מותק של גבישים

בניסוי הזה נבנה בעזרת כוחות הטבע והרבה סבלנות, גבישי סוכר ענקיים מגרגירי סוכר קטנטנים ומים.

הניסוי מחייב השגחה של אדם מבוגר!

ציוד וחומרים

• סוכר

• מים רותחים (זהירות!)

• צנצנת זכוכית או כוס זכוכית גדולה

• קערה

• כף

• נייר אפייה

• מנקי מקטרות (אפשר לרכוש בחנויות יצירה) או שיפוד עץ

• גומיות

• מספריים

• עיפרון או עט

• צבעי מאכל לגיוון (לא חובה)

• מייבש שיער (פן)

• הרבה סבלנות

מהלך הניסוי

את מהלך הניסוי אפשר לראות בסרטון הבא:

הערה: אם אחרי יומיים-שלושה אתם לא רואים שמתחילים לצמוח גבישים על המקלות, וגם גרגירי הסוכר שעליהם נמסו, סימן שהתמיסה לא הייתה רוויה. יש להוציא המקלות, לחזור על תהליך הדבקת גרגירי הסוכר עליהם ולהחזיר לצנצנת.

מהם גבישים?

כמעט כולנו משתמשים בסוכר ובמלח באופן יומיומי במטבח, אבל רק לעיתים נדירות אנחנו עוצרים לרגע להביט בהם בעיון. במבט מקרוב רואים שהם לא סתם אבקה דקה אלא גרגירים בעלי צורה מוגדרת – שחדי העין מבינינו יכולים אולי לזהות, בייחוד אם מדובר בגרגיר גדול כמו אלה של מלח גס. אפשר לראות את הצורה בקלות גם בגרגירים הקטנים יותר אם משתמשים באמצעי הגדלה פשוטים כמו זכוכית מגדלת או מיקרוסקופ.

כשעושים את זה רואים שלגרגירים יש מבנים גיאומטריים סימטריים אופייניים, כמו פירמידה, קובייה, קובייה מעוותת, חרוט, צורות בעלות פאות בצורת מעוין, מקבילית ועוד, ושהמבנים האלה דומים בכל הגרגירים. הם נראים ממש כמו אבני קריסטל נוצצות שמשמשות לנוי, והדמיון הזה הוא לא רק חיצוני אלא מהותי ממש. הוא קיים במבנה החומר עצמו. גם אבני קריסטל וגם סוכר ומלח הם מבנים גבישיים, או קריסטלים בלועזית.

בעד לעדשת המיקרוסקופ רואים צורות מעניינות של גבישי הסוכר | צילום: אבי סאייג ועידן גליקזליק

גביש הוא צורה של חומר שבה החלקיקים הקטנים שמהם החומר מורכב נמצאים במצב מסודר מאוד – למשל כל חלקיק נמצא בפינה של קובייה, או שכל חלקיק מוקף בשישה חלקיקים אחרים בכל מישור. והסידור הזה חוזר על עצמו שוב ושוב ושוב. חישבו על תפוזים המסודרים בארגז, או על קופסאות שימורים המסודרות בארון וגפרורים בקופסת גפרורים, אבל בגבישים החפצים המסודרים הם קטנטנים, והכמות שלהם עצומה. החלקיקים המרכיבים חומרים נקראים אטומים, מולקולות או יונים, כלומר אטומים ומולקולות בעלי מטען חשמלי.

אבני הבניין של הגבישים מגוונות: סוכר מורכב ממולקולות; מלח בישול וקוורץ בנויים מיונים, שכמו שאמרנו הם חלקיקים בעלי מטען חשמלי; גליום וביסמוט עשויים מיונים מתכתיים ואלקטרונים חופשיים; אינסולין הוא בכלל חלבון – מולקולה גדולה מאוד. אך כולם מסתדרים במבנה מסודר, ויוצרים גבישים.

חומרים הבנויים מחלקיקים שונים, אך לכולם מבנה גבישי | צילום: matanya ויקימדיה

סדר שנוצר מעצמו

תהליך היצירה של גביש נקרא גיבוש או התגבשות, ומכיוון שגביש הוא מבנה מאוד מסודר, אז תהליך ההתגבשות הוא בעצם תהליך של סידור; ארגון של החלקיקים בסדר מסוים שחוזר על עצמו בשלושה ממדים. תשאלו אולי, מי בעצם מסדר את החלקיקים? התשובה היא שלא מעורב בכך שום כוח חיצוני: החלקיקים פשוט מסתדרים מעצמם.

בין החלקיקים המרכיבים את החומר פועלים תמיד כוחות חשמליים, לפעמים של משיכה ולפעמים של דחייה. הכוחות האלה נובעים מקיומם של מטענים חשמליים קבועים או רגעיים, מכיוון שמטען חשמלי חיובי נמשך תמיד למטען חשמלי שלילי, ואילו מטענים חשמליים זהים דוחים זה את זה. הכוחות הללו, בשילוב אילוצי המבנה המרחבי של החלקיקים, הם אלה שמסדרים את החלקיקים במבנה הגבישי.

להמחשה בדוגמה מעולמנו, עולם החפצים הגדולים, חישבו על מגנט מוארך, שאתם מקרבים אליו עוד מגנט מוארך, ועוד מגנט מוארך ועוד אחד ועוד אחד... המגנטים יסתדרו מעצמם, בגלל הכוח המגנטי שפועל ביניהם, במבנה מסודר שבו כל מגנט מחובר לאחרים בשלושה ממדים. חלקיקי חומר מתגבשים באופן דומה. דימוי אחר שאפשר לחשוב עליו הוא לבני לגו דומות זו לזו, שעוצבו במפעל כך שכל לבנה יכולה להתחבר לאחרות בכיוון מסוים בלבד. ואכן אפשר לחבר לבני לגו רבות למבנה מסודר שחוזר על עצמו שוב ושוב.

תוצאת הניסוי: גבישי סוכר ענקיים על מקל | צילום: אבי סאייג

שיטות גיבוש

אפשר לגבש חומרים, בין השאר, על ידי התכה – כלומר על ידי זה שמחממים אותם עד שהם הופכים לנוזל, ואז מניחים להם להתקרר מחדש – כפי שעשינו בניסוי סוכריות קריסטלים. דרך אחרת היא המסה בנוזל כלשהו, למשל מים, כמו שעשינו בניסוי הזה. כשממיסים חומר, או כשמתיכים אותו, החלקיקים שבו חופשיים לנוע, וכך יכולים להסתדר מחדש.

אחרי המסת החומר יש שתי אפשרויות לגבש אותו מחדש. הראשונה היא לקרר את התמיסה: כשתמיסה מתקררת, המסיסות של חומרים רבים פוחתת. כך חלק מהחומר, שכבר לא יכול להיות מומס בנוזל, נפרד מהתמיסה ומתגבש. הדרך השנייה היא לאדות את הממס, שבמקרה הזה הוא מים. כשהממס מתאדה ולמומס לא נותר מקום בתמיסה, הוא מתגבש ממנה החוצה. תמיסה כזו, בה אין אפשרות למומס להתמוסס יותר, נקראת תמיסה רוויה.

בניסוי הזה שילבנו את שתי השיטות: בהתחלה עודדנו את הסוכר להתגבש על ידי קירור התמיסה ובהמשך אידינו את המים. שימו לב שהקפדנו להדביק כמה גרגירי סוכר לשיפוד או למנקה המקטרות. עשינו את זה כדי להשתמש בהם בתור "גרעיני גיבוש", שסביבם יסתדרו מולקולות סוכר נוספות ויגדילו את הגביש.

תופעה דומה מתרחשת גם בטבע, למשל ביצירת עננים מאדי מים, שם מולקולות המים נאספות סביב "גרעיני התעבות". בלי גרעין גיבוש עדיין יוכל להיווצר גביש, אבל הוספתו מקילה על ההתגבשות. היא עוזרת לחלקיקים להתגבש סביבו, כמו משטח לגו שחלקים יכולים להתחבר אליו ביתר קלות, וגם מכוונת את התגבשות הגבישים למקום הרצוי לנו – סביב השיפוד או מנקה המקטרות ולא במקום אחר שפחות מתאים לנו, כמו דופנות הצנצנת.

בגידול גבישים, איטיות היא יתרון. היא משאירה לחלקיקים זמן להסתדר, כך שגיבוש שנמשך כמה ימים, ואפילו שבועות, בהחלט מצדיק את הציפייה. והתוצאה אכן מרהיבת עין – מקל מוקף בגבישי סוכר ענקיים ויפים – ואפילו אכילים, כמובן רק בתנאי שהקפדתם על ניקיון הכלים.