נוסח השאלה המקורי: שלום, מדוע נוזל שאין בו קשרי מימן ושאינו פולרי, כציקלו-הקסאן, מבצע אדהזיה ועולה בצינורית קפילרית (מזכוכית) מעל גובה פני הנוזל שבכוס בו הוא נתון? תודה.
התופעה שבה נוזל נשאב מעצמו (ללא הפעלת כל כוח שאיבה חיצוני) לתוך צינור דק ("צינורית קפילרית") נקראת תופעת הנימיוּת, קראו כאן הסבר על תופעת הנימיות (מומלץ לקרוא גם את התגובות להשלמת ההסבר).
תופעת הנימיות חשובה ביותר בעולם הטבע – היא למשל מסייעת לצמחים לשאוב מים מהאדמה אל עבר עלי הצמח הגבוהים, ללא הפעלת כל אנרגיה.
נימיות מתרחשת בכוס השמאלית, מים מתוך הכוס מטפסים 'מעצם' בתוך צינור זכוכית דקיק כלפי מעלה!
התופעה מתרחשת כאשר כוחות המשיכה שקיימים בין מולקולות הנוזל לבין דופן הצינורית (מכונים כוחות אדהזיה, adhesive= דבק באנגלית, כלומר כוחות הידבקות, כוחות שגורמים לנוזל 'להידבק' לחומר ממנו בנוי הצינור) חזקים יותר מהכוחות שקיימים בין מולקולות הנוזל לבין עצמם (מכונים כוחות קוהזיה).
מקור הכוחות הללו שגורמים למולקולות להיצמד זו לזו הוא פשוט משיכה חשמלית, למעשה כוחות האדהזיה והקוהזיה זהים לכוחות הבין-מולקולריים שנלמדים בתיכון, שאחראיים על נקודת ההיתוך והרתיחה של חומרים (אם חושבים על זה, חומר שרותח בטמפ' גבוהה זה חומר שכוחות המשיכה בין המולקולות שלו חזקים ולכן צריך להשקיע הרבה אנרגיה = טמפ' גבוהה, כדי לשבור אותם). ישנם 3 סוגים כוחות משיכה בין-מולקולריים (מכונים גם קשרי ואן-דר-ואלס): בין 2 דו-קטבים קבועים (מקרה קיצוני הוא קשרי מימן), בין דו-קוטב קבוע למושרה ובין 2 דו-קטבים רגעיים. נסביר:
כל אטום ומולקולה מוקפים בחלקם החיצוני ב'ענן' של אלקטרונים (הטעון מטען חשמלי שלילי). אם ענן האלקטרונים מפוזר בצורה לא סימטרית סביב המולקולה, אומרים שהמולקולה קוטבית או פולרית: כי יש בה איזור ('קוטב') בו יש ריכוז גבוה של אלקטרונים (קוטב אחד) ואיזור בו ריכוז נמוך של אלקטרונים (קוטב שני, שבגלל חסר האלקטרונים טעון חיובית). למולקולות קוטביות יהיו כוחות משיכה חזקים בין אחת לשנייה כי הקוטב השלילי של מולקולה אחת נמשך לקוטב החיובי של מולקולה אחרת. עבור מולקולות לא-קוטביות – כיוון שהאלק' נמצאים בתנועה מתמדת כמעיין ענן, אפשרי שגם במולקולות סימטריות, יווצר באופן רגעי, מסיבות סטטיסטיות בלבד, דו קוטב עקב חוסר סימטריות בפיזור האלקטרונים / תנועת הענן, וכוחות משיכה בין דו קוטב רגעי שכזה בין המולקולות. ככל שיש יותר אלקטרונים במולקולה הסיכוי לדו-קוטב רגעי עולה, הקיטוב עצמו עולה – וכוחות המשיכה יותר חזקים. זאת הסיבה שכלור, Cl2, עם 35 אלקטרונים הוא גז בטמפ' החדר, ברום, Br2, עם 70 אלקטרונים הוא כבר בעל כוחות משיכה יותר חזקים, והוא נוזל בטמפ' החדר, ויוד, I2, עם ענן ענקי של 108 אלקטרונים הוא כבר מוצק בטמפ' החדר.
.jpg)
צורות של 'ענני הסתברות' אלקטרוניים מסוג d (עובד מתוך ויקיפדיה)
כאשר נפגשות 2 מולקולות שונות, שאחת מהן מקוטבת, ואחת לא – המולקולה המקוטבת תשרה את חוסר הסימטריות בפיזור האלקטרונים על המולקולה הסימטרית (האלקטרונים חופשיים לזוז ונמשכים ונדחים לפי מטען הדו קוטב), ולכן גם יווצרו כוחות משיכה בין שתי המולקולות השונות, מכונה גם כוחות דבאיי.
ציקלוהקסאן – אכן חומר לא פולרי, עם מולקולה בצורת משושה סימטרי. הזכוכית לעומת זאת – מצופה בקבוצות הידרוכסיל (OH) בשטחה החיצוני, ואכן מהווה חומר מאוד פולרי (כאשר החמצן O שבהידרוכסיל מושך אלי את האלקטרונים של המימן H ). אולם אין שום מניעה פיזיקלית שציקלו-הקסאן ידבק לזכוכית, פשוט מתקיימים שם כוחות משיכה מסוג דיפול קבוע (של הזכוכית הפולרית) דיפול מושרה (על הציקלו-הקסאן). הכוחות אדהזיה הללו יותר חזקים מכוחות הקוהזיה של דיפול-מושרה-דיפול מושרה של הציקלו-הקסאן, ולכן מתרחשת שם נימיות.
בדוגמא יותר קרובה לחיי יום יום, כל אחד יודע שאפשר לספוג עם נייר סופג גם נזילה של מים וגם נזילה של שמן. נייר, בנוי מתאית שגם היא, כמו הזכוכית, חומר מאוד פולרי שמכיל הרבה קבוצות הידרוכסיל, OH כפי שאפשר לראות באיור הבא:
ובכל זאת הנייר סופג (=המולקולות של הנוזל נדבקות אליו חזק) גם חומר לא פולרי כמו שמן, בגלל כוחות דו הקוטב שהוא משרה במולקולות השמן.
אגב, ההפך, לא מתרחש: טיפת מים לא תדבק חזק לשקית פלסטיק (אפשר לסלק את המים על ידי ניעור) בניגוד לשמן, זאת בגלל שהכוחות משיכה בין המים לבין עצמם (כוחות דיפול-קבוע דיפול קבוע, קשרי מימן) הרבה יותר חזקים מהדיפול הקבוע דיפול מושרה בין המים לפלסטיק הלא פולרי. (לכן גם אם צינורות המים של הצמחים היום עשויים פלסטיק מהסוג ממנו עשויות שקיות, ולא תאית, לא הייתה מתרחשת נימיות בכלל, והמים לא היו נשאבים לעלים).
מאת: ד"ר אבי סאייג
מכון דוידסון לחינוך מדעי
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.
