核電站裡常用的「重水」是水嗎?能喝嗎?

水應該是大家最熟悉不過的物質了，每人每天都需要攝入一定量的水以維持機體代謝所需。

人有胖瘦之分，但你知道水也有「輕重之別」嗎？只聽說要「多喝熱水」，那重水又是什麼，跟普通的水有什麼區別，喝了重水會中毒嗎？

重水樣品

重水「重」在哪裡？

一提到重水，人們常常把它與核電站聯繫起來。沒錯，重水確實是核電站常用的中子減速劑，但它本身是沒有輻射的，外觀也幾乎與普通的水一模一樣。

無論是重水還是普通水，都由氫和氧兩種元素組成。普通的水分子相對分子質量為18，而重水分子卻是20。重水「重」在哪裡？問題就出在氫上。

水分子的結構

氫元素是一個統稱，自然界中一共有3種氫，分別為氕、氘、氚，它們互為彼此的同位素。

這三兄弟長得十分相像，都含有一個質子和一個核外電子。它們之間最大的區別就在質量上，氕的質量最小，其次是氘，氚最重。

之所以質量不同，是因為它們的原子核不同，氕的原子核內只有1個質子，沒有中子，氘核則由1個質子和1個中子構成，而最重的氚核內有1個質子和2個中子。

普通氫原子及其同位素

日常生活中普通的水由2個氕原子和1個氧原子構成，而核電站用的重水則由2個氘原子和1個氧原子構成，因此重水其實「重」在了氫上。

此外，2個氚原子也可以與1個氧原子結合成更重的水分子，我們管它叫超重水，這種水是有放射性的。

重水能喝嗎？有沒有毒？

要回答重水有沒有毒，我們首先要知道到底什麼是「毒」，中毒時人體到底發生了哪些變化？

常見的有毒化學物質進入肌體後，能與肌體發生一系列生物化學反應，幹擾或破壞肌體的正常生理功能，引起暫時性或持久性的病理狀態，甚至危及生命。

除此之外，還有些物質會與人體發生更複雜的作用，引起中毒。

當然，劑量也是一個重要的因素，鹽、糖，甚至純淨水等一些看似「人畜無害的」物質如果攝入過多也會中毒。

歷史上真的有人嘗試喝過重水

下面我們就來仔細討論下，重水是否有毒。首先，重水本身並不會向外輻射射線，自然也不會通過電離輻射來對人體造成損害，這就排除了由輻射引起的毒性。

僅從化學反應導致中毒的角度看，如果重水和普通水的化學性質足夠地相似，那麼它在人體內能發生的化學反應理論上是與普通的水一樣的，應該和水一樣無害。

如果重水和普通水的化學性質有所不同，那麼不同之處很可能就是重水的毒性所在。

講到這裡一些化學小天才可能要搶答了：氕與氘只相差一個中子，核外電子個數完全相同，它們各自與氧結合後形成的水分子的電子個數與分布也是幾乎相同的。

化學老師一定講過，電子結構往往決定了化學性質，因此重水的化學性質應該與水是相同的，所以重水毒性也和水相似，只有極大量飲用才有害。

水分子的電子分布幾乎與重水分子相同

電子結構決定化學性質不假，重水分子與水分子的電子結構確實也很相似，一切似乎都是那麼的合情合理，然而下面的實驗卻給出了不同的答案。

曾有實驗人員用重水配置食物餵養小鼠，一段時間後，小鼠體內的水漸漸被重水取代。

當血漿中的重水含量達到20%時，小鼠就會開始出現皮膚發炎、尾巴壞死的現象；達到30%時，小鼠出現痙攣、昏睡、拒食等症狀；達到35%以上時，小鼠開始陸續死亡。

除了小鼠，其他動物和一些植物同樣也無法依靠重水生存，根據體內重水濃度的不同，會出現不同程度的中毒症狀，甚至死亡。

小鼠：水裡有毒！

這一系列實驗都指向了一個結論：重水和水的化學性質並不完全相同。

難道是化學老師講錯了？除了電子結構，還有什麼在暗中影響著物質的化學性質？這恐怕還要從小彈簧說起。

每個分子都在不停地振動，水分子也不例外。構成水分子的氫、氧原子之間好像有一根無形的彈簧，不停地伸縮往復。

我們分別在兩根完全相同的彈簧上拴上輕重不同的小球，拉開彈簧迅速放手，讓小球振動起來。

你會發現，質量較重的小球振動頻率更慢，而質量較輕的小球振動頻率更快。

球的質量小，振動頻率快

球的質量大，振動頻率慢

水分子裡也有類似的現象，普通水分子中的氕就像較輕的小球，基態振動頻率更高；而重水分子中的氘就像是那個重的小球，基態振動頻率更低。

在原子的世界裡，頻率和能量息息相關，頻率越高能量就越大。這意味著普通水分子振動的基態能量要比重水分子更多。

化學反應可以看作把分子拆開再重新組裝成新分子的過程，只有能量足夠高分子才有可能被拆開。

這就意味著自身能量更高的分子更容易被拆散，更容易參與到化學反應中，反應速率也更快，而自身能量低的分子就更難發生反應。

因此，與普通水相比重水更難發生化學反應，即便發生了，速率也遠低於普通的水，這便是重水與普通水在化學上的最大差別。

據統計，對於存在氫原子轉移的化學反應，普通水的反應速率大概是重水的5-6倍，這種現象也被稱作同位素分餾。

就好比一場爬樓比賽，目標同樣是爬到10層，一個人從3層出發，另一人從1層出發，顯然第一個人容易達成目標。

利用這個性質，人們發明了電解提純重水的方法。

給水通電時，水會被分解為氫氣和氧氣，由於水比重水反應速率更快，因此水會被優先電解消耗，剩下沒來得及反應的便是重水。

那麼問題來了，反應速率和難易的差距對人體會造成哪些影響呢？

要知道，對於人來說，水是最重要的物質之一。人體時時刻刻發生著無數生物化學反應，這些反應多數都需要水的參與，且往往伴隨著氫原子的轉移。

如果把水替換成重水，一些生化反應就可能減慢，甚至慢到如同停滯一般，這樣人體正常的生理活動就難以維繫，進而表現出中毒的症狀，這便是重水導致中毒的原理了。

不過，我們日常喝的水中本身就含有微量的重水，人體也天然含有大約4 mL的重水，這些都不會對健康產生影響。

但是，當喝下的重水足夠多時，就很可能對健康造成嚴重危害。

說到這兒，你有沒有靈光一閃！既然重水能抑制生理活動，那麼我們能不能用重水來阻礙一種本不該出現在人體內的異常生理活動，即癌細胞的分裂呢？

正常細胞內的生化反應都能被重水抑制，那麼作為生命活動最旺盛、不斷分裂的癌細胞，自然首當其衝。

聰明的科學家也想到了這點，試圖利用重水來抑制癌細胞分裂和病毒滅活。目前，相關研究仍在進行中，這依然只是一個大膽的猜想，並未在臨床得到應用。

讀到這裡，大家是不是對重水、同位素、化學反應又有了新的認識呢？沒想到重水毒性之謎竟然與常見的小彈簧有著微妙的聯繫。

科學正是如此，一些顯而易見的結論不一定正確，而一些令人迷惑的現象背後往往藏著十分簡單的原理。