אטומים, אלמנטים ותרכובות

כל החומרים עשויים מכ-100 בלוקי בנייה פשוטים. ידע כיצד הם מחוברים מאפשר למיין כל חומר לאחת משלוש הקבוצות.

• אלמנט הוא חומר המורכב מסוג אחד בלבד של אטום. אין לשבור אותו לחומר פשוט יותר בתגובה כימית. דוגמאות: נחושת, חמצן, פחמן.
• תרכובת היא שני אלמנטים או יותר המחוברים כימית (קשרים) זה לזה. האטומים מחוברים ביחס קבוע. דוגמאות: מים, פחמן דו-חמצני. לתרכובת יש תכונות שונות מהאלמנטים המרכיבים אותה.
• תערובת היא שתי חומרים או יותר שעליהם פשוט מעורבבים, ללא חיבור כימי. החלקים שומרים על תכונותיהם העצמיות וניתן להפרידם באמצעות שיטות פיזיקליות. דוגמה: אוויר.

ההבדל המרכזי: בתרכובת האלמנטים מחוברים וניתן להפרידם רק באמצעות תגובות כימיות; בתערובת הם אינם מחוברים וקל להפרידם.

בתוך האטום

לכל אטום יש מרכז קטן וצפוף הנקרא גרעין. סביבו, אלקטרונים נעים במערכות (רמות אנרגיה). הגרעין מכיל שני סוגים של חלקיקים: פרוטונים ונוטרונים.

לכל חלקיק יש מסה יחסית ומטען יחסי. עליך לזכור ערכים אלו:

לאטום אין מטען נטו כי יש לו מספר שווה של פרוטונים ($+1$ כל אחד) ואלקטרונים ($-1$ כל אחד).

מספר אטומי ומספר מסה

שני מספרים מתארים אטום:

• ה-מספר האטומי (נקרא גם מספר הפרוטונים) הוא מספר הפרוטונים בגרעין. הוא מגדיר באיזה יסוד מדובר.
• ה-מספר המסה (נקרא גם מספר הנוקליונים) הוא הסך הכל של הפרוטונים והנוטרונים בגרעין.

לכן מספר הניטרונים = $=$ מספר המסה - $-$ מספר האטומי.

קונפיגורציה אלקטרונית

האלקטרונים ממלאים את המערכות מהפנים החוצה. המערכת הראשונה מכילה עד 2 אלקטרונים; המערכות הבאות מכילות עד 8 כל אחת (עבור 20 היסודות הראשונים). ה-תצורת האלקטרונים מפרטת כמה אלקטרונים יש בכל מערכת, החל מהפנים.

למשל, לאטום עם 13 אלקטרונים יש התצורה $2,8,3$. נתרן (מספר אטומי 11) הוא $2,8,1$. סידן (מספר אטומי 20) הוא $2,8,8,2$.

התצורה מקושרת לטבלה המחזורית:

• מספר קבוצה (קבוצות I עד VII) שווה למספר האלקטרונים בשכבה החיצונית. לכן $2,8,1$ נמצאת בקבוצה I.
• מספר מחזור שווה למספר השכבות שמכילות אלקטרונים. לכן ל-$2,8,1$ יש שלוש שכבות, ולכן היא במחזור 3.
• הגזים האצילים בקבוצה VIII (או 0) בעלי מעטפת חיצונית מלאה, מה שהופך אותם למאוד לא-תגורריים.

איזוטופים הם אטומים מאותו יסוד שיש להם אותו מספר פרוטונים אך מספר נייטרונים שונה. מכיוון שמספר הפרוטונים זהה, מדובר באותו יסוד. מכיוון שמספר הנייטרונים שונה, יש להם מספרי מסה שונים.

כתיבת אטום מתבצעת עם מספר המסה למעלה ומספר הפרוטונים למטה, כמו $^{12}_{6}\text{C}$. עבור יון מוסיפים את המטען, כמו $^{35}_{17}\text{Cl}^{-}$.

לאיזוטופים של יסוד יש תכונות כימיות זהות. הדבר נובע מכך שתגובות כימיות מעורבות רק באלקטרונים, ולאיזוטופים יש אותו מספר אלקטרונים וקונפיגורציה אלקטרונית זהה. (הנייטרונים העודפים משנים רק את המסה.)

חישוב מסה אטומית יחסית

המסה האטומית היחסית ($A_r$) של יסוד היא המשקל הממוצע של אטומיו, בהתחשב בכמות הרלוונטיות של כל איזוטופ. התפוצות היא אחוז כל איזוטופ.

לדוגמה, כלור הוא 75% $^{35}\text{Cl}$ ו-25% $^{37}\text{Cl}$:

דוגמה פותרת. לבורון יש שני איזוטופים, $^{10}\text{B}$ ו$^{11}\text{B}$, והמסה האטומית שלו היא $A_r$ = 10.8. מצא את האחוז של כל אחד מהם. נתון שהעושר של $^{11}\text{B}$ הוא $x$, ולכן עושרו של $^{10}\text{B}$ הוא $(100 - x)$. אז

ולכן $11x + 1000 - 10x = 1080$, מה שנותן $x = 80$. לבורון יש 80% $^{11}\text{B}$ ו-20% $^{10}\text{B}$. בדקו זאת מול הגיון הפשוט: 10.8 נמצא קרוב יותר ל-11, ולכן האיזוטופ הכבד צריך להיות הנפוץ ביותר. אם התשובה שלכם נותנת רוב לאיזוטופ הרחוק יותר מ$A_r$, הפקמתם אותם הפוך.

יון הוא אטום (או קבוצת אטומים) שאיבד או רכש אלקטרונים, ולכן יש לו מטען חשמלי.

• אטום מתכת מאבד אלקטרונים ליצירת יון חיובי, הנקרא קטיון.
• אטום אל-מתכת רוכש אלקטרונים ליצירת יון שלילי, הנקרא אניון.

אטומים עושים זאת כדי להשיג מעטפת חיצונית מלאה, כמו גז אציל.

כיצד נוצר קשר יוני

קשר יוני הוא משיכה אלקטרוסטטית חזקה בין יונים טעונים בניגוד (יון $+$ ויון $-$ נמשכים זה לזה).

קשרים יוניים נוצרים בין מתכת לבין בלתי-מתכת. לקחת את נתרן כלור, $\text{NaCl}$. נתרן ($2,8,1$) נותן את האלקטרון החיצוני היחיד שלו לכלור ($2,8,7$). כעת נתרן הוא $\text{Na}^{+}$ ($2,8$) וכלור הוא $\text{Cl}^{-}$ ($2,8,8$). לשניהם יש מעטפות חיצוניות מלאות, והטענות הנגודיות נמשכות זו לזו.

ניתן להציג זאת באמצעות תרשים נקודות וצולבים: שרטטו את אלקטרוני המעטפת החיצונית של כל אטום כנקודות עבור אלמנט אחד וכצולבים עבור השני, ואז הראו את האלקטרון העובר מהמתכת לבלתי-מתכת.

המבנה והתכונות של תרכובות יוניות

תרכובת יונית אינה מורכבת ממולקולות נפרדות. היונים ארוזים יחד בסריג ענק — דפוס סדיר של מספר עצום של יונים מתחלפים חיוביים ושליליים.

מבנה זה מסביר את התכונות:

קשר קוולנטי נוצר כאשר שני אטומים משתפים זוג אלקטרונים. על ידי השתפה, כל אטום מקבל מעטפת חיצונית מלאה (תצורת גז אציל). קשרים קוולנטיים נוצרים בין אטומים של אל-מתכות.

חלק מהמולקלות שיש לדעת:

• $\text{H}_2$ — שני אטומי מימן משתפים זוג אלקטרונים אחד (קשר יחיד).
• $\text{Cl}_2$, $\text{HCl}$ — כל אחד משתף זוג אלקטרונים אחד.
• $\text{H}_2\text{O}$ — חמצן משתף זוג אלקטרונים אחד עם כל אחד משני אטומי המימן.
• $\text{NH}_3$ — חנקן משתף זוג אלקטרונים אחד עם כל אחד משלושה אטומי מימן.
• $\text{CH}_4$ — פחמן משתף זוג אלקטרונים אחד עם כל אחד מארבעה אטומי מימן.
• $\text{O}_2$ ו-$\text{CO}_2$ מכילים קשרים כפולים (שני זוגות משותפים); $\text{N}_2$ מכיל קשר משולש (שלושה זוגות משותפים); $\text{C}_2\text{H}_4$ ו-$\text{CH}_3\text{OH}$ גם הם משתמשים בזוגות משותפים.

בדיאגרמת נקודה וצלב למולקולה, אתה מצייר את האלקטרונים החיצוניים של כל אטום ומראה אילו זוגות משותפים במעבר בין האטומים.

תכונות של תרכובות מולקולריות פשוטות

חומרים אלו עשויים ממולקולות קטנות ונפרדות.

• להם נקודות היתוך ואידוי נמוכות. הקשרים הקוולנטיים בתוך כל מולקולה הם חזקים, אך כוחות אינטר-מולקולריים (הכוחות בין מולקולה אחת לשנייה) הם חלשים, ולכן דורש הפרדת המולקולות כמות קטנה של אנרגיה.
• הן מוליכות חשמלית לקויות, משום שהמולקולות אינן נושאות מטען נטו ואין להן אלקטרונים או יונים חופשיים שיובילו מטען.

חלק מחומרים קוולנטיים אינם מולקולות קטנות. במקום זאת, מיליוני אטומים מחוברים בקשרים קוולנטיים למבנה קוולנטי ענק אחד. שני הסוגים שיש לדעת הם שתי צורות הפחמן.

יהלום: כל אטום פחמן קשור לארבעה אטומי פחמן אחרים. זה יוצר רשת קשיחה וחזקה מאוד מסוג 3-D. היהלום קשה מאוד, ולכן משמש בכלי חיתוך.

גرافית: כל אטום פחמן קשור רק לשלושה אחרים, ויוצר שכבות שטוחות. יש כוחות חלשים בין השכבות, ולכן הן יכולות להחליק זו על זו—דבר הופך את הגראפיט לחומר סיכה טוב. האלקטרון החיצוני הרביעי של כל אטום פחמן חופשי; אלקטרונים מבוזזים אלו יכולים לנוע, ולכן הגראפיט מוליך חשמל ומשמש כאלקטרודה.

תחמוצת סיליקון(IV) ($\text{SiO}_2$) בעלת מבנה קווריונטי ענק כמו ביהלום, ולכן היא גם קשה מאוד ויש לה נקודת התכה גבוהה מאוד.

מתכת היא מבנה ענק של יונים חיוביים המוקפים ב"ים" של אלקטרונים ממוקמים החופשים לנוע בכל רחבי המתכת. קשר מתכתי הוא המשיכה האלקטרוסטטית החזקה בין יונים אלו לבין הים האלקטרוני.

הסבר זה משתי תכונות מרכזיות של מתכות:

• מוליכות חשמלית טובה: האלקטרונים הממוקמים חופשים לנוע ולעבור מטען דרך המתכת.
• גמישות (ניתן לטלטל לדפי) ומתיחות (ניתן למתוח לחוטים): שכבות היונים החיוביים יכולות להחליק אחת על השנייה ללא שבירת הקשר המתכתי, כך שהמתכת משנה צורה במקום להתפורר.

• מספר ניוטרונים = מספר מסה − מספר פרוטונים. מספר הפרוטונים הוא מה שמחליט איזה אלמנט הוא האטום.
• איזוטופים בעלי אותן תכונות כימיות מכיוון שריאקציות מעורבים רק אלקטרונים, והאיזוטופים מחולקים באותו קונפיגורציית אלקטרונים; ההבדל היחיד הוא במסה.
• התאם מבנה לתכונות: יוני = רשת ענקית (נקודת הרחה גבוהה; מוליך רק כשהוא נוזלי או בתמיסה); מולקולרי פשוט = כוחות חלשים בין מולקולות (נקודת הרחה נמוכה; אינו מוליך); קוולנטי ענק = קשה מאוד, נקודת הרחה גבוהה מאוד.
• גרפית מוליכה והיא חלקלקה (אלקטרון חופשי אחד לכל פחמן; שכבות מחליקות); יהלום אינו מוליך ואינו חלקלק (כל ארבעת האלקטרונים קשורים, לכן הוא קשה ולא מוליך). מתכות מוליכות ומתכופפות בזכות הים של אלקטרונים ממוקמים.
• עבור מספר אטומי יחסי, לקחת את הממוצע המשוקלל: $A_r = \dfrac{\sum(\text{isotope mass} \times \text{abundance})}{100}$.