משתמש:Bravo123/צורות של מולקולות

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

הערך נמצא בשלבי עריכה הנכם מתבקשים שלא לערוך ערך זה בטרם תוסר הודעה זו כדי למנוע התנגשויות עריכה. שימו לב! אם דף זה לא נערך במשך שבוע, רשאי כל ויקיפד להסיר את התבנית ולהמשיך לערוך אותו.

מולקולה היא צורה של מבנה כימי שבה אטומים מקבוצת האל-מתכות חוברים זה לזה בקשר קוולנטי. מאחר וישנם דרכי התחברות שונות יכולות להיווצר המון מולקולות שונות בהרכבן ובצורתן המרחבית. לידע על ההיערכות המרחבית של מולקולה כלשהי יש חשיבות מעשית, מלבד הידע הלא מעשי, מפני שהוא מאפשר לקבוע אם מולקולה היא קוטבית או לא קוטבית. במולקולה קוטבית קיים קיטוב קבוע מלבד הקיטוב הרגעי (שנובע מתנועת האלקטרונים) שקיים בכל מולקולה, מה שגורם לעלייה בטמפרטורות ההתכה והרתיחה של חומר המורכב ממולקולות קוטביות.

תוכן עניינים 1 הקדמה 2 צורות נפוצות ובסיסיות של מולקולות 2.1 מולקולה קווית 2.2 מולקולה זוותית 2.3 משולש מישורי 2.4 פרמידה לא משוכללת 2.5 פירמידה משוכללת/טטראדר 3 צורות נוספות של מולקולות

[עריכה] הקדמה

אם נבצע האנשה לאטומים מקבוצת האל-מתכות ונחשיב את האלקטרונים שלהם ככסף נוכל להגיד את הדבר הבא: כל אטום רוצה להיות יותר עשיר ותמיד שסכום הכסף שנמצא בידו יהיה עגול (מילוי של טבעת האלקטרונים החיצונית ביותר של האטום). כאשר אטומים של אל-מתכות נפגשים זה עם זה הם למעשה יוצרים "שותפות" באלקטרונים (הכסף) שברשותם. אל-מתכות מהטור השביעי בטבלה המחזורית יכולים לקבל רק עוד אלקטרון נוסף בשותפות. אל מתכות מהטור השישי יכולים לקבל רק עוד שני אלקטרונים בשותפות וכן הלאה. כך אטומים מהטור השביעי יוצרים רק קשר קוולנטי (שותפות) אחד, אטומים מהטור השישי יוצרים שני קשרים קוולנטיים וכך הלאה.

הכימאי גילברט אן לואיס, חשב על דרך אחרת לייצג את האטומים וקבע את הקביעה הבאה: הוא התייחס לכל האטומים מקבוצת האל-מתכות כבעלי אזור גלעיני ואזור חוץ גלעיני. כאשר האטומים האלה מתחברים בקשר קוולנטי כל אטום חודר לאזור החוץ גלעיני של האטום האחר. לפי ייצוג זה, מחשיבים את כל טבעות האלקטרונים המלאות של כל אטום כאזור גלעיני, ואת טבעת האלקטרונים האחרונה כאזור חוץ גלעיני. מכאן שכל האטומים שנמצאים באותו טור זהים לזה, כי חסר להם בדיוק אותו מספר אלקטרונים כדי להשלים את הטבעת החיצונית ביותר שלהם. ניתן לבצע האנשה נוספת ולומר שאטומים מהטור השביעי הם בעלי "יד" אחת, אטומים מהטור השישי בעלי שני "ידיים" וכן הלאה.

האטום בעל מספר "הידיים" הגדול ביותר הוא הפחמן שנמצא בטור הרביעי. לכן לא קיים אטום שיכול ליצור יותר קשרים קוולנטיים ממנו (ארבעה קשרים). זאת הסיבה לכך שמולקולת המכילות פחמן תמיד תהיינה מורכבות יותר מבחינה מרחבית. אטום המימן הוא יוצא דופן. על אף שהוא נמצא בטור הראשון מתייחסים אליו כאטום מהטור השביעי בעל "יד" אחת. הסיבה לכך היא שבטבעת האלקטרונים הראשונה (הקרובה ביותר לגרעין האטום) יכולים להיכנס רק שני אלקטרונים, ולמימן בודד יש רק אלקטרון בודד. כאר האטומים "משלבים ידיים" נוצרת המולקולה ומפני שלאטומים מספר שונה של ידיים נוצרות מולקולת בצורות שונות. אטום הבור (שנמצא בטור השלישי) גם הוא יוצא דופן. הוא יכול ליצור שלושה קשרים קוולנטיים כמו האטומים מהטור החמישי, אבל הוא לא יכול להשלים את כל האלקטרונים בטבעת החיצונית שלו.

[עריכה] צורות נפוצות ובסיסיות של מולקולות

[עריכה] מולקולה קווית

מולקולה קווית נוצרת כאשר שני אטומים מתחברים זה לזה ואין להם יכולת להתחבר לאטומים אחרים (מולקולה סגורה). כל המולקולות הדו-אטומיות הן מולקולות קוויות. מולקולה קווית יכולה להיות קוטבית או לא-קוטבית. אם שני האטומים שהתחברו זהים (שני אטומי מימן למשל) אז המולקולה היא לא קוטבית, כי ענן הקשר (לחיצת היד שבה שני אלקטרונים) נמשך במידה שווה לכל אחד מהשותפים. אם שני האטומים שהתחברו שונים אז המולקולה תהיה קוטבית כי האטום "החזק" יותר מושך את האלקטרונים יותר לכיוונו. כך למשל אם אטום מימן מתחבר לאטום כלור, אז ענן הקשר ייטה יותר לעבר אטום הכלור מאשר לאטום המימן. ניתן להחשיב את אטום הכלור במקרה זה לאטום טעון שלילית (כמו אניון) "דלתא מינוס" ואת אטום המימן כטעון חיובית (כמו קטיון) "דלתא פלוס". אפילו שמספר הקשרים הקוולנטים שונה בין מולקולות דו-אטומיות שונות, תמיד היערכותן תהיה קווית. לדוגמה, אם שני אטומי חנקן נפגשים כל "יד" משלושת הידיים של כל אחד מהם נלחצות וכך נוצר קשר קוולנטי משולש.

חשוב לציין שכאשר אטומי הפחמן מתחברים זה לזה הם אינם יכולים ליצור מולקולה דו-אטומית. הסיבה לכך היא שבטבע לא קיים קשר קוולנטי מרובע (בין שני אטומים, הקשר אינו יציב). מכאן שהפחמן מופיע בטבע בשני אופנים:

• האופן הראשון: כל אטום פחמן נותן ארבע "ידיים" לארבע אטומי פחמן שנמצאים מסביבו (קשר קוולנטי יחיד בין אטום לאטום) והם עושים זאת גם הם וכך הלאה. הקשר הכימי הזה חזק ביותר והוא מקנה את החוזק הרב ביותר של ההיערכות הזאת הקרויה גם בשם יהלום.
• האופן השני: כל אטום פחמן נותן שלוש "ידים" לשלושה אטומים שנמצאים מצידיו והיד הרביעית מושטת כלפי מטה לאטום רביעי. האטומים מסתדרים בקומות, כאשר האזור שבו יש רק קשר יחיד אינו חזק. דחיפה של הקומות מפרידה ביניהם והחומר מתפורר: זהו גרפיט (פחם).

מולקולות קווית: רוב הגזים במצבים הטבעי (מולקולות דו אטומיות): מימן H₂, חנקן N₂, כלור Cl₂ , פלואור F₂, ברום Br₂, חמצן O₂, ויוד I₂.

[עריכה] מולקולה זוותית

מולקולה זוויתית נוצרת כאשר האטום המרכזי במולקולה הוא אטום אל-מתכתי מהטור השישי. המולקולה הזוויתית הפשוטה והנפוצה ביותר היא מולקולת מים, בה אטום חמצן (מהטור השישי) קשור לשני אטומי מימן משני צידיו. לאטום החמצן יש שני ענני אלקטרונים ("ידיים") סגורות שאינם יכולים ליצור קשר קוולנטי, ועוד שני ידיים פתוחות שאליהם ניתן להתחבר. שני העננים הלא קושרים דוחים זה את זה כך שנוצרת ביניהם זווית גדולה והם יוצרים צורת V. מולקולה זוויתית תמיד תהיה מולקולה קוטבית בשל עובדה זאת, ללא תלות בשאר השותפים לקשר הקוולנטי. כך גם המולקולה H₂O וגם המולקולה HOF הן מולקולות קוטביות. הזווית בין אטומי המימן במולקולת המים היא בת 104.45 מעלות (בהתייחס למרכז המולקולה).

[עריכה] משולש מישורי

משולש מישורי נוצר כאשר אטום של בור נמצא במרכז המולקולה ומסביבו נמצאים האטומים שחברו לו. אם כל המטרימים (השותפים) בקשר הקוולטי של המולקולה זהים אז המולקולה היא לא קוטבית. אם השותפים (המטרימים) שונים אז המולקולה תהיה קוטבית. אם נחשוב על אטום הבור כאדם בעל שלוש ידיים שעומד במרכז, נוכל להבין שאם שלושה אנשים זהים בכוחם מושכים אותו כל אחד לכיוונים הוא לא ינוע (לפי חוקי הוקטורים). אם אחד משלושת האנשים חלש יותר או חזק יותר (אטומים שונים) אז שקול הכוחות על הבור אינו אפס ומכאן שהוא ינוע (המולקולה קוטבית). הזווית בין כל שותף ושותף במולקולה כזאת היא 120 מעלות (האלקטרונים דוחים זה את זה במידה שווה והם מתרחקים זה מזה במידה שווה).

מולקולות בעלות היערכות מרחבית של משולש מישורי: צירופים שונים שהם מופיע אטום בור: בור ושלושה אטומי מימן BH₃, בור ושלושה אטומי כלור BCl₃ וכן הלאה.

[עריכה] פרמידה לא משוכללת

היערכות מרחבית הנקראת פרמידה לא משוכללת נוצרת כאשר האטום המרכזי במולקולה הוא הוא אטום חנקן, פחמן או זרחן. ניתן לראות כל אטום חנקן כבעל שלוש ידיים פתותחות ויד רביעית שהיא תמיד סגורה ולא ניתן להתחבר אליה. שקול הכוחות של כל המטרימים ושל "היד" הסגורה תמיד יהיה שונה מאפס, ולכן מולקולה שכזאת תמיד תהיה קוטבית. לא משנה אם השותפים בצבר המולקולה זהים או לא, הענן הלא קושר (היד הרביעית) תמיד פוגע באיזון. במקרה שבו האטום המרכזי בצבר המולקולה הוא אטום פחמן, מספיק שאחד מהשותפים לקשר הקוולנטי יהיה שונה ותיווצר מולקולה כזו.

מולקולות בעלות העירכות מרחבית בצורת פרמידה לא משוכללת: תרכובות חנקן שונות - אמוניה NH₃ (אטום חנקן ושלושה אטומי מימן, חנקן ושלושה אטומי כלור NCl₃, חנקן המחובר לשני אטומי מימן ולאטום כלור NH₂Cl וכן תרכובות דומות של פחמן וכן הלאה.

[עריכה] פירמידה משוכללת/טטראדר

היערכות מרחבית הנקראת טטראד (או פרמידה משוכללת) נוצרת כאשר האטום המרכזי במולקולה הוא אטום פחמן. אם כל האטומים שחברו לאטום הפחמן זהים אז המולקולה תהיה מולקולה לא-קוטבית (משוכללת), ואם הם שונים אז המולקולה תהיה קוטבית (פרמידה לא משוכללת). מולקולת הטטראדר הפשוטה ביותר היא מולקולה של מתאן CH₄, בה האטום המרכזי הוא אטום פחמן שאליו חברו ארבעה אטומי מימן. טטראדר היא צורה סימטרית מכל הזוויות, כך שגם אם המולקולה מתהפכת לא ניתן להבחין בכך. דרך להמחשת מולקולת טטראדר היא הרעיון הבא: קשירה של ארבעה בלונים מנופחים זהים בגודלים לנקודה אחת. כאשר ננסה לדחוס את הבלונים נראה שתמיד שלושה מהם יטו לצדדים והבלון הרביעי יטה כלפי מעלה. באותו האופן שבו הבלונים מתרחקים זה מזה בשל הנפח שלהם, כך גם ענני הקשר הקוולנטי מתרחקים זה מזה בצורה שווה בשל מטענם הזה. הזווית בין כל ענן אלקטרונים היא בת 109.5 מעלות והיא מכונה הזווית הטטראדרית.

מולקולות בצורה טטראדר: תרכובות פחמן שונות: מתאן CH₄ (פחמן וארבעה אטומי מימן), פחמן ארבע-כלורי CCl₄, פחמן ארבע יודי CI₄, פחמן ארבע פלוארי CFl₄ וכן הלאה.

[עריכה] צורות נוספות של מולקולות

מלבד הצורות הנפוצות של מולקולה קווית, זוויתית, משולש מישורי, פרמידה לא משוכללת וכן משוכללת, קיימות היערכיות מרחביות נוספות של מולקולות.

• פחמימנים: מולקולה שבה מספר אטומי פחמן קשורים לזה לזה בשורה אחת ולהם מתחברים אטומי מימן. פחמימנים שונים: אתאן C₂H₆ , פרופאן C₃H₈, בוטאן C₄H₁₀, פאנטאן C₅H₁₂, הקסאן C₆H₁₄, הפטאן C₇H₁₆, אוקטאן C₈H₁₈, ואילך. אם נשווה את הפחמימנים למולקולה קווית נוכל בטעות להגיע למסקנה הלא נכונה שכולם קוטביים. במבט ראשון, הדבר נראה הגיוני כי "צד" אחד של המולקולה קצר בהרבה יחסית לצד האחר. ניתן לדמות זאת לשרירן שהתאמן רק על ידו האחת והיא מפותחת בהרבה מידו השנייה. עם זאת, כל הפחמימנים הטהורים (שיש בהם רק אטומי פחמן ומימן) הם מולקולות לא קוטביות בשל מיסוך שדות.

• טבעות וצורות נוספות. היערכות מרחבית בצורה המכונה "טבעת" ניתן למצוא אצל הבנזן. הטבעות הבנזניות נמצאות בסוגי פלסטיקים שונים והם מקנים לחומר חוזק ועמידות. חשוב לציין שאף על פי שהבנזן הוא מולקולה אין היא מולקולה "סגורה". כלומר, ישנם אלקטרונים חופשיים שאינם קשורים לאף אטום. צורות נוספות של ההיערכות המרחבית טבעת ניתן למצוא בחומרים הבאים: בוראזין, טריס(פאנטאפלורופניל)בור (שילוב של שלוש טבעות), טולואן וקבוצות פונקציונליות נוספות.

כמו כן, קיימות צורות נוספות חסרות שם מוגדר. קיימים כדורים, סלילים, מבנים דמויי יהלום והיערכויות מרחביות גדולות ומורכבות יותר כמו כדורים ספריליים ועוד. מספר הצורות האפשרי הינו בלתי מגובל הרי שישנם אינסוף דרכי התקשרות שונים בין האטומים השונים כיד הדמיון הטובה. המולקולות המורכבות ביותר הן חלבונים וויטמינים שבהם הקשרים מסתעפים ומסתבכים זה בזה.

מולקולת Rosocyanine

היערכויות שונות של הפחמן

מולקולות הויטמין B12

• פולימרים. פולימר הוא שרשרת ארוכה של קשרים קוולנטים היוצרת מולקולה שבה קיימת חזרה רבה על יחידה חוזרת (ומכאן השם פולי). ניתן להשוות זה למחרוזת שבה רצף של כדורים בצבעים שונים חוזרים על עצמו. שרשראות הפולימרים הן המרכיבות את סוגי הפלסטיקים למיניהם: ניילון, גומי, פלסטיקים תרמוסטיים (קשיחים), דבק ועוד. הפולימר הפשוט ביותר הוא פוליאתילן, בו היחידה החוזרת היא מולקולת אתאן שבה קיים קשר כפול בין שני אטומי פחמן. בתהליך כימי המכונה פילמור גורמים לקשר הכפול להיפתח וכך מחברים בין מולקולות האתאן השונות ויוצרים שרשרת.