אפשר להבין את השאלה בשתי צורות, אענה על שתיהן:
על פי הגדרה מיושנת, ישנו סיווג של המתכות בעולם ל'מתכות כבדות' ול'מתכות קלות', כאשר קו הגבול הוא צפיפות (או משקל סגולי) של 5 גרם לסמ"ק (ע"פ ספר כימיה ישן) או 4 גרם לסמ"ק (לפי וויקיפדיה, שגם היא בעצם מסתמכת על ספר כימיה ישן אחר). אם השאלה התייחסה לסיווג, אז כל סמ"ק של אלומיניום שוקל 2.7 גרם ולכן מסווג למתכת קלה. יש לציין שלסיווג זה אין כל בסיס מדעי, והוא שרירותי לחלוטין (ומקורות שונים גם מציינים קו גבול שונה), לרוב מיחסים ל'מתכות הכבדות' – רעילות. ברוב המקרים זה נכון אבל עם מספר יוצאים מהכלל כמו למשל ברזל (צפיפות 7.9 גרם לסמ"ק) – שלפי ההגדרה הינו מתכת כבדה אבל הוא מינרל חיוני שנחוץ לגוף בכמויות גדולות, זהב ופלטינה – כבדות ביותר אבל לא רעילות, וה'מתכות הכבדות' נחושת ומוליבדן – גם מינרלים חיוניים, שנחוצים לגוף (אך בניגוד לברזל בכמות מזערית).
אם כוונת השאלה הייתה 'מה הסיבה שאלומיניום הוא קל' – כלומר מה גורם לכך שלאלומיניום ישנה צפיפות נמוכה, צריך להבין מה הם הגורמים המשפיעים על צפיפות.
צפיפות זה בעצם מסה ליחידת נפח, כיוון שחומר מורכב מאטומים (או מולקולות) אז זה בעצם אטומים ליחידת נפח. מכאן ברור כי:
1. ככל שהרדיוס של כל אטום יהיה יותר קטן, כך אפשר יהיה לצופף באותה יחידת נפח יותר אטומים, והצפיפות תעלה. כפי שמודגם בתמונה הבאה:
(אולם יש לזכור שרדיוס של אטומים הוא גודל די קשה להגדרה, כפי שמוסבר בתשובה שבקישור)
2. ככל שכוחות המשיכה בין האטומים יותר חזקים – כך האטומים קרובים יותר אחד לשני, והצפיפות גדלה. בכוחות משיכה חלשים ביותר- החומר בכלל משנה מצב צבירה לנוזל ואפילו לגז – אשר בו הצפיפות של החומר אפסית בהשוואה למוצקים ונוזלים.
3. אופן סידור האטומים במצב מוצק – משפיע על צפיפותם, יש סידורים צפופים יותר וצפופים פחות. התמונה הבאה מדגימה זו:
הסידור מימן צפוף יותר, זה ניכר לעין כאשר מדובר בכמות גדולה של כדורים:
שטח הסידור השמאלי, בהנחה שכל כדור בקוטר 1, הוא 9×6=54, ושטח הסידור מימן (שטח מקבילית) הוא 9×5.3=50.88, כלומר הסידור הימני צפוף יותר כי מכיל אותו מספר אטומים (54), בשטח יותר קטן, זהו סידור המתאפיין בכך שכל כדור מוקף ב-6 כדורים שכנים, ולא רק 4 כמו בסידור שמשמאל. המצב הדו-מימדי שהוצג בדוגמא דומה למצב הקיים בגבישים, רק ששם הסידורים הם בתלת מימד, כמו לסדר תפוזים בארגז קרטון. מעניין לציין שיש לגבישים בטבע 14 סוגי 'שיטות' / משפחות שונות (בלבד!) לסידור החלקיקים בצורה תלת מימדית, מכונים סריגי בראבה, ע"ש הפיזיקאי שגילה אותם.
4. רוב המסה של האטום – נמצאת בגרעין שלו (מסביב לגרעין נמצאים האלקטרונים, אולם אלקטרון שוקל פחות מאלפית ממשקל של פרוטון או נייטרון שנמצאים בגרעין, ולכן ניתן להזניח את תרומתם למשקל הכללי). ולכן ככל שהמסה של אטום גדולה יותר – כך הגביש יכיל יותר מסה ליחידת שטח ויהיה צפוף יותר.
לאלומיניום – רדיוס יוני (האלומיניום, כמו כל מתכת, נמצא במצב של יון בתוך הגביש, ראו הסבר מפורט על מבנה מתכות בקישורים בתחתית התשובה) של 54 פיקומטר (החלק הטריליוני, 10-12, של המטר), זהו קטן מזה הקיים במתכות רבות (לדוגמא ברזל 68, כסף – 90) שאמור דווקא לגרום לאלומיניום להיות צפוף. נקודת ההיתוך של האלומיניום, שמעידה על הכוחות המשיכה המחזיקים את האטומים יחדיו, בינונית-נמוכה יחסית למתכות, אבל בכל מקרה גבוהה בהרבה ממתכות כמו כספית – שהיא נוזלית אפילו בטמפ' החדר, ובכל זאת, למרות שבאלומיניום כוחות משיכה חזקים משל כספית, כספית צפופה הרבה יותר (13.3 גרם\סמ"ק). הסידור הגבישי – משנה את הצפיפות בסדרי גודל של אחוזים בודדים (לא יותר מ 20%) ובכל זאת לרוב המתכות צפיפות גדולה במאות אחוזים מזו של אלומיניום – כך שברור שזו לא יכולה להיות סיבה. ומכאן שנשארה רק הסיבה האחרונה – ואכן, אטום האלומיניום עצמו הוא קל יחסית, ומכיל 13 פרוטונים ו-14 נייטרונים (סה"כ משקל אטומי 27). אפשר לקבוע שהסיבה העיקרית בגללה אלומיניום הוא מתכת קלה זה שאטום האלומיניום עצמו – הוא אטום קל, בצורה משמעותית, ממתכות 'כבדות' אחרות. למשל – ברזל במשקל אטומי 56, זהב – 197 או אורניום – 238.
רדיד אלומיניום, קל. תמונה באדיבות וויקיפדיה
חשוב להדגיש שכל הגורמים שציינתי פועלים במשולב לקביעת צפיפות של חומר, ולא רק המסה האטומית, ובאמת היסודות הצפופים ביותר שנמצאים בכדור-הארץ הם בכלל המתכות אירידיום ואוסמיום (כל סמ"ק שלהם שוקל יותר מ 22 גרם, זה אומר שבקבוק שתייה של 1.5 ליטר המלא באירידיום שוקל יותר מ-33 קילו!), כל זאת למרות שלאירידיום מספר אטומי 77, וישנם (בטבע) לפחות 15 יסודות בעלי אטום כבד משלו.
מאת: ד"ר אבי סאייג
מכון דוידסון לחינוך מדעי
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.
