שאלה בנושא דומה שתענה במסגרת התשובה: כיצד נוצרים גבישי קרח? מרוא

בזמן תהליך קפיאת מים מתרחשת אנומליה (=התנהגות החורגת מההתנהגות הנורמלית, הנפוצה): כאשר מקררים מים שנמצאים בטמפרטורת החדר הנפח שלהם מתחיל לקטון עם ירידת הטמפ', כמו כמעט-כל החומרים בטבע, אולם כאשר מגיעים לטמפ' של 4oC מתרחשת תופעה שונה, ונפח המים מתחיל לגדול עם הקירור; כאשר הטמפ' מגיעה ל 0oC המים קופאים (הופכים לקרח) ועם הקיפאון מתרחשת קפיצה גדולה בנפח המים – תוספת של כ 10%. אתה שואל בעצם מדוע מתרחשת האנומליה של המים.
בכדי לענות על השאלה, יש להבין את המבנה המולקולרי של המים. מולקולת מים, H2O, בנוייה מאטום חמצן שבשני צידיו אטומי מימן, במבנה דמוי זווית כפי שניתן לראות בתמונה הבאה:


התמונה באדיבות אתר ויקיפדיה

בגלל שאטום החמצן יותר אלקטרו-שלילי מאטומי המימן, האלקטרונים שיוצרים את הקשר הכימי בין האטומים נוטים לשהות יותר סביבו (סביב החמצן) וכתוצאה מכך מולקולת המים מקוטבת מבחינה חשמלית: אטום החמצן טעון מטען שלילי חלקי (כי יותר אלקטרונים סביבו) ואטומי המימן טעונים מטען חשמלי חיובי חלקי (כי האלקטרונים שלהם שוהם יותר סביב החמצן), מה שגורם ליצירת כוחות משיכה חזקים בין המולקולות: אטום מימן של מולקולה אחת נמשך לאטום חמצן של מולקולה אחרת (כיוון שמדובר בקשר חמצן-מימן, הקשרים קשרים בין-מולקולרים מסוג 'קשרי מימן'). ראו הסרטון במדור 'מאגר מדע' על המבנה הכימי של המים (קישור בסוף התשובה).
כאשר מים נמצאים במצב צבירה נוזלי (נאמר בטמפרטורת החדר) האנרגיה הקינטית של כל מולקולה ומולקולה (שנובעת ממהירות המולקולות) חזקה מספיק בכדי להתגבר על הכוחות הבין-מולקולרים ששואפים להחזיק את המולקולות במקום, והמולקולות יכולות לנוע: להחליק אחת על גבי השנייה, ולזרום ממקום למקום. (כמובן שבמצב צבירה נוזל ההתגברות לא מוחלטת, ועדיין המולקולות מוחזקות יחד בקבוצה. רק במצב צבירה גזי המולקולות ממש חופשיות לנוע בנפרד לכל כיוון).


התמונה באדיבות אתר ויקיפדיה

בגלל שאטום החמצן יותר אלקטרו-שלילי מאטומי המימן, האלקטרונים שיוצרים את הקשר הכימי בין האטומים נוטים לשהות יותר סביבו (סביב החמצן) וכתוצאה מכך מולקולת המים מקוטבת מבחינה חשמלית: אטום החמצן טעון מטען שלילי חלקי (כי יותר אלקטרונים סביבו) ואטומי המימן טעונים מטען חשמלי חיובי חלקי (כי האלקטרונים שלהם שוהם יותר סביב החמצן), מה שגורם ליצירת כוחות משיכה חזקים בין המולקולות: אטום מימן של מולקולה אחת נמשך לאטום חמצן של מולקולה אחרת (כיוון שמדובר בקשר חמצן-מימן, הקשרים קשרים בין-מולקולרים מסוג 'קשרי מימן'). ראו הסרטון במדור 'מאגר מדע' על המבנה הכימי של המים. כאשר מים נמצאים במצב צבירה נוזלי (נאמר בטמפרטורת החדר) האנרגיה הקינטית של כל מולקולה ומולקולה (שנובעת ממהירות המולקולות) חזקה מספיק בכדי להתגבר על הכוחות הבין-מולקולרים ששואפים להחזיק את המולקולות במקום, והמולקולות יכולות לנוע: להחליק אחת על גבי השנייה, ולזרום ממקום למקום. (כמובן שבמצב צבירה נוזל ההתגברות לא מוחלטת, ועדיין המולקולות מוחזקות יחד בקבוצה. רק במצב צבירה גזי המולקולות ממש חופשיות לנוע בנפרד לכל כיוון).


הסידור המרחבי של 7 מולקולות מים בתחילת תהליך התגבשות לקרח, טבעת משושה עם חלל גדול באמצע

המבנה של טבעת משושה הוא המבנה הטבעתי היציב ביותר מבחינה תרמודינמית בכימיה (ולכן גם נפוץ בחומרים רבים בטבע, למשל במשפחת הסוכרים או הסטרואידים). הטבעות מתחברות ביניהם בצורה תלת מימדית, במבנה עשיר בחללים ריקים, כפי שניתן לראות בתמונה הבאה:


מבנה מרחבי של גביש קרח המכיל מולקולות רבות, ניתן לראות את המבנים המשושים שנוצרים בין המולקולות. (התמונה באדיבות אתר ויקיפדיה)

החללים הרבים שבגביש הקרח הם הגורמים לאנומליה של המים, הם הגורמים לגדילה הניכרת בנפח המים בעת קפיאתם.
מעניין לציין, שאם מסתכלים על פתיתי שלג בהגדלה, רואים כי יש להם סימטריה משושה, סימטריה זו מוכתבת מהעולם המיקרוסקופי של המבנה הגבישי-המולקולרי (המשושה) אל העולם המאקרוסקופי של הגביש השלם הגדול שניתן לראות בתמונה הבאה:


פתיתי שלג, סימטריה משושה (ויקיפדיה)

13 תגובות

  • אנונימי

    אחוזי נפח

    שלום, רציתי לדעת - כמה אחוזים מנפח קרח נמצאים מעל פני המים וכמה שקועים במים?

  • רמה

    לא נמצא הקישור להסבר "המבנה הכימי של המים" כפי שכתוב בכתבה

    האם אפשר לצרך את הקישור להסבר על המבנה הכימי של המים?
    תודה

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    הקישור

    היי רמה, בדיוק עברנו אתר - וכנראה חלק מהקישורים 'נמחקו' בדרך בזמן המעבר, הוספתי את הקישור לכתבה. והנה הוא גם כאן:
    http://davidson.weizmann.ac.il/online/maagarmada/chemistry/%D7%94%D7%9E%...

  • עופר

    מה קורה מתחת לאפס, ובאיזה שלב הקרח חוזר להתכווץ כתוצאה מהתקררות?

    מה קורה מתחת לאפס מעלות?
    כאמור, בין 4 לאפס מעלות ככל שמקררים נפח המים גדל.
    בשלב הקפיאה באפס מעלות ישנה התרחבות נוספת גדולה יחסית.
    נשאלת השאלה, באיזה שלב הקרח שוב מתכווץ כתוצאה מהתקררות נוספת?
    האם מייד אחרי ההתרחבות שלאחר הקפיאה, או שזה קורה בנקודת קור אחרת (יותר נמוכה)?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    חוזרים להתכווץ

    כאמור בכתבה - שלב ההתפשטות של המים הוא שלב הקפיאה שלהם - כשהם הופכים מנוזל לגביש מוצק. המים חוזרים להתנהג 'נורמלי' מיד אחר-כך, כשהם כבר מוצקים כולם, כלומר מיד מתחת אפס מעלות צלזיוס. אתה יכול לראות גרף של צפיצות המים כפונקציה של הטמפרטורה בכתובת הבאה:
    https://qph.is.quoracdn.net/main-qimg-df4e59e3a62a085773a4a47a3fbb7005?c...

    בברכה,
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע

  • תמר

    האם המשקל הסגולי הנמוך יותר של הקרח

    הוא הסיבה לכך שאגמים וימים קופאים מלמעלה למטה?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    המשקל הסגולי הנמוך

    המשקל הסגולי הנמוך הוא הסיבה לכך שקרח צף על פני המים, ולכן כשים או אגם מתחילים לקפוא הקרח מצטבר על פניהם.
    בנוסף לסיבה זו - בכל מקרה, האוויר הקר שגורם לקפיאה של אגם מגיע הרי מלמעלה - מעל האגם, ולא בתחתיתו.

  • אביטל

    הקפאת מים בטמפרטורות שונות

    האם זה נכון שמים בטמפרטורת החדר קופאים מהר יותר ממים קרים? ואם כן מדוע??

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    למרבה ההפתעה - כן!

    זה נקרא 'אפקט מפמבה' - על שם המדען (למעשה התלמיד) שגילה ותיעד אותו בשנת 1969. מסתבר כי אם מכניסים מים חמים ומים קרים (או בטמפ' החדר, לייתר דיוק) למקפיא, בהרבה פעמים החמים קופאים לפני הקרים. אין עדיין הסבר קונצנזואלי של הקהילה המדעית לתופעה, אך ישנם כמה תיאוריות להסבר: במים רותחים אין גזים מומסים המפריעים לתהליך הקפיאה, במים חמים תהליך האידוי מוגבר מאוד - מה שמאיץ את קצב הקירור בהשוואה למים קרים מלכתחילה, הסעת החום במים חמים טובה מבמים קרים, ועוד הסברים נוספים (פחות מסתברים, לדעתי, שהוצעו). לכל אורך ההיסטוריה מדענים ציינו את התופעה הזאת כאנקדוטה (כולל הפילוסופים אריסטו ודקרט). כדי להוסיף על המסתורין - מסתבר שגם לאופן הקירור, ולסוג הכלי עצמו - השפעה על האפקט. את יכולה לקרוא על כך ברחבה בויקיפדיה בערך המוקדש לנושא: אפקט מפמבה - מים חמים קופאים מהר יותר ממים קרים.
    אבי

  • שגיא

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    השאלה נענתה

    התשובה ניתנה במסגרת שאלה נפרדת:
    http://davidson.weizmann.ac.il/online/askexpert/chemistry/%D7%90%D7%99%D...

  • דן

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    תשובה

    התשובה נמצאת בקישור כאן - כתשובה לשאלה חדשה:
    http://davidson.weizmann.ac.il/online/askexpert/physics/%D7%9C%D7%9E%D7%...