אטומים ומולקולות

אטום הוא יחידת המבנה הבסיסית ביותר של החומר.

מולקולה היא קבוצה של שני אטומים או יותר המחוברים יחד.

במולקולה יכולים להיות אטומים מאותו הסוג, או אטומים מסוגים שונים.

את המולקולות השונות ניתן לראות רק במיקרוסקופים החזקים ביותר, ולא בעין האנושית, וכשמסתכלים על המולקולות השונות, ניתן לראות את ההבדלים ביניהן. הבדלים אלו בין מבנה מולקולה אחת לאחרת הם שגורמים להבדלים בין חומר אחד לאחר.
המולקולות השונות גורמות לשוני במצבי הצבירה, בגמישות החומר, במוליכות החומר, בקשיות החומר וכדומה.

לדוגמה:
בתמונה המצורפת, נראות שלוש מולקולות (מים, אלאנין וגלוקוז), המורכבות מהאטומים הבאים: חנקן (תכול), חמצן (אדום), פחמן (שחור) ומימן (לבן).

• מים: שני אטומי מימן וחמצן אחד.

• אלאנין (חומצה אמינית): 3 אטומי פחמן, 7 אטומי מימן, 2 אטומי חמצן ואטום אחד של חנקן.

• גלוקוז: 6 אטומי פחמן, 6 אטומי חמצן ו- 12 מימנים.

נוכל להמשיל אטומים ומולקולות לאותיות ומילים:

אם פעם חיפשנו כמה מילים אפשר להרכיב באותיות המילה אנציקלופדיה, היום נחפש כמה מילים ניתן להרכיב מאותיות המילה ויקיפדיה.

ויקיפדיה תהיה המולקולה שנחקור.
ה"אטומים" המרכיבים את המילה ויקיפדיה הם ו', י', ק', פ', ד', ה'.

כעת, נבדוק כמה "מולקולות" אפשר ליצור מה"אטומים" האלו יחד, ונראה שיש המון "מולקולות" אפשריות: קו, פה, יד, קפה, יפה, די, קוד, הי, הד, הוד וכו'.

אם ניקח את כל המילים הללו יחד, נראה שניתן להרכיב מהן הרבה משפטים שונים. באותו אופן, אם ניקח את כל המולקולות שניתן להרכיב מהאטומים השונים, נוכל להרכיב בעזרתן הרבה מאוד חומרים.

הכרנו מהם אטומים ומולקולות, אז אם כך, מהו יסוד?

הטבלה המחזורית המוכרת לכל העוסק בענף הכימיה, מתארת 118 יסודות המוכרים כיום. כל מה שמורכב מסוג אחד של אטום הוא יסוד. כמה מהיסודות המוכרים לכולנו הם החמצן, המימן, הנחושת, הזהב, הצורן (סיליקון), האורניום, וגם נתרן וכלור.

הטבלה המחזורית היא סידור גרפי של כל היסודות. בטבלה המחזורית, היסודות הדומים בתכונותיהם מופיעים האחד מעל לשני ומרוכזים באזורים מסויימים בטבלה.

הטבלה המחזורית היא המסמך היחיד שמאחד את רוב המידע בכימיה.

המונח 'מחזורי' משקף את העובדה שקיימת תבניתיות, חזרתיות, בתכונות של היסודות. אם נסדר את כלל היסודות לפי המספר האטומי* שלהם, יסודות שמראים תכונות כימיות ופיזיקליות דומות יהיו מסודרים במרווחים מסוימים קבועים.

בטבלה המוכרת כיום, היסודות מסודרים כך שקבוצת יסודות בעלי תכונות דומות יהיו מסודרים בטור אחד בטבלה.

* מספר אטומי האטומים בנויים מחלקיקים קטנים עוד יותר, הנקראים פרוטונים, ניוטרונים ואלקטרונים. המספר האטומי של יסוד הוא מספר הפרוטונים שנמצאים בגרעין האטום שלו.

דמיטרי מנדלייב היה הראשון לפרסם גרסה של טבלה מחזורית. הוא עשה זאת בשנת 1869. הגדולה של הטבלה המחזורית של מנדלייב היתה שהיא הצליחה לנבא את קיומם של יסודות שלא היו מוכרים לאדם בשנת 1869, והתגלו רק עשרות שנים לאחר מכן.

כשהטבלה המחזורית שאנו מכירים כיום מבוססת על גרסתו של מנדלייב. ניתן לקבל המון מידע מהטבלה המחזורית ותוכלו להתנסות בכך בעזרת הטבלה המחזורית הבאה:

מה קורה בתוך האטום?

מדענים רבים ניסו במשך שנים רבות לחקור את מודל האטום.
המודל הראשון פותח ב- 1904, ע"י המדענים תומסון וקלווין, אך כבר בשנת 1911 הוצע מודל אחר על ידי רותרפורד. רותרפורד הציע מודל שעל פיו המטען החיובי באטום מרוכז בגרעין, ומוקף על ידי חלקיקים שליליים המכונים אלקטרונים.

בהמשך, שופר המודל על ידי בוהר, שקבע כי רק האלקטרונים הנמצאים במצב יציב סובבים סביב הגרעין החיובי.
בוהר קיבל פרס נובל על תרומתו לפיסיקה ב- 1922.

בהמשך, תמכו ג'יימס פראנק וגוסטב הרץ בעבודתו של בוהר, וחידדו אותה, וקבעו כי אלקטרונים מאכלסים רק אזורים מסויימים מסביב לגרעין, המסודרים כמו מסלולים סביב הגרעין ומכונים 'רמות אנרגיה'.
הם קיבלו על כך את פרס הנובל ב- 1925.

בתמונה (מתוך The Royal Swedish Academy of Sciences, source) ניתן לראות המסלולים סביב הגרעין שבהם האלקטרונים יכולים לנוע. מסלולים אלו מכונים 'רמות אנרגיה'.

פאולי הרחיב עוד יותר את הידע במבנה האטומי כאשר קבע שהמסלול החיצוני ביותר יכול להיות מאוכלס רק בשני אלקטרונים. פאולי זכה בפרס הנובל על תרומתו למדע הפיסיקה ב- 1945.

כדי להבין את מודל האטום שהתפתח במחצית הראשונה של המאה העשרים, נתבונן בתמונת אטום הפחמן. המבנה האטומי של הפחמן מורכב מ- 6 פרוטונים, 6 נויטרונים ו-6 אלקטרונים.

ניתן לראות שהפרוטונים והנויטרונים נמצאים בגרעין, ואילו האלקטרונים נעים מסביב לגרעין במסלולים קבועים, המכונים רמות אנרגיה.

ומה מייחד כל כך את מבנה מולקולת המים?

מולקולה, כאמור, היא מבנה שכולל אטומים משני סוגים שונים לפחות.
מולקולת המים מורכבת משלושה אטומים משני סוגים: שני אטומים מסוג מימן (מסומנים באיור באות H) ואטום אחד מסוג חמצן (מסומן באיור באות O).
אטומי המימן והחמצן נקשרים זה לזה על ידי שיתוף אלקטרונים. הקשר שנוצר בין מולקולת מים אחת למולקולת מים אחרת נקרא קשר מימני - אטום חמצן אחד נמצא בין שני אטומי מימן.

קשר מימני הוא קשר חזק מאוד ביחס לקשרים הבין-מולקולריים האחרים. בזכות היותו חזק הוא מאפשר למולקולת המים להיות נוזל בטמפרטורת החדר, על אף שמולקולת המים קטנה במשקלה ומורכבת רק משלושה אטומים.

בכך מיוחדת מולקולת המים ממולקולות אחרות בעלות סדר גודל דומה של משקל, כמו מולקולת הפחמן הדו-חמצני אשר בטמפרטורת החדר נמצא במצב גז.