Skip to main content
header

מבנה ותכונות המים

יש לנו מזל גדול שאנחנו חיים! החיים על פני האדמה תלויים במים.

בלי שפע המים ומרכיביהם הכימיים והפיזיקליים הנפלאים, לא ייתכנו חיים.

כמות מים כה גדולה בעולמנו משום שהם תרכובת יציבה ביותר של שניים משלושת המרכיבים השכיחים ביותר במערכת השמש, מימן וחמצן. כמה תכונות כימיות ופיזיקליות הופכות את המים לחיוניים כל כך בחיינו: המים הם הקרובים ביותר לממס אוניברסלי מכל חומר טבעי אחר; הם יכולים להספוג ולהכיל כמויות חום יוצאות-דופן; והתכונה הבולטת והכמעט ייחודית שלהם - צורתם המוצקה, כלומר הקרח, קלה יותר מצורתם הנוזלית - מים.

נישואין מאושרים

מה עושה את המים יציבים כל כך? ראשית יציבות אחת מהמולקולות שלהם. יציבות זו פרושה שדרושה אנרגיה רבה כדי להפוך את המים ליסודות מימן וחמצן. אפשר לעשות זאת באמצעות חשמל, אך עם כמות החשמל הדרושה להפיכת אמבט מלא מים לחמצן ומימן תוכלו להפעיל את כל מכשירי החשמל בבית במשך שנים. ההיפך, כמובן, גם הוא נכון: כשיוצרים מים מחמצן ומימן משתחררת כמות רבה של אנרגיה. אמנם תערובת של שני גאזים אלה היא נפיצה, אך בעזרת תנאים מבוקרים אפשר לדאוג לשחרור אנרגיה מבוקר. ישנם לווינים שמשתמשים ב'תאי דלק' כאלה ליצירת חשמל, וגם בגופנו אנחנו מקבלים חלק מהאנרגיה שלנו מתהליכים דומים.

אבל יציבות מולקולת המים נובעת בראש וראשונה מהמבנה האטומי של אטומי המימן והחמצן עצמם. אחד המודלים המקובלים לתאור האטום הוא מודל הקליפות האלקטרוניות שמתואר את אטום כבנוי מגרעין טעון חיובית המכיל פרוטונים ונוטרונים, וסביבו חגים אלקטרונים שליליים המסודרים בקליפות. מספר האלקטרונים בכל אחת מה"קליפות" מוגבל. האטומים "מרוצים" כאשר גרעיניהם מוקפים בקליפות 'שלמות' של אלקטרונים. הסידור בקליפות נובע מתכונות קוונטיות של האלקטרונים, או ליתר דיוק מרמות האנרגיה. בנוסף, אלקטרונים בקליפה (או רמת אנרגיה) נתונה מסודרים בדרך כלל בזוגות. הקליפה (או הרמה) הראשונה, הפנימית ביותר, יכולה להכיל זוג אחד של אלקטרונים בלבד.

להליום, למשל, יש שני מטענים חיוביים בגרעין שלו ועל כן, במצבו הטבעי, יש לו שני אלקטרונים. לפיכך, הליום הוא מרכיב יציב מאד ואינו מתרכב כימית עם יסודות אחרים. ארבעה זוגות של אלקטרונים נדרשים למלא את הקליפה (הרמה) הבאה.

בגרעין הניאון יש עשרה מטענים חיוביים ומשום כך - שתי קליפות מלאות; לכן הוא יציב מאד. הליום ונאון, ויסודות דומים אחרים, נקראים "גזים אצילים" בבחינת סנובים שאינם מתחברים לאחרים. מאידך גיסא, אטומי מימן וחמצן, שניהם אטומים 'מאד לא מסופקים'. בגרעין המימן יש מטען חיובי אחד - פרוטון אחד - ולכן יש באטום המימן בדרך כלל אלקטרון אחד, וכך הקליפה הראשונה אינה מלאה. לחמצן יש שמונה אלקטרונים שנים בקליפה הראשונה ורק שישה בשניה. כדי להתייצב הוא "זקוק" לשני אלקטרונים נוספים. אבל כאשר שני אטומים קרובים מספיק יש אלקטרונים שיכולים להיות שיכים לשני האטומים, אלה אותם אלקטרונים "לא מזווגים" שכאילו המחפשים בן זוג להשלים את הקליפה. תוצאות שיתוף זה הוא קשר כימי המבוסס על שיתוף של זוגות אלקטרונים, נקרא "קשר קוולנטי". כאשר שני אטומים של מימן ואטום אחד של חמצן חולקים זוגות אלקטרונים, הרי בשלושת האטומים הקליפות, מלאות. כתוצאה מכך המולקולה שנוצרה - מולקולת המים - יציבה, ו"הנישואין מאושרים".

הממס הכמעט-אוניברסלי

צורתה של מולקולת המים אינה סימטרית, שכן האטומים של המימן "יושבים" כמו שתי אוזניים על אטום החמצן הגדול יותר. צורה זו גורמת לכך שבמולקולה נוצר פיזור לא סימטרי של האלקטרונים וכן מבחינה חשמלית האזנים יותר חיוביות מהצד הנגדי. למצב כזה אנחנו קוראים דו-קוטב, או בלועזית 'דיפול'. הדיפול הזה הוא אחד הגורמים ההופכים את המים להיות ממס טוב כל כך. חומרים רבים אחרים, כמו מלח בישול פשוט (NaCl) אינם מלוכדים על ידי קשרים קוולנטיים אלא על ידי קשר כימי מסוג אחר המתבסס על כוח משיכה חשמלי הפועל "מרחוק", מבלי 'לחלוק' באלקטרון. קשר זה נקרא 'יוני': בתוך מלח הבישול אטום הנתרן (Na) אינו מופיע כאטום, אלא כיון, כלומר כאטום שאבד אלקטרון ולכן הוא טעון חיובית. שבאטום ה- Cl מופיע כיון, אבל נוסף אלקטרון, ולכן יש לו אלקטרון עודף והוא טעון שלילית הקשר היוני הוא אותו כח משיכה חשמלי הפועל בין יונים שמטענם תכונת ה'דיפול' של מולקולות המים מאפשרות להם להפריד יוני ה- +Na וה- -Cl אלה מאלה ולהקיף כל יון בעטיפת מים - וכך, החומר נמס. זה, כמובן, אינו כל הסיפור, אבל העיקר.

יכולתם של המים להמיס חומרים רבים כל כך הופכת אותם להיות חומר מצוין להעברת חומרים אלה ממקום למקום, במיוחד בתוך גופנו. אין פלא אפוא ששני-שלישים מגופנו הם מים!

כל החומרים המוצקים בגוף (עצמות, בידוד שומני של סיבי עצבים ושרירים וכו') חייבים 'להיבחר' בקפידה כדי שלא יימסו במים.

כוח ההמסה של המים, יחד עם העוצמה האדירה של זרימת הנהרות וגלי הים, עיצבו את פני האדמה, שיטחו הרים, חצבו גיאיות אדירים ויצרו חופים.

הרחיקו מים מחשמל!

יכולתם של מים להמיס מלחים אחראית גם למוליכות החשמלית שלהם. מים מזוקקים הם חומר מבודד טוב למדי, אך מים 'רגילים' מכילים מלחים ממיסים שהופכים אותו למוליך די טוב - לכן אסור לערבב מים וחשמל!

אך מוליכות זו חיונית גם לפעילותם של סיבי העצבים שלנו, שאת האותות החשמליים שלהם נושאים יונים של מלחים מומסים.

שידוך טוב?

אטומי המימן 'אוהבים' את אטומי החמצן עד כדי כך שגם כאשר אטומי המימן מתקשרים בקשר של "נישואין" עם אטום של חמצן במולקולה אחת של מים, הם נמשכים בעוצמה רבה גם לאטומי החמצן של מולקולות מים אחרות. לחוסר-נאמנות זה, שנקרא 'קשרי מימן' יש השפעות מעשיות חשובות מאד.

קשרי המימן אחראים בראש וראשונה לתופעת מתח הפנים; כלומר, מולקולות יוצרות מעין קרום אלסטי על פני המים. הקרום הזה יכול לשאת עליו אפילו משאות קטנים בגלל קשרי המימן. מולקולות המים נמשכות גם לחומרים אחרים, זכוכית, למשל, וכתוצאה מכך נוצרת 'פעילות נימית'; כלומר, המים נשאבים מעלה אל תוך צינורות דקיקים בניגוד לכוח המשיכה - תופעה
שמנוצלת בטבע בכלי דם קטנים ובאספקת חומרי לעצים. אך תוצאה חשובה הרבה יותר של המשיכה ההדדית החזקה בין מולקולות המים מתבטאת בכך שקשה למים להתאדות, כיוון שהתאדות פירושה הפרדת המולקולות. לפיכך, מים נשארים חומר נוזלי בטמפרטורת החדר - שלא כחומרים דומים כמו מתאן שבטמפרטורת החדר הוא גז. לו היו המים מתנהגים כמו גז המתאן, למשל, לא היו יכולים להיות מים נוזלים על פני כדור-הארץ והחיים לא היו יכולים להתקיים.

לו היה קרח כבד ממים...

לבסוף, קשרי המימן והמבנה המיוחד של המים המוצקים אחראים לכך שהקרח "קל" מן המים. בקרח, המולקולות המקושרות-על ידי קשרי מימן מסתדרות כך שנשארים חללים ריקים גדולים למדי. זה מפחית את צפיפות הקרח לעומת מים נוזלים ולכן הקרח צף על פני המים. לו היה הקרח "כבד" ממים, הקרח על פני הימים היה שוקע למצולות והיה מתעצם וגדל במהירות עד שכל האוקיינוסים היו קופאים. ואז היה העולם קר, יבש וחסר-חיים. למזלנו, הקרח הצף מבודד את המים שמתחתיו, מונע את קפיאתם ומאפשר לאדמה לשמור על חומה. עוד גורם שתורם להשפעה הממתנת של המים הוא יכולתם הנפלאה לספוג חום. חום רב דרוש כדי להמיס מים, לחמם אותם ולהביאם לרתיחה (פי עשרה מהחום הדרוש לברזל).

יתר על כן, כאשר מים מתעבים, מתקררים או קופאים, הם משחררים חום רב. החום הנובע מעיבוי הוא מקור האנרגיה הגורם לסופות רעמים, הוריקנים וסופות טורנדו. כאשר אוויר לח עולה, הוא מתקרר וגורם ללחות להתעבות וליהפך לטיפות. עיבוי זה שב ומחמם את האוויר וכך הוא ממשיך לעלות עד שכל הלחות "נסחטת" ממנו כגשם. אך יכולת החימום הנפלאה של המים פירושה שמים חמים שניתזים עלינו יכולים לגרום כוויות קשות, ואדי קיטור מסוכנים אף יותר.

אחרי שמנינו את כל התכונות האלה, במיוחד ראויה לציון העובדה שחומר נפלא זה הוא חסר-ריח, חסר-טעם וחסר-צבע!

נוצר בתאריך: 08/06/09
עודכן בתאריך: 02/04/11