מבנה, קישור ותכונות החומר

מושגי יסוד

הולכת חשמל

חומר שיש לו חלקיקים ניידים טעונים יוליך חשמל. לדוגמה: תמיסה עם יונים, מתכת (במתכת האלקטרונים ניידים, הם נמצאים ב"ים של אלקטרונים"), גרפיט- בו הפחמנים קשורים בקשרים משולשים בלבד, ולכן יש שכבות של אלקטרונים חופשיים.

אלקטרושליליות

קשר שבו אחד מהאטומים מושך חזק יותר את ענן האלקטרונים. ל-NOF ואחריהם הלוגנים (ככל שעולים בטבלה) יש אלקטרושליליות הכי גבוהה. ליסודות הבאים אלקטרו שליליות שווה: C-S-I, N-Cl, P-H-Te, Li-Sr-Ca.

קוטביות

א. דו קוטב רגעי - ההתנגשויות בין המולקולות גורמות להזזה של ענן האלקטרונים, ויצירת אזור שלילי יותר באופן זמני.

ב. דו קוטב קבוע - צורת המולקולה היא כזאת שבה יש חלק בעל אלקטרושליליות גדולה יותר.

צורות של מולקולות

	קווית	כפופה (זויתית)	פירמידה	משולש מישורי	טטראדר
תיאור	-	לרוב, האטום בקודקוד בעל 6 אלקטרוני ערכיות.	לרוב, האטום במרכז בעל 5 אלקטרוני ערכיות.	לרוב, האטום במרכז בעל 3 אלקטרוני ערכיות.	לרוב, האטום במרכז בעל 4 אלקטרוני ערכיות.
דוגמאות	[math]\displaystyle{ H_2 }[/math], [math]\displaystyle{ CO_2 }[/math]	[math]\displaystyle{ H_{2}O }[/math], [math]\displaystyle{ SCl }[/math]	[math]\displaystyle{ NH_3 }[/math]	[math]\displaystyle{ BH_3 }[/math]	[math]\displaystyle{ CH_4 }[/math]
דו קוטב קבוע	כאשר היא לא סימטרית	תמיד, פרט למקרים שכל האטומים במולקולה זהים באלקטרושליליות		תמיד, פרט למצב שכל האטומים סביב המרכזי זהים באלקטרושליליות

סריגים

סריג - חלקיקים מאורגנים בסדר מסויים שחוזר על עצמוף באריזה תפופה, בה לכל חלקיק יש מקום קבוע. חומר במצב מוצק בנוי כסדריג.

סוגי סריגים:

1. מתכתי
2. יוני
3. אטומרי (קוולנטי)
4. מולקולרי

הסריגים המתכתיים, יוניים ואטומריים הם מבני ענק, כל הסריג הוא "חלקיק" אחד ענק.

סריג (קוולנטי) אטומרי הוא "מולקולת ענק" שאטומים בו קשורים אחד לשני בקשרים קוולנטיים שתי וערב. דוגמאות לסריגים הללו הם קוורץ, יהלום וגרפיט. שני האחרונים הם דוגמאות להופעה אלוטרופית של פחמן (צורות הופעה שונות של יסוד באותם תנאי לחץ וטמפרטורה).

סריג מתכתי הוא "מולקולת ענק" המוחזקת על-ידי כוחות אלקטרוסטטים (חשמליים) בין גלעיני המתכת לבין האלקטרונים החופשיים של המתכת. האלקטרונים מסוגלים לנוע לכיוונים שונים בסריג.

סריג יוני הוא מוצק הבנוי מיונים הטעונים מטענים מנוגדים ומוחזקים יחדיו על-ידי כוחות גומלין חשמליים. המלחים כמו NaCl ו CsCl הם דוגמאות לגבישים יוניים.

הסריג המולקולרי בנוי ממולקולות, ביניהן יש כוחות בין מולקולרייים. מוצקים כמו "קרח יבש" (דו-תחמוצת הפחמן מוצק), יוד, קרח הם דוגמאות למוצקים הללו.

השוואת מצב מוצק למצב נוזלי

• לרוב, הנוזל פחות מסודר מהמוצק.
• צפיפות החלקיקים וגם הקשרים בין המולקולות, דומים בנוזל ובמוצק.
• בניגוד למוצק, הנוזל יקבל את צורתו של מיכל שבו הוא נמצא, אך הוא בעל נפח קבוע התלוי בתנאי טמפרטורה.
• תנועות האטומים:
  • במוצק: ויברציה (רטט)
  • בנוזל: ויברציה ורוטציה (רטט וסיבוב)
  • בגז: ויברציה, רוטציה וטרנסלציה (רטט, סיבוב ותנועה ממקום למקום)

מצב צבירה נוזל הוא מצב שבו מולקולות או אטומים נמצאים בתנועה מתמדת, אך עקב כוחות בין מולקולריים החזקים יחסית הם מוחזקים עדיין די קרוב אחד לשני.

קשר כימי

קשר כימי, פירושו משיכה חשמלית בין מטענים ונוגדים. סוגי הקשרים שונים, על פי השוני בסוג המטענים החשמליים שביניהם קיימת המשיכה

הגורמים הקובעים את עוצמת המשיכה החשמלית (את "חוזק" הקשר):

• גודל המטען.
• המרחק בין המטענים.

סוגי הקשרים

קשר מתכתי

משיכה חשמלית בין יוני המתכת החיוביים (גרעינים) לבין "ים האלקטרונים"

חוזק הקשר נקבע ע"H:

• גודל המטען:
  • שווה למספר אלקטרוני הערכיות.
  • מטען היון עולה ימינה באותו מחזור, כך מתחזק הקשר המתכתי.
• צפיפות המטען: יורדת כאשר יורדים באותו טור (עקב עלייה הגודל היון).

קשר יוני

משיכה חשמלית בין כל יון לבין היונים בעלי המטען המנוגד המקיפים אותו.

חוזק הקשר נקבע על ידי:

• צפיפות המטען של היונים = היחס בין גודל המטען החשמלי, לבין נפח היון. כאשר צפיפות המטען גדולה, הקשר היוני חזק (עקב משיכה חשמלית חזקה).

קשר קוולנטי

משיכה חשמלית בין זוג עד שלושה זוגות אלקטרונים קושרים, לבין הגרעינים של שני אטומים.

חוזק הקשר נקבע על ידי:

• מספ]ר זוגות האלקטרונים הקושרים: "משולש">"כפול">"יחיד".
• קטביות הקשר: קשר יותר קוטבי הוא חזק יותר.
• קירבת האלקטרונים הקושרים לגרעין: בין אטומים קטנים יותר יש קשר חזק יותר.

כוחות בין מולקולריים

המדד לחוזק הקשרים בין המולקולות, הוא האנרגיה הדרושה לניתוקם, כלומר אנתלפיית האידוי של החומר.

טמפרטורת הרתיחה של החומר, מהווה במיקרים רבים, מדד טוב לחוזק הקשרים הבין מולקולריים, כיוון שבמעבר בין נוזל לגז (כאשר מדברים על גז אידאלי) כל הקשרים הבין מולקולרים נשברים ובגז האידאלי לא נותרים קשרים מסוג זה.. (יש מקרים יוצאי דופן)

סוגי הכוחות הבין מולקולריים:

קשרי ון דר ולס

א. של דו קוטב רגעי - בין מולקולות לא קוטביות (נקראים גם קשרי לונדון).

ב. של דו קוטב קבוע - בין מולקולות קוטביות.

עוצמת קשרי ון דר ולס עולה כאשר:

• המולקולת גדולות יותר (יש יותר אלקטרונים וגרעינים חיוביים יותר), כלומר כאשר עולה המסה המולרית.
• קוטביות המולקולה עולה.
• שטח הפנים של המולקולה גדול יותר (בפחמימנים: כשיש יותר "הסתעפויות").

קשרי מימן

זו משיכה חשמלית בין המטען החלקי החיובי δ+ (הגדול יחסית), שעל אטום מימן במולקולה אחת, לבין המטען החלקי השלילי -δ (הגדול יחסית), שעל אטום N/O/F שבמולקולה שכנה. קשרים אלה חזקים יותר מקשרי ון-דר-ולס, אך אם ענן האלקטרונים בחומר שמקיים קשרי ו-ד-ו, גדול פי 3-4 מאשר בחומר עם קשרי מימן, קשרי הו-ד-ו יכולים להיות חזקים יותר. (ראה הערה)

קשרי מימן קיימים: בין מולקולות בהן יש אטומי מימן הקשורים לאטומים בעלי אלקטרושליליות גבוהה (F,O,N), כך שגרעין אטום המימן נמצא ברוב הזמן ללא אלקטרונים (ללא אלקטרונים) עקב הקשר הקוולנטי הקוטבי, לבין מולקולות אחרות בהן יש אטומי F, O, N הקשורים אף הם לאטום מימן ובעלי זוג אלקטרונים לא קשור אחד לפחות.

מאפיינים של קשרי מימן (שאינם קיימים בקשרים מסוג ון דר ולס):

• מרחק קצר יותר בין המולקולות.
• בקשרי מימן: לכל H יכולה להתקרב רק מולקולה שכנה אחת, ואילו בקשרי ון דר ולס, לכל קוטב נמשכות מספר מולקולות שכנות.
• מולקולות שכנות, מתקרבות אם הקוטב השלילי בזווית של 180 מעלות מהחיובי.
• על עוצמת קשר מימן משפיעה כמות קשרי המימן, כלומר כמות יסודות ה-NOF המולקולה.

הערה: בדדך כלל, התלמיד מתבקש להסביר הבדל בטמפרטורת רתיחה, ולא מתבקש לקבוע בעצמו לאיזה חומר תהיה טמפרטורת רתיחה גבוהה יותר (ככל שהטמפרטורת רתיחה\התכה גבוהה, הקשרים חזקים יותר).
לכן, הקביעה באיזה חומר מתקיימים קשרים חזקים יותר, תיעשה על-פי טמפרטורת רתיחה\התכה, וההסבר המבני שגורם לכך הוא ענן האלקטרונים (או במקרים אחרים- קשרי מימן, כמותם וכו').

המסה

המסה מולקולרית

תהליך בו מולקולות של חומר אחד, מתפזרות בין מולקולות של חומר שני, תוך התשלבות בקשרים המולקולריים.

השתלבותן של מולקולות, בין הקשרים הבין מולקולריים של מולקולות אחרות אפשרית כאשר הקשרים הם מאותו סוג:

1. מולקולות לא קטוביות יכולות להשתלב בקשרי ון דר ולס מסוג דו-קוטב רגעי בין מולקולות לא קוטביות אחרות. חומר "לא קוטבי" נמס בממס לא קוטבי.
2. מולקולות קוטביות נמסות בממס קוטבי (כמו מים) כאשר הן משתלבות בזכות קשרי ון דר ולס מסוג דו-קוטב קבוע או בזכות קשרי מימן.
3. מולקולות בהן יש חלק לא קוטבי וגם חלק אחר קוטבי, יוכלו להשתלב גם בקשרי ון דר ולס מסוג דו קוטב רגעי עם ממס לא קוטבי, וגם בקשרי ון דר ואלס מסוג דו קוטב קבוע או לחלופין בקשרי מימן עם ממס קוטבי. חומר כזה נמס גם בממס לא קוטבי וגם במים.

ניתן לסכם ולאמר: חומר נמס בחומר הדומה לו - קוטבי נמס בקוטבי, לא קוטבי נמס בלא קוטבי.

המסת חומר יוני במים

תהליך בו יונים מתפזרים בין מולקולות המים, תוך הווצרות משיכה חשמלית בין היונים לבין הקטבים המתאימים של מולקולות המים (+ אל -).

סיכום תכונות החומרים

חומר יוני

בנוי מיונים חיוביים ושליליים במבנה של סריג יוני. בין היונים מתקיימים קשרים יוניים חזקים. חומרים אלה מוצקים בטמפרטורת החדר. טמפ' היתוך ורתיחה גבוהות. מסיסים במים ובממסים קוטביים אחרים. אינם מסיסים בחומרים לא-קוטביים. חומרים יוניים מוליכים חשמל בתמיסה ובמצב נוזלי (רק במצבים אלו ישנם יוניים חופשיים לנוע - תנאי הכרחי להולכת חשמל).

מתכות

מתכות (ראה תכונות נוספות). במתכות הן בעלות מבנה של סריג מתכתי - יונים (גלעינים) חיוביים המוקפים בים של אלקטרונים. המתכות הן מוצקות בטמפרטורת החדר (למעט כספית), בעלות נק' רתיחה והיתוך בינוניות עד גבוהות. הן מולכיות חשמל במוצק ובנוזל. אין מסיסות למעט מתכות אלקאליות אשר מגיבות עם מים.

חומרים אטומריים

חומרים אלו בנויים מסריג אטומרי בו כל החלקיקים קשורים זה לזה בקשרים קוולנטים חזקים. כל החומרים האלו הם מוצקים בעלי טמפרטורות היתוך ורתיחה גבוהות מאד. הם מבודדים (למעט גרפיט אשר מוליך היטב) ואינם נמסים בממסים. החומרים האטומרים הם: פחמן בצורת יהלום ובצורת גרפיט, קרביד הצורן (SiC), וצורן דו חמצני (SiO₂).

חומרים מולקולריים

קבוצה זו של חומרים היא רחבה ביותר וכוללת חומרים בעלי תכונות שונות ומגוונות. חומרים אלו יכולים להיות בטמפרטורת החדר במצב מוצק, נוזל או גז. בין החלקיקים שלהם מתקיימים ואן דר ואלס חלשים ולכן על פי רוב הם בעלי טמפרטורות היתוך ורתיחה נמוכות יחסית. הם אינם מוליכים חשמל ומסיסים בממסים שונים בהתאם לקוטביות שלהם (ראה בסיכום זה את החלק של המסה ומסיסות).

טבלת סיכום

חומר	אטומריים	יוניים	מתכות	מולקולריים
סוג הקשר	קוולנטים	קשר יוני	מתכתי	בתוך המולקולה: קוולנטי, בין מולקולות: ו-ד-ו או קשרי מימן
חומרים מרכיבים	אל-מתכות חוץ מ: טורים 7-8, NOF ו-PS.	אל מתכות + מתכות (חוץ ממקרים עם NH+4)	מתכות	אל מתכות
אופי הקשרים	בין גרעינים לזוגות e- קושרים. (בגרפיט נוצרות שכבות של אלקטרונים חופשיים ולכן הוא מוליך ו גם מתפורר.)	בין אניון לקטיון	בין גלעינים לבין ים של אלקטרוני ערכיות.	בתוך המולקולה: בין גרעינים לזוגות אלקטרונים קושרים. בין מולקולות: ו-ד-ו בין קטבים שליליים וחיוביים. קשרי מימן בין יסודות NOF לבין H הקשור ל-NOF במולקולה אחרת.
מצב צבירה	מוצק	מוצק	מוצק (חוץ מכספית)	גז\נוזל\מוצק
טמפרטורת התכה\רתיחה	++++	+++	++(+)	+
מוליכות חשמל (נוזל)	-	+	+	-
מוליכות חשמל (נוזל)	- (פרט לגרפיט)	-	+	-
המסה במים	-	מתמוססים (פרט לתרכובות Ag עם הלוגן).	מתכות מטורים I-II מגיבות תוך פליטת מימן.	אם יש יסודות NOF והחלק ההידרופובי לא חורג מ-3C.