כימיה,
מדע החומרים
לפני הכימיה היתה האלכימיה
בעבר, לפני תחילתו של העידן המדעי, חשבו בני האדם שניתן להפוך ברזל לזהב. היתה זו תקופת ימי הביניים ביבשת אירופה, שבה פרחה האלכימיה. בתהליכים שונים שמוכרים לנו מהכימיה של ימינו – היתוך, המסה, ערבוב, סינון וזיקוק של חומרים, ותוך שימוש בכלים ובטכניקות מעבדה, ניסו האלכימאים לבצע שינויים בחומרים שהיו זמינים להם.
האלכימיה לא היתה מדע. היא היתה פילוסופיה שחיברה בין אמונות דתיות לבין ניסויים בחומרים. אלו הם שני תחומים שנראים לנו היום מרוחקים מאוד אחד מהשני, מכיוון שהיום, צורת החשיבה שלנו היא לוגית-מדעית. אך בעבר שלטה צורת החשיבה הסימבולית – חשיבה בסמלים. בני האדם האמינו שקיים קשר סמלי בין חומרים ותכונותיהם ובין היבטים בנפש האדם.
צורת חשיבה זו גרמה לאלכימאים בארצות המזרח, סין והודו (שם החלה האלכימיה) לנסות ולרקוח מתערובות של חומרים שונים את שיקוי חיי הנצח. באירופה, ניסו אלכימאים בדרך דומה להפוך חומרי גלם נחותים (כמו ברזל ועץ) לחומרי גלם נעלים (כמו כסף וזהב).
האלכימאים נכשלו כמובן בניסיונותיהם המוזרים, ונחשבו לא פעם לנוכלים ולרמאים. במרוצת הזמן, עם צמיחת מדע הכימיה, נעלמה האלכימיה מן העולם.
ממה עשויים חומרים?
לכל חומר יש מבנה בסיסי, והוא נקרא מולקולה. המולקולה, מורכבת מחלקים יסודיים וקטנים עוד יותר – האטומים.
את המולקולות האלו ניתן לראות רק בעזרת שימוש במיקרוסקופים החזקים ביותר.
תגובה כימית
אז נכון שלא ניתן להפוך ברזל לזהב, אך מדע הכימיה מראה לנו שבהחלט ניתן ליצור שינוי בתכונותיו של חומר מסויים באמצעות תהליכים שונים, ואף ליצור חומר חדש מחומרי גלם קיימים.
כאשר מולקולות באות במגע אחת עם השניה, מתרחש תהליך המכונה תגובה כימית, שבמהלכו המולקולות מחליפות אטומים אחת עם השניה. בסוף תהליך שכזה מתקבלות מולקולות שההרכב הפנימי שלהן הוא אחר, ומכיוון שהשתנה ההרכב הפנימי – הן הפכו בעצם למולקולות מסוג אחר, ובמילים אחרות – לחומר אחר.
בחוג קסמי מדע פגשנו דוגמאות לתגובות כימיות שונות. למשל – כאשר ערבבנו חומץ עם אבקת סודה לשתיה, התרחשה לה תגובה כימית בין המולקולות של שני החומרים, וכך נוצרו להן מולקולות מסוג חדש – מולקולות של פחמן דו-חמצני – חומר שמצב הצבירה שלו הוא גז, שמשתחרר אל האוויר.
ישנם אינספור סוגים של תגובות כימיות. התגובות הכימיות השונות מושפעות מהאופן שבו בנויים כל אחד מהחומרים שמשתתפים בתגובה.
דוגמאות שונות למולקולות
מולקולת החמצן מורכבת משני אטומי חמצן זהים. מולקולת המים מורכבת מאטומים משני סוגים שונים – חמצן ומימן. מולקולת הסוכר כבר מורכבת מעשרות אטומים שונים ואילו מולקולת DNA בנויה ממיליוני אטומים (מולקולת ה- DNA היא מולקולה אורגנית – רקמות של יצורים חיים מורכבות ממולקולות אורגניות).
כך נראית מולקולת מים. מולקולת המים היא אחת המולקולות הנפוצות ביותר על פני כדור הארץ, וגם אחת הפשוטות ביותר. היא בנויה מאטום אחד של מימן, שאליו 'קשורים' שני אטומים של חמצן.
ממה עשויים חומרים?
מה מבדיל בין חומר אחד לאחר? מה קובע מהן תכונות החומר, מה קובע האם הוא כבד או קל, באיזה מצב צבירה הוא יימצא בטמפרטורת החדר, האם הוא קשה או רך, גמיש או לא, מוליך חשמל טוב או מוליך חשמל גרוע ועוד?
התשובה לכל השאלות הללו מצויה במולקולה שמרכיבה את החומר: כיצד היא נראית – מכמה אטומים ומאילו אטומים היא מורכבת, ומהם הצורה והמבנה הפנימי שלה או במילים אחרות – כיצד מסודרים האטומים שמרכיבים אותה.
תכונות החומרים השונים הן רבות: משקל, מצב הצבירה, הולכת חשמל והולכת חום, גמישות, ריח, צבע, מרקם ועוד. מדהים לחשוב שכל התכונות הללו הן תוצאה של סידור של מולקולות קטנטנות. כיום, מדענים יודעים למדוד במדויק עד כמה נוכחת תכונה מסויימת בחומר.
כעת תורכם לבדוק את תכונות החומרים השונים!
כמו שהבנו, ההבדלים בין חומר אחד לאחר, בתכונותיהם השונות, נובעים כולם מהמולקולה שמרכיבה את החומר.
זו הסיבה שכימאים רבים עוסקים שנים על גבי שנים בחקר סוגי המולקולות השונות על פני כדור הארץ – הבנת המולקולות תאפשר לנו להבין כיצד ניתן לייצר חומרים חדשים וכיצד ניתן לחקות חומרים קיימים ולייצר אותם במעבדה .
סינתזה - ייצור מולקולות במעבדה
או: מבוא להנדסת חומרים
למה שכימאים ייצרו מולקולות במעבדה?
התשובה הנכונה לשאלה זו היא… בגלל שאנו, בני האדם, צריכים את המולקולות. מדענים מייצרים מולקולות חדשות באמצעות תגובות כימיות. תגובות כימיות יכולות לגרום לשינויים קטנים בחומרים קיימים ומוכרים, או לגרום ליצירתם של חומרים חדשים.
מולקולה שייצר האדם במעבדה נקראת מולקולה סינתטית. תגובות כימיות ליצירת מולקולות סינתטיות מספקות לנו הרבה מאוד מהחומרים שמשמשים אותנו בחיי היום-יום, באופן פרטי או תעשייתי. הדוגמה הבולטת ביותר היא השימוש בתרופות ובתוספי מזון, שרבים מאיתנו צורכים באופן תדיר.
ישנן גם סיבות נוספות ליצירת מולקולות על ידי האדם:
- למטרות מחקר.
כימאים מעוניינים לחקור תופעות כימיות או פיזיקליות כלשהן, למשל חוזק הקשר בין אטומים, או לחקור את מגוון הצורות והמבנים שיש למולקולות בעולם, ואת השפעת המבנים על תפקוד המולקולה בתנאים שונים. הם עושים זאת באמצעות סינתזה של מולקולות. היכולת לסנטז מולקולות מסוימות חיונית לדורות הבאים של הכימאים. זהו חלק עיקרי בלימודי הכימיה. - למטרות חיסכון.
האדם מייצר מולקולות באופן סינתטי בין היתר כדי להפחית עלויות ייצור. חומרים שונים (וביניהם תרופות) יהיו לא פעם זולים יותר לייצור במעבדה מאשר להפקה ממחצבים או מיצורים חיים. בעת ייצורן של מולקולות על ידי האדם, הכימאים מנסים לשפר תהליכים כימיים שקיימים זה שנים רבות. הם מנסים לפתח תהליך ייצור חדשני שבו מתבזבזים פחות חומרים ראשוניים, ושנוצרים בו פחות תוצרי לוואי. חלקם מנסים לפתח תהליך ייצור ידידותי לסביבה, שיועדף על-ידי מפעלי התעשייה שדואגים לעתיד כדור הארץ. - בעולם הרפואה.
בתחום הרפואה נעשה שימוש רב בכימיה. תרופה היא חומר כימי או ביולוגי (רוב התרופות שאנו מכירים כיום הן כימיות) או תרכובת של מספר חומרים שמשמשים לטיפול במחלות. המדע שחוקר איך תרופות פועלות בגוף האדם, שבוחן את השפעת התרופות על האיברים השונים בגוף, את תופעות לוואי שצפויות משימוש בתרופה ואת התגובה של הגוף לתרופה נקרא פרמקולוגיה.
תרופה שמיוצרת כיום מיועדת לטפל במחלה מסויימת או בתפקוד לא תקין של הגוף במספר גדול של מטופלים שסובלים ממחלה דומה. אך מכיוון שמצבו הגופני של אדם אחד שונה ממצבו הגופני של אדם אחר, תרופה משפיעה בצורה שונה על אנשים שונים. על חלקם התרופה תשפיע יותר ועל חלקם פחות, חלק מהאנשים יסבלו יותר מתופעות הלוואי של התרופה, וחלקם פחות. לכן מקווים המדענים שבעתיד ניתן יהיה לייצר מולקולות ייחודיות, שיתפקדו כתרופה שהותאמה במיוחד לאדם מסוים, בהתאם למצב הגופני הספציפי שלו.
ההבדל בין הטבע ובין המעבדה
מיהו יצרן המולקולות הגדול ביותר? הטבע, כמובן. אך מגוון החומרים הסינתטיים (הלא-טבעיים) הקיימים היום, פרי עבודתם של הכימאים, הוא מרשים.
האם חומרים סינתטיים, כאלו שייוצרו במעבדה, נחותים מחומרים טבעיים, שהופקו מצמחים?
כאשר אנחנו בוחנים את תגובת גוף האדם לשני סוגי המולקולות, תגובת הגוף מראה שלרוב המולקולות הטבעיות טובות לנו יותר מהסינתטיות.
אך לא כל החומרים הטבעיים בהכרח טובים לגוף האדם – בטבע ניתן למצוא חומרים טבעיים רבים שמסוכנים לנו – פטריות רעילות, ארס נחשים ועכבישים, ומיני צמחים רבים אשר רעילים לגוף האדם. כל מולקולה, בין אם היא טבעית או שיוצרה במעבדה, תישפט לטובה או לרעה רק לאחר שנבחן את השפעותיה על גוף האדם.
הנה שתי השוואות מעניינות בין חומרים טבעיים, לחלופה הסינתטית שהמדענים מייצרים:
- ויטמינים מלאכותיים
דוגמה למולקולה טבעית המיוצרת באופן סינתטי היא ויטמין C. ההרכב הכימי של המולקולה הסינתטית למולקולה של ויטמין C הטבעי. לכן טעמה של המולקולה הסינתטית זהה לזו הטבעית, ריחה זהה ותפקודה בגוף זהה. מצב זה, של זהות בין המולקולות הטבעיות והסינתטיות, נכון לרוב המולקולות המיוצרות על ידי האדם.
אך ישנם מקרים, בהם נוצרים בתהליך הסינתזה תוצרים שאינם רצויים לנו. למשל, עבור ויטמין E, ישנו שוני בין המולקולה הטבעית והסינתטית. התוצר הסינתטי יעיל פחות מהויטמין הטבעי, ולכן, באופן טבעי, נעדיף לצרוך את הויטמין הטבעי ולא את הסינתטי (אך אין זה אומר שהויטמין הסינתטי רעיל).
- משפחת החומרים הפלסטיים
אחד התחומים הראשיים אחר שבו מתבלטת הכימיה היא תעשיית הפולימרים. ישנם פולימרים טבעיים וסינתטיים, ואת רובם אנחנו מכירים: פולימרים סינתטיים הם קבוצת חומרים שאנחנו נוהגים לכנות 'פלסטיק': ניילון, פוליאתילן, טפלון, אפוקסי. לעומתם, הפולימרים הטבעיים ממוצים מהטבע, וגם אותם אתם מכירים: משי, צמר, די-אן-איי, חלבונים וסוכרים.
דוגמה לפולימר שמצוי גם בצורה טבעית וגם מיוצר על-ידי האדם, הוא הגומי. בטבע ניתן להפיק גומי ממספר סוגים של עצים. ניתן גם לייצרו במעבדה על ידי על ידי תהליך כימי שנקרא פילמור מונומרים, אשר מחקה את הגומי הטבעי. הגומי שמיוצר במעבדה מועדף בדרך כלל על ידי הכימאים בתעשיית הגומי, מכיוון שניתן להקנות לגומי המלאכותי את התכונות הפיזיקליות והכימיות הרצויות לנו, ודי בקלות.
בתמונה: כך מפיקים צֶמֶג (חומר הגלם הטבעי שממנו מופק גומי) מעץ הגומי.
בתמונה: מוצרים שאתם מכירים שמיוצרים מגומי, חלקם אף מגומי טבעי.
