La composición isotópica del agua es el porcentaje de moléculas con diferentes masas isotópicas (isotopólogos) en el agua. El contenido de agua que consta de isótopos ligeros estables 1 H 2 16 O ("agua ligera", en contraste con el " agua pesada " que contiene una mayor cantidad de isótopo pesado de hidrógeno 2 H ) en agua natural es 99,73 - 99,76 % mol. [1] [2]
Los isótopos son variedades de átomos del mismo elemento químico que tienen la misma carga nuclear y la estructura de capas de electrones, que difieren en la masa de los núcleos. La diferencia de masa se debe al hecho de que los núcleos isotópicos contienen el mismo número de protones p y un número diferente de neutrones n . Las combinaciones de diferentes átomos de isótopos dan un conjunto de moléculas de isotopólogos.
Los isotopólogos son moléculas que se diferencian únicamente en la composición isotópica de los átomos que las componen. Un isotopólogo está compuesto por al menos un átomo de un determinado elemento químico, que se diferencia en el número de neutrones del resto.
La molécula de agua consta de dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno.
La existencia de isótopos de hidrógeno fue confirmada por primera vez en la publicación [3] de 1932 por el químico físico estadounidense G. Urey .
El hidrógeno tiene dos isótopos estables: protio (H) - 1 H y deuterio (D) - 2 H.
El oxígeno tiene tres isótopos estables: 16 O, 17 O y 18 O (Tabla 1).
Tabla 1. Isótopos del agua| Elemento | Hidrógeno | Oxígeno | |||
|---|---|---|---|---|---|
| Isótopo | H | D | 16 O | 17 O | 18 O |
| Número de protones en el núcleo | una | una | ocho | ocho | ocho |
| Número de neutrones en el núcleo | 0 | una | ocho | 9 | diez |
| Masa atomica | una | 2 | dieciséis | 17 | Dieciocho |
Las combinaciones de 5 isótopos estables de hidrógeno y oxígeno dan un conjunto de 9 moléculas de isotopólogos de agua (Tabla 2).
Tabla 2. Isótopos del agua| isotopólogo | 1 H 2 16 O | 1 HD 16O _ | D216O _ _ _ | 1 H 2 17 O | 1 HD 17 O | D217O _ _ _ | 1 H 2 18 O | 1 HD 18O _ | D218O _ _ _ |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Isótopos de hidrógeno | 1H _ | 1 H, D | D | 1H _ | 1 H, D | D | 1H _ | 1 H, D | D |
| Isótopos de oxígeno | 16 O | 16 O | 16 O | 17 O | 17 O | 17 O | 18 O | 18 O | 18 O |
| Masa molecular | Dieciocho | 19 | veinte | 19 | veinte | 21 | veinte | 21 | 22 |
La molécula de 1 H 2 16 O es la más ligera de todos los isotopólogos del agua. Es el agua 1 H 2 16 O la que debe considerarse agua clásica o ligera.
El agua ligera como composición monoisotópica 1 H 2 16 O es el caso límite de la pureza isotópica. En condiciones naturales, tal agua pura y ligera no existe. Para obtener un isotopólogo 1 H 2 16 O, se lleva a cabo o se sintetiza una purificación fina de aguas naturales en varias etapas a partir de los elementos iniciales 1 H 2 y 16 O 2 .
El agua natural es una mezcla multicomponente de isotopólogos. El contenido del isotopólogo más ligero supera significativamente la concentración de todos los demás combinados. En las aguas naturales, 1 000 000 de moléculas contienen en promedio 997 284 moléculas de 1 H 2 16 O, 311 moléculas de 1 HD 16 O, 390 moléculas de 1 H 2 17 O y aproximadamente 2005 moléculas de 1 H 2 18 O.
La concentración de moléculas de agua que contienen isótopos pesados D, 17 O, 18 O en agua natural varía dentro de los límites fijados en los principales estándares de composición isotópica de la hidrosfera SMOW y SLAP (Cuadro 3). Las cantidades ponderales de isotopólogos en agua natural se calculan sobre la base de la determinación directa de su contenido por espectroscopia molecular [4] .
Tabla 3. Cantidades ponderadas calculadas de isotopólogos en agua natural, correspondientes a los estándares internacionales SMOW (peso molecular medio = 18,01528873) y SLAP (peso molecular medio = 18,01491202), [5] .| isotopólogo del agua | Masa molecular | Contenido, g/kg | |
|---|---|---|---|
| SMOW | BOFETADA | ||
| 1 H 2 16 O | 18.01056470 | 997.032536356 | 997.317982662 |
| 1 HD 16O _ | 19.01684144 | 0.328000097 | 0.187668379 |
| D216O _ _ _ | 20.02311819 | 0.000026900 | 0.000008804 |
| 1 H 2 17 O | 19.01478127 | 0.411509070 | 0.388988825 |
| 1 HD 17 O | 20.02105801 | 0.000134998 | 0.000072993 |
| D217O _ _ _ | 21.02733476 | 0.000000011 | 0.000000003 |
| 1 H 2 18 O | 20.01481037 | 2.227063738 | 2.104884332 |
| 1 HD 18O _ | 21.02108711 | 0.000728769 | 0.000393984 |
| D218O _ _ _ | 22.02736386 | 0.000000059 | 0.000000018 |
Como puede verse en la Tabla 3, en el agua natural, la concentración ponderal de isotopólogos pesados puede llegar a 2,97 g/kg, valor significativo, comparable, por ejemplo, con el contenido de sales minerales.
El agua natural que tiene un contenido del isotopólogo 1 H 2 16 O cercano al estándar SLAP, así como especialmente purificada con una proporción significativamente mayor de este isotopólogo en comparación con el estándar SLAP, se define como agua ligera extrapura (un agua menos estricta). definición aplicable en la vida real).
En agua ligera, la proporción del isotopólogo más ligero es (mol.%):
99,76 < 1 H 2 16 O ≤ 100.
Si eliminamos todas las moléculas pesadas con un contenido de masa de 2,97 g/kg del agua que cumple con el estándar SMOW y las reemplazamos con 1 H 2 16 O, entonces la masa de 1 litro de esa agua ligera e isotópicamente pura disminuirá en 250 mg. . Por lo tanto, los parámetros del agua ligera, en primer lugar, su "ligereza" y composición isotópica se pueden medir utilizando métodos como espectrometría de masas , gravimetría , espectroscopia de absorción láser [6] , RMN .
El contenido de isótopos pesados de hidrógeno y oxígeno en las aguas naturales está determinado por dos normas internacionales introducidas por la Agencia Internacional de Energía Atómica (OIEA) [7] [8] :
De acuerdo con el estándar internacional VSMOW, el contenido absoluto de deuterio y oxígeno-18 en el agua del océano es [9] : D VSMOW / 1 H VSMOW=(155.76±0.05)⋅10 −6 , o 155.76 ppm 18 O VSMOW/ 16 O VSMOW \u003d (2005.20 ± 0.45) ⋅ 10 -6 , o 2005 ppm. Para el estándar SLAP, las concentraciones en agua son [10] : deuterio D/H=89⋅10 −6 o 89 ppm, oxígeno-18 18 O/ 16 O=1894⋅10 −6 o 1894 ppm.
El contenido del isotopólogo ligero 1 H 2 16 O en agua correspondiente a la composición isotópica de VSMOW es de 997,0325 g/kg (99,73 mol.%). La proporción del isotopólogo más ligero en agua correspondiente a la composición isotópica de SLAP es de 997,3179 g/kg (99,76 mol.%).
El estándar SLAP caracteriza el agua natural más ligera de la Tierra. El agua en diferentes partes del mundo no es la misma en su ligereza.
Los isotopólogos difieren entre sí en propiedades físicas, químicas y biológicas (Cuadro 4).
Cuadro 4. Cambios en las propiedades físicas del agua durante la sustitución isotópica| Propiedades físicas | 1 H 2 16 O | D216O _ _ _ | 1 H 2 18 O |
|---|---|---|---|
| Densidad a 20 °C, g/cm3 | 0.9970 | 1.1051 | 1.1106 |
| Temperatura máxima densidad, °C | 3.98 | 11.24 | 4.30 |
| Punto de fusión a 1 atm, °C | 0 | 3.81 | 0.28 |
| Punto de ebullición a 1 atm, °C | 100 | 101.42 | 100.14 |
| Presión de vapor a 100 °C, Torr | 760.00 | 721.60 | 758.10 |
| Viscosidad a 20 °C, centipoise | 1.002 | 1.247 | 1.056 |
La presión de vapor de equilibrio de los isotopólogos del agua difiere, y de manera bastante significativa. Cuanto menor es la masa de una molécula de agua, mayor es la presión de vapor, lo que significa que el vapor en equilibrio con el agua siempre está enriquecido en isótopos ligeros de oxígeno e hidrógeno. Con respecto a la pequeña masa de los elementos, la diferencia de masas de los isótopos es grande, por lo que son capaces de fraccionarse fuertemente en procesos naturales: D/H → 100%, 18 O/ 16 O → 12,5%. Los isótopos de hidrógeno y oxígeno se fraccionan con mayor eficacia en los procesos de evaporación-condensación y cristalización del agua.
Los resultados de estudios experimentales indican la diferencia en las propiedades fisicoquímicas del agua ligera y el agua desionizada de composición isotópica natural [11] .
Los isotopólogos pesados en el agua natural son impurezas en relación con el 1 H 2 16 O, que, según algunos estudios, pueden ser considerados como defectos estructurales [12] .
Eliminar la heterogeneidad del agua en términos de composición isotópica conduce a un aumento de su homogeneidad. El agua ligera es un líquido más homogéneo. Las moléculas de isótopos pesados contenidas en el agua en concentraciones naturales prácticamente no tienen un efecto perceptible en los sistemas no vivos. En la mayor medida, los efectos del agua ligera se manifiestan en objetos biológicos, que se caracterizan por reacciones en cascada.
Por primera vez, las propiedades inhibidoras (inhibidoras) del crecimiento de semillas del agua pesada fueron descubiertas en 1934 por Gilbert Lewis. [13]
El cultivo de células en agua pesada acelera bruscamente el proceso de envejecimiento y conduce a la muerte del cultivo. [14] [15]
En experimentos con mamíferos (ratones) que fueron alimentados con agua pesada (3% de agua pesada), se demostró que los efectos negativos aumentan de generación en generación, incluyendo una disminución en la actividad de los machos y la capacidad de lactar en las hembras, una disminución en el peso de los recién nacidos y un deterioro en el estado de la lana. No se pudo obtener la tercera generación de animales que bebían agua ponderada.
Por el contrario, beber agua con bajo contenido de deuterio provocó un aumento de la actividad sexual en los machos ya en la primera generación. En las hembras se observó gestación múltiple con mayor incremento en el peso de las crías. [14] [15]
La reacción de los biosistemas cuando se exponen al agua puede variar dependiendo de los cambios cuantitativos y cualitativos en su composición isotópica. En el curso de la evolución de los organismos vivos, hubo una selección de procesos bioquímicos con su sintonía con un solo isótopo, generalmente ligero [16] . En el cuerpo humano, “se produce el fraccionamiento de isótopos, acompañado de la eliminación de isótopos estables pesados de hidrógeno y oxígeno del agua” [17] . El uso de agua con una mayor concentración de isótopos pesados, en particular, deuterio, provoca efectos tóxicos pronunciados a nivel del organismo [18] [19] . Al mismo tiempo, se registró en varios sitios actividad biológica positiva de aguas con un contenido más bajo (en relación con el natural) de isotopólogos pesados, en particular deuterio y oxígeno, 18 [20] [21] . Los estudios sistemáticos realizados en el Instituto de Problemas Biomédicos de la Academia Rusa de Ciencias en el Instituto de Problemas Biomédicos de la Academia Rusa de Ciencias sobre la creación de un hábitat para cosmonautas con una composición isotópica óptima de elementos químicos biogénicos han demostrado que el agua con una reducida El contenido de moléculas de isótopos pesados en comparación con el contenido natural de moléculas de isótopos pesados es un componente necesario del sistema de soporte vital para los cosmonautas durante vuelos de larga duración [22]
Como medio universal en el que tienen lugar todas las reacciones biológicas, el agua ligera aumenta la velocidad de estas reacciones en comparación con el agua de composición isotópica natural. Este efecto se conoce como efecto isotópico cinético del disolvente [23] .
Las propiedades de transporte del agua ligera han sido probadas en el estudio de la influencia de los isotopólogos pesados en la composición del agua natural sobre la dinámica de la remoción del colorante azul de metileno del sistema olfativo de las ranas con garras [24] .
La purificación del agua a partir de isotopólogos pesados tiene el efecto más fuerte en el aparato energético de una célula viva. La cadena respiratoria de las mitocondrias se distingue por reacciones en cascada. Los isotopólogos pesados ralentizan la velocidad de las reacciones en cadena respiratoria. Utilizando el ejemplo de la reacción de generación de peróxido de hidrógeno por las mitocondrias con ácido succínico como sustrato, se ha demostrado experimentalmente el efecto inhibidor general de los isotopólogos del agua pesada. Reducir su contenido en agua a un nivel por debajo de las concentraciones naturales desinhibe y acelera significativamente la reacción estudiada [25] .
El agua ligera exhibe actividad antitumoral, que se muestra en los trabajos de científicos realizados en centros de investigación en diferentes países [26] [27] [28] [29] . Según G. Shomlai, los resultados de los ensayos clínicos realizados en 1994-2001. en Hungría, mostró que la tasa de supervivencia de los pacientes que consumieron agua ligera en combinación con los métodos tradicionales de tratamiento o después de ellos es más alta que en los pacientes que usaron solo quimioterapia o radioterapia [30] .
Las propiedades toxicoprotectoras del agua ligera han sido confirmadas por estudios experimentales [31] [32] , de los que se deduce que el agua ligera, purificada de isotopólogos pesados, elimina eficazmente toxinas y productos metabólicos del cuerpo debido a sus propiedades de transporte.
También se observó el efecto del agua ligera en pacientes con diabetes tipo II. Los resultados de un estudio preclínico de etiqueta abierta que duró 90 días mostraron que bajo la influencia del agua ligera en voluntarios, los niveles elevados de glucosa en ayunas y la resistencia a la insulina disminuyeron [33] .
También existe la opinión de que no se ha probado la existencia de propiedades biológicas especiales del agua ligera [34] .
El nivel de depresión en la población estadounidense está altamente correlacionado con la distribución geográfica del deuterio, y una serie de experimentos independientes con animales han confirmado la relación causal de la depresión y la anhedonia con el contenido de deuterio en el agua potable. Se ha demostrado que reemplazar el agua potable regular con agua sin deuterio contrarresta la depresión de una manera comparable a la de los antidepresivos. El agua potable empobrecida en deuterio podría ser la base de una nueva estrategia de prevención de la depresión. [35] [36]