PROFILPELAJAR.COM

מים קלים הם מים שמורכבים מהאיזוטופים הקלים והנפוצים ביותר של חמצן ומימן ¹H₂¹⁶O. במילים אחרות, מים קלים הם האיזוטופולוג הקל ביותר של מים. ריכוז המים הקלים במים המצויים בטבע הוא בין 99.73%-99.76% (ריכוז מולי). לצריכת מים קלים אין כל תועלת בריאותית על פני צריכת מי ברז רגילים^[1]

איזוטופולוגים של מים

איזוטופים הם סוגים שונים של אותו יסוד כימי שנבדלים במשקל של הגרעין. ההבדל במשקל נובע מהעובדה כי הגרעינים של האיזוטופים מכילים מספר שונה של נייטרונים (אך אותו מספר של פרוטונים). מולקולות בעלות שילובים שונים של איזוטופים הן איזוטופולוגים של אותה מולקולה.

מולקולת מים מכילה שני אטומי מימן ואטום חמצן אחד. למימן שני איזוטופים יציבים - פרוטיום ¹H ‏(H) ודאוטריום ²H ‏(D). לחמצן שלושה איזוטופים יציבים - ¹⁶O,‏ ¹⁷O,‏ ¹⁸O.

איזוטופים אלה יוצרים תשע מולקולות-איזוטופולוג של מים:

איזוטופולוג	¹H₂¹⁶O	¹HD¹⁶O	D₂¹⁶O	¹H₂¹⁷O	¹HD¹⁷O	D₂¹⁷O	¹H₂¹⁸O	¹HD¹⁸O	D₂¹⁸O
איזוטופ של מימן	¹H	¹H,D	D	¹H	¹H,D	D	¹H	¹H,D	D
איזוטופ של חמצן	¹⁶O	¹⁶O	¹⁶O	¹⁷O	¹⁷O	¹⁷O	¹⁸O	¹⁸O	¹⁸O
מסה מולקולרית	18	19	20	19	20	21	20	21	22

מולקולת ¹H₂¹⁶O היא הקלה ביותר במכלול של איזוטופולוג של מים והיא נחשבת כקלאסית או מים קלים. מונואיזוטופ של מולקולה זו לא קיים בטבע, ועל מנת לקבלו נעשה שימוש בטיהור רב שלבי או סינתזת מיסודות מוצא - ¹H₂ ו ¹⁶O₂ . מים המצויים בטבע מהווים תערובת של מגוון איזוטופים כאשר ריכוזו של האיזוטופולוג הקל הוא הגבוה ביותר, ועולה בהרבה על ריכוזם של שאר האיזוטופולוגים יחדיו. ב-1,000,000 מולקולות של מים טבעיים ימצאו, בממוצע, 997,284 מולקולות ¹H₂¹⁶O,‏ 31 מולקולות ¹HD¹⁶O,‏ 390 מולקולות ¹H₂¹⁷O וכ- 2,005 מולקולות ¹H₂¹⁸O. ריכוז של מולקולות מים המכילות איזוטופים כבדים של D, ¹⁷O, ¹⁸O במים טבעיים, משתנה בהתאם לסטנדרטים הבסיסים המופעים בתקנים SMOW ו-SLAP.

תקנים בינלאומיים

כמויות משקליות של איזופוטולוג מים טבעיים העומדים בתקנים בינלאומיים
איזוטופולוג של מים	מסה מולקולרית	כמות (גר'/ק"ג)
		SMOW	SLAP
¹H₂¹⁶O	18,01056470	997,032536356	997,317982662
¹HD¹⁶O	19,01684144	0,328000097	0,187668379
D₂¹⁶O	20,02311819	0,000026900	0,000008804
¹H₂¹⁷O	19,01478127	0,411509070	0,388988825
¹HD¹⁷O	20,02105801	0,000134998	0,000072993
D₂¹⁷O	21,02733476	0,000000011	0,000000003
¹H₂¹⁸O	20,01481037	2,227063738	2,104884332
¹HD¹⁸O	21,02108711	0,000728769	0,000393984
D₂¹⁸O	22,02736386	0,000000059	0,000000018
מסה מולקולרית ממוצעת		18.01528873	18.01491202

ריכוז של האיזוטופים הכבדים של מימן וחמצן במים הטבעיים מבוקר על ידי שני סטנדרטים בינלאומיים:

תקן SMOW ‏(Standard Mean Ocean Water) מאפיין את מי העומק של האוקיינוס העולמי ונחשב כיציב מאוד בהרכב האיזוטופי . בתקן זה ריכוזו של האיזוטופ הקל הוא, ¹H₂¹⁶O- 997.0325 גרם/ ק"ג (99.73% מולי).
תקן SLAP ‏(Standard Light Antarctic Precipitation) מאפיין את המים הטבעיים של אנטארקטיקה בהם ריכוזו של האיזוטופ הקל הוא, ¹H₂¹⁶O- 997.3179 גרם/ ק"ג (99.76% מולי).

לפי תקן SMOW ערכם האבסולוטי של דאוטריום וחמצן-18 במי האוקיינוס: D /¹H =(155,76±0,05)•10−6, שזה PPM 155.76, 18O /16O =(2005,20±0,45)•10−6, שזה PPM 2005. לפי תקן SLAP D/H=89•10−6, שזה PPM 89, 18O/16O=1894•10−6, שזה PPM 1894. תקן SLAP מאפיין את המים הטבעיים הקלים ביותר על פני כדור הארץ. הקלילות של המים בחלקים השונים של כדור הארץ שונה.

במים טבעיים ריכוז משקלם של איזוטופים כבדים יכול להגיע ל-2.97 גרם/ק"ג. מים טבעיים המתקרבים לתקן SLAP לגבי כמות האיזוטפולוג ¹H₂¹⁶O ואף אלו שעברו טיהור מיוחד על-מנת להגדיל איזוטופולג מסוג זה, נקראים 'מים קלים באופן מיוחד' (הגדרה פחות רשמית, המתואמת לתנאים אמיתיים)^[^{דרוש מקור]}.

במים קלים חלקו של האיזופוטולוג הקל ביותר ( % מולי): 99.76 < ¹H₂¹⁶O ≤ 100. אם נוציא ממים, העונים לדרישת תקן SMOW, את כל המולקולות של האיזוטופים הכבדים, אשר חלקם המסתי הוא -2.97 גרם/ק"ג ונחליפם ב ¹H₂¹⁶O, אזי המסה של 1 ליטר מים הקלים מבחינה איזוטופית, תקטן ב-250 מ"ג. לכן, הפרמטרים של מים קלים, וראשית כל "הקלות" שלהם וההרכב איזוטופי, ניתנים למדידה בעזרת שיטות כמו ספקטרומטרית מסה, gravimetry, NMR ו- laser absorption spectroscopy.

תכונות ומאפיינים של מים קלים

איזוטופים נבדלים מעט זה מזה בתכונות פיזיקליות וכימיות. עם זאת, הבדלים אלה חסרי משמעות מעשית במקרה של מי ברז רגילים, המכילים ממילא ריכוז אפסי של מים כבדים^[1].

הבדלים בתכונות פיזיקליות
תכונות פיזיקליות	¹H₂¹⁶O	D₂¹⁶O	¹H₂¹⁸O
צפיפות ב °С 20, גר/סמ"ק	0.9970	1.1051	1.1106
טמפרטורת צפיפות מקסימלית, °С	3.98	11.24	4.30
טמפרטורת התכה בלחץ 1 אטמ', °С	0	3.81	0.28
טמפרטורת רתיחה בלחץ 1 אטמ', °С	100	101,42	100,14
לחץ אדים בטמפ' °С 100, טור	760,00	721,60	758,10
צמיגות בטמפ' °С 20, sp	1,002	1,247	1,056

הפקת מים קלים וייצורם

לצורך הפקת מים קלים פותחו שיטות ומתקנים אשר מאפשרים להפחית במידת מה את נוכחות של דאוטריום במים תוך שמירה על ההרכב האיזוטופי של החמצן המקורי. תהליך העושה שימוש בשיטת "מי טל" מפחית את האיזוטופים הכבדים של דאוטריום וטריטיום וכולל פעולות של קירור מים והפשרתם לאחר מכן, אך היקף ההפחתה של דאוטריום במקרה זה קטן למדי. דילול משמעותי של איזוטופי דאוטריום מושג על ידי שימוש באלקטרוליזה, אבל ההספק בשיטה זו נמוך ביותר.

למרות שירידה בדאוטריום מביאה לעליה בריכוז של ¹H₂¹⁶O, האפקטיביות של דילול הדאוטריום בלבד מהמים מוגבלת. גידול משמעותי בריכוז של ¹H₂¹⁶O במים אפשרי רק כאשר מדללים גם את המולקולות המכילות איזוטופים כבדים של ¹⁷O, ¹⁸O. דרך יעילה לייצור מים קלים טהורים במיוחד וריכוז ¹H₂¹⁶O גבוה בקנה מידה תעשייתי, שהוצעה בפטנט, עושה שימוש במעבר של מים במגדל זיקוק לצורך הסרת כמות גדולה מאוד של מולקולות המכילות איזוטופים כבדים של מימן וחמצן, וכתוצאה מכך הגדלה משמעותית של הריכוז של ¹H₂¹⁶O. המים הקלים המתקבלים בדרך זו מתאפיינים ברמה גבוהה של הומוגניות של ההרכב האיזוטופי.

לקריאה נוספת

Harriet Hall, Deuterium Depleted Water, Skeptical Inquirer, 6 July 2020

Lis G., Wassenaar L. I., Hendry M. J. High-Precision Laser Spectroscopy D/H and 18O/16O Measurements of Microliter Natural Water Samples.// Anal. Chem. 2008. V. 80 (1). P. 287—293
Craig, H. Standard for Reporting Concentrations of Deuterium and Oxygen-18 in Natural Waters. // Science. 1961. V. 133. PP. 1833−1834.
Hagemann R., Niff G., Roth E. Absolute isotopic scale for deuterium analysis of natural waters. Absolute D/H ratio for SMOW. // Tellus. 1970. V.22. N6. PP.712-715.
De Wit J.C., van der Straaten C.M.; Mook W.G. Determination of the Absolute Hydrogen Isotopic Ratio of VSMOW and SLAP. // Geostandards Newsletter. 1980. V. 4. N. 1. PP. 33−36.
GLEASON J.D., FRIEDMAN I. Oats may grow better in water depleted in oxygen 18 and deuterium. NATURE 256, 305 (24 July 1975)
Bild W, Năstasă V, Haulică I. In vivo and in vitro research on the biological effects of deuterium-depleted water: 1. Influence of deuterium-depleted water on cultured cell growth. // Rom J. Physiol. 2004. V.41. N 1-2. P:53-67.
Sinyak Y., Grigoriev A., Gaydadimov V., Gurieva T., Levinskih M., Pokrovskii B. Deuterium-free water (1H2O) in complex life-support systems of long-tern space missions. // Acta Astronautica. 2003. V. 52, P. 575.
[Pomytkin I.A., Kolesova O.E. //Bulletin of Experimental Biology and Medicine. 2006. V.142. N 5.]http://www.vetonco.ru/docs/lw_article_2006.pdf
Gyöngyi Z, Somlyai G. Deuterium depletion can decrease the expression of C-myc Ha-ras and p53 gene in carcinogen-treated mice. // In Vivo. 2000. V.14. N.3. P. 437.
Berdea P., Cuna S., Cazacu M., Tudose M. Deuterium variation of human blood serum. // Studia Universitatis Babeş-Bolyai, Physica. 2001. Special issue
[Krempels K., Somlyai I., Somlyai G. A Retrospective Evaluation of the Effects of Deuterium Depleted Water Consumption on 4 Patients with Brain Metastases from Lung Cancer. // Integrative Cancer Therapies. 2008. V.7. N.3. P. 172—181]https://web.archive.org/web/20091222034901/http://www.hyd.hu/downloads/retrospective_evaluation.pdf.
[Cong F.-S., Zhang Y.-R., Sheng H.-C., Ao Z.-H., Zhang S.-Y., Wang J.-Y. Deuterium-depleted water inhibits human lung]http://www.spandidos-publications.com/etm/1/2/277 carcinoma cell growth by apoptosis. // Experimental and Therapeutic Medicine. 2010. V.1. N.2. P.277-283
Somlyai G. Let’s Defeat Cancer!. Akadémiai Kiadó, Budapest, 2001.
[Doina P.M. et al., Bulletin UASVM, Veterinary Medicine. 2008. V.65(1).] http://journals.usamvcj.ro/veterinary/article/viewFile/1248/1222(הקישור אינו פעיל)