‫הטבלה המחזורית וקשרים כימיים‬ ‫מבוא לטבלה המחזורית‬ ‫היסודות בטבלה המחזורית מסודרים‪:‬‬ ‫• בעמודות מאונכות‬ ‫• בשורות אופקיות‪.‬‬ ‫• באופן עקבי בהתאם לעליה במספר אטומי‪.‬‬ ‫• כל עמודה מאונכת נקראת‪ -‬משפחה )קבוצה(‪.‬‬ ‫• ליסודות במשפחה מסוימת תכונות דומות באופן איכותי‪.‬‬ ‫• המידה של תכונה מסוימת תלויה במיקום של היסוד בעמודה‪.‬‬ ‫• לשורות האופקיות בטבלה קוראים‪ -‬מחזורים‪.‬‬ ‫קבוצות ‪groups‬‬ ‫‪ periods‬מחזורים‬ ‫‪1‬‬ ‫מבוא לטבלה המחזורית‬ ‫ניתן לחלק את היסודות בטבע לשלושה חלקים עיקריים‪:‬‬ ‫אל‪-‬מתכות ‪Nonmetals‬‬ ‫מתכות ‪Metals‬‬ ‫מתכות למחצה ‪Metalloids‬‬ ‫מתכות ואל מתכות‬ ‫מתכות‪-‬‬ ‫‪ 70%‬מכל היסודות‪ .‬הן מוליכות חשמל וחום‪ ,‬ניתנות לעיבוד‬ ‫וניתן לכתוש אותן לעלים דקים‪ .‬רב המתכות מבריקות וכמעט‬ ‫כולן מוצקות בטמפרטורת חדר‪ .‬המתכות מייצרות תחמוצות‬ ‫בסיסיות‪ .‬נוטות להפוך ליונים חיוביים‪.‬‬ ‫אל מתכות‪ -‬אינן מוליכות זרם חשמלי )פרט לפחמן ‪ (C‬ואינן מוליכות חום‪.‬‬ ‫אל מתכות אינן ניתנות לריקוע‪ ,‬ובהפעלת כוח עליהן הן חסרות‬ ‫גמישות ונשברות לרסיסים‪ .‬מצב הצבירה שלהו משתנה‪-‬גז‪ ,‬נוזל‬ ‫או מוצק‪ .‬אל מתכות מייצרות תחמוצות חומציות‪ .‬נוטות להפוך‬ ‫ליונים שליליים‪.‬‬ ‫מתלואידים‪ -‬יסודות המבטאים תכונות של מתכות ושל אל‪ -‬מתכות‪ .‬תלוי‬ ‫בתנאים‪.‬‬ ‫קיים קשר הדוק בין סידור האלקטרונים באטום ובין תכונות החומר‪.‬‬ ‫סידור האלקטרונים סביב הגרעין‬ ‫• כזכור‪ ,‬במרכז האטום נמצא הגרעין ומסביבו נמצאים האלקטרונים‪.‬‬ ‫• ככל שהאלקטרונים נמצאים קרוב יותר לגרעין כך האנרגיה שלהם נמוכה יותר‪.‬‬ ‫• מכיוון שיש כוחות דחייה בין האלקטרונים‪ ,‬הם יסתדרו במרחב כך שכוחות הדחייה‬ ‫ישאפו למינימום האפשרי‪ ,‬ולכן יהיו באזורים שונים סביב הגרעין‪.‬‬ ‫• לאזורים בהם יש סיכוי למצוא את האלקטרונים קוראים‪ -‬אורביטלים‪.‬‬ ‫• אלקטרונים המאכלסים אורביטלים הקרובים לגרעין הם בעלי אנרגיה נמוכה‪.‬‬ ‫• אלקטרונים המאכלסים אורביטלים הרחוקים מהגרעין הם בעלי אנרגיה גבוהה יותר‪.‬‬ ‫‪2‬‬ ‫סידור האלקטרונים סביב הגרעין ‪ -‬המשך‬ ‫• במקום לדבר על אורביטלים אנחנו נדבר על רמות אנרגיה‪.‬‬ ‫• ישנם חוקים שלפיהם נקבע אכלוס האלקטרונים ברמות האנרגיה השונות‪.‬‬ ‫• האלקטרונים הנמצאים ברמה האחרונה )הכי רחוקה מהגרעין(‪ ,‬משתתפים ביצירת‬ ‫קשרים כימיים‪.‬‬ ‫• לפי המיקום של האטום בטבלה המחזורית‪ ,‬ניתן לדעת כמה אלקטרונים יש לו ברמה‬ ‫האחרונה וכמה רחוקה אותה רמה אחרונה מהגרעין‪.‬‬ ‫• עבור היסודות המייצגים‪ ,‬מספר הטור )‪ (1- 8‬זהה למספר האלקטרונים ברמה‬ ‫האחרונה‪.‬‬ ‫• עבור כל האטומים‪ ,‬ככל שהאטום נמצא נמוך יותר בטבלה המחזורית כך הרמה‬ ‫האחרונה שלו יותר רחוקה מהגרעין‪.‬‬ ‫גזים אצילים‬ ‫‪Noble gases‬‬ ‫• נמצא כי הגזים האצילים‪ ,‬יציבים מאוד מבחינה‬ ‫כימית‪ ,‬ולכן ממעטים להשתתף בתגובות כימיות‬ ‫ומכאן שמם‪.‬‬ ‫• היציבות הזאת הינה תוצאה של סידור האלקטרונים‬ ‫בהם‪.‬‬ ‫• יש להם רמה אלקטרונית‪ ,‬קליפה החיצונית מלאה‪.‬‬ ‫• גזים חד אטומיים‪ .‬חסרי ריח‪ ,‬טעם וצבע‪.‬‬ ‫‪3‬‬ ‫כלל האוקטט‬ ‫ אלקטרונים עוברים מאטום לאטום )לקבלת קשר יוני(‪ ,‬או‬ ‫משותפים לשני אטומים )לקבלת קשר קוולנטי( במטרה להגיע‬ ‫לרמה אחרונה מלאה‪ -‬בדומה לגז אציל‪.‬‬ ‫ עבור כל היסודות המייצגים פרט למימן והליום‪ ,‬מדובר על שמונה‬ ‫אלקטרונים ברמה האחרונה‪.‬‬ ‫ סידור כזה נקרא אוקטט‪.‬‬ ‫סימון קשרים לפי לואיס‬ ‫ זהו סימול אשר בעזרתו מתארים את מספר האלקטרונים‬ ‫שברמה האחרונה‪.‬‬ ‫ הסימול כולל את הסמל הרגיל של האטום ומסביבו נקודות‪.‬‬ ‫ מספר הנקודות מסמל את מספר האלקטרונים ברמת הערכיות‪-‬‬ ‫הרמה האחרונה‪.‬‬ ‫צורת לואיס לאטום סיליקון‬ ‫‪4‬‬ ‫סוגים שונים של קשרים כימיים‬ ‫באופן כללי‪ ,‬קיימים שלושה סוגים של קשרים כימיים תוך מולקולאריים‪:‬‬ ‫ קשר יוני‪ -‬המערב מעבר של אלקטרונים‪.‬‬ ‫ קשר קוולנטי‪ -‬המערב שיתוף של אלקטרונים‪.‬‬ ‫ קשר מתכתי‪ -‬שבמידה מסוימת הינו קומבינציה של שניהם‪.‬‬ ‫תרכובות יוניות‬ ‫ קשר יוני נוצר כאשר אטום מתכת מעביר אלקטרון אחד או יותר לאטום‬ ‫אלמתכת‪.‬‬ ‫ כתוצאה מכך המתכת הופכת ליון חיובי‪ ,‬קטיון והאל מתכת הופכת ליון‬ ‫שלילי‪ ,‬אניון‪.‬‬ ‫ מאחר וקיימת משיכה אלקטרוסטאטית בין מטענים חשמליים מנוגדים‪,‬‬ ‫נמשכים היונים זה לזה ויצרים סריג יוני‪.‬‬ ‫ יחידת פורמולה של תרכובת יונית היא האוסף הקטן ביותר של יונים‬ ‫בגביש‪.‬‬ ‫‪5‬‬ ‫המבנה הגבישי של מלח שולחני ‪NaCl‬‬ ‫‪ -Formula unit‬של חומר יוני‪ ,‬מוגדרת כאוסף הקטן ביותר של יונים‬ ‫שבסה"כ ניטרליים מבחינה חשמלית‪.‬‬ ‫תכונות של חומרים יוניים‬ ‫התכונות של החומרים היוניים נובעות מאופי הקישור היוני‪:‬‬ ‫ חומרים קשים‪.‬‬ ‫ נקודות התכה בינוניות עד גבוהות‪.‬‬ ‫ כל החומרים היוניים‪ ,‬מוצקים בטמפרטורת חדר‪.‬‬ ‫ אינם מוליכים חשמל במצב מוצק‪.‬‬ ‫ מוליכים חשמל טוב במצב מותך או בתמיסה מימית‪.‬‬ ‫דוגמאות‪:‬‬ ‫‪MgO NaNO3 KCl CaCO3‬‬ ‫יונים מונו אטומיים ופולי אטומיים‪:‬‬ ‫יונים מונו אטומיים‪ -‬אטומים בודדים שאיבדו או קיבלו אלקטרון אחד או יותר‪:‬‬ ‫‪S2-‬‬ ‫‪O2-‬‬ ‫‪Na+ Cu2+ Fe3+ Cl-‬‬ ‫יונים פולי אטומיים‪ -‬בנויים משני אטומים או יותר הקשורים ביניהם בקשר קוולנטי‪ ,‬ואיבדו‬ ‫או קיבלו אלקטרון אחד או יותר‪:‬‬ ‫‪CO32-‬‬ ‫‪SO42-‬‬ ‫‪NH4+ H3O+ OH- NO3-‬‬ ‫‪6‬‬ ‫הערות‪:‬‬ ‫ כל מתכות המעבר והעפרות הנדירות מופיעות כיונים חיוביים בקישור‬ ‫יוני‪.‬‬ ‫ מימן יכול ליצור קשר עם מתכות‪ ,‬במקרא כזה הוא הופך לאניון‬ ‫הנקרא‪ -‬הידריד‪.‬‬ ‫‪7‬‬ ‫קשר מתכתי‪ -‬מודל ים האלקטרונים‪:‬‬ ‫ מתכות הינן סריג המכיל יונים חיוביים בים של אלקטרונים‪.‬‬ ‫ מטען היונים הוא בהתאם למספר אלקטרוני הערכיות במתכת‪.‬‬ ‫ בליתיום לדוגמא‪ ,‬הינם הינם ‪ Li+‬ואלקטרון אחד מכל אטם נתרם‬ ‫ל"ים"‪.‬‬ ‫מודל "ים" האלקטרונים‬ ‫קשר מתכתי‪ -‬מודל ים האלקטרונים‪:‬‬ ‫ האלקטרונים החופשיים הללו אחראים לאופי המתכתי המיוחד‪.‬‬ ‫ תנועת האלקטרונים החופשית‪ ,‬מאפשרת הולכה חשמלית טובה של‬ ‫המתכת‪.‬‬ ‫ מעבר אנרגיה קינטית מאלקטרון לאלקטרון מאפשר העברת חום טובה‪.‬‬ ‫ ניתן להחליק את שכבות הסריג אחת על השניה‪ ,‬מבלי לפגוע במבנה‬ ‫הפנימי‪.‬‬ ‫‪8‬‬ ‫קשרים קוולנטיים‬ ‫ נוצרים כתוצאה משיתוף זוגות של אלקטרונים בין שני אטומים‪.‬‬ ‫ בדרך כלל הקשר נוצר בין אל מתכות לאל מתכות‪.‬‬ ‫תרכובות מולקולאריות‬ ‫ שתי אל מתכות משתפות אלקטרונים ליצור תרכובות מולקולאריות‪,‬‬ ‫קוולנטיות‪.‬‬ ‫ למשל יצירה של מימן כלורי‪:‬‬ ‫מדוע נוצרים קשרים כימיים?‬ ‫קשרים כימיים נוצרים כדי להוריד את האנרגיה של‬ ‫המערכת‪ .‬המרכיבים במערכת הופכים יציבים יותר‬ ‫כתוצאה מיצירת הקשרים‪.‬‬ ‫‪9‬‬ ‫עקומת אנרגיה פוטנציאלית‬ ‫גרף המתאר את האנרגיה הפוטנציאלית של המערכת כפונקציה של שני אטומים קשורים‬ ‫דירוג לפי חוזק קשר‪:‬‬ ‫קשר קוולנטי < קשר יוני < קשר מתכתי‬ ‫‪10‬‬ ‫מבנה לואיס לתרכובות יוניות‪:‬‬ ‫מבנה לואיס לקשר קוולנטי‬ ‫• שיתוף של כל זוג בודד של אלקטרונים בין אטומים נותן קשר קוולנטי אחד‪.‬‬ ‫• אלקטרונים המשתתפים בקשר נקראים ‪ bond pair‬או ‪.bonding electrons‬‬ ‫• זוג אלקטרונים שאינו משתתף בקשר נקרא ‪.lone pair‬‬ ‫דוגמאות למבני לואיס‪:‬‬ ‫‪11‬‬ ‫גיאומטריה מולקולארית‪:‬‬ ‫ בנוסף למבנה האלקטרוני‪ ,‬לכל מולקולה גיאומטריה אופיינית‪ ,‬במרחב‬ ‫או במישור‪.‬‬ ‫ הגיאומטריה של המולקולה נקבעת סביב האטום המרכזי ומושפעת‬ ‫מהאטומים הקשורים לאטום המרכזי‪ ,‬ומזוגות האלקטרונים הבלתי‬ ‫קושרים סביבו‪.‬‬ ‫דוגמאות לצורות גיאומטריות של‬ ‫מולקולות‪:‬‬ ‫טטראדר‬ ‫דוגמאות לצורות גיאומטריות של מולקולות‪:‬‬ ‫‪12‬‬ ‫גיאומטריה מולקולארית‪:‬‬ ‫ הדחייה בין האטומים ו‪.‬או זוגות האלקטרונים צריכה להיות מינימאלית‪.‬‬ ‫סדר הדחייה הינו‪:‬‬ ‫ הדחייה בין זוג אלקטרונים לא קושר לבין זוג אלקטרונים לא קושר אחר‬ ‫גדולה מהדחייה בין זוג אלקטרונים לא קושר לזוג אלקטרונים קושר וזו‬ ‫גדולה מהדחייה בין זוג אלקטרונים קושר לזוג אלקטרונים קושר‪.‬‬ ‫‪NonB & NonB > NonB & B > B & B‬‬ ‫אלקטרושליליות‪:‬‬ ‫ אלקטרושליליות‪ -‬מדד לנטייה של אטום להתחרות על אלקטרוני הקשר‬ ‫עם אטום אחר אליו הוא קשור בקשר קוולנטי‪.‬‬ ‫• למתכות אלקטרושליליות נמוכה ‪.EN < 2‬‬ ‫• למתלואידים בינונית בערך ‪.2‬‬ ‫• לאל‪ -‬מתכות אלקטרושליליות גדולה ‪.EN > 2‬‬ ‫• אלקטרושליליות קטנה מלמעלה למטה וגדלה משמאל לימין‬ ‫בטבלה המחזורית‪.‬‬ ‫‪13‬‬ ‫אלקטרושליליות‪:‬‬ ‫• ערכי האלקטרושליליות מאפשרים להעריך את מידת האופי הקוטבי של הקשר‬ ‫הרלוונטי )ע"י הפרש בין הערכים של האלקטרושליליות ‪.(∆EN‬‬ ‫• ערך האלקטרושליליות ע"פ ‪ Pauling‬מסומן ב‪.χ -‬‬ ‫אלקטרו שליליות והקשר הקוולנטי‬ ‫ ההפרש באלקטרו שליליות בין האטומים המשתפים ביניהם אלקטרונים‬ ‫קובע מה יהיה אופיו של הקשר הקוולנטי‪.‬‬ ‫ בקשר קוולנטי טהור‪ -‬יש חלוקה שווה של מטענים בין האטומים‪.‬‬ ‫)מתרחש בקשר בין אטומים זהים(‪.‬‬ ‫ בקשר קוולנטי קוטבי‪ -‬יש חלוקה שונה של האלקטרונים בין האטומים‪.‬‬ ‫‪14‬‬ ‫קשר קוולנטי בין שני אטומים זהים‬ ‫קשר קוולנטי בין שני אטומים שונים‬ ‫אלקטרו שליליות‬ ‫בקשר קוולנטי‬ ‫כאשר האטומים‬ ‫שונים‪ ,‬חלוקת‬ ‫האלקטרונים בין‬ ‫האטומים אינה‬ ‫שווה ולכן הקשר‬ ‫הקוולנטי הינו‬ ‫קוטבי‪.‬‬ ‫‪15‬‬ ‫קוטביות של הקשר‬ ‫ ככל שההפרש באלקטרו שליליות גדול יותר‪ ,‬הקשרים קוטביים יותר‪.‬‬ ‫ ההפרשים הגדולים ביותר הינם בין מימן לפלואור‪ ,‬חמצן וחנקן‪.‬‬ ‫‪δ-‬‬ ‫‪δ+‬‬ ‫‪∆ δ = 0.9‬‬ ‫‪2.1 3.0‬‬ ‫קוטביות המולקולה‬ ‫הגיאומטריה של המולקולה וזוגות אלקטרונים בלתי קושרים משפיעים‬ ‫ותורמים לקוטביות המולקולה‪.‬‬ ‫קוטביות של מולקולת מים‪:‬‬ ‫לקוטביות המולקולה יש השפעה מכרעת על‪:‬‬ ‫ נקודות היתוך ורתיחה‬ ‫ מסיסות החומר בממסים השונים‪.‬‬ ‫‪16‬‬ ‫התנהגות של מולקולות קוטביות בשדה חשמלי‪:‬‬ ‫תכונות של חומרים מולקולאריים‪:‬‬ ‫ לרוב הם בעלי נקודות היתוך נמוכות‪.‬‬ ‫ לא מוליכים חשמל וחום‪.‬‬ ‫דוגמאות‪:‬‬ ‫‪P4‬‬ ‫‪I2‬‬ ‫‪S8 H2O‬‬ ‫‪17‬‬ ‫הכוחות הפועלים בין המולקולות הם כוחות אלקטרוסטאטיים של דיפול‪-‬דיפול )דיפול‬ ‫במולקולה אחת מגיב עם דיפול במולקולה שנייה(‪.‬‬ ‫• ‪) Van der Waals Forces‬כוחות ואן‪-‬דר‪-‬וואלס(‪ -‬אינטראקציות דיפול‪ -‬דיפול‪.‬‬ ‫• ‪ -London Forces‬כוחות לונדון‬ ‫• קשרי מימן‪ -‬אינטראקציות דיפול דיפול אחרות‪.‬‬ ‫הכוחות האלקטרוסטאטיים אחראים על התכונות הפיסיקאליות של החומר ‪:‬‬ ‫כוחות לונדון‬ ‫‪ -London Forces‬כוחות הנובעים כתוצאה מהיווצרות של דיפולים רגעיים‬ ‫)‪ , (instantaneous dipoles‬היוצרים דיפולים מושרים‬ ‫)‪.(induced dipoles‬‬ ‫פולריזביליות ‪ -Polarizability‬מושג שבאמצעותו ניתן לאמוד את הנטייה שתתרחש‬ ‫הפרדת מטען באטום או במולקולה‪ .‬פולריזביליות גדולה משמעותה נטייה חזקה יותר‬ ‫להפרדת מטען‪.‬‬ ‫• הפולריזביליות עולה ככל שמספר האלקטרונים גדול יותר‪ .‬מכאן שבמולקולה או אטומים‬ ‫גדולים יותר‪ ,‬הפולריזביליות תהיה גדולה יותר )חלק מהאלקטרונים מוחזקים חלש יותר‬ ‫לגרעינים(‪ ,‬ולכן צפוי שכוחות לונדון יהיו חזקים יותר‪.‬‬ ‫• לכן צפוי כי נקודת ההתכה והרתיחה של חומרים קוולנטיים‪ ,‬תעלה עם העלייה במסה‬ ‫המולקולארית‪.‬‬ ‫דוגמא‪:‬‬ ‫‪F2 < Cl2 < Br2 < I2‬‬ ‫• כוחות לונדון תלויים גם במבנה המרחבי של המולקולה‪ .‬מולקולות מוארכות יותר‬ ‫פולריזביליות מאשר מולקולות סימטריות וקומפקטיות‪.‬‬ ‫‪18‬‬ ‫אינטראקציות דיפול דיפול‬ ‫• במולקולות פולאריות‪ ,‬יש מומנט דיפול קבוע‪.‬‬ ‫דיפולים קבועים ממולקולות שונות מגיבים‬ ‫זה עם זה‪ .‬כוחות אלו )בנוסף לכוחות לונדון(‪,‬‬ ‫פועלים במולקולות פולאריות‪.‬‬ ‫• לדוגמא‪ :‬כאשר משווים בין המולקולות ‪ : N2 , O2 ,NO‬לפי כוחות לונדון היינו מצפים‬ ‫שנקודת הרתיחה של ‪ NO‬תהיה גבוהה מ‪ , N2 -‬ונמוכה מ‪.O2 -‬‬ ‫באופן ניסיוני מתקבל‪:‬‬ ‫כוחות לונדון לעומת אינטראקציות דיפול‪ -‬דיפול‬ ‫• כאשר נשווה בין חומרים בעלי מסה מולקולארית דומה‪ ,‬אינטראקציות דיפול‪ -‬דיפול‬ ‫קבועות משנות באופן ניכר את נקודת ההיתוך ונקודת הרתיחה של החומר‪.‬‬ ‫• ואילו כאשר נשווה ביון חומרים שיש ביניהם הבדלי מסות גדולים‪ ,‬כוחות לונדון ישפיעו‬ ‫יותר מאשר אינטראקציות דיפול‪ -‬דיפול‪.‬‬ ‫‪Hydrogen Bonding‬‬ ‫• קשר מימן הוא אינטראקציות דיפול‪ -‬דיפול חזקות במיוחד‪.‬‬ ‫• הקשר נוצר כאשר אטום מימן הקשור במולקולה אחת לאחד מהיסודות הקטנים‬ ‫בעלי אלקטרושליליות גדולה )‪ ,(N, O, F‬נמשך לאטום בעל אלקטרושליליות‬ ‫גדולה )‪ (N, O, F‬במולקולה שכנה או באותה מולקולה‪.‬‬ ‫• לקשרי מימן יש השפעה רבה על המבנה והתכונות הפיסיקאליות של החומרים‬ ‫בהם הם מופיעים‪.‬‬ ‫לדוגמא ‪ HF‬גזי‪:‬‬ ‫‪19‬‬