נוסח השאלה המלא: מה גודל מולקולת אויר-חנקן בהשוואה לגודל מולקולת מים?
זה יכול להישמע מוזר, אבל 'גודל' הוא לא פרמטר מוגדר ומוסכם כאשר מדברים על אטומים ומולקולות. עבור עצמים שאנו נתקלים בהם בחיי היום-יום שלנו, מגולות ועפרונות ועד בתים ומטוסים, אין בעיה למדוד בדיוק רב, מידות כמו אורך רוחב וגובה, אולם בעולם האטומי, מסתבר, ישנה בעיה. מסתבר שהאלקטרונים שנמצאים בגבולו של האטום (ולמעשה קובעים את גודלו) לא נמצאים במרחק מוגדר מהגרעין שבמרכז האטום. נהוג היום לדבר על 'ענן של הסתברות' למצוא את האלקטרון מסביב לגרעין האטום, כאשר ככל שמתרחקים מגרעין האטום ההסתברות למצוא את האלקטרון הולכת וקטנה, אבל מבחינת תיאורטית תורת הקוונטים מראה היא ההסתברות למצוא את האלקטרון לא יורדת לאפס, היא רק 'שואפת' לאפס. כלומר ככל שמתרחקים מהגרעין של האטום יש פחות סיכוי למצוא אלקטרונים שקשורים אליו, אבל בכל מרחק תמיד קיים סיכוי כזה. זאת הסיבה שנהוג לצייר את האטומים כמו מין ענק שהולך ונהייה פחות צפוף ככל שמתרחקים מהמרכז:
אטום הליום, איור : Yzmo, תמונה באדיבות ויקיפדיה.
ועכשיו השאלה היא איך להגדיר גודל או רדיוס של אטום? האם לפי גבול האיזור בו האלקטרונים נמצאים בסבירות של 90% או אולי 99% או 99.9%? הדבר דומה לטיסה דרך ענן (למי שאי-פעם חווה): כאשר רחוקים מהענן נראה שיש לו גבול ברור, גם כאשר נמצאים 'בתוך הענן' זה מאוד ברור, אבל דווקא איזור הגבול מאוד מטושטש ולא ברור לחלוטין מתי המטוס נכנס או יוצא מהענן, כי הענן פשוט הולך ודועך לו, והראות הולכת ומתבהרת לאט לאט, ללא גבול חד.
עננים, גם ללא גבול חד. תמונה באדיבות ויקיפדיה.
אפשר גם לנסות למדוד את הרדיוס של האטומים (ולא לחשב אותו), אבל גם זה לא פותר את הבעיה: מסתבר שהרדיוס יוצא שונה בשיטות מדידה שונות, וכאשר האטומים נמצאים בתנאים כימיים שונים: למשל מדידת רדיוס 'ואן-דר-וואלס' משתמשת בשיטה של מדידת נפח של גז בדר"כ ובודקת מה המרחק המינימלי אליו 2 אטומים (ממולקולות שונות) יכולות להתקרב זו לזו (כאשר חצי המרחק נחשב רדיוס), תוצאה זו בדרך כלל גדולה פי – 2 ומעלה מרדיוס שנמדד על ידי מדידה של גביש מוצק טהור של חומר (זוהי מדידה קלה ומדוייקת. נפח של אטום מתקבל על ידי חלוקת נפח הגביש הגדול במספר האטומים שבו). תוצאה שונה – מתקבלת כאשר מודדים רדיוס קוולנטי – שזה המרחק בין גרעיני שני אטומים הקשורים זה לזה בתוך מולקולה (הרדיוס הקוולנטי הוא חצי מהמרחק הזה). בטבלא הבאה אפשר לראות רדיוסים של 20 האטומים הראשונים לפי השיטות השונות (empirical= ע"י מדידת נפח גביש, calculated – על ידי חישוב צפיפות אלקטרוני קוונטי, van der waals – נפח וואן דר וולס ו- covalent – על יד מדידת מרחק בתוך קשר קוולנטי). שימו לב עד כמה הרדיוסים שונים בכל שיטה ושיטה (הרדיוסים ניתנים ביחידות של פיקו מטר, (פיקו מטר, אחד חלקי טריליון, 10-12, של מטר) ).
הטבלה עובדה מתוך ויקיפדיה
בנוסף לכל ה'צרות' הללו – כאשר אטום נמצא בתוך שדה חשמלי (ולצורך העניין, אפילו אם יש לידו אטומים הטעונים מטען חשמלי זה נחשב שהוא נמצא בשדה חשמלי) כל הרדיוס כבר לא כדורי, ויכול לקבל את צורת ה'אורביטלים' (מסלולונים) של האלקטרונים באטום, בצורות הללו אין בכלל מה לדבר על 'רדיוס' כי לא מדובר על כדור.
אחרי ההבהרה הארוכה הזו, על 'גדלים' של אטומים ומולקולות, אענה על התשובה, באמצעות רדיוס קוולנטי (כלומר רק המרחק בין גרעיני האטומים, יש לזכור שגם מרחק מדיד זה הוא ממוצע, בפועל הקשרים רוטטיים והאטומים זזים מספר רב מאוד של פעמים בשנייה). עבור מולקולת מים, הבנוייה משני אטומי מימן (H) ומאטום אחד של חמצן (O) המבנה הוא של זווית, ואורך הקשרים בין חמצן למימן הוא כ-95 פיקו-מטר והזווית היא של כ 104o, כפי שרואים בתמונה:
.jpg)
תמונה עובדה מתוך ויקיפדיה.
חשבון טריגונמטרי פשוט מראה שהמרחק בין אטומי המימן (H) שבמים הוא 151.5 פיקו-מטר. עבור חנקן, כיוון שמדובר במולקולה של שתי אטומים בלבד, N2 – מדובר במולקולה קווית (דרך שתי נקודות עובר רק קו אחד), כאשר המרחק בין הגרעינים של כל אטום חנקן הוא 110 פיקו-מטר. סה"כ מים וחנקן בגדלים 'דומים' (אם מתחייסים רק לגודל קוולנטי): כאשר עבור מים המרחק בין חמצן למימן קטן יותר מאורך מולקולת חנקן בקצת, והמרחק בין אטומי המימן גדול יותר.
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.
