אחרי מאתיים שנה נפתרה התעלומה – מדענים הצליחו לחזות לראשונה במעבר של חלקיקים טעונים בין מולקולות מים

כל ילד לומד בשלב מוקדם בחייו שחשמל ומים הם שילוב מסוכן, שכן מים מוליכים חשמל. אולם אף שהתופעה מוכרת מאוד, עולם המדע לא ידע להסביר איך זה קורה ברמה המולקולרית. במשך 200 שנה נאבקו מדענים למצוא את התשובה החמקמקה, עד שהיא קיבלה לבסוף מענה במחקר חדש.

מים טהורים, שלרוב אפשר למצוא רק בתנאי מעבדה, הם מוליך חשמל גרוע במיוחד, אך הם מפצים על כך בהיותם ממס אוניברסלי של מלחים ומתכות. כאשר גבישי המלח מומסים במים הם מתפרקים לחלקיקים טעונים שמכונים יונים.

היונים הם אטומים או מולקולות בעלי מטען חיובי או שלילי. למשל מלח הבישול הביתי מורכב מיונים חיוביים של נתרן ויונים שליליים של כלור. בתמיסה, היונים האלה מסוגלים להיצמד למולקולות מים וכך המים מוליכים חשמל ביעילות. כל שהסיבה לכך שאנו חושבים שהמים הם מוליך טוב היא שהמים סביבנו, ממקווי מים טבעיים ועד לברז הביתי, מכילים יונים של מלחים מומסים.

כל מולקולת מים מורכבת מאטום יחיד של חמצן ושני אטומים של מימן, וההרכב הכימי הזה מקנה למים תכונות ייחודיות. אחת מהן היא העובדה שבמים נוזליים המולקולות מסודרות ברשת סבוכה של קשרים חזקים בין המימן של מולקולה אחת לחמצן של מולקולה אחרת. הקשרים האלה מכונים "קשרי מימן", והם אחת הסיבות למתח הפנים הגבוה של מים וחיוניים לתפקיד שלהם כנוזל החיים.

בשנת 1806 ניסח הכימאי הגרמני תיאודור גרוטוס (Grotthuss) תיאוריה על הולכת החשמל במים, שלפיה מולקולות מים מסוגלות להעביר ביניהן מטען דרך רשת קשרים ביניהם, שאופיינו מאוחר יותר כקשרי מימן. המטען עובר בצורת פרוטון – גרעין בעל מטען חיובי של אטום מימן, בין אטומי חמצן שכנים בנוזל. מאז ועד היום הידע שלנו על מעבר המטען לא התקדם.

השנה הצליחה לראשונה קבוצת מדענים בראשותו של מרק ג'ונסון מאוניברסיטת יל בארצות הברית לחזות בתהליך מתרחש. במחקרם, שהתפרסם בכתב העת Science, עקבו החוקרים אחרי תנועת פרוטונים במים עלי ידי הקפאה מהירה של התהליך וסריקתו בקרינה תת-אדומה. מחקרים דומים נעשו כבר בעבר, אך התמונה שהתקבלה הייתה מטושטשת מדי ואי אפשר היה להסיק ממנה דבר על תנועת הפרוטונים.

ג'ונסון ועמיתיו עקבו הפעם אחרי חמש מולקולות מים בלבד, שקוררו עד קרוב מאוד למינוס 273 מעלות צלזיוס, האפס המוחלט שבו כל תנועה מופסקת. כך, אומר ג'ונסון, יכלו החוקרים "לחשוף רצף של עיוותים מתואמים (של מולקולות המים), כמו בסצנות של סרט".

פרט לפתרון החידה רבת השנים, התגלית החדשה עשויה לספק הסברים להתנהגויות מוזרות נוספות של מים - לדוגמה יכולתם של המים להיפרד לשתי שכבות של נוזל בצפיפות שונה בטמפרטורות גבוהות או יכולתם לקפוא בתנאים מסוימים בנקודת הרתיחה שלהם. אף שהם מכסים שני שליש משטח עולמנו, המים הם עדיין אחת החידות הגדולות של הטבע, ועכשיו עשינו עוד צעד משמעותי שיסייע לנו להבין טוב יותר אותם ואת העולם הסובב אותנו.

10 תגובות

  • אנונימי

    פרוטונים או אלקטרונים?

    שלום וברכה, תודה על הכתבה המאוד מעניינת. בתגובה לשאלתה הראשונה של מרים כתבת:
    "מלחים מסויימים מסוגלים לפרק מולקולות מים ליונים באמצעות הוספה או לקיחה של פרוטונים,"
    אני יודעת שיון נוצר בעקבות הוספה או לקיחה של אלקטרונים. האין כן?
    כמו"כ, בכתבה נכתב : "עקבו החוקרים אחרי תנועת פרוטונים במים "- פרוטונים יכולים לנוע מחוץ לגרעין האטום?

  • אוהד זיס

    תשובה

    שלום, שמח שנהנית מהכתבה. לגבי שאלתך, כשאנו מתייחסים לתנועה של פרוטונים במים הכוונה היא ליוני מימן שהם למעשה פרוטון בודד עם מטען חיובי ללא האלקטרון הצמוד אליו. גם ללא השקעת אנרגיה המים מסוגלים לבצע יינון עצמי, או במילים אחרות המים יכולים לאבד אטום מימן כפרוטון המשאיר מאחור יון הידרוקסיד (OH) בעל מטען שלילי. הפרוטונים מאוד לא יציבים בעצמם ובמהירות מתחברים למולקולת מים אחרת ליצירת יון ההידרוניום החיובי (H3O). בדרך זו למעשה פרוטונים מסוגלים לעבור ממולקולה למולקולה במים. הם עצמם הגרעין כמובן.
    מלחים מסויימים מסוגלים להגיב עם המים להאצת התהליך או להוסיף יונים אלו בעצמם, כמו חומצות או בסיסים.

  • מרים

    שאלה

    כתבתם: "היונים האלה מסוגלים לטעון גם מולקולות מים על ידי פירוקן ליונים, וכך המים מוליכים חשמל ביעילות"
    מה בדיוק התהליך שמפרק מולקולות מים ליונים כאשר מלח נמס במים, ולאיזה יונים המלח מפרק את המים?

  • אוהד זיס

    מלחים מסויימים מסוגלים לפרק

    מלחים מסויימים מסוגלים לפרק מולקולות מים ליונים באמצעות הוספה או לקיחה של פרוטונים, אטומי מימן טעונים, מהמים. מלחים כאלה הם חומצות ובסיסים. במקרה של הוספת פרוטון על ידי חומצה, או פרוטונציה בלשון כימית, מולקולות מים מקבלות פרוטון מהסביבה והופכות ליון הידרוניום או H3O+. לעומת זאת חומרים בסיסיים נוטים לקטוף פרוטון מהמים ולהפוך אותם ליון הידרוקסיד או OH-. דוגמה לכזה מלח הוא למשל נתרן תת-כלורי, המרכיב העיקרי של אקונומיקה, שמתפקד כבסיס חזק.
    יונים אלה כמובן מאפשרים הולכת חשמל עקב מטענם וריכוזם אף נמדד כמה שאנו מכירים בתור pH, או מדד החומציות. ככל שבתמיסה יותר יוני הידרוניום כך היא חומציות יותר וה-pH יורד, ולהיפך עבור יוני הידרוקסיד.

  • מרים

    את אלו אני מכירה

    את החלק של החומצות והבסיסים אני מכירה.
    אבל אתה כתבת בכתבה על מלח בישול: "למשל מלח הבישול הביתי מורכב מיונים חיוביים של נתרן ויונים שליליים של כלור. היונים האלה מסוגלים לטעון גם מולקולות מים על ידי פירוקן ליונים"
    האם מלח בישול מסוגל פרק מים ליונים?
    תודה,
    מרים

  • אוהד זיס

    הכוונה הייתה ליונים כליים

    הכוונה הייתה ליונים כליים שמסוגלים לפרק מים, ולא ספציפית למלח הבישול שהובא כדוגמה קודמת. מתנצל על הבלבול.
    מן הסתם מלח בישול לא מגיב עם המים ישירות כמו חומצות או בסיסים.

  • מרים

    תודה

    תודה אוהד, אז אולי כדאי לשנות טיפה את הניסוח בכתבה שלא יטעה. כי כתוב היונים 'האלה'. אני מורה לכימיה וממה שכתוב אפשר להבין שיונים, כל יונים, מסוגלים לפרק את המים - מה שכמובן לא נכון.

  • מנשה

    למה שמים מים מזוקקים במצבר.

    למה שמים מים מזוקקים במצבר. אני יודע שהחומצה היא האלקטרוליט במצבר אך מה קורה מבחינה כימית אם שמים מי ברז במצבר ולמה זה לא תקין?

  • אוהד זיס

    היי מנשה,

    היי מנשה, אכן מים מזוקקים נדרשים לפעולת מצבר וצריך להבין מה ההבדל ביניהם לבין מי ברז רגילים. מי ברז רגילים הם לא מים טהורים אלא מכילים הרבה מאוד מינרלים ומלחים בתוכם, אם ממקור טבעי, תוספים חיצוניים או שאריות של תהליכי טיהור. מינרלים אלו מומסים במים ויכולים לפגוע בפעולת המצבר בשתי דרכים:
    1. כשהמצבר פועל הוא מתחמם והמים בתוכו לאט מתאדים. מי ברז ישאירו אחריהם מלחים מוצקים במצבר שיפגעו בו יכולים לצפות רכיבים חשובים בו וכך גם לפגוע בהעברת הזרם החשמלי.
    2. הולכת חשמל ואלקטרונים במצבר מסתמכת על תגובה בין שני חומרים, ברוב המקרים חומצה ועופרת. נוכחות של מלחים אחרים במים יכולה לגרום לספיחת האלקטרונים אליהם וכך למנוע מזרם חשמלי נקי לעבור במערכת. מינרלים כמו ברזל וסידן מאוד נוטים להפריע למצברים למשל. לעומת מי ברז מים מזוקקים עברו תהליך טיהור ממלחים ומינרלים ואין בהם כמעט כל עקבות שלהם. כך, כשהמים מתאדים הם לא משאירים אחריהם כמעט שום מלחים ובנוסף הם מאפשרים מעבר אלקטרונים חופשי במערכת ללא הפרעות. כמסקנה: אם המצבר שלך תקול כדאי מאוד להימנע מלהוסיף לו מי ברז ולגרום אולי לנזק נוסף.

  • אנונימי

    שלום וברכה, תודה על הכתבה

    שלום וברכה, תודה על הכתבה המאוד מעניינת. בתגובה לשאלתה הראשונה של מרים כתבת:
    "מלחים מסויימים מסוגלים לפרק מולקולות מים ליונים באמצעות הוספה או לקיחה של פרוטונים,"
    אני יודעת שיון נוצר בעקבות הוספה או לקיחה של אלקטרונים. האין כן?
    כמו"כ, בכתבה נכתב : "עקבו החוקרים אחרי תנועת פרוטונים במים "- פרוטונים יכולים לנוע מחוץ לגרעין האטום?