השאלה המלאה: מה ההסבר לכך שכספית אינה מוצקה בטמפרטורת החדר, בזמן ששאר המתכות מוצקות?


הכספית מוכרת לאנושות עוד מהעת העתיקה, והיא אכן נוזלית בטמפרטורת החדר. אפשר לענות על השאלה בכמה רמות של עומק. האחרונה שבהן, וזו שבאמת מצליחה להסביר את המצב, התגלתה רק במאה העשרים עם פיתוח מכניקת הקוונטים, שמסבירה את התנהגות עולם החלקיקים הקטנים.

כמי ששציינת, כספית היא כאמור המתכת היחידה מבין היסודות שנמצאת במצב צבירה נוזלי בטמפרטורת החדר. למעשה נקודת ההיתוך שלה היא -38.8oC, כלומר היא נשארת נוזלית לא רק בטמפרטורת החדר, אלא גם אם מקררים אותה לטמפרטורה נמוכה יחסית. כך שהרמה הראשונה של התשובה היא שהכספית נוזלית בטמפרטורת החדר מפני שטמפרטורת החדר גבוהה יותר מטמפרטורת ההיתוך שלה.


כספית | תמונה: ויקיפדיה

אבל אז עולה השאלה מדוע טמפרטורת ההיתוך של הכספית נמוכה כל כך?

טמפרטורת היתוך היא הטמפרטורה שבה מוצק הופך לנוזל. במצב מוצק, כל החלקיקים שמהם מורכב החומר מקובעים במקום ואינם יכולים לנוע בחופשיות, אלא רק לרטוט במקום. כאשר מוצק הופך לנוזל לחלקיקים שמרכיבים אותו כבר יש אנרגיה מספקת כדי לשבור את הכוחות המחזיקים אותם במקום – והם מתחילים להסתובב ולנוע. לכן, רמה נוספת של תשובה היא שטמפרטורת ההיתוך של הכספית נמוכה מפני שהכוחות שמחזיקים את החלקיקים (את האטומים) שבה חלשים יחסית לכל שאר המתכות.

ואז ניתן לשאול – מדוע כוחות המשיכה בין אטומי הכספית חלשים יחסית?

כל כוחות המשיכה שבהם עוסקת הכימיה הם כוחות משיכה בין מטענים חשמליים, וליתר דיוק כוחות המערבים את המטען החיובי של גרעין האטום עם האלקטרונים שמסביבו, שהמטען החשמלי שלהם שלילי. האלקטרונים אינם נמצאים סתם מסביב לאטום אלא מתאכלסים ברמות אנרגיה ספציפיות שיכולות להכיל מספר מוגדר של אלקטרונים בכל אחת מתת-הרמות שלהם ("אורביטלים") – וכאן גם טמונה התשובה לשאלה.

לפני שנגיע לכספית עצמה, נתייחס לרגע לקבוצת יסודות אחרת בטבע, הלא היא קבוצת הגזים האצילים. הגזים האצילים, כמשתמע משמם, נמצאים כולם במצב צבירה גזי בטמפרטורת החדר, כלומר כוחות המשיכה הבין-חלקיקיים שלהם חלשים באופן קיצוני. הסיבה לכך היא שבגזים האצילים האלקטרונים מאכלסים את כל רמות האנרגיה האלקטרוניות האפשריות עבורם.

הטבלה המחזורית עוזרת לנו לראות את זה: היסודות בטבלה המחזורית מסודרים לפי המספר האטומי, שמייצג גם את מספר האלקטרונים שלהם, כך שכל שורה מייצגת התאכלסות של אלקטרונים ברמת אנרגיה חדשה וכל טור בטבלה מיצג מערך אלקטרוני דומה ברמה החיצונית ביותר. הגזים האצילים נמצאים בסוף השורות בטבלה ולפני תחילת שורה חדשה, כלומר לפני תחילתה של רמת אנרגיה חדשה:

הטבלה המחזורית מחולקת לבלוקים של אכלוס אלקטרונים. בגזים האצילים כל רמות האנרגיה האפשריות מאוכלסות | תרשים מעובד מוויקיפדיה

המבנה הזה, של רמת אנרגיה מלאה, הוא מבנה יציב במיוחד מבחינה אנרגטית עבור האלקטרונים. אין לו כל רווח אנרגטי בלשתף האלקטרונים עם אטומים אחרים, כך שאין לאטומים סיבה ליצור קשרים עם אטומים אחרים והגזים נשארים בלי שום סוג של קשר כימי, אפילו לא זה עם זה, ולכן נמצאים במצב גזי.

המצב לגבי הכספית, והקבוצה שבה היא נמצאת, דומה למדי לזה של הגזים האצילים. קודם כל, לכל המתכות בטור שבו נמצאת הכספית, כלומר אבץ, קדמיום וכספית, יש טמפרטורת היתוך נמוכה באופן קיצוני ביחס ליסודות שנמצאים לפניהם בטבלה המחזורית, עם אלקטרון אחד פחות: פער שמגיע עד 1,100o-600o מעלות צלזיוס:


נקודות ההיתוך של היסודות הנמצאים בטור של הכספית בטבלה המחזורית, ושל היסודות בטור הקודם.

כלומר, כיוון שנקודת היתוך נמוכה מעידה על קישור חלש בין חלקיקי החומר, וכיוון שבכל טור בטבלה המחזורית יש אותו מערך אלקטרוני ברמה החיצונית של האטום, אפשר להסיק שהתכונה הזו של קשרי משיכה חלשים יחסית בין האטומים נובעת ממערך האלקטרונים שלהם ברמות האנרגיה. באופן ספציפי, כפי שאפשר גם לקרוא בהרחבה בכתבות על רמות האנרגיה באטום (האורביטלים) ועל הסידור שלהם, אצל הכספית ויתר חברי הקבוצה שלה כמעט כל תת רמות האנרגיה החיצוניות מלאות: תת-הרמה  ("אורביטל") המסומלת באות s, ותת-הרמה d– כולן מלאות לחלוטין באלקטרונים, ורק תת-הרמה המכונה p, שיכולה להכיל שישה אלקטרונים, איננה מאוכלסת (הסתכלו גם במיקום הקבוצה בתמונת הטבלה המחזורית למעלה- הכספית מוקפת בריבוע שחור).

בדיוק כמו בגזים האצילים, המצב הזה שבו הרמות מלאות מייצב מאוד את האלקטרונים, ולכן כל האטומים במצב האלקטרוני הזה מקיימים אינטראקציה מאוד מוגבלת ביניהם ונקודת ההיתוך שלהם נמוכה. בכספית המצב קיצוני במיוחד מפני שהיא מכילה גם תת-רמה f מלאה באלקטרונים, המצב הזה, שקיים גם באטום הזהב שנמצא לפני הכספית בטבלה, מביא לייצוב אטום הזהב ולהקטנת הקוטר שלו. המרחק הקצר יחסית בין האלקטרונים לגרעין האטום מחזק את הכוח החשמלי בין האלקטרונים לגרעין ומקטין עוד יותר את החופש של האלקטרונים להגיב וליצור קשרים.

במתכות, האלקטרונים החיצוניים באטום משותפים עם אטומים סמוכים ליצירת קשר מתכתי עם אלקטרונים חופשיים המשמשים כ"דבק" לאטומים. בכספית הקשר המתכתי הזה חלש במיוחד, כי האלקטרונים לא חופשיים כל כך. דרך אגב, זו הסיבה שבגללה נוסף על טמפרטורת ההיתוך הנמוכה שלה הכספית היא גם מוליכה גרועה של חשמל.

אם כך, המבנה האלקטרוני הייחודי של כספית, שבו כמעט כל תת-רמות האנרגיה האלקטרוניות מלאות (היא כמעט כמו גז אציל), הוא מערך יציב במיוחד לפי עקרונות מכניקת הקווונטים, מה שיוצר קשרים חלשים בין אטומי הכספית, מנמיך את נקודת ההיתוך שלה – וכאמור גורם לה להישאר נוזלית אפילו בטמפרטורת החדר.

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 ואנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.

7 תגובות

  • לי

    שלום, יש לי שאלה שאינה קשורה

    שלום, יש לי שאלה שאינה קשורה במיוחד לנושא הכתבה.
    כיצד נקראת התכונה (אם יש לה שם, או מה הגורמים שלה) אשר גורמת לחומר להדבק לכלי בו הוא נמצא?
    לדוגמה, אם נרוקן כוס מלאה מים או כוס עם סבון, חלק מן הנוזל ישאר על דפנות הכוס. לעומת זאת, אם נשים כספית בכוס ולאחר מכן נשפוך אותה, החומר ישפך במלואו ואף לא טיפה אחת של כספית תישאר בכוס.
    תודה רבה ויום טוב.

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    אדהזיה

    היי לי
    לתכונה שאת מחפשת יש שם מדעי - והוא נקרא אדהזיה. את יכולה לקרוא כתבה נרחבת על דבקים בה התכונה מוסברת:
    https://davidson.weizmann.ac.il/videos/online/maagarmada/chemistry/%D7%9...

    בברכה
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע

  • לי

    תודה רבה!

  • ספיר

    היקשרות חמצן עם עצמו

    למה חמצן יכול להיקשר לאטום חמצן אחר רק במקרים כמו: O2, H2O2, F2O2 (מקווה שהנוסחות ברורות) ואינו יכול להיקשר לעצמו בעוד מקרים חוץ מאלו?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    פורום השאלות החדשות

    היי ספיר,
    השאלה שלך לא קשורה לנושא הכתבה, למען הסדר הטוב, אנא הגישי אותה כשאלה חדשה בפורום השאלות החדשות, ותעני שם (או בכתבה חדשה באתר):
    http://davidson.weizmann.ac.il/webforms/askexpert

  • אסף

    ההבדל בין כספית לזהב

    הי. כתבת שכמו אצל הכספית גם לזהב תת רמה F מלאה באלקטרונים ושלכן אטום הזהב יציב. ולפי מיקומם בטבלה מבדיל ביניהם אלקטרון אחד, אז מדוע כספית מוליכה חשמל כל כך גרוע ואילו זהב מוליך כל כך טוב?
    תודה

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    שינוי באלקטרון אחד – שינוי עצום

    היי אסף,

    דבר ראשון – בכימיה, כל תוספת או גריעה של אלקטרון אחד יכולה לגרום לשינוי עצום בחומר (למשל בין הגז האציל הליום למתכת הפעילה ליתיום יש הבדל של אלקטרון אחד, כך גם בין פלואור (היסוד הכי פעיל בטבלה המחזורית) לבין ניאון (גם גז אציל) ).

    אז לא צריך להתפלא ששינוי באלקטרון גורם לשינוי במוליכות. באופן כללי – האלקטרון הנוסף לכספית בהשוואה לזהב, נוסף ל'סגירה' (למילוי מלא) של רמה אלקטרונית נוספת – בכספית גם אורביטל 6S מלא – ב2 אלקטרונים, בעוד שבזהב הוא מלא באלקטרון אחד.
    אם תקרא את הכתבה על מוליכות חשמלית במתכות – לפי תורת הקוונטים, בשביל מוליכות טובה האלקטרונים צריכים לדלג בקלות בין רמות אנרגיה קרובות, כשהרמות חצי מלאות קל יותר לאלקטרון לדלג בין הרמות (=להוליך חשמל) - כי הרמות הן באותה אנרגיה. כשכל הרמות מלאות באלקטרונים (מה שמכונה פס ערכיות מלא) צריך לדלג כבר לרמה בעלת אנרגיה גבוהה יותר, והמוליכות לכן, פחותה יותר.

    כמובן שזו תגובה כללית – כדי לבדוק מוליכות יש לבצע חישוב מספרי מדוייק של רמות האנרגיה של זהב וכספית כדי לקבל מספר מדוייק.

    בברכה
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע