מבנה האטום וקשרים בין אטומים
פולימורפיזם - המסע בזמן של ד"ר דנה אשכנזי
האטום - עודד לוטקר
רקע היסטורי על מבנה האטום
כבר בימי יוון העתיקה עלתה השאלה, אם ניקח חומר ונחצה אותו מספר רב של פעמים, עד מתי נוכל להמשיך? משאלה זו עלתה ההנחה שישנן אבני בניין בסיסיות שאינן ניתנות לחלוקה, להם ניתן השם אטום, כלומר שאינו ניתן לחלוקה.
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.
Rutherford’s Atomic Model
The Plum Pudding Model was a popular model explaining the atomic structure. However, then Rutherford came up with an experiment that revealed that the Plum Pudding Model was incorrect. According to the Rutherford Model, the positively charged particles and most of the atomic mass are concentrated in a tremendously small volume called a nucleus, whereas the negatively charged particles (electrons) surround the nucleus.
Introduction to the atom - Khan Academy
Explanations concerning the atomic structure, including information about the proton, neutron, and electron particles.
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 1897 גילה ג'וזף ג'ון תומסון את האלקטרון, גילוי שהוביל לתיאור מבנה האטום לפי מודל עוגת הצימוקים. לפי מודל זה האלקטרונים הינם חלקיקים בעלי מטען חשמלי שלילי ונקודתי, המסודרים בחומר כבתוך עוגת צימוקים.
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.
Quantum Mechanics: The Uncertainty Principle
Explanation about the Heisenberg Uncertainty Principle.
גרעין האטום
מבנה האטום
מבנה האטום
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.
מסתם של הפרוטון והנויטרון היא בערך פי 2000 ממסת האלקטרון, לכן גרעין האטום הוא האחראי למשקלו של האטום. למרות שמספר הפרוטונים זהה עבור כל האטומים מאותו הסוג, כלומר אותו היסוד, מספר הנויטרונים יכול להיות שונה. אטומים של אותו יסוד, שהינם בעלי מספר מסות אטומיות שונות, קרויים איזוטופים.
המילה "אטום" משמעותה "שאינו ניתן לחלוקה". כל החומרים בטבע מורכבים מאבני בניין הקרויים יסודות. כל יסוד בנוי מסוג אחד של אטומים. קובית זהב בנוייה מאטומים של זהב, ואילו קוביית ברזל בנויה מאטומים של ברזל. אם היינו "חותכים" כל יסוד לחתיכות זעירות יותר במשך מספר רב של פעמים, היינו בסופו של דבר מגיעים לחלקיקים קטנים ביותר של חומר הקרויים אטומי יסוד, כאשר יסוד הוא למעשה חומר הבנוי מסוג אחד של אטומים. קשרים בין האטומים יוצרים חומרים חדשים. קשרים יונים, קוולנטים ומתכתיים קרויים קשרים חזקים, ואילו קשרי ון-דר-וולס ומימן קרויים קשרים חלשים. מים אינם יסוד, אלא חומר מולקולרי, הבנוי מקשרים בין אטומיים הקרויים קשרים קוולנטיים. מולקולת המים, המסומנת באמצעות הסימול H2O, מורכבת למעשה הן מאטומי היסוד מימן שסימולו H והן מאטומי היסוד חמצן שסימול O.
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.
איזוטופים
בטבע קיימים לפעמים אטומים מעט שונים לאותו יסוד, הללו הנקראים איזוטופים. השוני מתבטא במספר שונה של נויטרונים בגרעין האטום. לרוב היסודות איזוטופ אחד נפוץ במיוחד ואחרים נדירים יותר. מימן לדוגמה קיים בשלוש צורות: פרוטיום, דאוטריום וטריטיום. למימן "הרגיל" הקרוי פרוטיום ישנו גרעין המכיל פרוטון אחד. בנוסף אליו קיימים עוד שני איזוטופים של מימן. האחד הוא הדאוטריום, הכבד פי שניים מן המימן הרגיל, שכן גרעינו מורכב מפרוטון ומנויטרון. השני הוא הטריטיום, הכבד מן המימן הרגיל פי שלושה, מכיוון שגרעינו מורכב משני נויטרונים, נוסף על הפרוטון.
קשרים בין-אטומיים
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.
הידעת! - אנרגית קשר - כמות האנרגיה הדרושה כדי לפרק קשר בין שני אטומים לשני אטומים בודדים. היחידות הן יחידות אנרגיה (לדוגמה אלקטרון-וולט). כמות האנרגיה שנפלטת כאשר שני אטומים יוצרים קשר שווה לכמות האנרגיה שיש להשקיע על מנת לפרק את הקשר.
אורך הקשר הוא המרחק בין הגרעינים של שני אטומים במצב שבו האנרגיה הכוללת של המערכת היא הנמוכה ביותר. אורך הקשר נמדד בננומטר (10-9 מטר).
כאשר המרחק בין האטומים גדול, הכוחות השולטים הם כוחות המשיכה בין המטענים המנוגדים של גרעין אטום אחד לאלקטרונים של האטום האחר. כאשר האטומים מתקרבים זה לזה, כוחות הדחייה מתגברים על כוחות המשיכה, מאחר וגרעיני האטומים בעלי המטען החיובי דוחים זה את זה.
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.
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
קשר יוני
קשר קוולנטי
קשר קוולנטי קרוי גם קשר מולקולארי, נוצר כתוצאה משיתוף זוגות אלקטרונים בין אטומים. זוגות אלקטרונים אלה מכונים אלקטרוני קשר. זוגות האלקטרונים יכולים להיות של אטומים מאותו הסוג או לחילופין של אטומים מסוגים שונים. מדובר בקשר חזק, האופייני לאל-מתכות כדוגמת מימן (H), פלואור (F), כלור (Cl), ברום (B), יוד (I), חמצן (O), חנקן (N), גופריתS) ), סיליקון (Si), ופחמן (C). דוגמאות לקשרים מולקולריים: חמצן (O2), מים (H2O), סוכר (C12H22O11). קשרים קוולנטים נוספים: אתאן (C2H6), מתאן (CH4) ואמוניה (NH3). לקשרים יונים וקוולנטיים ישנן טמפרטורות היתוך ואנרגיות קשר גבוהות, זאת מאחר ומדובר בקשרים חזקים בין האטומים.
הגרפיט עשוי ממערך אטומי היסוד פחמן.
היהלום בנוי מתא יחידה המכילים את אטומי היסוד פחמן הקשורים ביניהם בקשרים קוולנטים.
קשר קוולנטי (מולקולרי)
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 הקרויFCC 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.
קשרי 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.
קשרי מימן
מדובר על קשר חלש, בין-מולקולרי, האופייני למולקולות לא סימטריות כדוגמת מולקולות מים. זהו קשר משני, הקיים כתוצאה ממשיכה אלקטרומגנטית בין מטענים אלקטרוניים חלקיים שקוטביותם הפוכה. כלומר, המימן ימשך לחומרים בעלי אלקטרושליליות גבוהה ממנו, כדוגמת חמצן, חנקן ופלואור. לדוגמה, במולקולות המים, אטום חמצן אחד קשור בקשר קוולנטי לשני אטומי מימן, קשרי המימן נובעים מכך שהחמצן האלקטרושלילי מושך אליו את ענן אלקטרוני המימן, ובכך הופך את המימן לבעל מטען חיובי רגעי וחלקי. לכן, במולקולות המים המימן (בעל אלקטרושליליות של 2.1) המצוי במולקולת מים אחת ימשך לחמצן (בעל אלקטרושליליות גבוהה של 3.5) המצוי במולקולת מים אחרת.