שאלה בנושא דומה שתענה במסגרת התשובה: כיצד נוצרים גבישי קרח? מרוא
בזמן תהליך קפיאת מים מתרחשת אנומליה (=התנהגות החורגת מההתנהגות הנורמלית, הנפוצה): כאשר מקררים מים שנמצאים בטמפרטורת החדר הנפח שלהם מתחיל לקטון עם ירידת הטמפ', כמו כמעט-כל החומרים בטבע, אולם כאשר מגיעים לטמפ' של 4oC מתרחשת תופעה שונה, ונפח המים מתחיל לגדול עם הקירור; כאשר הטמפ' מגיעה ל 0oC המים קופאים (הופכים לקרח) ועם הקיפאון מתרחשת קפיצה גדולה בנפח המים – תוספת של כ 10%. אתה שואל בעצם מדוע מתרחשת האנומליה של המים.
בכדי לענות על השאלה, יש להבין את המבנה המולקולרי של המים. מולקולת מים, H2O, בנוייה מאטום חמצן שבשני צידיו אטומי מימן, במבנה דמוי זווית כפי שניתן לראות בתמונה הבאה:
התמונה באדיבות אתר ויקיפדיה
בגלל שאטום החמצן יותר אלקטרו-שלילי מאטומי המימן, האלקטרונים שיוצרים את הקשר הכימי בין האטומים נוטים לשהות יותר סביבו (סביב החמצן) וכתוצאה מכך מולקולת המים מקוטבת מבחינה חשמלית: אטום החמצן טעון מטען שלילי חלקי (כי יותר אלקטרונים סביבו) ואטומי המימן טעונים מטען חשמלי חיובי חלקי (כי האלקטרונים שלהם שוהם יותר סביב החמצן), מה שגורם ליצירת כוחות משיכה חזקים בין המולקולות: אטום מימן של מולקולה אחת נמשך לאטום חמצן של מולקולה אחרת (כיוון שמדובר בקשר חמצן-מימן, הקשרים קשרים בין-מולקולרים מסוג 'קשרי מימן'). ראו הסרטון במדור 'מאגר מדע' על המבנה הכימי של המים (קישור בסוף התשובה).
כאשר מים נמצאים במצב צבירה נוזלי (נאמר בטמפרטורת החדר) האנרגיה הקינטית של כל מולקולה ומולקולה (שנובעת ממהירות המולקולות) חזקה מספיק בכדי להתגבר על הכוחות הבין-מולקולרים ששואפים להחזיק את המולקולות במקום, והמולקולות יכולות לנוע: להחליק אחת על גבי השנייה, ולזרום ממקום למקום. (כמובן שבמצב צבירה נוזל ההתגברות לא מוחלטת, ועדיין המולקולות מוחזקות יחד בקבוצה. רק במצב צבירה גזי המולקולות ממש חופשיות לנוע בנפרד לכל כיוון).
התמונה באדיבות אתר ויקיפדיה
בגלל שאטום החמצן יותר אלקטרו-שלילי מאטומי המימן, האלקטרונים שיוצרים את הקשר הכימי בין האטומים נוטים לשהות יותר סביבו (סביב החמצן) וכתוצאה מכך מולקולת המים מקוטבת מבחינה חשמלית: אטום החמצן טעון מטען שלילי חלקי (כי יותר אלקטרונים סביבו) ואטומי המימן טעונים מטען חשמלי חיובי חלקי (כי האלקטרונים שלהם שוהם יותר סביב החמצן), מה שגורם ליצירת כוחות משיכה חזקים בין המולקולות: אטום מימן של מולקולה אחת נמשך לאטום חמצן של מולקולה אחרת (כיוון שמדובר בקשר חמצן-מימן, הקשרים קשרים בין-מולקולרים מסוג 'קשרי מימן'). ראו הסרטון במדור 'מאגר מדע' על המבנה הכימי של המים. כאשר מים נמצאים במצב צבירה נוזלי (נאמר בטמפרטורת החדר) האנרגיה הקינטית של כל מולקולה ומולקולה (שנובעת ממהירות המולקולות) חזקה מספיק בכדי להתגבר על הכוחות הבין-מולקולרים ששואפים להחזיק את המולקולות במקום, והמולקולות יכולות לנוע: להחליק אחת על גבי השנייה, ולזרום ממקום למקום. (כמובן שבמצב צבירה נוזל ההתגברות לא מוחלטת, ועדיין המולקולות מוחזקות יחד בקבוצה. רק במצב צבירה גזי המולקולות ממש חופשיות לנוע בנפרד לכל כיוון).
הסידור המרחבי של 7 מולקולות מים בתחילת תהליך התגבשות לקרח, טבעת משושה עם חלל גדול באמצע
המבנה של טבעת משושה הוא המבנה הטבעתי היציב ביותר מבחינה תרמודינמית בכימיה (ולכן גם נפוץ בחומרים רבים בטבע, למשל במשפחת הסוכרים או הסטרואידים). הטבעות מתחברות ביניהם בצורה תלת מימדית, במבנה עשיר בחללים ריקים, כפי שניתן לראות בתמונה הבאה:
מבנה מרחבי של גביש קרח המכיל מולקולות רבות, ניתן לראות את המבנים המשושים שנוצרים בין המולקולות. (התמונה באדיבות אתר ויקיפדיה)
החללים הרבים שבגביש הקרח הם הגורמים לאנומליה של המים, הם הגורמים לגדילה הניכרת בנפח המים בעת קפיאתם.
מעניין לציין, שאם מסתכלים על פתיתי שלג בהגדלה, רואים כי יש להם סימטריה משושה, סימטריה זו מוכתבת מהעולם המיקרוסקופי של המבנה הגבישי-המולקולרי (המשושה) אל העולם המאקרוסקופי של הגביש השלם הגדול שניתן לראות בתמונה הבאה:
פתיתי שלג, סימטריה משושה (ויקיפדיה)
