מבני ענק בכימיה

אטומים בטבע כמעט אף פעם אינם לבד, אלא הם קשורים זה לזה ליצירת מולקולות או מבני ענק. רבות מהמולקולות הקטנות שאנחנו מכירים כוללות מספר קטן של אטומים, כמו מולקולת המים שבנויה משלושה אטומים: שני אטומים של מימן ואטום אחד של חמצן הקשורים זה לזה, או מולקולת החמצן שיש בה שני אטומים בלבד. אך אטומים נקשרים זה לזה לא רק ליצירת מולקולות אלא גם ליצירת מבני ענק שמחברים יחד המוני אטומים ליחידה גדולה אחת ונקראים מבני ענק מולקולריים.

מבנים כימיים ענקיים - מאפייני חומר:

קיימים שלושה סוגים של מבני ענק כאלה.

כחול אשר על שפת הים

הסוג הראשון של מבני הענק המולקולריים הוא מבנים אטומריים, שנקראים גם מבנים קוולנטיים. בחומרים האלה אטומים רבים קשורים זה לזה בקשר קוולנטי: זהו קשר שנוצר כששני אטומים סמוכים משתפים ביניהם אלקטרונים.

קשרים כאלה בין אטומים יכולים ליצור בטבע מבני ענק – למשל חול, יהלום וגרפיט הם דוגמאות למבנים אטומריים. החול שאנחנו מכירים מורכב מחומר בשם סיליקה (צורן דו-חמצני). כל גרגיר חול מכיל אטומי צורן (סיליקון) ואטומי חמצן רבים המחוברים ברשת תלת-ממדית. במבנה הזה כל אטום צורן קשור לארבעה אטומי חמצן במבנה טטרהדרלי וכל אטום חמצן קשור לשני אטומי צורן.

תרשים: Shutterstock/magnetix כדור כחול – אטום חמצן, כדור סגול – אטום צורן

מבנה היהלום דומה מאוד למבנה הצורן הדו-חמצני, אך כאן כל האטומים הם אטומי פחמן. כל אטום פחמן קשור לארבעה אטומי פחמן אחרים במבנה טטרהדרלי.

תמונה: Shutterstock/Potapov Alexander

האלקטרונים של כל קשר קוולנטי מאותרים בין שני אטומי הפחמן הקשורים בקשר זה, ולכן תזוזת האלקטרונים ביהלום מוגבלת מאוד. מהסביה הזאת יהלום אינו מוליך חשמל.  בחישוב פשוט אפשר למצוא שביהלום של קראט אחד (200 מיליגרם), יש כ-10²² אטומי פחמן.

לגרפיט – החומר שממנו עשוי המילוי של העיפרון – יש מבנה שונה לחלוטין. הגרפיט בנוי אף הוא מאטומי פחמן בלבד, אך הם מסודרים בטבעות משושות שיוצרות שכבות על גבי שכבות. כל שכבה נראית כמו חתך של חלת דבש בכוורת.  כל אטום פחמן קשור לעוד שלושה אטומי פחמן במשושה, כלומר משתף שלושה אלקטרונים בקשרים קוולנטיים, ואילו האלקטרון הרביעי בקליפה החיצונית של כל אטום פחמן הוא נייד, כלומר חופשי לנוע בין השכבות. לכן הגרפיט מוליך חשמל, בניגוד ליהלום.

תרשים: Shutterstock/sciencepics

האלקטרונים הניידים יוצרים קשרים חלשים בין השכבות ולכן נוח כל כך להשתמש בגרפיט לכתיבה: כשכותבים בעיפרון גרפיט על הדף, השכבות נפרדות זו מזו וחלקן נשארות על הנייר.

האופן שבו המבנים הקוולנטים הללו בנויים משפיע על תכונותיהם. יהלום, למשל, הוא חומר קשה מאוד ואילו הגרפיט רך, אף על פי ששניהם עשויים אך ורק מאטומי פחמן.

חומרים יוניים

הסוג השני של מבני ענק נקרא חומרים יוניים. דוגמה מצוינת להם הוא מלח הבישול, שעשוי מיוני כלור ויוני נתרן רבים הקשורים זה לזה

מה זה "יון"? יון הוא אטום בעל מטען חשמלי. לכל אטום כלור חסר רק אלקטרון אחד להשלים את קליפת האלקטרונים החיצונית שלו, ואילו לכל אטום נתרן יש רק אלקטרון אחד בקליפה החיצונית ביותר שלו. כאשר אטום נתרן מעביר את האלקטרון מהקליפה החיצונית שלו לאטום כלור מתקבלים יונים.

כשאטום כלור מקבל אלקטרון נוסף הוא הופך ליון בעל מטען שלילי. כשאטום נתרן מוסר את האלקטרון שלו לאטום כלור הוא הופך ליון בעל מטען חיובי. היונים החיוביים והשליליים נמשכים זה לזה, ונקשרים זה לזה במבנה תלת-ממדי ענק שבו יונים חיוביים ושליליים לסירוגין. קשרים בין יונים נקראים קשר יוני.

כל גרגיר מלח בישול הוא בעצם מבנה ענק שבו סידור של יוני נתרן חיוביים ויוני כלור שליליים.

תרשים: Shutterstock/Vasilyev; כדור סגול – יון נתרן, ⁺Na; כדור צהוב –  יון כלור, ^-Cl

לחומרים יוניים טמפרטורת היתוך גבוהה בגלל הקשרים היונים החזקים. לדוגמה, טמפרטורת ההיתוך של מלח בישול היא 801°C.

חומרים מתכתיים

הסוג השלישי של מבני ענק הוא חומרים מתכתיים. במבנים האלה האלקטרונים בקליפה האחרונה של כל אטום מתכת חופשיים לזוז בין אטומי המתכת במבנה הענק ואינם מאותרים בסמוך לאטום ספציפי. נוצר "ים" של אלקטרונים ניידים שהוא הדבק שמחבר בין יוני המתכת. הקשר המתכתי נוצר כתוצאה מהמשיכה בין האלקטרונים הניידים הללו, שמטענם שלילי, ליונים החיוביים של אטומי המתכת שנשארים קבועים במקום. מתכות מוליכות היטב חשמל בגלל תנועת האלקטרונים הניידים בחומר.

עוד תכונה משותפת נוספת למתכות היא שאפשר לשנות את צורתן כשמפעילים עליהן כוח, ולכן אפשר לעצב אותן בקלות ולרקע אותן. גם התכונה הזאת קשורה למבנה החומר המתכתי: בעת הפעלת כוח יוני המתכת מחליקים זה לצד זה ונעים ממקום למקום במבנה הענק, אך "ים" האלקטרונים הניידים בחומר ממשיך לחבר אותם זה לזה.

תרשים: Shutterstock/Andris Torms; כדור אדום -  יון אשלגן, ⁺K; בין יוני האשלגן "ים" אלקטרונים ניידים

מבנים כימיים ענקיים - חלק ב '| מאפייני חומר:

תודה לרותי שטנגר על הסיוע בכתיבה