חבצלות מים מנייר

בניסוי זה ניצור פרחי נייר, נקשט אותם, נסגור אותם – ונגרום להם להיפתח מול עינינו בעזרת מעט מים

ציוד וחומרים

• נייר
• עפרונות צבעוניים
• מספריים
• קערה גדולה או מגש עמוק
• מים

מהלך הניסוי

את מהלך הניסוי אפשר לראות בסרטון:

והנה גרסה נוספת של הניסוי – כפי שצולמה באחד מסגרי הקורונה:

הסבר

ניסוי חבצלות המים הוא אחד מהניסויים הביתיים המוכרים והאהובים, וקל לבצע אותם אפילו עם קטנטנים ממש – אני יודע שילדי נתקלו בו עוד בגן הילדים, אבל למרות פשטותו הוא מדגים כמה עקרונות ותופעות מדעיות:

מים מציפים

אם תקחו פיסת נייר, ובניגוד לנעשה בניסוי זה, שבו אנו מניחים את הנייר בעדינות על פני המים, פשוט תטבלו את כולו במים – תראו שהוא שוקע מיד לתחתית הכוס. זאת מפני שהצפיפות או המשקל הסגולי של נייר גדולים משל מים (בשפת היום יום, הלא מדויקת היינו אומרים כי 'נייר כבד ממים') – והצפיפות היא הקובעת אם חפצים ישקעו או יצופו. 

כשמניחים פיסת נייר בתוך כוס מים היא שוקעת לתחתית, בגלל הצפיפות | אישוש וצילום: אבי סאייג

אם כך, כיצד פרחי חבצלות המים שבניסוי שלנו צפו על פני המים? גורם אחר מאפשר למים להציף דברים צפופים מהם – על פניהם. הגורם הזה נקרא 'מתח פני המים' והוא מעין קרום שקוף ובלתי נראה הבנוי ממולקולות המים שנמצאות בפני השטח של המים. מולקולות מים הם החלקיקים הקטנים ביותר המרכיבים את המים, בין המולקולות הללו פועלים כוחות משיכה חשמליים. על המולקולות שנמצאות בתוך המים, ומוקפות מכל הכיוונים במולקולות אחרות, הכוחות מכל הכיוונים זהים כך שהם מתאזנים ומתאפסים בסך הכל. אבל מולקולות שנמצאות בפני השטח של המים אינן מוקפות במולקולות מים מהצד שפונה לאוויר, או למשטח, כך שכוחות המשיכה לא מתאזנים ונוצר מתח על פני המים המחזיק חזק את המולקולות שבו, ומאפשר להציף עליו חפצים שונים וצפופים מהמים – אפילו מברזל, וגם את פרחי הנייר שבניסוי שלנו. רק שימו לב להניח את הפרחים בעדינות: אם הקרום ייפרץ בגלל דחיפה של הפרח לעומק המים או הפלה של הפרח מגובה רב, פרח הנייר ישקע והניסוי ייהרס.

מים מטפסים

כאשר אנו מניחים את פרח הנייר בתוך המים – המים מתחילים להיספג בו ולטפס לעבר העלים המקופלים. מה הוא הכוח המניע של תופעות אלו? כמו במתח הפנים ובתופעות נוספות – הכוחות המניעים הם כוחות חשמליים בין החלקיקים. בגלל שמולקולות מורכבות מאטומים, והאטומים עצמם מורכבות מחלקיקים הקרויים אלקטרונים בעלי מטען חשמלי שלילי ופרוטונים בעלי מטען חשמלי חיובי, כל הזמן פועלים כוחות חשמליים בין החלקיקים. היכולת של המים לטפס במעלה הנייר נקראת נימיות, והיא מתרחשת בגלל שילוב של כוחות משיכה חזקים המתקיימים בין הנייר למים הנקראים כוחות אַדְהֶזְיָה, וכוחות המשיכה הקיימים בין מולקולות המים לבין עצמם הנקראים כוחות קוֹהֶזְיָה: הנייר עצמו בנוי מסיבים רבים של חומר שנקרא תָאִית או צֶלוּלוֹזָה, שהוא בעל יכולת קשירה חזקה למולקולות מים. כך שמולקולות המים עוטפות את הסיבים ומצפות אותם, והמרווח בין שני סבים סמוכים מתמלא במים עקב המשיכה בין מולקולות המים לבין עצמן. התוצאה היא שכאשר טובלים קצה אחד של נייר במים, הסיבים שלו מתחילים להתעטף במים, ואז החלל ביניהם מתמלא במים, ואז עוד חלק של הסיבים מוקף במים וכך הלאה, כלומר המים מתחילים להיספג ולטפס לאורכו.

כוחות המשיכה החשמליים החזקים מאפשרים למים לטפס במעלה הנייר, בניגוד לכיוון של כוח הכבידה | צילום: Pat_Hastings, Shutterstock

מים מנפחים

שיאו של הניסוי הוא ללא ספק ה'פריחה' – כלומר הפתיחה של הפרחים. גם תופעה זו, המתרחשת בעולם המאקרו – כלומר עולם החפצים הגדולים שבו אנו חיים, נוצרת בגלל עולם המיקרו, עולם החלקיקים הקטנים שאנו לא יכולים לראות. אמרנו שנייר מורכב בעיקר מתָאִית, והיא שייכת למשפחה של חומרים הנקראת פולימרים. אלה חומרים שבנויים מהרבה יחידות המחוברות זו לזו עד יצירת שרשראות מולקולריות ארוכות (מיוונית: פולי=הרבה, מר=יחידה). כאשר פולימרים רבים פוגשים ממסים, הם לא תמיד מתמוססים בתוכם לחלוטין, אבל הרבה פעמים מולקולות הממס הקטנות נכנסות בין השרשראות של הפולימר מרחיקות אותן זו מזו ובכך 'מנפחות' את הפולימר. אפשר לראות את התופעה בקטניות שמושרות במים, באיצטרובל שנטבל במים (גם העץ מורכב מתאית), בחומר סופג מים בחיתולים, בקלקר שפוגש אצטון, וגם כל מי שהכין אורז, פתיתים או אפילו פסטה יודע שנפחם גדל בהרבה לאחר בישול במים. בסרטון הנוכחי הראינו כי גם בצמר גפן רטוב (שגם הוא בנוי תאית) הסיבים שלו מתנפחים במים. 

גם סיבים של צמר גפן מתנפחים מעט אחרי שהם נרטבים | צילום: אבי סאייג

גם בנייר מתרחשת תופעה דומה, במידה קטנה. התנפחות סיבי התאית במגע עם המים גורם לקיפול שעשינו להתיישר – ולפרח להיפתח.

אם אתם חושבים שתופעת ההתנפחות חלושה ושמורה רק לניסויי ילדים – דעו לכם כי על פי השערות הארכאולוגים, את אבני הפירמידות העצומות במצריים, חצבו הפרעונים בעזרת קדיחה של חור בסלע, החדרת עץ יבש והרטבתו. התנפחות העץ ביקעה את הסלע!

מומלץ להשתמש בעפרונות צבעוניים, ולא בטושים שמרטיבים את הנייר | צילום מתוך סרטון "מדע בבית"

כדאי לנסות סוגים שונים של נייר, מניסיוננו ניירות שונים מגיבים במהירות שונה. גם טמפרטורת המים משפיעה – אם אתם מעוניינים בפתיחה מהירה של הפרחים נסו לבצע את הניסוי במים חמים. יעצנו לא לצבוע את הפרחים בטושים – משום שטושים מרטיבים את הנייר כך שאפקט ההרטבה כבר לא מתקיים. אפשר להשתמש בטושים בתנאי שצובעים איתם בעדינות – באופן שלא 'מספיג' את הנייר בצבע, ורק אחרי שהם מתייבשים לגמרי.