אטומים ומולקולות

כל החומרים בטבע נחלקים לשלוש קבוצות עיקריות:

יסודות, תרכובות ותמיסות.

יסודות הם חומרים הבנויים מאטומים מסוג אחד בלבד (יש כאן הסתייגות קלה, אותה נסביר בהמשך); בטבע יש 90 יסודות שונים, והאדם יצר עוד כ-15 יסודות מלאכותיים (שאינם מעניינים אותנו כאן).

תרכובות הם חומרים, שאבני הבניין הקטנות ביותר שלהם הן מולקולות, שהן הרכב של אטומים מסוגים שונים, הקשורים זה לזה במהודק.

תמיסות הן תערובות של יסודות, בהן התערובת היא ברמה של אטומים בודדים.

כל האטומים בנויים מגרעין מרכזי (הבנוי משני סוגי חלקיקים: טעונים חשמל חיובי, בשם פרוטונים, ואדישים חשמלית הניוטרונים) וסביבו "קליפות" של אלקטרונים. לכל האטומים של יסוד נתון יש מספר שווה של אלקטרונים ופרוטונים, וזה המבדיל אותם מאטומים של יסודות אחרים. לעתים יש בין אטומים של יסוד נתון כאלה, שיש להם בגרעין יותר, או פחות, מהכמות הרגילה של ניוטרונים של אותו יסוד; לאטומים השונים זה מזה רק במספר הניוטרונים, קוראים איזוטופים, ויש להם חשיבות במחקר ובהיבטים מתקדמים מיוחדים. לצרכינו, אפשר להתעלם מתופעה זו.

מסת הפרוטון ומסת הניוטרון כמעט זהות; אך מסה זו גדולה כמעט פי 2000 ממסת האלקטרון. לכן מקובל לראות את מסת האטום כולו כשווה למסת סך הפרוטונים והניוטרונים שלו ומכאן מושג ה"משקל האטומי", שהוא סכום הפרוטונים והניוטרונים באטום. בדומה לכך, קיים מושג ה"משקל המולקולרי", שהוא סכום המשקלים האטומיים של האטומים המרכיבים את המולקולה.

          אטום נתרן מוסר אלקטרון אחד לאטום כלור         ומתקבלת               מולקולה של מלח בישול

תיאור סכימתי של קשר יוני

 
כפי שכבר נאמר, האלקטרונים מסודרים ב"קליפות" סביב הגרעין. האלקטרונים שואפים להיות בקליפה הסמוכה ביותר לגרעין, ורק כשהיא מתמלאת, הם תופסים מקומות בקליפה רחוקה יותר. הקליפה הרחוקה ביותר מהגרעין, הקליפה החיצונית, היא קליפת הערכיות. מלבד בשני היסודות הקלים ביותר, מימן והליום, יש בקליפת הערכיות מקום ל-8 אלקטרונים (במימן והליום יש  מקום ל-2 בלבד). אטומים מתחברים למולקולות, "כדי" למלא את קליפת הערכיות: אטום שיש לו, נאמר, אלקטרון אחד בקליפת הערכיות, יתחבר עם אטום שיש לו 7 אלקטרונים בקליפה שלו – יעביר את האלקטרון שלו לאטום האחר, כך שקליפת הערכיות שלו תהיה ריקה (והקליפה החיצונית ביותר שלו תהיה שוב מלאה) ואילו לאטום השני יהיו עתה 8 אלקטרונים בקליפת הערכיות. כך זה, למשל, במלח הבישול (NaCL): לנתרן (Na) יש 11 אלקטרונים: 2 בקליפה הפנימית, 8 בקליפה הבאה ו-1 בקליפת הערכיות. לכלור (Cl) יש 17: 2 בקליפה הפנימית, 8 בשניה ו-7 בשלישית. במולקולת מלח הבישול עובר אלקטרון אחד מהנתרן לכלור, כך שלשני האטומים יהיו 8 אלקטרונים בקליפתם החיצונית; היות ומבנה הגרעין של האטומים לא השתנה, יהיה לנתרן כעת עודף מטען חשמל חיובי ולכלור עודף מטען שלילי. עקב כך נוצרים כוחות-משיכה בין האטומים (מטען חשמל חיובי מושך מטען שלילי, ולהיפך), והם מהווים את הכוח המייצב את המולקולה. לאטום כזה, שיש לו עודף מטען חשמלי (בשל העברת אלקטרון או אלקטרונים בעת בנית מולקולה) קוראים יוֹן ולקשר שבין אטומי המולקולה הללו קשר יוֹנִי (יש, כפי שנראה מיד, גם סוגי קשרים אחרים).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

צורה אחרת של קשר בין אטומים לצורך בנית מולקולה הוא הקשר הקוֹוָלֶנְטִי. בצורת קשר זו, האטומים המרכיבים את המולקולה מחזיקים את האלקטרונים במעין שותפות, כך שחלק מהזמן הם משלימים קליפה של אטום אחד, ובחלק אחר משלימים קליפה של אטום אחר (החילופין האלה נעשים במהירות כזו, שאין למעשה אפשרות לומר, מתי האלקטרון נמצא אצל האטום האחד, ומתי אצל האחר). בדוגמאות שבאיורים הבאים, נראה כיצד ארבעה אטומי מימן (בעלי אלקטרון אחד) בונים, יחד עם אטום פחמן (שלו 4 אלקטרונים בקליפת הערכיות); אולם קשר קוולנטי יכול להתקיים גם בין אטומים זהים: כך בין שני אטומי חמצן, בעלי 6 אלקטרונים בקליפת הערכיות: הם "מחזיקים בשיתוף" 2 אלקטרונים, כדי להשלים את קליפת הערכיות ל-8, וכן בחנקן, בעל 5 אלקטרונים בקליפת הערכיות וכאן נמצאים 3 אלקטרונים ב"קופה המשותפת". בקצה השמאלי של האיורים נמצא תיאור סכימתי פשוט יותר, שכמוהו מקובל מאוד למצוא בתיאור מולקולות, במיוחד של חומרים אורגניים.

שני אטומי חמצן יוצרים את מולקולת החמצן

 

4 אטומי מימן, עם אטום פחמן, יוצרים    מולוקלה של מיתאן

 

שני אטומי חנקן יוצרים מולקולת חנקן