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參與核反應(yīng)的重水也能喝?喝過的都說甜?

北京科學(xué)中心
原創(chuàng)
北京科學(xué)中心(北京青少年科技中心)科普號
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審稿專家:甘強

北京理工大學(xué)講師,應(yīng)用化學(xué)博士水是什么?從初中接觸化學(xué)開始,我們就牢牢記住水是H2O,所以這看起來真是一個愚蠢的問題,但是化學(xué)家并不這么想。

在0℃冰就會融化,這件事大家都知道,但如果有一種冰塊在3.8℃以上才能融化,你相信嗎?它并不是需要什么特殊的壓強或其他環(huán)境條件,也并不是混合了什么其他的物質(zhì),就是純純的、地道的水,但又有一點不一樣,它叫重水。

左側(cè)為重水冰塊,右側(cè)為普通冰塊

重水“重”在哪?

簡單來說,重水只是比普通的水(我們稱之為“輕水”)密度大一些。微觀上,普通的水分子和重水分子,都是由2個氫原子和1個氧原子組成的,不同的是,普通水中的氫原子化學(xué)符號是H,稱之為“氫”(或“氕”),而重水中的氫原子化學(xué)符號是D,稱之為“重氫”(或“氘”)。H和D之間的區(qū)別是什么呢?實際上,普通的氫原子H的原子核中只含有1個質(zhì)子,而重氫原子D的原子核中多了一個中子,所以20℃時1mL輕水是0.9982克,而重水則是1.056克。另外,氫原子的第三種類型是T,稱之為“超重氫”(或“氚”),也是原子核中多了2個中子。

從外觀上看,重水和普通水沒有任何區(qū)別,都是無色無味的液體,并且由于它們是同一種元素組成的物質(zhì),所以它們的化學(xué)性質(zhì)非常接近,但要說一點區(qū)別都沒有,說出來誰也不信。

在自然界中,重水的分布很不均勻,雪、雨水和地表水中重水的含量很少,每50噸的普通水中大約有7.5千克的重水,所以人們?yōu)榱双@得重水,普遍采用電解普通水的方法。由于重水不會被電解,所以電解液中重水的濃度就會越來越高,最終獲得較純的重水。只不過,這樣制備的重水會消耗大量的電能,提煉1千克重水比熔煉1噸鋁所需的電能還要多3倍。

那人們?yōu)槭裁催€源源不斷的電解水來制備重水呢?這是因為在現(xiàn)代原子能反應(yīng)堆中,重水參與化學(xué)反應(yīng)的速率比輕水要慢,是目前為止最好的中子減速劑,在制造核燃料過程發(fā)揮重要作用,并且重水更不容易吸收中子,可能讓鏈?zhǔn)椒磻?yīng)可持續(xù)。

重水有毒?

重水剛開始進(jìn)入人們視野就和核反應(yīng)堆聯(lián)系在一起,雖然現(xiàn)在我們已經(jīng)知道它危險性不大,但是當(dāng)年很多人對它的第一印象就是極度危險的。

然而科學(xué)家的好奇心永無止盡,早在它被發(fā)現(xiàn)不久后就有人把重水喝了下去。

這個人就是喬治·赫維西(George Charles de Hevesy),名字可能對多數(shù)人比較陌生,但如果有人聽說過用王水把諾貝爾獎金牌溶了的故事,也可以從中看出一點這位科學(xué)家的性情。但那是另外一個故事,和今天重水無關(guān)。言歸正傳,對喝重水這件事,我們首先考慮它的毒性。

重水雖然沒有放射性,也并不是有毒物質(zhì),但是生物只需要普通的水。這就好像空氣中的氮氣無毒,但是吸入高濃度氮氣會缺氧窒息一樣,如果只喝重水,身體機能一定會出問題。

有關(guān)它的老鼠實驗中就已經(jīng)發(fā)現(xiàn),重水能抑制細(xì)胞的分裂(重水的致死濃度為60%),導(dǎo)致需要快速新陳代謝的組織由于細(xì)胞大面積死亡而壞死,如發(fā)根或胃部黏膜會最先出現(xiàn)毛病。好消息可能是,本來快速增長的癌細(xì)胞也會出現(xiàn)生長減慢,不過減慢的程度對于癌癥的治療并沒有太大幫助。

植物在濃度較高的重水環(huán)境中會逐漸枯萎

來源 | 論文《The biophysical effects of deuterium oxide on biomolecules and living cells through open notebook science》

可以明確的是,目前通過正規(guī)途徑買到的重水,在瓶身標(biāo)簽上基本都會標(biāo)注有安全性警告,或者是“僅用于實驗”等提醒,不建議任何人嘗試飲用重水。

重水是甜的?

但理論是理論,喝一點點問題不大,所以后來也有無數(shù)人嘗試過重水的味道。至于讓這么多人“追熱點”嘗試重水的緣由,卻有點奇怪——重水是不是甜的?

來源 | Popular Science報道節(jié)選

水為什么會有甜味呢?根據(jù)外國一位好奇博主的策劃,他召集并設(shè)置了簡單的盲測實驗,被試者將依次品嘗不同種類的水,每次三滴。為了排除無關(guān)因素,如重量帶來的感官差異,他還花重金買了與重水分子量相同的重氧水(又稱氧18水),結(jié)果幾乎所有被試者都能區(qū)分出重水,并且分辨速度非???。

來源丨Thunderf00t

在另一項味覺測試實驗中,28名參與者中也有22名能準(zhǔn)確區(qū)分出了重水,根據(jù)參與者的反饋,純重水的甜味最顯著,但整體味道偏輕,平均甜度為3.3±0.4。

甜度感知(1無感,3輕微,5中等,7非常,9齁甜)

為了進(jìn)一步研究重水產(chǎn)生甜味的原因,第二個實驗團隊還進(jìn)行了小鼠實驗,結(jié)果卻發(fā)現(xiàn)小鼠對蔗糖水有較強的偏好,但卻對重水無感,甚至觀察到小鼠表現(xiàn)出對重水的厭惡。

來源 | 論文《A Study of Taste and Smell of Heavy Water (99.8%) in Rats》

這就帶來了一種猜測:重水能嘗出甜味的原因可能來自于人類特有,而嚙齒類生物沒有的甜味受體。

來源 | Carmelo Tempra / IOCB Prague

進(jìn)一步的實驗證實,TAS1R2 / TAS1R3受體就是人類能嘗出重水甜味的最終原因,并且后續(xù)的受體抑制劑實驗也反向證明了這一點,不過仍沒有找到確切的點位和作用機理,有待進(jìn)一步研究和發(fā)現(xiàn)。

總之,這里有一個無用的小知識:當(dāng)你面前有兩杯水時,淺嘗一口就能判斷出哪杯是重水,但是珍愛生命,請遠(yuǎn)離重水!

評論
演繹無限精彩!
大學(xué)士級
重水剛剛出現(xiàn)在人們的視野中就與核反應(yīng)關(guān)聯(lián)上了,很多人對它的第一印象就是極度危險,實際上并非如此。
2022-08-06
阿里巴巴
太傅級
重水剛剛出現(xiàn)在人們的視野中就與核反應(yīng)關(guān)聯(lián)上了,很多人對它的第一印象就是極度危險,實際上并非如此。
2022-08-06
坦 蕩 蕩
少師級
核反應(yīng)重水可以喝,科研人員可不可以示范推廣。
2022-08-06