מה הגודל של מולקולת מים?

מולקולת מים היא היחידה הקטנה ביותר של מים: אטום חמצן אחד המחובר לשני אטומי מימן, ונוסחתה H₂O. רוחבה כ-0.28 ננומטרים (280 פיקומטרים), כשמודדים אותה כמקום שמולקולה אחת תופסת בין שכנותיה. ננומטר הוא מיליארדית המטר, ופיקומטר הוא אלפית הננומטר.

גודל

למולקולה אין משטח חיצוני קשיח. האלקטרונים שלה יוצרים ענן שמתדלדל בהדרגה, ולכן גודלה תלוי באופן המדידה.

מרכזי שלושת האטומים שלה נמצאים קרוב זה לזה. כל אטום מימן נמצא במרחק של כ-0.096 ננומטרים מאטום החמצן, ושני הקשרים נפגשים בזווית של כ-104.5 מעלות. הזווית הזאת נותנת למולקולה צורה מכופפת, ושני אטומי המימן נמצאים במרחק של כ-0.15 ננומטרים זה מזה.

ענן האלקטרונים משתרע אל מעבר למרכזי האטומים, ולכן כל מולקולה תופסת מקום גדול יותר מזה. מדענים מעריכים לעתים קרובות את גודלה לפי מידת הצפיפות שבה מולקולות מים נארזות יחד. במים נוזליים, מדידות בקרני X ממקמות את מרכזי המולקולות השכנות במרחק של 0.280 ננומטרים זו מזו. הערכה מספרי לימוד, המבוססת על מספר המולקולות שנכנסות בליטר מים, נותנת בערך 0.3 ננומטרים.

השוואות גודל

• כ-290,000–360,000 מולקולות מים, זו לצד זו, היו משתרעות על פני רוחבה של שערת אדם, שרוחבה 0.08–0.1 מילימטרים.
• אילו מולקולת מים הוגדלה לגודל של כדור טניס, שערת אדם ברוחב 0.1 מילימטרים הייתה ברוחב של כ-24 קילומטרים.
• אטום צזיום, אחד האטומים הגדולים ביותר, רחב כ-0.5 ננומטרים, קצת פחות מפי שניים מרוחבה של מולקולת מים.

למה מולקולות מים נצמדות זו לזו

החמצן מושך אלקטרונים משותפים חזק יותר מהמימן. לכן האלקטרונים במולקולת מים שוהים זמן רב יותר ליד אטום החמצן. כך לצד החמצן יש מטען שלילי קל, ולצדי המימן יש מטען חיובי קל. מולקולה שהמטענים בה מופרדים כך נקראת קוטבית.

מטענים מנוגדים מושכים זה את זה, ולכן כל מולקולת מים מושכת את שכנותיה. המשיכות האלה נקראות קשרי מימן. הן מחזיקות מולקולות מים יחד על פני הנוזל, וזה מה שנותן למים את מתח הפנים שלהם. משום כך מים יוצרים טיפות על משטח יבש ואינם מתפשטים שטוחים.

איך מים נכנסים לתאים

מים חוצים במהירות את הקרומים שסביב תאים רבים דרך תעלות חלבון הנקראות אקוופורינים. פיטר אגרה וחבריו לעבודה זיהו את הראשון בקרומים של תאי דם אדומים אנושיים, וכל תא דם אדום נושא כ-200,000 מהם. אגרה היה שותף לפרס נובל לכימיה לשנת 2003 על גילוי תעלות המים.

בנקודה הצרה ביותר שלה התעלה רחבה 0.28 ננומטרים, בערך כגודלה של מולקולת מים אחת. לכן מולקולות המים עוברות בטור, אחת אחת, כ-3 מיליארד מהן בכל שנייה דרך כל תעלה. הפתח הצר ומטען חשמלי בתוכו דוחים פרוטונים, החלקיקים הטעונים שהופכים נוזל לחומצי. בכליות האקוופורינים עוזרים להחזיר 99% מהמים שסוננו מהדם.

מקורות

• Experimental data for H2O (Water). NIST Computational Chemistry Comparison and Benchmark Database.
• Benchmark oxygen-oxygen pair-distribution function of ambient water from x-ray diffraction measurements with a wide Q-range. Skinner et al., Journal of Chemical Physics, 2013.
• How big are biochemical nuts and bolts?. In Cell Biology by the Numbers, by Ron Milo and Rob Phillips. Garland Science, 2015.
• Inhibitors of Mammalian Aquaporin Water Channels. Abir-Awan et al., International Journal of Molecular Sciences, 2019.
• Aquaporin Water Channels. Nobel Lecture by Peter Agre, Nobel Foundation, 2003.
• The Nobel Prize in Chemistry 2003. Nobel Prize Outreach.
• Cesium. PubChem, National Library of Medicine.
• Water. In Biology 2e. OpenStax, 2018.
• Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.
• Rules of Tennis 2026. International Tennis Federation, 2026.