- שלושה סוגי קשר מחזיקים את החומר יחד: יוני (מעבר אלקטרונים, יונים מטענים), קוולנטי (צמד אלקטרונים משותף) ומתכתי (אלקטרונים דלוקליזציה).
- המבנה עוקב אחר הקישור: רשתות יוניות ענקיות, מולקולות קטנות, פולימרים, רשתות קישור קוולנטי ענקיות ורשתות מתכת — כל אחד מנבא נקודת היתוך ומוליכות.
- פחמן מראה כל טריק: יהלום, גרפיט, גרפן, פולרנים; ננו-חלקיקים (כימיה בלבד) הופכים שטח פנים לתכונות.
קישור, מבנה ותכונות החומר
AQA · GCSE · Chemistry · נושא 2
2.1
קישור, מבנה ותכונות החומר
מילון מונחים
אימון
| English | עברית |
|---|---|
| ionic bond/aɪˈɒnɪk bɒnd/ | קשר יוני |
| covalent bond/ˈkəʊvələnt bɒnd/ | קשר קוולנטי |
| metallic bond/məˈtælɪk bɒnd/ | קשר מתכתי |
| delocalised electron/dɪˈlɒkəlaɪzd ɪˈlektrɒn/ | אלקטרון מבוזר |
| intermolecular force/ˌɪntəməˈlekjʊlə fɔːs/ | כוח אינטרא-מולקולרי |
| giant covalent structure/ˈdʒaɪənt ˈkəʊvələnt ˈstrʌktʃə/ | מבנה קוולנטי ענק |
| fullerene/ˈfʊləren/ | פולרן |
| carbon nanotube/ˈkɑːbən ˌnænəʊˈtjuːb/ | צינור ננו פחמן |
| nanoparticle/ˌnænəʊˈpɑːtɪkl/ | חלקיק ננו |
| alloy/ˈælɔɪ/ | סגסוגת |
2.1
קישור יוני, קוולנטי ומתכתי (4.2.1)
סיילבוס
קשריון יוני, קוולנטית ומתכתית (הצהרות AQA 8462 4.2.1.1-4.2.1.5).
- הסבר שלושה סוגי הקשרים בהתבסס על אלקטרונים וכוחות אלקטרוסטטיים.
- צייר דיאגרמות נקודות וצלבים להעברת אלקטרונים ולשמונה מולקולות מצוינות.
- גזור מטעני יונים ונוסחאות אמפיריות מתוך מספרים בקבוצות ודגמי רשת; ציין מגבלות הדגמים.
מקור: הסיילבוס הבינלאומי של קמבריד'ג'
שלושה סוגי קשר כימיים חזקים, כולם מוסברים על ידי כוחות אלקטרוסטטיים:
- יוני — אטום מתכת מועבר אלקטרונים חיצוניים לא-מתכת: אטומי מתכת מאבדים אלקטרונים כדי להפוך ליונים חיוביים; אטומי לא-מתכת מקבלים אותם כדי להפוך ליונים שליליים; מתכות בקבוצות 1/2 ולא-מתכות בקבוצות 6/7 יוצרות יונים עם מבנים אלקטרוניים של גזים יקרים. צייר את העברת האלקטרונים עם דיאגרמות נקודה וצלב; גזור מטעני יונים ממספר הקבוצה (קבוצה 1 → +1, קבוצה 2 → +2, קבוצה 6 → −2, קבוצה 7 → −1).
- קוולנטי — אטומי לא-מתכת משתפים צמדים של אלקטרונים. דע דיאגרמות נקודה וצלב עבור H₂, Cl₂, O₂, N₂, HCl, H₂O, NH₃, CH₄, וייצוגים קוויים עבור מולקולות קטנות, יחידות חוזרות בפולימר ומבנים קוולנטיים ענקיים.
- מתכתי — רשת ענק של אטומי מתכת עם אלקטרונים חיצוניים דלוקליזציה חופשים לנוע לכל אורך המבנה; השיתוף של אלקטרונים אלו נותן קישור מתכתי חזק.
דע את המגבלות של המודלים: נקודה וצלב, כדור-מקל, דיאגרמות 2D ו3D כולן מפשטות — אין כוחות מוצגים, אורכי קשר קבועים, מבנים ענקיים מצוירים כחלקים קטנים. גזור נוסחאות אמפיריות ממודלי רשת; נוסחאות מולקולריות ממודלי מולקולה.
2.2
קישור, מבנה ותכונות (4.2.2)
סיילבוס
קשריון, מבנה ותכונות (הצהרות AQA 8462 4.2.2.1-4.2.2.8).
- קשר בין מצבי חומר וסימולי מצב לתורת החלקיקים, עם (HT) הגבלותיה.
- הסבר נקודות ההתכה וההולכות של תרכובות יוניות, מולקולות קטנות, פולימרים ומתכות.
- הסבר מדוע סגסוגות קשות יותר מממתכות טהורות.
מקור: הסיילבוס הבינלאומי של קמבריד'ג'
מצבי צבירה: מוצק, נוזל, גז; התכה/התקרות בנקודת ההתכה, רתיחה/התעבות בנקודת הרתיחה. תיאוריית החלקיקים (כדורים קטנים ומוצקים) מסבירה את השינויים; ככל הכוחות בין החלקיקים חזקים יותר, כך נקודות ההתכה והרתיחה גבוהות יותר. (HT) מגבלות הדגם הפשוט: אין כוחות מוצגים, כל הכדורים זהים, חלקיקים מוצקים. סמלי מצב: (s), (l), (g), (aq).
| מבנה | קשרים/כוחות | נקודת התכה | מוליך חשמל? |
|---|---|---|---|
| סריג יוני | כוחות אלקטרוסטטיים חזקים בכל הכיוונים | גבוהה | רק כאשר נמסה או מומסת — יונים חופשיים לתנועה |
| מולקולות קטנות | קשרים קוולנטיים חזקים בתוך המולקולה, כוחות אינטרא-מולקולריים חלשים ביניהן | נמוכה — רק כוחות אינטרא-מולקולריים חלשים מתגברים | לא — אין מטען כולל |
| פולימרים | שרשראות קוולנטיות חזקות, כוחות אינטרא-מולקולריים חזקים יותר | מוצק בטמפרטורת החדר | לא |
| קוולנטי ענק | כל אטום מחובר בקשר קוולנטי | גבוהה מאוד | בדרך כלל לא (גרפיט הוא הא exception) |
| מתכות | קשר מתכתי — אלקטרונים דילוקלייזציה | בדרך כלל גבוהה | כן — אלקטרונים דילוקלייזציה מובילים מטען (וגם חום) |
מולקולות גדולות יותר → כוחות אינטרא-מולקולריים חזקים יותר → נקודות התכה/רתיחה גבוהות יותר. סגסוגות קשות יותר מאשר מתכות טהורות משום שאטומים בעלי גודלים שונים מעוותים את השכבות, ומונעים מהן להחליק.
2.3
מבנה וקשרים של פחמן (4.2.3)
סיילבוס
מבנה וקשריון של פחמן (הצהרות AQA 8462 4.2.3.1-4.2.3.3).
- הסבר תכונות היהלום מתוך המבנה הענק שלו עם ארבעה קשרים.
- הסבר תכונות הגרפיט מתוך שלושה קשרים, שכבות ואלקטרונים מעוכבים.
- תאר גרפן ופולרנים, כולל צינורות ננו של פחמן ושימושיםם.
מקור: הסיילבוס הבינלאומי של קמבריד'ג'
- יהלום — מבנה קוולנטי ענק שבו כל אטום פחמן יוצר ארבעה קשרים קוולנטיים: קשה מאוד, נקודת התכה גבוהה מאוד, אינו מוליך.
- גרפיט — כל אטום פחמן יוצר שלושה קשרים, שכבות של טבעות הקסגונליות עם אין קשרים קוולנטיים בין השכבות (רך, מחליק — משח); אלקטרון דילוקלייזציה אחד לכל אטום → מוליך חשמל כמו מתכת.
- גרפן — שכבה אחת של גרפיט: עובי אטום אחד, חזק, מוליך — אלקטרוניקה וסיבים מרוכבים.
- פולרिנים — מולקולות חלולות של ששיות פחמן (כולל 5- או 7-חברות טבעות); באקמינסטרפולרין C₆₀ הוא כדורי. צינורות ננו של פחמן — פולרينات צילינדריים עם יחס אורך-ל-קוטר עצום: נאנוטכנולוגיה, אלקטרוניקה, חומרים.
2.4
תכונות נפח ומשטח כולל חלקיקי נאנו — כימיה בלבד (4.2.4)
סיילבוס
תכונות חומר גלם ומשטחים, כולל ננוחלקיקים, כימיה בלבד (הצהרת AQA 8462 4.2.4).
- השווה בין טווחי גודל חלקיקים של ננו, דק וגס.
- יישם את כלל היחס בין שטח למסה של ⟨10⟩ לקוביות.
- הסבר מדוע ננוחלקיקים שונים מחומרי גלם, שימושיהם והדאגות הקיימות.
מקור: הסיילבוס הבינלאומי של קמבריד'ג'
מדע הנאנו = מבנים בגודל 1–100 ננומטר (מספר מאות אטומים). חלקיקי נאנו קטנים יותר מחלקיקים עדינים (PM2.5, 100–2500 ננומטר), שהם קטנים יותר מחלקיקים גסים/אבק (PM10, 1 × 10⁻⁵–2.5 × 10⁻⁶ מטר).
משטח : נפח: כאשר צלע הקובייה מתקטנת 10×, SA:V עולה 10×. לחלקיקי נאנו עשויים להיות תכונות שונות מהחומר הגוף בשל יחס זה גבוה — זרזים (כמויות קטנות עובדות), אספקת תרופות, קוסמטיקה, אלקטרוניקה. דאגות: השפעות בתוך הגוף ובסביבה אינן מוכרות במלואן.
2.4
רשימת בדיקה לפני סיום נושא זה
- שלושת הסוגים של קשרים מושגים באמצעות אלקטרונים וכוחות אלקטרוסטטיים; מטעני יונים לפי מספר קבוצה.
- דיאגרמות נקודה וצלב עבור שמונה המולקולות הנקובות; מגבלות הדגם מצוין.
- טבלת התכונות למעלה נבנתה מחדש מזיכרון — אילו כוחות מתגברים בהמיסה.
- יהלום לעומת גרפיט, גרפן ופולרנים: קשרים לתכונות.
- (כימיה) גורם שטח-נפח (SA:V) של 10; שלושה פסיוני גודל חלקיקים ושימושים ודאגות הקשורים לנונו-חלקיקים.