איך לערבב שמן ומים?

בניסוי זה ניקח שני יריבים ותיקים – שמן ומים – ונגרום להם להתערבב זה בזה.

ציוד וחומרים

• שמן
• כפית
• כוס
• מים
• סבון כלים

מהלך הניסוי

את מהלך הניסוי אפשר לראות בסרטון הבא:

כמו שמן ומים

בעברית, כשרוצים לומר ששני דברים הם שונים מאוד זה מזה, או שהם "לא מתערבבים", אומרים לפעמים שהם "כמו שמן ומים". ואכן מים ושמן לא מתערבבים. למעשה כך בדיוק מגדירים שמן: נוזל שלא מתמוסס במים. כל מי שהסתכל על מרק, רוטב של סלט, או כל תבשיל אחר שמכיל מים ושמן, יכול לראות שהם לא מתערבבים זה בזה, ולא משנה כמה נבחש אותם. השמן נשאר בנוזל המימי בתור טיפות, או כשכבה נפרדת מעל המים.

מים ושמן לא נמסים זה בזה, גם אם נערבב הרבה | צילומים: ליאורה זיתון

אבל מדוע באמת שמן ומים לא מתערבבים זה בזה, ובטח לא מתמוססים יחד? כדי לענות על השאלה אנחנו צריכים קודם כל להבין מה קורה כששני חומרים מתמוססים זה בזה. כל החומרים בעולם בנויים מחלקיקים קטנטנים – מולקולות, אטומים או יוֹנים שלהם, כלומר חלקיקים בעלי מטען חשמלי. כששני חומרים נמסים זה בזה, המשמעות היא שהחלקיקים שלהם מתערבבים יחד.

בחומרים נוזליים או מוצקים קיימים כוחות משיכה חזקים שקושרים את החלקיקים אלה לאלה, שומרים אותם יחד ויוצרים גושי חומר או טיפות של נוזל. אם הכוחות הללו לא היו פועלים, החלקיקים לא היו נשארים יחד – והיה נוצר גז.

כדי ששני נוזלים, או מוצק ונוזל, יתמוססו זה בזה ויתערבבו ברמת החלקיקים, הקשרים שמחזיקים יחד את החלקיקים של כל חומר צריכים להיפתח, לאפשר לחלקיקי החומר השני להיכנס וליצור איתם קשרים חדשים. סוג הקשרים שמולקולות יכולות ליצור אלו עם אלו קשור למבנה הכימי הספציפי של כל מולקולה. בין מולקולות המים קיימים כוחות משיכה חזקים מאוד, שכימאים נוהגים לקרוא להם קשרי מימן. לשמן יש מבנה כימי אחר, כך שבין מולקולות השמן פועלים רק כוחות הרבה יותר חלשים שנקראים קשרי ון-דר-ולס. לכן מולקולות שמן לא יכולות להיכנס בין מולקולות של מים – הן פשוט לא מסוגלות לשבור את הקשרים החזקים שביניהן או ליצור איתן קשר חזק כמו זה שהמים יוצרים עם עצמם. התוצאה היא ששמן ומים לא מסיסים זה בזה.

זה לא נעצר כאן – בדרך כלל חומרים שמתמוססים בשמן לא יתמוססו במים וההפך. בשפה המדעית ניתנו שמות לחומרים הללו, וכמו הרבה מושגים אחרים מקורם הוא ביוונית עתיקה: לחומרים שנמסים טוב במים קוראים חומרים הידרופיליים, כלומר "אוהבי מים", וחומרים שמתמוססים היטב בשמן נקראים ליפופיליים, כלומר "אוהבי שמן". יש גם שמות על דרך השלילה: חומרים שלא מתמוססים במים הם הידרופוביים, כלומר "פוחדים ממים", ואלה שלא נמסים טוב בשמן הם ליפופוביים – "פוחדים משמן").

כששני חומרים נמסים זה בזה, המשמעות היא שהחלקיקים שלהם מתערבבים יחד. אילוסטרציה של התמוססות מלח במים | Shutterstock, Sansanorth

דרוש מתווך

אהבה ופחד הם רק דימויים, כמובן, ואף חלקיק לא באמת אוהב חלקיקים אחרים או פוחד מהם. אך אם נשאר בעולם הדימויים הזה, כששני אנשים, מדינות או קבוצות לא מוכנים ליצור קשר זה עם זה ישירות, דרוש לפעמים מתווך שיקשר ביניהם. כדי שיוכל לבצע את תפקידו כהלכה, הדרישה מהמתווך היא שכל אחת מהקבוצות כן תהיה מוכנה ליצור איתו קשר. קבוצת החומרים שיכולים למלא את תפקיד התיווך הזה בין שמן ומים היא הסבונים הטבעיים והדטרגנטים – סבונים סינתטיים.

מה שמיוחד במולקולות של המתווכים האלה הוא שהם גם וגם – יש בהם חלק ארוך, שמכונה לעיתים זנב, שמתמוסס בשמן, וחלק קצר (ראש) בקצה השני שלהם, שמתמוסס במים. הסיבה לכך שהראש מחבב כל כך מים היא שכמעט תמיד הוא יון, כלומר יש לו מטען חשמלי, ולכן חלקיקים כאלה מסוגלים ליצור קשרי משיכה חשמליים טובים עם מולקולות מים. ההבדל בין סבונים לדטרגנטים הוא שמבנה הראש שלהם שונה במקצת.

גם לחומרים כאלה יש שם מדעי, ואני מבטיח שזאת הפעם האחרונה שאשתמש כאן ביוונית – הם אמפיפיליים (דו-אוהבים) או אמפיפתים (דו-מחבבים), כלומר אוהבים שניים. כשמוסיפים אותם לתערובת של שמן ומים, הזנב שלהם נקשר לשמן והראש שלהם נקשר למים. בעזרת הקישור הכפול הזה, מולקולות הסבון מאפשרות לשמן להתערבב בתוך המים: המים נקשרים לראש של מולקולת הסבון, שמחובר לזנב, והזנב נקשר לשמן. כך סבון וחומרי ניקוי מאפשרים לנו לנקות את הידיים שלנו ואת כלי הבישול משומנים. שטיפה במים בלבד לא תוריד לכלוך שומני מהכלים, כי המים לא יוצרים איתו קשרים. הסבון, לעומת זאת, מאפשר לשמן להתחבר למים וכך להישטף לביוב במי הברז.

בעזרת סבון אפשר להמיס שמן במים. מימין: מבנה המולקולות המשתתפות והקשרים (החיצים) שנוצרים ביניהם; משמאל, תהליך ההמסה: הזנבות הליפופיליים נכנסים לתוך טיפת השמן ואילו הראשים ההידרופיליים נשארים בחוץ ונקשרים למים | איור: אבי סאייג

על האריזות של סבוני כלים מצוין ריכוז החומר הפעיל בהם, כלומר הדטרגנט שמאפשר את המסת השומן, שעשוי להשתנות מסבון לסבון. לכן ייתכן שתצטרכו כמות גדולה יותר של סבון כלים מזו שהשתמשנו בה בניסוי, כדי שכל השמן יתערבב במים. כנראה תצטרכו גם להשתמש ביותר סבון כשאתם מדיחים כלים.

זה באמת מתמוסס?

אין ספק שהצלחנו לגרום לשמן ולמים להתערבב זה בזה, אבל האם גם גרמנו להם להתמוסס זה בזה – כמו כפית סוכר שנמס בכוס תה? בתחילת הכתבה אמרנו שהתמוססות היא התערבבות ברמת החלקיקים של החומר. האם זה מתאר במדויק את מה שעשינו בניסוי? 

אומנם יש פה ושם מולקולות של שמן שמתמוססות במים בזכות סבון הכלים, אבל אם תתבוננו היטב תראו שאחרי הערבוב תוכן הכוס נהיה לבנבן ואטום, כאילו הוסיפו לו חלב:

כשהוספנו סבון כלים לכוס עם מים ושמן ובחשנו, הצבע נהיה חלבי ואטום. הגוון הירקרק בא מסבון הכלים עצמו | צילום: ליאורה זיתון

הזכרתי חלב, כי חלב הוא דוגמה טובה למה שקיבלנו. לא כל מולקולות השמן והמים התערבבו יחד. חלק מהשמן נותר בטיפות קטנטנות, שגודלן אומנם זעיר, אבל הן גדולות בהרבה ממולקולות. הטיפות הללו מפוזרות במים בזכות הסבון., בדומה לאיור הסכמטי של טיפת השמן שמופיע למעלה. טיפות קטנטנות מפוזרות נוטות להחזיר את האור הפוגע בדפנותיהם, כפי שקורה למשל בעננים שבשמיים, שטיפות המים שמרכיבות אותם מעניקות לעננים את צבעם הלבן.

זו גם הסיבה לצבע הלבנבן של מה שקיבלנו, שיהיה מדויק יותר לכנותו תחליב (אמולסיה), ולא תמיסה. תחליב הוא טיפות קטנטנות של שמן שמפוזרות בתוך מים, או טיפות מים שמפוזרות בשמן. אנחנו נתקלים בהמון חומרים כאלה גם בחיי היומיום: חלב, כמובן; עראק ואוזו כשמוסיפים להם מים, רוטב וויניגרט, ושמנת מתוקה – כל אלה הם תחליבים. בחלב ובשמנת מי שממלאים את תפקיד החומר המתווך הם חלבונים הנמצאים בחלב שממלאים תפקיד דומה לזה של סבון הכלים בניסוי.

תודה לאיתמר היילו על הרעיון לניסוי.