המים

מים הם תרכובת כימית המהווה בסיס לכל צורות החיים המוכרות, כולל האדם. מולקולת מים מורכבת משני אטומים של מימן ומאטום אחד של חמצן. הנוסחה הכימית של המים היא H₂O.

התכונות הכימיות של המים מאפשרות להם להיות ממס אוניברסלי למרבית התרכובות בטבע.

[עריכה]
מצבי צבירהתכונות כימיות ופיזיקליות

[עריכה]

• בתנאים רגילים, נקודת הקיפאון של המים היא אפס מעלות צלזיוס. המים המוצקים מכונים "קרח". בתנאי מעבדה מיוחדים, בהיעדר נקודות התגרענות, עשויים המים להישאר במצב נוזלי עד טמפרטורות נמוכות בהרבה - ניתן לקרר אותם עד ל-38 מעלות צלזיוס מתחת לאפס בטרם הם הופכים לקרח. המים יכולים להישאר במצב נוזלי בצורת טיפות זעירות עד לטמפרטורה נמוכה עוד יותר (כ-41°C-).‏‏^[1]

מים בלחץ אטמוספירי של אטמוספירה אחת (המוגדר כלחץ האוויר בגובה פני הים על כדור הארץ),

• נמצאים במצב צבירה נוזלי בין אפס מעלות למאה מעלות צלזיוס.
• המים מתחילים לרתוח במאה מעלות צלזיוס ועוברים למצב צבירה גזי המכונה אדי מים.

טמפרטורת הרתיחה של המים יורדת ככל שיורד הלחץ האטמוספירי. בגובה רב מעל פני הים של כדור הארץ (בפסגות ההימלאיה, למשל) יכולה טמפרטורת הרתיחה לרדת עד 70 מעלות צלזיוס, ועל פני מאדים, שם הלחץ האטמוספירי הוא רק אחוז אחד מזה ששורר על פני כדור הארץ, ירתחו המים בטמפרטורה של 7 מעלות צלזיוס בלבד.

[עריכה]המבנה המולקולרי של המים

מולקולת המים בנויה משני אטומי H, ואטום אחד של O. המרחק בין אטומי H לאטום O הוא 0.957854 Å (אנגסטרום). ואטומי H מוסחים מאטום O בזווית של 104.45 מעלות (כפי שאפשר לראות בתמונה) המרחק מאטום H לענן האלקטרונים הוא בערך 1.2 אנגסטרום. והמרחק מאטום O לענן האלקטרונים הוא בערך 1.4 אנגסטרום.

[עריכה]קשרי מימן חלשים במים

רוב השדה החשמלי שלילי, מיוצר על ידי אטום O, ולכן האלקטרונים נמשכים יותר לאטום O מאשר לאטומי H, ולכן רוב הזמן (לפי הסבירות) האלקטרונים נמצאים אצל אטום O, ומסביב לאטומי H האלקטרונים סובבים לעתים רחוקות יחסית. לכן הדבר יוצר שדה חשמלי שלילי (-) בגלל האלקטרונים מסביב לאטום O , ושדה חשמלי חיובי (+) בגלל חוסר אלקטרונים מסביב לאטומי H. השדה שיוצרים האלקטרונים סביב אטומי H הם שווים בממוצע ל-3.3 חלקי עשר מיליארד משדה חשמלי של אלקטרון נורמלי. לכן שדה חשמלי חיובי (+) סביב אטומי H הוא גדול מאוד, בממוצע 99.999999967% משדה חשמלי של פרוטון רגיל. אפשר לומר, אם כן, שאטום O הוא יון שלילי 2- (כמעט) ואטומי H הם בעצם יונים של 1+ (כמעט). לפיכך, כשמולקולת מים תתקרב עם הפינה של אטום O (שבו יש מטען שלילי) לפינה של מולקולה אחרת לאטום H (שבו יש מטען חיובי), יימשכו שתיהן אחת לשנייה.

דיאגרמת פאזות טמפרטורה-לחץ של מים

בגבישי קרח, כל מולקולת מים מושכת אליה 4 מולקולות שכנות (שני אטומי H של המולקולה נמשכים לשני אטומי O של המולקולות השכנות, ואטום O של המולקולה נמשך לשני אטומי H של שתי מולקולות שכנות).

המרחקים בין אטומי H לאטומי O במים בנוזל ובמוצק שונים מהמרחקים בגז. הסיבה לכך היא שבמוצק ובנוזל (בניגוד לגז) המולקולות נמשכות אחת לשנייה, ולכן "נמתחות", ובגז אין משיכה ולכן המרחקים מתקצרים מעט (המרחק בין אטום H לאטום O הוא 0.95718 אנגסטרום בגז, ו-0.95784 אנגסטרום במוצק ובנוזל).

למים מספר תכונות כימיות ופיזיקליות הנובעות בעיקר מהקיטוב של מולקולת המים:

• האנומליה של המים - בטמפרטורות שבין ארבע לאפס מעלות צלזיוס מתפשטים המים בקירור, בשונה מרוב החומרים האחרים. כך קורה שהמים במצבם המוצק (קרח) צפופים פחות מהמים במצבם הנוזל. לתכונה זו חשיבות רבה בכדור הארץ: בגללה צף הקרח על המים במקום לשקוע בתוכם (ראו קרחון), והיא זו שמאפשרת לאוקיינוסים לקפוא רק בשכבתם העליונה ולאפשר המשך קיום חיים תת-מימיים במים העמוקים יותר.
• המים משמשים כממס אוניברסלי של חומרים קוטביים ויוניים.
• בעזרת תכונות חומציות-בסיסיות שלהם (⁺2H₂O → OH^-+ H₃O) ובעזרת יונים המומסים בהם, מאפשרים המים הולכת חשמל. מים מזוקקים אינם מוליכים חשמל בצורה טובה היות שקבוע שיווי המשקל של התפרקות המים לחומצה ובסיס נמוך בהם (בערך 10^-14)).
• למים יש חום סגולי גבוה מאוד, המגיע (בנוזל, בתנאים סטנדרטיים) לכ-4,186 ג'אול לקילוגרםלמעלת צלזיוס. החום הסגולי של המים במצב צבירה מוצק (קרח, בטמפרטורה 0 מעלות צלזיוס) הוא כ-2,060 ג'אול לקילוגרם למעלת צלזיוס ובמצב גז, החום הסגולי נמוך אף יותר.

[עריכה]לשון

ריכוז גבוה של סיד מומס גורם למים במפל מים זה להיצבע בטורקיז.

התחילית הידרו (מיוונית ύδρο) מציינת מים, נוזלים או מימן.^[2]

תחילית זו משמשת במילים ובמושגים רבים:

• בכימיה:
  • חומר המתגבש עם מולקולות מים נקרא הידרט (Hydrate). זו אינה תרכובת עם מים שכן המים נוטים להשתחרר מהחומר בזמן המסה או התכה. יש לא להתבלבל עם המושג קרבוהידרט (בתרגום חופשי: הידרט של פחמן) שתרגומו בעברית פחמימה המציין משפחה של תרכובות של פחמן, מימן וחמצן שבהן יחס אטומי המימן לחמצן הוא 1:2 בדומה ליחס בתרכובת המים, ומכאן נגזר שמם.
  • פירוק של מולקולה גדולה לשתי מולקולות קטנות יותר באמצעות תגובה עם מים נקרא הידרוליזה(Hydrolysis).
  • תהליך שבו מולקולות מים נספחות לחומר אחר המומס בהם נקראת הידרציה (Hydration), ובעברית:מיוּם. התהליך ההפוך שבו מולקולות מים ניתקות מחומר המומס בהם נקרא דהידרציה(Dehydration), ובעברית: אל-מיום.
  • השם הלועזי של מימן הוא הידרוגן (Hydrogen, ביוונית: "יוצר מים"). גם משמו של המימן נגזרים מונחים כימיים רבים: הידרוגנציה, הידריד ועוד.
  • הידרוקסיל - (Hydroxyl) הינה קבוצה פונקציונלית (בכימיה אורגנית), וכן יון דו-אטומי (בכימיה אי-אורגנית; כאן נקראת הקבוצה הידרוקסיד, Hydroxide).
• בפיזיקה ובהנדסה:
  • הידרוסטטיקה - ענף בפיזיקה.
  • הידרודינמיקה - תחום בפיזיקה ובהנדסה המהווה מימוש של מכניקת הזורמים לנוזלים.
  • כוח הידרואלקטרי - חשמל המופק באמצעות אנרגיית מים.
  • בוכנה הידראולית - מכשיר המפעיל כוח רב בצורה קווית (לינארית). בנוי כגליל ובתוכו בוכנה הנעה באמצעות לחץ של נוזל.
• ברפואה:
  • אנהידרוזה (Anhydrosis) הוא חוסר יכולת לייצר זיעה.
  • הידרותרפיה - (טיפול באמצעות מים)- תחום בפיזיותרפיה.
  • הידרופוביה - מחלת כלבת (על שם סימפטום פחד ממים).

התחילית אקווה (מלטינית Aqua) גם היא משמשת לציון מים, אם כי היא נפוצה פחות, ומשמשת בעיקר בהקשרים שאינם מתחום הכימיה- דוגמת אקווריום אואקוודוקט.

[עריכה]חשיבות המים לחיים

מאצות הפילופלנקטון שחיות במים ניזונים דגיםויונקים ימיים רבים.

אריה שותה מים

המים הם חומר חיוני לקיומן של כל צורות החיים הידועות. בעלי החיים והצמחים זקוקים למים לצורך קיום מחזור החיים שלהם. עובדה זו מתקשרת באופן ישיר לכך שהמים נפוצים בכדור הארץ, שכן היותו של כדור הארץ מקורם של כל החיים הידועים, תואם את היותם של המים תנאי הכרחי לחיים אלו.

המים מהווים את רוב המסה של רוב היצורים החיים, וממלאים תפקידים רבים בגופם. התפקידים העיקריים הם שימוש כנוזל תוך-תאי (ציטופלזמה) וכמרכיבו העיקרי של הדם, אך המים נחוצים גם לתפקידים משניים רבים אחרים, כגון ניקוי הגוף, הזעה והלחתה. כל תא חי זקוק לכמות מסוימת של מים כדי להתקיים. יצורים מסוימים מפיקים את הגזים הנחוצים לנשימתם (חמצן או פחמן דו-חמצני) מתוך המים. זימי הדגים הם האיבר הידוע ביותר המשמש להפקת גזי נשימה מומסים במים.

מלבד השימושים הפנים-גופניים עושים יצורים שונים שימוש במים למטרות חוץ-גופניות שונות. הדוגמה העיקרית לשימוש זה היא משמעות המים כסביבת חיים עבור החיים הימיים: דגים, צמחי מים וכו'. דוגמאות אחרות הן השימוש במים כסביבה להטלת ביצים, כמקור מזון וכחיץ כנגד טורפים. את המים משיגים היצורים החיים באופנים שונים. בעלי החיים סופגים מים בגופם בעיקר באמצעות שתייה, בעוד הצמחים יונקים את רוב מימיהם בעזרת שורשיהם.

המים דרושים ליצורים חיים בכמויות מסוימות, ובאיכות מסוימת. איכות זו נקבעת על-פי החומרים המומסים במים: אמנם החיים דורשים כמויות משתנות של חומרים מומסים (כדוגמת מינרלים), אך מרבית החומרים המומסים במים (או חומרים רצויים בכמויות לא רצויות) הופכים את המים לבלתי שמישים או אפילו רעילים. שינוי באיכות המים שפוגע בשימוש מסוים שלהם (לדוגמה - שתייה), אינו פוגע בהכרח בשימושים אפשריים אחרים (לדוגמה - הטלת ביצים).

הדוגמה הבולטת ביותר למים שאינם שמישים ללא טיפול מיוחד, הם מי האוקיינוסים והימים המלוחים, אותם מסוגלים לשתות רק יצורי-מים מזנים מסוימים. סוגים אחרים של מים שאינם שמישים הם מים שזוהמו על ידי התעשייה.