啥叫重水超重水

重水

重水（heavy water）是由氘和氧组成的化合物。分子式D2O，分子量200275，比普通水（H2O）的分子量180153高出约11％，因此叫做重水。在天然水中，重水的含量约占0015％。由于氘与氢的性质差别极小，因此重水和普通水也很相似。重水的离子积常数为1610-15

超重水

超重水的化学分子式为T2O，每个重水分子由两个氚原子和一个氧原子构成。水在地球上的总重大约是140亿亿吨，其中重水还不到万分之二。为了得到一公斤重水就要消耗掉6万度电和一百吨水，这比砂里淘金花的代价要大得多，因而重水的价格要比金子贵。大自然中的重水非常少，而超重水就更加少了，在宽广无际的大海里，连十亿分之一也找不到，只有靠人工的方法去制造。一般是把金属锂放在原子反应堆中，在中子的轰击下，使锂转变为氚，然后与氧化合生成超重水。制造一公斤超重水要消耗近十吨的原子能量，而且生产很慢，一个工厂一年也不过制造几十公斤超重水，所以超重水的价格比重水还要贵上万倍，比金子要贵几十万倍。

超重水的化学分子式为T2O，每个重水分子由两个氚原子和一个氧原子构成。水在地球上的总重大约是140亿亿吨，其中重水还不到万分之二。为了得到一公斤重水就要消耗掉6万度电和一百吨水，这比砂里淘金花的代价要大得多，因而重水的价格要比金子贵。大自然中的重水非常少，而超重水就更加少了，在宽广无际的大海里，连十亿分之一也找不到，只有靠人工的方法去制造。一般是把金属锂放在原子反应堆中，在中子的轰击下，使锂转变为氚，然后与氧化合生成超重水。制造一公斤超重水要消耗近十吨的原子能量，而且生产很慢，一个工厂一年也不过制造几十公斤超重水，所以超重水的价格比重水还要贵上万倍，比金子要贵几十万倍。

虽然重水和超重水生产起来要花费很大代价，但人们还是在不断地制造着他们。这是什么缘故呢？

原来它们对人类也有很多好处。超重水，它具有很强的放射性，利用它的这个特性，科学家可以研究某些生物或化学过程的进展情况。比如让病人喝一点含有极少量超重水的茶，半小时后，就可以从尿中检查出放射性，一直到14天以后，放射性才消失，这说明水分在人体中停留的时间是14天。如果要研究某种化学过程中水的来龙去脉，但又不许加入别的东西来破坏化学反应，这时就可以在普通水中加入一些超重水，超重水流到哪儿，哪儿就出现放射性。科学家很容易用探测器测量出它的藏身之处。超重水还是制造核武器和生化实验的重要原料。

最轻的气体——氢

氢是元素周期表中的第一号元素，它的原子是109个元素中最小的一个。由于它又轻又小，所以跑得最快，如果人们让每种元素的原子进行一场别开生面的赛跑运动，那么冠军非氢原子莫属。

氢气是最轻的气体，它的“体重”还不到空气的十四分之一，它的这种特点，很早就引起了人们的兴趣。在1780年时，法国一名化学家便把氢气充入猪的膀胱中，制成了世界上第一个、也是最原始的氢气球，它冉冉地飞向了高空。现在，人们是在橡胶薄膜中充入氢气，大量制造氢气球。

谦虚的化学家

早在十六世纪，瑞士的一名医生就发现了氢气。他说：“把铁屑投到硫酸里，就会产生气泡，像旋风一样腾空而起。”他还发现这种气体可以燃烧。然而他是一位著名的医生，病人很多，没有时间去做进一步的研究。

十七世纪时又有一位医生发现了氢气。那时人们的智慧被一种虚假的理论所蒙弊，认为不管什么气体都不能单独存在，既不能收集，也不能进行测量。这位医生认为氢气与空气没有什么不同，很快就放弃了研究。

最先把氢气收集起来并进行认真研究的是英国的一位化学家卡文迪什。

卡文迪什非常喜欢化学实验，有一次实验中，他不小心把一个铁片掉进了盐酸中，他正在为自己的粗心而懊恼时，却发现盐酸溶液中有气泡产生，这个情景一下子吸引了他，刚才的气恼心情全没了。他在努力地思考：这种气泡是从哪儿来的呢？它原本是铁片中的呢，还是存在于盐酸中呢？他又做了几次实验，把一定量的锌和铁投到充足的盐酸和稀硫酸中（每次用的硫酸和盐酸的质量是不同的），发现所产生的气体量是固定不变的。这说明这种新的气体的产生与所用酸的种类没有关系，与酸的浓度也没有关系。

卡文迪什用排水法收集了新气体，他发现这种气体不能帮助蜡烛的燃烧，也不能帮助动物的呼吸，如果把它和空气混合在一起，一遇火星就会爆炸。卡文迪什是一位十分认真的化学家，他经过多次实验终于发现了这种新气体与普遍空气混合后发生爆炸的极限。他在论文中写道：如果这种可燃性气体的含量在95％以下或65％以上，点火时虽然会燃烧，但不会发出震耳的爆炸声。

随后不久他测出了这种气体的比重，接着又发现这种气体燃烧后的产物是水，无疑这种气体就是氢气了。卡文迪什的研究已经比较细致，他只需对外界宣布他发现了一种氢元素并给它起一个名称就行了，真理的大门就要向他敞开了，幸运之神就要向他微笑了。

但卡文迪什受了虚假的“燃素说”的欺骗，坚持认为水是一种元素，不承认自己无意中发现了一种新元素，真是非常可惜。

后来拉瓦锡听到了这件事，他重复了卡文迪什的实验，认为水不是一种元素而是氢和氧的化合物。在1787年，他正式提出“氢”是一种元素，因为氢燃烧后的产物是水，便用拉丁文把它命名为“水的生成者”。

不用汽油的汽车

你们见过不用汽油的汽车吗？

也许你们会问：汽车怎么会不用汽油呢？

原来，科学家们发现汽油燃烧后会放出二氧化碳，这样下去会对环境造成污染。就设想用另一种燃料来代替汽油，科学家们经过多次实验，终于发现氢气可以代替汽油。用氢气作燃料有许多优点，首先是干净卫生，氢气燃烧后的产物是水，不会污染环境，其次是氢气在燃烧时比汽油的发热量高。

在1965年，外国的科学家们就已设计出了能在马路上行驶的氢能汽车。我国也在1980年成功地造出了第一辆氢能汽车，可乘坐12人，贮存氢材料90公斤。氢能汽车行车路远，使用的寿命长，最大的优点是不污染环境。

为什么大气中没有氢气

空气中含有很多气体，有氧气、氮气、二氧化碳、水蒸气等，却很少含有氢气，这是什么原因呢？

原来氢原子是各种原子中最轻最小的一个，由于它又轻又小，所以跑起来速度最快，它是原子中的“跑步冠军”。一个在星球上运动的物体，如果它的运动速度达到一定值，那么它就可以摆脱这个星球的引力而跑到太空中去，这个速度叫做逃逸速度。地球上的逃逸速度大约是11公里／秒。氢原子速度很快，大于这个逃逸速度，因此氢气都跑到了太空中，所以地球的大气中，几乎没有氢气。

气球的妙用

十月一日国庆节，举国欢庆。首都天安门前，五颜六色、大大小小的气球高高地浮在空中，迎风飘扬，翩翩起舞，十分好看，人们都说这是“白天的焰火”。

除了欢度节日，增加愉快的气氛之外，气球还有没有其他的用处呢？

科学家很早就给我们做出了回答。

在人类漫长的历史中，经受了无数次的洪水、干旱、地震等自然灾害。古时候人们都十分迷信，认为这些都是因为自己做错了什么事触怒了上天，所以上天降下灾祸。随着科学的发展，人们逐渐认识到并没有什么天神，这些都是自然现象，而且可以对它们进行预测。

在东汉时我国人民就能预测地震，但对于洪水，却一直无能为力。洪水一来就要淹没村庄，毁坏农田，有时甚至会危害人类。怎么才能对付洪水呢？科学家研究发现，洪水是由长时间下暴雨造成的，暴雨又是从雨云中降下的。这样，只要能观测到云层的厚度和水分，就可以预报天气，人们在听到暴雨来临的消息后就会做好预防措施。这样就减轻了洪水带来的危害。

可是，云朵都飘浮在高空，人类又没有翅膀，飞不到那样的高度，怎么办呢？

在化学家发现了氢气后，这个问题一下子解决了。人们造了好多个氢气球，让它们带上观测设备，这样，人们不用上天，就可以知道天空中云层的变化，从而做出准确的天气预报。

最近一段时间，气球又有了一种新用途，利用它携带干冰、碘化银等药剂升上天空，在云朵中喷撒，可以进行人工降雨。

比金子还要贵的水

前面介绍的是普通的氢，它的原子量是1，它还有两个“能干”的大“哥哥”氘（音刀）和氚（音川）它们的原子量分别是2和3。人们有时候也把它们称为“重氢”和“超重氢”，它们与氧结合生成的水分别叫重水和超重水。

水在地球上的总重大约是140亿亿吨，其中重水还不到万分之二。为了得到一公斤重水就要消耗掉6万度电和一百吨水，这比砂里淘金花的代价要大得多，因而重水的价格要比金子贵。大自然中的重水非常少，而超重水就更加少了，在宽广无际的大海里，连十亿分之一也找不到，只有靠人工的方法去制造。一般是把金属锂放在原子反应堆中，在中子的轰击下，使锂转变为氚，然后与氧化合生成超重水。制造一公斤超重水要消耗近十吨的原子能量，而且生产很慢，一个工厂一年也不过制造几十公斤超重水，所以超重水的价格比重水还要贵上万倍，比金子要贵几十万倍。

表面看来，重水和一般的水没有什么两样。但脾气却大不一样，如果你用重水养金鱼，没多久鱼便死了，用重水浸过的种子不会发芽。重水的“个头”也比水大，一立方米重水比一立方米普通的水要重1056公斤。普通的水在零度时结冰，在100℃时沸腾；而重水在38℃时就变成了冰，人们把它叫做“热冰”。

虽然重水和超重水生产起来要花费很大代价，但人们还是在不断地制造着他们。这是什么缘故呢？

原来它们对人类也有很多好处。先说起重水，它有放射性，利用它的这个特性，科学家可以研究某些生物或化学过程的进展情况。比如让病人喝一点含有极少量超重水的茶，半小时后，就可以从尿中检查出放射性，一直到14天以后，放射性才消失，这说明水分在人体中停留的时间是14天。如果要研究某种化学过程中水的来龙去脉，但又不许加人别的东西来破坏化学反应，这时就可以在普通水中加入一些超重水，超重水流到哪儿，哪儿就出现放射性。科学家很容易用探测器测量出它的藏身之处。

重水是原子能工业中的重要角色，它是原子反应堆最好的减速剂和载热剂，用了它之后，就可以大大降低原子燃料的成分。重水还是重要的国防原料，氢弹就是用它来制造的，重氢在极高温度下会产生原子核的聚合反应，发生强烈的爆炸，它的能量相当于几千万吨烈性炸药。一个普通的氢弹就能轻而易举地炸毁一座城市。如果把它爆炸时放出能量全部转换成电能，人类几十年也用不完！

飞人之死

在十八世纪八十年代初，欧洲出现了热气球，人们用它已经把鸡、鸭、羊等动物送上了天空。可是，人们对它还是心存恐惧，没有人愿意乘气球离开地面。

1783年，法国国王在科学界的一致要求下批准了用气球送人上天的计划，但要送的却是两个死刑犯。

这个消息被一个勇敢的青年知道后，他想第一次上天是一项流芳百世的壮举，怎么能把这个千载难逢的机遇让给死刑犯呢？于是他找了一个跟他一样不怕死的青年，向国王请求让他们替下死刑犯，国王被他们的勇敢打动了，准许了他们的要求。

在1783年11月21日，这两个青年乘上热气球，成功地进行了第一次用气球载人飞行，他俩顿时成了新闻人物，人们在街头巷议中纷纷把他俩称作“飞人”。

第二年，他们又计划乘气球飞越英吉利海峡。这时人们已经制出了氢气球，他们决定、把氢气球和热气球组合在一起，同时乘坐两只气球飞向英国。

这一天，他们把两只气球绑在一起，然后升上了天空。不久之后，悲剧发生了，气球发生了爆炸，他们都在事故中遇难身亡。

气球为什么会爆炸呢？

这是因为热气球下面有一个火盆，是用来给空气加热，但氢气是一种易燃易爆的气体，它一见火星就会发生爆炸，因为缺乏对氢气的了解，导致了这场灾难的发生。

原理就是：DNA毒性（慢性毒理）：目前很多文献报道了重水对有丝分裂的抑制的机制。最主要的原因有重水可以稳定微管蛋白复合体，抑制其解聚，从而抑制了spindle birefringence 这一过程。这也是重水抑制受精卵分裂从而导致不育的重要机制。第二个原因是在重水的环境下，DNA的合成自由能变高，核酸以及蛋白合成速率减慢，从而使其在细胞周期发生阻滞（这也是前面几个回答者提到的酶促反应的一方面）。所以，目前在重水的动物实验中，大鼠都会出现与化疗后相似的症状。所以可想而知，一旦人体循环系统摄入过量重水，那么会使正常系统都暴露在高强度的DNA毒性下，长此以往会导致细胞分裂停止，代谢减慢，人体失去稳态而导致多器官功能衰竭。

肠道毒性（急性毒理）：这一毒性要归结于重水和H2O的物理性质差异上。虽然两者很多参数十分接近，但是依然在精密的人体内会产生天壤之别。下表来自wikipedia很好地总结了不同。

我们可以看到有以下几点比较显著而重要的差异，一是粘滞度增加了约20%，二是其常温pH值上升，意味着重水的电离能力降低，三是其挥发热升高。这里就不对这些物理性质改变做出一一的解释了，但是其对生理的影响显而易见。

众所周知，肠道是对水吸收至关重要的部位，水和可溶性电解质进入肠道的机制在于小肠上皮细胞对于渗透压的调节。一旦大量饮入重水，其低电离的特性可能导致血浆与肠腔渗透压差变大，其高粘滞度的特性会导致水分子在穿越小肠上皮细胞间隙时的速率减慢，最终导致血浆中的H2O进入肠腔以维持渗透压，从而导致高渗性脱水和急性腹泻。如果持续饮用重水，则会在短期内造成肠道屏障的破坏和循环系统失水（不排除人体能在短期内形成新的重水渗透压适应性平衡）。这一症状，也是目前重水处理的大鼠试验上所体现出的表型。长此以往，肠道屏障的破坏能利于细菌的感染，从而引起二次的病理机制。以上只是个人根据已有文献的推测，权当抛砖引玉，如有不妥之处也请及时矫正。不过重水的摄入也并非一无是处。安全量的重水也是医学上研究人体水代谢的一种试验方法。目前也有专利报道了重水用于高血压的治疗。回到我的研究领域内，重水在肿瘤治疗方面也是有不错的应用前景，目前好几个体外的研究都说明了重水能对恶性消化系统的癌细胞（包括胃癌，肝癌，胰腺癌和直肠癌）造成细胞毒性杀伤从而引起癌细胞凋亡，不过对正常细胞的选择性还有待评估。

此外，还有研究表明重水的联合服用能够提高化疗药物Gemcitabine的对胰腺癌对杀伤。最后受上面各位的启发，再扯一下成本问题，如果想要靠喝重水喝成那样，假设要体内25%的H2O被重水替换，对一个72kg的成年人来说约需要10L的重水（不计入代谢过程中的损失），根据 Sigma-Aldrich的报价共计为$11,650, 折合人民币约¥81000。的确是相当高昂而痛苦的死亡方式。而如果将重水换成超重水（氚），那么需要考虑的除了以上这些问题，还有考虑放射性的基因毒性以及更为昂贵的价格。

重水和普通水一样，也是由氢和氧化合而成的液体化合物，不过，重水分子和普通水分子的氢原子有所不同。我们知道，氢有3种同位素。一种是氕，它只含有一个质子。它和一个氧原子化合可以生成普通的水分子。另一种是重氢 ———氘。它含有一个质子和一个中子。它和一个氧原子化合后可以生成重水分子。还有一种是超重氢———氚。它含有两个中子和一个质子。

重水与普通水看起来十分相像，它们的化学性质也一样，不过某些物理性质却不相同。普通水的密度为1克／厘米3，而重水的密度为1056克／厘米3；普通水的沸点为100℃，重水的沸点为10142℃；普通水的冰点为0℃，重水的冰点为 38℃。此外，普通水能够滋养生命，培育万物，而重水则不能使种子发芽。人和动物若是喝了重水，还会引起死亡。不过，重水的特殊价值体现在原子能技术应用中。制造威力巨大的核武器，就需要重水来作为原子核裂变反应中的减速剂。这也是同盟国不惜一切代价炸掉希特勒渡船的原因。

超重水的化学分子式为T2O，每个重水分子由两个氚原子和一个氧原子构成。水在地球上的总重大约是140亿亿吨，其中重水还不到万分之二。为了得到一公斤重水就要消耗掉6万度电和一百吨水，这比砂里淘金花的代价要大得多，因而重水的价格要比金子贵。大自然中的重水非常少，而超重水就更加少了，在宽广无际的大海里，连十亿分之一也找不到，只有靠人工的方法去制造。一般是把金属锂放在原子反应堆中，在中子的轰击下，使锂转变为氚，然后与氧化合生成超重水。制造一公斤超重水要消耗近十吨的原子能量，而且生产很慢，一个工厂一年也不过制造几十公斤超重水，所以超重水的价格比重水还要贵上万倍，比金子要贵几十万倍。

科学试剂里面，贵的液体大把，具体哪个最贵我并不知道。但就我接触知道的试剂来说，各类比蝎子毒液贵的就不少。比如扩增使用的taq金标酶。这个一般按照单位算价钱的。目前基本上是50单位3500元人民币左右，也就是一毫升大约70000人民币。这个其实还是稀释过的浓度，原始调制的浓度价格是多少，我不可想象。这玩意儿是从火山中耐高温的菌落中提纯出来的，主要是用于PCR反应中做酶催化剂。

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