מעטים יתווכחו עם הקביעה שמים הם החומר החשוב ביותר לקיומם של כדור הארץ כפי שאנחנו מכירים אותו כיום ושל החיים בו. מעטים עוד יותר יודעים שמים הם אחד החומרים הכימיים הכי מרתקים בעולם ושהמורכבות הכימית שלהם היא הדבר שמאפשר את קיום החיים. רק מתי מעט יודעים שלמים יש תכונות מיוחדות מאוד, חלקן מוזרות ומפתיעות במיוחד.

מים הם התרכובת הכימית הנפוצה ביותר על פני כדור הארץ והם מכסים כ-70.8 אחוז ממעטפת כדור הארץ. מולקולת מים מכילה שני אטומי מימן ואטום חמצן אחד, שיוצרים ביחד את הנוסחה המולקולרית H2O. המים מאפשרים את קיום החיים בעולמנו ומשמשים בסיס לכל חי והצומח על פני כדור הארץ. אצלנו, בני האדם, הםמרכיבים 78-55 אחוז מגופנו וכ-90 אחוז מהדם הזורם בעורקינו.

לא במקרה המים הם חומר חשוב כלכך לקיומנו – התכונות הייחודיות שלהם הן אלו שמאפשרות את החיים כפי שאנו מכירים אותם. חשיבותם רבה עד כדי כך שבחיפוש אחר חיים בכוכבי לכת ברחבי החלל אנו מחפשים למעשה מים. ההנחה היא שמים במצב נוזלי מאפשרים חיים, כך שאם נמצא הוכחה לקיומם של מים בעולם אחר, יגבר גם הסיכוי שנמצא בו חיים.

הכירו את המים כפי שלא הכרתם אותם מעולם.

טפטוף מים בהילוך אטי במיוחד | הסרטון הופק בידי Strainoff

מצבי הצבירה של המים

מים הם בראש ובראשונה החומר היחיד שנמצא בכל שלוש מצבי הצבירה העיקריים בטווח הטמפרטורות הטבעי של כדור הארץ. רוב הזמן אנחנו פוגשים בהם במצב הנוזלי, אבל המצב המוצק שלהם אינו זר לנו כשלג באזורים קרים, כקוביות קרח במשקאות קלים או כקרחוני ענק באזורי הקטבים. את המים במצב הצבירה הגזי אנחנו מוצאים בעננים ובקיטור כאדי מים. קיומם במצבי הצבירה השונים והמעבר שלהם בין מצבי הצבירה יוצר את מחזור המים שמעצב את פני כדור הארץ ואת החיים בו.

כשאנו עוסקים במצבי הצבירה של המים, אנו נתקלים בכמה תופעות מוזרות וייחודיות. ההפתעה הראשונה היא כמות מצבי הצבירה. אם תשאלו כמעט כל אחד כמה מצבי צבירה יש למים, התשובה תהיה ברורה ומהירה – שלושה מצבים: גז נוזל ומוצק. המציאות קצת שונה, למים יש חמישה מצבים נוזליים שונים ולפחות 14 מצבים שונים של מוצק שהמדענים גילו עד כה. אם מוסיפים להם מצב גזי אחד, מקבלים לא פחות מעשרים מצבי צבירה.

גם אם נפשט את העניין ונתייחס רק לשלושת מצבי הצבירה העיקריים – גז, נוזל ומוצק – עדיין נפגוש התנהגות מוזרה. שתי תופעות מעניינות במיוחד בהקשר הזה.

התופעה הראשונה היא טמפרטורת הרתיחה וההיתוך של המים. מים עוברים ממצבם המוצק למצבם הנוזלי וממצבם הנוזלי למצבם הגזי בטמפרטורה גבוהה מאוד יחסית למולקולות דומות להם. אם נשווה בין שתי מולקולות דומות – מים (H2O) ומימן גופרתי (H2S) – נראה שהמים מותכים ועוברים למצב נוזלי באפס מעלות צלזיוס, בשעה שהמימן הגופרתי מותך כבר ב-82 מעלות מתחת לאפס. מים רותחים והופכים לגז ב-100 מעלות צלזיוס ואילו המימן הגופרתי רותח ב-60 מעלות מתחת לאפס. הסיבה להבדלים העצומים האלה תובהר בהמשך.

נוסף על הטמפרטורות הגבוהות שבהן קורים המעברים בין מצבי הצבירה השונים, המים הנוזליים והקרח שונים מרוב החומרים במאפיין נוסף – ברוב החומרים בעולם המצב הנוזלי מתאפיין בחופש תנועה גדול יותר של המולקולות ובמרחק גדול יחסית זו מזו. עם המעבר למצב המוצק המולקולות מאבדות את חופש התנועה שלהן ומסתדרות בצורה צפופה וקרובה יותר, לכן ברוב החומרים צפיפות החומר גבוהה יותר במצב המוצק מאשר במצב הנוזלי שלהם.

במים הסיפור קצת שונה. כשמקררים מים בצורתם הנוזלית הצפיפות שלהם אכן גדלה, אבל רק עד 4 מעלות צלזיוס. כשממשיכים לקרר את המים מתחת לטמפרטורה הזאת, הצפיפות שלהן דווקא קטנה. זו הסיבה שבגללה הקרח המוצק פחות צפוף מהמים הנוזליים ולכן הוא צף על פני המים.

(כמעט) הכל מתמוסס במים

המים ידועים כ"ממס אוניברסלי" מפני שמגוון חומרים עצום מתמוסס בהם. את פעולת ההמסה הזאת אנחנו רואים באופן הכי יומיומי – סוכר וקפאין מתמוססים במים כשאנחנו מכינים קפה, מנתול מתמוסס במים כשאנו חולטים תה עם נענע, ומלח בישול או סודיום גלוטמט מתמוססים במים בעת בישול או הכנת מרק.

גם חומרים נוספים רבים מתמוססים במים, ורבים מהם נחוצים לגוף החי או הצומח כדי להתקיים. למעשה, כל שינוע החומרים בגוף נעשה בתוך סביבה מימית, כך שחיוני שחומרים שחשובים לקיומנו היומיומי יתמוססו במים.

אנזימים, הורמונים וחלבונים מתמוססים גם הם במים ומאפשרים את רוב הפעולות הסדירות של התאים בגופנו. דנ"א מתמוסס במים ומאפשר כך את שכפולו ואת תרגומו לחלבונים. גזים רבים, ביניהם חמצן, מתמוססים במים והחמצן המומס מאפשר את תהליך הנשימה שלנו ואת תהליך הנשימה של יצורים ימיים רבים שחיים מתחת לפני מים. אפילו העברת האותות החשמליים בגוף נעשית בעזרת יונים – בעיקר של מתכות – שמומסים במים.

קיבול חום גבוה של המים

במילים פשוטות, כשאנחנו מדברים על קיבול חום הכוונה היא שצריך להשקיע הרבה מאוד אנרגיה כדי לחמם מים. התכונה הזו שומרת את האוקיינוסים, הנהרות והאגמים בעולמנו בטמפרטורה די דומה במשך כל ימות השנה, למרות החשיפה שלהם לאנרגיה שמגיעה מהשמש. בכלל, המים הם גורם חשוב ומרכזי באיזון האקלים בכדור הארץ. קיבול החום של המים גם מאפשר לגוף האדם לשמור בקלות יחסית על טמפרטורה די קבועה.

מולקולות המים "אוהבות" להישאר יחד

מולקולות המים שואפות תמיד להיות ליד מולקולות מים נוספות. השאיפה הזו מתבטאת בשתי תכונות מאוד מעניינות של המים – מתח פנים גבוה וכוח הנימיות (קפילריות).

כשמים נחשפים למדיום אחר, כמו אוויר, קיימת שכבה של מולקולות מים שנמצאות בשטח המגע בין המים לאוויר. בשטח הזה, שנקרא פני השטח של המים, מולקולות המים חשופות לאוויר בחלק משטחן. אולם מאחר שמולקולות המים שואפות להיחשף רק למולקולות מים נוספות, אלה שנחשפו לאוויר מתעקשות בתוקף לא לאפשר חשיפה נוספת לחומר אחר מלבד מים. כך קורה שפני השטח של המים מתנהגים כיריעת בד מתוחה שמתנגדת לקריעתה.

מתח הפנים הגבוה של המים נראה היטב בסרטון שלמעלה שבו רואים טיפת מים שנתקלת ביריעת מים "מתוחה". הטיפה נפגשת עם המים שמתחתיה וחלק ממולקולות המים שלה עוברות למשטח המים, עם מעבר המולקולות מהטיפה למשטח משתחררת אנרגיה שמקפיצה את שאר מולקולות המים של הטיפה לאוויר. באוויר, מתח הפנים של המים מאלץ את המולקולות להסתדר במצב כדורי שבו שטח המגע של מולקולות המים עם האוויר הוא הכי קטן. כך נוצרת בכל פעם טיפה קטנה יותר ויותר, עד שכל מולקולות המים עוברות מהטיפה למשטח המים.

מתח הפנים הגבוה של המים מאפשר לשלל חרקים ודו-חיים "ללכת" על פני המים על שלכאורה היו אמורים לשקוע בהם. בסרטון הבא אפשר לראות שוב את מתח הפנים של המים, והפעם בתנאים של היעדר כבידה בתחנת חלל.

מה קורה כשסוחטים מגבת בחלל | הסרטון לקוח מנאס"א ותורגם בידי צוות דוידסון

כוחות נימיות הם כוחות שנוצרים במים מפני שהמולקולות שלהן שואפות להישאר יחד. אם נטבול צינור דק במים נראה שחלק מהמים יטפסו בו. המולקולות יידבקו זו לזו וימשיכו לטפס עד שמשקל המים יהיה גדול מדי, הטיפוס ייעצר והמערכת תגיע לשיווי משקל. הנימיות היא אחד הכוחות החשובים בעולם הביולוגיה – בזכותו צמחים מסוגלים "לשאוב" מים מהאדמה ולהעבירם לכל חלקי הצמח.

אז למה בעצם התכונות האלו קורות ולמה הן ייחודיות למים?

כדי להבין את מקור כל התכונות הללו עלינו להביט במולקולת המים.

מולקולות מים | התרשים לקוח מוויקיפדיה; נוצר בידי Qwerter

החמצן הוא אטום גדול יחסית למימן ונוטה לרכז אלקטרונים סביבו, כך שיש לו מטען שלילי חלקי. המימן הוא אטום קטן שנוטה ליצור מטען חיובי חלקי. בין החמצן של מולקולה אחת למימן של מולקולת מים אחרת יכולים להיווצר קשרי מימן שקושרים את המולקולות זו לזו.

קשרי המימן בין המולקולות עוזרים להסביר את מתח הפנים הגבוה ואת כוחות הנימיות שמבוססים על ה"רצון" של מולקולות מים להיצמד זו לזו.

קשרי המימן הרבים האלו יוצרים מעין רשת מסועפת ודינמית של קשרי מימן בין כל מולקולות המים. הדינמיות של הרשת מאפשרת לה לספוג הרבה אנרגיה ומסבירה את קיבול החום הגבוה של המים. כמות הקשרים שצריך לשבור כדי לשחרר את מולקולות המים מסבירה את הטמפרטורות הגבוהות של המעבר בין מצבי הצבירה השונים.

קשרי המימן בין מולקולות המים גם מסייעים להמס בתוכם חומרים אורגניים, שמורכבים בין השאר מאטומי חמצן או חנקן. החומרים האלו כוללים סוכרים, חלבונים, הורמונים ואנזימים. נוסף על כך, ההימצאות של מטען חלקי שלילי על החמצן ומטען חלקי חיובי על המימן מסייעת להמס חומרים יוניים במים, כמו מלח הבישול. התכונות האלו מסבירות למה המים הם אכן הממס האוניברסלי.

אנחנו משתמשים במים באופן תמידי – הם חלק בלתי נפרד מאיתנו ומסביבתנו. נראה שהצטברות התכונות המדהימות והנדירות במולקולה קטנה ופשוטה אחת היא זו שאפשרה את המגוון הביולוגי המורכב בכדור הארץ. מעכשיו, בכל פעם שאתם לוגמים מים, זכרו שמעל הכול – המים הם חומר כימי מדהים.

0 תגובות