מים קלים

מים קלים הם מים שמורכבים מהאיזוטופים הקלים והנפוצים ביותר של חמצן ומימן ¹H₂¹⁶O. במלים אחרות, מים קלים הם האיזוטופולוג הקל ביותר של מים. ריכוז המים הקלים במים המצויים בטבע הוא בין 99.73%-99.76% (ריכוז מולי).

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:

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, O¹⁷, O¹⁸ במים טבעיים, משתנה בהתאם לסטנדרטים הבסיסים המופעים בתקנים SMOW ו-SLAP.

תקנים בינלאומיים

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 מאד 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 המהווה ערך משמעתי, בהשוואה, למשל, לריכוז של מלחים. מים טבעיים המתקרבים לתקן SLAP לגבי כמות האיזוטפולוג ¹H₂¹⁶O ואף אלו שעברו טיהור מיוחד על-מנת להגדיל איזוטופולג מסוג זה, נקראים 'מים קלים הנקיים 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, הנקיים והקלים 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 אחד מן השני בתכונות פיזיקאליות, כימיות וביולוגיות.

לחץ אדי מים נבדלים, בצורה משמעותית, לפי איזוטופים שונים. ככל שמסה מולקולרית של מולקולת מים קטנה יותר כך גם לחץ אדים גבוה יותר ולכן אדים שנמצאים במצב שיווי משקל עם נוזל תמיד מעושרים באיזוטופים קלים של חמצן ושל מימן.

מסה של אלמנטים בודדים נמוכה, אך ההבדלים במסות של איזוטופים גדולים ולהם השפעה בתהליכים טבעיים: D/H → 100 %, 18O/16O →12,5 % .

איזוטופים של מימן ושל חמצן משפעים בצורה המשמעותית ביותר בתהליכים של אידוי-עיבוי והתגבשות של המים. איזוטופים כבדים במים טבעיים שבירים יחסית ל 1H216O ולפי מספר מחקרים יכולים להיחשב כפגמים מבניים. במידה שמרחיקים את הטרוגניות איזוטופית של מים מקבלים מים הומוגניים. מים קלים – מים יותר הומוגניים.

איזוטופים כבדים המצויים במים בריכוזים טבעיים, כמעט ולא משפעים על דומם. השפעה של מים קלים ניכרת בצורה הבולטת ביותר על מערכות ביולוגיות המאופיינות בתגובות קסקאדה. תגובה של מערכות ביולוגיות על חשיפתן למים קלים יכולה להשתנות בהתאם לשינויים כמותיים ואיכותיים של הרכב איזוטופי. במהלך האבולוציה של יצורים חיים התרחשה העדפה של תהליכים ביוכימיים עם בחירה של אחד האיזוטופים, בדרך כלל איזוטופ הקל. בגוף האדם מתרחש תהליך שבו איזוטופים כבדים ויציבים של מימן ושל מים מורחקים מגופינו. במידה שנעשה שימוש במים עם ריכוז גבוהה של איזוטופים כבדים, בפרט עם דאוטריום, זה גורם להרעלה של האורגניזם. במקביל במקומות השונים נצפתה תגובה חיובית למים השייכים למים איזוטופים קלים. מחקרים שיטתיים אשר נעשו ב"מכון הרפואי-ביולוגי" של רוסיה, למציאת סביבה מחיה לטייסי חלל עם הרכב איזוטופי אופטימאלי, הראו כי מים עם ריכוז נמוך, יחסית למים טבעיים, של איזוטופים כבדים הכרחיים למערכות תומכות החיים של האסטרונאוטים במהלך טיסות ארוכות.

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 מאד של מולקולות המכילות איזוטופים כבדים של מימן וחמצן, וכתוצאה מכך הגדלה משמעותית של הריכוז של ¹H₂¹⁶O. המים הקלים המתקבלים בדרך זו נקיים מאוד, ומתאפיינים ברמה גבוהה של הומוגניות של ההרכב האיזוטופי.

שימוש

מולקולות כבדות של המים הן מזהמים פנימיים של גוף האדם.^{[דרוש מקור]} מים עם ריכוז גבוה של מולקולות קלות מקלים על תהליכים ביוכימיים ומגבירים את הפונקציונליות של תאים בפרט האורגניזם בכלל. על-מנת להוציא את מולקולות הכבדות של המים מהגוף קיים צורך בתגובות חילופי איזוטופים, מה שמצריך מים קלים. ריכוז גבוהה של מים קלים מביא לעליה ברמת הטוהר של מי שתייה. שימוש יום-יומי במים אלו משפר פעילות פיזית, אקטיביות והתנגדות הגוף. במים קלים, כמו כן גם בכבדים משתמשים כדי לחקור את דינאמיקה של תגובת חילופי איזוטופ המימן:

לקריאה נוספת