כימיה - 3 יחידות/מבנה האטום
מתוך ויקיספר, אוסף ספרי הלימוד והמדריכים החופשי.
תוכן עניינים |
[עריכה] מבנה האטום
האטום, (ביוונית עתיקה פירושו בלתי ניתן לחלוקה), הוא אבן הבניין של כל חומר. בתקופה העתיקה היו ויכוחים רבים בנוגע למהות החומר. למשל, עלו שאלות כגון ממה עשויים מים? מבין התשובות שעלו עלתה הנחתו של דמוקריטוס שטען שהחומר מורכב מיחידות שאינן ניתנות לחלוקה, כלומר, ניתן לחלק, למשל, קרש מעץ, רק עד חלקים קטנים בגודל מסוים. לחלקים קטנים מאוד אלה, קרא דמוקריטוס אטומים. לרוע המזל, במהלך ההיסטוריה של העולם המערבי, לא זכתה תורתו של דמוקריטוס להכרה על ידי הכנסייה הקתולית ונשכחה. במקומה אומצה תיאוריה אחרת שטענה שהעולם מורכב מארבעה יסודות: אש, מים, רוח ואדמה. לימים התברר שלתורה זו אין בסיס מציאותי וזו נזנחה. כאמור, על פי היוונים האטום הינו אבן הבניין היסודית של החומר אך הדבר אינו כך. למעשה, גם האטום מורכב מאבני יסוד קטנות יותר, הנקראות חלקיקים אלמנטריים. קיימים סוגים שונים ורבים של חלקיקים אלמנטריים. אנו נתייחס רק לאלו שמרכיבים את החומר והם האלקטרון, הניוטרון והפרוטון. בכימיה לא נתייחס למבנה המסובך של האטום שמתואר בתורת הקוונטים, אלא למודל פשוט יותר, שקל יותר לשימוש ואינו דורש מתמטיקה גבוהה יתר על המידה ולא ידע מעמיק בפיסיקה קוונטית. ואף על פי הכל, לא יאומן עד כמה מורכב עולמנו, מכיוון שלא יאומן, עד כמה מורכב האטום.
[עריכה] מבנה כללי
באופן מופשט נוכל להתייחס לאטום כמערכת שמורכבת מגרעין (נושא מטען חיובי) ומאלקטרונים הנמצאים מסביב לגרעין (הנושאים מטען שלילי). נהוג להתייחס לאלקטרונים כמעין "ענן" לא מוגדר שמרחף מעל האטום. בפיסיקה קוונטית מתייחסים לעקרון שנקרא עקרון אי-הוודאות של הייזנברג. בשל עקרון זה, בכימיה לא נוכל להתייחס למיקומו המדוייק של האלקטרון, אלא על ההסתברות שלו להמצא במקום מסויים. מכיוון שזהו עקרון פיסיקלי בסיסי, לא ניתן להתייחס לאלקטרון באטום כמעין כדור כפי שהיינו יכולים לצפות מחלקיק באופן אינטואיטיבי. עקרון זה הוא עקרון חשוב מאוד בכימיה.
[עריכה] הגרעין
גרעין האטום הוא החלק המכיל את נושאי המטען החיובי, הנקראים פרוטונים. הפרוטון כבד פי כ-2000 מהאלקטרון, לכן גרעין האטום הוא האחראי הכמעט בלעדי למשקלו. בגרעין האטום מצויים שני סוגים של חלקיקים יסודיים (גם הם מורכבים מאבני בניין קטנות יותר אך אין זה קשור לכימיה): פרוטונים וניוטרונים. הניוטרונים הם חלקיקים מעט כבדים יותר מהפרוטונים אך אין הם נושאים מטען חשמלי כלומר הם נייטרליים ועל כן שמם. הניוטרונים הם חלקיקים שאינם יציבים מחוץ לאטום ומתפרקים לחלקיקים פשוטים יותר (הם למעשה מתפרקים לפרוטון, אלקטרון וחלקיק נוסף שנקרא ניוטרינו). ניוטרונים אינם משחקים תפקיד חשוב בכימיה. הכימיה עוסקת רק בכוחות חשמליים ומגנטיים בין החלקיקים. מכיוון שהניוטרונים הם נייטרליים, אין הם מושפעים ממטענים חשמליים או שדות מגנטיים. פרוטונים הם חלקיקים בעלי מטען חיובי, הזהה בגודלו לזה של האלקטרון אך הפוך בסימנו. כידוע, מטענים חיוביים ושליליים נמשכים בטבע, ואילו מטענים חיוביים דוחים אחד את השני (וכך גם שליליים). באותו אופן, גם חלקיקים יסודיים כמו אלקטרונים נמשכים לגרעין האטום שמכיל רק חלקיקים נייטרליים וחלקיקים חיוביים. קוטר הגרעין הוא קטן מאוד ביחס לגודל האטום כולו. הפרוטונים מרוכזים במקום קטן מאוד. למעשה, הגרעין כל-כך קטן, עד אשר נוכל להמשילו לגודל של נמלה בתוך מגרש של כדורגל (גודל האטום ניתן לחישוב מתוך ידיעת המקום הממוצע של האלקטרון, על כך נדון בהמשך). מכיוון שהגרעין מאוד מרוכז, ברור שישנם כוחות חשמליים גדולים של דחייה בין אותם פרוטונים שנמצאים צפופים בגרעין. אותם כוחות מאוזנים על ידי כוחות חזקים עוד יותר, אך שאינם משפיעים על תגובות כימיות ולכן לא נדון בהם.
[עריכה] ענן אלקטרונים
למען הפשטות, נתייחס לאטום הפשוט ביותר, הרי הוא אטום המימן (H). זהו אטום שמורכב מפרוטון אחד בגרעין (ללא ניוטרון) וכעת גם נניח שיש מסביבו ענן של אלקטרון אחד (אלקטרון מסומן e − ). כלומר, יש באטום כולו מטען חשמלי חיובי אחד (בגרעין) ומטען חשמלי שלילי אחד (בקליפה - כלומר ענן האלקטרון). ביחד, האטום כולו הוא נייטרלי, כלומר, מטען אחד של פרוטון פחות מטען אחד של אלקטרון (כי המטענים הפוכים). מתברר, כי במצב זה, יכול האלקטרון להמצא במספר מצבים הנקראים מצבי אנרגיה או רמות אנרגיה. אלקטרון יכול להתקיים רק ברמות אנרגיה אלו. לכל רמת אנרגיה רדיוס משלה והאלקטרונים עוברים מרמה לרמה באורך מיידי כאשר הם מקבלים אנרגיה מספיקה לכך ממקור חיצוני.נושא רמות האנריגה דורש דיון מעמיק יותר ועל כן נדון בו בהמשך. בשלב בסיסי זה, אין צורך להתייחס לאלקטרון בקליפה כ"ענן". ייטב לנו אם נחשוב עליו כעל כדור הנושא עמו מטען חשמלי שלילי על מנת שלא נסתבך ללא צורך בניסוחים לא ברורים.
[עריכה] אנרגית ינון
[עריכה] יסודות
השם "אטום" בא מהמילים: א (בלטינית: בלתי) ו-טום (בלטינית: ניתן לחלוקה). למעשה ראינו האטום מורכב מחלקים קטנים, אך בכל זאת יש משהו נכון בשם. האטום הוא החלקיק הקטן של חומר, ומרכיביו אינם עונים כבר להגדרה חומר שהרי האלקטרונים, הפרוטונים והנייטרונים הינם חלקיקי אנרגיה.
היסוד הוא אטום בעל תכונות מסויימות, בעוד שמה שמפריד בין היסודות הוא מספר הפרוטונים בגרעין, הנקרא מספר אטומי, כך שלכל יסוד יש מספר אטומי משלו
[עריכה] איזוטופים
איזוטופים הם אטומים מאותו סוג(בעלי מספר פרוטונים שווה) אך בעלי מספר נוייטרונים שונה. אטומים כאלה נבדלים בתכונותיהם הפיזיקליות, אך דומים בתכונות הכימיות שלהם.
לעומת זאת, שינוי במספר הפרוטונים משנה את סוג האטום.
[עריכה] מספר מסה
מספר מסה מחושב לפי מספר פרוטונים ונויטרונים שנמצאים באטום, כאשר כל אחד שווה יחידת מסה אחת. לדוגמה, אם ניקח אטום טריטיום(איזוטופ של מימן, יסוד בעל פרוטון אחד, בעל 2 נויטרונים), מספר המסה שלו יהיה 3(פרוטון אחד ו-2 נויטרונים).
מכיוון שקשה להפריד בין איזוטופים שונים של אותו יסוד, ומכיוון ששכיחות האיזוטופים של מימן שאינם בעלי מסה של 1 גבוהה יחסית, לא משתמשים במימן כיחידת מדידה של מספרי מסה, אלא משתמשים בפחמן (אשר מספר המסה שלו 12) אשר ממנו קל יחסית לבודד את האיזוטופ השכיח ולהשתמש בו כאמת מידה. לכן מספר המסה של פחמן תמיד מוגדר כ-12 וכל שאר היסודות מוגדרים לפיו. הערה: ניתן לכלול את האלקטרונים בחישוב, אך לרוב המטרות משקלם זניח משום שהם ב-3 סדרי גודל יותר קטנים. למעשה, הם זניחים ביחס להפרשים הנוצרים עקב קיום איזוטופים ליסודות במרבית החישובים.
נושאים בכימיהחומר עזר
|
|
