חומר: מבנה האטום . הטבלה המחזורית . קשרים כימיים .
כמו
כן מעט חומר על קרינה ופיסיקה.
פרק א'
מבנה האטום
הכרות ראשונית עם
האטום
לוקיפוס
ודמוקריטוס
הרעיון של האטום הובא לראשונה ע"י הפילוסוף היווני לוקיפוס, (חי בסוף
תקופת חורבן בית ראשון, בתקופות האחרונות של התנ"ך) לפיו, אם ניקח חומר כלשהו
ונחלק אותו לשניים ונחזור על אותה פעולה שוב ושוב – לא נוכל להמשיך את הפעולה בלי
סוף, ויהיו קיימים חלקיקים שאינם ניתנים לחלוקה.
לתיאוריה
של לוקיפוס הצטרף דמוקריטוס (460 – 370 לפסה"נ) יליד תראקיה (ארץ ליד
יוון) והיה לתלמידו המובהק,
את
החלקיקים הבילתי ניתנים לחלוקה כינה דמוקריטוס "אטומים" (ביחיד: אטום)
מהמילים היווניות: אַ(בלתי)טוֹם(פריק) כלומר שהם בלתי פריקים ואינם ניתנים לחלוקה נוספת. דמוקריטוס
פיתח את תורת האטומים, ופרסם אותה. אריסטו שגם היה מורו של דמוקריטוס, יצא נגד דעה
זאת.
לפיו
של דמוקריטוס, "היקום מורכב מחלל ריק ומאטומים המתאחדים עם אטומים דומים
ויוצרים את כוכבי הלכת ואת כל הכוכבים האחרים. אטומים אלה נבדלים בצורתם, גודלם
ומשקלם. אין בנמצא כל כוח עליון המכוון את האטומים. כמות החומר שבטבע איננה משתנה.
שום חומר לא נוצר ולא נעלם, אלא רק משנה צורה על ידי שינוי הרכבם של
האטומים." ולפי מה שיודעים כיום, דמוקריטוס לא דייק ממש בדבריו, אמנם חלק
מהדברים שאמר באמת נכונים (אם כי לא ממש מדויקים)
דמוקריטוס
מבנה
האטום
התיאוריה
של דמוקריטוס לא נחלה הצלחה, אף אחד לא שמע עליה, ואלה ששמעו כלל לא האמינו. רק
באיחור של יותר מ2,100 שנים קמו המדענים ונוכחו לדעת שאכן, דמוקריטוס צדק. אכן
העולם כולו מורכב מחלקיקים יסודיים שלא ניתנים לחלוקה נוספת, ועליהם נוסף המון
מידע שלא היה ידוע מימי קדם.
בהתחלה
המדענים הראשונים שחקרו את האטום תיארו אותו כמו כדור קטן מאוד שבלתי אפשרי לשבור
אותו. אולם לאחר מכן גילה המדען ארנסט רתרפורד שהאטום שהתכוונו אליו המדענים
הראשונים, הוא עצמו עשוי מחלקיקים אחרים, קטנים בהרבה.
האטום
בנוי כך, שמרכזו נמצא הגרעין, ורחוק רחוק מן הגרעין (ביחס לעצמו) מסתובבים במהירות
עצומה חלקיקים הקרויים אלקטרונים. הגרעין עצמו בדרך כלל בנוי משני חלקיקים =
פרוטונים ונויטרונים, השונים מהאלקטרונים במיוחד במשקלם.
כל
החומרים שמצויים ביקום בנויים מאטומים, האדמה, הסלעים, המים, האוויר, כל מה שאנו
רואים סביבנו זה רק אטומים, כולל כל הכוכבים ביקום.
הציור מראה (בערך) את מבנה האטום.
האלקטרונים מסתובבים במסלולים קבועים במהירויות עצומות סביב הגרעין. הציור עצמו לא
מדויק, האלקטרונים רחוקים בהרבה מגרעין האטום ממה שנראה בתמונה, בין האלקטרונים
לגרעין יש רק חלל ריק.
גודל האטום. האטום הוא חלקיק מאוד קטן, בשביל להגיע לעשירית המילימטר אנו נצטרך
אורך של מיליון אטומים!! תתאר לעצמך שאתה סופר עד אלף, כל פעם שאתה מגיע עד לאלף,
אתה מסמן *. כדי להגיע למספר האטומים שיעשו אורך של עשירית מילימטר, אתה צריך לסמן
אלף פעמים *. אמנם האטומים מרוחקים אחד מהשני בקצת, לכן באמת בכל אורך של עשירית
המילימטר נזדקק למספר קטן ממיליון.
ומה שלמדנו עד עכשיו מייצג רק את מספר
האטומים שיכנסו באורך אחד, לא נוכל בחיים לתאר לעצמנו כמה אטומים יכנסו בעשירית
המילימטר רבוע אחד, כלומר, נצטרך לקחת כמעט מיליון שכבות של 1,000,000 אטומים.
ומספר האטומים בעשירית מילימטר מעוקב אחד (שזה קטן מפירור אבק) שווה כמעט מיליון
בשלישית, מליון כפול מיליון כפול מיליון
איננו יכולים לתאר את גודלו של האטום, קל
וחומר את גודלם של החלקיקים המרכיבים אותו, שקטנים מנפח האטום עצמו במאה אלף.
האטומים עצמם כאלו קטנים שגם במיקרוסקופים משוכללים ביותר לא ניתן לזהותם (כמעט)
כל החול שיש בשפת ים התיכון של כל ארץ
ישראל הוא כאפס אפסים לעומת מספר האטומים שבגרגיר אבק!!! וכשאנו מדברים על אטום, עלינו לזכור שהעסק לא
פשוט בכלל, איננו יכולים להבין כלום על גודלו הקטן של האטום.
מהירות האלקטרונים. האלקטרונים מסתובבים סביב האטום
במהירויות עצומות הקרובות למהירות האור (מהירות האור = כמעט 300 אלף קילומטר
בשנייה). אלקטרון אחד יכול להשלים במאייה אחת כמעט 100 מיליון סיבובים, שזה גם כן
דבר שלא יכול להיתפס ע"י מוחנו הדל. אם ינתן לנו להביט באטום, הרי שלא נראה
את הגרעין ואת האלקטרונים, מה שנראה הוא כדור אחד. מדוע? משום שהאלקטרונים
מסתובבים כל כך מהר, שהם יוצרים כביכול קליפה, כי מרוב המהירות שלהם הם פשוט
נמצאים בכל המקומות! באלפית השנייה הם כבר הספיקו לבקר בכל המקומות האפשריים
באטום.
פרוטונים
ואלקטרונים
מטען חשמלי: קיימים שני סוגים של כוחות בעולם,
הנקראים (+) ו(-) ובעברית נקראים בשם כללי "מטען חשמלי". מינוס ופלוס
תמיד ימשכו אחד לשני, וכששני פלוסים יתקרבו, הם ידחפו אחד מהשני, וגם כששני
מינוסים יתקרבו הם ידחפו אחד מהשני. הפרוטון בנוי ממטען חשמלי של (+) והאלקטרון
בנוי ממטען חשמלי של (–). המטען של האלקטרון שווה בדיוק למטען הפרוטון.
(הנויטרון הוא חסר מטען חשמלי לחלוטין)
שדה חשמלי שדה חשמלי זה כל המקום שבו תימצא המשיכה
למטען חשמלי. קוטר הפרוטון הוא בערך 2 פמטו-מטר* אבל אלקטרון יתחיל להימשך לפרוטון
גם כשיהיה מרוחק ממנו 3 אנגסטרום**, שאורך זה גדול פי 300 אלף מגודל הפרוטון עצמו,
כלומר השדה החשמלי של הפרוטון (וגם של האלקטרון) מגיע למרחקים עצומים יחסית לגודלו
(אבל קטנים במידה שלא תתואר ביחס אלינו)
*(פמטומטר =
מיליונית מיליארדרית המטר)
**(אנגסטרום = עשירית מיליארדרית המטר)
המסה שלהם: (אפשר לקרא למסה גם משקל, למרות שזה לא
מדויק) האלקטרונים כמעט ולא שוקלים, המסה שלהם קטנה בהרבה ממסת הפרוטונים. 1836.1
אלקטרונים יהיו שווים מסה אחת של פרוטון. הנויטרון כבד במעט מהפרוטון (בשניים וחצי
אלקטרונים)
כמובן, משום שלאלקטרונים יש מטען חשמלי (-)
ולפרוטון (+) האלקטרון קשור ונמשך לגרעין חזק, כדי לנתק אותו מהגרעין צריך אנרגיה
גדולה הנקראת "אנרגיית ינון"
יוֹנִים בגלל שמטען הפרוטון שווה למטען האלקטרון,
אטומים שלהם מספר הפרוטונים שווה למספר האלקטרונים הם ניטרליים, הם לא יוצרים
מסביבם שום שדה חשמלי. (מטען הפרוטון 1+, ועוד מטען האלקטרון, 1- = 0). ואטום שלו
מספר האלקטרונים והפרוטונים שונה נקרא "יוֹן", אטום שלו מספר הפרוטונים
גבוה ממספר האלקטרונים, יוצר שדה חשמלי חזק של (+), ולכן נקרא יון חיובי, ואטום
שלו מספר האלקטרונים גבוה ממספר הפרוטונים יוצר שדה חשמלי חזק מהרגיל של (-) ולכן
נקרא יון שלילי.
אם אלקטרון חופשי מתקרב ליון חיובי שניהם
נמשכים אחד לשני, והאלקטרון נבלע מייד באטום, וכך היון הופך מייד לאטום רגיל. יון
שלו יש שני פרוטונים יותר מהאלקטרונים, ימשוך אליו בעוצמה עוד שני אלקטרונים, לכן
נקרא יון 2+, שהוא יוצר שדה חשמלי של 2 פרוטונים. תהליך העברת אלקטרונים מיון
שלילי ליון חיובי קורא בעננים (ואז יוצא ברק), וגם בחשמל הסטטי שאנו מכירים.
הכוח הגרעיני
החזק
-
אם כך, מדוע הפרוטונים אינם מתרחקים זה מזה בגרעין, אלא קרובים ממש? הרי לשניהם יש
מטען (+) והם אמורים להתרחק אחד מן השני!
- לכל פרוטון או נויטרון יש גם כוח אחר,
המושך אליו פרוטונים ונויטרונים אחרים. הכוח הזה קרוי "הכוח הגרעיני
החזק" אמנם, הטווח של הכוח הגרעיני החזק הוא מאוד קצר, לעומת הטווח השדה
החשמלי של הפרוטון, כדי שפרוטון ימשך לפרוטון אחר, הוא חייב להגיע אליו קרוב מאוד,
ממש לגעת בו, ואז כששני הפרוטונים יתקרבו אחד לשני ממש, הם ימשכו אחד לשני הרבה
יותר חזק מאשר הדחייה שלהם.
סוגי אטומים
עלינו לדעת שמי שקובע את סוג החומר הוא
הפרוטון, הנויטרון לא משפיע (כמעט) על החומר. לכן החומר נקבע רק ע"י מספר
הפרוטונים, מספר הפרוטונים בגרעין נקרא גם מספר כימי. המספר הכימי של זהב לדוגמא
הוא 79. כולנו יודעים שזהב הוא מעט גמיש, וצבעו צהוב בוהק. עכשיו, גם אם לאטום זהב
יהיה 50 נויטרונים וגם אם יהיה לו 100 נויטרונים, כלום לא ישתנה בו (כמעט), הוא
עדיין יהיה צהוב בוהק ומעט גמיש, ועדיין הוא יקרא "זהב" לכן מחלקים את
היסודות לפי מספר כימי, ולא לפי מספר הנויטרונים.
על מה הנויטרונים כן משפיעים? עם זאת, מספר הנויטרונים יכול גם
להשפיע מעט על החומר, מספר הנויטרונים יכול לשנות (אמנם במעט) את נקודת ההתכה
ונקודת הרתיחה של החומר, וכמו כן לשנות את משקל וצפיפות החומר, וזה אחד הדברים
החשובים ביותר שהוא יכול לשנות. גרעין אטום שלו יש מספר נויטרונים שהוא גדול ממספר
הפרוטונים נקרא "אִיזוֹטוֹפּ" חומרים שהם איזוטופים הם לא יציבים, כלומר
לאחר זמן מסוים האטומים שלהם יתפרקו לאטומים יותר קטנים ו\או ישחררו את הנויטרונים
המיותרים.
איזוטופים של מימן הרוב המוחלט של המימן המצוי בארץ
ובעצם בכל היקום הוא מימן שהגרעין שלו מורכב אך ורק מפרוטון אחד (הגרעין של רוב
אטומי המימן הוא חַסָר נויטרון). אמנם בכדור הארץ גם מצויים מעט אטומי מימן שלהם
הגרעין מורכב מפרוטון ונויטרון, מימן כזה נקרא גם "דאוטריום" או
"מימן כבד". מכל בערך 6,400 אטומי מימן ימצא אחד של דאוטריום.
בכדור הארץ גם מצוי גם מעט מימן שהגרעין שלו
מורכב מפרוטון ושני נויטרונים, מימן כזה נקרא "טריטיום" הטריטיום הוא
איזוטופ רדיואקטיבי, וזמן מחצית החיים שלו הוא 12.26 שנים (זמן מחצית חיים = הזמן
שדרוש לחצי מכמות החומר להתפרק) ההתפרקות של טריטיום משחררת נויטרון, וכך נהפך
הטריטיום לדאוטריום (הטריטיום מצוי מעט בכדור הארץ, מכל 10 בחזקת 15 אטומי מימן
[שזה מספר "מטורף"] ימצא אחד של טריטיום) דאוטריום ומימן רגיל הם כמובן
יציבים לחלוטין.
מה המספר הכימי הכי גדול שיש? כל האטומים שמספרם הכימי גבוה מ92
הם לא יציבים (גם אם אינם איזוטופים) בגלל שכוח הדחייה שלהם, גובר על הכוח הגרעיני
החזק.
עם
זאת, מצליחים לייצר אטומים שמספרם הכימי הוא מעל 92. אבל הם לא שורדים יותר מכמה
ימים. האטום שלו המספר הכימי הגבוה ביותר הוא אטום אונונאוקטיום (מספר כימי 118)
והוא שורד רק לכמה מיליוניות השנייה.
שאלות
חלק א'
א.
מה פירוש המילה "אטום" ביוונית?
ב.
מי הראשון שידוע שהאמין שהעולם מורכב
מחלקיקי יסוד?
ג.
מהי ה"אסכולה האטו-מיסטית"
ובאיזה תקופה הייתה, מי היה הראש שבה?
ד.
כמה זמן אחרי האסכולה האטו-מיסטית נוכחו
לדעת שהיא צדקה בדבר האטומים?
ה.
איך תיארו המדענים הראשונים את האטום?
ו.
מה גילה ארנסט רתרפורד על החלקיק שחשבו
שהוא "אטום"
ז.
האטום בנוי מ3 חלקיקים עיקריים, כתוב על כל
אחד מה מתפקד באטום.
ח.
כמה אטומים צפופים (בערך) נזדקק כדי להגיע
לאורך של עשירית המילימטר, עשירית מילימטר רבוע, ועשירית מילימטר מעוקב
ט.
הסבר מהם מטעני (+) ו(-)!
י.
במה שונים הנויטרונים מהפרוטונים
והאלקטרונים?
יא.
כמה מסות אלקטרונים יהיו שווים פרוטון אחד?
יב.
בכמה כבד הנויטרון מהפרוטון?
יג.
הסבר מה זה יונים!
יד.
לאטום אחד יש 78 פרוטונים ו75 אלקטרונים.
איזה יון יהיה?
טו.
לאטום אחד יש 79 פרוטונים ו80 אלקטרונים.
איזה יון יהיה?
טז.
כמה אלקטרונים יהיו ליון שלילי 3- של אטום
נחושת? (מספר כימי 29)
יז.
כמה אלקטרונים יהיו ליון חיובי 2+ של אטום
זהב (מספר כימי 79)
יח.
חשוב לבד, מה יקרא כשיון שלילי וחיובי
יתקרבו אחד לשני?
יט.
מה מחזיק את הפרוטונים בגרעין?
כ.
איזה משיכה חזקה יותר, המשיכה הגרעינית או
הדחייה החשמלית?
כא. איזה משיכה מגיעה
יותר רחוק – המשיכה הגרעינית או הדחייה החשמלית?
כב. מי הוא החלקיק
שקובע בעיקר את סוג החומר?
כג.
על מה הנויטרונים יכולים להשפיע?
כד.
מה זה איזוטופ?
כה. מה זה דאוטריום
וטריטיום?
כו.
מהו זמן מחצית החיים?
כז.
מה זמן מחצית החיים של המימן הרגיל?
כח. מה זמן מחצית החיים
של הדאוטריום?
כט. מה זמן מחצית
החיים של הטריטיום?
פרק ב'
רמות אנרגיה
והטבלה המחזורית
מהם רמות
האנרגיה?
מבנה המסלולים
את
המסלולים (רמות אנרגיה המחולקות לאורביטלות) של האטומים גילה המדען היהודי נילס
הנריק בוהר, שגילה וניסח את רמות האנרגיה והמסלולים באטומים.
לפי
"מודל האטום של בוהר" לכל אטום יש כמה וכמה אפשרויות של "רמות
אנרגיה". רמת האנרגיה מתארת את המרחק של האלקטרונים מהגרעין. ובכל רמת אנרגיה
יש כמה מסלולים תלת-ממדיים אפשריים, ובכל מסלול (הנקרא אורביטל) יכולים להימצא עד
שני אלקטרונים, ולכל אלקטרון ספין שונה של 2\1 (א). אמנם, בכל רמת
אנרגיה האורביטל הראשון שיתחיל הוא יהיה בצורת כדור (אורביטלת S), וכל
המסלולים הבאים ברמת האנרגיה יהיו אחרים בצורתם. לכן לכל רמת אנרגיה יש 2 סוגים של מסלולים, מסלול אחד קבוע שיהיה תמיד כדור (אורביטלת S) ועוד מסלול
אחר המאופיין לכל רמת אנרגיה, והוא יכול להתקיים כמה וכמה פעמים.
(א) ספין הוא נושא דיי מסובך שלא
ניכנס אליו, אולם כל חלקיק תת-אטומי מסתובב סביב עצמו, לספין-חצי יש שני סוגים,
2\1+ ו2\1-. ספין 2\1+ זה שהחלקיק מסתובב סביב עצמו מלמטה למעלה, וספין 2\1- זה
שחלקיק מסתובב סביב עצמו מלמעלה למטה. לפרוטון יש ספין 2\1+, ובאורביטל אחד קיימים
שני אלקטרונים, ולכל אחד ספין שונה של חצי.
רמת
האנרגיה הראשונה (N =
1) ברמת
האנרגיה הראשונה קיים רק אורביטל אחד. המבנה שלו הוא בצורת כדור, כלומר במסלול
הראשון האלקטרונים מסתובבים סביב הגרעין בצורה מעגלית מושלמת. המרחק של המסלול
הזה לאטום מימן הוא כחצי אנגסטרום בערך. רמת
האנרגיה השנייה (N = 2) ברמת האנרגיה השנייה קיימים כמה מסלולים.
המסלול הראשון ברמת האנרגיה הוא גם בצורת כדור, קליפה שנייה של אלקטרונים.
האורביטל הזה רחוק מעט מn = 1.
המסלולים האחרים הם כמו שני בלונים אחד על יד השני, צורה שמזכירה את הספרה 8
(אורביטלת P).
האורביטל הזה יכול להתקיים שלושה פעמים, ובאטומים גדולים אף יותר. רמת
האנרגיה השלישית (N =
3) המסלול
הראשון הוא בצורת עיגול (S),
ושאר המסלולים, כל מסלול הוא בצורת שני אורביטלי P.
אנרגיית ינון ואנרגיה מעוררת
אנרגיית
ינון אנרגיית ינון כפי שכבר
למדנו היא האנרגיה הזקוקה להוציא אלקטרון מאטום מסוים. לכל אטום האנרגיה הזקוקה לכך
היא שונה. וזאת משום שכדי שהאלקטרון יצא מהאטום הוא צריך לצאת כמעט לגמרי מהטווח
החשמלי של הגרעין. ולכן, אלקטרונים שהם רחוקים מהגרעין, קשורים אליו פחות חלש,
ויכולים לצאת מהטווח החשמלי שלו בקלות, ואנרגיית הינון שלהם תהיה קטנה. וההפך, כלל
שהאטום קטן יותר אנרגיית הינון שלו גבוהה יותר, משום שצריך להרחיק את האלקטרון
מהגרעין הרבה מאוד כדי שיצא לגמרי מהטווח החשמלי.
אנרגיה
מעוררת כשנביא אנרגיה שהיא
פחותה מאנרגיית ינון לאטום מסוים, האלקטרונים שלו במקום לצאת לגמרי מהאטום, פשוט
יקפצו רמת אנרגיה (אמנם שם לא ישארו הרבה זמן, מהר מאוד יחזרו לרמת האנרגיה
הקודמת, ויוציאו את האנרגיה שלקחו מקודם בחלקיק אור [פוטון], דרך אגב, התהליך הזה
קורא לחומר שמתחמם, וזאת הסיבה שכשמחממים חומר לטמפרטורות גבוהות הוא מתחיל להאיר)
הטבלה המחזורית
נוהגים לחלק
את כל האטומים לטבלה מיוחדת הנקראת "הטבלה המחזורית" הטבלה הזאת מחלקת
את כל האטומים לפי מספר כימי. הטבלה מתחלקת בעיקר למחזור וקבוצה. מחזור הוא רמות
האנרגיה. והקבוצות מסמנות בעיקר את מספר האלקטרונים שמהווים \ חסרים לרמת האנרגיה
האחרונה של האטום. כך לדוגמא, לכל האטומים בקבוצת 1 (מלבד המימן) חסרים 7
אלקטרונים ברמת האנרגיה האחרונה שלהם, ולכל האטומים בקבוצה 18 לא חסר כלל אלקטרון
ברמת האנרגיה האחרונה שלו.
פרק ב'
א.
כמה אלקטרונים יכולים להימצא באורביטל?
ב.
כמה אורביטלי S קיימים
בסכ"ה לאטום ברמת אנרגיה 4?
ג.
כמה אורביטלים יכולים להיות ברמת האנרגיה N = 1?
ד.
כמה אורביטלים יתקיימו לאטום שיש לו 12
אלקטרונים?
ה.
איזה רמות אנרגיה יתקיימו לאטום שיש לו 12
אלקטרונים? וכמה אורביטלים ואלקטרונים יכנסו לכל רמת אנרגיה?
ו.
כמה אורביטלי P יהיה לאטום
שיש לו 8 אלקטרונים?
ז.
כמה אורביטלים יתקיימו לאטום שיש לו 9
אלקטרונים?
ח.
כמה אורביטלים יתקיימו לאטום שיש לו 15
אלקטרונים?
ט.
כמה אורביטלי P יהיה לאטום
שיש לו 9 אלקטרונים?
י.
מהי אנרגיית ינון?
יא.
מדוע אנרגיית ינון שונה לאטומים שונים?
יב.
ככל שהאטום גדול יותר, כך האנרגיה הזקוקה להוציא
את האלקטרונים החיצוניים שלו (קטנה \ גדולה) יותר
יג.
מהי אנרגיה מעוררת?
יד.
מהו מחזור?
טו.
מהי הקבוצה?
טז.
איזה אטום הוא ממחזור 1 ומקבוצה 18?
יז.
באיזה מחזור ובאיזה קבוצה אטום חמצן?
יח.
באיזה מחזור ובאיזה קבוצה אטום חנקן?
יט.
באיזה מחזור ובאיזה קבוצה אטום פחמן?
כ.
מהם הגזים האצילים?
קשרים כימיים
מולקולות
מה זה בכלל מולקולה?!
בטבלת
היסודות יש רק 92 אטומים יציבים. אז מדוע אנו רואים סביבנו מאות חומרים?! ובכלל כל
החומרים האפשריים הם אין-סופיים!!! והרי למדנו שקיימים רק 92 אטומים!
התשובה
היא, שהאטומים עצמם יכולים "להתערבב" אחד עם השני, וליצור צירופים של
חומרים. ובאמת הרוב המוחלט של החומרים בכדור הארץ הוא לא בנוי מאטומים בודדים, אלא
מכמה אטומים שהתאחדו לחלקיק יותר גדול הקרוי: "מולקולה".
דוגמא: אין כזה דבר "אטום מים" שהמים עצמם מורכבים משלושה אטומים
ביחד, שני אטומי מימן ואטום אחד של חמצן שנהפכו למולקולה אחת של מים. מלח, הוא
מולקולה של נתרן (NA) שהתאחדה עם מולקולה של כלור (CI) ולכן סימון
מולקולת מלח היא NACI, ואין כזה דבר, "אטום מלח". ולכן הרוב המוחלט של
החומרים שאנו רואים סביבנו בנוי מצירופים של כמה מולקולות. לדוגמא, רק מן האטומים H N C O, מצויים
בכדור הארץ עשרות מיליארדי מולקולות.
איך המולקולה נוצרת ומה מאפיין
אותה?
כפי
שכבר למדנו, לאטום קיימים 7 רמות אנרגיה אפשריות שרובם מכילים ארבעה או יותר
מסלולים.
עכשיו ניקח לדוגמא את אטום המימן
(בתמונה מימין)
כזכור
ברמת האנרגיה N1
יכולים להימצא שני אלקטרונים. ועכשיו, רמת האנרגיה של האטום לא
מלאה. יש לה עוד מקום לעוד אלקטרון. לכן, במקרה של הִפָּגשוּת שני אטומי מימן אחד
עם השני מספיק קרוב, השדה החשמלי של הפרוטונים יתאחד, ואז המשיכה של האלקטרון
לפרוטון של האטום השכן תהיה שווה למשיכה לפרוטון שלו, דבר הגורם לכך ששני
האלקטרונים יתחילו להסתובב סביב שני גרעינים. כך בנויה מולקולת המימן, שני
אלקטרונים שמסתובבים סביב שני גרעיני אטומי H(שני פרוטונים).
אם
עד עכשיו חשבתם כי המימן בנוי רק מאטום אחד – נכונה לכם הפתעה!!! כל המימן שמצוי
ביקום בנוי כמולקולה אחת של שני אטומי מימן. רוב החומרים בכדור הארץ בנויים
ממולקולות, דהיינו כמה אטומים שיתקרבו אחד לשני, והמשיכה לגרעין שלהם השתוותה
למשיכה לגרעין השכן.
גזים אצילים ולפי מה שלמדנו, אם ניקח לדוגמא את אטום HE (הליום) הרי
כבר כל רמת האנרגיה שלו מלאה באלקטרונים!!! ולכן הוא לא יוכל ליצור קשר כימי עם
שום אטום אחר. לכל אטום, שלו כל רמת האנרגיה מלאה קוראים: "גז אציל"
והוא אינו יכול להתאחד עם
אטומים
אחרים, ולכן אין שום מולקולה שמכילה גזים אצילים! (למעט מעט מולקולות לא יציבות
שנוצרות באופן מלאכותי)
קשרים כימיים עם חמצן הקשרים עם חמצן מצויים מאוד בכדור
הארץ, אש למשל. הדוגמא המצויה ביותר היא עץ, כשמחממים אותו הוא מגיב עם
אטומי חמצן, דהיינו, נהיה קשר כימי בין אטום O לאטומי העץ,
וכידוע כשיש קשר כימי יוצאת אנרגיה, ושם היא יוצאת בצורת אש (שזה אוויר לוהט
שמשחרר אור) רוב החומרים הדליקים, דליקים משום שמכילים אטומים שמגיבים טוב עם
אטומי O. אפילו ברזל (מספר כימי 26) הוא דליק, אבל מאוד קצת, והתגובות שלו
מתרחשות מאוד לאט. כשנוצר קשר בין הברזל לחמצן נהיה חלודה. הדברים הכי ידועים שהם
דליקים הם חומרים המכילים את אטומי CH2, שהם "מומחים" בלהגיב עם
חמצן.
קשרים כימיים לדוגמא נוהגים לצייר את הקשרים הכימיים כמו קווים בין אטום לאטום,
כשיש שני קווים הכוונה שהאטום מקושר לאטום אחר בשני אלקטרונים. דהיינו, תרמו לקשר
הכימי שלו 2 אלקטרונים. כלומר, ניקח לדוגמא את אטום H, שבו חסר
אלקטרון אחד ברמת האנרגיה האחרונה שלו ולכן יכול ליצור קשר אחד, לחמצן חסר 2
אלקטרונים ברמת האנרגיה האחרונה שלו, ולכן יכול ליצור 2 קשרים, ולחנקן חסרים 3
ולכן יכול ליצור 3, ולפחמן חסר 4 ולכן יכול ליצור 4 וכו'. לפניך מספר דוגמאות
(עמוד הבא):
|
שם המולקולה: |
הרכב: |
|
||
|
מים |
H2 0 |
|
||
|
פחמן דו-חמצני |
C O2 |
|
||
|
אמוניה |
|
|
||
|
מימן |
H2 |
|
||
|
חמצן |
O2 |
|
||
|
גז צחוק |
N2 O |
|
מים כבדים מים כבדים הם מים שבמקום אטומי מימן
אצליהם נמצאים אטומי דאוטריום. בגלל שהנויטרונים לא משנים כמעט כלום, כמעט ולא
ניתן להבחין בין מים כבדים למים רגילים.
קשרים כפולים כמו כן, כששני מולקולות מסוימות
נפגשות יכול לצאת כמה וכמה קשרים כימיים בו-זמנית. לדוגמא, כשמוספים את מולקולת CI H למולקולת NA O H, נוצרים שני
קשרים כימיים בו-זמנית, ונהיה מולקולת H2O (מים) ומולקולת NACI (מלח) תהליך
זה קורא, משום שאטום H
במולקולת CIH (CI הירוק וH הצהוב) נמשך
אל אטום O
חזק יותר ממה שנמשך אל אטום CI, לכן הוא קופץ
מאטום לאטום, וכמו כן אטום NA במולקולת NA O H נמשך חזק
יותר לאטום CI מאשר לאטום O, וגם הוא קופץ לאטום NA. וכך נוצר
מים ומלח.
קשר מימני חלש
הקדמה כפי שכבר למדנו בחוברת 1, החלקיקים של
החומרים במצבי הצבירה נוזל ומוצק נמשכים אחד לשני, וכך יוצרים "קרום" סביב
לנוזל. עכשיו נלמד מה הם בדיוק המשיכה שבין החלקיקים.
ניקח לדוגמא את מולקולת המים, שהנוסחא שלה
זה H2O. וכך מבנה האורביטל המולקולארי של מולקולת מים:
מולקולת מים, H O H. המרחק מאטום O לענן האלקטרונים זה בערך 1.4 אנגסטרום. והמרחק מאטום H לענן האלקטרונים הוא בערך 1.2 אנגסטרום. אטומי
H מוסחים מאטום O
בזווית של 104.45 מעלות. אטומי H
מרוחקים מאטום O0.9584
אנגסטרום.
מהו
הקשר החלש? מכיוון שאת רוב השדה החשמלי
(80%) של (+) מייצר אטום O, האלקטרונים נמשכים יותר לאטום O מאשר לאטומי
H, ולכן רוב הזמן (לפי הסבירות) האלקטרונים נמצאים אצל אטום O, מסביב
לאטומי H
רק לפעמים מסתובבים אלקטרונים. לכן הדבר יוצר שמסביב לאטום O יהיה שדה
חשמלי של (-) בגלל האלקטרונים, ומסביב לאטומי H יהיה שדה
חשמלי (+) בגלל הפרוטונים. השדה שיוצרים האלקטרונים סביב אטומי H הם שווים
בממוצע ל3.3 חלקי עשר מיליארד משדה חשמלי של אלקטרון נורמאלי. לכן שדה חשמלי של
(+) סביב אטומי H הוא גדול מאוד, בממוצע 99.999999967% משדה חשמלי של פרוטון רגיל.
ולכן אפשר לומר שאטום O הוא יון חיובי 2- (כמעט) ואטומי H הם בעצם
יונים של 1+ (גם כמעט)
לכן כשמולקולת מים תתקרב עם הפינה של אטום O (שבו יש
מטען שלילי) לפינה של מולקולה אחרת לאטום H (שבו יש מטען חיובי) אז שניהם
כמובן ימשכו אחד לשני!
(וזה המשיכה שאותה למדנו בחוברת הקודמת)
ולפי הציור (מימין) אנו רואים שבקרח לכל
מולקולת מים יש 4 מולקולות שכנות הנמשכות עליה. לכל מולקולת מים 2 אטומי H שלה נמשכים
ל2 אטומי O של שני מולקולות שכנות. ואטום O של המולקולה
נמשך לשני אטומי H של שני מולקולות שכנות אחרות (סכ"ה כל מולקולה מושכת 4
מולקולות) קשרים אלו, משום שאינם קשרים כימיים ממש, ולא הופכים עדיין את ארבעת
המולקולות למולקולה אחת, הם מסוג ה"קשרים החלשים" וכל קשר חלש שבו אטום
מימן משתתף נקרא "קשר מימני".
המשיכות האלו קיימות בקרח. אמנם גם במים הם
קיימים, במים כל הזמן החלקיקים נמשכים אחד לשני, אבל מפני שבמים החלקיקים רצים
ומתפשטים לכל הכיוונים, הזמן ש4 מולקולות נלכדות אחת בשנייה מאוד קצר, (בד"כ
בין עשירית מיליארדרית השנייה לבין מאית מיליארדרית השנייה)
המשיכה אצל מולקולות המים אחד לשנייה חזקה
מאוד, דבר הגורם לכך שהיא נהפכת לגז (שבו המולקולות אינם נמשכות אחת לשנייה)
בטמפרטורות מאוד גבוהות, (לא כפי שנהוג לחשוב שמים נהפכים לגז ב100 מעלות צלסיוס.
אז המים הופכים רק לאדים, שבנויים מהרבה טיפות קטנות. כדי שמים יהפכו לגז ממש צריך
טמפרטורה של בערך 600 מעלות צלסיוס)
קשרים חלשים שנהפכים לקשרים חזקים בזמן שהמשיכה של אטום H לאטום O גוברת מן
הראוי (שזה קורה לעיתים קרובות) אטום H קופץ מהמולקולה הראשונה
למולקולה של שכנתו, אבל כמובן רק הפרוטון בלי האלקטרון, דבר הגורם ליצירת שני
יונים של מולקולת
(+H3 O), ו(-OH) היון של (+H3 O) אינו יציב
כלל, מהר מאוד הוא מקפיץ אטום H אחר למולקולה אחרת, וגם היא נהית יון של
(+H3 O) והיא עושה את אותה פעולה למולקולה השכנה, וחוזר חלילה...
נחזור ליון (-OH) שממנו הכול
התחיל. גם אליו נמשך מהר אטום H ממולקולה שכנה, דבר היוצר עוד שרשרת...
דבר שדומה לשרשרת של דומינו-ראלי שמתחילים אותה מהאמצע.
הציור כאן מראה 3 מולקולות מים. המולקולה האמצעית איבדה
פרוטון והעבירה אותו למולקולה שתחתיה. המולקולה שתחתיה נהפכת ליון חיובי ולא
יציב של (+H3 O)