) 40% חומרים )
חומרים ()40%
חומרים ,תכונות ושימושים
חומר הוא בעל מסה ונפח; ניתן למדוד מסה ונפח של כמות מוגדרת של חומר .כמות מוגדרת של
חומר (או חומרים) מכונה "גוף" .גוף עשוי מחומר/ים ומאופיין על ידי צורתו ,מסתו ונפחו.
מצב הצבירה של חומר מתאר את אופן הצטברותם של חלקיקי החומר.
חומרים מאופיינים על-ידי תכונות שונות הניתנות לבדיקה ולמדידה באמצעות בדיקות ומכשירים
מתאימים; חומר מאופיין על-ידי תכונות כגון ,צפיפות ,הולכה חשמלית ,הולכת חום ,תכונות
מכאניות (כמו קשיות ,אפשרות לריקוע) ,מגנטיות וטמפרטורת היתוך ורתיחה.
לטובת שימוש בחומר אצטרך להכיר את תכונותיו ,לדוגמה :בכדי לייצר כף לבישול אשתמש
בחומר שאינו מוליך חום לידית (בכדי לא לקבל כוויה ,בכדי לייצר חוטי חשמל אשתמש בחומר
המוליך חשמל כגון נחושת).
לעיתים יש לחומרים שונים תכונות המשותפות.
חומרים שונים זה מזה ,אם יש להם לפחות תכונה אחת שונה.
תכונה זו היא המבדילה בין החומרים.
תהליך התיכון
תהליך התיכון הוא תהליך טכנולוגי שייעודו ייצור מוצר טכנולוגי.
תזכורת! מוצר טכנולוגי – דבר מוחשי מעשה ידי אדם ,שבא לתת פתרון לצורך שהתעורר.
הפתרון הטכנולוגי הוא זמני עד פיתוחו של פתרון חדש העונה על צורך כולל יותר.
לתהליך התיכון ישנם כמה שלבים ,אך קודם כל ,יש להגדיר את הדרישות מהפתרון הטכנולוגי
(הדרישות מכוונות את המפתח לפתרון הרצוי).האדם המתכנן הוא המחליט לגבי דרגת החשיבות
של הדרישות השונות וממיין אותן בהתאם ,כשהדרישות מתחלקות לשני סוגים:
דרישות הכרחיות – דרישות שעליהן המוצר חייב לענות( .כולן חשובות)
דרישות רצויות – שניתן שהמוצר יענה עליהן אך לא הכרחיות(.רצוי לדרג ע"פ רמת
חשיבות)
שלבי תהליך התיכון:
)1גילוי הצורך -הצורך עולה בחי היום יום של פרט וחברה האנושית כולה
)2איסוף מידע – על מנת ללמוד היטב על הבעיה מכל היבטיה יש צורך באיסוף מידע הנחוץ
לשם כך.
)3הצעת פתרונות – לבעיה אחת יכולים להיות פתרונות שונים .יש לשקול כל הצעה על פי
היעילות והכדאיות שלה.
)4בחירת פתרון -אחרי בדיקת האפשרויות השונות ,בוחרים את הפתרון המתאים ביותר.
)5פיתוח המוצר – בעקבות הפתרון שנבחר ,קובעים את דרך הביצוע.
)6הערכת המוצר – בסיום תהליך התיכון ,בודקים האם המוצר המוגמר עונה על הצורך
שלשמו הוא יוצר.
מסה ונפח של גופים
נפח המקום שהחומר תופס במרחב .לכל חומר בכל מצב צבירה יש נפח.
יחידות המידה לנפח :מ"ל ,סמ"ק ,ליטר1( .ליטר = 1000סמ"ק 1 ,מ"ל = 1סמ"ק)
ככל שגוף תופס יותר מקום -נפחו גדול יותר ,וככל שגוף תופס פחות מקום -נפחו קטן יותר.
מדידת נפח לפי מצב צבירה-
מוצק -כשרוצים למדוד נפח של מוצק יש להבחין בין מוצק בעל צורה הנדסית מוגדרת כמו קוביה
למוצק בעל צורה הנדסית לא מוגדרת כמו אבן או קובייה.
גוף בעל צורה הנדסית מוגדרת
גוף בעל צורה הנדסית לא מוגדרת
כלי מדידה :סרט מידה ,סרגל
כלי המדידה :משורה
שיטת מדידה :נפח= אורך Xרוחב Xגובה
שיטת המדידה :להכניס את המוצק לתוך
יחידת מידה :סמ"ק
משורה עם מים בגובה ידוע,
נפח המוצק יהיה שווה למידת עליית
גובה פני המים לאחר הכנסת המוצק
יחידות המידה :סמ"ק (מ"ל)
מדידת נפח של נוזל-
מכשיר מדידה :משורה ,מזרק ,כוס כימית.
שיטת המדידה :הכנסת הנוזל לכלי המדידה ,הגובה המסומן מציין את נפח הנוזל.
יחידות המידה :מ"ל ליטר.
מדידת נפח של גז-
גז הוא חומר ,הגז תופס מקום.
לגז יש תכונה שהוא ממלא כל כלי שמכניסים אותו אליו לכן נפח הגז הוא כנפח הכלי בו הוא
נמצא.
יחידת המידה :סמ"ק ,מ"ל ,ליטר
סיכום נפח
.1נפח החומר הוא המקום שהחומר תופס.
.2מ"ל סמ"ק וליטר הם יחידות למדידת נפח.
.3קובייה שאורך כל אחת מצלעותיה 1סמ"ק -נפחה 1סמ"ק.
.4המשורה היא כלי למדידת נפח של נוזלים.
.5כאשר משקיעים גוף מוצק בנוזל ,נפח הנוזל העולה שווה לנפח הגוף שהשקענו בנוזל.
.6גז הגז תופס מקום גם לגז יש נפח .נפח הגז הוא כנפח הכלי שבו מצוי הגז.
.7ניתן לאחסן כמויות שונות של גז באותו נפח של כלי.
מסה היא כמות החומר שיש בגוף ,כל חומר בטבע הוא בעל מסה .יחידות המידה של המסה הם
גרם ,ק"ג ,טון ואת המסה מודדים באמצעות מאזניים.
1ק"ג = 1000גרם.
כדי להפוך גרם לק"ג יש לבצע פעולת חילוק ב .1000 -
כדי להפוך ק"ג לגרם יש לבצע פעולת כפל ב.1000 -
המסה נשמרת -היא אינה משנה גם אם צורת החומר משתנה.
סיכום מסה-
.1כדי למדוד כמות של חומר מודדים את המסה שלו.
.2מדידת מסה של חומר יכולה להיעשות כאשר החומר במצב מוצק ,נוזל או גז.
.3מודדים מסה בעזרת מאזניים.
.4יחידות המסה הן גרם ,קילוגרם ,טון.
.5גז מתפשט ,על כן נפחו משתנה .הגז ממלא תמיד את מלוא נפח הכלי שבו הוא נמצא ,לכן לא
ניתן לקבוע את כמות הגז על פי נפחו בלבד.
.6בכלי בעל אותו הנפח יכולות להימצא מסות שונות של גז .גז ניתן לדחיסה.
.7ניתן לקבוע כמות של חומר במצב צבירה של גז על ידי מדידת המסה שלו בעזרת
מאזניים.
תהליכי שינוי בחומר
חומר יכול לעבור שינויים .אנו מבחינים בין שינוי כימי לבין שינוי פיזיקאלי.
שינוי פיזיקאלי של חומר הוא כל שינוי שבו שומר החומר על זהותו -כלומר ,שינוי בתכונות
המבנה הכימי.
פיזיקליות ללא שינוי
מצב צבירה.
לדוגמה :קריעת נייר ,שינוי
תהליך כימי – שינוי בחומר ,שבמהלכו נוצר חומר חדש או כמה חומרים חדשים בעלי תכונות
חדשות לדוגמה :שריפה ,בישול ,תגובה כימית בין שני חומרים ליצירת תרכובת.
מבנה החומר :מודל החלקיקים
תורת החלקיקים של מבנה החומר אומרת כי:
א .כל חומר בנוי מחלקיקים זעירים.
ב .חלקיקי החומר נעים מעצמם כל הזמן.
ג .בין החלקיקים יש רווחים שבהם אין שום חומר (ריק).
חלקיקי הגז
.1
.2
.3
.4
.5
.6
.7
כאשר החומר במצב גז הרווחים בין החלקיקים גדולים .אין להם מבנה מסודר.
חלקיקי הגז נעים מעצמם ,תמיד ובכל הכיוונים ,בקווים ישרים.
הם מתנגשים בינם לבין עצמם ובדפנות הכלי.
עליית הטמפרטורה של הגז פירושה עליית מהירות תנועתם של החלקיקים .כמו כן לחץ הגז
גדל.
כאשר החלקיקים נעים מהר יותר ,גדל מספר ההתנגשויות והן חזקות יותר.
אם נגדיל את כמות הגז בכלי ,יגדל מספר החלקיקים ,החלקיקים יהיו צפופים יותר ויגדל
מספר ההתנגשויות ביניהם ובדפנות הכלי.
אם נקטין את נפח הכלי ,החלקיקים יצטופפו יותר ויגדל מספר התנגשויות שלהם בדפנות
הכלי.
בגז ,אותו מספר חלקיקים יכול לתפוס נפחים שונים.
.8חלקיקי הגז תמיד תופסים את כל נפח הכלי העומד לרשותם.
.9פעפוע של הגזים -חלקיקי הגזים השונים ,נעים מעצמם בתנועה מתמדת והם מתערבבים
ביניהם .מכיוון שבין חלקיקי הגזים השונים יש מרחקים גדולים הם מתערבבים מהר יותר.
חלקיקי הנוזל
.1
.2
.3
.4
.5
.6
בנוזל ,החלקיקים צפופים ,אין להם מבנה מסודר.
בין חלקיקי הנוזל קיימת משיכה ,לכן חלקיקי הנוזל אינם מתרחקים זה מזה.
תנועת חלקיקי הנוזל מוגבלת .הם מחליפים מקום עם חלקיקים שכנים.
חלקיקי הנוזל אינם תופסים את כל נפח הכלי העומד לרשותם.
בד"כ ,נפח נוזל אינו ניתן לשינוי ע"י דחיסה ,כיוון שהחלקיקים קרובים זה לזה.
פעפוע -חלקיקי הנוזל נעים מעצמם כל הזמן ,וכלן הם מפעפעים זה לתוך זה (תהליך זה,
איטי בהרבה ביחד לפעפוע של הגז).
חלקיקי המוצק
.1
.2
.3
.4
.5
.6
במוצק ,החלקיקים צפופים מאוד.
החלקיקים מסודרים במבנה מסודר וקבוע.
חלקיקי המוצק מתנודדים ,אך אינם נעים ואינם משנים את מקומם .לכן תנועת חלקיקי
המוצק נקראת תנודה.
בין חלקיקי המוצק קיימת משיכה חזקה ,החלקיקים אינם יכולים לעזוב את מקומם.
נפח מוצק אינו ניתן לשינוי ע"י דחיסה ,כיוון שהחלקיקים צמודים זה לזה.
פעפוע -לחלקיקי המוצק יש תנועה מוגבלת מאוד .החלקיקים צמודים מאוד זה לזה ,לכן
אפשרי פעפוע במידה מזערית.
תופעת הדחיסה
גז -חומר במצב צבירה גז ,ניתן לדחיסה בקלות (נפחו קטן).
נוזל -חומר במצב צבירה נוזל ,נדחס מעט מאוד (נפחו קטן במעט) .כמעט ולא ניתן להבחין
בזה.
מוצק -חומר במצב צבירה מוצק ,כמעט ולא ניתן להבחין בזה .כמעט ואינו ניתן לדחיסה
ונפחו אינו משתנה.
טבלה לסיכום מודל החלקיקים:
המודל החלקיקי של החומר – תיאור מצבי הצבירה השונים
מוצק גבישי
גז
נוזל
מודל מוחשי
סידור
החלקיקים
וכוחות המשיכה
ביניהם
תנועת
החלקיקים
חלקיקי המוצק מאורגנים
במבנה מסודר וסימטרי,
הם קרובים זה לזה,
כוחות המשיכה בין
החלקיקים חזקים.
חלקיקי הנוזל אינם
מאורגנים במבנה מסודר
אך הם קרובים זה לזה.
כוחות המשיכה פחות
חזקים מאשר במוצק.
חלקיקי הגז מרוחקים
זה מזה ונמצאים באי
סדר .כוחות המשיכה
בין החלקיקים חלשים
מאוד.
תנועה תנודתית בלבד,
החלקיקים נדים במקומם
ולא משנים את מיקומם
בצבר.
תנועה תנודתית
וסיבובית ,החלקיקים
משנים את מיקומם בצבר
ומתנגשים זה בזה.
תנועה תנודתית,
סיבובית ותנועת מעתק
(בקו ישר) ,החלקיקים
משנים את מיקומם
ומתנגשים זה
בזה.
חשוב לזכור!!!
חלקיקים של אותו חומר ,זהים זה לזה בגודל ובמסה.
חלקיקים של חומרים שונים ,אינם זהים זה לזה ושונים בגודל ובמסה.
מסה = כמות החומר = סכום המסות של כל החלקיקים בחומר.
נפח = המקום שתופסים החלקיקים במרחב העומד לרשותם והרווח שביניהם.
מהירות החלקיקים תלויה בשני גורמים :בטמפרטורה ובסוג החלקיק.
פעפוע (דיפוזיה) הוא פיזור חלקיקי החומר.
כאשר חומרים שונים מפעפעים זה לתוך זה הם מתערבבים.
הפעפוע מתרחש בגלל שלחלקיקי החומר יש תנועה עצמית ואקראית (בלתי מכוונת).
כאשר מצב הצבירה של החומר משתנה -החלקיקים עצמם אינם משתנים.
מודל החלקיקים כמסביר תופעות ושינויים פיזיקליים
באמצעות המודל החלקיקי של החומר ניתן להסביר תופעות רבות הקיימות בכל מצבי הצבירה
כגון :התפשטות של גז והתפשטות מוגבלת מאד של נוזל או מוצק ,דחיסה של גז וקושי בדחיסה של
נוזל ומוצק ,פעפוע של גז בנוזל ,של נוזל בנוזל ושל מוצק בנוזל המתרחש בעקבות התמוססות ,וכן
של גז בגז.
פעפוע (דיפוזיה)
פעפוע הוא תהליך פיזיקלי ,שבמהלכו ,כתוצאה מתנועתם המתמדת והאקראית של חלקיקי
החומר ,אנו יכולים להבחין בכך שבתחילת התהליך החלקיקים נמצאים בריכוז גבוה יחסית
(מפוזרים בנפח קטן יותר) ,ובהמשך התהליך אנו מבחינים בכך שפיזורם של החלקיקים אחיד בכל
הנפח הנתון (בחומר אחר או בריק).
פעפוע של חומר יתרחש מהר יותר בטמפרטורה גבוהה יותר כיוון שהמהירות הממוצעת של
החלקיקים גבוהה יותר; פעפוע של גז בריק יתרחש מהר יותר מאשר בכלי שבו יש גז כיוון שללא
התנגשויות עם חלקיקי גז אחרים התנועה לא מעוכבת .פעפוע של נוזל בנוזל או של חלקיקי
המוצק בנוזל יתרחש באופן משמעותי רק כאשר החומרים מסיסים זה בזה.
ההסבר וההשוואה בין פעפוע של גז בגז לעומת פעפוע של גז בריק ,מתבסס על מרכיבי המודל
החלקיקי של הגז:
( ) 1חלקיקי הגז נמצאים בתנועת מתמדת ואקראית .במצב הגזי יש לחלקיקים גם תנועת מעתק
ולכן הם מתפזרים באופן אחיד בכל נפח הכלי שבו הם מצויים;
( )2חלקיקי הגז רחוקים זה מזה;
( )3חלקיקי הגז מתנגשים זה בזה כל הזמן.
על בסיס המרכיבים הללו ,ניתן לטעון כי כאשר מוכנס גז Aלכלי שבו מצוי גז ,Bהחלקיקים של גז
Aינועו בכלי ,תוך התנגשויות עם החלקיקים של גז Bהנמצא כבר בכלי .התנגשויות אלו יעכבו
במידה מסוימת את תנועת חלקיקי גז Aבחלל הכלי עד לפיזורם האחיד בנפח הנתון .לעומת זאת,
כאשר יוכנס גז Aלתוך כלי ריק (בעל אותו נפח ובאותם תנאים וכמויות) ,החלקיקים של הגז
שהוכנס לכלי יתפזרו באופן אחיד בכל נפח הכלי ללא הפרעה ,כך שהפיזור האחיד בכל נפח הכלי
יהיה מהיר יותר.
לחץ הגז בשינויי טמפרטורה
-
-
חימום כמות גז מסוימת ,הנמצאת בכלי סגור בעל נפח קבוע ,גורם לעליה במהירות הממוצעת
של החלקיקים ,המתבטאת בעליה בטמפרטורה .עליה במהירות הממוצעת של החלקיקים,
משמעותה עליה בעצמת ההתנגשויות בדפנות הכלי וכתוצאה מכך -עליה בלחץ הגז השורר
בכלי.
קירור כמות גז מסוימת ,הנמצאת בכלי סגור בעל נפח קבוע ,גורם לירידה במהירות הממוצעת
של החלקיקים ,המתבטאת בירידה בטמפרטורה .ירידה במהירות הממוצעת של החלקיקים,
משמעותה ירידה בעצמת ההתנגשויות בדפנות הכלי וכתוצאה מכך -ירידה בלחץ הגז השורר
בכלי.
תמיסה ,מומס וממס
תמיסה היא תערובת של שני חומרים לפחות ,כאשר אחד מהם משמש כממס והאחרים מומסים
בו .החלקיקים של החומרים המומסים ,היכולים להיות בכל מצבי הצבירה ,מוקפים בחלקיקים של
הממס שאף הוא יכול להיות בכל מצב צבירה .על פי רוב הממס קובע את מצב הצבירה של התמיסה
(מוצקה ,נוזלית או גזית) .הממס מוגדר בדרך כלל כחומר שכמותו בתמיסה היא הגדולה ביותר,
בעוד שכל שאר החומרים נחשבים מומסים .לדוגמא :סוכר המומס במים הינו דוגמא לתמיסה
נוזלית ,אוויר הוא דוגמא לתמיסה גזית שבה חמצן וגזים נוספים מומסים בחנקן; והנחושת מומסת
בזהב ,בתמיסה מוצקה ,למשל ,בתכשיטי "זהב" מסחריים שמכינים על ידי היתוך המוצקים,
ערבובם והקפאתם.
חימום וקירור
הטמפרטורה של החומר ,הנמדדת במד-הטמפרטורה ,היא הביטוי החיצוני למהירות הממוצעת של
החלקיקים ,בחומר מסוים .הטמפרטורה נמדדת במעלות ,בעזרת התרמומטר (מד-טמפרטורה),
המנצל את תכונת ההתפשטות של חומרים (בדרך כלל נוזלים) בחימום ,וקביעת סולם מספרי
בהתאם .לכל טווח טמפרטורה מתאימים מד-טמפרטורה מסוג מסוים (עם נוזלים כמו כספית ,כהל
ועוד) .במצב הגזי ,המהירות הממוצעת של החלקיקים בכלי סגור ,משפיעה גם על עוצמת
ההתנגשויות של החלקיקים בדפנות הכלי ,ולכן משפיעה על הלחץ של הגז.
כאשר מחממים או מקררים חומר במצב צבירה נתון ,חל שינוי במהירות הממוצעת של החלקיקים
מהם החומר בנוי ,ולכן משתנה הטמפרטורה של החומר:
כאשר מחממים חומר מסוים ,המהירות הממוצעת של החלקיקים גדלה ולכן הטמפרטורה עולה.
כאשר מקררים חומר מסוים ,המהירות הממוצעת של החלקיקים קטנה ולכן
הטמפרטורה יורדת.
-
-
-
בחימום מוצק – התנועה התנודתית של החלקיקים גוברת – המהירות הממוצעת של
החלקיקים גדלה – והדבר בא לידי ביטוי בעליה של טמפרטורת המוצק .תופעה לדוגמא :שינויי
נפח (התכווצות והתפשטות) של מתכות כתוצאה מקירור או חימום בהתאמה.
בחימום נוזל -התנועה התנודתית והתנועה הסיבובית גוברות – המהירות הממוצעת של
החלקיקים גדלה והדבר בא לידי ביטוי בעליה של טמפרטורת הנוזל .תופעות לדוגמא :בחימום
הכספית הנוזלית הנמצאת במד טמפרטורה גוברת המהירות הממוצעת של חלקיקי הכספית,
דבר הגורם לעליה בנפח של הכספית הנמצאת בצינורית של מד הטמפרטורה – ולכן לעלית
הכספית בצינורית (ולהיפך בקירור).
בחימום גז – התנועה התנודתית ,התנועה הסיבובית ותנועת המעתק גוברות – המהירות
הממוצעת של החלקיקים גדלה – והדבר בא לידי ביטוי בעליה בטמפרטורת הגז; בכלי סגור
בעל נפח קבוע ,החימום יעלה גם את לחץ הגז עקב התנגשויות חזקות יותר .תופעה לדוגמא:
הכנסת בלון יום הולדת המלא באוויר לאמבט מים בטמפרטורה של 600צלזיוס ,תגרום להגדלת
המהירות הממוצעת של חלקיקי האוויר ,הלחץ יגדל ,ולכן נפח הבלון יגדל.
חומרים טהורים מאופיינים בטמפרטורות היתוך ורתיחה ספציפיות (בלחץ מסוים).
טמפרטורת ההיתוך של חומר (שהיא גם טמפרטורת ההתמצקות) היא הטמפרטורה
שבה עובר החומר ממצב צבירה מוצק למצב צבירה נוזל או להיפך .טמפרטורת
הרתיחה של חומר (שהיא גם טמפרטורת ההתעבות) היא הטמפרטורה שבה עובר
החומר ממצב צבירה נוזל למצב צבירה גז או להיפך.
כאשר מחממים חומר עד לטמפרטורת ההיתוך שלו וממשיכים לחממו ,החומר עובר
תהליך היתוך ,וברגע מסוים ,יהיה החומר מצוי בשני מצבי הצבירה – המוצק והנוזל.
בשלב זה:
חימום נוסף יגרום להתרחשות תהליך ההיתוך עד שכל החומר הופך ממוצק לנוזל. קירור החומר יגרום להתרחשות תהליך התמצקות עד שכל החומר הופך מנוזל למוצק.במהלך המעבר של החומר ממצב צבירה מוצק לנוזל או מנוזל למוצק -אין שינוי
בטמפרטורת החומר .החום המושקע בשלב זה נקרא לעיתים "חום כמוס" כיוון שאינו
גורם לעליה בטמפרטורה אלא לשינוי במצב צבירה בלבד .הדבר נכון גם עבור תהליך
הרתיחה (או ההתעבות).
מבנה החומר :סוגי חלקיקים
כל החומרים בעולם בנויים מאטומים ,מולקולות או יונים (הבנויים אף הם
מאטומים).
אטום הוא חלקיק קטן מאוד ,בסדר גודל של עשרות עד מאות פיקו מטר (מיליונית
של מיליונית המטר) המהווה את אבן הבניין של כל החומרים; כיום מוכרים כ118-
סוגי אטומים בלבד.
על אף שמוכרים כ 118 -סוגי אטומים בלבד .צירופים שונים של אטומים ומבנים
שונים שבהם ערוכים האטומים ,מאפשרים את קיומם ואת יצירתם של מספר עצום
של חומרים שונים.
מולקולה בודדת היא מספר מוגדר של אטומים (שניים לפחות) הקשורים ביניהם
בקשר כימי במבנה מוגדר.
כל מולקולה מוגדרת על ידי סוג האטומים שממנה היא בנויה ,מספר האטומים מכל
סוג ,ועל ידי המבנה הגיאומטרי שלה .ישנם חומרים הבנויים ממולקולות וישנם
חומרים בעלי מבנים אחרים ,כמו מבני ענק (מבנים לא מולקולרי ,לדג' :מלח בישול).
כל החומרים בטבע מתחלקים לחומרים טהורים וחומרים לא טהורים:
חומר טהור יכול להיות יסוד ,כלומר חומר הבנוי מאטומים מסוג אחד ,או תרכובת
הבנויה משני סוגי אטומים לפחות .
חומר טהור (יסוד או תרכובת) הוא חומר שההרכב שלו קבוע ואשר תכונותיו קבועות.
יסוד -חומר שלא ניתן לפרוק או התרכבות ,מתואר בסימן כימי לדוגמה :נתרן Na
,חמצן O2
תרכובת -תרכובת היא חומר טהור המורכב משני יסודות לפחות .לכל תרכובת
מתאימה נוסחה כימית קבועה המייצגת את סוג האטומים שמהם היא מורכבת ואת
היחס המספרי ביניהם .לדוגמה :מים ( ,)H2Oבנויים ממולקולות שכל אחת מהן
מורכבת מאטום אחד של היסוד חמצן הקשור בקשר כימי לשני אטומים של היסוד
מימן.
ניתן ליצור תרכובת ישירות מהיסודות המרכיבים אותה או על ידי תגובות אחרות
(למשל ,בתגובה בין שתי תרכובות אחרות) .ניתן לפרק תרכובת לתרכובות פשוטות
יותר ואף ליסודות שמהם היא מורכבת.
כיצד ניתן לדעת האם חומר הוא יסוד או תרכובת?
התשובה לכך היא בשתי רמות:
.1בדיקה ניסויית -האם ניתן לפרקו .היסודות בנויים מסוג אחד של אטומים ואילו התרכובת
בנויה משני סוגי אטומים לפחות ,לכן ניתן לפרקה ולקבל מהפירוק את היסודות המרכיבים
אותה .לעומת זאת ,לא ניתן ,באמצעות תגובה כימית ,לפרק יסוד ליסודות אחרים.
.2בדיקה תיאורטית -התייחסות לנוסחה הכימית של החומר .חומר שבנוסחתו מיוצגים שני
יסודות לפחות הוא לא יסוד ,אלא חומר שניתן לפרקו לחומרים פשוטים יותר.
חומר לא טהור הינו תערובת.
יסודות ומבנה האטום
האטום מורכב מחלקיקים שונים .העיקריים שבהם נקראים :פרוטונים ,נויטרונים ואלקטרונים.
הפרוטונים וניטרונים נמצאים במרכז האטום .והם מהווים את גרעין האטום( .הגרעין תופס נפח
זעיר ביותר בתוך האטום).
בנוסף לגרעין יש באטום אלקטרונים הנמצאים בתנועה מתמדת מסביב לגרעין האטום .
לפרוטונים יש מטען חשמלי חיובי שנהוג לסמן בסימן .+
(חשוב -הפרוטונים לעולם קבועים במקומם בגרעין האטום – לא עוזבים אותו)
הניטרונים חסרי מטען חשמלי ,כלומר הם נייטרליים 0
האלקטרונים טעונים במטען שלילי שנהוג לסמן בסימן . -
בין מטענים זהים קיימים כוחות דחייה חשמליים ואילו בין מטענים מנוגדים קיימים כוחות
משיכה חשמליים (בין הגרעין החיובי לבין האלקטרונים השליליים קיימת משיכה חשמלית).
לכל יסוד יש אטומים המכילים פרוטונים אלקטרונים ,וניטרונים (למימן אין ניטרונים ) .
מספר אטומי
מספר הפרוטונים בגרעין האטום הוא שקובע את סוג האטום (היסוד) .מספר זה
מכונה :מספר אטומי .לדוגמא :המספר האטומי של היסוד מימן ( )Hהוא ,1כיוון
שגרעין אטום המימן בנוי מפרוטון אחד בלבד; המספר האטומי של היסוד ברזל ()Fe
הוא 26כיוון שגרעין אטום הברזל בנוי מ 26 -פרוטונים ומספרו האטומי של היסוד
אורניום ( )Uהוא .92
יסוד אחד שונה מיסוד אחר בכך שהאטום שלו מכיל מס' שונה של פרוטונים (ומכאן שיש לו מספר
אטומי שונה).
אטום ניטראלי -באטום ניטראלי מספר האלקטרונים שווה למספר הפרוטונים.
אטומים טעונים -יונים
אטום שעקב תגובה כימית נוסף לו אלקטרון (או אלקטרונים) יהיה טעון במטען חשמלי
שלילי (יותר אלקטרונים מפרוטונים) והוא יכונה יון שלילי.
כאשר מאבד האטום אלקטרון או אלקטרונים ,הוא יהיה טעון במטען חשמלי חיובי
(פחות אלקטרונים מפרוטונים) והוא יכונה יון חיובי.
טבלת היסודות
דימיטרי מנדלייב המציא את טבלת היסודות במאה ה ,18-הוא סידר את היסודות לפי
מספר סידורי ותכונות משותפות .הוא לא גילה את כל היסודות אך הוא השאיר מקום
ריק ליסודות שיתגלו בהמשך בתוספות התכונות שלהם.
סימול כימי של יסודות:
לכל יסוד כימי סימול המייצג אותו ,כך שהטבלה המחזורית מציגה את כל סימולי
היסודות .הסימול הוא האות הראשונה או 2האותיות הראשונות של שמו הלועזי של
היסוד .לדוגמא :היסוד מימן מיוצג על ידי האות ,Hהכספית מיוצגת על ידי שתי
אותיות ,Hg -הסידן Ca -והברום – .Br
חשוב -בסימול כימי של כל יסוד יש אות גדולה אחת בלבד (והיא תמיד ראשונה).
מבנה הטבלה המחזורית
היסודות מופיעים בטבלה המחזורית בסדר עוקב על פי המספר האטומי ,בשורות
עוקבות.
באופן גס ,ניתן לחלק את היסודות השונים בטבלה המחזורית למתכות ולאל-מתכות.
השוואה בין יסודות מתכות לאלמתכות
מתכות
אלמתכות
מוצקות בטמפרטורת החדר (פרט
לכספית)
מופיעות באחד משלושת מצבי צבירה
בטמפרטורת החדר
מוליכות חשמל טוב
מבודדות (חוץ מגרפיט(
מוליכות חום במידה רבה
מוליכות חום גרוע (פרט ליהלום(
ניתנות לריקוע
שבירות ופריכות
מבריקות
בעלות צבעים מגוונים ,חסרות ברק
נמצאות בצד שמאל ובמרכז טבלת
היסודות
נמצאות בצד ימין בטבלת היסודות (+מימן)
בנוסף ,ניתן להתייחס בטבלה המחזורית ל"משפחות" חומרים ,כלומר ,לקבוצות של
יסודות שנמצאות בטורים שבטבלה ,ושמשותפים להם מספר מאפיינים ותכונות
משותפות
להלן " 3משפחות" שבהם נתמקד:
בטור מספר 1מקובצים כל היסודות המהווים את משפחת המתכות האלקליות (המימן
מופיע לעיתים בטור זה אך אינו שייך לקבוצה זו) .יסודות אלו מאופיינים ב"פעילות
כימית" ניכרת ,למשל ,בתגובה מהירה עם מים וכן נטייתם להתרכב עם יסודות אל
מתכתיים.
בטור מספר 7מקובצים כל היסודות המהווים את משפחת ההלוגנים .יסודות אלו
נוטים להתרכב עם מתכות ליצירת תרכובות יוניות.
בטור מספר 8מקובצים כל היסודות המהווים את משפחת ה"גזים האצילים" .יסודות
אלו הם גזים בטמפרטורת החדר והם לא נוטים להתרכב בקלות עם חומרים אחרים
ומכאן מקור שמם ("אצילים").
הערה :כאשר מחפשים תחליף ליסוד מסוים כדאי לגשת לטור שבו הוא
נמצא בטבלה המחזורית.
תרכובות
תרכובת היא חומר טהור המורכב משני יסודות לפחות.
לכל תרכובת מתאימה נוסחה כימית קבועה המייצגת את סוג האטומים שמהם היא מורכבת ואת
היחס המספרי ביניהם.
לדוגמה:
-CH3Clמולקולה אחת המורכבת מאטום אחד של פחמן ,שלושה אטומי מימן ואטום
אחד של כלור ,שביניהם קיים קשר כימי.
-3CH3Clהוספת המספר שלוש לפני המולקולה מציין כי ישנן 3מולקולות אשר כל אחת
מורכבת מ :מאטום אחד של פחמן ,שלושה אטומי מימן ואטום אחד של כלור
ישנן תרכובות בעלות מבנה מולקולרי וישנן תרכובות בעלות מבנה לא מולקולארי (מבנה ענק סריגי
שאינו בנוי ממולקולות)
תרכובת יונית -תרכובת הנוצרת כתוצאה ממשיכה חשמלית בין יון חיובי (של מתכת ) ליון שלילי
(של אל מתכת) ,הקשר הכימי מכונה קשר יוני .בין מטענים חשמליים שונים יש משיכה חשמלית,
ולכן אטומי הכלור לדוגמה נמשכים אל אטומי הנתרן בתרכובת היונית נתרן כלורי .המשיכה בין
היונים השונים בעצם יוצרת את התרכובת נתרן כלורי (מלח בישול) .NaCl
בתרכובת היונית (מתכת עם אל-מתכת) המתכות תמיד נותנות אלקטרונים ואילו האל-מתכות
תמיד מקבלות אלקטרונים .מתכות יוצרות יונים חיוביים ,אל מתכות יוצרות יונים שליליים.
תמיסה מימית של התרכובת היונית
בעת המסה במים של התרכובת היונית מתרחקים היונים אלה מאלה ,והם מוקפים
במולקולות מים.
אלקטרוליזה:
אלקטרוליזה זהו תהליך פירוק כימי המתרחש על-ידי העברת זרם חשמלי.
בתמיסה מימית של תרכובת יונית ,מתרחשת אלקטרוליזה ( פירוק כימי בעזרת חשמל) כתוצאה
מהעברת זרם חשמלי.
אלקטרוליזה יכולה להתרחש רק כשיש יונים ניידים ,לכן אלקטרוליזה יכולה להתרחש רק
בתמיסות מימיות של חומרים המכילים יונים (תמיסת אלקטרוליט).
באלקטרוליזה משתמשים במקור מתח חשמלי ,למשל בסוללה חשמלית שאליה מחוברות זוג
אלקטרודות.
הסוללה גורמת לזרימה של אלקטרונים מן האלקטרודה החיובית אל האלקטרודה השלילית .
על גבי האלקטרודה החיובית נוצר מחסור באלקטרונים יחסית למספר הפרוטונים ,על גבי
האלקטרודה השלילית נוצר עודף אלקטרונים יחסית למספר הפרוטונים.
בעת מעבר זרם חשמלי נעים היונים לכיוון האלקטרודה שמטענה מנוגד לשלהם.
יוני המתכת הטעונים במטען חיובי נעים לכיוון האלקטרודה השלילית ,ויוני האל-מתכת
הטעונים במטען שלילי נעים לכיוון האלקטרודה החיובית.
ליד האלקטרודה השלילית מאבדים יוני המתכת את המטען החיובי והופכים לאטומים
נטראלים ,המצפים את האלקטרודה בשכבת מתכת.
ליד האלקטרודה החיובית מאבדים יוני האל-מתכת את המטען השלילי שלהם והופכים
לאטומים נטראלים.
שינויים בחומר
תגובה כימית (ריאקציה כימית) היא תהליך שבו נוצרות ו/או מתפרקות תרכובות.
לדוגמא ,יסודות מתכתיים עשויים להגיב עם יסודות אל-מתכתיים לקבלת תרכובת יונית ,תרכובת
עשויה להגיב עם יסוד כלשהו או עם תרכובת אחרת לקבלת חומרים אחרים .תרכובת עשויה
להתפרק לתרכובות פשוטות יותר או ליסודות.
תגובה כימית:
•
•
חומרי המוצא= מגיבים
החומרים הנוצרים= תוצרים
תגובה כימית רושמים באופן הבא:
תוצרים <-----מגיבים
• לכל מרכיבי התגובה ,יצוין מצב הצבירה בסוגרים קטנים :גז ,)g( -נוזל ,)l( -מוצק )s( -מימין
לכל מרכיב.
• בתגובות מתפרקים קשרים כימיים ונוצרים קשרים כימיים חדשים.
• בתגובות כימיות נוצרים חומרים חדשים (תוצרים) בעלי תכונות שונות מתכונות המגיבים.
להלן דוגמאות לסוגי תגובות כימיות מייצגות ולאופן שבו מנסחים אותן (האותיות ()A-D
שרירותיות וכך גם סימולי הנוסחאות) .תגובה כימית ניתן לייצג באמצעות ניסוח הכולל את
הנוסחאות המתאימות.
דוגמאות לתגובות התרכבות:
.1תגובה של שני יסודות אל-מתכתיים לקבלת תרכובת
ניסוח תגובת התרכבות של הגז מימן והגז כלור (יסודות מולקולריים) לקבלת החומצה
מימן כלורי (תרכובת מולקולרית)
)H2(g) + Cl2(g
)2HCl(g
.2תגובה של מתכת עם חמצן לקבלת תחמוצת .תגובה זו מכונה גם תגובת
בעירה/שריפה.
ניסוח תגובת בעירה (שריפה) של מגנזיום – כלומר ,התרכבות של היסוד המתכתי מגנזיום
עם היסוד המולקולרי חמצן ליצירת התרכובת היונית מגנזיום חמצני.
)2Mg(s) + O2(g
)2MgO(s
דוגמא לתגובת פירוק:
אלקטרוליזה של התרכובת היונית נחושת כלורית ליסודותיה -היסוד המתכתי נחושת
והיסוד כלור
)CuCl2(S
)Cu(s) + Cl2(g
חוק שימור המסה
בכל תגובה כימית חומר אינו הולך לאיבוד ואינו נוצר מאין(.מסת המגיבים= מסת התוצרים)
על מנת שנוכל לאשר את חוק שימור המסה הבדיקה צריכה להיעשות במערכת סגורה.
• מערכת סגורה :מערכת סגורה היא מערכת ניסוי המצויה בכלי סגור ,כך
שחומרים אינם יכולים לצאת מהכלי או להיכנס לתוכו .
לדוגמה :בעירה של מגנזיום במערכת פתוחה ,חל שינוי במסה ,נוסף חמצן (מהאוויר) למגנזיום-.
ניסוי זה לא מוכיח את חוק שימור המסה כי הניסוי נעשה במערכת פתוחה ולא סגורה .
• בדיקת מסה תעשה באמצעות מאזניים .
חוק שימור מספר האטומים:
חוק שימור האטומים -בכל תהליך כימי מספר האטומים מכל סוג נשאר קבוע .אטומים אינם
נעלמים ואינם נוצרים מעצמם.
בכל תהליך כימי ניתקים קשרים בין אטומים ונוצרים קשרים חדשים .לכן המסה הכוללת אינה
משתנה ,כי במספר האטומים ובסוגיהם לא חל שום שינוי.
דוגמה :פירוק אלקטרוליזה :
במגיבים :אטומים של מימן , 4-אטומים של חמצן2-
בתוצרים :אטומים של מימן , 4-אטומים של חמצן2-
תערובות
תערובת= ערבוב של שני חומרים או יותר .בתערובת כל חומר שומר על תכונותיו .התערובת ניתנת
להפרדה על ידי שימוש בתכונות מפרידות ובטכניקות פיסיקליות .בתערובת לא נוצרים /נשברים
קשרים כימיים.
רוב החומרים סביבנו הם תערובות של שני חומרים טהורים או יותר :האוויר הוא תערובת של
גזים ,מי ברז הם תערובת של מים עם מלחים וחומרים נוספים ,יין הוא תערובת של מים עם
חומרים כמו סוכר וכוהל וכו'.
ניתן לחלק את התערובות לשני סוגי תערובות:
תערובת לא אחידה (הטרוגנית) שניתן להבחין בעין בשני חומרים לפחות (לדוגמא ,מלח ופלפל;
שמן ומים; וסלט ירקות) ותערובת אחידה (הומוגנית) המכונה גם תמיסה ,הנראית (לעין) כמו
חומר אחד לדוגמה ,מי מלח; אוויר; וזהב מסחרי.
תמיסה היא תערובת הומוגנית של שני חומרים לפחות ,כאשר אחד מהם מתפקד כממס והאחרים
מומסים בו .החלקיקים של החומרים המומסים ,היכולים להיות בכל מצבי הצבירה ,מוקפים
בחלקיקים של הממס שאף הוא יכול להיות בכל מצב צבירה.
בתהליך התמוססות נוצרים קשרים בין חלקיקי המומס המוקפים בחלקיקי הממס .חלקיקים אלו
מפעפעים – כלומר ,נעים מאזור שבו ריכוזם גבוה יחסית למקום שבו ריכוזם נמוך יחסית עד
לפיזורם האחיד בנפח הכולל של הממס.
הממס מוגדר בדרך כלל כחומר שכמותו בתמיסה היא הגדולה ביותר ,בעוד שכל שאר החומרים
נחשבים מומסים .לפיכך ,על פי רוב ,הממס קובע את מצב הצבירה של התמיסה (מוצקה ,נוזלית או
גזית) .לדוגמא :סוכר המומס במים הינו דוגמא לתמיסה נוזלית ,אוויר הוא דוגמא לתמיסה גזית
שבה חמצן וגזים נוספים מומסים בחנקן; והנחושת מומסת בזהב ,בתמיסה מוצקה ,למשל,
בתכשיטי "זהב" מסחריים שמכינים על ידי היתוך המוצקים ,ערבובם והקפאתם.
הפרדת התערובת למרכיביה
כדי להפריד בין החומרים השונים הנמצאים בתערובת יש למצוא תכונות האופייניות לכל חומר
בתערובת ,כמו למשל ,מסיסות במים ,טמפרטורת רתיחה ,גודל גרגירים או משיכה למגנט .תכונה
כזו מכונה תכונה מפרידה כיוון שהיא מאפשרת להפריד בין החומרים הנמצאים בתערובת.
להלן דוגמאות לשיטות הפרדה אחדות:
סינון
שיטה זו מתאימה להפרדת תערובות לא אחידות (הטרוגנטיות) של מוצק ונוזל או של מוצקים
שונים .התכונה המפרידה שמשתמשים בה לצורך סינון היא גודל החלקיקים/גרגירים .המסננת,
נייר הסינון או הנפה ,הם "כלים" שיש בהם "חורים" .החלקיקים הקטנים
עוברים דרך החורים אל כלי הנמצא מתחת לכלי הסינון ,ואילו החלקיקים
הגדולים יותר ,שאינם עוברים דרך החורים ,נשארים בכלי הסינון.
אידוי
שיטת האידוי מתאימה הן להפרדת תערובות לא אחידות (הטרוגניות) והן
להפרדת תערובות אחידות (הומוגניות) המכונות תמיסות .משתמשים בשיטה
זו ,למשל ,לייבוש מוצק הספוג או מצוי בנוזל כלשהו או לקבלת החומר המוצק
המומס בנוזל .התכונה המפרידה בשיטה זו היא טמפרטורת הרתיחה או יכולת
ההתאדות השונה של כל חומר .מאדים את הממס (בדרך כלל נוזל) ,בחימום ,והחומר המומס (בדרך
כלל מוצק) ,שוקע.
זיקוק
שיטה זו משמשת להפרדת תערובת על בסיס ההבדלים בטמפרטורת הרתיחה של הנוזלים
בתערובת .מחממים תערו בת נוזלית והנוזל בעל טמפרטורת הרתיחה הנמוכה יותר ירתח ויהפוך
לאדים .את האדים אוספים במכשיר זיקוק ,האדים מתקררים לאורך המעבה והופכים שוב לנוזל,
שאותו אוספים בכלי מתאים.
בתעשייה ,הנפט הגולמי מופרד למרכיביו השונים כמו בנזין ,נפט ,סולר ושמני סיכה.
בתעשיות היין והבירה מזקקים את הכוהל מתערובת
התסיסה .במהלך זיקוק יין ניתן להפריד בין האתנול
(האלכוהול) לבין המים .ההפרש בין טמפרטורת הרתיחה של
אתנול ( )780Cלבין זו של המים (.)1000C
מגנט
כאשר בתערובת הטרוגנית שמכילה ברזל ,ניתן להשתמש
במגנט להפרדתו מהתערובת .התכונה המפרידה היא משיכה
למגנט (מגנטיות) .למשל ,אבקת גופרית ואבקת ברזל
המעורבבות ניתן להפריד באמצעות מגנט שמושך את הברזל בלבד.
הפרדת תערובת של אבנים ,חול אבקת ברזל ומלח
חומרים :תועלת ומחיר סביבתי
חוץ מהגלגל ,כמעט כל מה שאתם רואים בסביבתכם ,או רוב מה שמשמש אתכם לחיי היומיום,
הוא תוצר של 150השנים האחרונות .בשנים אלה בני אדם המציאו ופיתחו עשרות אלפי רעיונות
ששיפרו והקלו את החיים .מתוך כל אלה ,שני התחומים העיקריים שבהם נעשתה התקדמות
שהובילה לגידול בתוחלת החיים הם החקלאות והרפואה .בעבר ,חלק גדול מאוכלוסיית מדינה
עסקה בהספקת מזון לשאר תושבי המדינה .ההתקדמות בחקלאות הובילה לכך שמעט אנשים
יכולים לספק מזון להרבה מאד אנשים ,עובדה שאפשרה גידול ערים ומעבר כוח אדם לתעשייה.
מה שיותר חשוב ,זה אפשר גידול באוכלוסיה כי היה מספיק מזון כדי להאכיל את כולם.
כל ההתפתחות שבני האדם עשו ,ובעיקר ב 250השנים האחרונות ,לא התרחשה ללא מחיר .בני
אדם מפיקים חומרים מהטבע או מייצרים חומרים חדשים לשימושיהם ולצרכיהם השונים .עם
הכניסה לתקופת המהפכה התעשייתית לפני כמאתיים וחמישים שנים ,השימוש והניצול של
משאבי הטבע על ידי האדם קפצו מדרגה והגיעו לרמות מדאיגות.
הפלסטיקים השונים הם חומרים זולים מאד ,קלים לעיבוד ,ועמידים לפירוק למשך מאות ואלפי
שנים .שקיות הפלסטיק המצטברות מזהמות את הסביבה ועלולות גם לגרום למותם של בעלי
חיים האוכלים אותן.
לא רק הפלסטיק הוא מקור לבעיות אקולוגיות .גם חומרים אחרים שאנחנו לא כל כך שומעים
עליהם בחדשות ,מהווים בעיה אקולוגית .לדוגמה -עם הגשם ,חומרי דישון נסחפים מהשדות אל
הנחלים ,ושם הם מעודדים את צמיחת האצות .מכיוון שהאצות שבשכבות העליונות חוסמות את
האור המגיע לשכבות התחתונות ,האצות שבשכבות התחתונות אינן עושות פוטוסינתזה אך
נושמות ומקטינות את אחוז החמצן במים .התוצאה היא מוות של צמחים ודגים .בעיה אקולוגית
נוספת היא בעיית הצמיגים .ישראל לבדה מייצרת מידי שנה כ 3מליון או 48אלף טון צמיגים
משומשים .הגומי אינו מתכלה ולמעשה הצמיגים הישנים הולכים ומצטברים באתרים שונים,
כולל אתרים לא חוקיים שעברייני סביבה מביאים לשם את פסולתם
מסגרת המאמצים לשימור הסביבה ,נחקקו בישראל ובעולם חוקים מגבילים המחייבים טיפול
בפסולת הצמיגים .כיום יש מפעלים הגורסים את הצמיגים ומייצרים מהם גרגירי גומי .בגרגירים
משתמשים לריצוף גני משחקים וחדרי כושר .הגרגירים משמשים גם לבניית כבישים -הכבישים
מתרחבים ומתכווצים עקב שינויי הטמפרטורה בין יום ולילה ובין קיץ וחורף .תוספת גרגירי
הגומי האלסטיים מאפשרת שינויים ללא היסדקות של הכביש.
ישנם גורמים מזהמים רבים נוספים ובכללם התעשייה ובתי החרושת .הפסולת התעשייתית
עלולה להכיל גורמים רעילים רבים הפוגעים באדם ובסביבה ,וכן גם חומרים דליקים המסוכנים
לסביבה .בשנים האחרונות חלה עליה משמעותית במודעות לזיהום הסביבתי
© Copyright 2024