שיטה אחת להבדלה בין מינרלים? ישנם המון שיטות, כל-כך הרבה (עשרות) שאין אפשרות לספר ולהסביר על כולן במסגרת של תשובה בודדת במדור, ולכן אפרט רק על השיטות השימושיות ביותר בימיינו.
היכולת להבדיל ולזהות מינרלים שונים (ובאופן כללי חומרים שונים) היא חלק מ'תחומי האחריות' של ענף בכימיה שנקרא כימיה אנליטית. הכימיה האנליטית עוסקת בפתרון השאלה: מה הוא החומר או החומרים (נקראת אנליזה איכותית), ומה היחס הכמותי בין החומרים (אם מדובר בתערובת חומרים, נקרא אנליזה כמותית). כימיה אנליטית מאפשרת בימיינו, למשל, למסור מבחנה קטנה עם דם ולקבל תוך כמה דקות רשימה של כל המינרלים והחומרים האורגניים שבדם ואת הריכוז היחסי שלהם, בדיוק רב ביותר. כאמור – ישנם המון שיטות הבדלה/אנליזה ולכן אסקור רק 4 'משפחות' של שיטות, על פי עקרונות הפעולה שלהם, אשר נמצאות בשימוש נרחב בימיינו.
שיטות ספקטרוסקופיות: להרבה מינרלים וחומרים יש צבע שונה, בעבר הצבע ומראה העיניים שימשו את הכימאים להבדלה בין חומרים. בימיינו התרחבו השיטות מאוד – כך שאת הבליעה או הפליטה של האור בודקים גלאים אלקטרונים מדוייקים. הצבע של החומר מיצג חלק קטן ביותר של הקרינה האלקטרומגנטית. כפי שניתן לראות בתמונה הבאה.
ספקטרום הקרינה האלקטרומגנטית
ולכן בימיינו בודקים בליעה או פליטה של קרינה על ידי חומרים, בכל התדירויות שיש (בבחינת 'מי שבא – ברוך הבא' כלומר, נעזרים בכל תחום תדרים שבו מצאו שיש הבדל בבליעה או בפליטה של קרינה בין חומרים שונים).
החל מקרינת גמא – שיכולה להיפלט בתדירות אופיינית מאטומים רדיו-אקטיבים, מקרני X שיכולים להיבלע או להיפלט מאלקטרונים פנימיים באטום – יש להיזהר ולא להתבלבל בין שיטה זו לבין קריסטלוגרפיה עליה נדבר בהמשך, קרינה אולטרא-סגולית – שיכולה להיבלע או להיפלט מאלקטרונים חיצוניים באטום, קרינה בתחום האור הנראה – ששוב יכולה להיבלע או להיפלט על ידי אלקטרונים חיצויים באטום, האור האינפרא אדום – שנבלע עקב תדירות וויברציה שונה של קשרים כימיים שונים, קרינה בתחום המיקרוגל- שנבלעת לפי תדר סיבוב מולקולות שונות, ואפילו קרני רדיו - אותם בולעים גרעינים של יסודות שונים כאשר נמצאים בשדה מגנטי, שיטת NMR- Nuclear Magnetic Resonance, שיטה בעלת יכולות אדירות להבדלה בין חומרים אורגניים שונים מבוססת על בליעה זו. שיטת ה-NMR (בעברית 'תהודה מגנטית גרעינית') הקלה מאוד על העבודה של כימאים אורגניים, באמצעותה הם יודעים האם הצליחו או נכשלו בייצור החומר שאותו התכוונו לייצר.
סְפֶקְטְרוֹסְקוֹפְיַית מסות: למרות השם הדומה, כאן לא מדובר בבליעה של אור, אלא פשוט בהבדל של מסות. עקב סיבות שלא נכנס אליהם, הקשורות לכוח הגרעיני החזק, אין בטבע שני יסודות שמשקלם זהה בדיוק, אפילו לאיזוטופים שונים, שאמור להיות להם משקל זהה, כמו למשל טריטיום (האיזוטופ של מימן שמכיל גם 2 נויטרונים, 3H) והאיזוטופ של הליום 3He . אם מסתכלים מספיק ספרות אחרי הנקודה העשרונית רואים הבדל: לטריטיום מסה של 3.016049 יחידות אטומיות, ולהליום שלוש מסה של 3.016029. מה שאומר שמסה של חומר מהווה מעין 'טביעת אצבע' של החומר, בזיהוי חד-חד ערכי בין מסה לאטום. ספקטרומטר מסות מגנטי מודרני מסוגל למדוד בקלות מסות בדיוק רב מאוד, דיוק המספיק לזהות בוודאות אטומים שונים. לגבי זיהוי מולקולות – הזיהוי מעט יותר בעייתי משום שכדי למדוד את המסה, ספקטרומטר המסות מיינן את החומרים (מוציא מהם אלקטרונים), מאיץ אותם ואז, מפעיל שדה מגנטי חזק שגורם לחומרים להסתובב, רדיוס הסיבוב פורפורציוני למסה. מולקולות גדולות יכולות להתפרק בזמן תהליך היינון וההאצה. אולם – כל מולקולה מתפרקת לשברים אחרים, את כל השברים – המכשיר מצליח לזהות, כך שעבור מולקולות, השברים והיחס ביניהם מהווים את 'טביעת האצבע' לזיהוי החומר.
שיטות כרומטוגרפיות: שיטות בעלות עוצמה אדירה. את השיטה המציא חוקר רוסי במאה ה-19 בשם מיכאיל צבט, אשר רצה להפריד עלה למרכיביו, הוא כתש עלה למעיין מילקשייק, ואת התמיסה שפך על צינור עם אבקת גיר. מה שהתרחש הוא שעם זרימת התמיסה בצינור, ניתן היה לראות בבירור שחומרים שונים, בעלי צבע שונה (למשל בצבע ירוק או צהוב) זרמו במהירות שונה, כלומר נפדו. (בגלל שחומרים שונים עברו אינטראקציה שונה עם הגיר שבצינור). מכאן שם השיטה: כרום-צבע, גרפיה- כתיבה. (לחצו כאן או לחצו כאן לניסויי כרומטוגרפיה שאפשר לבצע בבית, מתוך המדור 'מדע בבית').
(1).gif)
כרומטוגרפיה של טוש שחור. ניתן לראות שהצבע השחור של הטוש מורכב למעשה מתערובת של מספר צבעים, שהכרומטוגרפיה מצליחה להפריד.
כמובן- שהשיטה טובה להפרדה באופן כללי בין חומרים, ולא רק בין צבעים (אבל השם נשאר). היום פיתחו חומרים מפרידים מעולים (שממלאים את הצינורות בהם זורמים החומרים שרוצים להפריד) וממסים ותנאי עבודה שיכולים להפריד כמעט כל תערובת. התוצאה היא שלכל חומר שעובר בתוך הצינור, בין אם הוא בתערובת ובין אם לא, יש זמן אופייני של זרימה בצינור, וכך ניתן לזהותו, אם-כי יתכן שלשני חומרים שונים יהיו אותם זמני יציאה ולכן מקובל היום להשתמש במכשירי הכרומטוגרפיה משולבים, למשל GC-MS - Gas Chromatography-Mass Spectrometry, מכשיר כרומטוגרפיה שמפריד בין גזים, וכאשר הגזים יוצאים – הם מיד נכנסים למכשיר ספקטרומטר מסות, שמזהה אותם זיהוי וודאי. כלומר – הכרומטוגרפיה מפרידה את התערובת, ואחר-כך החומרים מזוהים אחד אחד על ידי גלאי מיוחד (ספקטרומטר המסות במקרה הזה). כרומטוגרפיה היא השיטה העיקרית בה משתמשים לבדיקות 'כימיה של הדם'.
קריסטלוגרפיה – על קריסטלוגרפיה אפשר לקרוא בהרחבה בתשובה לשאלה 'מה היא קריסטלוגרפיה ואיך היא קשורה למבנה הריבוזום'. הקריסלוגרפיה מאפשרת זיהוי מוחלט של חומר, ושל המבנה שלו, כאשר החומר נמצא בגביש. גם-כן שיטת זיהוי חזקה ביותר.
שימו לב- מידע נוסף על נמצא בפורום התגובות בתחתית התשובה
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.
