קשר מתכתי - מדובר בקשר בו האטום המתכתי מוותר על האלקטרונים בקליפתו החיצונית, כך שהאלקטרונים ימצאו במצב של ענן אלקטרונים חופשיים בתוך החומר. מדובר במבנה סריגי, בו האטומים מסודרים בסידור מחזורי.

מתכות נוטות להסתדר במבנה גבישי באחד משלושת תאי היחידה האופייניים: BCC, FCC  ו- HCP. על המבנים הללו ניתן לקרוא בהרחבה בפרק הדן בתחום הקריסטלוגרפיה.

 

 

 

   

ברזל (Fe) הינו בעל מבנה סריגי הקרוי BCC בטמפרטורת החדר.  האלומיניום (Al)  והנחושת (Cu) הינם בעלי מבנה הקרוי FCC בטואילו המגנזיום (Mg) והטיטניום (Ti)  הינם בעלי מבנה הקרוי HCP. על שלושת תאי היחידה הללו ועל המבנה הגבישי נדבר בהרחבה בפרק שיעסוק בקריסטלוגרפיה. המבנה המסודר של אטומי המתכת שמסביבם נעים בחופשיות האלקטרונים הוא האחראי על התכונות המתכתיות כגון: חוזק, ברק, מוליכות חשמלית ותרמית גבוהות, וכן אקטיביות כימית. מדובר על קשר חלש יותר מהקשרים היוניים והקוולנטיים, אך עדיין מדובר על קשר חזק בין האטומים.

 

תכונות החומר עבור קשרים מתכתיים: א. הולכת חום וחשמל טובות, ב. פעילות כימית (לדוגמה רגישות לקורוזיה),

ג. החזר אור – ברק. תכונות נוספות: משיכות, קלות לעיבוד, חסינות טובה לשבר, אטימות לאור. 

דוגמאות לחומרים בעלי קשרים מתכתיים: מתכות (יסודות מתכתיים), סגסוגות (נקראות גם נתכים), לדוגמה, הפלדה היא נתך של ברזל עם ריכוזים נמוכים של פחמן, הפליז והברונזה הם נתכי נחושת.  תרכובות בין מתכות

(Ni₃Al, Ti₃Al), וחומרים מתכתיים בעלי מבנה אמורפי דמוי זכוכית, המזכיר מבחינת האטומים מבנה של חומר נוזלי.

 

קשר ון-דר-וולס - מדובר על קשר חלש, האופייני למולקולות ניטרליות מבחינה חשמלית. קשר משני הנגרם כתוצאה מאי-סימטריה של מסלולי האלקטרונים בקליפה החיצונית. הקשר נוצר כאשר ישנה התפלגות זמנית ואקראית של אלקטרונים במולקולה.  התוצאה היא דיפול זמני על המולקולה. מדובר בכוחות מאוד חלשים, אך חזקים דיים על-מנת להחזיק את המולקולות יחדיו.  כוחות ואi-דר-וולס נחשבים לחלשים (מדובר בקשרים משניים) בהשוואה לקשרים יוניים, קוולנטיים ומתכתיים, ותנועה תרמית אקראית סביב טמפרטורת החדר יכולה להתגבר על הכוחות הללו ולפרקם. הכוחות הללו מתקיימים רק כאשר מולקולות עם דיפולים נגדיים מתקרבות זו לזו.   

 

Atomic fly by

http://www.youtube.com/watch?v=QATa1evuSec

 

Quarks: Inside the Atom

http://www.youtube.com/watch?v=SMgi2j9Ks9k

http://www.ill.fr/sites/3D-crystals/index.html

http://web.jjay.cuny.edu/~acarpi/NSC/3-atoms.htm

http://www.visionlearning.com/library/module_viewer.php?mid=55

 

 

התיאוריה הראשונה בדבר קיומם של אטומים הוצגה לראשונה על-ידי הפילוסוף היווני דמוקריטוס, שסבר כי כל החומרים בעולמינו בנויים מחלקיקים שאינם ניתנים לחלוקה, אותם כינה אטומים. הדעה של דמוקריטוס לא הייתה השלטת ביוון העתיקה.  הדעה המקובלת באותה התקופה הייתה כי קיימים ארבע יסודות: אש, מים, אדמה, ואויר.

 

האטום התגלה רק קרוב לאלפיים שנה אחר-כך, בעת החדשה.  תחילה סברו שהאטום הוא חלקיק אלמנטרי, כלומר הוא אינו בנוי מחלקיקים קטנים ממנו. מאוחר יותר התברר שהאטום עצמו בנוי מגרעין המכיל פרוטונים וניוטרונים, ואשר סביבו נעים האלקטרונים. על פי המודל המקובל כיום, המבוסס על תורת הקוונטים, לא ניתן לייחס לאלקטרון מיקום ומסלול מדויקים.

 

בשנת 1808 הציע ג'ון דלתון מודל שטען כי החומר בנוי מיחידות מסה קבועות שאינן ניתנות לחלוקה (בדומה לדעתו של הפילוסוף היווני הקדום דמוקריטס), ובכך הגדיר למעשה לראשונה את המונח יסוד. דלתון התייחס אל האטומים כאל כדורים קשיחים שאינם ניתנים לחלוקה.

 

 

בשנת 1909, בעקבות ניסוי רתרפורד, פינה המודל של תומפסון את מקומו לטובת המודל הפלנטרי. על פי מודל זה, מרוכז מטענו החשמלי החיובי של האטום במרכזו, המכונה גרעין, אשר מסביבו נעים להם האלקטרונים בעלי המטען החשמלי השלילי. לפי מודל זה, רובו של האטום הוא חלל ריק. הפרוטונים התלגו מאוחר יותר בשנת 1919, ואילו הנייטרונים התגלו  רק בשנת 1932. בשנת 1964 התגלה כי הפרוטונים וניוטרונים מורכבים מחלקיקים קטנים עוד יותר (חלקיקים אלמנטרים) המכונים קוורקים. 

כאמור, האטום מורכב מחלקיקים קטנים ממנו. במרכזו של כל אטום נמצא גרעין, המורכב מכדורים קטנים, הנקראים פרוטונים ונויטרונים. סביב הגרעין נעים להם בתנועה מתמדת חלקיקים זעירים עוד יותר, הנקראים אלקטרונים.  עקב תנועתם הבלתי פוסקת של האלקטרונים, לא ניתן לייחס לאלקטרון מיקום ומסלול מדויקים. לכן מקובל להתיחס לאלקטרנים זעירים אילו הן כבעלי תכונות של חלקיקים והן כבעלי תכונות של גלים.

 

האטום וקשרים בין-אטומיים

 

 

האלקטרונים יכולים להימצא סביב האטום אך ורק ברמות אנרגיה מסוימות. אטומי היסודות היחידים הנמצאים במצב אלקטרוני יציב מבחינה אנרגטית קרויים גזים אצילים. לכל אטום שאינו במצב של גז אציל ישנה שאיפה להגיע למצב כזה מבחינת סידור האלקטרונים סביב הגרעין, זאת באמצעות מסירה או קבלה של אלקטרונים. שאיפתו של האטום להגיע למצב יציב משפיעה על סוג הקשרים אותם הוא נוטה ליצור עם אטומים אחרים הנמצאים בסביבתו: קשר מתכתי, יוני, קוולנטי, ואן-דר-וולס ומימן.

 

הקשרים הבין-אטומיים (יוני, קוולנטי, מתכתי, ואן-דר-וולס ומימן) משפיעים על מבנה החומר ברמת המיקרו (המיקרו-מבנה), דבר המשפיע על תכונות החומר ברמת המאקרו, דבר המשפיע על השיקולים בבחירת החומרים לשימושים השונים.  תכונות כגון: חוזק, ברק, קשיות, פריכות, טמפרטורת היתוך (טמפרטורת מעבר ממוצק לנוזל), ועמידות סביבתית בקורוזיה, כולן קשורות במיקרו-מבנה של החומר, כלומר, מה שקורה בחומר ברמה האטומית, הקשרים הבין-אטומיים, אופן סידור החומר ברמה המחזורית של האטומים (קריסטלוגרפיה), ואילו סוגי פגמים קיימים בחומר. לדוגמה, חומרים קרמיים הינם בעלי טמפרטורת היתוך גבוהה, מאחר ומדובר בקשרים יונים-קוולנטים מעורבים, שהינם קשרים חזקים.  לכן,  לתחמוצת המגנזיום (MgO) שהינה חומר קרמי, ישנה טמפרטורת היתוך גבוהה יותר מאשר ליסוד מגנזיום (Mg) שהינו חומר מתכתי.

  

קשר יוני הינו קשר חזק בין מתכת לאל-מתכת, בו המתכת מוותרת על אלקטרון או מספר אלקטרונים מקליפתה החיצונית לטובת קליפתו החיצונית של אטום אל-מתכתי המקבל אותם. במצב זה אטום המתכת נהיה בעל מטען חיובי, הקרוי קטיון, ואילו אטום האל-מתכת נהיה בעל מטען שלילי, הקרוי אניון. בין יוני המתכת והאל-מתכת קיימים כוחות משיכה חשמליים הנובעים מהמטען המנוגד. 

קשר יוני

תרכובות יוניות כדוגמת נתרן-כלורי (NaCl), המכונה מלח בישול, הן בעלות מבנה גבישי במצבן המוצק. בנתרן הכלורי  מורכב הקשר היוני מיוני נתרן (Na) חיוביים ויוני כלור (Cl) שליליים. בגביש יוני שכזה נמצאים יונים חיוביים ושליליים אשר ביניהם קיימים כוחות משיכה חשמליים חזקים. כוחות אילו הם המחזיקים את היונים בצפיפות גבוהה ועם כושר תנועה מוגבל. לכן, תרכובות יוניות הן מוצקות בטמפרטורת החדר. בגלל תנועתם המוגבלת של היונים, התרכובות הללו אינן מוליכות חשמל במצב מוצק (מלבד בתמיסה מימית). תכונותיהם של החומרים היוניים הן: טמפרטורת היתוך גבוהה, פריכות, ובידוד מבחינת הולכת חשמל וחום. התכונות הללו נובעות מהיותם של הקשרים היונים קשרים חזקים.

  

 

סריג יוני