כימיה | מושגי יסוד
English: Chemistry

מושגי יסוד

מבנה האטום, על פי ארנסט רתרפורד, פיזיקאי נודע שזכה בפרס נובל לכימיה.

ישנם מספר מושגים שחיוניים למחקר הכימי. להלן רשימה חלקית שלהם:

אטום

Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – אטום

אטום הוא היחידה הבסיסית של יסוד כימי. האטום הוא אוסף של חלקיקי חומר המורכב מליבה טעונה במטען חשמלי חיובי (גרעין האטום) המכילה פרוטונים ונייטרונים, שאותה מקיפים אלקטרונים הנושאים מטען חשמלי שלילי ומאזנים את המטען החיובי שבגרעין. אטום הוא החלק הקטן ביותר של החומר ששומר על התכונות הכימיות של היסוד כגון אלקטרושליליות, אנרגיית יינון, מצב חמצון מועדף, מספר קואורדינציה, סוג הקשרים שהוא נוטה ליצור כגון קשר מתכתי, קשר יוני וקשר קוולנטי.

יסוד כימי

תיאור של היסודות הכימיים, על פי הטבלה המחזורית
Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – יסוד כימי

יסוד כימי מוגדר על ידי מספר ייחודי של פרוטונים הנמצאים בגרעין האטום שלו. מספר זה ידוע כמספרו האטומי של היסוד. לדוגמה, כל האטומים המכילים 6 פרוטונים בגרעין הם אטומים של היסוד פחמן, וכל האטומים המכילים 92 פרוטונים בגרעין שלהם הם אטומים של היסוד אורניום. אולם, קיימים גם איזוטופים של יסוד הנבדלים זה מזה במספר הנייטרונים בגרעין.

התיאור הנוח ביותר של יסוד כימי מוצג בטבלה המחזורית המאגדת את היסודות לפי מספרם האטומי. הודות למבנה הייחודי שלה הטורים (מכונים גם קבוצות/משפחות) והשורות (מכונות גם מחזורים) של היסודות השונים חולקים מספר תכונות כימיות משותפות, והן מסודרות לפי רצף תכונות כגון רדיוס אטומי, אלקטרושליליות וכדומה. ישנן רשימות של יסודות לפי שם, סימול ומספר אטומי.

תרכובת

ייצוג בכתיב כימי של עמילופקטין, אחת התרכובות האורגניות הנפוצות בטבע
Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – תרכובת

תרכובת היא חומר בעל יחס ייחודי של אטומי יסודות כימיים הקובעים את הרכבו, והיא בעלת צורה ייחודית הקובעת את תכונותיה הכימיות. לדוגמה, מים הם תרכובת המכילה מימן וחמצן ביחס של 1:2, כאשר אטום החמצן נמצא בין שני אטומי המימן, ויש ביניהם זווית קשר של 104.5°. תרכובות נוצרות ומתפרקות בתגובות כימיות.

כימיקל

Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – כימיקל

כימיקל הוא סוג של חומר בעל הרכב מוגדר וסדרה של תכונות כימיות. במובן הישיר, תערובת של תרכובות ויסודות איננה חומר כימיקלי, אולם ניתן לקרוא לה כימיקל. רוב הכימיקלים שאנו נתקלים בהם בחיי היום יום הם סוג מסוים של תערובת, כגון אוויר, סגסוגות, ביומסה וכדומה.

מערכת מתן השמות לכימיקלים היא חלק חשוב ביותר בשפה הכימית. בשלב מוקדם יותר בהיסטוריה של הכימיה מגלי החומרים הם אלה שנתנו להם את שמם, דבר שגרם בחלק מהמקרים לבלבול ולקשיים. אולם, כיום מערכת IUPAC של הנומנקלטורה הכימית מאפשרת לכימאים לאפיין לפי שם תרכובת ייחודית מתוך מגוון כמעט אינסופי של תרכובות אפשריות.

ישנן מערכות מוגדרות היטב למתן שמות לתרכובות כימיות. תרכובות אורגניות נקראות לפי מערכת הנומנקלטורה האורגנית. תרכובות אי-אורגניות נקראות לפי הנומנקלטורה האי-אורגנית. בנוסף, שירות התקצירים בכימיה פיתח שיטה לקטלוג של כימיקלים, ולפיה כל כימיקל מזוהה לפי מספר נומרי הידוע כמספר CAS.

מולקולה

Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – מולקולה

מולקולה היא החלק הקטן ביותר (מלבד אטום) של כימיקל טהור השומר על תכונותיו הכימיות, כלומר, היכולת לעבור סדרת תגובות כימיות מוגדרת עם כימיקלים אחרים. מולקולות יכולות להיות נייטרליות מבחינה חשמלית בניגוד ליונים. המולקולות הן בדרך כלל קבוצה של אטומים הקשורים בקשר קוולנטי, כך שהמבנה הכולל נותר נייטרלי מבחינה חשמלית, וכל אלקטרוני הקשר מזווגים עם אלקטרונים אחרים בקשר כימי או נמצאים במולקולה כאלקטרונים בלתי קושרים.

אחת מהתכונות העיקריות של מולקולה היא הגאומטריה שלה המכונה לעיתים גאומטריה מולקולרית. בעוד שהמבנה של מולקולות דו-אטומיות, תלת-אטומיות וארבע-אטומיות עשוי להיות טריוויאלי (קווי, זוויתי או פירמידה), המבנה של מולקולות רב-אטומיות, שהן מולקולות המורכבות מ-6 אטומים ומעלה (או מספר יסודות שונים), עשוי להשפיע במידה רבה על מאפייניה הכימיים.

מול

Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – מול

מול הוא כמות חומר המכילה את אותו מספר של ישויות כימיות (אטומים, מולקולות או יונים) כמו ב-12 גרם של פחמן-12, כאשר אטומי הפחמן אינם קשורים, נמצאים במנוחה ובמצב היסוד שלהם. מספר זה ידוע כמספר אבוגדרו, והוא נקבע באופן ניסויי. הערך המקובל כיום (2007) הוא בערך 6.02X1023 יחידות חומר למול. מספר זה הוא חסר יחידות, ולפיכך הוא יכול לתאר כל סוג של אובייקט יסודי, על אף שהשימוש במושג המול מוגבל בדרך כלל למבנים תת-אטומיים, אטומיים ומולקולריים.

מספר המולים של חומר בליטר אחד של תמיסה ידוע כמולריות. מולריות היא היחידה הנפוצה לבטא ריכוז כימי של תמיסה בכימיה פיזיקלית.

יונים ומלחים

Postscript-viewer-shaded.png ערכים מורחבים – יון, מלח

יון הוא אטום או מולקולה בעלי מטען חשמלי שאיבדו או קלטו אלקטרון אחד או יותר. קטיונים (יונים בעלי מטען חשמלי חיובי) ואניונים (יונים בעלי מטען חשמלי שלילי) יכולים ליצור מבנה גבישי של מלחים נייטרליים. דוגמאות ליונים רב-אטומיים שאינם מתפרקים במהלך תגובת חומצה-בסיס הן הידרוקסיל וזרחה.

יונים הנמצאים במצב צבירה גזי ידועים כפלזמה.

מצב צבירה

תיאור סכמטי של מרחקים בין מולקולות, סדר, שימור צורה ושימור נפח בשלושת מצבי הצבירה העיקריים.
Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – מצב צבירה

בנוסף להבדלים בתכונותיהם הכימיות, כימיקלים שונים יכולים להימצא במצבי צבירה שונים. לרוב, הסיווג הכימי אינו תלוי במצב הצבירה; אולם, מספר מצבי צבירה מיוחדים אינם מתאימים למספר תכונות כימיות. מצב צבירה מוגדר כאוסף מצבים במערכת כימית שהמשותף להם הוא תכונות מבניות מסוימות המתקיימות בטווח מסוים של תנאים כגון לחץ וטמפרטורה. תכונות פיזיקליות כגון צפיפות ומקדם שבירה נוטות לקבל ערכים אופייניים במצבי צבירה שונים. מצב הצבירה של חומר מוגדר על ידי כמות האנרגיה הנמצאת במערכת ובאופי הקשרים בין האטומים או המולקולות. מצב צבירה מוצק מתאפיין בקשרים חזקים בין החלקיקים ולכן מבנה מסודר, צורה ונפח מוגדרים וקבועים (בלחץ וטמפרטורה נתונים). בנוזל המרחקים בין החלקיקים גדול יותר ואין סדר מובהק ביניהם, בעוד שהנפח נשמר הצורה אינה נשמרת. בגז האינטראקציה בין חלקיקי החומר חלשה מאוד יחסית למהירות התנועה של החלקיקים ולכן אין מבנה מסודר והמרחק בין החלקיקים יקבע על ידי גודל הכלי בו הוא נתון.

בחלק מהמקרים אין גבול ברור בין מצבי הצבירה השונים, ובמקרה זה אומרים שהחומר נמצא במצב סופרקריטי. בדיאגרמת הפאזות יש נקודה הנקראת הנקודה המשולשת והיא משותפת לשלושת מצבי הצבירה הנפוצים. כיוון שנקודה זו קבועה עבור תנאים מסוימים, נוח להגדיר באמצעותה את התנאים הללו.

מצבי הצבירה העיקריים הם מוצק, נוזל וגז. רוב החומרים יכולים להתקיים במספר צורות של מוצק. לדוגמה, ישנן שלוש צורות של ברזל במצב צבירה מוצק (אלפא, גאמא ודלתא) המוגדרות לפי הטמפרטורה והלחץ. ההבדל העקרוני בין הצורות הללו הוא השוני במבנה הגבישי של האטומים. מצבי צבירה פחות מוכרים הם פלזמה, עיבוי בוז-איינשטיין, עיבוי פרמיוני ומצבים פאראמגנטיים ופרומגנטיים של חומרים מגנטיים. בעוד שרוב מצבי הצבירה המוכרים עוסקים במרחב תלת-ממדי, ניתן להגדיר אנלוגים למערכות הללו בשני ממדים, דבר המהווה כלי שימושי במערכות ביולוגיות.

קשר כימי

Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – קשר כימי

קשר כימי הוא מושג המסייע להבין כיצד אטומים מחוברים זה לזה במולקולות. ניתן לדמות אותו לשיווי משקל רב-קוטבי בין המטענים החיוביים שבגרעין ובין המטענים השליליים המקיפים אותו. מעבר לכוחות משיכה ודחייה, מגדירות האנרגיות ומיקום האלקטרון את יכולתו של האטום להיקשר לאטום אחר. הפוטנציאלים הללו יוצרים את האינטראקציות המחזיקות את האטומים במולקולות ובגבישים. בתרכובות פשוטות רבות ניתן לעשות שימוש בתאוריות המסבירות את אופי הקשר הכימי על מנת לנבא את מבנן המולקולרי והרכבן. באופן דומה, ניתן ליישם תאוריות פיזיקליות על מנת לנבא מבנים יוניים רבים. בתרכובות מורכבות יותר, כגון סריגים מתכתיים, התאוריות הקלאסיות (כגון תאוריית הקשר הקוולנטי) נכשלות, ויש צורך להשתמש בגישות אחרות המבוססות בעיקר על עקרונות של הכימיה הקוונטית, כגון אורביטלים מולקולריים.

תגובה כימית

הדגמה עם מי סבון וגז חמצן
Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – תגובה כימית

תגובה כימית היא שינוי של כימיקל באמצעות אינטראקציה עם כימיקל אחר, או כתוצאה מאינטראקציה עם אנרגיה. תגובה כימית יכולה להתרחש באופן טבעי או להתבצע במעבדה על ידי כימאים בכלים מיוחדים. התגובה יכולה להסתיים ביצירה, פירוק או ארגון מחדש של המולקולות. תגובות כימיות כוללות בדרך כלל יצירה או שבירה של קשרים כימיים. דוגמאות לתגובות כימיות נפוצות הן חמצון, חיזור, דיסוציאציה וסתירה.

ניתן לתאר תגובה כימית באמצעות שימוש ב משוואה כימית. בעוד שבתגובות לא-גרעיניות מספרי האטומים וסוגם בשני צידי המשוואה שווים זה לזה, בתגובה גרעינית הדבר נכון רק לגבי חלקיקי הגרעין – הפרוטון והנייטרון.

רצף השלבים שבהם הקשרים הכימיים מתארגנים מחדש במהלך התגובה נקרא מנגנון התגובה. ניתן לחזות שתגובה כימית תתרחש במספר שלבים מוגדר, כאשר כל אחד מהם מתרחש במהירות שונה. חומרי ביניים רבים בעלי יציבות משתנה יכולים להיווצר במהלך התגובה. פיתוחם של מנגנוני התגובה בא להסביר את הקינטיקה הכימית ואת יחסי התוצרים המתקבלים. מספר חוקים אמפיריים, כגון חוקי וודוורד-הופמן, יכולים להיות שימושיים כאשר מציעים מנגנון לתגובה כימית.

הגדרה יותר קשיחה לתגובה כימית היא: "תגובה כימית היא התהליך המסתיים בהמרה של כימיקלים שונים". לפי הגדרה זו, תגובה כימית יכולה להיות חד-שלבית או רב-שלבית. ניתן להגביל את ההגדרה עוד יותר כך שתכלול גם מקרים שבהם המרת הקונפורמציות ניתנת לצפייה בניסוי. תגובות כימיות מסוג זה כוללות בדרך כלל סדרה של ישויות מולקולריות כפי שנרמז בהגדרה, אולם נוח להשתמש במונח גם עבור שינויים הכוללים ישות מולקולרית יחידה.

אנרגיה

Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – אנרגיה

תגובה כימית מלווה תמיד בהגדלת או הקטנת כמות האנרגיה שבמערכת. כמות אנרגיה מסוימת עוברת בסביבת המגיבים בצורה של חום או אור, ובאופן זה תוצרי התגובה עשויים להכיל יותר או פחות אנרגיה מאשר המגיבים. תגובה כימית היא אקסותרמית אם במצב הסופי יש במערכת פחות אנרגיה מאשר במצב ההתחלתי, כלומר היה מעבר של אנרגיה מהמערכת לסביבה. התגובה היא אנדותרמית כאשר במצב הסופי יש במערכת יותר אנרגיה מאשר במצב ההתחלתי, כלומר היה מעבר של אנרגיה מהסביבה למערכת.

תגובה כימית אינה יכולה להתרחש אם המגיבים אינם קולטים כמות אנרגיה הגבוהה מסף מסוים המכונה אנרגיית שפעול. המהירות של תגובה כימית (בטמפרטורה T נתונה) קשורה לאנרגיית השפעול E, באמצעות קבוע בולצמן e−E/kT המתאר את ההסתברות שלמולקולה כלשהי תהיה כמות אנרגיה גדולה או שווה ל-E בטמפרטורה נתונה. התלות המעריכית בין מהירות התגובה לבין הטמפרטורה מתוארת במשוואת ארניוס. אנרגיית השפעול הדרושה לתגובה הכימית יכולה להופיע בצורת חום, אור, חשמל או כוח מכני כדוגמת אולטרה סאונד.

המושג של אנרגיה חופשית, המשלב שיקולים אנטרופיים, שימושי מאוד בניבוי היתכנות התגובה ובבירור מצב שיווי המשקל שלה בתחום התרמודינמיקה הכימית. התגובה אפשרית רק אם השינוי הכולל באנרגיה החופשית של גיבס הוא שלילי, כלומר, אם ΔG שווה לאפס אומרים שהתגובה נמצאת בשיווי משקל כימי.

קיים מספר מוגבל מאוד של מצבי אנרגיה אפשריים עבור אלקטרונים, אטומים ומולקולות. מצבים אלה נקבעים לפי חוקי מכניקת הקוונטים, הדורשים קוונטיזציה של אנרגיית המערכת. האטומים או המולקולות ברמת אנרגיה גבוהה יותר נקראים "מעוררים", והם נוטים להגיב בעוצמה רבה יותר עם חומרים אחרים, דבר שהוא חיוני עבור תגובות כימיות.

מצב הצבירה של החומר נקבע על ידי כמות האנרגיה בחומר ובסביבה המקיפה אותו. כאשר הכוחות הפנים-מולקולריים של חומר נמצאים במצב שבו האנרגיה של הסביבה לא מספיקה כדי לבטל אותם, יכולים להתרחש כמה דברים. לדוגמה, מים הם נוזל בטמפרטורת החדר כיוון שהמולקולות קשורות זו לזו בקשרי מימן. לעומת זאת, מימן גופרתי הוא גז בטמפרטורה ובלחץ תקניים, וזאת כיוון שהמולקולות קשורות בקשרי דיפול-דיפול שהם חלשים יותר.

מעבר האנרגיה מחומר אחד לאחר תלוי בגודל של קוונט האנרגיה הנפלט מהחומר. אולם, אנרגיית חום מועברת בקלות כמעט מכל חומר, והסיבה העיקרית לכך היא כיוון שרמות האנרגיה התנודתיות והסיבוביות ממוקמות אחת ליד השנייה באטום. כיוון שרמות האנרגיה של האלקטרונים לא קרובות זו לזו, קרינה אלקטרומגנטית בתחום העל-סגול לא מועברת באותה קלות, בדומה לאנרגיה חשמלית.

הידיעה על קיומן של רמות אנרגיה אופייניות לחומרים כימיים שונים שימושית בזיהויים על פי אנליזה של קווי ספקטרום שונים, כגון תת-אדום, גלי מיקרו, NMR וכדומה. דבר זה שימושי גם בזיהוי ההרכב של עצמים מרוחקים – כגון כוכבי לכת וגלקסיות – באמצעות ניתוח ספקטרוסקופי של הקרינה האלקטרומגנטית הנפלטת מהם.

ספקטרום הפליטה של ברזל