为什么重水比普通水少得多？

水的家族

水的雨露冰霜三态变化是物理变化，其化学性能是不变的。但水除了物理变化之外，还会因其分子结构的变化而表现出不同的性质。所以说水有一个家族，重水、超重水是其两个孪生兄弟。它们的外表长相一样，但是体重不同，只要一称就能分辨出来。水的体重最轻，1升水在20℃时只有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。用物理学的语言说，就是它们的密度不同。水的密度最小，超重水的密度最大。这是什么原因呢？我们知道，水是由两个氢原子和一个氧原子构成的。氢元素有3个同位素，它们分别是氢、重氢和超重氢，或叫做氕、氘和氚。它们分别与氧结合，就生成水（也叫轻水）、重水和超重水。这3种同位素有个共同的特点，就是原子核外都有一个电子围绕其旋转。但它们的原子核不同：氢的原子核中只有一个带正电荷的质子，重氢的原子核中除了一个质子以外，还多了一个不带电荷的中子。因为中子的质量和质子差不多，电子的质量又极其微小，大约只有质子的1/1840，所以重氢的质量几乎是普通氢的2倍，超重氢的原子核中又比氢多了1个中子，所以它的质量将近普通氢的3倍。由于重氢和超重氢的质量分别是氢的2倍和3倍，因此它们与氧结合生成重水和超重水，要比水重。

氘是由美国科学家尤里·勃里库埃德及麦菲于1932年发现的，氘的发现产生过巨大的影响，它不仅是化学和物理界的重要发现，而且是植物学、生理学和医学界的最重要发现。氘与当时已知的同位素不同，是一种特殊的同位素。氘在所有氢同位素中是独一无二的，它的原子量比氕大2倍。这在门捷列夫周期表上是没有先例的。

其实，氢的同位素不只3种，氧也有同位素。由此可见，水也不是只有3兄弟。不过水的那些兄弟，在自然界太少了。超重水在自然界也少得几乎等于没有，即使在超重水较多的海洋表层水中，也只有海洋表层水的1/10亿。虽然重水较多，但是在普通水中也不过1/5000。

重水比普通水的沸点高，在标准大气压下，需要加热到101.42℃才会沸腾。但是，它比普通水怕冷，当温度降到3.8℃时，它就被冻得硬邦邦的。声音在普通水中的传播速度是1498米/秒，而在重水中只有1398米/秒。重水折光、溶解都不如普通水显著。超重水的贮存必须用特制的容器，否则就有爆炸的可能。因为构成超重水的超重氢是一种放射性同位素，它能放出射线，从而衰变成为氦气。同时，由于其放射作用，超重水容易分解成氢和氧，如果不采取特别措施，与一定数量的氧气混合就容易爆炸。

重水对生命有抑制作用，或对生命带来严重的后果。动物体液中重水浓度达到50%～60%就可以完全抑制肿瘤细胞的生长，重水有可能成为医治癌症的灵丹妙药。遗憾的是，试验证明，哺乳动物所能忍受重水的最高含量只不过25%，超过此限度就会引起严重的症状或突然死亡。生物对重水的适应能力不同，越是高级生物，适应能力越差。试验表明，用雪水喂养禽畜和灌溉农田，能够显著增加产量，这是因为雪水里重水含量比普通水少得多的缘故。科学家发现，在化学反应中，如果用重同位素代替轻同位素，总会使化学反应速度变慢。同时，人们通过试验还证明，重水会抑制生命，并带来严重的后果。有人用小鼠做对比实验，把3组小鼠腹部注入肿瘤细胞。让其中2组饮用重水，重水浓度分别达到15%和25%，结果，饮用重水小鼠的肿瘤生长速度慢得多，而且重水浓度较大的一组最缓慢。

重水异常昂贵，因为提取重水太困难了。重水在普通水中含量非常稀少。在晒盐剩下的苦卤里，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离出来，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点高的性质，用蒸馏法提取重水。把水放在分馏塔中反复蒸馏，普通水的沸点低，首先变成气体跑掉了，留下来的就是重水。用这种方法获得的重水，纯度只能达到92%。因为普通水比重水容易电解，所以也可以用电解法制取重水。把大量的普通水反复电解，大部分水变成氢气和氧气跑掉了，重水就剩下了。电解法可以得到纯度99.7%的重水。无论用哪种方法制取重水，都需要众多的劳力、庞大的设备、充足的燃料、巨大的电力。制取1千克重水，要耗电6万千瓦时，所以重水的身价贵逾千金。现在制造超重水的一般方法，是把锂的同位素放在反应堆中，在中子的作用下，使锂的原子核发生转变，生成超重氢、氢化锂和氘化锂等，再用复杂的化学方法把超重氢分离出来，与氧化合生为超重水。且不说把锂变成超重水的过程如何复杂，就是从海水里提取锂也是很困难的，因为海水里锂的含量比重水还少得多。据计算，1升海水里只含有0.17毫克锂。因此，生产超重水的速度异常缓慢，按目前的生产水平，一座巨型工厂工作2年，仅能生产出几千克重水，而且生产1千克超重氢，就要耗去将近10吨的原子燃料。所以超重水的身价要高出重水几千倍。重水和超重水贵重，不仅是因为制取时需要巨大的劳动量，而且还因为它有特殊的用途。超重水有放射性，可以在生物或化学的研究过程中作为“示踪原子”。例如，要了解病人体内水循环情况时，可让病人喝一点儿含微量重水的茶水，半小时后，就会发现尿有放射性，一直到14天以后才消失。说明水在人体内停留的时间是14天。如果要了解化学反应中水的来龙去脉，也可加上微量的重水，就会清楚地告诉人们，水在化学反应过程中的行踪。重水是原子反应堆中理想的中子减速剂和载热剂。在铀原子核裂变过程中产生的快中子，要通过减速后才能促进铀核裂变，因此，有了重水就能使核反应不断地进行下去，而且能利用浓缩度较低的铀做燃料。这样就更可省去铀的提纯工序，大大降低原子燃料的成本。

重水和超重水蕴藏的能量，可以说在世界上是无与伦比的。据理论上的计算，1克重氢全部发生聚合反应，可以放出相当于15万千瓦时的能量。如果把1吨海水中所含的重水全部提炼出来，并使其中的重氢都发生聚合反应，那么，要产生的能量就相当于一座15万千瓦的发电厂一昼夜所发出的电力，真是令人瞠目结舌。重水和超重水还可以当作氢弹的“炸药”。因为重氢和超重氢一般只可以在近亿摄氏度的高温下发生聚合反应，同时放出比原子弹还大得多的能量。氢弹比原子弹的威力大得多就是这个原因。试想，全世界海洋里所含重水蕴藏的能量相当于15亿亿吨优质煤。现在全世界每年消耗的能量折成煤炭60亿吨左右，以后会逐年增加，即使增到现在的100倍，这些能量还足够使用25亿年。但是，目前产生聚合反应的条件，大多只能在原子弹爆炸时才能产生，其反应过程是难以控制的。在常温下进行核聚变，当代的技术水平只能在实验室里少量的进行。我国的卡马卡装置就是目前处于先进行列的核聚变装置。使聚合反应产生的能量造福人类，还有一大段路要走。2005年，一个以中试型核聚变为能源的发电厂在法国开始建设。如果以核聚变为能源的发电厂达到今天核裂变能源的利用程度，那么，地球上的能源就会取之不尽、用之不竭。