концентраций обоих компонентов смеси в паре будет равно <формула>, а в воде <формула>. Легко сообразить, что отношение этих величин, которое для данной смеси постоянно, и есть коэффициент разделения: <формула>. Это выражение легко преобразовать в более удобное <формула>, которое очень просто интегрируется. Если до испарения воды было всего N0 молей, а после испарения осталось только N молей, то состав остатка можно найти, интегрируя полученное выражение: <формула>.
Любой школьник, изучающий алгебру, может сам легко показать, что, подставив величины <формула> для того, чтобы перейти к концентрациям, а также учитывая, что величина альфа очень близка к единице, можно полученное уравнение преобразовать так: <формула>.
Это -- знаменитое уравнение Релея. Каждый грамотный химик знает его наизусть. Не следует пугаться этого уравнения -- оно не так уж сложно, зато очень полезно, потому что помогает решать многие важные и трудные технические проблемы. Оно поможет и нам решить вопрос о накоплении тяжелой воды в чайнике.
Для этого необходимо еще раз повторить наши обозначения: х -- концентрация легкой воды Н2O; (1 -- х) -- концентрация тяжелой воды D2O; N -- количество воды (смеси Н2O и D2O); индекс 0 означает начальное состояние -- до испарения, а его отсутствие --
конечное, после испарения; а -- коэффициент разделения.
Теоретический разбор проблемы чайника на этом завершен, и можно приступить к расчету. Для этого только надо условиться, сколько воды должно остаться в чайнике, чтобы еще можно было вместе с друзьями напиться чаю. Примем, что это количество должно быть равно одному литру. Второе необходимое условие -- та концентрация тяжелой воды в чае, которая уже может повредить человеку. Эту величину выбрать труднее, потому что она еще никому не известна. Придется быть осторожными и допустить лишь очень малое увеличение содержания тяжелой воды -- скажем, не более чем в 10 раз (с 0,016% до 0,16%). Можно твердо сказать, что против этого физиологи возражать не будут. Итак, 1 -- х0 = 0,00016; 1 -- х = 0,0016; х0 = 0,99984; х = 0,9984; N = 1000 г; альфа = 1,03. Подставим все эти данные в уравнение Релея и получим ответ на интересующий нас вопрос -- сколько воды придется наливать в чайник и из него испарить, чтобы в нем остался литр воды и содержание в ней тяжелой воды было бы в 10 раз больше, чем в природной. Теперь это сосчитать совсем просто: <формула>.
Нетрудно видеть, что произведение в скобках можно с вполне достаточной точностью принять равным 10, тогда <формула>. Таким образом, для того чтобы содержание тяжелой воды в чайнике повысилось только в 10 раз по сравнению с содержанием в обычной природной воде, в чайник придется долить приблизительно <формула>.
Это количество воды всего лишь в 300 000 000 раз больше массы нашего земного шара (6-10 27 г).
Поэтому, дорогой товарищ Цолковнев, пейте спокойно чай вместе с друзьями и не беспокойтесь по поводу тяжелой воды. Она не успеет накопиться.
Автора же хорошей книжки о чае -- В.В. Похлебкина мы вместе с вами можем пожалеть. Право, вызывает жалость человек, который самому себе и другим причиняет большой вред тем, что берется писать о том, чего не понимает, и, не смущаясь, пишет вздор.
Старую воду из чайника все же лучше выливать и заваривать чай на свежей воде. Так он вкуснее получается. Но это никакого отношения к тяжелой воде не имеет.
И. П.
no subject
no subject
no subject
no subject
no subject
no subject
no subject
no subject
no subject
no subject
no subject
no subject
no subject
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/10330576
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/12575722
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/14959623
Ну а по существу, И.П. был сильно неправ: регистрируемые биологические эффекты начинаются при изменении концентрации D2О на 10%, а не в 10 раз (http://en.wikipedia.org/wiki/Deuterium-depleted_water and references therein).