חומרים מולקולריים

חומרים מולקולריים

חלק א' - אטומים נקשרים ליצירת מולקולות

חלק מהחומרים במצגת נלקחו מתוך כימיה ברשת

כוחות משיכה וכוחות דחייה חשמליים

בין גופים הנושאים עליהם מטענים חשמליים קיימים כוחות משיכה וכוחות דחייה חשמליים.

מטענים בסימנים זהים - דוחים אחד את השני. מטענים בסימנים מנוגדים – נמשכים אחד לשני.

כשאטום פוגש אטום

אם נתבונן באטום מימן, הרי שבמרכזו מצוי פרוטון, ומסביבו אורביטל שמתאר את המרחב שבו יכול להימצא אלקטרון הערכיות שלו. ננסה לתאר מה מתרחש כאשר מקרבים שני אטומי מימן הרחוקים זה מזה.

כאשר שני אטומי מימן מצויים במרחק גדול מאוד זה מזה לא פועלים ביניהם כוחות משיכה או דחיה. במרחק קטן יותר, כאשר האטומים מתקרבים זה לזה, מתחילים לפעול: א. כוחות משיכה בין פרוטון של אטום אחד לאלקטרון של אטום שני ב. כוחות דחיה בין שני הפרוטונים, וכן בין שני האלקטרונים.

הקשר הקוולנטי

01

כוחות המשיכה יגרמו לשני האטומים להתקרב זה לזה עד מרחק שבו הם מתאזנים עם כוחות הדחייה (אשר גורמים להרחקת האטומים זה מזה). במרחק זה ייווצר קשר כימי.

כאשר מתקרבים האטומים זה לזה חל שינוי בתנועתם של האלקטרונים. האורביטלים האטומיים של שני האטומים הנפרדים - האזורים בהם היה הסיכוי הרב ביותר למצוא את האלקטרונים - מתחילים לחפוף. מהחפיפה שלהם נוצר אורביטל מולקולרי (מלשון מולקולה, שני האטומים יוצרים מולקולה).

הקשר הקוולנטי

01

האורביטל המולקולרי הזה מאכלס בתוכו עתה שני אלקטרונים, אחד מכל אטום מימן. יש הסתברות גבוהה למצוא את זוג האלקטרונים המשותף בתחום המרחבי הכולל את הגרעינים של שני האטומים. כך נוצרה מולקולת . /

הקשר הזה בין שני אטומים, הנוצר באמצעות שיתוף אלקטרונים הנמצאים יחד באורביטל מולקולרי נקרא קשר קוולנטי.

הקשר הקוולנטי

זוג האלקטרונים הנמצאים באורביטל המולקולרי נקראים בשם זוג אלקטרונים קושר. התחילית "קו" פירושה בלטינית ביחד. קשר קוולנטי – קשר שבו נמצאים יחד שני אלקטרוני ערכיות = אלקטרונים ולנטיים.

קטבים

01

קשר קוולנטי טהור

01

קשר קוולנטי קוטבי

01

01

חומרים מולקולריים

חלק ב' - נוסחאות ייצוג אלקטרוניות

נוסחאות ייצוג אלקטרוניות (דיאגרמות לואיס)

אלקטרוני ערכיות: אלקטרונים ברמת האנרגיה האחרונה של האטום. מספרם שווה למספר הטור בו נמצא האטום בטבלה המחזורית והוא נע בין אלקטרון אחד לשמונה אלקטרונים. נוסחת ייצוג אלקטרונית: מייצגת את הגלעין ואת אלקטרוני הערכיות. גלעין = גרעין האטום + כל האלקטרונים ברמות האנרגיה הפנימיות. הגלעין מיוצג על ידי סמל היסוד ואלקטרוני הערכיות ע"י נקודות. מעל ארבעה אלקטרוני ערכיות, יסתדרו האלקטרונים בזוגות.

נוסחאות ייצוג אלקטרוניות (דיאגרמות לואיס)

אלקטרוני ערכיות: אלקטרונים ברמת האנרגיה האחרונה של האטום. מספרם שווה למספר הטור בו נמצא האטום בטבלה המחזורית והוא נע בין אלקטרון אחד לשמונה אלקטרונים. נוסחת ייצוג אלקטרונית: מייצגת את הגלעין ואת אלקטרוני הערכיות. גלעין = גרעין האטום + כל האלקטרונים ברמות האנרגיה הפנימיות.

נוסחאות ייצוג אלקטרוניות (דיאגרמות לואיס)

הגלעין מיוצג על ידי סמל היסוד ואלקטרוני הערכיות על ידי נקודות. מעל ארבעה אלקטרוני ערכיות, יסתדרו האלקטרונים בזוגות.

נוסחאות ייצוג אלקטרוניות (דיאגרמות לואיס)

כאשר מייצגים יונים באמצעות נוסחאות הייצוג האלקטרוניות:

מולקולת המימן

החומר מימן לא יימצא בטבע כאטומים בודדים, אלא אך ורק כמולקולות דו אטומיות. באופן זה, כל אטום מימן משתף עם אטום נוסף אלקטרונים וכל אחד מגיע למצב בו רמת האנרגיה האחרונה שלו מלאה, בדומה לאטומי הגזים האצילים. במקרה של המימן – רמה אחרונה מלאה – הרמה הראשונה, פירושה שני אלקטרונים או דואט.

מולקולת הפלואור

לאטום הפלואור שבעה אלקטרונים ברמת האנרגיה האחרונה. נוסחת הייצוג האלקטרונית של אטום הפלואור:

כאשר מתקרבים שני אטומי פלואור זה לזה הם יוצרים ביניהם זוג אלקטרונים קושר ונוסחת הייצוג האלקטרונית של המולקולה תיראה כך:

מולקולת הפלואור

גם כאן, ניתן להחליף את הסימון של זוג האלקטרונים הקושר בקו ונוסחת הייצוג תהיה זו:

במולקולה יש קשר קוולנטי שהוא זוג אלקטרונים קושר. פרט לכך יש לכל אחד מאטומי הפלואור עוד שלושה זוגות אלקטרונים שאינם קושרים. בסך הכל, על פי כלל האוקטט, סביב כל אטום פלואור במולקולה יש שמונה אלקטרונים.

אב"ק = אלקטרונים בלתי קושרים

מולקולת מימן כלורי

כאשר אטום כלור ואטום מימן מתקרבים זה לזה הם יוצרים ביניהם זוג אלקטרונים קושר ונוסחת הייצוג האלקטרונית של המולקולה HCl תיראה כך:

גם כאן, ניתן להחליף את הסימון של זוג האלקטרונים הקושר בקו ונוסחת הייצוג תהיה זו: במולקולה HCl יש קשר קוולנטי שהוא זוג אלקטרונים קושר. פרט לכך יש לאטום הכלור עוד שלושה זוגות אלקטרונים שאינם קושרים. מסביב לאטום המימן אין כלל זוגות אלקטרונים בלתי קושרים.

מולקולת מים

על מנת שאטום החמצן יגיע לרמת אנרגיה בעלת שמונה אלקטרונים, עליו לשתף אלקטרונים עם שני אטומים נוספים (יש לו ששה אלקטרוני ערכיות וחסרים עוד שניים להגיע לאוקטט).

כיוון שלחמצן חסרים יותר אלקטרונים (שניים, לעומת אחד באטום המימן), נציב אותו במרכז, ואליו נקשר שני אטומי מימן. נוסחת הייצוג האלקטרונית תיראה כך: ובסימון זוג האלקטרונים הקושר באמצעות קו:

קשר קוולנטי כפול

אטומי החמצן ייצרו ביניהם קשר קוולנטי כפול, קשר שבו ארבעה אלקטרונים, שניים מכל אטום, יוצרים שני אורביטלים מולקולריים שבהם יכולים להתרוצץ ארבעה אלקטרונים.

לכל אטום במולקולה שני זוגות אלקטרונים בלתי קושרים ושני זוגות קושרים. בסך הכל שמונה אלקטרונים סביב כל אטום. או כך:

קשר קוולנטי משולש

אטומי החנקן יצרו ביניהם קשר קוולנטי משולש, קשר שבו ששה אלקטרונים, שלושה מכל אטום, יוצרים שלושה אורביטלים מולקולריים שבהם יכולים לנוע ששה אלקטרונים.

לכל אטום במולקולה זוג אלקטרונים לא קושר ושלושה זוגות קושרים. או כך:

חומרים מולקולריים

חלק ג' - צורות של מולקולות

צורות של מולקולות

האטומים במולקולות מתארגנים במרחב במגוון דרכים, כך שנוצרות צורות שונות של מולקולות.

צורות של מולקולות - מודל דחיית זוגות האלקטרונים

על פי מודל זה, האטומים במולקולה מסתדרים כך שהדחייה בין כל זוגות האלקטרונים שסביב האטום המרכזי - קושרים ובלתי קושרים - היא מינימלית. המרחק בין כל זוגות האלקטרונים הללו הינו מקסימלי.

צורות של מולקולות - חמישה מבנים שונים

הצורה הקווית

בין שתי נקודות עובר קו ישר

קו

3 אטומים במולקולה, האטום המרכזי קשור ל - 2 אטומים, אין לו זוגות אב"ק

מולקולה דו אטומית

01

הצורה הקווית

זווית - V כפוף

01

לאטום המרכזי 2 זוגות אב"ק

האטום המרכזי לרוב מטור 6

3 אטומים במולקולה, האטום המרכזי קשור ל - 2 אטומים

מישורי

זווית - V כפוף

01

אם נסתכל על מולקולות המים והפחמן הדו חמצני. כיצד ייתכן שהאחת זוויתית והשנייה קווית?

לאטום המרכזי במולקולת המים יש שני זוגות אב"ק, המגדילים את הדחייה בין זוגות האלקטרונים --> הזווית בין הקשרים קטנה.

זווית - V כפוף

01

הצורה הקווית

משולש מישורי

האטום המרכזי קשור ל - 3 אטומים. על האטום המרכזי אין זוגות אב"ק

האטום המרכזי לרוב מטור 3

משולש מישורי

01

לאטום המרכזי אין זוגות אב"ק

האטום המרכזי לרוב מטור 3

4 אטומים במולקולה, האטום המרכזי קשור ל - 3 אטומים

מישורי

משולש מישורי

01

לאטום המרכזי אין זוגות אב"ק

כשהאטוםהמרכזי אינו מטור 3

4 אטומים במולקולה, האטום המרכזי קשור ל - 3 אטומים

משולש מישורי

01

כדי למזער את הדחייה בין אלקטרוני הערכיות סביב האטום המרכזי, האלקטרונים יסתדרו כאשר ביניהם זווית של 120 מעלות

פירמידה משולשת

01

לאטום המרכזי יש זוג אחד של אב"ק

האטום המרכזי לרוב מטור 5

4 אטומים במולקולה, האטום המרכזי קשור ל - 3 אטומים

מרחבי

פירמידה משולשת

01

אם נסתכל על מולקולות לעומת . כיצד ייתכן שהאחת משולש מישורי והשנייה פירמידה משולשת מרחבית? כיצד ייתכן שהזווית בין הקשרים קטנה מ - 120 לכ - 107 מעלות?

פירמידה משולשת

01

לאטום המרכזי במולקולת אין זוגות של אב"ק

לאטום המרכזי במולקולת יש זוג אחד של אב"ק, המגדילים את הדחייה בין זוגות האלקטרונים --> הזווית בין הקשרים קטנה. קיומו של זוג אלקטרונים זה גורם למולקולה להיות מרחבית - לא כל האטומים על אותו המישור.

פירמידה משולשת

01

טטראדר

01

טטראדר הוא גוף שכל ארבע פאותיו הן משולשים.

חמשת הגופים האפלטוניים

טטראדר משוכלל הוא טטראדר שכל פאותיו הן משולשים שווי צלעות והוא אחד מחמשת הגופים האפלטוניים.

טטראדר

01

לאטום המרכזי אין זוג של אב"ק

האטום המרכזי לרוב מטור 4

5 אטומים במולקולה, האטום המרכזי קשור ל - 4 אטומים

מרחבי

טטראדר

01

שלוש מולקולות עם ארבעה זוגות אלקטרונים מסביב לאטום המרכזי

01

הזווית במעלות

104.5 107.5 109.5

שלוש מולקולות עם ארבעה זוגות אלקטרונים מסביב לאטום המרכזי - מדוע הזווית בין זוגות האלקטרונים שונה?

01

זוגות אב"ק "תופסים" יותר מקום במרחב האטום בהשוואה לזוגות אלקטרונים קושרים. הם אינם קשורים לגרעיני שני אטומים כמו זוגות אלקטרונים קושרים, אלא לגרעין של אטום אחד בלבד. זוגות אב"ק 'דוחים' יותר לעומת זוגות קושרים ולכן הזווית קטנה יותר כאשר יש זוגות אב"ק

טבלה מסכמת

סימולציה לצורות של מולקולות

01

חומרים מולקולריים

חלק ד' - אלקטרושליליות וקוטביות

אלקטרושליליות

היכולת היחסית של אטום למשוך אליו את זוג אלקטרוני הקשר. סולם האלקטרושליליות מקבל ערכים בין 0 ל-4 על פי סולם פאולינג. לינוס פאולינג הוא הזוכה היחיד שזכה בפרס נובל פעמיים ללא שותפים. לפלואור, F , ערך האלקטרושליליות הגדול ביותר 4

טבלת האלקטרושליליות

הגורמים המשפיעים על אלקטרושליליות

בטור מסוים - ככל שעולים בטור, כך עולה האלקטרושליליות. מספר רמות האנרגיה קטן, המרחק של זוג אלקטרוני הקשר מהגרעין קטן, המשיכה בינם לבין הגרעין גדלה. בשורה מסוימת - ככל שהולכים ימינה בשורה, כך עולה האלקטרושליליות. מספר הפרוטונים בגרעין עולה, המשיכה בין אלקטרוני הקשר לבין הגרעין גדולה יותר.

אלקטרושליליות וקוטביות

אין הפרש באלקטרושליליות - שני האטומים זהים, מושכים את אלקטרוני הקשר בעוצמה זהה. ההסתברות למצוא את אלקטרוני הקשר בסמוך לכל אחד מהאטומים זהה --> קשר קוולנטי טהור

אלקטרושליליות וקוטביות

קיים הפרש באלקטרושליליות - האטום בעל האלקטרושליליות הגבוהה יותר, מושך חזק יותר את זוג אלקטרוני הקשר. ההסתברות למצוא את זוג אלקטרוני הקשר בסמוך לאטום האלקטרושלילי יותר, גבוהה יותר. נוצר קוטב שלילי באזור האטום האלקטרושלילי יותר וקוטב חיובי באזור האטום השני --> קשר קוולנטי קוטבי

מטענים חשמליים חלקיים

על האטום האלקטרושלילי יותר נוצר מטען חשמלי חלקי שלילי - על האטום האלקטרושלילי פחות נוצר מטען חשמלי חלקי חיובי -

01

חומרים מולקולריים

חלק ה' - קוטביות של מולקולות

קוטביות המולקולה

קוטביות המולקולה תיקבע על פי אופן פיזור המטען על פניה. מולקולה אינה קוטבית - אם פיזור המטען סימטרי מולקולה קוטבית - אם פיזור המטען אינו סימטרי והאלקטרונים נוטים לשהות זמן רב יותר באזור ספציפי במולקולה

קוטביות על פי צורות המולקולות - קווית

מולקולה קווית דו אטומית מולקולה אינה קוטבית - כששני האטומים במולקולה זהים מולקולה קוטבית - כששני האטומים שונים זה מזה וקיים הפרש באלקטרושליליות ביניהם

קוטביות על פי צורות המולקולות - קווית

מולקולה קווית - אטום מרכזי קשור לשני אטומים ואין עליו זוגות אב"ק מולקולה אינה קוטבית - כששני האטומים הקשורים למרכזי זהים מולקולה קוטבית - כששני האטומים הקשורים למרכזי שונים זה מזה

קוטביות על פי צורות המולקולות - קווית

זווית תמיד קוטבית

קוטביות על פי צורות המולקולות - זווית / V כפוף

נוכחות שני זוגות אב"ק גורמת לפיזור המטען להיות לא אחיד או סימטרי

קוטביות על פי צורות המולקולות - משולש מישורי

פיזור מטען לא אחיד

פיזור מטען אחיד

פירמידה תמיד קוטבית

קוטביות על פי צורות המולקולות - פירמידה משולשת

נוכחות זוג אב"ק גורם לפיזור המטען להיות לא אחיד / לא סימטרי

פירמידה וזווית תמיד קוטבית

קוטביות על פי צורות המולקולות - תמיד קוטבית

קוטביות על פי צורות המולקולות - טטראדר

פיזור מטען לא אחיד

פיזור מטען אחיד

צורה וקוטביות על פי צורות המולקולות - סיכום

קוטביות על פי צורות המולקולות - פעילות ב -PhET

01

חומרים מולקולריים

חלק ו' - מאפייני הקשר הקוולנטי

הקשר הקוולנטי כקפיץ

יצירת הקשר הקוולנטי

יצירת הקשר הקוולנטי

01

חומרים מולקולריים

חלק ז' - צורות ייצוג של מולקולות

נוסחה מולקולרית, נוסחת ייצוג אלקטרונית ונוסחת מבנה

01

נוסחה מולקולרית

נוסחה המציינת את סוגי האטומים המרכיבים את המולקולה ואת מספרם.

כאשר רוצים להדגיש את קיומה של קבוצה פונקציונלית ניתן לציין אותה בנפרד בתוך הנוסחה המולקולרית

נוסחת ייצוג אלקטרונית

מתארת את סידור אלקטרוני הערכיות ברמת האנרגיה האחרונה של האטומים המרכיבים את המולקולה

נוסחת מבנה

נוסחה המתארת את הקשרים הקיימים בין האטומים במולקולה (אין צורך לרשום זוגות אב"ק אם קיימים)

ייצוג מלא של נוסחת המבנה: כולל את כל האטומים שמהם המולקולה מורכבת ואת כל הקשרים שביניהם

נוסחת מבנה

ייצוג מקוצר של נוסחת המבנה:

נוסחת מבנה

ייצוג מקוצר של נוסחת המבנה:

זיג זג

01

חומרים מולקולריים

חלק ז' - קבוצות פונקציונליות בתרכובות הפחמן

קבוצה פונקציונלית

קבוצה פונקציונלית

קבוצה פונקציונלית

איזומרים

תרכובות בעלות נוסחה מולקולרית זהה אך נוסחת מבנה שונה

איזומריית שרשרת: השלד הפחמימני משתנה. התרכובת יכולה להיות בעלת שרשרת פחמימנית ישרה או מסועפת - כאשר מתוך השרשרת הישרה מסתעף מתמיר (אטום/קבוצת אטומים שאינם מימן - לרוב קבוצה מתילית )

איזומריית שרשרת

לדוגמה החומר בעל הנוסחה המולקולרית

בעל שרשרת ישרה ולא מסועפת

איזומריית שרשרת

לדוגמה החומר בעל הנוסחה המולקולרית

השרשרת מסועפת בעלת מתמיר מתילי אחד (השרשרת הארוכה מתקצרת בפחמן אחד). הפחמן החמישי מהווה מתמיר ומסתעף מתוך השרשרת הישרה.

איזומריית שרשרת

לדוגמה החומר בעל הנוסחה המולקולרית

השרשרת מסועפת בעלת שני מתמירים מתיליים (השרשרת הארוכה מתקצרת בשני פחמנים. הפחמן הרביעי והחמישי מהווים מתמירים ומסתעפים מתוך השרשרת הישרה

איזומרים בעלי קבוצה פונקציונלית שונה

איזומריית כהל - אתר

לדוגמה - שני החומרים בעלי הנוסחה המולקולרית

אתר

כהל

איזומרים בעלי קבוצה פונקציונלית שונה

איזומריית אלדהיד - קטון

לדוגמה - שני החומרים בעלי הנוסחה המולקולרית

קטון

אלדהיד

איזומרים בעלי קבוצה פונקציונלית שונה

איזומריית קבוצה קרבקוסילית - אסטר

לדוגמה - שני החומרים בעלי הנוסחה המולקולרית

קבוצה קרבוקסילית

אסטר

01

חומרים מולקולריים

חלק ח' - קשרים בין מולקולריים