PROFILPELAJAR.COM

מים כבדים הם תרכובת שנוסחתה הכימית ²H₂O או D₂O.^[1] מולקולה של מים כבדים מורכבת מאטום חמצן הקשור לשני אטומי דאוטריום. המים הכבדים הם איזוטופולוג של מים.

המים הכבדים דומים בתכונותיהם הכימיות למים רגילים, אך אטומי המימן הרגילים הוחלפו באיזוטופ מימן כבד יותר – הדאוטריום, ועל כן צפיפות המים הכבדים גדולה בכ־10% מזו של המים הרגילים.

מים כבדים משמשים הן כחומר מקרר והן כחומר מאט בכורים גרעיניים ומכאן חשיבותם ופרסומם. טרם העידן הגרעיני לא היה כל שימוש בהם, ודבר קיומם לא היה ידוע.

מספר CAS של מים כבדים: 7789-20-0

תכונות

על אף הדמיון בתכונות הכימיות והפיזיקליות בין מים רגילים וכבדים, ניתן לזהות שני הבדלים מהותיים:

למים כבדים (בניגוד לרגילים) ישנו חתך בליעת נייטרונים נמוך מאד. בכורים גרעיניים רבים קיימת חשיבות רבה לתכונה זו. אי-היבלעותם של הניטרונים במים הכבדים מאפשרת להם להתנגש בגרעיני אטומים רדיואקטיביים הנמצאים בכור (גרעיני אורניום, לדוגמה). בהתנגשות זו קיים סיכוי לביקוע גרעין האטום, כלומר ביקוע גרעיני.
שכיחות. מים כבדים-למחצה (HDO) מצויים בטבע בשכיחות של 1 ל־3200 מולקולות מים, ואילו שכיחותם של מים כבדים לגמרי (D₂O) היא 1 ל-41 מיליון מולקולות מים.

הסברים לשכיחות ומים כבדים-למחצה:

מים כבדים-למחצה: בכל תערובת של מים רגילים ומים כבדים, אטומי המימן הרגילים והכבדים מתנתקים ומתחברים מחדש לאטומי החמצן כל הזמן כך שבכל רגע יש בתערובת שלושה סוגי מולקולות: H2O ,HDO ו-D2O. לדוגמה, במים שזוקקו חלקית כך שמחצית המימן שבהם הוא כבד (דאוטריום), רק מחצית מהמולקולות תהיינה HDO ויהיו גם 25% מולקולות H2O ו-25% מולקולות D2O.
שכיחותו של הדאוטריום היא אטום אחד לכל כ-6400 אטומי מימן רגילים (פרוטיום).
במים כבדים-למחצה יש שני אטומי מימן ודי באחד מהם שיהיה דאוטריום, והשכיחות לזה היא כמעט כפולה משכיחות הדאוטריום במימן: מולקולה אחת לכל כ-3200.
במים כבדים שני אטומי המימן הם דאוטריום והשכיחות לזה היא כשכיחות הדאוטריום במימן (1:6400) - בריבוע: 1:40,960,000 (כ-1 ל-41 מיליון.)

טבלת תכונות השוואתית של מים כבדים ורגילים

תכונה	D₂O (מים כבדים)	H₂O (מים רגילים)
נקודת קיפאון (°C)	3.82	0.0
נקודת רתיחה (°C)	101.72	100.0
צפיפות (ב-20 מע', גרם/מיליליטר)	1.1056	0.9982
טמפ' צפיפות מקסימלית (°C)	11.6	4.0
צמיגות (ב-20 מע', סנטיפויז)	1.25	1.005
מתח פנים (ב-25 מע' דין/ס"מ)	71.93	71.97
חום היתוך (קל'/מול)	1,515	1,436
חום אידוי (קל'/מול)	10,864	10,515
אנתלפיית התהוות סטנדרטית (קילוג'ול למול)^[2]	294.6-	285.8-
אנטרופיה מולרית (גז, ג'אול למול)	198.34 ^[3]	188.7
מקדם שבירה (ב 589.3nm)	1.32844	1.33335

הפקה

מים כבדים לא מיוצרים אלא מופקים ממים רגילים. ההפקה מסובכת כי שכיחות המים הכבדים נמוכה מאוד ביחס למים הקלים. על־מנת להפיק מי שתייה ממאגר מים מתוקים, כל שיש לעשות הוא לשאוב אותם ולבצע בהם תהליך פשוט וזול של טיהור וסינון. כשמדובר במים כבדים אין הדבר כך: בשל נדירותם יש לשאוב כמויות מים אדירות ולהפריד בין המים הכבדים לקלים. לאחר ההפרדה מאוחסנים המים הכבדים במכלים ומשווקים ללקוחות (כורים גרעיניים), והמים הקלים (מי השתייה) מוחזרים למאגר ממנו נשאבו.

ישנם מספר תהליכי הפרדה שונים, המתבססים על עקרונות כימיים שונים. הפרדת המים הקלים מן הכבדים היא תהליך זיקוק דומה לתהליכי זיקוק תעשייתיים אחרים (כגון: זיקוק דלקים, יצור אמוניה, זיקוק אלכוהול). בחלק מהתהליכים נעשה שימוש בהבדל הקטן בטמפרטורות הרתיחה בין מים כבדים וקלים. הפקת מים כבדים בשיטות אלקטרוליזה או זיקוק למקוטעין (כמו בדלק) צורכת אנרגיה רבה ועל כן יקרה מאוד. בשל כך יש עדיפות להפקתם בשיטות כימיות אחרות.

על אף ההבדלים בשיטות הזיקוק השונות, דבר אחד משותף לכולן: מחירן הרב. הפקת מים כבדים יקרה ביותר בשל כמות המים הגדולה הנשאבת בתהליך, ולפיכת כמויות האנרגיה הגדולות שמושקעות בו.

היסטוריה

מים כבדים בודדו לראשונה על ידי גילברט ניוטון לואיס בשנת 1933. הם הופקו לראשונה באופן מסחרי ב-1934 במפעל הנורווגי 'נורסק הידרו' (Norsk Hydro). הקמת המפעל החלה בשנת 1906 והסתיימה כעבור חמש שנים. המפעל שימש בתחילה כתחנת כוח ומפעל דשנים ורק בשנת 1934 החל בהפקת מים כבדים, בהספק יצור של 12 טון בשנה. המפעל הותקף מספר פעמים על ידי בעלות הברית במלחמת העולם השנייה, על מנת למנוע מן המים הכבדים להגיע לגרמניה הנאצית במסגרת פרויקט הגרעין שלה. לאחר מספר תקיפות אוויריות וחבלות קרקעיות יצור המים הכבדים במפעל הופסק בעקבות פעולה מוצלחת של חילות קומנדו ממדינות שונות בשנת 1943.

בברית המועצות מים כבדים התקבלו לראשונה בשנת 1934 על ידי צוות בראשו עמד אלכסנדר ברודסקי.

כיום מופקים מים כבדים בארבע מדינות בעולם: ארגנטינה, הודו, נורווגיה וקנדה, כאשר האחרונה היא יצרנית המים הכבדים הגדולה בעולם, לפי טכנולוגיה שפיתחה החברה לאנרגיה אטומית של קנדה (AECL)^[4]. בשנות ה־50 וה־60 הפיקה גם צרפת מים כבדים, אך כיום אינה עושה כן. רומניה מפיקה כמות קטנה של מים כבדים על אדמתה ולעיתים מייצאת את חלקה.

ניתן להניח, כי כל מעצמות הגרעין המוכרות מסוגלות להפיק מים כבדים בעצמן, אך אינן עושות זאת מסיבותיהן (כלכליות בדרך כלל). מפעל הפקת המים הכבדים הגדול בעולם היה עד לשנת 1997, מפעל ברוס (Bruce Plant) הקנדי שבאונטריו. נכון ל־1979, היה מסוגל להפיק מעל 700 טונות מים כבדים בשנה. לצורך הפקת ליטר אחד של מים כבדים השתמש המפעל בכ־340,000 ליטרים מים. בקנדה יש מספר רב של כורים גרעיניים, ובכולם המים הכבדים מהווים רכיב קריטי. עם זאת, מאחר שלא נזקקה להפקת מים כבדים בכמות כזו, הוחלט ב־1997 לסגור את המפעל, אך גם כיום ממשיכה קנדה להיות יצואנית המים הכבדים המובילה בעולם.