מים קלים

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

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  18Oמסה 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 סינתזה 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 21,021087110,000728769  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).

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.

+ הבדלים בתכונות פיזיקליות תכונות פיזיקליות  1H216O  D216O  1H218O צפיפות ב °С 20, גר/סמ"ק0.9970 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

הערות שוליים

קטגוריה:מים