השפה שלנו עוברת התפתחות ללא הפסק. גם שפת החומרים הכימיים בטבע ובתעשייה עוברת התפתחות מרחיקת לכת. אם פעם הסתפקו בכינוי של חומר ובכל שפה היה לחומר שם אחר, הרי שהיום קיימת מגמה בן לאומית לתת לחומרים השונים שם אחיד ועל פי כללים ברורים. שיטת שיום (הענקת שמות) זו נפוצה בעשרות השנים האחרונות והיא מהווה שפה בין לאומית שבעזרתה ניתן לזהות חומרים רבים וחשובים.
לפני שמתחילים
שיעור למידה מרחוק זה מאפשר לכם לבסס ולהעמיק בתכני השיעורים הנוגעים לתחום הכימיה. כימיה היא תחום מדעי העוסק במבנה החומר, תכונותיו ושינויים שמתרחשים בהשפעת חומרים אחרים או אנרגיה.
למה עלינו ללמוד מושגי יסוד בכימיה?
– באמצעות "שפת הכימיה" נדע לזהות חומרים שונים הסובבים אותנו.
– "שפת הכימיה" תאפשר לנו להבדיל בין מזונות שונים, הרכבם והשפעתם על הגוף.
– "שפת הכימיה" תאפשר לנו להבין את ההרכב של מוצרים קוסמטיים, המשותף והמבדיל בניהם.
– "שפת הכימיה" תאפשר לנו להבין את תרופות וחומרים פעילים בצמחי מרפא ואופן השפעתם על הגוף.
– באמצעות כלים מ"שפת הכימיה" נוכל לאפיין את ההשפעה האנרגטית של חומרים בסביבתנו, על פי עקרונות הרפואה הסינית המסורתית.
אז מה נלמד (ובעיקר מה לא נלמד)?
נלמד את ההרכב של חומרים שכיחים בטבע, בדגש על חומרים השכיחים בצומח ובחי. כמו כן, נלמד את החוקיות בה חומרים שונים חוברים זה לזה.
ומה לא נלמד? לא נלמד חישובים מתמטיים, לא נלמד איזון משוואות כימיות ונתעלם מכל דבר שלא אמור לתרום לנו כמטפלים.
את השיעור מלווה מצגת: כימיה אורגנית.
כמו כן, במערכת ההכנה למבחנים נמצא צבר שאלות תרגול. חלק לא קטן משאלות אילו מופיע גם בדפי שיעור אילו.
בכל שאלה, מומלץ לפנות למורה תמורות.
מאחלים לך הצלחה והנאה מהלימודים.
עולם חדש לפנינו. ניגש לעבודה!
צוות הקורס
שלב א – מהו אטום
כבר במאה החמישית לפני הספירה, שיערו היוונים שקיים חלקיק בטבע שהוא החלקיק הקטן ביותר שאינו ניתן לחלוקה. חלקיק זה כונה בשם אטום ע"י הפילוסוף היווני דמוקריטוס. בתחילת המאה ה- 19 עדיין לא היתה הוכחה מעשית לקיום האטומים אך העובדה שיסודות מגיבים בניהם תמיד באותם יחסים כמותיים הוביל למחשבה שתיאוריית האטום נכונה.
בשנת 1897 גילה המדען תומסון את האלקטרון שהוא חלקיק זהה ומשותף לכל סוגי האטומים בטבע. מכאן שהאטום כן ניתן לחלוקה והוא מכיל רכיבים פנימיים שונים. למרות זאת, ניצמד להגדרה היוונית העתיקה ונסכים שאטום הוא חלקיק שלא ניתן לחלוקה משום שאם נחלק אותו, הוא ישתנה מהותית לחומר אחר בעל תכונות שונות.
אטום הוא חלקיק מאוד קטן. למעשה, גודל אטום קטן הוא כ 60 מיליונית של מיליונית המטר. פעם, קיומם של האטומים היתה רק השערה אולם היום ישנם מכשירים היכולים לתעד ואף לצלם אטום בודד.
כאשר חומר מורכב מאותם אטומים בלבד הוא נקרא יסוד. ישנם יותר ממאה יסודות כאילו בטבע (ליתר דיוק – 118). בעבר חשבו שמים, אדמה, אויר ואש הם יסודות. אולם היום יודעים שמים מורכבים משני סוגי אטומים: חמצן ומימן.
גם האדמה מורכבת מחומרים רבים (למשל צורן שנקרא סיליקון) ואפילו אויר מורכב מאטומים של חמצן וחנקן.
היסודות הנפוצים ביותר ביקום הם מימן והליום, אבל היסודות הנפוצים ביותר בכדור הארץ הם מימן, חמצן וצורן (סיליקון). לכל יסוד יש סימון מקוצר שהוא בעצם האות הראשונה (ולעתים גם השניה) של השם באנגלית. למשל:
שימו לב שאם ישנם יותר מיסוד אחד שמתחיל באותו אות, מקובל לצרף גם את האות הבאה בתור. לכן פחמן יקבל את הסימון C בעוד סידן יקבל את הסימון Ca וכלור יקבל את הסימן Cl.
כאשר שני אטומים או יותר נצמדים והופכים לחלקיק אחד, זה נקרא מולקולה. דוגמאות:
המים היא מולקולה המורכבת משני אטומים של מימן ואטום חמצן אחד. לכן היא מסומנת כך: H2O.
או הפחמן הדו חמצני, אותו אנו פולטים בתהליך הנשימה. משמו ניתן להבין שהוא מורכב מאטום בשם פחמן עם שני אטומי חמצן. לכן הוא מסומן כך: CO2.
מולקולות רבות בנויות מזוגות של אותם יסודות. למשל החמצן בטבע מופיע כחיבור של שני חמצנים. לכן סימונו יהיה O2. אם המולקולה מורכבת מחיבור כימי של שני אטומים שונים או יותר, היא נקראת תרכובת.
מכאן שכל תרכובת היא מולקולה אך לא כל מולקולה היא תרכובת.
שאלה 1
מה כאן יסוד? מולקולה? תרכובת? (רישמו לפי הדוגמא)
H2– מולקולה של שני אטומי מימן
O2
Ca
H2O
CO2
O2– מולקולה של שני אטומי חמצן
Ca- אטום של סידן (קלציום)
H2O- תרכובת של שני אטומי מימן ואטום חמצן אחד. נקראת מים
CO2– תרכובת של שני אטומי חמצן ואטום פחמן אחד. נקראת פחמן דו חמצני (דו תחמוצת הפחמן)
שלב ב' – מבנה האטום
ישנם אטומים קטנים כמו המימן וההליום וישנם אטומים גדולים וכבדים כמו העופרת והפלטינה. מה גורם להם להיות בעלי תכונות כל כך שונות?
היום ידוע שניתן לחלק את האטום לחלקיקים שונים. אמנם הפיזיקאי יגלה באטום הבודד עולם ומלואו אך אנחנו נתמקד רק בשלושה חלקיקים חשובים של האטום: הפרוטון, הנויטרון והאלקטרון.
בכל אטום ישנו גרעין המורכב משני חלקיקים: פרוטונים ונויטרונים. כמה שהאטום קטן, הגרעין שלו תופס נפח קטן מאוד מגודלו האמיתי. גודלו כאחד חלקי 100,000 מגודל האטום כולו.
שימו לב לנקודה השחורה שמייצגת את הגרעין ואת הענן שמייצג את האלקטרונים שנעים סביבו.
אילו היינו יכולים להצמיד את כל האלקטרונים שסובבים סביב הגרעין לגרעין עצמו, היה גודל האטום מצטמצם פי מאה אלף!
למרות שהגרעין כל כך קטן, הרי שהוא שוקל יותר מכל שאר החלקיקים באטום. למעשה, הוא מהווה יותר מ 99.98% מהמשקל הכללי של האטום. מכאן אנו יכולים להסיק שהאלקטרונים שנעים סביב הגרעין כמעט ולא שוקלים כלום (יש להם משקל אבל הוא ממש זניח).
הסתכלו בטבלה המחזורית הדינאמית
https://www.ptable.com/?lang=he
תמונה חלקית של הטבלה המחזורית (עוד מעט גם נסביר למה קוראים לה ככה).
באמצעות הטבלה המחזורית נוכל לגלות מספר דברים שימושיים (ובהמשך גם מעניינים).
ראשית, נכיר שמות וסמלים של מספר יסודות (להזכירנו, יסוד הוא חומר שמורכב מאטומים זהים.
שימו לב שכל האטומים ממוספרים לפי סדר מסוים (שעוד מעט נעמוד על טיבו).
שאלה 1
במשימה הקרובה יש לזהות את שם האטום, המספר האטומי והסמל שלו לפי הנתונים הקיימים בטבלה
שאלה 2
איזה סימון אינו מתאים לשם היסוד שלו? (כדאי להסתכל בטבלת היסודות).
א – נתרן Na
ב – מימן H
ג – ברזל Br
ד – מגנזיום Mg
היסודות מסומנים על פי האות הראשונה של השם הלטיני שלהם. כיוון שיש יותר יסודות מאותיות, חלק מהיסודות זוכים לשתי אותיות. כך למשל:
נתרן = סודיום נקרא גם Natrium ומכאן סימונו Na.
נחושת נקראת Cupper ומכאן סימונה Cu.
ברזל נקרא Ferrum ומכאן סימונו Fe.
מגנזיום נקרא Magnesium ומכאן סימונו Mg.
מימן נקרא Hydrogen ומכאן סימונו H.
חמצן נקרא Oxygen ומכאן סימונו O.
חנקן נקרא Nitrogen ומכאן סימונו N.
ברום הוא Bromine ומכאן סימונו Br.
שאלה 3
איזה סימון מתאים לשם היסוד שלו?
א – סידן – Cl
ב – פחמן – Ca
ג – כלור – C
ד – נחושת – Cu
סידן נקרא קלציום ומכאן סימונו Ca.
פחמן נקרא Carbon ומכאן סימונו C.
כלור נקרא Chlorine ומכאן סימונו Cl.
נחושת נקראת Copper ובלטינית Cupper ומכאן סימונה Cu.
שלב ג' – גרעין האטום
פרוטונים
פרוטונים הם חלקיקים המרכיבים את גרעין האטום (יחד עם הנויטרונים). כל הפרוטונים באטומים זהים וההבדל בין אטום לאטום הוא מספרם של הפרוטונים.
באמצעות הטבלה המחזורית קל לזהות כמה פרוטונים יש בגרעין של כל אטום. למשל לחמצן יש 8 פרוטונים ולברזל 26 פרוטונים.
שאלה 1
מהו פרוטון?
א – גרעין האטום
ב – חלקיק בעל מטען חיובי
ג – איזוטופ
ד – חלקיק המנטרל את הנויטרון
גרעין האטום כולל ניטרונים ופרוטונים. אילו נבדלים במטענם החשמלי. מספר הפרוטונים הוא המאפיין העיקרי המבדיל בין אטום לאטום. לכל אטום יש מספר אטומי המייצג את מספר הפרוטונים. אם מספר הניטרונים שונה ממספר הפרוטונים הוא מכונה איזוטופ של היסוד.
מימן מכונה לעתים, פרוטון על שום שיש לו פרוטון אחד בלבד.
שאלה 2
כמה פרוטונים יש למימן?
שאלה 3
באמצעות ביקוע אטומי הצלחנו לסלק 3 פרוטונים מהעופרת. איזה יסוד קיבלנו?
א – עופרת
ב – זהב
ג – אורניום
ד – ליתיום
המספר האטומי של עופרת הוא 82. מכאן שלעופרת יש 82 פרוטונים בכל גרעין אטומי. אם נסלק 3 פרוטונים מהגרעין נקבל 79 שזהו המספר האטומי של הזהב. מכאן, שלמרות מאמצי הסרק של האלכימאים במאות הקודמות, הטכנולוגיה מאפשרת לבקע אטום ולסלק (או להוסיף) ממנו פרוטונים. משמעות העניין הוא שניתן להפוך עופרת לזהב.
אז למה לא לוקחים יסוד זול יחסית כמו עופרת וממירים אותו לזהב? משום שהתהליך מורכב ועלותו הרבה יותר גבוהה מעלות הזהב עצמו.
נויטרונים
בכל גרעין אטום יש מספר שווה של נויטרונים ופרוטונים. כאשר מספרם לא שווה, האטום פולט אנרגיית קרינה והוא מכונה איזוטופ.
שאלה 4
במה נבדל איזוטופ אחד מהשני?
א – מדובר ביסודות שונים
ב – מדובר באותו יסוד עם מסה (משקל) שונה
ג – מדובר באותו יסוד אך עם מספר פרוטונים שונה
ד – מדובר באותו יסוד אך עם תכונות כימיות שונות
אִיזוֹטוֹפּ של יסוד כימי הוא אטום בעל אותו מספר אטומי אך בעל מסה שונה, זאת משום שמספר הנויטרונים של האטום שונה ממספר הפרוטונים.
שימו לב! אם נשנה את מספר הפרוטונים נקבל יסוד אחר לגמרי, עם תכונות כימיות שונות לחלוטין.
אלא שכאן אנו משאירים את מספר הפרוטונים כמו קודם, כלומר אנו נשארים עם אותו יסוד. מה שמשתנה זה מספר הנויטרונים, כך שמסת האטום (המשקל שלו) משתנה.
לאיזוטופים יש אותן התכונות הכימיות שיש ליסוד. כלומר, אם אטום מסוים מתחבר לחמצן, למשל, אז גם האיזוטופ שלו יתחבר לחמצן.
שאלה 5
מהו איזוטופ?
א – אטום שסכום הפרוטונים והאלקטרונים שווה
ב – אטום שיש לו מספר זהה של נויטרונים ופרוטונים
ג – אטום שמספר הנויטרונים והפרוטונים שלו שונה
ד – סוג של תרכובת
אטום: הוא אבן היסוד הכימית. האטום מכיל גרעין שכולל פרוטונים ונוירונים. מטענם החשמלי של הפרוטונים חיובי ושל הנויטרונים ניטרלי. לכל המטען של הגרעין הוא חיובי + . סביב הגרעין יש אלקטרונים שמטענם שלילי. כאשר מספר הפרוטונים והאלקטרונים זהה, המטען הכללי של האטום מאוזן ושווה לאפס.
את מספר הפרוטונים קל לזהות לפי המספר האטומי. לכל יסוד יש מספר פרוטונים שונה. ניתן לצפות כל מספר האטומים בטבלה המחזורית.
איזוטופים: צורה אטומית של אותו יסוד כאשר מספר הפרוטונים והנויטרונים אינו זה. יש לו אותן תכונות כמו לאטום הרגיל (כלומר נוהג להתחבר עם אותם חומרים) אך נבדל במשקלו האטומי (כי יש לו מספר שונה של נויטרונים) וביכולת להקרין קרינה רדיואקטיבית.
הערה: מולקולות הן חלקיקים הבנויים משני אטומים או יותר הקשורים בקשר כימי. האטומים שבונים את המולקולה יכולים להיות זהים (יסוד- H2) או שונים (תרכובת- H2O).
איזוטופים רבים פולטים קרינה ולכן הם נקראים איזוטופים רדיואקטיביים. כאשר האיזוטופ מסיים לפלוט את כל הקרינה שלו, הוא דועך והופך להיות יציב, כלומר ללא קרינה כלל. אחרי דעיכתו הוא הופך להיות יסוד אחר.
קצב הדעיכה של הקרינה נמדד בזמן מחצית חיים. כלומר, הזמן הדרוש לחצי מהקרינה להיפלט.
למשל פחמן-14 או 14C .
המספר האטומי של פחמן הוא 6. מכאן ש"באופן נורמלי" יש לו 6 פרוטונים, 6 נויטרונים ו-6 אלקטרונים. באיזוטופ פחמן 14 נמצא 8 נויטרונים (במקום 6). המספר 14 בא לציין את סכום הפרוטונים והנויטרונים (8+6) .
זהו איזוטופ רדיואקטיבי וניתן למדוד את כמות הקרינה שלו. כמו כן, אפשר לחשב את קצב הדעיכה שלו. אחרי 5730 שנה כמות הקרינה (וכמות הפחמן הרדיואקטיבי) פוחת לחצי.
מכאן שזמן מחצית חיים של פחמן 14 (½T) הוא 5730 שנה.
שאלה 6
אחרי 11,460 שנה, כמה מהאיזוטופ המקורי של פחמן 14 ישאר?
א – לא ישאר כי כל החומר יתפרק
ב – ישאר שלושה רבעים מהאיזוטופ המקורי
ג – ישאר חצי מהאיזוטופ המקורי
ד – ישאר רבע מהאיזוטופ המקורי
אחרי זמן מחצית חיים אחד שהוא 5730 שנה ישאר חצי מכמות האיזוטופ המקורי (כי חצי דעך). אחרי עוד 5730 שנה ישאר חצי מהחצי שנשאר קודם, כלומר ישאר רבע. ואם נמתין עוד 5730 שנה, נישאר עם רבע מכמות האיזוטופ המקורי (כל שאר החומר ידעך ולא יפלוט קרינה).
| למה זה טוב? לארכיאולוגים זהו כלי חשוב לקביעת תאריך של מאובן או חרס מן העבר. ברגע שבעל חיים מת או שכד עתיק נקבר, נפסקת צבירת פחמן 14 שקיים בסביבה. לפי כמות הפחמן 14 שנמצא על החומר הנבדק וכמויות של חומרים אחרים (שכבר לא רדיואקטיביים) ניתן לחשב את משך הזמן שעצמות בעל החיים היו קבורים מתחת לאדמה (או כדי חרס למשל) ולתארך בדיוק רב לאיזו תקופה הממצא שייך. מובן שככל שמרחיקים יותר שנים לאחור, הממצאים נעשים פחות מדויקים, אך גם אז השיטה בדוקה ומאפשרת גילויים מרתקים על העבר. |
ולמה בכלל צריך איזוטופים?
חלק מהאיזוטופים מתפרקים ממש מהר. לפעמים דקות עד שעות. אפשר להשתמש ברפואה באיזוטופים שמתפרקים מהר ולכן כמות הקרינה שהם פולטים לא מסוכנת לגוף. מאחר שאיזוטופים אילו מתנהגים כמו החומר שאינו איזוטופ (כלומר שהוא מאוזן בין הפרוטונים לנויטרונים שלו), אפשר להחדיר אותם ללב, לעצם או לאיברים אחרים בגוף ובאמצעות מדידת הקרינה הנפלטת יכולים לדעת כמה מחומר זה נספג שם.
טכנציום 99 (מספרו האטומי 43, כך שיש לו 56 נויטרונים) הוא יסוד הנוטה להיספג ברקמות סרטניות. זמן מחצית החיים שלו הוא 6 שעות בלבד. ניתן לתת אותו לאדם ולאתר, לפי מקור הקרינה, קיום של תאים סרטניים אפילו בודדים. מאחר שזמן מחצית החיים כל כך קצרה, הקרינה עצמה אינה מסוכנת לנבדק.
שלב ד' – אלקטרונים והטבלה המחזורית
האלקטרונים מקיפים את גרעין האטום. המסה שלהם כל כך קטנה שבקושי ניתנת למדידה. האלקטרונים נעים במהירות עצומה סביב הגרעין אך לא "נופלים" אליו, בדיוק כפי שכדור הארץ נע סביב השמש אך אינו "נופל" אליו.
לפני הרבה שנים חשבו שהאטום הוא כמו פודינג צימוקים והאלקטרונים הם כמו צימוקים שמפוזרים באקראי בתוכו (לכן, קראו לתאוריה זו "מודל פודינג הצימוקים"), אך היום יודעים שהאלקטרונים נעים במסלולים משלהם.
| עקרון אי הוודאות של אייזנברג קובע כי אי אפשר לקבוע בוודאות את מיקומו של כל אלקטרון בכל רגע ורגע. אך ניתן להעריך בסבירות רבה היכן הוא מתרכז. אזור הפיזור האפשרי של האלקטרון נקרא אורביטל. |
הערה: למרות שסידור האלקטרונים סביב הגרעין מעט מורכב יותר, אנו נציג זאת בצורה הפשוטה ביותר (גם אם לא לגמרי מדויקת).
האלקטרונים סובבים את הגרעין כשהם "בוחרים" להיות באזורים (ברמות) מסוימים. למסלולים אילו נקרא "קליפות". כמו במעגל ריקודים, מעגל הפנימי ביותר הוא גם הקטן ביותר. כך גם באטום. בקליפה הראשונה שסביב הגרעין יש מקום רק לשני אלקטרונים (או פחות).
בקליפה השניה והשלישית יש מקום לשמונה אלקטרונים (שוב, לא הכי מדויק אבל מספק לצורך הדיון).
שאלה 1
היכן מצויים האלקטרונים סביב הגרעין באטום?
א – במרחק הניתן למדידה במדויק ברדיוס מסוים מהגרעין.
ב – מפוזרים במידה שווה על פני קליפות סביב הגרעין.
ג – באזורים שלא ניתנים לקביעה בוודאות.
ד – רחוק ככל האפשר מן הגרעין כי שם הוא מוציא הכי פחות אנרגיה.
עקרון אי הוודאות של אייזנברג קובע כי אי אפשר לקבוע בוודאות את מיקומו של כל אלקטרון בכל רגע ורגע. אבל אפשר להעריך בסבירות רבה היכן הוא מתרכז. אזור הפיזור האפשרי של האלקטרון נקרא אורביטל.
האלקטרון מעדיף להתרוצץ במקום בו הוא מוציא הכי פחות אנרגיה. ככל שהאורביטל רחוק יותר מן הגרעין כן רבה האנרגיה של האלקטרון הנמצא בו (קשור למטען החשמלי אבל לא נפרט).
שאלה 2
מה יהיה סידור האלקטרונים באטום הפחמן?
א – 1 בקליפה הראשונה ו 5 בשניה
ב – 2 בראשונה, 2 בשניה ו- 2 בשלישית
ג – 2 בראשונה ו 4 בשניה
ד – כל הקליפה רוויה בשישה אלקטרונים
אם לאטום הפחמן C יש 6 אלקטרונים, הרי שהשניים הראשונים ימצאו סביב האטום (בקליפה הראשונה) ועוד 4 יאכלסו את הקליפה השניה.
שאלה 3
מה יהיה סידור האלקטרונים של אטום הנתרן Na?
א – 8 אלקטרונים בקליפה הראשונה ו 3 בשניה
ב – 2 אלקטרונים בקליפה הראשונה ו 9 בשניה
ג – 8 אלקטרונים בקליפה הראשונה, 2 אלקטרונים בקליפה השניה ו 1 בשלישית
ד – 2 אלקטרונים בקליפה הראשונה, 8 בקליפה השניה ו 1 בקליפה השלישית
מספרו האטומי של הנתרן Na הוא 11. מכאן שסך האלקטרונים השייכים לו כולל: 2 אלקטרונים בקליפה הראשונה, 8 בקליפה השניה ואלקטרון בודד בקליפה השלישית.
שאלה 4
הסתכלו בטבלה המחזורית. מה יהיה סידור האלקטרונים של אטום הכלור?
א – 2 אלקטרונים בקליפה הראשונה, 8 בקליפה השניה ו 7 בקליפה השלישית
ב – 2 אלקטרונים בקליפה הראשונה ו 15 בשניה
ג – 8 אלקטרונים בקליפה הראשונה, 2 אלקטרונים בקליפה השניה ו 7 בשלישית
ד – 8 אלקטרונים בקליפה הראשונה, 8 בשניה ואחד בשלישית
מספרו האטומי של הכלור Cl הוא 17. מכאן שסך האלקטרונים השייכים לו כולל: 2 אלקטרונים בקליפה הראשונה, 8 בקליפה השניה ו 7 אלקטרונים בקליפה השלישית.
הסתכלו שוב בטבלה מחזורית דינאמית. העבירו את העכבר על אטומים שונים הנמצאים באותו טור. כל אטום מייצג יסוד (חומר המורכב מאטומים זהים) מסוים בטבע. כאשר אנו מעבירים את העכבר על האטומים נפתח "חלון" קטן ובו הגדלה של פרטי היסוד (מעין תעודת הזהות שלו). למשל, באטום הנתרן נוכל להתרשם מהסידור 2 – 8 – 1 הנמצא צמוד לצלע השמאלית של אותו חלון.
שאלה 5
מה מאפיין את הטור הראשון?
א – כולם גזים
ב – כולם מוצקים
ג – לכולם אותו מספר פרוטונים
ד – לכולם אלקטרון בודד בקליפה האחרונה
אם נבדוק את המימן H נמצא שיש לו אלקטרון בודד. בשורה השניה (עדיין בטור בראשון) נמצא את הליתיום Li עם 3 פרוטונים, כלומר עם סידור של אלקטרון בודד בקליפתו השניה. כפי שראינו בשאלה הקודמת, גם בנתרן Na יש אלקטרון בודד בקליפתו השלישית. האשלגן K כולל 4 קליפות שסידורן הוא 2-8-8-1 , כלומר, גם כאן נמצא שיש לו אלקטרון בודד בקליפה האחרונה שלו. גם אם נמשיך במורד הטור, נגלה שמספר הקליפות גדל בהתאמה אך לכולן יש אלקטרון בודד אחד בקליפה החיצונית שלו.
מכאן שלטור הראשון יש אלקטרון בודד בקליפה החיצונית שלו. יחסרו לו 7 אלקטרונים "כדי להרגיש מושלם".
ישנן שיטות שונות למספר את הטורים. אנו נסתמך על ספירת 8 טורים עיקריים. שימו לב שאנו לא ממספרים את היסודות שבין טור שני לשלישי. יסודות אילו נקראים מתכות מעבר.
שאלה 6
כל קליפה שואפת להגיע לאיזון. "מבחינת הקליפה" היא מאוזנת כאשר היא מלאה (2 במקרה של השורה הראשונה ו 8 בשורות הבאות).
באיזה טור נמצא 7 אלקטרונים בקליפה החיצונית ביותר?
א – בטור הראשון
ב – בטור השני
ג – בטור השביעי
ד – בטור האחרון
סעיף ג'
כל האטומים של הטור השביעי (לפני האחרון) מאופיינים בסידור בו נמצא 7 אלקטרונים בקליפה האחרונה שלהם. ההבדל בין אטום לאטום הוא במספר הקליפות.
כך למשל נמצא שלפלואור F יש 9 אלקטרונים המסודרים בשתי קליפות: 2-7.
לכלור Cl יש 17 אלקטרונים המסודרים בשלוש קליפות: 2-8-7.
מכאן שיסודות מן הטור השביעי "ישמחו" לחבור אל יסודות מהטור הראשון.
מימן יכול לחבור לכלור ולצור חומצה מלחית (חומצה המשמשת לנקיון אך גם נמצאת בקיבה שלנו): HCl
נתרן יכול לחבור לכלור ולצור מלח בישול: NaCl.
אפילו המימן H שיש לו רק אלקטרון אחד "ישמח" לחבור לעוד מימן כדי שיהיה לו מבנה יציב HH (מצב זה נרשם כ H2).
כל יסוד שואף לחבור ליסוד נוסף שישלים אות מספר האלקטרונים של הקליפה האחרונה שלו.
שאלה 7
באיזה טור נמצא אטומים שאינם "מעוניינים" להתקשר לשום אטום אחר (ואפילו לא לעצמם)?
א – בטור הראשון
ב – בטור השני
ג – בטור הרביעי
ד – בטור השמיני
החומר הראשון שנמצא בטור השמיני (האחרון) הוא ההליום He . בניגוד למימן שנוטה להגיב עם חומרים רבים, ההליום מכיל שני אלקטרונים ולכן קליפתו מלאה. הוא לא ירצה לקבל ולא ירצה לתת אלקטרונים לכל אטום אחר. מסיבה זו, השתמשו בהליום כגז בטוח (למשל בכדורים פורחים או בלונים לילדים). חומר שלא מגיב עם חומרים אחרים אינו יכול להיות דליק (כי הוא גם לא יגיב עם חמצן), מה שהופך אותו לחומר בטוח יותר.
האטום הבא בשורה השמינית הוא נאון Ne המשמש גם כגז לתאורת נאון. לנאון 10 פרוטונים ולכן גם 10 אלקטרונים. שניים בקליפה הראשונה ו 8 בשניה. מכאן שקליפתו החיצונית מלאה והוא לא יגיב (כלומר לא יקבל ולא ימסור אלקטרונים) עם שום חומר.
אם נמשיך מטה, במורד הטור, נמצא את גז הארגון שמספרו האטומי 18. כלומר 2-8-8. כיוון שהוא בשורה השלישית נתן להיווכח שיש לו שלוש קליפות אך השלישית מלאה ולכן לא תהיה תגובה עם אטומים אחרים.
לאטומים של הטור השמיני קוראים גזים אצילים. אצילים משום שהם לא מתחברים עם חומרים אחרים ("סנובים" כמו אצילים). גזים משום שחומרים שאינם מתחברים לחומרים אחרים נחשבים לקלי משקל וקטנים, מה שאפשר להם להתקיים בסביבה שלנו כגזים.
שאלה 8
הסתכל/י בטבלה המחזורית וציין מה משותף לכל החומרים בטור השביעי (אחד לפני הגזים האצילים)?
א – חסר להם אלקטרון אחד כדי להשלים את הקליפה החיצונית.
ב – הם יעדיפו לזרוק 7 אלקטרונים כדי להגיע לקליפה מאוזנת.
ג – הוספת אלקטרון אחד תהפוך אותם ליסוד אציל.
ד – יש יותר מתשובה נכונה אחת.
יותר קל לקבל אלקטרון אחד מלזרוק שבע. לכן היסודות בטור השביעי (שנקראים האלוגנים!) יעדיפו להגיע ליציבות אנרגטית ע"י הוספת אלקטרון. הוספת האלקטרון לא תהפוך אותם לחומר אציל כי כדי לשנות חומר יש לשנות את מספר הפרוטונים ולא את מספר האלקטרונים. לכל ההאלוגנים יש 7 אלקטרונים באורביטל האחרון (הקליפה השניה או השלישית).
שימו לב: כל שורה אומדת את מספר האורביטלים של האטום בעוד שכל טור (חוץ מאילו שבאמצע הטבלה) אומד את מספר האלקטרונים של הקליפה האחרונה.
שאלה 9
הסתכל/י בטבלה המחזורית וציין מה משותף לכל החומרים בטור השמיני (האחרון מימין)?
א – הקליפה האחרונה שלהם מלאה
ב – הם לא מתחברים עם אטומים אחרים
ג – הם נוטים להיות גזים
ד – כל התשובות נכונות
הטור האחרון נחשב לטור השמיני (אמנם במרכז הטבלה המחזורית ישנם טורים נוספים אך אילו לא נספרים והתנהגותם יוצאת דופן). בטור זה, למעט ההליום He שיש לו שני פרוטונים ולכן קליפתו החיצונית מכילה שני אלקטרונים, בכל השאר נמצא קליפה מלאה (בעקרון, שמונה אלקטרונים). קליפה מלאה פירושה כזו שאין מה להוסיף או לגרוע ממנה ולפיכך היא נחשבת "למתבודדת" או לאצילה. אילו הם היסודות האצילים, כאילו שלא מגיבים עם חומרים אחרים (משום שלא זקוקים להם). כיוון שאטומים אילו נוטים להיות בודדים, משקלם קל יחסית (להבדיל מאטומים אחרים שמחוברים לעוד אטומים ולכן משקלם כבד יותר) ולפיכך הם מתפזרים ושומרים על רווחים ביניהם, מה שמקנה להם תכונה של גזים- הגזים האצילים.
בין הגזים האצילים אנו מכירים את ההליום He (2 פרוטונים), נאון Ne (10 פרוטונים), ארגון Ar (18 פרוטונים) ועוד.
שאלה 10
מה מחזורי בטבלה המחזורית?
א – שכל יסוד חוזר על עצמו אחרי 8 שלבים
ב – שלכל הטורים יש יסודות עם תכונות דומות
ג – שהיסודות מסודרים בשמונה טורים
ד – שהשורות נגמרות אחרי 18 טורים ואז חוזרים לרשום את היסוד הבא בטור הראשון
מנדלייב היה כימאי רוסי שבשנת 1869 הציג דרך גאונית לכתיבת כל היסודות שהיו מוכרים בתקופתו. מנדלייב גילה שיש קבוצות של יסודות בעלי תכונות דומות, בעיקר כאילו שאפשרו ליסוד להתחבר ליסוד אחר. הוא סידר אותם לפי סדר הכובד (המשקל) שלהם, מהקטן ביותר ועד הכבד ביותר, אך הקפיד שליסודות עם תכונות דומות יהיה טור משותף.
באופן זה, בטור הראשון נרשמו יסודות שמעדיפים להתחבר לחומרים עם 7 אלקטרונים בקליפתם האחרונה, כלומר עם אטומים מהקליפה השביעי.
באופן זה הוא הציב את כל היסודות שאינם מגיבים עם כלום, בטור השמיני.
בתקופתו של מנדלייב היו ידועים פחות מ 70 יסודות. גאונותו של מנדלייב היתה בבניית הטבלה הוא השאיר "חורים" כדי למקום את היסודות שעדיין לא התגלו בתקופתו. בשנת 2010 התגלה היסוד האחרון שמספרו 117 ובזאת הושלמה הטבלה המחזורית של מנדלייב, 141 שנה לאחר גילויה!
שלב ה' – ערכיות הקשר
שאלה 1
מהי ערכיות הקשר של הסידן?
א – 1
ב – 2
ג – 3
ד – 4
הסידן Ca מעדיף לתרום שני אלקטרונים. לגבי הפחמן, הוא מעדיף לצור 4 קשרים (או 2). החנקן קשור ל 3 ומהסתכלות בטבלה המחזורית נוכל למצוא (על פי מיקום העמוד) קשרים נוספים.
מתכות אצילות שלמות בקליפתן ולכן אינן נוטות להתחבר לחומרים אחרים (ערכיות = אפס).
שאלה 2
מהי ערכיות הקשר של מימן?
א – 1
ב – 2
ג – 3
ד – 4
המימן H הוא חומר נפוץ בטבע. יש אותו בעיקר במים אך גם בכל החומרים האורגניים (החומרים המרכיבים את החיים). למימן פרוטון אחד בלבד ולפיכך, באורביטל הראשון והיחידי שלו יש אלקטרון אחד בלבד. הוא "שואף" להתחבר לעוד אלקטרון כדי להשלים לקליפה שלמה עם שני אלקטרונים. לפיכך ערכיות הקשר שלו היא 1, כלומר, היכולת שלו היא לקיים קשר אחד.
שאלה 3
מהי ערכיות הקשר של חנקן?
א – 1
ב – 2
ג – 3
ד – 4
החנקן N מונה כמעט 89% מנפח האויר. כמו כן, הוא נפוץ בחלבונים ובחומצות גרעין שמרכיבות את ה DNA. כדי לרכוש אותו אלינו לקבל אותו מהמזון (כיוון שאנו לא יודעים להטמיע חנקן מהאויר בתוך המולקולות שלנו). המספר האטומי של החנקן הוא 7, מכאן שבאורביטל הראשון יש שני אלקטרונים ובשני עוד חמישה אלקטרונים. חסרים לו שלושה אלקטרונים כדי להשלים למעטפה "מושלמת" של 8 אלקטרונים ומכאן שהערכיות שלו היא 3. לרוב הוא "מעדיף" לקיים שלושה קשרים.
לדוגמא: חנקן N מקיים שלושה קשרים עם שלושה אטומי מימן שכל אחד מצידו מקיים קשר אחד בלבד. נוצרת מולקולת אמוניה של חנקן ושלושה מימנים: NH3.
שאלה 4
מהי ערכיות הקשר של פחמן?
א – 1
ב – 2
ג – 3
ד – 4
הפחמן C הוא חומר נפוץ וחיוני לכל המולקולות האורגניות. הוא נפוץ בפחמימות, שומנים וחלבונים המהווים חלק חשוב מגופנו. כמו כן הוא נמצא בשפע בסיבים תזונתיים ובשאר חלקי החי והצומח. המספר האטומי של החנקן הוא 6, מכאן שבאורביטל הראשון יש שני אלקטרונים ובשני עוד ארבעה אלקטרונים. חסרים לו ארבעה אלקטרונים כדי להשלים למעטפה "מושלמת" של 8 אלקטרונים ומכאן שהערכיות שלו היא 4. לרוב הוא "מעדיף" לקיים ארבעה קשרים.
לדוגמא: פחמן C מקיים ארבעה קשרים עם ארבעה אטומי מימן שכל אחד מצידו מקיים קשר אחד בלבד. נוצרת מולקולת מתאן של פחמן וארבעה מימנים: CH4.
שאלה 5
ציין/י את הסעיף המצביע על ערכיות קשר נכונה:
א – H = 1 , O = 2 , N = 3 , C = 4
ב – H = 1 , O = 3 , N = 5 , C = 2
ג – H = 1 , O = 4 , N = 2 , C = 4
ד – H = 2 , O = 1 , N = 5 , C = 4
שאלה זו מסכמת את השאלות שלפניה. אנו רואים שארבעת החומרים השכיחים בצומח ובחי: מימן, חמצן, חנקן ופחמן, מסתדרים לפי "כלל ה HONC ", כלומר, לכל אטום יש מספר "זרועות", "ידיים" או "מקלות" שאיתם הוא מתחבר לאטום אחד או יותר, אחר.
למשל הפחמן יתחבר עם "4 זרועות" ולכן הוא יכול להתחבר לארבעה חומרים שיש להם "יד" אחת, כמו המימן. נקבל פחמן ארבע מימני.
שאלה 6
אם הפחמן ירצה להתחבר עם חמצן, עם כמה חמצנים הוא יוכל להתחבר?
א – 1
ב – 2
ג – 3
ד – 4
סעיף ב'
כיוון שלחמצן יש שתי "זרועות" ולפחמן ארבע, הפחמן יוכל להתחבר עם שני חמצנים. איך זה קורה?
לאטום הפחמן C ארבע זרועות. הוא "מושיט" שתיים לכל חמצן. כך הוא נשאר עם ארבע זרועות ואילו החמצן נשאר עם שתיים, כפי שהוקצה לו מלכתחילה.
לחומר זה אנו קוראים פחמן דו חמצני. זהו גז שנפלט באופן טבעי מגוף החי על רקע תהליך הנשימה שלו. הצמחים אוהבים לקלוט גז זה ולייצר ממנו סוכר (בתהליך המשלב שמש ולכן נקרא פוטוסינטזה, כלומר יצירת חומר באמצעות אור).
שאלה 7
נתון לנו אטום חמצן. עם כמה מימנים הוא יוכל להתחבר?
א – 1
ב – 2
ג – 3
ד – 4
סעיף ב'
לחמצן O שתי "זרועות", כך שהוא יכול "להושיט זרוע" אחת לכל מימן. למימן H זרוע אחת.
כך אנו מקבלים את המולקולה H2O , כלומר מים.
הערה: בציור מטה מימין מתואר החמצן עם 4 נקודות. בהמשך נסביר את חשיבותן.
שלב ו' – תרכובת ותערובת
תרכובת היא חומר הבנוי משני סוגי יסודות או יותר, הקשורים ביניהם בקשר כימי כלשהו וביחס קבוע של כמויותיהם. לתרכובת תכונות כימיות משל עצמה, השונות מתכונות מרכיביה בנפרד.
תערובת היא שילוב של חומרים שונים שאין בניהם קשר כימי או יחס קבוע בין הכמויות. לכל חומר בתערובת נשמרות התכונות המקוריות שלו. לדוגמא: שמן ומים או נסורת עץ ואבקת מתכת.
מולקולה היא תרכובת של שני אטומים או יותר, זהים (כמו חמצן O2) או שונים (כמו מים H20 ). את המולקולה ניתן לייצג באמצעות השם המלא שלה, למשל פחמן דו חמצני, או באמצעות הסמלים שלה ויחס הכמויות בניהם: CO2 . לפעמים מעדיפים לייצג את המולקולה באמצעות ציור או איור המסמל את האופן שבו האטומים במולקולה מסתדרים. לדוגמא:
שאלה 1
איזו הגדרה אינה נכונה?
א – מולקולה – החלקיק הזעיר ביותר של חומר שהפרדה נוספת שלו תשנה את החומר.
ב – יסוד – חומר העשוי מאטומים שמאותו סוג.
ג – תרכובת – חומר המורכב ממולקולות שמאטומים שונים עם קשר כימי בניהן.
ד – תערובת – מספר אטומים או מולקולות מסוגים שונים עם קשר כימי חלש.
לתערובת אין קשרים כימיים – מולקולאריים. מולקולות של חומרים שונים נמצאות בערבוביה כמו סלט.
שאלה 2
איך נפריד תערובת של שני חומרים שונים?
א – באמצעות ניצול תכונות פיזיקליות שונות
ב – באמצעות המסה
ג – באמצעות כלים חשמליים
ד – באמצעות תגובות כימיות מורכבות
כדי להפריד שני חומרים שונים עלינו לדעת מעט על התכונות הפיזיקליות המאפיינות כל חומר בנפרד. למשל, הפרדת שמן ומים מתאפשרת משום שהשמן קל מהמים וצף מעליהם. באופן זה, הפרידו בימי קדם את השמן מהמים שהצטברו מסחיטת הזיתים. השמן צף והוזרם מהבריכה, דרך תעלה, לבריכה אחרת. המים (המרים) נותרו בקרקעית.
דוגמא אחרת לתערובת היא אבקת ברזל ונסורת עץ. אפשר להפריד אותן על ידי הוספת מים. העץ יצוף והמתכת תשקע. אפשרות אחרת היא להיעזר בתכונה המגנטית של הברזל. נצמיד לתערובת מגנט "ונמשוך" אותו מהתערובת.
שאלה 3
מה כאן תערובת ומה תרכובת?
א – מצד שמאל תערובת ומימין תרכובת
ב – מצד ימין תערובת ומשמאל תרכובת
ג – מדובר כאן בשתי תרכובות
ד – מדובר כאן בשתי תערובות
האיור השמאלי מראה לנו אטומים שונים שהתערבבו בניהם. דוגמא לכך יכולה להיות אויר המכיל תערובת של חמצן, חנקן וגזים נוספים.
האיור הימני מראה לנו תרכובת של אטום מסוג אחד עם שני אטומים מסוג אחר. דוגמאות לכך יכולות להיות מים המורכבים משני מימנים וחמצן אחד, או מפחמן דו חמצני המורכב משני חמצנים עם פחמן אחד.
שאלה 4
המסנו סוכר בתוך כוס תה חם. מה נכון?
א – הסוכר והתה יצרו תרכובת
ב – הסוכר והתה יצרו תערובת
ג – חלק ממולקולות הסוכר יצרו תרכובת עם התה וחלק התערבבו או שקעו
ד – החום פרק את מולקולות הסוכר לאטומים שלהם ואילו התערבבו עם התה
סוכר הוא גביש הבנוי ממספר עצום של מולקולות סוכר. כל מולקולת סוכר היא תרכובת של פחמן, מימן וחמצן ביחסים קבועים (עליהם נלמד בעתיד). כאשר אנו כותשים סוכר הוא מתפורר לאבקה דקיקה אך עדיין, כל מולקולת סוכר נשמרת בפני עצמה.
אילו היינו יכולים לפרק את מולקולת הסוכר, היא היתה הופכת לפחמן דו חמצני ולמים. תופעה זו מתרחשת בכל רגע ורגע בגופינו: כאשר אנו אוכלים מזון המכיל סוכר הוא מתפרק למים ולפחמן דו חמצני שנפלט בתהליך הנשיפה.
אבל כדי לפרק מולקולת סוכר צריך יותר מאשר חום של כוס תה. החום של התה רק מפריד את מולקולות הסוכר אילו מאילו (בדומה לכתישה) ועוטף כל מולקולת סוכר במולקולות מים.
כאשר מולקולות החומר המומס מוקפות במולקולות החומר הממס (במקרה זה תה) נוצרת תערובת.
ואיך נדע שזו תערובת? אם נייבש את התה, יצטבר לנו משקע של סוכר בקרקעית הכוס. סימן שהתה והסוכר לא התרכבו בניהם אלא רק התערבבו.
שימו לב: ככל שהנוזל יותר חם, הוא יותר מניע מהר את המולקולות וכך הן נפרדות יותר בקלות אילו מאילו, כלומר נמסות בנוזל.
אנו מכירים תערובות שונות. ישנן תערובות יבשות כמו ערבוב של תבלינים שונים וישנן תערובות נוזליות. אילו מחולקות לתמיסות, כלומר תערובות נוזליות בלי משקע ולתרחיפים, כלומר לתערובות נוזליות שנוצר בהן משקע.
תמיסה "אמיתית": המומס הוא יונים או מולקולות קטנות – תמיסה צלולה.
תמיסה קולואידית: המומס הוא מולקולה גדולה- חלבון, דבק פלסטי.
תחליב (אמולסיה): תמיסה קולואידית בה מומס שמן או שומן – חלב, תחליב גוף, מיונז
מחליבים: חומרים שמאפשרים המסה של שמן/שומן במים – סבון, לציטין.
תרחיף (lotion): החלקיקים המומסים גדולים ולכן נוצר משקע – קפה בוץ, דם.
שאלה 5
איזו הגדרה אינה מתאימה לסוג התמיסה שלה:
א – תמיסה אמיתית היא תמיסה צלולה
ב – דבק פלסטי מומס במים הוא דוגמא לתמיסה קולואידית
ג – תערובת מומסים של שומנים ומים היא סוג של תחליב
ד – לצורך המסת קפה יש להשתמש בחומרים מחליבים
קפה בוץ הוא סוג של תרחיף כיוון שאם נשאיר את הקפה בנוזל שלו, חלקיו "ירחפו" בנוזל וחלקם ישקעו.
כדי להפוך קפה ל"נמס בכוס" צריך להעבירו תהליך כימי שיאפשר למים להקיף את המולקולות שלו.
שלב ז' – ייצוג של נוסחת מבנה
נוסחת ייצוג אלקטרונית (תרשימי לואיס) מתארת את סידור האלקטרונים של רמת האנרגיה האחרונה שלהם (הקליפה החיצונית).
לואיס ניוטון היה כימאי שהצליח לבטא את האטומים בצורה גרפית על פי ערכיות הקשר שלהם. כזכור, ראינו שהטור הראשון בטבלה המחזורית נושא ערכיות קשר אחת (כלומר, יש לו אלקטרון אחד ברמה החיצונית). בטור השביעי יש להם שבעה אלקטרונים ובטור השמיני יש להם שמונה אלקטרונים.
מכאן שהאטומים של הטור הראשון "ישמחו לחבור" עם מי שיתרום להם 7 אלקטרונים. מי שנמצא בטור השני "יחפוץ לחבור" עם מי שיתרום להם 6 אלקטרונים ומי שנמצא בטור השמיני לא יחבור לשום חומר אחר משום שבעיני עצמו הוא מושלם, כלומר, יש לו שמונה אלקטרונים בקליפתו החיצונית.
שאלה 1
נתבונן בסימוני לואיס הבאים. מה ניתן ללמוד מהם?
א – הסימונים מייצגים את מספר האלקטרונים המצויים ברמת האנרגיה האחרונה
ב – הסימונים מייצגים את מספר האלקטרונים החסרים לרמת האנרגיה האחרונה
ג – הסימונים מייצגים את סדר הופעת האטומים בטבלה המחזורית
ד – כל התשובות נכונות
לפי "כלל ה- HONC", המימן H נושא אלקטרון אחד ולכן יכול להתחבר עם מי שיתרום לו אלקטרון אחד (להשלמת שני אלקטרונים ל"קליפה מושלמת") או עם שבעה אלקטרונים. לפיכך, נסמן אותו כתורם אלקטרון אחד.
החמצן בעל 6 אלקטרונים ברמה החיצונית. לכן הוא יכול לחבור לעוד שניים.
החנקן בעל 5 אלקטרונים ברמה החיצונית. לכן הוא יכול לחבור לעוד שלושה.
הפחמן בעל 4 אלקטרונים ברמה החיצונית. לכן הוא יכול לחבור לעוד ארבעה.
את פוטנציאל ההתחברות הזו נסמן בנקודות סביב סמל האטום.
הערה: ניתן לסמן את האלקטרונים הקיימים ולא את אילו שחסרים. במקרה זה, נצפה ביותר נקודות.
שאלה 2
מה ניתן להסיק מהתרשימים הבאים?
א – לפנינו מולקולה שניתן לרשום אותה כ CH4
ב – כל קו מייצג שתי נקודות (אלקטרונים)
ג – יש לנו תיאור מרחבי של פחמן ארבע מימני
ד – כל התשובות נכונות
סעיף ד'
אנו רואים משמאל את ייצוג האלקטרונים על פי תרשימי לואיס. לכל פחמן C יש 4 אלקטרונים אך הוא מוקף במימנים H שלכל אחד מהם יש אלקטרון אחד. השיתוף בניהם יוצר "עננת אלקטרונים" בת 8 אלקטרונים סביב הפחמן ובת 2 אלקטרונים סביב המימן.
בצורה כזו, כל אטום "משוכנע" שיש לו קליפה שלמה ושהוא יציב ומושלם.
באופן זה, כל קו מייצג שתי נקודות. אחת של כל אטום. זוהי שיטה מקובלת לרישום מולקולות ונשתמש בה רבות.
הערה: אף ש CH4 (נוסחה אמפירית) נוח יותר לרישום, הרי שאם אנו חפצים לראות את המבנה המרחבי של המולקולה, שיטת רישום זו מקובלת יותר. בהמשך נראה שרישום גרפי יכול לתת לנו מידע רב יותר מנוסחה אמפירית.
| למולקולה CH4 קוראים מתאן. מתאן הוא גז הביצות. כמו כן, הוא הגז הנפלט על ידי הכבשים באוסטרליה (ובמקומות רבים אחרים בעולם) ונחשד כבעל אפקט חממה. חיידקים יכולים לפרק חומר אורגני למתאן והיום מנסים לנצל את האשפה שתססה להפקת גז למטרות אנרגיה. גז זה רעיל ולא ניתן לנשום אותו. עם זאת, אין לו ריח ואם מישהו שחרר מתאן לסביבה, אמנם זה יהיה דליק (מאוד) אבל הריח מקורו בחומרים אחרים שמופרשים ממערכת העיכול (בעיקר גופרית). |
שאלה (משימה) 3
נלמד לצייר מולקולה בשם אתאן C2H6.
נסו לצייר את מולקולת האתאן על פי ההנחיות הבאות:
– ראשית, רשמו שני פחמנים C עם רווח בניהם.
– עכשיו הקיפו כל פחמן בארבעה אלקטרונים מארבעת צדדיו.
– עכשיו רשמו הוסיפו שישה מימנים H סביב הזרועות הפנויות.
– עכשיו חברו בין כל שתי נקודות לקבלת מולקולת האתאן.
הערה חשובה: ניתן לקצר את הדרך בכך שנרשום ישר ארבע קווים סביב הפחמן ומסביבו נמקם את המימנים.
כאשר יש לנו מולקולות ארוכות ורוויות פחמנים, נהוג לעתים לוותר (מטעמי נוחות ועצלות) על כתיבת המימנים ולהשאיר את הקווים בלבד. קו מיותם מסמל קו עם מימן!
שאלה (משימה) 4
ועכשיו נבנה מולקולה בשם פרופאן C3H8
נסו לצייר תרשים שלו בהתאם להנחיות לבניית האתאן.
נחסוך זמן ונצייר בוטאן C4H10 רק עם הקווים (בלי הנקודות של סימוני לואיס):
|
פרופאן ובוטאן הן מולקולות קלות משקל (משום שהן קטנות) ולכן הן נמצאות במצב צבירה גז. הן גם מאוד דליקות ולכן הן משמשות בתור גז בישול.
עם זאת, למולקולות אילו אין ריח. הריח האופייני לגז הבישול מופק מחומר הדומה לסירחון שמפיץ בואש (רק בריכוז מאוד נמוך) והוא מוסף לתערובת הפרופאן והבוטאן כדי להזהיר אנשים במקרה של דליפה. |
נותרו רק עוד שתי מולקולות (מהסוג הזה) שנלמד לצייר (ואח"כ נסבך מעט את הסיפור. יש למה לצפות 🙂 ).
או כפי שהנסיך הקטן אמר: ציירו לי פנטאן…
שאלה 5
אלא שעכשיו נהיה קצת יותר יזמים. לפנטאן יש חמישה פחמנים. ציירו פנטאן והגדירו כמה מימנים צריכים להיות לו?
א – 5
ב – 10
ג – 12
ד – 14
סעיף ג'
אם נתייחס לפחמנים כאל "שלד" של המולקולה הרי שלכל פחמן יש שני מימנים (מלמעלה ומלמטה) ועוד שני מימנים משני צידי המולקולה. כך נקבל 5 כפול 2 מימנים ועוד 2 מהצדדים, כלומר 12 מימנים.
שאלה 6
להקסאן שישה פחמנים. ציירו את המולקולה. כמה מימנים צריכים להיות לו?
א – 6
ב – 14
ג – 16
ד – 18
סעיף ב'
כאמור, נכפיל את מספר הפחמנים בשניים ונוסיף עוד שני מימנים של הצדדים. נקבל 2 כפול 6 ועוד 2 = 14.
לקבוצת החומרים שיש להם שלד פחמני והם רוויים (מלאים) במימנים מכל צד אפשרי, קוראים אלקאנים.
לסיכום שלב זה, עוד שאלה אחת:
שאלה 7
למולקולת אלקאן כלשהי יש n פחמנים. כמה מימנים יהיו למולקולה כזו?
א – n+2 פחמנים
ב – 2n פחמנים
ג – 2n+2 פחמנים
ד – 2n+4 פחמנים
אלקאנים הם קבוצת מולקולות עם שלד פחמני ומימנים. מספר המימנים ניתן לחישוב אם נכפיל את מספר הפחמנים בשניים ונוסיף את שני המימנים שמשני צידי הפורמולה. מכאן שנוסחת האלקאן הכללית היא CnH2n+2.
וכמעט לסיום שלב זה:
המשקיעים יציירו את המולקולה עם מספרי הלואיס שלה.
אם נפשט מעט את הציור, נסתפק בקוים ואותיות.
אם נתעצל קצת יותר, נוכל לוותר על המימנים בציור שלנו.
אבל אפשר ללכת צעד "עצלני" אחד נוסף ולצייר מולקולה עם קווים בזיגזג בלבד. במצב זה, כל זווית או קצה קו מייצגים פחמן C ואת המימנים יש להשלים על פי ההיגיון ולא על פי מה שמצויר. למשל:
שאלה 8
כמה פחמנים יש במולקולה זו?
א – 4
ב – 6
ג – 8
ד – אין לדעת מהציור
סעיף ב'
מדובר בהקסאן. מכאן שיש לו גם 14 מימנים. נראה את המולקולה בצורות האיור השונות שלה (על פי הסדר שלמדנו).
אנו נעזר בעיקר באיור השני (זה שרואים בו את השלד הפחמני והקווים אך לא את המימנים).
נסכם את כלל האלקאנים שלמדנו ונציג עוד כמה נפוצים.
שימו לב: יש ללמוד בע"פ את השישה הראשונים! בדקו שאכן כולם מקיימים את הכלל: CnH2n+2.
מתאן – CH4
אתאן – C2H6
פרופאן – C3H8
בוטאן – C4H10
פנטאן – C5H12
הקסאן – C6H14
הפטאן – C7H16
אוקטאן – C8H18
נונאן – C9H20
דקאן – C10H22
שאלה 9
אם נחליף את כל אטומי הכלור בפחמן ארבע כלורי CCl4 באטומי מימן נקבל?
א – מתאן
ב – מתיל
ג – אתאן
ד – בוטאן
לכלור Cl יש 7 אלקטרונים בקליפתו החיצונית. לכן הוא מסוגל להתחבר לאלקטרון נוסף כדי לקבל שמיניה מושלמת (אוקטט). מכאן שפחמן יכול לחבור לארבע אטומי כלור. חומר כזה נקרא פחמן ארבע כלורי והוא נחשב לרעיל (הורס את הכבד במהירות).
אם נחליף כל אטום כלור באטום מימן נקבל CH4 שזה כמובן מתאן.
שלב ח' – איזומרים
נסתכל על מבנה הפנטאן:
אנו רואים כאן שרשרת של חמישה פחמנים ואליהם צמודים 12 מימנים.
שאלה 1
לפנינו מולקולות שלכולן 5 פחמנים ו 12 מימנים (מוזמנים לספור את המימנים ולוודא שזה אכן כך).
מי מהמולקולות הבאות יוצאת דופן?
א – א
ב – ב
ג – ג
ד – ד
ה – ה
אנו רואים שהתרשימים א' עד ה' הם "קיפולים" או "מנחים" שונים של אותה מולקולה – פנטאן. אם נקח חוט ובו חמישה קשרים (שכל אחד מייצג פחמן) ונקבל אותו (או נמתח אותו), נקבל את אותן מולקולות המתוארות בסעיפים א' – ד'.
לעומת זאת, מולקולה ה' יוצאת דופן בסידור המרחבי שלה. אי אפשר להעביר חוט (או עיפרון במשיכת קולמוס) על כל המולקולה. איך שלא נמתח ונסובב אותה, היא תמיד תהיה שונה. כאילו לקחנו גוף שיכול להיות במנחים שונים, הסרנו את הראש וחיברנו אותו לבטן.
איזומרים הם תרכובות של פחמנים בעלי סדר אטומים שונה. מספר האטומים מכל סוג נאשר דומה.
איזו = דומה.
למשל C5H12 יכול להסתדר בצורה הנורמלית שלו שהיא פנטאן (כלומר, 5 פחמנים בשרשרת ישרה וסביבם מימנים). אבל הוא יכול להסתדר גם בצורות נוספות.
שאלה 2
מי מבין האיורים הבאים מייצג את המולקולה פנטאן?
א – א
ב – א, ב, ג
ג – כולן
ד – אף לא אחת מהן
איור א' הוא פנטאן אמיתי. אם נקח את איורים ב' – ה', לא משנה כמה שננסה, כדי לקבל אלקאן ישר נצטרך לשבור את המולקולה.
שאלה 3
הסתמכו על פי האיור מהשאלה הקודמת.
אילו איורים מייצגים בעצם אותה מולקולה?
א – איור א + ב
ב – איור ב +ג
ג – איור ג + ד
ד – איור ד + ה
אם נקח את שני האיורים ונהפוך אחד מהם הרי שהוא יחפוף את השני. מכיוון שבטבע, כל מולקולה היא תלת מימדית, הרי שניתן לשנות את כיוונה במרחב עד שהיא תחפוף (תעלה ותכסה לגמרי) את השניה.
אם נמספר את השלד הארוך ביותר, נקבל ארבעה פחמנים כאשר באיור ב' הפחמן הנוסף (ה"בליטה") ממוקם על המיקום השני ואילו באיור ג', הפחמן הנוסף ממוקם על המיקום הרביעי. כך או כך, מדובר באותה מולקולה בדיוק.
כאשר אנו בוחנים איזומרים אנו בודקים, ראשית, מהו השלד הפחמני הארוך ביותר שניתן להגדיר באותה מולקולה.
אם נסתכל על הפנטאן הנורמאלי (איור א') הרי שמדובר בשלד בן חמישה פחמנים.
נסתכל באיורים אשר הופיעו בשאלה 2, באיור ב' (או איור ג', שזה בעצם אותו דבר). כאן, השלד מונה ארבעה פחמנים. למה? משום ששרשרת הפחמנים הארוכה ביותר שניתן לצייר (ולא משנה מאיזה כיוון) היא 4 פחמנים.
שאלה 4
הסתכלו על איור ה' (מבין האיורים אשר הופיעו בשאלה 2). מהו רצף הפחמנים הארוך ביותר שניתן לגלות במולקולה?
א – רצף של פנטאן נורמלי
ב – רצף של בוטאן
ג – רצף של פרופאן
ד – רצף של אתאן
סעיף ב'
נסתכל במולקולה. איך שלא נסמן פחמנים ברצף, נראה שאנו מצליחים לייצר רצף של ארבעה פחמנים ישרים (כלומר רצף של בוטאן) ותמיד עוד פחמן יבלוט.
ועכשיו השוו בין המולקולה הימנית באיור ה', לבין המולקולה השמאלית (שלצידה) באותו האיור. אין בניהן כל הבדל! בשתי המולקולות ישנה "בליטה" של פחמן עם שלושה מימנים על הפחמן השני או השלישי בשלד. מכיוון שהסכמנו שאין הבדל בין איור א' ל-ב' הרי שאין הבדל גם בין איור ה' השמאלי לזה הימני.
מולקולות אלקאניות נמצאות במצב גז או מומסות בנוזל. הן נעות כמו חוטים (או נחשים) ולכן הן יכולות "להסתדר" או להתקפל בצורות שונות במרחב. שימו לב שמולקולה ה' ומולקולה ב' הן בעצם אותו דבר!
שימו לב "לבליטות" של השלד הפחמני (מאוחר יותר נלמד לקרוא להם בשם):
באיור ב' יש שלד פחמני של בוטאן (4 פחמנים) ובליטה על הפחמן השני (או הרביעי. תלוי מאיזה צד נתחיל לספור).
שאלה 5
מהי אותה "בליטה"?
א – פחמן עם שלושה מימנים
ב – פחמן עם ארבעה מימנים
ג – מתאן
ד – אתאן
סעיף א'
אנו רואים אטום פחמן המוקף בשלושה קוים. כל קו מסמל חיבור למימן H אחד. הקו הרביעי מתחבר לאטום פחמן מספר 2 של המולקולה ולכן לא נכלל בהגדרת "הבליטה".
המתיל הוא פחמן עם שלושה מימנים ומקום פנוי אחד המסומן בנקודה. מובן שזהו אינו מבנה יציב, שהרי הפחמן שואף לארבעה קשרים. לכן, מתיל יתחבר למולקולות אחרות, בתור "בליטה".
שימו לב שאם מתיל חובר לעוד פחמן אחד (או אפילו שניים), המולקולה נשארת ישרה ונורמלית (אתאן או פרופאן). רק מארבעה פחמנים אפשר להתחיל לייצר איזומרים.
ועוד דבר חשוב: למתיל יש צליל! מתיל. רוב המושגים בכימיה שמסתיימים בצליל יל מסמלים סמיכות (כלומר, חומר שקשור לחומר אחר). אם תסתכלו על מוצרים קוסמטיים, סוגי שמפו ותרופות שונות, תמצאו חומרים רבים שמסתיימים בצליל יל ומשמעותם: צירוף של שני חומרים זה לזה.
| אבל למה כל זה חשוב? כל מולקולה פועלת בגוף בצורה מדויקת. למשל, ישנן מולקולות שמשפיעות על המחשבה. הן כאילו פותחות דלתות במוח. אם נקח את המפתח ונשנה בו ולו מיקום של חור אחד בלבד (או שן, במפתחות הישנים), הוא כבר לא יפתח את הדלת שרצינו. לפעמים, מספיק לקחת מולקולה ולשנות בה מיקום של פחמן אחד בלבד כדי להפוך אותה למשהו חסר ערך או אפילו למשהו רעיל (למשל סמים שונים). אז בפעם הבאה שאתם תוהים למה צריך להכיר את הסדר של האטומים במולקולה, תזכרו כמה פעמים פתחנו את דלת הכניסה בבית בלי לחשוב שאם המפתח היה ממש קצת אחרת, היינו נתקעים בחוץ… |
שאלה 6
באיזו מולקולה יש רצף מקסימלי של פרופאן?
א – במולקולה ב + ג
ב – במולקולה ד בלבד
ג – במולקולות ב + ג + ה
ד – באף לא אחת מהן
סעיף ב'
איך שלא ננסה, תמיד נמצא רק רצף של שלושה פחמנים (ולא משנה מאיזה כיוון נתחיל למספר). לכן הרצף המקסימלי כאן הוא פרופאן.
איך ממספרים "שלד פחמני"?
בוחרים את שרשרת הפחמנים הארוכה ביותר האפשרית של המולקולה.
אפשר למספר אותה מימין לשמאל או משמאל לימין אולם, לרוב, מעדיפים למספר מהצד הקרוב למתיל.
למשל, איך נכנה מולקולה כזו (שימו לב שאיור א' ואיור ב' זהים).
ראשית נגדיר מהי שרשרת הפחמנים הרציפה הארוכה ביותר. נכנה אותה בשמה המקובל.
עכשיו נמספר את השרשרת.
נמצא על איזה פחמן ממוקם המתיל.
וניתן שם!
שאלה 7
למשל, איך נכנה מולקולה כזו (שימו לב שאיור א' ואיור ב' זהים).
א – 2 מתיל בוטאן
ב – מתיל פנטאן
ג – 4 מתיל פנטאן
ד – כל השמות לעיל מייצגות אותה מולקולה
* בוחרים את שרשרת הפחמנים הארוכה ביותר האפשרית של המולקולה – במקרה זה, השרשרת הכי ארוכה מונה ארבעה פחמנים (לא משנה מאיזה צד נספור) ולכן נכנה אותה בשמה: בוטאן.
* אפשר למספר אותה מימין לשמאל או משמאל לימין אולם, לרוב, מעדיפים למספר מהצד הקרוב למתיל – מכאן שהמתיל נמצא או על פחמן מספר 2 או על פחמן מספר 3 (תלוי מאיזה צד סופרים). אנו נעדיף את המספר הנמוך יותר שהוא 2.
* נגדיר קודם את המיקום (המספר), אחרי כן את תוספת ה"בליטה" (מתיל) ולבסוף את השרשרת (בוטאן). קיבלנו 2 מתיל בוטאן.
שימו לב: 2 מתיל בוטאן פירושו שמתיל ממוקם על פחמן מספר 2 של הבוטאן (ולא, חלילה, שמדובר בשני מתילים!)
שאלה 8
איך נכנה את המולקולה הבאה (שימו לב ששני האיורים זהים)?
א – דו פרופאן
ב – פנטאן
ג – 2 מתיל בוטאן
ד – 2,2 דו מתיל פרופאן
סעיף ד'
* בוחרים את שרשרת הפחמנים הארוכה ביותר האפשרית של המולקולה – במקרה זה, השרשרת הכי ארוכה מונה שלושה פחמנים (לא משנה מאיזה צד נספור) ולכן נכנה אותה בשמה: פרופאן.
* אפשר למספר אותה מימין לשמאל או משמאל לימין אולם, לרוב, מעדיפים למספר מהצד הקרוב למתיל . במקרה הזה, כיוון שמדובר בשלושה פחמנים בלבד, ממש לא משנה מאיזה צד נתחיל למספר. כאן שני המתילים נמצאים על פחמן מספר 2.
* נגדיר קודם את המיקום (המספר), אחרי כן את תוספת ה"בליטה" (מתיל) ולבסוף את השרשרת (בוטאן). קיבלנו 2,2, דו-מתיל פרופאן.
שימו לב: 2,2, דו-מתיל פרופאן פירושו ששני מתילים ממוקמים על פחמן מספר 2 של הפרופאן.
שאלה 9
איך נצייר 2,4 דו מתיל הקסאן?
ראשית נצייר את השלד הקסאן, בין שישה פחמנים.
עכשיו נמספר אותם (לא משנה מאיזה כיוון).
על פחמן מספר 2 ועל פחמן מספר 4 נציב מתיל (לא משנה אם הוא "למעלה" או "למטה" שהרי במרחב אין לזה משמעות).
וזהו!
שימו לב שאין כזה דבר 2,5 דו מתיל הקסאן. למה? כי אז השלד יהיה בן 7 פחמנים ולא בן שישה. זה אומר שתהיה לנו מולקולה בשם 2 מתיל הפטאן.
שאלה 10
הנוסחה להלן נקראת:
א – 1,1,2 טרי-ברומו 2 כלורו אתאן
ב – 1,1 דו-ברומו טראנס 1 ברומו 2 כלורו אתאן
ג – 1,1,2 ברומו 2 כלורו טטרה-אתאן
ד – ציס 1 ברומו 2 כלורו 2,2 דו-ברומו אתאן
סעיף א'
יש לנו שני פחמנים, כלומר מדובר באתאן. על הפחמן הראשון יש שני אטומי ברום. מכאן שהשם יתחיל ב 1,1 . אבל יש גם אטום ברום על הפחמן השני. לכן, ההמשך יהיה: 1,1,2 טרי ברומו.
שימו לב: ספרות מציינות מיקומים. מילים כמו דו או די (שזה זוג) טרי (שזו שלישיה) או טטרה (שזו רביעייה) מציינות כמויות.
ועכשיו נמשיך: מה יש לנו עוד על אטום מספר 2? אטום כלור.
נחבר את כל הידוע לנו כעת: 1,1,2 טרי-ברומו 2 כלורו אתאן (כמו להגיד 1,1,2 טרי ברום 2 כלור אתאן).
שאלה 11
2,3 דו-מתיל בוטאן הוא איזומר של:
א – 2 פרופיל בוטאן
ב – 2,2 דו-מתיל פרופאן
ג – 2 אתיל 2 מתיל בוטאן
ד – 3 מתיל פנטאן
סעיף ד'
ל 2,3 דו-מתיל בוטאן יש שישה פחמנים. שני מתילים ועוד ארבעה של הבוטאן. בסעיף ד' נמצא את ה 3 מתיל פנטאן. כלומר, גם כאן יש לנו שישה פחמנים: אחד מתיל ועוד חמישה מהפנטאן. מכאן שהם איזומרים.
שלב ט' – נומנקלאטורה – שיום אלקינים ואלקֵנים
כבר למדנו שחומרים אורגניים בטבע חייבים להכיל תרכובות של פחמנים ומימנים. לרוב, תרכובות אילו מכילות גם אטומי חמצן ולעתים גם כמות קטנה יותר של חנקן, גופרית ויסודות אחרים.
מכאן שתפוח מרוסס היטב מכל צדדיו הוא אורגני בעוד שמלח מההימליה שיובש באופן טבעי אינו אורגני, שהרי אינו מכיל פחמנים ומימנים (אין לערבב מושג כימי זה עם המושג העממי שמתייחס למזון אורגני שאינו מרוסס. מנקודת ראות כימית, כל מזון הוא אורגני!).
בטבע יש מולקולות רבות ולמעשה, באמצעות הננוטכנולוגיה (טכנולוגיה שעוסקת בבניית מולקולות זעירות באופן מלאכותי) ניתן לייצר מולקולות אורגניות שלא היו קיימות עד כה בטבע. למולקולות רבות יש שם מוכר. בעיקר למולקולות שהתגלו לפני זמן רב והיום הן בשימוש נפוץ. למשל אצטון, חומץ, שמן, סוכר וחומרים רבים אחרים.
כדי להבדיל אותן זו מזו מקובל לתת להם שמות. לפעמים הן מוכרות בשמן המסחרי או בשם שכונו עוד לפני מאה שנים ויותר, אך שיטה זו אינה מספקת עבור מגוון כל כך רחב של מולקולות. צריכה להיות שיטה "לשיים" (להעניק שם) אותן.
השיטה הבן לאומית פשוטה. יותר פשוט ללמוד אותה מאשר ללמוד כל שפה אחרת בעולם. אנו מכנים שיטה זו בשם nomenclatura (nomen = שם, cloture = לכנות). בשלבים הקודמים למדנו נומנקלאטורה בסיסית של אלקאנים. נכיר כעת את שיטת השיום של האיזומרים השונים של האלקאנים.
הכרנו אלקאנים עם "בליטות". עד כה, יצא לנו לשיים אלקאנים נורמלים (כלומר, שרשרת פחמנים רגילה) ואלקאנים עם מתיל אחד או שניים.
אך מה קורה אם למולקולה יש "בליטה" גדולה יותר. למשל של שניים או של שלושה פחמנים?
החוק שלמדנו לגבי הפיכת המתאן למתיל תופס גם כאן. אם אנו מצמידים שני פחמנים הרי שהצמדנו סוג של אתאן. אך מכיוון שזה לא אתאן בפני עצמו (אלא אתאן מחובר, נסמך) אנו מוסיפים לו את הצליל יל . לכן הוא יקרה אתיל.
הכירו את קבוצת האלקילים
מתיל CH3
אתיל C2H5
פרופיל C3H7
בוטיל C4H9
שימו לב שבכולן חסר מימן אחד. דבר זה מאפשר למולקולה להתחבר לשרשרת פחמנים אחרת.
| ומה קורה אם המתיל נשאר עם שלושה מימנים בלי להתחבר? במקרה זה הוא הופך להיות מולקולה לא יציבה "שנואשת" לצור קשר עם כל דבר שזז בסביבה. לפעמים זה רכיב חשוב בקרום התא ולפעמים זה ב DNA עצמו. זהו חומר לא יציב שנקרא רדיקל חופשי. רדיקלים חופשיים מסוגים שונים נמצאים בשפע במזון שרוף, מעושן ותעשייתי וכן בכימיקלים שונים. כדי לנטרל אותם צריכים חומרים לא מזיקים שמסוגלים לחבור אליו. חומרים כאילו נמצאים בשפע בפרות וירקות והם נקראים נוגדי חימצון. בשר על האש, עישון סיגריה (וגם טוסט שרוף) מכילים כמות רבה של רדיקליים חופשיים אשר פוגעים ומזרזים את הזדקנות התאים. אכילת סלט ירקות עשויה לנטרל חלקית את הנזק! |
שאלה 1
איך נכנה מולקולה שבה שרשרת של חמישה פחמנים ומהפחמן האחרון יש פיצול לעוד שני פחמנים נוספים (כמו מחושים)?
א – 2 אתיל פנטאן
ב – 2 מתיל הקסאן
ג – 2,2 דו מתיל פנטאן
ד – הפטאן
ראשית נצייר את המולקולה.
עכשיו נמספר את השלד האפשרי הארוך ביותר.
בבדיקה זו נגלה שהשלד הארוך ביותר הוא לא פנטאן אלא הקסאן. כך ש"הבליטה" אינה של אתיל אלא של מתיל בלבד. לכן המולקולה תקרא 2 מתיל הקסאן.
שאלה 2
קצת אתגרי, אבל נתגבר על זה 🙂
איך מכונה המולקולה הבאה?
א – 3 מתיל הקסאן
ב – 3 אתיל הקסאן
ג – 3 פרופיל פנטאן
ד – 3 פנטיל פרופאן
כזכור: כל זווית היא פחמן. לכל פחמן צריכים להיות ארבעה "קווים" או "ידיים" ואם אילו אינם מצוירות הרי שזה מטעמי חיסכון בזמן (או עצלות או שאין מקום על הנייר).
* נחשב את גודל השלד הפחמני הארוך ביותר ונמצא שהוא מונה שישה פחמנים (אפשר להתחיל לספור אותו מהפחמן השמאלי או הימני. בשני המקרים אותו דבר).
* נמספר את הפחמנים.
* על הפחמן השלישי (אם מתחילים לספור מהפחמן השמאלי או מהפחמן התחתון) או על הפחמן הרביעי (אם מתחילים לספור מהפחמן הימני) ישנה הסתעפות ("בליטה").
* אנו נבחר למספר כך שה"בליטה" תהיה על הפחמן השלישי (אמנם זה אותו דבר, אבל יותר נוח להשתמש במספרים קטנים).
* אז על הפחמן השלישי יש "בליטה" של שני פחמנים, כלומר של אתיל.
* לכן מדובר ב-3 אתיל הקסאן.
שאלה 3
נניח שיש לנו מולקולה בשם C2H4.
במה שונה מולקולה זו מהאלקאנים שהיכרנו עד כה?
רמז: שימו לב למספר המימנים.
באלקַאנים אמורים להיות שישה מימנים 2n+2. כאן יש לנו רק ארבעה.
אז איך נרכיב מולקולה כזו?
נסתכל באלקטרונים החופשיים של המולקולה (על פי סימוני לואיס).
כזכור, לפחמן יש 6 פרוטונים ולכן גם שישה אלקטרונים. אנו רואים את שני האלקטרונים שנמצאים ב"קליפה" הראשונה ועוד ארבעה בשניה. ארבעת האלקטרונים של הקליפה החיצונית מפוזרים כך ששניים יהיו ליד הפחמן השני ושניים יוקצו למימנים שיתחברו אליהם.
נבדוק את "המאזנים": לכל מימן ישנם שני אלקטרונים (אחד שלהם במקור ואחד בשותפות עם הפחמן).
לכל פחמן יש שמונה אלקטרונים. ארבעה שלהם במקור. עוד שניים משני מימנים שלידם ועוד שניים מהפחמן שלידם.
ואיך נצייר מולקולה זו בקווים (נזכור שכל קו מייצג שני אלקטרונים)?
אנו רואים שלכל מימן שני אלקטרונים (קו אחד). לכל פחמן 8 אלקטרונים (ארבעה קוים). כך אנו מקיימים את "כלל ה HONC" ובמקביל מצליחים לבנות מולקולה של C2H4.
מולקולה זו כבר אינה אלקַאן (בגלל שאין לה 2n+2 מימנים). מולקולה זו נקראת אתֵן (ולא אתַאן). מולקולה זו שייכת למשפחת האלקֵן.
לקשר המשתף ארבעה אלקטרונים (ולכן שני קווים) בין שני פחמנים קוראים קשר כפול. לקשר זה תכונות מיוחדות וחשובות אך נתייחס אליהן רק בהמשך.
|
אתֵן – Ethene הנקרא גם אתילן הוא חומר חשוב בתעשיית הנילון והפלסטיק. ממנו מייצרים את הפוליאתילן שהוא פולימר. פולימר הוא חומר שהיחידות שלו חוזרות על עצמן, לפעמים לאורך אלפי יחידות (הנקראות מונומר). אבל אתֵן (אתילן) הוא גם חומר טבעי החיוני להבשלת פירות (הוא משמש כהורמון צמחי). תפוחים, אגסים ובננות פולטים בעת ההבשלה אתֵןובכך מזרזים הבשלה של פירות אחרים כמו אפרסמונים, תמרים או אבוקדו. ניתן לזרז הבשלה באופן זה בתהליך המכונה הבחלה. בתהליך זה, מנורות מיוחדות הפולטות אתֵן משמן שחומם, מזרזות הבשלה של פירות שנקטפו בעודם בוסר. |
והנה לפנינו מולקולת פרופֵן.
שימו לב שלא משנה היכן הקשר הכפול (צמוד לפחמן הראשון או השלישי) הרי שמדובר באותה מולקולה מכיוון שאם נסובב אותה במרחב, היא תשאר אותו דבר.
שאלה 4
מה הנוסחה האמפירית של פרופֵן?
א – C1H2
ב – C2H4
ג – C3H6
ד – C3H8
שימו לב שלא קיימת מולקולה כמו C1H2 (כלומר, אין כזה דבר מתֵן), כי אי אפשר לצייר קשר כפול כשיש רק פחמן אחד. כזכור: לכל פחמן חייבים להיות ארבעה קווים!
כאשר אנו מתמודדים עם מולקולות שאינן ממש קטנות, הנוסחאות האמפיריות שלהן מלמדות אותנו ממה מורכבת המולקולה אך לא מהו הסידור הפנימי שלה. למשל, נצייר פנטֵן.
שאלה 5
מה ההבדל בין שתי מולקולות אילו?
שאלה 6
האם יש 3 פנטֵן?
א – 3 פנטֵן היא מולקולה בה הקשר הכפול נמצא אחרי הפחמן השלישי
ב – 3 פנטֵן היא מולקולה בה הקשר הכפול נמצא אחרי הפחמן השלישי
ג – 3 פנטֵן היא מולקולה בה הקשר הכפול נמצא אחרי הפחמן הרביעי
ד – 3 פנטֵן היא בעצם 2 פנטֵן ואין בניהן הבדל
באופן זה אפשר להיווכח ש 1 פנטֵן ו- 4 פנטֵן הן אותה מולקולה.
בנומנקלאטורה נעדיף תמיד להשתמש במספרים הנמוכים יותר (למה? כי במולקולות של עשרות ואפילו מאות פחמנים, יהיה לנו קל לצייר רק את ההתחלה הרלבנטית שלהן).
שאלה 7
מה אינו מתייחס לתכונות המבנה להלן?
א – הנוסחה הכללית היא CnH2n
ב – הקשר קשיח יותר ואינו ניתן לסיבוב
ג – אטומי המימן במנח טראנס
ד – בתא קרוטֵן שייך ל"משפחה" של מולקולות אילו
אטומי המימן פונים לאותו כיוון ולכן מדובר במצב ציס.
הערה: קרוטן הוא חומר הקיים בגזר ובפירות וירקות כתומים רבים. הוא הופך בגוף לויטמין A וחשוב ליכולת ראיית הלילה שלנו. שימו לב לצליל הסיומת של קרוטֵן. סיומת זו מעידה שמדובר באלקֵן עם קשרים כפולים.
שאלה 8
C4H8 הוא:
א – בּוֹטָאן.
ב – אַלְקֵן.
ג – אלקיל.
ד – פחמן רווי.
סעיף ב'
מדובר כאן בבוטֵן ולא בבוטַאן, כלומר באלקֵן. זהו פחמן לא רווי (האלקאנים רווים במימנים, אלקֵנים ואלקינים מכילים פחות מימנים). אלקיל הוא C4H9 כלומר השייר של מולקולה.
שימו לב למספר המיקום של הקשר הכפול. במולקולה הימנית הקשר הכפול ממוקם אחרי הפחמן הראשון. במולקולה השמאלית הוא ממוקם אחרי הקשר השני.
חשוב לזכור: המספר שמופיע לפני שם המולקולה מכוון למיקום הקשר, האלקיל או כל חומר אחר ולא לכמות!
ראינו שישנן מולקולות רבות פחמנים שמוקפות במימנים (אלקאנים) וכאילו שחסרות בהן מימנים (אלקנים). למולקולה שרוויה במימנים קוראים פחמן רווי = Saturated (כמו שומן רווי, עליו נלמד בהמשך) ולמולקולה שחסרים בה לפחות שני מימנים, נקרא פחמן לא רווי = Unsaturated (כמו שומן לא רווי).
שלב י' – סיכום
הערה: מומלץ להכין רשימת מונחים שסוקרת את כל פרק הלמידה הזה.
אז מה למדנו בשיעור זה?
איך האטום בנוי מהם יחסי הגומלין בין אטומים שונים קשרים תוך ובין מולקולרים מהם איזומרים נומנקלאטורה של אלקאן, אלקן מהי מולקולה רוויה ומהי לא רוויה
סיום שיעור כימיה אורגנית חלק א'
חטיבת מדעי יסוד – רפואה מערבית – תמורות