מהפקת ברזל ועד צביעת בדים ויצירת סבון ומלט – בלי להבין לעומק את המדע שמאחורי מעשיהם, בני תרבויות עתיקות גילו שיטות כימיות מתוחכמות שנמצאות בשימוש אפילו בימינו

נהוג לייחס את ראשיתה של הכימיה המודרנית למדען הצרפתי אנטואן לבואזיה (Lavoisier). בשלהי המאה ה-18, הוא גילה את חוק שימור החומר והניח את היסודות להבנה העמוקה של ההבדלים בין יסודות, תרכובות ותערובות.

אבל הייתה כימיה גם מאות ואפילו אלפי שנים לפני לבואזיה, בלי שהעוסקים בה הבינו לעומק את מעשיהם. בכתבה זו נעבור על כמה מהתגליות הגדולות ביותר של הכימאים הקדמונים, נסביר בקצרה מה באמת מתרחש, האם התהליך השתנה בימינו, ואם כן – באיזו צורה. באופן לא מפתיע, ביסודן של רוב התגליות שלהם ניצבה האש, שהקדמונים למדו להשתמש בה ובחומרים שנוצרים בה, כמו פחם ואפר, להשגת מגוון רב של מטרות.

הפקת מתכות

"תּוּבַל קַיִן לֹטֵשׁ כָּל חֹרֵשׁ נְחֹשֶׁת וּבַרְזֶל". (בראשית ד', כ"ב)

"אֶת-הַזָּהָב וְאֶת-הַכָּסֶף, אֶת-הַנְּחֹשֶׁת, אֶת-הַבַּרְזֶל, אֶת-הַבְּדִיל וְאֶת-הָעֹפָרֶת; כָּל-דָּבָר אֲשֶׁר-יָבֹא בָאֵשׁ תַּעֲבִירוּ בָאֵשׁ וְטָהֵר" (במדבר ל"א, כ"ב-כ"ג).

כך עשו את זה פעם: בספר במדבר מתוארות בין השאר מצוות הטהרה שנדרשו בני ישראל למלא קרב מול צבא מדין. אך מה שמעניין מההיבט הכימי בפסוקים שהבאתי למעלה הוא רשימת המתכות המוזכרות בהם. מתוכן, שרק את הזהב והנחושת אפשר למצוא (בכמות משמעותית) כמתכות חופשיות בטבע. כל השאר פשוט כמעט לא קיימות במצב מתכתי ויש להפיקן בעזרת תהליך כימי.

נראה כי בני אדם החלו להשתמש בנחושת, ובמתכת בכלל, כבר לפני כ-11 אלף שנה במזרח התיכון. מעיד על כך תליון נחושת משנת 8,700 לפני הספירה שנמצא בחפירות ארכיאולוגיות בעירק והורכב מפיסות נחושת שנמצאו בטבע והותכו יחד. אולם השימוש במתכות בתקופה ההיא היה מצומצם מאוד, משום שנדיר מאוד למצוא נחושת במצבה המתכתי בטבע.

קפיצת הדרך הגדולה הגיעה רק כעבור כ-4,000 שנה. בסביבות שנת 5,000 לפני הספירה חי אי-שם בצפון מסופוטמיה, בין צפון סוריה של ימינו לטורקייה אדם שאפשר להגדירו ככימאי הראשון ואבי כל חרשי הנחושת. האיש הזה, שזהותו אינה ידועה כיום, גילה תגלית מופלאה: אם לוקחים אבנים בצבע ירוק תכלכל או טורקיז, מפוררים אותן לאבקה, מערבבים באבקת פחם ומחממים את הכול במדורה לוהטת, תיזל מתערובת האבקות הזאת נחושת מתכתית. איך הוא גילה את זה? קשה לדעת. אולי זה קרה במקרה, כשהוא הבחין באבן ירקרקה מגירה נטיפי נחושת בתוך מדורה?

התגלית הזאת הובילה לתחילת תקופת הנחושת (התקופה הכלקוליתית), שנקראת כך על שם חומר הגלם שהיה דומיננטי בה. אחריה, עם גילוי הבדיל, הגיעה תקופת הברונזה (ארד): שהיא תערובות נחושת ובדיל היוצרת חומר קשיח, ואחריה תקופת הברזל. כל אותו זמן, השיטה להפקת המתכות הללו נותרה ללא שינוי: ריסוק של אבנים מסוימות, שהיום נקרא להן מחצבי מתכות, לפיסות קטנות, ערבוב של האבקה עם פחם עץ ממדורה וקלייה של הכול יחד. כל מחצב מפיק מתכת אחרת.

כלי נחושת שנמצאו במערות נחל משמר; מתוארכים לסביבות שנת 4,300 לפני הספירה | צילום: Ella Zayith, ויקיפדיה
כלי נחושת שנמצאו במערות נחל משמר; מתוארכים לסביבות שנת 4,300 לפני הספירה | צילום: Ella Zayith, ויקיפדיה

הכימיה כפי שאנו מכירים אותה היום: מדובר בהפקת מתכות בתהליך המכונה "חמצון-חיזור". אטומי המתכות נמצאים בדרך כלל בעפרות כחלק מתרכובות שכוללות גם אטומי חמצן או גופרית. כשמערבבים את העפרה עם אבקת פחם, שמורכבת מהיסוד פחמן (C), הפחמן מחזר את המתכת, כלומר מוסר לה בחזרה אלקטרונים שהחמצן או הגופרית לקחו ממנה. כתוצאה מכך המתכת חוזרת למצבה הטהור ואילו הפחמן מתרכב במקומה עם החמצן (O) ומתפזר באוויר בתור גז פחמן דו-חמצני (CO2).

אינפוגרפיקה

אם מדובר בתרכובת גופרית, כמו נחושת-גופרית (CuS2), מתרחש קודם תהליך שבו חמצן תופס את מקומה של הגופרית במהלך הקלייה באש: 2CuS2 + 5O2 → 2CuO + 4SO2. כך נוצרת תחמוצת של נחושת שיכולה להגיב הלאה עם הפחמן כפי שהוסבר קודם.

כשנחושת נמצאת במצב מחומצן, צבעה הוא ירוק טורקיז, וזה מה שמסביר מדוע חרשי הנחושת הקדומים גילו שכדי להפיק נחושת הם צריכים לחמם דווקא אבנים ירוקות. הן פשוט קיבלו את צבען מתרכובות נחושת.

ומה בימינו: גם כיום משתמשים בחיזור כדי להפיק מתכות מעפרותיהן. יתר על כן, משתמשים פחות או יותר באותה שיטה שהגה אותו נפח אלמוני לפני 7,000 שנה במזרח התיכון. ההבדל העיקרי הוא שבמקום לבסס את החיזור על פחם עץ ממדורה, משתמשים בפחם אבן שמופק ממכרות באדמה, והוא יעיל יותר בהנעת תהליך החיזור.

שיטה נוספת שהומצאה במשך השנים, ומטבע הדברים לא הייתה אפשרית לאנשים שחיו בעבר הרחוק, היא הפקת מתכות בעזרת חשמל בשיטה שנקראת "אלקטרוליזה". כך מופקים רוב האלומיניום והמגנזיום בעולם – מתכות שאי אפשר לחזר בעזרת פחם.

אי אפשר לדמיין את החברה האנושית מתפתחת לציוויליזציות מורכבות ללא הידע שרכשנו בעיבוד מתכות. ההמצאה החכמה הזאת של אותו חרש נחושת עלום מהמזרח התיכון הקדום עיצבה את העולם וממשיכה לעצב אותו גם בימינו.

שבר של כלי חרס עם עיטורי מנורה ולולב. נמצא בחפירות ארכיאולוגיות בשיחין, מקום שהתפרסם בתעשיית הקדרות שלו בתקופת המשנה | צילום: משלחת חפירות שיחין, ויקיפדיה
שבר של כלי חרס עם עיטורי מנורה ולולב. נמצא בחפירות ארכיאולוגיות בשיחין, מקום שהתפרסם בתעשיית הקדרות שלו בתקופת המשנה | צילום: משלחת חפירות שיחין, ויקיפדיה

כלי חומר

"וַיֹּאמְרוּ אִישׁ אֶל רֵעֵהוּ; הָבָה נִלְבְּנָה לְבֵנִים וְנִשְׂרְפָה לִשְׂרֵפָה וַתְּהִי לָהֶם הַלְּבֵנָה לְאָבֶן וְהַחֵמָר הָיָה לָהֶם לַחֹמֶר". (בראשית י"א, ג')

כך עשו את זה פעם: כשקרקעות מסוימות, למשל חרסית, נרטבות במים, נוצרת לפעמים על פני השטח שכבה בוצית אטומה שקל לעצב ממנה צורות ולכייר בה. כשהעיסה הבוצית מתייבשת – היא מתקשה ושומרת על הצורה שבה עיצבו אותה קודם, אבל אם היא נרטבת מחדש היא מתרככת.

בשלב זה או אחר בהיסטוריה גילו בני האדם שאם זורקים את החומר היבש לאש ומחממים אותו במשך זמן רב, הוא משתנה ונהיה קשה, עמיד במיוחד ולא מסיס במים. מדובר בתגלית ותיקה מאוד, שהתרחשה באופן בלתי תלוי בחברות אנושיות רבות, וארכיאולוגים מצאו פסלוני חומר בני כ-30 אלף שנה.

תהליך הקיבוע הזה של החומר (המכונה בטעות חֵמָר) אפשר לבני האדם לייצר צלחות, כדים, פסלונים, לוחות ואפילו מסמכים כתובים שעליהם חרתו מילים בקלות, כשהחומר היה עדיין רטוב ורך, והאפייה שלהם באש אפשרה להם להישמר מאות ואלפי שנים. בהמשך החלו ליצור מחומר גם צינורות, רעפים ועוד. לא ברור איך התהליך הזה התגלה, אך ייתכן שבמקרה אנשים גילו ששכבות חומר שנאפו במדורה לא התרככו כשהרטיבו אותן מחדש. אפשרות אחרת היא שהניסוי הראשוני נעשה בכוונה תחילה, מתוך מחשבה שחום האש ייבש את החומר במידה כזאת שתאטום אותו לחדירת מים נוספים.

יסוד של כבשן לכלי חרס מחורבת עוצה, 310–330 לספירה | צילום: הווארד סמיטליין, ויקיפדיה
יסוד של כבשן לכלי חרס מחורבת עוצה, 310–330 לספירה | צילום: הווארד סמיטליין, ויקיפדיה

הכימיה כפי שאנו מכירים אותה היום: אדמת חרסית מורכבת בעיקר מגרגירים קטנים של תחמוצת של צורן (סיליקון) ואלומיניום, משולבים עם מולקולות של מים, בתערובת שנקראת אלומיניום סיליקט הידראט (Al2O3*2SiO2*2H2O). לעיתים נוספות לקרקע גם תחמוצות אשלגן. כשמחממים את החומר, מולקולות המים אכן מתאדות ממנו. כשהטמפרטורה ממשיכה לעלות, הגרגירים מתאחדים יחד לחומר אחיד המורכב ממשטחים צפופים של אלומיניום, צורן וחמצן.

ומה בימינו: גם כעת בני אדם מפיקים מגוון עצום של כלי חרס וקרמיקה על ידי הרטבה של תערובות קרקע חרסיתיות, עיצובן לצורה הרצויה, ייבושן וקלייתן בתנור, כפי שעשו בעת העתיקה. עם השנים התפתחו שיטות לציפוי כלי החומר בשכבה זגוגיתית אטומה יותר (גלזורה) והתגלו חומרים שמאפשרים ליצור כלים עדינים יותר – קרמיקה לבנה. עקרון הייצור עצמו נותר כפי שהיה לפני עשרים אלף שנה: הרטבת חרסית במים, כיוּר צורה, ייבוש וחימום בתנור.

שכבות של קאוליניט – המינרל החשוב בחרסית. לבן: חמצן; צהוב: קבוצות הידרוקסיל (חמצן הקשור למימן); כחול: אלומיניום; צהוב: צורן | מקור: Kent G. Budge, ויקיפדיה
שכבות של קאוליניט – המינרל החשוב בחרסית. לבן - חמצן; צהוב - קבוצות הידרוקסיל (חמצן הקשור למימן); כחול - אלומיניום; צהוב - צורן | מקור: Kent G. Budge, ויקיפדיה

סיד

"בּוֹר סוּד שֶׁאֵינוֹ מְאַבֵּד טִפָּה". (משנה אבות ב', ח')

כך עשו את זה פעם: בשלב כלשהו בהיסטוריה התגלה כי כשאבני גיר מתחממות במדורה הן הופכות לחומר אחר. בניגוד לחומר שמקורו בחרסית, שמתקשה בחום לחומר עמיד במים, הרגישות של האבנים הללו למים דווקא עולה בעקבות הקלייה, וכשמרטיבים אותן נוצרת משחה לבנה – סיד. כשמוהלים אותה בהרבה מים היא מספקת צבע לבן בוהק לקירות ולמשטחים אחרים. ואם מערבבים קש במשחה מתקבל חומר בניין שמדביק יחד אבנים ושאפשר לטייח בו קירות ובורות מים. אם מחכים בסבלנות, כעבור שנה הסיד מתקשה מחדש וחוזר להיות עמיד למים כמו אבן הגיר שממנה הוא נוצר.

הכימיה כפי שאנו מכירים אותה היום: אבן גיר עשויה מסידן פחמתי (CaCO3). כשמחממים אותה לטמפרטורה גבוהה יותר מ-825 מעלות צלזיוס מתרחש תהליך שמפרק את התרכובות ומסלק מהן פחמן דו-חמצני (CO2). מה שנותר כשהגז מתאדה הוא תחמוצת סידן (CaO), שקרויה גם "סיד בוער". בשפת הכימיה התגובה מתוארת כך: CaCO3 → CaO + CO2.

במגע במים (H2O), הסיד הבוער משתנה ל"סיד כבוי", או בשמו הכימי "מימת הסידן" (Ca(OH)2), לפי התגובה הבאה: CaO + H2O → Ca(OH)2, ומקבלים חומר משחתי לבן שנמס באופן בינוני במים. זהו הסיד לצביעה ולבנייה. בהמשך, כשהחומר הזה נשאר חשוף לאוויר במשך כמה חודשים, הפחמן הדו-חמצני שבאוויר מגיב איתו, והוא חוזר להיות סידן פחמתי – החומר שממנו התחיל התהליך:

Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O.

כלומר עם הזמן הסיד חוזר להיות אבן גיר, שהיא חומר אטום ועמיד למים. 

ומה בימינו: גם כיום מפיקים כמויות אדירות של סיד באותה שיטה – קלייה של אבני גיר בטמפרטורה גבוהה מאוד, להפקת סיד לבנייה, צבען (פיגמנט) לצבע לבן ועוד.

חורבות כבשן סיד עתיק בנחל ענבה | צילום: McKaby, ויקיפדיה
חורבות כבשן סיד עתיק בנחל ענבה | צילום: McKaby, ויקיפדיה

זכוכית

”לֹא יַעַרְכֶנָּה זָהָב וּזְכוֹכִית, וּתְמוּרָתָהּ כְּלִי פָז". (איוב כ"ח, י"ז)

כך עשו את זה פעם: לפני 5,000 או 6,000 שנה גילו אנשים תופעה משונה: כשחול ואפר של מדורה מתערבבים ומתחממים, נוצר חומר שקוף וצמיגי שמתקשה מחדש כשהוא מתקרר. סביר להניח שגם התופעה הזאת התגלתה במקרה, כשאדם סקרן הביט בשרידי מדורות. החומר הזה הוא זכוכית, ובהדרגה גילו שאפשר לעצב אותו כשהוא לוהט, ואפילו לנשוף לתוכו אוויר ולנפח אותו כדי ליצור כלי קיבול חלולים, קשים ואטומים למים. בהמשך למדו ליצור ממנו גם חלונות שימנעו חדירת רוח וגשם אך יניחו לאור לעבור באין מפריע. עם השנים התגלו תוספות שמשפרות את איכות הזכוכית. למשל התברר שאבקת אבן גיר תורמת לשקיפות ומקילה על עיבוד הזכוכית, ונמצאו תרכובות צבע שיוצרות זכוכית צבעונית.

הכימיה כפי שאנו מכירים אותה היום: אפר של מדורה מורכב בעיקר מהחומרים הלא אורגניים שנשארים אחרי שעץ נשרף. בעיקר בולטות בו תחמוצות של נתרן ואשלגן, שהן בסיסים חזקים מבחינה כימית. חול מורכב בעיקר מסיליקה – תחמוצת צורן (SiO2). כשהשניים מתערבבים נוצרת תערובת שטמפרטורת ההיתוך שלה היא כאלף מעלות צלזיוס בלבד – טמפרטורה שקל להגיע אליה במדורה, בעוד שסיליקה טהורה ניתכת רק באלפיים מעלות. התוצאה היא מעין חול מותך שאפשר לעצב בשלל צורות. לאחר מכן, כשמקררים אותו במהירות, החומר לא מספיק להתגבש מחדש ומתקבל מוצק אמורפי, כלומר חסר צורה אחידה, שבתוכו מעורבבים כל החומרים שהרכיבו את הזכוכית. המוצק הזה נשאר שקוף ולא גבישי, בדומה לנוזל, ויכול להישאר כך אלפי שנים.

ומה בימינו: זכוכית היא חומר נפוץ במיוחד בכלכלה של זמננו, וחומרי הגלם העיקריים המשמשים לייצורה הם עדיין חול סיליקה לבן ובסיסים מבוססי נתרן ואשלגן. במשך השנים התגלו תוספות שמקנות לזכוכית תכונות נחוצות, כמו המינרל בורקס (borax) המשמש לייצור זכוכית "פיירקס" עמידה לחום. כמו כן פותחו תהליכי עיבוד והקשיה שמחזקים את פני השטח של הזכוכית, למשל לייצור מסכי טלפונים או זכוכית ביטחון. כך שגם כאן התהליך הבסיסי שגילו אבות אבות אבותינו נותר הליבה של הייצור גם בימינו.

פכית, שפופרת תמרוקים ותכשיטים מזכוכית מהתקופה הרומית המאוחרת או הביזנטית, שנמצאו בחפירות בקסטרא העתיקה, מוזאון קסטרא בחיפה | צילום: Hanay, ויקיפדיה
פכית, שפופרת תמרוקים ותכשיטים מזכוכית מהתקופה הרומית המאוחרת או הביזנטית, שנמצאו בחפירות בקסטרא העתיקה, מוזאון קסטרא בחיפה | צילום: Hanay, ויקיפדיה

אבק שריפה

כך עשו את זה פעם: בשלהי האלף הראשון לספירה גילו הסינים תגלית מפוצצת. התברר להם שאם מערבבים פחם ממדורה, קצת גופרית – שקל למצוא באזורים עם פעילות געשית, ומְלַחַת (סַלְטפֶּטֶר) – סוג של מלח שקיים כמחצב בטבע, ואפשר להפיק אותו גם מלשלשת ציפורים – נוצרת תערובת דליקה ביותר. היא נדלקת מהר גם בלי חשיפה לאוויר, ובבעירתה נפלטים גזים רבים, שאפשר להשתמש בהם להעפת קליעים. החכמים הסינים שיערו שהמלחת מעניקה לאש כוח חיים ומאפשרת לה לשרוף את הגופרית והפחם. מסין התפשט השימוש באבק השריפה עם הזמן גם לאירופה, שם נעשה בו שימוש צבאי נרחב.

הכימיה כפי שאנו מכירים אותה היום: במפתיע, ההסבר של הסינים לא היה רחוק מהמציאות. מלחת היא תערובת של חנקת אשלגן וחנקת נתרן, והיא חומר מחמצן חזק מבחינה כימית, כלומר חומר שנוטה לקחת אלקטרונים מחומרים אחרים. יתרה מזאת, המלחת פולטת גז חמצן כשהיא מתחממת. כשחומר נשרף, הוא מתרכב עם חמצן. לכן, כשהמלחת באה במגע עם אבקת הפחם ואבקת הגופרית, שהם חומרים דליקים, מספיק חימום קל כדי שישתחרר חמצן בתוך התערובת ותתחיל תגובת שריפה נמרצת.

ומה בימינו: בתחילת המאה ה-20, אחרי קרוב לאלף שנות שימוש, חדל השימוש הצבאי באבק בשריפה השחור הוותיק ואת מקומו תפס מאז מלחמת העולם הראשונה אבק שריפה ללא עשן, שהיה יעיל יותר. עם זאת, גם כעת עדיין משתמשים באבק שריפה שחור לייצור זיקוקין די-נור. העקרונות הכימיים שהתגלו בזכותו, ושמאפשרים להעיף קליעים על ידי שחרור מהיר של כמות גזים גדולה, עדיין משמשים בכל הקליעים, הפגזים והטילים של ימינו.

סרטון על הכימיה של אבק השריפה השחור:

תכלת, ארגמן וצביעת בדים

"דַּבֵּר אֶל בְּנֵי יִשְׂרָאֵל וְאָמַרְתָּ אֲלֵהֶם, וְעָשׂוּ לָהֶם צִיצִת עַל כַּנְפֵי בִגְדֵיהֶם לְדֹרֹתָם, וְנָתְנוּ עַל צִיצִת הַכָּנָף פְּתִיל תְּכֵלֶת". (במדבר ט"ו, ל"ט)

כך עשו את זה פעם: כבר לפני כמה אלפי שנים התגלה כי החילזון הימי ארגמון קהה-קוצים, שחי בעיקר בים התיכון, מפריש מבלוטה בגופו חומר שמאפשר לצבוע בדי צמר וכותנה בתכלת ובסגול ארגמני. תהליך ההפקה של הצבע היה מסובך, ארוך ויקר ולכן נחשב יוקרתי ושימש בין השאר לצביעת בגדי כהונה בבית המקדש. בעת הפקתו מהחלזונות החומר היה שקוף, לבן או ירקרק. רק אחרי שהשרו את הבגד בתמיסת הצבע, והניחו לו להתייבש באוויר, הוא קיבל גוונים תכולים או סגולים. הצבע הסופי הושפע מאופן ייבוש הבד, אם הייבוש נעשה באור יום או בחושך.

להפקת צבע תכלת השתמשו לפעמים גם בעיסה של צמח בשם קלא אילן, אולם שימוש בצמח הזה נאסר על פי ההלכה היהודית לצביעת פתיל התכלת בציצית. בתקופות ההלניסטית והרומית התפתחה במזרח הים התיכון תעשייה משגשגת של צביעת בדים בתכלת ובארגמן, אולם עם הזמן התעשייה נזנחה וסוד הפקת הצבעים אבד. לא ברור כלל איך התגלה התהליך. אולי חילזון או נוזל של הצמח קלא אילן הכתימו פעם חולצה שמישהו לבש?

קונכיות ארגמונים קהי קוצים מתקופת הברזל, עם שאריות צבע על כלי החרס (מימין) | מוצג במוזאון הימי הלאומי בחיפה | צילום: Aaadir, ויקיפדיה
קונכיות ארגמונים קהי קוצים מתקופת הברזל, עם שאריות צבע על כלי החרס (מימין), מוצג במוזאון הימי הלאומי בחיפה | צילום: Aaadir, ויקיפדיה

הכימיה כפי שאנו מכירים אותה היום: הצבע הייחודי של החילזון ושל הקלא אילן נובע מהצבענים די-ברומו-אינדיגו, שצבעו ארגמני, ואינדיגו שצבעו תכלת. במצבו הטבעי בתוך רקמות החילזון, הצבען אינו מסיס במים, כך שכדי להפיק אותו צריך לספק לו אלקטרונים (לחזר אותו) בסביבה בסיסית, זה כנראה מה שעשו תהליכי ההפקה הסודיים והמסובכים שנשכחו ואבדו.

בשלב הבא משתמשים בחומצה כדי לנטרל את הבסיסיות של התמיסה שהתקבלה, וטובלים בה את הבדים. מה שקובע איזה צבע נקבל הוא שיטת הייבוש. אם מייבשים את הבד בשמש, הקרינה העל-סגולה שוברת את הקשרים הכימיים בין אטומי הברום לפחמן במולקולה, ומתקבל אינדיגו. אם מייבשים את הבד בצֵל, הקשרים נשמרים ומתקבל ארגמן. בשני המקרים הצבע מופיע על הבד רק בזמן הייבוש, מפני שמולקולות הצבען המחוזרות נקשרות לחמצן שבאוויר (מתחמצנות), והמולקולה החדשה שמתקבלת היא זאת שמחזירה לעינינו את הצבע התכול או הארגמני.

הקרינה העל-סגולה מהשמש מסלקת את אטומי הברום במולקולה השמאלית ויוצרת אינדיגו | מקורות: Xplus1, Yikrazuul, ויקיפדיה
המולקולות של הצבענים אינדיגו (משמאל) ודי-ברומו-אינדיגו (מימין). הקווים מייצגים קשרים כימיים בין אטומים; אטומי הפחמן לא מופיעים בתרשים. הקרינה העל-סגולה מהשמש מסלקת את אטומי הברום במולקולה הימנית ויוצרת אינדיגו | מקורות: Xplus1, Yikrazuul, ויקיפדיה

סרטון של "כאן סקרנים" על הפקת התכלת מקלא אילן ומחלזונות

ומה בימינו: במשך השנים התגלה מגוון רב של צמחים שאפשר להפיק מהם את הצבען אינדיגו, אבל הייצור שלו היה מורכב, יקר ומצומצם בהיקפו. בשנת 1882 הצליח הכימאי היהודי-גרמני אדולף פון-באייר לייצר אינדיגו באופן סינתטי, תגלית שזיכתה אותו בפרס נובל בכימיה בשנת 1905. כיום רוב הצבענים מופקים באופן מלאכותי. בשנת 2011 לבדה יוצרו 50 אלף טונות אינדיגו סינתטי לצביעת בדים, ובמיוחד לצביעת מכנסי ג'ינס תכולים. בשנים האחרונות כמה חברות בישראל מנסות לשחזר את ייצור התכלת מחלזונות ימיים – לדעתי צער בעלי חיים מיותר, בייחוד כשיש חלופה סינתטית זהה לחלוטין.


נשיא ארצות הברית, רונלד רייגן, בג'ינס תכול 1977. אף חילזון לא נפגע במהלך צביעת הבגדים | מקור: Reagan Library, Public Domain

סבון

”כִּי אִם תְּכַבְּסִי בַּנֶּתֶר וְתַרְבִּי לָךְ בֹּרִית נִכְתָּם עֲוֺנֵךְ". (ירמיהו, ב', כ"ב)

כך עשו את זה פעם: לא ברור איך עלה הרעיון, אבל ממצאים מסביבות שנת 2,800 לפני הספירה בבבל מעידים כי בני התקופה ידעו שאם מבשלים שומן או שמן עם מים ואפר של מדורה, מתקבל חומר מופלא. לא רק שהוא מצליח לנקות ביעילות כתמים מבדים, לכלוכים מהידיים ושומן מהצלחות, אלא אפילו יוצר קצף מרענן.

הכימיה כפי שאנו מכירים אותה היום: כפי שכבר ציינתי, באפר של מדורה נותרים כל החומרים הלא אורגניים שנמצאים ביצורים חיים, בעיקר בסיסים של נתרן כגון סודה קאוסטית (נֶתֶר מְאַכֵּל) ושל אשלגן. כמו כן, שמנים ושומנים מוגדרים מבחינה כימית "טריגליצרידים", כלומר תרכובות של שלוש חומצות שומן המחוברות למולקולה בשם גליצרין.

כשמבשלים טריגליצריד במים שיש בהם בסיס חזק מתרחשים שני תהליכים. ראשית, המים מניעים תגובה כימית בשם הידרוליזה, שמפרקת את הטריגליצריד למרכיביו: חומצות שומן וגליצרין. לאחר מכן מתרחשת תגובת חומצה-בסיס, כשחומצות השומן באות במגע עם הבסיס המומס במים. תוצרי התגובה הזאת הם מים ומלח של חומצת שומן. המלח הזה הוא הסבון.

שמם של מלחי אשלגן באנגלית, potash, מורכב מהמילים pot ו-ash, כלומר "כלי חרס עם אפר", מכיוון שכדי להפיק אותו היו בוחשים אפר מעורב במים בתוך כלי חרס. מכאן גם נובע שמו של היסוד באנגלית: potassium.

פעולת הניקוי של הסבון מבוססת על המסה. כדי שחומרים יימסו זה בזה עליהם להיות דומים זה לזה מבחינה כימית, ובמיוחד ברמת הקוטביות החשמלית שלהם. הבעיה היא ששמן הוא חומר מאוד לא קוטבי ואילו המים קוטביים מאוד, ולכן שמן ומים לא "מתערבבים" יחד. אך הסבון הוא חומר מיוחד, חלק אחד של המולקולה, המכונה ראש, מקוטב חשמלית ולכן נקשר בקלות למים. על כן הוא נקרא הידרופילי – "אוהב מים". החלק השני של המולקולה, המכונה זנב, אינו קוטבי ונקשר בקלות לשמן, ולכן נקרא הידרופובי – "פוחד ממים".

בזכות האופי המנוגד של שני חלקיה, מולקולת הסבון מצליחה גם להיות מסיסה במים וגם להמיס שומנים. השומנים נצמדים לזנב ההידרופובי של הסבון, עקב כוחות משיכה חשמליים, ואילו הראש ההידרופילי מאפשר למולקולת הסבון להישטף עם המים הזורמים בברז, במדיח הכלים או במקלחת, ולקחת איתה את השומן שנצמד אליה.

ומה בימינו: גם כיום מייצרים סבונים על ידי הידרוליזה של שומנים בעזרת בסיסים חזקים. עם השנים נוספו למשפחת חומרי הניקוי גם דטרגנטים, שבהם את מקומה של חומצת שומן בצד אוהב המים של המולקולה תופסת חומצה גופרתית, שבניגוד לסבון המסורתי לא מושפעת לרעה ממים קשים עשירים בסידן. עם זאת, גם הדטרגנטים פועלים על בסיס אותו עיקרון של הסבון שפיתחו קדמונינו לפני אלפי שנים. אותו דבר נכון כמעט לכל החומרים פעילי השטח שנמצאים בכל חומרי הניקוי של ימינו.

המבנה המולקולרי של החלק הפעיל בסבון | תרשים: אבי סאייג
המבנה המולקולרי של החלק הפעיל בסבון | תרשים: אבי סאייג

מלט ובטון

"נלבישך שלמת בטון ומלט" ("שיר בוקר", נתן אלתרמן)

כך עשו את זה פעם: לפני יותר מאלפיים שנה המציאו הרומאים את המלט, שסיפק שדרוג משמעותי לסיד. בעוד שהסיד זקוק לכמה חודשים להתקשות ולהפוך לאבן בלתי מסיסה, המלט שימש מין "אבן מלאכותית" מהירה, פלאית וחזקה.

מלט הוא אבקה, שכשמרטיבים אותה במים היא מתקשה תוך כמה שעות לאבן קשה וחזקה. כשמערבבים את אבקת המלט עם שברי אבנים וחול, נוצר חומר מרוכב וחזק אף יותר – בטון. החומר הזה אִפשר לרומאים לשדרג בצורה ניכרת את הבניינים שבנו, לבנות מבנים עצומים וליצור משטחים ישרים.

לייצור המלט היו מערבבים סלעי גיר, שמשמשים כזכור לייצור סיד, עם אדמת חרסית שממנה מפיקים חומר, וקולים אותם בתנורים בטמפרטורה גבוהה. השימוש במלט הצטמצם בהדרגה עם שקיעת הקיסרות הרומית והדעיכה שחלה בעקבותיה באיכות המלט המיוצר, עד שבמאה ה-11 איכותו לא אפשרה יותר בנייה והשימוש בו פסק, והתחדש רק בעת החדשה.

הכימיה כפי שאנו מכירים אותה היום: מדובר בתהליך מסובך מאוד. הקלייה בתנורים יוצרת חומר נטול מים המורכב בעיקר מתחמוצות של ברזל, אלומיניום וצורן. כשהאבקה הזאת נרטבת, המים חודרים לתערובת ויוצרים תרכובות בשם הידראטים, שקושרות יחד את כל האטומים בתערובת בקשרים חזקים. כלומר בניגוד לדעה הרווחת הבטון לא צריך להתייבש כדי להתקשות, אלא ההפך: המים הם מה שמקשה את המלט.

בטון ומלט יכולים למעשה להתקשות אפילו בתוך מקווה מים. בשל כך, אף על פי שבטון מתקשה תוך כמה שעות, הוא ממשיך להתחזק במשך תקופה ארוכה כל עוד הוא נשאר רטוב. לכן נהוג לבצע ליציקות בטון פעולה בשם אשפרה, שבמהלכה מרטיבים במים את יציקת הבטון כל כמה שעות, למשך כמה ימים, כדי לשדרג את חוזקו.

הפנתאון ברומא, נבנה בשנת 27 לפני הספירה, נהרס ונבנה מחדש וכיפת הבטון שלו מחזיקה מעמד כבר כמעט אלפיים שנה | צילום: Ovedc, ויקיפדיה
הפנתאון ברומא, נבנה בשנת 27 לפני הספירה, נהרס ונבנה מחדש וכיפת הבטון שלו מחזיקה מעמד כבר כמעט אלפיים שנה | צילום: Ovedc, ויקיפדיה

ומה בימינו: בשנת 1765 החלו בבריטניה מאמצים לשחזר את תהליך הייצור של המלט הרומאי. רק כעבור כמעט 60 שנה נשא המאמץ פירות וב-1824 נרשם לבסוף פטנט על מוצר חדש בשם "צמנט פורטלנד", שיוצר בקלייה של גיר וחרסית בטמפרטורה גבוהה. כיום מייצרים בעולם כמויות אדירות של מלט לבנייה. 

כשאני מסתכל על המבנים הרומיים העתיקים שנבנו לפני אלפיים שנה ועדיין מחזיקים מעמד, ומשווה אותם למבני בטון שנבנו בישראל לפני 60-50 שנה בלבד וכבר מתחילים להתפורר, אני לא יכול שלא לתהות אם באמת הצלחנו לשחזר בדיוק את המלט הרומאי החזק?