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　　什么是重水？簡單來說就是分子中的氫被替換為氘的水。氫原子在自然界有三兄弟，分別是氫-1、氫-2、氫-3，為了方便一般叫它們氕氘氚。

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　　這三兄弟的差別主要在于原子核的中子數(shù)量，氕就是我們一般語境中默認(rèn)的氫，由一個質(zhì)子和一個電子組成，而氘要比氕多一個中子，氚則多兩個。

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　　自然界中絕大多數(shù)氫都是以氕的形式存在，相對豐度達(dá)到99.9844%，而氘的豐度相對較低，約0.0156%，至于氚，由于豐度低于0.001%，一般記為痕量。

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　　最近日本福島的核廢水事件中，氚的含量就是重點討論的問題。

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　　氚具有放射性，發(fā)生β衰變，半衰期為12.43年，衰變產(chǎn)物氦-3太輕會逃逸到宇宙中。氚在自然界中含量極少，一般認(rèn)為是宇宙輻射與上層大氣中的氫相互作用產(chǎn)生，總量大概只有7.3千克，而自核技術(shù)誕生以來，人類制造出的氚已經(jīng)超過了自然存量的5倍。

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　日本福島百萬噸的核廢水

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　　氕氘氚三兄弟雖然在原子組成上有所不同，但是它們的化學(xué)性質(zhì)差距卻微乎其微，三者與氧反應(yīng)都能生成水，稱為H2O、D2O（Deuterium oxide）和T2O（Tritium oxide），D2O和T2O俗稱重水和超重水。

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　　也正因為三者的很多性質(zhì)都一樣，氚也是核廢水中最難分離去除的物質(zhì)。含有氚的超重水有什么危害自然不必過多解釋，放射性三個字已經(jīng)概括了很多。

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　　不過，沒有放射性的重水要比超重水有意思得多。

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由于重水密度比水大10%，重水冰塊能在水中沉底

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　　重水幾乎是伴隨著氘的發(fā)現(xiàn)而被人所知的，1931年美國科學(xué)家哈羅德·克萊頓·尤里（Harold Clayton Urey）發(fā)現(xiàn)了氫的同位素氘，之后他也因此獲得了1934年的諾貝爾化學(xué)獎。

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　　1933年，尤里的導(dǎo)師吉爾伯特·牛頓·路易斯（Gilbert Newton Lewis）通過電解水的方式制得了0.5毫升重水，純度為65.7%。

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　哈羅德·克萊頓·尤里

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　　早年間制取重水的方法就是簡單粗暴的電解水，從現(xiàn)象上來看，電解水時陰極產(chǎn)生的氫氣中所含輕同位素的比例更高一些，留在電解池內(nèi)的水中氘的含量就變高了。

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　　電解法制重水的原理涉及動力學(xué)同位素效應(yīng)，同位素之間雖然化學(xué)性質(zhì)極為相近，但在反應(yīng)速率上有差異，平衡常數(shù)也不同。

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　　反應(yīng)速率的變化與核量子效應(yīng)有關(guān)，簡單來說是由于較重的同質(zhì)異形體擁有更低的震動頻率，在大多數(shù)情況下需要更多的能量才能使化學(xué)鍵斷裂。

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　　不過，天然水中的氘并不一定都以D2O的形式存在，更大概率是以HDO（半重水）的形式存在。在電解法制重水的過程中，當(dāng)HDO分子達(dá)到一定比例后，水分子間還會發(fā)生交換氫離子的現(xiàn)象，D2O的比例變得更高。

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　　當(dāng)電解制取重水的方法出現(xiàn)后，很快就被應(yīng)用到實際中。就在路易斯制得高純度重水的次年，1934年，挪威建起了Venmork水力發(fā)電廠，利用豐富的水力資源來電解水制氫，用于生產(chǎn)硝酸鹽化肥。

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　挪威Venmork水力發(fā)電廠

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　　商機(jī)就藏在其中，生產(chǎn)化肥需要的是電解水產(chǎn)生的氫氣，而留在電解池里的不就是重水嗎？雖然實際的情況沒有那么簡單粗暴，但方向是正確的。

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　　果不其然，制氫廠對電解的殘留物進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)中氘與氫（氕）的比例為1：48，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于天然的1：6400，雖然大多數(shù)是以HDO半重水的形式存在，但也極具價值。

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　　于是挪威水電公司接受了制氫廠負(fù)責(zé)人提出的建議，從電解液的副產(chǎn)物中制取重水，雖然過程需要大量聯(lián)級電解室和消耗大量電力，但這并不妨礙挪威水電公司成為最早向科學(xué)界供應(yīng)重水的廠商。

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　挪威產(chǎn)安瓿裝重水

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　　然而，重水的故事才剛剛開始。德國人在1938年末發(fā)現(xiàn)了中子轟擊鈾能引發(fā)核裂變，蘇聯(lián)人在1939年末得出結(jié)論，重水和石墨是鈾反應(yīng)堆的僅有的可行緩和劑，反應(yīng)堆需要大約15噸重水。

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　　重水因為能夠使鏈?zhǔn)胶朔磻?yīng)產(chǎn)生的中子減速而成為了戰(zhàn)略級的物質(zhì)，各國都極其重視。1940年到二戰(zhàn)期間，挪威的重水工廠一直處于納粹德國的控制之下，并大量采購幾乎所有的重水。

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　　為了阻止納粹的核研究，盟軍發(fā)動了一系列針對重水工廠的突襲破壞行動，為世界做出了一定的貢獻(xiàn)，當(dāng)然從馬后炮的角度來看，當(dāng)時挪威重水工廠即便馬力全開也很難產(chǎn)出足夠反應(yīng)堆運(yùn)行的重水。

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　盟軍穿越山地高原摧毀納粹控制下的重水工廠

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　　總之，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，以至于很多人對它的第一印象就是極度危險，實際上并非如此。

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　　那個年代科學(xué)家的好奇心的是無窮的，早在氘被發(fā)現(xiàn)后不久就已經(jīng)有人把重水喝下了肚。

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　　喬治·赫維西（GeorgeCharles de Hevesy）和氘的發(fā)現(xiàn)者尤里是好朋友，1934年赫維西找尤里搞來了幾升重水，當(dāng)然純度不是特別高，只有0.6%。

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　　赫維西把這些重水喝掉了，目的是將氘作為示蹤劑來研究人體對水的代謝，最終得出結(jié)論，水分子在人體內(nèi)平均停留時間為13±1.5天。

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咋？不信嗎？

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　　這不是傳說，赫維西是示蹤劑研究的先驅(qū)，因為這方面的研究獲得了1943年的諾貝爾化學(xué)獎，后來在納粹占領(lǐng)丹麥時，他用王水把諾獎金牌溶了，大家感興趣的話可以單獨講講老哥的故事。

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　　總之，大家一直都對喝重水這件事非常好奇，首先是它是的毒性。

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　　可以明確的一點是，現(xiàn)在我們通過合法途徑購買到的高純度重水（氧化氘），在容器的標(biāo)簽上大概率會寫有安全性警告，或者是僅用于實驗等提醒，這里不建議任何人嘗試飲用重水。

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　　首先，對于大多數(shù)天然同位素而言，它們的差異太小，以至于幾乎無法產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)。氫算是比較特殊的，氘雖然之比氕多了一個中子，但原子量已經(jīng)翻倍，更何況水是地球生物非常重要的溶劑，一些細(xì)微的化學(xué)性質(zhì)差異就可能會對生物體產(chǎn)生影響。

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　　目前已知的一些影響，包括對晝夜節(jié)律周期變長，現(xiàn)象可以在單細(xì)胞生物、綠色植物、昆蟲、鳥類、小鼠等生物中觀察到。

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　　更重要的是對生物體內(nèi)重要化學(xué)反應(yīng)的影響，由于重水的氫鍵更強(qiáng)，很多依靠氫鍵的生化反應(yīng)會被影響。植物在高濃度重水的環(huán)境下會死亡，動物如小鼠、大鼠和狗，在體內(nèi)D2O達(dá)到25%以上會不育，魚類在90%以上的重水中會迅速死亡。

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　　哺乳動物被投喂重水后約一周后會死亡，此時它們體內(nèi)的水有50%左右已經(jīng)被替換為D2O，原因為氘抑制細(xì)胞分裂。

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　　聽起來喝重水還是一件挺可怕的事，不過除了那些為了研究而被飼養(yǎng)的動物外，人類幾乎不可能會接觸到如此大量的重水。

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　　而且，氘作為天然的氫同位素，人體中也含有一定量的氘，以50千克體重算，一個人體內(nèi)約含有32千克的水，其中約有1.1克的氘，換算過來相當(dāng)于5.5克的純重水。

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　　而一般認(rèn)為人體內(nèi)的水要有一般有25%~50%被替換為D2O才有可能產(chǎn)生毒性，顯然這種情況幾乎不可能出現(xiàn)，也不用腦洞大開構(gòu)思一個“重水殺人案”，以今天重水與純銀相當(dāng)?shù)膬r格來看，不說了，你們自己算。

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　　盡管理論上不建議任何人飲用重水，實際上還是有無數(shù)人或公開或非公開地喝過重水，原因說起來很離奇，因為大家都好奇重水究竟是不是甜的。

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　　雖然早期，比如氘的發(fā)現(xiàn)者尤里本人，以及挪威克勞斯? 漢森教授在嘗試重水后得出了不太統(tǒng)一的答案，前者認(rèn)為重水和普通水無異，后者認(rèn)為重水有點辣嘴。

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　　這些有可能是當(dāng)時制備重水技術(shù)不成熟，純度不足以及含有雜質(zhì)等因素造成的。但到了今天，我們可以在購買到純度達(dá)到99.98%的重水，有很多偷嘗禁水的人都表示“有點甜”。

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　　說起來非常奇怪，水怎么會有甜味呢？根據(jù)YouTube Thunderf00t頻道的實驗，他設(shè)計了簡單的盲測實驗，被試者將會品嘗不同的水，每次僅有三滴。

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　　為了排除可能因分子量帶來的差異，他還花重金搞來了重氧水，即氫與氧-18生成的水，分子量為20，與重水相當(dāng)。

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　　結(jié)果幾乎所有被試者都能在三種水（普通水、重水、重氧水）中區(qū)分出重水，只靠三滴并且非常迅速，可以說比較明顯。

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Thunderf00t的頻道主是Phil Mason，他也是下文研究中的作者之一，主要貢獻(xiàn)是提供蒸餾提純的高純度重水

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　　在另一項由娜塔莉·本·阿布主導(dǎo)的實驗中，28名參與者在開鼻式味覺測試中有22名準(zhǔn)確區(qū)分出了重水，根據(jù)他們的主觀反饋，純重水的甜味顯著，但比較輕微，平均甜度為3.3±0.4（1無感，3輕微，5中等，7非常，9齁甜）。

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　　為了進(jìn)一步研究重水產(chǎn)生甜味的原因，他們團(tuán)隊還做了小鼠實驗，但是實驗的結(jié)果有些出人意料。已知小鼠對蔗糖水有較強(qiáng)的偏好，但卻對重水沒有偏好，其他的長期喂養(yǎng)實驗甚至觀察到小鼠表現(xiàn)出對重水的厭惡。

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　　也就是說，小鼠可能嘗不出重水的甜味，但也可能通過其他特征分辨出重水，一種猜測是喝下重水后小鼠的身體出現(xiàn)了不適，畢竟它們體型小，重水帶來的影響更為顯著。

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　　不過，這也給研究帶來了方向，重水產(chǎn)生甜味的原因來自于人類特有而嚙齒類沒有的甜味受體，后確定為TAS1R2 / TAS1R3受體。

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　　進(jìn)一步的實驗通過作用于TAS1R2/ TAS1R3受體的甜味抑制劑也證明了重水甜味的來源。不過實驗仍沒有找到確切的點位和作用機(jī)理，但可以確定是由于核量子效應(yīng)，D2O的氫鍵更強(qiáng)，因此蛋白質(zhì)在D2O中剛性和致密性也更強(qiáng)，這或許是我們感受到甜味的原因。

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　　正所謂“遇事不決，量子力學(xué)“，其實真正的含義是讓你舉棋不定的時候喝一口水冷靜冷靜，用你的TAS1R2 / TAS1R3受體感受那3200分之一的回甘。

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　　最后，恭喜你看完本文，收獲了一條無用知識：當(dāng)你面前的兩杯水中有一杯是重水，辨別它們的最快方法就是——喝一口（誤）。

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