צבר מים

[ממוזער|צבר מים [עשרימון משוכלל היפותטי 100(H2O) והמבנה הבסיסי שלו.]]בכימיה, **צבר מים** (באנגלית: **Water cluster**) הוא צבר אטומים של מולקולות מים המוחזקות יחד באמצעות קשרי מימן, או צבר של מולקולות כאלו. צברים רבים מסוג זה נחזו על ידי מודלים תאורטיים (אין סיליקו), וכמה מהם זוהו בניסויים בהקשרים שונים כגון קרח, מים נוזליים, אדי מים, תערובות מהולות עם ממסים לא-קוטביים, וכמי הידרציה בתוך מבנה גבישי. הדוגמה הפשוטה ביותר היא דימר מים 2(H2O).

צברי מים הוצעו כהסבר לכמה מתכונות המים החריגות (אנומליות), כגון השינוי הבלתי-רגיל של צפיפות כתלות בטמפרטורה. צברי מים מעורבים גם בייצוב של מבנים סופרא מולקולריים מסוימים. הם צפויים למלא תפקיד גם בהידרציה (מיום) של מולקולות ויונים המומסים במים.

## תחזיות תאורטיות
מודלי מים מפורטים חוזים את הימצאותם של צברי מים, כתצורות של מולקולות מים שהאנרגיה הכוללת שלהן נמצאת במינימום מקומי.

עניין מיוחד מעוררים הצברי הטבעתיים n(H2O); קיומם נחזה עבור n = 3 עד 60. בטמפרטורות נמוכות, קרוב ל-50% ממולקולות המים כלולות בצברי. ככל שגודל הצבר עולה, המרחק בין חמצן לחמצן נמצא במגמת ירידה, דבר המיוחס למה שמכונה אינטראקציות רב-גופיות קואופרטיביות: בשל שינוי בהתפלגות המטען, המולקולה מקבלת-המימן הופכת למולקולה תורמת-מימן טובה יותר עם כל הרחבה של מכלול המים. נראה כי קיימות צורות איזומריות רבות עבור ההקסאמר 6(H2O): החל מטבעת, ספר, תיק, כלוב, ועד לצורת מנסרה, עם אנרגיה כמעט זהה. שני איזומרים דמויי-כלוב קיימים עבור הפטמרים 7(H2O), ואוקטמרים 8(H2O) נמצאו בצורה טבעתית או בצורת קובייה.

מחקרים תאורטיים אחרים חוזים צברי בעלי מבנים תלת-ממדיים מורכבים יותר. דוגמאות לכך כוללות את הצבר דמוי-פולרן 28(H2O), המכונה "כדור באקי של מים", ורשת עשרימון משוכלל בת 280 מולקולות מים (כאשר כל מולקולת מים מתואמת ל-4 אחרות). האחרון, שקוטרו 3 ננומטר, מורכב מקליפות איקוסהדרליות מקוננות עם 280 ו-100 מולקולות. קיימת גם גרסה מורחבת עם קליפה נוספת של 320 מולקולות. היציבות עולה עם הוספת כל קליפה. קיימים מודלים תאורטיים של צברי מים המונים יותר מ-700 מולקולות מים, אך הם לא נצפו באופן ניסויי. קו מחקר אחד משתמש בשמורות גרף ליצירת טופולוגיות של קשרי מימן ולחיזוי תכונות פיזיקליות של צברי מים וקרח. השימושיות של שמורות גרף הוצגה במחקר שבחן את כלוב ה-6(H2O) והדודקהדרון 20(H2O), המקושרים בערך לאותם סידורי אטומי חמצן כמו בפאזות המוצקה והנוזלית של המים.

## תצפיות ניסיוניות
מחקר ניסויי של מבנים סופרא מולקולריים כלשהם במים הוא קשה בשל זמן החיים הקצר שלהם: קשרי המימן נשברים ונוצרים מחדש ללא הרף בטווחי זמן המהירים מ-200 פמטו-שניות.

אף על פי כן, צברי מים נצפו בפאזה הגזית ובתערובות מהולות של מים וממסים לא-קוטביים כמו בנזן והליום נוזלי. הזיהוי והאפיון הניסויי של הצברי הושג באמצעות ספקטרוסקופיה - תת-אדום רחוק (FIR) וספקטרוסקופיית תנודה-סיבוב-מנהור (VRT) - ובאמצעות תהודה מגנטית גרעינית (NMR) פרוטונים ועקיפת נייטרונים. נמצא כי להקסאמר יש גאומטריה מישורית בהליום נוזלי, קונפורמציית כיסא בממסים אורגניים, ומבנה כלוב בפאזה הגזית. ניסויים המשלבים ספקטרוסקופיית IR עם ספקטרומטר מסה חושפים תצורות קובייתיות עבור צברי בטווח n=(8-10).

כאשר המים הם חלק ממבנה גבישי כמו בהידרט, ניתן להשתמש בעקיפת קרני רנטגן. קונפורמציה של הפטמר (שביעייה) מים נקבעה (טבעתית מפותלת לא-מישורית) בשיטה זו. יתרה מזאת, צברי מים רב-שכבתיים עם הנוסחה 100(H2O) הלכודים בתוך חללים של מספר צברי פוליאוקסומטלאט  דווחו גם כן על ידי מולר ואח'.

## מודלים של צברי של מים נוזליים בתפזורת
מספר מודלים מנסים להסביר את התכונות של המים על ידי ההנחה שהן נשלטות על ידי היווצרות צברי בתוך הנוזל. לפי תאוריית שיווי המשקל הקוונטי של צברי (QCE) בנוזלים, צברי של n=8 שולטים בפאזה הגושית של מים נוזליים, ואחריהם צברי n=5 ו-n=6. בקרבת הנקודה המשולשת, נטען לנוכחות של צבר n=24. במודל אחר, המים בנוזל בנויים מתערובת של טבעות הקסהדרון ופנטמר (חמישייה) המכילות חללים המסוגלים להכיל מומסים קטנים. במודל אחר קיים שיווי משקל כימי בין אוקטמר מים קובייתי ושני טטרהדרון טבעתיים. עם זאת, אף אחד מהמודלים הללו עדיין לא הצליח לשחזר את מקסימום הצפיפות של המים כפונקציה של הטמפרטורה, כפי שנצפה בניסוי.

## ראו גם
* קשר מימן
* אפקט מפמבה
* האנומליה של המים

## קישורים חיצוניים
* צברי מים ב-London South Bank University
* מסד הנתונים של צברי קיימברידג' - כולל צברי מים שחושבו באמצעות מודלי מים שונים וצברי מים שנחקרו בשיטות ''ab initio''.

## הערות שוליים

קטגוריה:כימיה סופרא מולקולרית