כימיה - מושגי יסוד

• רמה: התחלת לימודי כימיה ו- 3 יח"ל

מהי כימיה?

כימיה - מדע החומר והשינויים המתחוללים בו. עולם הכימיה כולל את כל הגופים הסובבים אותנו - את האדמה עליה אנו הולכים, את המזון אותו אנחנו אוכלים, את רקמות גופנו ואת הצורן שאנו משתמשים בו לבניית מחשבים. שום גוף חומרי אינו נמצא מעבר לתחומי הכימיה, בין אם חי ובין אם מת, בין אם צמח ובין אם מינרל, בין אם הוא נמצא בכדור-הארץ או שמא על כוכב רחוק.

הגדרות בסיס בכימיה

• תערובת - מספר חומרים הנמצאים ביחד ללא קשרים כימיים ביניהם. התערובת מתפרקת ע"י שימוש בשיטות פיסיקליות (ראה בהמשך הסיכום). ישנם שני סוגים של תערובות:
  1. תערובת הומוגנית - תערובת הנראית אחידה במראה. כלומר לא ניתן להבחין בעין בלתי מזויינת בין החומרים המרכיבים אותה. לדוגמא: אוויר ומי ים.
  2. תערובת הטרוגנית - תערובת אשר ניתן להבחין בה בחומרים אשר נמצאים בה, כלומר לא אחידה. לדוגמא: מים עם שמן, מים עם כלורופורם.
• תמיסה - תמיסה היא תערובת הומוגנית של שניים או יותר חומרים.
• תרכובת - חומר אחד הבנוי מכמה יסודות, יש לו תכונות חדשות לגמרי (שונות משל היסוד). ניתן לפרק תרכובת רק ע"י שימוש שיטות כימיות (כלומר שימוש בתגובות בין חומרים אשר יגרמו לפירוק של תרכובת. מגוון התגובות האלו הוא עצום והיריעה קצרה מידי כדי להתעסק בהן כאן). דוגמאות: מים, מלח שולחן, אמוניה ופחמן דו-חמצני.
• יסוד - החומר הפשוט ביותר השומר על תכונותיו ואי אפשר לפרקו מבלי לאבד את תכונותיו. היסוד בנוי מסוג אחד בלבד של אטומים. דוגמאות: הליום, חמצן, נתרן, ברזל ומגנזיום.
• מתכות - קבוצת חומרים בעלי תכונות דומות: לכולם מוליכות חשמל וחום טובה, ניתנים לריקוע ובעלי ברק. דוגמאות: זהב, ברזל, נחושת, אלומיניום. בד"כ מוצקות בטמפרטורת החדר. בטבלה המחזורית הן ממוקמות בצד שמאל.
• אל-מתכות - חומרים שאינם מתכות. על פי רוב אינם מוליכי חשמל (למעט פחמן בצורת גרפיט), מוליכי חום לא טובים. בטבלה המחזורית האל-מתכות ממוקמות בצד ימין.
• אטום - יחידת החומר הקטנה ביותר הייחודית ליסוד כימי מסוים. האטומים מורכבים מפרוטונים בעלי מטען חיובי, מאלקטרונים בעלי מטען שלילי ומניוטרונים חסרי מטען. (ראה [[מבנה האטום#חלקיקים תת אטומיים]|מבנה האטום]).
• מולקולה - יחידת חומר המורכבת משני אטומים או יותר, זהים או שונים, הקשורים זה לזה בקשרים כימיים. יש לשים לב שלא כל מולקולה היא תרכובת (מולקולה יכולה להיות גם יסוד אם היא מורכבת משני אטומים זהים כמו מולקולת החמצן הבנויה משני אטומי חמצן), אבל כל תרכובת היא מולקולה.

שפת הכימיה

הקדמה

הכימיה, כמדע הנחקר מסביב לעולם, זקוקה לשיטת סימון אוניברסיאלית. כפי שבפיזיקה יש קבועים המקובלים בכל העולם ובמתימטיקה יש פונקציות אשר סימולן ידוע לכל מתמטיקאי, גם לכימיה יש סמלים, נוסחאות ומשוואות. סיכום זה יהווה מדריך לשפה שבה כותבים את החומרים, התגובות ושאר הדברים הנחוצים בכימיה.

סימולים

לכל יסוד מהטבלה המחזורית ניתן סמל. הסמלים מורכבים מאותיות לטיניות. סמלו של כל יסוד מורכב מאות אחת עד שלוש אותיות. לרוב הסמלים מהווים קיצור של שמו הלטיני של היסוד. לדוגמא הסמל של ברזל הוא Fe. סמל זה בא משמו הלטיני של היסוד - פרום. ישנם מספר יסודות שחיוני לדעת את סמלם הכימי בעל-פה:

סמלים של יסודות חשובים

נתרן	Na		גפרית	S
אשלגן	K		זרחן	P
ליתיום	Li		פלואור	F
סידן	Ca		כלור	Cl
מגנזיום	Mg		ברום	Br
חמצן	O		יוד	I
חנקן	N		מימן	H

נוסחאות

הנוסחה הכימית משמשת לסימול של מולקולות. ישנם שני סוגים של מולקולות - מולקולות המורכבות מסוג אחד בלבד של אטומים (בד"כ יהיו דו-אטומיות) ומולקולות המורכבות מסוגים שונים של אטומים.

כיצד מסמלים מולקולה? את היסודות השונים מסמלים לפי סמליהם המופיעים בטבלה המחזורית. לדוגמא AgCl (כסף כלורי), HF (מימן פלואורי). לפעמים יסוד מסוים מופיע יותר מפעם אחת, ואז רושמים את מספר הפעמים שהוא מופיע ע"י מספר קטן מתחת לסמל (מספר זה נקרא אינדקס):
[math]\displaystyle{ H_{2}O }[/math]

למשל בנוסחה של המים הרשומה למעלה יש שני אטומי מימן המיוצגים ע"י האות H והמספר 2 האומר שיש שני אטומים, ויש אטום חמצן אחד המיצג ע" סמלו O.

• כאשר אטום מופיע פעם אחת אין צורך לרשום את הספרה 1.

ישנם מספר יסודות אשר באופן טבעי כאשר הם במצב חופשי (לא קשורים) נמצאים במולקולות דו אטומיות יסודות אלה הם:

1. מימן H₂
2. חנקן N₂
3. חמצן O₂
4. פלואור F₂
5. כלור Cl₂
6. ברום Br₂
7. יוד I₂

ישנם שני יסודות אשר נמצאים במצב חופשי במולקולות המכילות יותר משני אטומים:

1. זרחן - מולקולה המכילה 4 אטומים P₄
2. גופרית - מולקולה המכילה 8 אטומים S₈

ניסוחי תגובה

ניסוחי תגובה מתארים ריאקציות, תגובות. בעזרתם אנו יודעים אלו חומרים הגיבו ואיזה חומרים נוצרו. ניסוחי התגובה נקראים במקרים רבים גם משוואות כימיות. הצד השמאלי של ניסוח התגובה נקרא צד המגיבים (החומרים שהגיבו רשומים בו), ואילו צד ימין נקרא צד התוצרים (החומרים שנוצרו רשומים בצד זה).
בין צדדי המשוואה מפריד חץ.
ניסוחי התגובה מאפשרים לכימאים לעקוב בצורה פשוטה אחרי ניסויים ותגובות.

ישנם שני כללים שצריכים לשמור עליהם כאשר כותבים ניסוחי תגובה בכימיה:

1. הרכב קבוע של החומרים - בתגובה החומרים מגיבים ביחס קבוע אשר צריך להתקיים גם המשוואה הכימית.
2. חוק שימור החומר - חומר לא נוצר יש מאין, וחומר לא נעלם. כל יסוד המופיע בצד אחד של המשוואה חייב להופיע באותה הכמות בדיוק גם מצדה השני.

נהוג לציין בניסוחי התגובה את מצב הצבירה של החומרים. מצב הצבירה מסומן בסוגריים מתחת לגובה השורה. סימוני מצב הצבירה הם:

• (s) - מוצק (מהמילה solid)
• (l) - נוזל (מהמילה liquid)
• (g) - גז (מהמילה gas)
• (aq) - מומס בתמיסה (מהמילה aqua)

דוגמא למשוואה כימית הכתובה לפי כל הכללים:
[math]\displaystyle{ H_{2}SO_{4(aq)}+2NaOH_{(s)}\rightarrow2H_{2}O_{(l)}+Na_{2}SO_{4(aq)} }[/math]

בדוגמא ניתן לראות משוואה המתארת תגובה בין חומצה גופרתית בתמיסה H₂SO₄ לבין נתרן הידרוקסידי מוצק. כתוצאה מהתגובה נוצרים מים ונתרן גופרתי מומס. ניתן לראות שהמשוואה מקיימת את חוק שימור שחומר.

איזון תגובות

כדי שתגובה כלשהי תקיים את בכלל השני - "חוק שימור החומר", התגובה צריכה לכלול את היסודות בכמויות שוות משני אגפי התגובה. האיזון נעשה ע"י שינוי הספרה שלפני המולקולה (הקובעת כמה פעמים המולקולה מופיעה) ולא ע"י שינוי כמות היסוד במולקולה (הספרה שמתחת ליסוד). לדוגמא:
[math]\displaystyle{ H_{2(g)}+Cl_{2(g)}\rightarrow2HCl_{(g)} }[/math]

[math]\displaystyle{ N_{2(g)}+3H_{2(g)}\rightarrow2NH_{3(g)} }[/math]

איזון התגובות פשוט למדי כאשר התגובה קצרה ואינה מכילה יסודות רבים. ככל שהתגובה הופכת מורכבת יותר ויותר אז איזון התגובה הופך מטלה קשה. מומלץ כאשר מאזנים תגובה מורכבת להתחיל עם היסוד המופיע הכי מעט פעמים. אחרי שמאזנים את היסוד המופיע הכי מעט עוברים ליסודות המופיעים יותר ויותר. נהוג להשאיר את איזון המימן והחמצן לסוף.

תרגיל

אזן/י את התגובה הבאה:
[math]\displaystyle{ H_{3}PO_{4}+Ca(OH)_{2}\rightarrow Ca_{3}\left(PO_{4}\right)_{2}+H_{2}O }[/math]

פתרון

ראשית כל נאזן את הזרחן. הזרחן מופיע פעמיים באגף התוצרים (כאשר מופיעות סוגרים ומתחתיהם מספר אז משמעות הדבר שהיסודות המופיעים בסוגרים מופיעים כמה פעמים בהתאם למספר - כמו במתמטיקה). מאידך הזרחן מופיע באגף המגיבים פעם אחת בלבד. לכן כדי לאזן את כמותו נשנה את התגובה כך שיהיו שתי מולקולות של חומצה זרחתית.
[math]\displaystyle{ 2H_{3}PO_{4}+Ca(OH)_{2}\rightarrow Ca_{3}\left(PO_{4}\right)_{2}+H_{2}O }[/math]

אחרי שאיזנו את הזרחן נאזן את הסידן. הסידן מופיע 3 פעמים באגף התוצרים ואילו פעם אחת ויחידה באגף המגיבים. לפיכך עלינו לכתוב את התגובה כך שיהיו שלוש מולקולות של סידן הידרוקסידי:
[math]\displaystyle{ 2H_{3}PO_{4}+3Ca(OH)_{2}\rightarrow Ca_{3}\left(PO_{4}\right)_{2}+H_{2}O }[/math]

כעת ניתן לאזן את המימן. בסה"כ יש 12 מימנים באגף המגיבים ואילו 2 בלבד באגף התוצרים. ניתן אפוא להכפיל את מולקולת המים ב- 6 כדי לקבל 12 אטומי מימן בכל צד של המשוואה:
[math]\displaystyle{ 2H_{3}PO_{4}+3Ca(OH)_{2}\rightarrow Ca_{3}\left(PO_{4}\right)_{2}+6H_{2}O }[/math]

כפי שניתן לראות החמצן מאוזן כעת גם הוא. כל אטום מופיע באותה כמות משני צידי המשוואה.

מצבי צבירה

מוצק

במוצק החלקיקים קרובים מאד זה לזה ויש ביניהם קשרים חזקים. לחלקיקים תנועה תנודתית (ויברציונית) בלבד - מיקומו של חלקיק בחומר קבוע ביחס לשאר החלקיקים, כלומר תזוזתו קטנה ביותר והוא שומר על מקומו. המוצקים הם בדרך כלל מסודרים. נפחו של המוצק וצורתו קבועים. דוגמא למוצקים - קרח, מלח שולחן.

נוזל

בנוזל החלקיקים רחוקים במעט יותר זה מזה מאשר במוצק אולם עדיין קיימים כוחות משיכה וקשרים ביניהם. חלקיקיו של הנוזל אינם מסודרים והם בעלי כל התנועות: תנודתית, סיבובית ומעתק (טרנסלציה). החלקיקים יכולים לשנות את מיקומם ביחס לאחרים. לנוזל אין צורה קבועה אולם נפחו כמעט קבוע (קשה מאד לדחוס אותו). דוגמא לנוזל - מים, שמן.

גז

המרחק בין החלקיקים גדול מאד. החלקיקים לא מפעילים כוחות משיכה אחד על השני והם חופשיים לנוע. הגז תופס את כל נפח הכלי ואת צורתו (חסר נפח או צורה קבועים). את הגז ניתן לדחוס בקלות יחסית.

הפרדת תערובות (זיקוק)

זיקוק

זיקוק היא שיטה המפרידה חומרים ע"פ נקודות הרתיחה השונות שלהם. הזיקוק משמש להפרדת תערובות כאשר הן במצב צבירה נוזלי. הזיקוק מתבצע ע"י חימום התערובת ועיבוי האדים הנוצרים בטמפרטורות שונות. לדוגמא ניתן לבצע זיקוק לתמיסה (סוג של תערובת הומוגנית) המכילה אלכוהול ומים ע"י חימום התמיסה. כאשר התמיסה תגיע לטמפרטורה של 78 מעלות צלזיוס אז האלכוהול ירתח ויתאדה והמים יוותרו. ניתן לעבות את האדים כדי לקבל את האלכוהול. על בסיס שיטה זו מפרידים נפט גולמי למרכיביו השונים בעזרת מגדלי זיקוק בהם נעשה התהליך.

רתיחה

ניתן להפריד תערובות ע"י הרתחתן. למשל אם נרצה להפריד את מלח ממי ים נוכל להרתיחם. המים יתאדו ואילו המלח ישאר בכלי.

כרומוטוגרפיה

שיטה זו משמשת בעיקר לצורך אנליזה וזיהוי חומרים הנמצאים בתערובת. השיטה מבוססת על העיקרון שחלקיקים מסוגים שונים זזים במהירויות שונות. הכרומטוגרפיה מתבצעת על פי רוב ע"י נייר מיוחד הנטבל בתמיסה או לחלופין נייר מיוחד שעליו מטפטפים מספר טיפות מהתמיסה. לאחר זמן מה ניתן יהיה לראות פסים כאשר כל פס מורכב למעשה מחומר אחד. קיימות שיטות נוספות כגון שימוש בקולונה או במשטחי TLC (כרומטוגרפיה על שכבה דקה).

סינון

אם תערובת מכילה חלקיקים בגדלים שונים למשל תערובת המכילה נוזל וגרגירים מוצקים (כמו חול ומים) ניתן לבודד את החלקיקים השונים על פי גודלם בעזרת סינון. לדוגמא כאשר מכינים אספירין ורוצים לבודדו מהתמיסה בה הוא נמצא משתמשים בסינון. האספירין הוא מוצק והוא נמצא בצורה גבישית ולכן הוא לא עובר את נייר הסינון בעוד שהנוזל שחלקיקיו קטנים יותר מסוגל לעובר את הנייר.

Zone Refining - לא לבגרות

שיטה המשמשת להשגת חומרים ברמת נקיון גבוהה ביותר. השיטה מבוססת על כך שחומרים מתגבשים נוטים לדחוק חומרים אחרים. השימוש בשיטה זו משיג רמות נקיון גבוהות ביותר ומשמש בין השאר להשגת סיליקון בדרגת ניקיון גבוהה לתעשיית האלקטרוניקה (אטום אחד של אי-ניקיונות למיליארד אטומי צורן). טיהור הצורן ע"י שיטה זו מתבצע כך:
שפופרת המכילה צורן מוצק מורדת דרך כבשן דק דמוי טבעת. כשתחתית השפופרת מגיעה למפלס הטבעת, הצורן ניתך. השפופרת ממשיכה לרדת והצורן המותך נוטף מתחת למפלס הטבעת הלוהטת, מתמצק צורן טהור ומותיר את האטומים הזרים בנתך. בשלב זה יש ליד תחתית השפופרת צורן מוצק טהור, ליד חלקה העליון יש צורן מוצק לא טהור, ושכבה דקה של צורן מותך מפרידה ביניהם. כשנע הצורן מטה, נע האזור המותך דרך הצורן שאינו טהור, כשהוא אוסף בדרכו את האטומים הזרים. כשמגיע האזור למעלה כבר נאספו מרבית האטומים הזרים באזור המותך. ע"י חזרה על התהליך רמת הניקיון משתפרת, ומטיל הצורן שנותר - טהור יותר.

חוק ההרכב הקבוע

בתרכובת קיים תמיד יחס קבוע בין המסות של היסודות המרכיבים אותה

לדוגמא בתרכובת מתאן CH₄ קיים יחס של 1:3 בין המסה של הפחמן למסה של המימן.