למרות היותם של המים תרכובת פשוטה ונפוצה מאוד, למים יש תכונה מיוחדת המבדילה אותם מרוב מוחלט של החומרים האחרים. כידוע, כאשר מעלים את הטמפ' של חומר, החומר נוטה להתפשט. הסיבה לדבר היא שהכנסת חום (אנרגיה) לחומר גורמת לתנודות חזקות יותר של המולקולות וכן ויברציות חזקות יותר בין האטומים בתוך המולקולות עצמן. כתוצאה מתנועות מיקרוסקופיות אלה החומר מתפשט. כתוצאה מההתפשטות המסה הסגולית של החומר יורדת.
מסה סגולית של חומר מוגדרת כמסה לנפח לכן היחידות של מסה סגולית הם קילוגרם\ליטר, למשל המסה הסגולית של נחושת בטמפרטורת החדר היא: 8.933 ק"ג לליטר. נניח שברשותנו גוש נחושת, אם נחמם את גוש הנחושת הוא כביכול "יתפח" כבר לא יהיה בידינו ליטר בלבד אלא מעט יותר מליטר. כמובן שבחימום לא הוספנו שום מסה (חומר). המשמעות היא שהמסה לנפח ירדה. (אם ברשותנו בקבוק בעל נפח של ליטר אחד בדיוק, נוכל לאחסן בתוכו פחות נחושת חמה מאשר נחושת קרה). כלומר המסה של ליטר נחושת חמה יהיה נמוך יותר מ-8.933 ק"ג לליטר. כך למשל בטמפרטורה של קרוב ל- 500°C המסה הסגולית של נחושת יורדת ל- 8.69 ק"ג\ליטר. ובסביבות ה- 900°C ל- 8.46 ק"ג\ליטר. מה יקרה אם נמשיך להעלות את הטמפרטורה? בשלב מסוים הנחושת שלנו תעבור התכה. כלומר היא תשנה את מצב הצבירה שלה. היא תהפוך ממוצקה לנוזלית. מעבר זה מתרחש בנחושת בטמפ' של 1084.6°C. המשמעות היא שהתנודות של האטומים בשלב זה כ"כ חזקים עד שה"אריזה" שלהם כבר לא מחזיקה מעמד, יש תנועה יותר חופשית של האטומים וזה מתבטא בהפיכתה של הנחושת לנוזלית. מה לגבי המסה הסגולית בשלב זה, הנוזלי? נעשה לרגע ניסוי מחשבתי קטן: נניח שייתנו לכם קופסה שהיא קובייה מושלמת בעלת אורך רוחב וגובה 10 ס"מ. (דרך אגב, זוהי קובייה שהנפח שלה הוא בדיוק ליטר). ועכשיו יאמרו לכם למלא את הקופסא בגולות זהב קטנות בעלות קוטר של 0.3 ס"מ. כל מה שייכנס לקופסא הוא שלכם. השאלה היא באיזה דרך הייתם בוחרים למלא את הקופסא? מהי הדרך שבה תוכלו להכניס את הכמות הגדולה ביותר של גולות? מבלי לעשות חישובים מסובכים ניתן לומר שיש שתי אפשרויות כלליות למלאות את הקופסא, הדרך האחת היא
פשוט לקחת גולות ולהתחיל לזרוק אותם לתוך הקופסא באופן אקראי, מה שנכנס – נכנס. הדרך השנייה היא לנסות לסדר את הגולות באופן מסודר להפליא: בשלב ראשון להצמיד לאחת הדפנות שורה של גולות בשורה השנייה להצמיד כל גולה ל"עמק" שנוצר בין שתי גולות מהשורה הקודמת. לאחר "ריפוד" תחתית הכלי מוסיפים שכבה שנייה. בשכבה זו כל גולה מונחת בדיוק מעל הגומחה הנוצרת מהמפגש של שלושה גולות מהשכבה הקודמת וכו' עד שממלאים את הכלי. באיזו מבין שתי השיטות הייתם בוחרים? מובן מאליו שבשיטה השנייה, בשיטה זו האריזה היא הרבה יותר צפופה כמות הגולות שנצליח להכניס תהייה הרבה יותר גדולה. ובחזרה לגוש הנחושת שלנו, המצב המסודר מתבטא בנחושת בהיותה מוצקה, לעומת זאת כאשר היא עוברת למצב צבירה נוזלי האריזה הצפופה שלה נהרסת האטומים מתחילים לנוע לכל עבר. ולכן ברור שבמצב זה הצפיפות (מסה סגולית) של החומר תמשיך לרדת. ואכן נחושת נוזלית בטמפרטורה של 1120°C היא בעלת
צפיפות של: 7.92 ק"ג\ליטר. (להזכירכם נחושת מוצקה ב- 900°C היא בעלת צפיפות של 8.46 ק"ג\ליטר). באופן כללי זהו המצב לגבי כל החומרים, כאשר תנועת החלקיקים שלהם גוברת (ברמה האטומית-מולקולרית) והם עוברים ממצב צבירה מוצק למצב צבירה נוזל (ברמה המאקרוסקופית – כפי שאנו רואים בעינינו) הם נעשים פחות צפופים. המסה הסגולית שלהם יורדת. כמו כן, כאשר מקררים אותם חזרה והם עברים ממצב צבירה נוזלי למצב צבירה מוצק תנועת החלקיקים שלהם קטנה הם מסתדרים מחדש באריזה הצפופה והמסה הסגולית שלהם עולה. מה לגבי מים? לכאורה היינו מצפים לראות את אותה התופעה גם במים. אבל כאן בדיוק נכנסת האנומליה של המים. המים מתנהגים באופן הבא: הצפיפות של המים היא: 0.9817 ק"ג\ליטר ב- 80°C
0.9832 ק"ג\ליטר ב- 60°C
0.9922 ק"ג\ליטר ב- 40°C
0.9982 ק"ג\ליטר ב- 20°C
1 ק"ג\ליטר ב- 4°C
עד כאן הכול רגיל ומתאים למה שראינו, ככל שמורידים את הטמפ' התנועה של המולקולות פוחתת והנפח שלהם הולך וקטן ולכן הצפיפות הולכת ועולה. אבל מברר שזו הצפיפות הגבוהה ביותר שהמים מצליחים להגיע אליהם. כאשר נמשיך לקרר ונגיע ל-0°C המים יקפאו. הם עוברים ממצב צבירה של נוזל למצב צבירה מוצק. ומהי הצפיפות של
קרח ב-0°C ?
0.9150 ק"ג\ליטר !! כלומר ליטר קרח ב-0°C קל יותר מליטר
מים ב- 4°C ב-8.5% !! הצפיפות "משנה כיוון" ומתחילה פתאום לרדת. נשאלת השאלה: איך זה קורה , הרי ע"פ כל מה שראינו עד פה המוצק מתאפיין בהיותו מסודר יותר, המולקולות שבו ארוזות באריזה צפופה יותר ועל כן גם הצפיפות שלו אמורה להיות גבוהה יותר? (היזכרו בניסוי עם גולות הזהב). ההסבר לתופעה נעוץ במבנה של מולקולת המים. כולנו יודעים שהנוסחא הכימית של מים היא: H2O . משמעות הנוסחא היא שהמים מכילים אטום חמצן אחד ועוד שני אטומי מימן. שני אטומי המימן אינם יושבים בקו ישר עם אטום החמצן אלא, מולקולת המים יוצרת מבנה הדומה לאות: V. החמצן יושב בקודקוד ושני מימנים קשורים אליו. מתברר שכאשר המים נמצאים במצב הנוזלי שבו יש "באלגן" הם תופסים נפח מסוים. אבל כאשר מקררים אותם והם מתחילים להסתדר בצורה מסודרת, המבנה המסודר שהם יוצרים מכיל
חללים. דבר זה נובע מהמבנה הגיאומטרי האופייני של המולקולה. כלומר, האריזה המסודרת של מולקולות המים תופסת דווקא נפח גדול יותר. התוצאה היא ירידה בצפיפות הקרח לעומת המים. תופעה זו הינה ייחודית למים.
תקצירים נוספים אודות האנומליה של המים- הסבר פשוט ומעמיק