פתיחת התפריט הראשי

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).

תוכן עניינים

איזוטופולוגים של מיםעריכה

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 O16 O16 O16 O17 O17 O17 O18 O18 O18
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, O17, O18 במים טבעיים, משתנה בהתאם לסטנדרטים הבסיסים המופעים בתקנים SMOW ו-SLAP.

תקנים בינלאומייםעריכה

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 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 קליםעריכה

איזוטופים נבדלים אחד מן השני בתכונות פיזיקאליות, כימיות וביולוגיות.

הבדלים בתכונות פיזיקליות
תכונות פיזיקאליות 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

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.

מאפיינים ביולוגייםעריכה

כמדיום אוניברסלי, בו מתרחשות כל התגובות הביולוגיות, מים קלים מזרזים את התגובות הללו, יחסית למים טבעיים. תופעה זו ידועה בשם "אפקט איזוטופי קינטי של ממס". כשערכי צמיגות, צפיפות וכו' קטנים של מים קלים כממס מובילים לזירוז וספציפיות של תגובות פרמנטליות.

ההשפעה החזקה ביותר של מים הנקיים מאיזוטופים כבדים נוכחת על מנגנון אנרגטי של תא ביולוגי. שרשרת נשימה מטוכונדראלית מאופיינת בתגובות קאסקאדה. איזוטופים כבדים מאטים את קצב התגובה המעורבים בשרשרת הנשימתית. על סמך ניסויים, למשל נקבע שאיזוטופים כבדים של מים מעכבים יצירת מי חמצן במיטוכונדריה בזמן שירידה של איזוטופים אלו מתחת לרמה טבעית מביאה לעליה בקצב הראקציה. תחת השפעה של מים קלים משתפרת ספיגה של גלוקוז על ידי התאים.

בנוכחות מים קלים משתפרת אקטיביות אנטי גידולית – את זה ניתן לראות בעבודות מחקר אשר נעשו על ידי חוקרים במכוני מחקר שונים במדינות שונות. לדברי Sholmai, תוצאות של מחקרים קליניים אשר נערכו ב 1994-2001 בהונגריה, הראו כי שיעור ההישרדות של חולים שהשתמשו במים קלים בשילוב עם שיטות טיפול מסורתיות, או לאחר הטיפולים גבוהים משמעותית מאשר בקרב חולים שטופלו רק בכימותרפיה או הקרנה. מחקרים אשר נערכו ב"מכון רפואי – ביולוגי" של רוסיה הראו כי למים קלים יש השפעה הגנתית על בעלי-חיים שנחשפו להקרנה מסוג גמא, במינונים נמוכים, אשר בה על ידי הביטוי בהפחתת חומרת נזקי הקרינה ובתהליכי ההתאוששות. מנגנוני השפעה של מים קלים על הגוף של חיות הניסוי קשור להתנגדות הכללית של האורגניזם, אשר ההתנגדות לקרינה מהווה חלק מהתנגדות זו. נמצא כי מים עם ריכוז נמוך, יחסית לריכוז טבעי, של איזוטופים כבדים עם משך חשיפה ארוך לא מהווה השפעה רעילה על האורגניזם של חיות ניסוי. מים קלים, הנקיים מאיזוטופים כבדים, מועילה בהוצאת רעלנים ותוצרים של תהליכים מטבוליים מגוף. תכונות הגנתיות כנגד רעלנים של מים קלים הוכחו בניסוים מחקרים.

הפקת מים קלים וייצורםעריכה

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 נקיים מאוד, ומתאפיינים ברמה גבוהה של הומוגניות של ההרכב האיזוטופי.

שימושעריכה

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:

1H216O + 2H+ → 2H216O + 1H+

לקריאה נוספתעריכה

  • 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]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