מים

Disambig RTL.svg המונח "H2O" מפנה לכאן. לערך העוסק בסדרת טלוויזיה, ראו H2O (סדרת טלוויזיה).
מים (H2O)
Water-2D-labelled.png
מבנה מולקולת מים (H מסמל אטום מימן, ו-O חמצן)
Water molecule 3D.svg
שם סיסטמטימים
נוסחה כימיתH2O
מסה מולקולרית18.0154 גרם/מול
מראהשקוף
מספר CAS7732-18-5
צפיפות1 גרם/סמ"ק
מצב צבירהנוזל
טמפרטורת היתוך0 °C
273.15 K
טמפרטורת רתיחה100 °C
373.15 K
מקדם שבירה1.333
חומציות15.74 ‏pKa
בסיסיות15.74 ‏pKb
LD5090,000 (דרך הפה, חולדות) מ"ג לק"ג
NFPA 704
כשני שלישים מפני כדור הארץ מכוסים במים. מתוך מים אלו, 97.2% הם מים מלוחים המרכיבים את חמשת האוקיינוסים. הקוטב הדרומי שנראה למטה מכיל כ-90% מהמים המתוקים בעולם.
נתזי מים

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

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

תכונות כימיות ופיזיקליות

מצבי צבירה

  • 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.

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.

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).

העברת פרוטון

תכונות פיזיקליות

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 לקילוגרם למעלת 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.
  • המים נראים שקופים בלחץ נמוך, אך בלחץ גבוה המים כחולים (לכן תמונות שצולמו במים עמוקים וחשוכים יחסית עדיין נראים כחולים)