כימיה pH
(ערך ההגבה) הוא מדד לרמת חומציות של תמיסה ,המתבסס על ריכוזם של יוני הידרוניום + H3Oבתמיסה. מושג זה הוצג לראשונה בשנת 1901על ידי הכימאי הדני סרן סרנסן. • pמייצג פוטנציאל ,פוטנז ( )potenzבגרמנית ,ומשמעותו ריכוז. • Hמייצג יוני מימן ()H+ חישוב pHלתרכובות המתפרקות באופן מוחלט או כמעט מוחלט נעשה עפ"י הנוסחה הבאה:
כאשר H3O+הוא ריכוז יוני ,H3O+בתמיסה .ריכוז זה נמדד במולים לליטר (מוכר גם בשם מולריות).
מדידת pH ניתן למדוד רמת pHבעזרת אינדיקטור pHאו באמצעות שימוש במד .pHאינדיקטורים אוניברסליים משנים צבעם לפי רמת ה pH-של התמיסה אליה הוספו .מד pHאלטרוני מורכב מתא אלקטרוליטי שבו זרם חשמלי נוצר בעזרת יוני המימן שמשלימים מעגל חשמלי.
טווח הערכים של הpH- הערך pH = 7מתייחס לרמת החומציות של מים מזוקקים (תמיסה ניטרלית = .)pH 7משמעותו של pH 7היא שריכוז יוני H+ששווה לריכוז .OH-עם זאת ,מי ברז או מי גשם מכילים חומרים מומסים שונים ולכן ה pH-שלהם עשוי להיות שונה במעט מ .7-ערכי pHהגבוהים מ 7-הינם בסיסיים יותר ,בהם ריכוז ה H+-נמוך מריכוז .OH-ערכים נמוכים מ7- מייצגים חומציות ,ובהם ריכוז H+גדול מריכוז .OH- סולם הדרגות שבו נמדד ה pH -הינו לוגריתמי (לפי בסיס ,)10כלומר ההבדל בין pH 1ל pH 2 -הוא פי .10הבדל של יחידה אחת מציין גידול פי ,10וכך יהיה רוק עם ערך pH=6חומצי פי 10ממים ,קפה שחור עם ערך pH=5חומצי פי 100ממים ,עגבניה עם ערך pH=4חומצית פי 1,000ממים ,חומץ עם ערך pH=3חומצי פי 10,000ממים וכן הלאה. התחום הנורמלי של סולם ה pH-הוא בין 0ל ,14-ורוב התמיסות בטבע הן בתחום pHזה .עם זאת ,אין שום משמעות מיוחדת לערכים 0או 14שמונעת לעבור אותם ,ועבור חומצות או בסיסים חזקים במיוחד יתכן pHשחורג מתחום זה. למשל ,לתמיסת HClבריכוז ( 37%במשקל) יש pH=-1.1בערך ,ולעומת זאת לתמיסה רוויה של NaOHיש pH=15 בערך. ישנן כמה סיבות שבגללן pHשלילי אינו נפוץ והוא קשה למדידה: .1גם חומצות חזקות לא נפרדות לחלוטין ליונים כשהן בריכוז גבוה .למשל ,היינו מצפים כי תמיסת HClשל 12 מול בליטר תוביל לערך .pH=-1.08בפועל ,ערך ה pH-של תמיסה זו גבוה יותר ,משום שחלק מיוני המימן נותרים קשורים ליוני הכלור .זה נובע מהעובדה שהמערכת מגיעה תמיד לשיווי משקל כלשהו .אמנם בקבוע שיווי משקל הגדול מ 10בחזקת 10אומרים שהתגובה היא בלתי הפיכה כי כמות החומר המומרת חזרה לתוצרים היא זניחה ,יחד עם זאת תמיד אפשר למצוא את עקבות כל החומרים בתמיסה. .2אלקטרודות זכוכית ,המשמשות למדידת ,pHאינן רגישות דיין כדי למדוד במדויק ערכי pHשליליים, והתוצאות המתקבלות הן בדרך-כלל גבוהות מה pH-האמיתי של התמיסה. תמיסות חומציות מאוד ( pH=-3.6ואף נמוך מכך) נמצאו בטבע (ראה .)Nordstrom et al, 2000 1
איזוטופ איזוטופים של יסוד כימי הם אטומים בעלי אותו מספר אטומי אך בעלי משקל אטומי שונה .מקורה של המלה איזוטופ, ביוונית = Ισος :שווה = Τοπος ,מקום ,ופירושה "אותו מקום" ,בעובדה שאיזוטופים נמצאים באותו מקום בטבלה המחזורית של היסודות. כידוע ,כל היסודות בנויים מאטומים .האטום בנוי ,באופן כללי ,מגרעין ,המורכב מפרוטונים ונייטרונים ,ומאלקטרונים הסובבים סביב הגרעין. התכונה האטומית המבדילה בין חומר אחד למשנהו ,היא מספר הפרוטונים שבגרעין .מספר זה -הקרוי מספר אטומי של היסוד ,והמייצג גם את מספר האלקטרונים של יסוד זה -קובע את תכונותיו הכימיות של החומר ,וממנו נובעים צבעו, מרקמו ,ותכונותיו המכניות. מספר הנייטרונים שבגרעין ,לעומת זאת ,יכול להשתנות מבלי לשנות את תכונותיו הכימיות של החומר .פעמים רבות מספרם של הנייטרונים שווה למספר הפרוטונים (בפרט ביסודות הקלים) ,אך הדבר אינו מחוייב .מספר הפרוטונים והנייטרונים גם יחד קובע את המשקל האטומי -הנקרא גם מסה אטומית -של האטום .משקל האלקטרונים קטן פי 1000 ממשקל הפרוטון או הניוטרון ולכן זניח. הצורה הנפוצה של החומר בטבע היא "הצורה הטבעית" שלו ,אך לעיתים קרובות ניתן למצוא אטומים של החומר עם מספר שונה של נייטרונים מן הצורה הטבעית .צורה פחות נפוצה זו של החומר נקראת איזוטופ. בצורה הטבעית של גרעין המימן ,למשל ,יש פרוטון אחד ,ואין נייטרון .בנוסף קיימים אטומים של מימן להם יש נייטרון בגרעין ,בנוסף לפרוטון -זהו איזוטופ של מימן הקרוי דאוטריום .בריאקציות גרעיניות נוצר איזוטופ נוסף של מימן הקרוי טריטיום ,ולו שני נייטרונים בגרעין. בניגוד לדוגמה זו ,שבה לכל איזוטופ יש שם ,מרבית האיזוטופים אינן קרויים בשם ,אלא קרויים בשם הבנוי משם היסוד ומספר הפרוטונים והנייטרונים שבגרעינו .אורניום ,238-למשל הוא איזוטופ של אורניום שבגרעינו יש 238פרוטונים 238 ונייטרונים .בכתיב הכימי מסומן האיזוטופ בסמל היסוד ,שלפניו רשום ,בספרות עיליות ,מספר הפרוטונים והנייטרונים. ,Uלמשל ,הוא אורניום.238- קיומם של איזוטופים שונים לאותו יסוד גורם לכך שהמשקל האטומי ,כפי שהוא מופיע בטבלה המחזורית של היסודות, אינו מייצג משקל אטומי של איזוטופ מסוים ,אלא את המשקל האטומי המשוקלל ,בהתאם לתפוצתם של האיזוטופים בטבע. אף שלמספר הנייטרונים בגרעין אין השפעה על התכונות הכימיות של היסוד ,יש לו השפעה רבה על היציבות של הגרעין - חלק מהאיזוטופים הם איזוטופים רדיואקטיביים .לניקל ,למשל ,יש חמישה איזוטופים יציבים (הגרעין שלהם אינו מתפרק מעצמו) ,איזוטופ אחד (ניקל )59-שזמן מחצית החיים שלו הוא יותר מעשרת אלפים שנה ,איזוטופ אחד (ניקל )63-שזמן מחצית החיים שלו נמדד בשנים רבות ושלושה איזוטופים (ניקל ,56-ניקל ,57-ניקל )66-שזמן מחצית החיים שלהם הוא פחות מעשרה ימים.
שימושי האיזוטופים בין אטומים זהים של אותו יסוד אי אפשר להבדיל בתהליכים כימיים ,אך ניתן להבדיל בין איזוטופים שונים .יצירת תרכובת מאיזוטופ מסוים מאפשרת מעקב אחר ההתנהגות של האטומים המרכיבים תרכובת זו בתערובת שבה נמצאים אטומים אלה גם בתרכובות אחרות .דוגמה :בחקר התנהגותו של הפנול ( )C6H5OHבמים ,משתמשים ב"מים כבדים" ( ,)D2Oכלומר מים שהמימן בהם הוא האיזוטופ דיאוטריום .בצורה זו ניתן להבחין בין המימן שבפנול ובין המימן שבמים ,ולגלות שהפנול המומס במים מחליף אטומי מימן עם המים. לייצורה של פצצת אטום דרושים איזוטופים מסוימים דווקא .הפעולה הקרויה "העשרת אורניום" היא בידודו של האיזוטופ הנדיר ,אורניום ,235-הנחוץ לייצור הפצצה ,מתוך האורניום המצוי בטבע ,שבו האיזוטופ הנפוץ הוא אורניום .238-זהו אתגר טכנולוגי לא פשוט ,עקב ההבדלים הפעוטים שבין האיזוטופים 2
איזומר איזומר הוא אחד מתוך שתי תרכובות ואף יותר משתים ,בעלות אותה נוסחה מולקולרית אבל מבנה (סדר) האטומים בה, שונה. איזומרים מרחביים -חומרים זהים במבנה הכימי שלהם ואינם דומים במבנה המרחבי שלהם
אל מתכות רב האל-מתכות נמצאות הצד הימני העליון של הטבלה המחזורית .יוצא דופן הוא המימן ,שמופיע בדרך כלל בצד השמאלי העליון יחד עם המתכות האלקליות ,אבל הוא מתנהג ברוב המקרים כאל-מתכת .שלא כמו מתכות ,שמוליכות חשמל ,רב אל-מתכות הן מבודדות או מבודדות למחצה .אל-מתכות יכולות ליצור סריג יוני עם מתכות ,או לחילופין קשר קוולנטי עם אל-מתכות ומתכות אחרות .תחמוצת של אל-מתכת יוצרת חומצה. ישנן רק 17אל-מתכות ידועות .חלק מהאל-מתכות (מימן ,חנקן ,חמצן ,פלואור ,כרום ,ברום ויוד) הן דו-אטומיות ושאר הן רב-אטומיות אלקטרוליזה פירוק כימי של חומר על ידי זרם חשמלי (ביוונית אלקטרו = חשמל ,ליזיס = פירוק).לדוגמא ע"י הזרמת חשמל באופן מבוקר דרך אלקטרודות למים מזוקקים ניתן לפרק את המים (שהרכבם הכימי הוא )H2Oלשני היסודות מהם המים מורכבים,חמצן ומימן .בסוף התהליך (פירוק כימי) ייווצרו מימן וחמצן ביחס של 1:2כלומר תיווצר כמות כפולה של מימן מכיוון שיש שתי מולקולות מימן על כל אחת של חמצן.
אלקטרושליליות אלקטרושליליות ( )Electronegativityהיא מידת יכולתו היחסית של אטום למשוך אלקטרונים אליו בקשר קוולנטי. המושג המקורי הוצע על-ידי לינוס פאולינג ,כימאי-פיסיקאי ,בשנת .1932 לאחר שנתיים פיתח ר.ס מוליקן דרך לחישוב ערכי אלקטרושליליות : •ממוצע בין פוטנציאל יינון (אנרגיה הדרושה להרחקת אלקטרון מהאטום) לזיקה אלקטרונית (אנרגיה הדרושה להוספת אלקטרון לאטום במצב גזי). הערכים המתקבלים לשיטתו של מוליקן הם ביחידות אנרגיה ,לרוב באלקטרון וולט .לפיכך ,ישנם שתי טבלאות -טבלת מוליקן וטבלת פאולינג .הנפוצה יותר בשימוש היא טבלת פאולינג .טבלה מוכרת פחות היא טבלת אלרד-רוצ'או. מערך האלקטרונים באטום הוא אשר קובע את האלקטרושליליות -האטומים הקרובים להשלמת קליפתם החיצונית למבנה של גז אציל (הליום למשל) על-ידי הוספת אלקטרונים ,הם בעלי אלקטרושליליות גבוהה יותר מאשר אלו המגיעים לקליפה חיצונית שלמה בעזרת מסירת אלקטרונים. אלקטרושליליות נמדדת תמיד בערכים חיוביים והאטום בעל האלקטרושליליות הגבוהה ביותר הינו הפלואור -אנרגיית יינון גבוהה וזיקה אלקטרונית גבוהה ,בעל ערך אלקטרושליליות .4למתכות לעומת זאת ,יש נטייה למסירת אלקטרונים ולכן הן מקבלות את הערכים הנמוכים ביותר של אלקטרושליליות -לדוגמא פרנציום ,מתכת אלקאלית ,מקבלת ערך ,0.7הנמוך ביותר. גזים אצילים הם יסודות כימיים שלהם קליפה חיצונית מלאה של אלקטרונים ,ולכן אינם מתרכבים בקלות עם יסודות אחרים (השם גזים אצילים ניתן להם בזמן שהדעה היתה שאינם מתרכבים כלל) .יסודות אלה הם :הליום ,נאון ,ארגון, קריפטון ,קסנון ורדון .כל היסודות הללו הם גזים בטמפרטורת החדר ,ולהם נקודות היתוך ונקודות רתיחה נמוכות מאוד.
3
תכונתם של הגזים האצילים שלא להשתתף בריאקציות כימיות גרמה לקושי לזהותם ,והראשון בהם ,הליום ,התגלה רק לאחר ניתוח ספקטרוסקופיה של השמש ,וקיומו הוכח רק לאחר שויליאם רמזי בודד אותו. האנומליה של המים ,אחת מתכונות המים המבדילה אותה משאר החומרים בעולם. באופן כללי נפח של חומר במצב מוצק קטן מהנפח של אותו חומר כשהוא במצב נוזל .במים ישנה תופעה ייחודית שכאשר המים עוברים למצב מוצק הנפח שלהם דווקא גדל ,תופעה זו נגרמת בשל המבנה שיוצרות מולקולות המים כאשר הן במצב מוצק. לתופעה זו יש השפעות רבות על חיינו ובין היתר זוהי גם הסיבה לכך שהקרחונים צפים על פני המים. הלוגן הוא כל יסוד השייך למשפחת ההלוגנים :קבוצת יסודות אל-מתכתיים ,רעילים ,שמאכלסים את העמודה ה 7-והלפני אחרונה בטבלה המחזורית ויש להם שבעה אלקטרונים ברמה החיצונית. ההלוגנים הם :פלואור ,כלור ,ברום ,יוד ואסטטין .ההלוגנים מצויים בטבע בצורת מולקולות דו אטומית ובתרכובות רבות. כאשר הלוגן בא במגע עם מתכת ,נוצר מלח.
חומצה חומצה היא חומר בעל פוטנציאל להעברת פרוטון ,למעשה ( + Hגרעין של מימן) ,לחומר אחר .השם "חומצה" ניתן לה על פי טעמה החמוץ. בתהליך "חומצה-בסיס" משתתפים שני חומרים ,אחד משמש בתור חומצה ,והוא מעביר את המימן לחומר השני ,המשמש בתור בסיס ,הקולט את גרעין המימן. דוגמא:
בתהליך זה מולקולת ה HClשימשה בתור חומצה ,ומולקולת ה H2Oשימשה בתור בסיס .במהלך תגובה של חומצה עם מים נוצרים יוני ( + H3Oיוני הידרוניום). בתהליך "סתירה" בין חומצה ובסיס מתקבלים מלחים ,לדוגמא:
ישנן חומצות חזקות כמו HCl,HBr,HIוהתחמוצות ,HNO3,H2SO4,HClO 4לעומת זאת רוב החומצות הינן חומצות חלשות ותהליך התגובה כמעט ואינו מתרחש (התגובה היא דו כיוונית) תמיסה חומצית היא תמיסה מימית בעלת pHנמוך מ.7 -
בסיס-בכימיה ,בסיס הוא תרכובת אשר תורמת יוני ( OH-יוני הידרוקסיל) לתמיסה המימית שלה .לבסיס יש ,איפוא ,ערכי pHהנמצאים בין 7ל( 14-זאת בניגוד לחומצה ,שערכיה הם בין 0ל.)7- כאשר בסיס מגיב עם חומצה ,נוצרת תמיסה מלחית .למשל ,בתגובה בין נתרן הידרוקסילי ( )NaOHלבין חומצה מלחית ( )HClבכמויות שוות ,הבסיס והחומצה סותרים זה את זה לחלוטין ומתקבלת תמיסה נייטרלית של מלח שולחני (:)NaCl NaOH + HCl → NaCl + H2O
4
תרכובת חומצתית ,המתפרקת ליונים באופן מושלם בתוך תמיסה מימים בתהליך:
כלומר ,לא מתרחשת תגובה הפוכה. דוגמאות לכמה חמצות החזקות הן: •ההידרידים: oחומצה כלוריתHCl , oחומצה ברומיתHBr , oחומצה יודיתHI , •חומצות חמצניות oחומצה על-כלוריתHClO4 , oחומצה חנקתיתHNO3 , oחומצה גופרתיתH2SO , חומצה חנקתית ( )HNO3משמשת בתגובות כימיות רבות בין המפורסמות שבהן היא תגובת הניטרציה. בגלל שחומצה חנקתית משמשת לניטרציה קוראים לה גם חומצה ניטרתית. את החומצה החנקתית מפיקים באמצעות חנקת אשלגן ( )KNO3וחומצה גופרתית (.)H2SO4 החומצה החנקתית מסוכנת מאוד למגע. בין השימושים של החומצה החנקתית :לייצור דשנים ,חומרי נפץ ,ובטון. חומצה חנקתית היא חומר מחמצן חזק. כאשר חומצה חנקתית חשופה לאור או לחום היא משחררת תחמוצות חנקן חומצות אמינו הן יחידות המבנה הבסיסיות של חלבונים .חומצה אלפא-אמינית מורכבת מקבוצת אמין ,קבוצת קרבוקסיל ,אטום מימן וקבוצת Rמשתנה ,הקשורה לאטום פחמן הקרוי פחמן-אלפא ,היות והוא קרוב לקבוצה הקרבוקסילית החומצית .קבוצת ה R-היא שרשרת הצד של החומצה .חומצות אמינו נקשרות אחת לשניה בקשר המכונה קשר פפטידי. בטבע מוכרות מעל 500חומצות אמינו ,חלקן אפילו נמצאו במרכיבי מטאוריטים .מיקרואורגניזמים וצמחים מייצרים לעיתים חומצות אמינו יוצאות דופן. גוף האדם עושה שימוש בעשרים חומצות אמינו אשר עוברות תרגום מתוך רצפי הדנ"א ומהוות את החלבונים .את כל חומצות הללו עשוי האדם לקבל מהמזון .את חלקן הוא מסוגל לייצר בעצמו בעיקר בכבד שלו .הוא מייצר אותן מחומרי הגלם שהתקבלו מהמזון ,דהיינו חומצות אמינו אחרות שהתקבלו מהמזון .את החומצות שהאדם מייצר בעצמו אין הוא חייב כמובן לקבל מהמזון ולכן הן נקראות "חומצות אמינו בלתי חיוניות" .אלו הן החומצות :אלאנין ( ,)Alanineאספרגין ( ,)Asparagineחומצה אספרטית ( ,)Aspartic acidגלוטמין ,)Glutamine( ,חומצה גלוטמית ( ,)Glutamic acidגליצין ( ,)Glycineפרולין ( ,)Prolineסרין ,))Serineציסטאין ( )cysteineו -טירוזין (.)Tyrosine מבין חומצות האמינו שבהן עושה האדם שימוש ,יש שמונה שאותן יש הכרח לקבל מהמזון מפני שהגוף אינו יכול ליצרן בעצמו .לכן נקראות הן "חומצות אמינו חיוניות" .אלן הן :ליזין ( ,)lysineאיזוליאוצין ( ,)isoleucineואלין ()valine טריפטופאן ( ,)tryptophanליאוצין ,) )leucineתריאונין ( )threonineפנילאלאנין ( )phenylalanineומתיונין ( .)methionineבנוסף ,חייב כל אדם לקבל מהמזון גם חומצה נוספת ,חומצה חצי חיונית ,היסטידין ( ,)histidineאשר למרות שהגוף יודע לייצר אותה ,הנה מסתבר שהוא אינו מסנתז ומייצר אותה בכמות מספקת .ואילו חומצה אחרת ,הארגינין ( ,)arginineחצי חיונית גם היא ,בעיקר עבור תינוקות וילדים הזקוקים לה בכמות העולה בהרבה על זו שאותה הם מסוגלים לייצר בעצמם. COOH
| H-C-R | NH2
5
כפי שניתן לראות מהמבנה הכללי ,לכל חומצת אמינו יש לפחות צד אמיני אחד (החיובי) וצד קרבוקסילי אחד לפחות (השלילי) .הקשר הפפטידי נוצר בין שתי קבוצות אלו .ניתן לסווג חומצות אמינו לקבוצות על-פי מאפיינים כימיים מבניים. ערכי ה PKaשל הקבוצה הקרבוקסילית הוא סביב 2ושל החומצה האמינית סביב 9.5
אמין(כימיה) אמינים הם מבנים כימיים ממשפחת האמוניה ( ,)NH3שבהם מימן אחד או יותר הוחלף בקבוצה אלקילית.
אמוניה
מבנה חומצת האמינו
אמיד ( )amideתרכובת אורגנית המכילה קבוצה קרבוקסילית הקשורה לחנקן
תרכובת אורגנית היא תרכובת הפחמן ,שסימולו הכימי הוא .Cבמקרים ספורים ,למשל פחמן חד חמצני ,תרכובת הפחמן אינה נחשבת לתרכובת אורגנית ,אך זהו מקרה מיוחד ולא נפוץ .יסוד נפוץ נוסף בתרכובות אורגניות הוא המימן .פרט ליסודות האלה ,גם חמצן ,חנקן זרחן ומספר יסודות נוספים מרכיבים את התרכובות האורגניות .בדרך כלל ,המולקולה של תרכובת אורגנית תהיה גדולה ומסועפת. תרכובת אורגנית שנוצרת באורגניזם החי קרויה חומר אורגני .תרכובות אורגניות רבות מיוצרות בתעשייה הכימית. תרכובות אורגניות לדוגמה: •גלוקוז ,לקטוז וסוכרים אחרים. •חלבונים וחומצות אמיניות. •שומנים ושמנים. תרכובות אורגניות נחקרות בתחום של הכימיה הנקרא כימיה אורגנית.
6
מולקולה (או פרודה) :מספר אטומים המחוברים ביניהם בקשר כימי .המולקולה היא החלק הקטן ביותר של תרכובת כימית ששומר על תכונותיה .מולקולה עשויה להיות מורכבת מאטומים זהים כמו מולקולת חמצן ,O2 ,שמורכבת משני אטומי חמצן ,או מאטומים שונים כמו מולקולת מים .H2Oהיא יכולה להיות מורכבת משני אטומים כמו מולקולת החמצן ,מעשרות אטומים כמו מולקולת סוכר ,או ממיליוני אטומים כמו מולקולת .DNA המולקולה יכולה להיות מתוארת ע"י הנוסחה האמפירית שלה שמתארת כמה אטומים מכל סוג יש בה .כך הנוסחה האנליטית של מים היא כאמור .H2Oאולם עבור מולקולות מסובכות הנוסחה האמפירית אינה מספיקה בשביל לתאר באופן ייחודי את המולקולה .כך אותה נוסחה אמפירית C2H6Oיכולה לתאר שני חומרים בעלי תכונות שונות לחלוטין כמו אתנול שנוסחתו הכימית היא ,CH3CH2OHואתר דו-מתילי .CH3OCH3
קבוצות פונקציונליות: אלקַאנים שרשרות ישרות של פחמימנים הנקראות אלקַאנים מקבלות את הסיומת "ַ-אן" .בנוסף לכך לוקחים בחשבון את מספר האטומים של פחמן שיש בתרכובת ,לפי השם המקובל או היווני ,לפי הטבלה הבאה: מספר פחמנים 3 2 1 תחילית
4
5
6
7
8
11 10 9
דֶ אונְד פֶ הֶ הֶ מֶ אֶ פְרו אוקט נון בוט ק ֶק נְט קְס פְט ת ת פ
12 דודֶק
לדוגמא ,האלקאן הפשוט ביותר הוא מתאן CH4 -והפחמימה בעלת תשעה פחמנים היא נונאן CH3)CH2(7CH3 - אלקאנים טבעתיים מקבלים את התחילית "ציקלו" לדוגמא ציקלובוטאן C4H8 -ו C6H12הוא ציקלוהקסן.
לאלקאנים מסועפים קוראים בדומה לאלקאנים בעלי השרשרת הלא מסועפת עם קבוצת אלקיל ( המצורפת .הם קידומת ספרותית ,המציינת איפה נוספה הקבוצה החדשה ,תוך כדי שסופרים מסוף השרשרת .שם הקבוצה החדשה הוא כמו בטבלה למעלה .לדוגמא CH3( 2CHCH3 :שמה הטריוויאלי של התרכובת הוא איזובוטאן השם התקני הוא 2מתילפרופאן .כאשר מדובר בשרשרת כה קצרה לא חייבים לציין את מספר הפחמן שאליו מחוברת הקבוצה החדשה ואפשר לקרוא לחומר מתיל פרופאן ( 1מתיל בוטאן זהו חומר זהה לפרופאן). עירפול מסוים בקשר למיקום הפחמן הראשון באקיל (הקבוצה שנוספת לשרשרת העיקרית) ,סופרים כך ,שנבחר המספר הנמוך האפשרי .לדוגמא( )CH3(2CHCH2CH3 :איזופנטאן) יקרא לפי IUPAC 2מתילבוטאן ולא 3מתילבוטאן.
7
אם יש מספר אלקילים זהים בגודלים ,מחוברים לשרשרת הראשית ,יבוא פסיק בין המספרים המציינים את המיקום של האלקיל על השרשרת והתרכובת תקבל תחילית די ,טרי ,טטרה וכו' .לדוגמא C)CH3(4 ) 2,2 :דימתילפרופאן) .אם נוספות קבוצות אלקיליות שונות ,הן נכתבות לפי סדר הא"ב עם הפרדה בעזרת פסיקים-3( .אתיל 4 ,מתילהקאסן) .במתן שמות מתיחסים לשרשרת הארוכה ביותר כאל השרשרת העיקרית ,לכן מתילפרופאן ולא פרופיןמתאן ,למרות שאין כמובן הבדל בנוסחת המבנה של החומרים האלו.
אם יש תרכובת המורכבת מהרבה שרשראות מסועפות ,מונים את הספירה מהנקדת החיבור של השרשרת העיקרית. לדוגמא-2(-4 :מתילפנטאן)אוקטאן .שרשרת האוקטן עם שרשרת הצד ,המחוברת לפחמן הרביעי של אוקטן ,והיא בעצמה מורכבת משרשרת עיקרית של פנטאן עם מתיל המחובר לפחמן השני של הפנטאן.
אלקֶנִים ואלקִינִים אלקנים הם פחמימות עם קשר כפול ואלקינים הם פחמימות עם קשר משולש.
אלקנים מקבלים את הסיומת אֶן ( )ENEעם המספר המצביע על מיקום הקשר הכפול בשרשרת CH2=CHCH2CH3 .הוא 1בוטֶן. אם יש מספר קשרים כפולים ,תבוא הסיומת -דיאן או טריאן וכו' בהתאם למספר הקשרים הכפולים ,עם תנועת א נוספת באמצע המילה .לדוגמא H2=CHCH=CH2 :הוא 1,3בוטאדיאן .לאיזומרים הפשוטים מהצורה של ציס וטראנס נכתבים עם הקידומת המתאימה ,כלומר -ציס פנטן או טראנס פנטן .לאיזומרים מורכבים יותר יש את כללי קאן אינגולד. אלקינים מקבלים את שמותיהם בצורה דומה ,כאשר הסיומת היא -אין המצביע על קשר כפול ,לדוגמא :פרופין או אתין.
8
כהלים
כהלים ( )R-OHלוקחים את הסיומת -אול ומצמידים אותה לשם האלקאן המתאים להם לפי מספר הפחמנים לדוגמא 1 פרופאנול CH3CH2CH2OH -גם כאן הספרה 1באה לציין את מקום הקבוצה הפעילה .אם לשרשרת העיקרית יש כמה קבוצות OHתיכתב הסיומת -דיאול ,טריאול וכך הלאה לפי מספר קבוצות ההידרוקסיליות .לדוגמא 1,2 :אתאדיאול(השם הטריוויאלי אתילן גליקול) CH2OHCH2OH
אם יש יותר מקבוצה פעילה אחת (ראה מספר היחוס למטה) ,תבוא הקידומת "הידרוקסי" כמו במקרה של חומצה הידרוקסיפרופאנואית CH3CHOHCOOH -
אלקיל הלידים
9
קבוצה פעילה המורכבת מהלוגנים תקבל תחילית בהתאם לשם ההלוגן כמו כלורו ,-ברומו -וכו .לדוגמה טריכלורומתאן (כלורופורם) CHCl3
קטונים
קטונים ( )R-CO-Rמקבלים את הסיומת -און עם מספר המציין את מקום הקבוצה הפעילה .לדוגמא 2 :פרופאאון (אצטון) .CH3COCH3אם יש יותר מקבוצה פעילה אחת ,החומר יקבל את הקידומת -אוקסו .לדוגמה :אוקסוהקסאנאל CH3CH2 - CH2COCH3CHO
אלדהידים
אלדהידים ( )R-CHOמקבלים את הסיומת ַ-אל .היות וקבוצתם הפעילה יכולה לבוא אך ורק בסוף השרשרת ,אין צורך במספר המציין את מקום הקבוצה הפעילה HCHO .הוא מֶתַנַאל (פורמלדהיד) ואילו CH3CHOהוא אֶתַאנַאל (אצטילדהיד) .אם יש קבוצות פעילות נוספות ,הפחמן האלדהידי תמיד נספר ראשון. אם האלדהים הוא חלק משרשרת גדולה יותר ויש צורך בתחילית ,משתמשים בתחילית אוקסו כמו בקטונים .לדוגמא חומצה 3אוקסופרופאנואית CHOCH3COOHכאשר המספר יציין את סוף השרשרת .אם הפחמן של הקבוצה הקרבונילית לא נמצא בתוך השרשרת (כמו במקרה של ציקלואלדהידים) משתמשים בתחילית " -פורמיל" או הסיומת "-קארבאלדהיד. לדגומא ציקלוהקסאנקארבאלדהיד C6H11CHO - 10
חומצות קרבוקסיליות
החומצות הקרבוקסליות מקבלות את הסיומת ַ" -אנואִית" .כמו לאלדהידים ,הפחמן הקרבוקסילי הוא הראשון ,אך לא מציינים את מספרו .לדוגמא חומצה מֶתַאנואִית (פורמית) HCOOH-וחומצה אתאנואית (חומצת חומץ) .CH3COOH אם יש מספר קבוצות קרבוקסיליות על אותה שרשרת אז תבוא הקידומת " -די" "- ,טרי" וכו' .במקרה הזה הפחמנים הקרבוקסילים לא נחשבים לחלק מהשרשרת ולא מונים אותם בספירה הכללית .דוגמא :חומצה ציטרית נקראת חומצה 2 הידרוקסי 1,2,3פרופאנטריקרבוקילית ולא חומצה 2קרבוקסי הדרוקסיפנטאנואית.
אתרים
אתר ( )R-O-Rמורכבים משתי שרשרות פחמנים ,המחוברות באטום חמצן .השרשרת היותר קצרה נחשבת לראשונה, ומקבלת את הסיומת -אוקסי ,ואילו השרשרת הארוכה הופכת כולה לסיומת של השרשרת הקצרה .לדוגמא מתאאוקיאתאן - CH3OCH2CH3אם החמצן לא מחובר לסופה של של השרשרת העיקרית ,יבוא מספר המציין את מיקום החמצן.
אסטרים
אסטר ( )R-CO-C-Rמקבל את הסיומת "-ואט" לשרשרת הקרבונילית .לדוגמא :מתיל מתַאנואט הוא CH3COOCH3 , HCOOCH3הוא מתיל אתנואט.
אם הקבוצה האלקילית לא מחוברת לקצה השרשרת ,מיקום קשר האסטר ,יקבל את הסיומת -איל .לדוגמא 2 :בוטיל פרופאנאט CH3CH2CCH3OOCH2CH2CH3 -
11
אמינים ואימידים
אמינים ( )R-NH2נקראים על פי שרשרת האלקאן עם הסופיקס -אמין לדוגמה :מתאלאמין CH3NH2 -אם יש צורך, מציינים את מיקום הקשר האמיני והתרכובת מקבלת את קידומת " -אמינו" אמינים שניוניים (מהצורה של )R-NH-Rהשרשרת הארוכה ביותר מחוברת לאטום החנקן ומקבלת את השם של האמין הראשוני .לשרשרת השניה מתיחסים כמו אל אלקיל עם הקידומת " -אן" .לאמינים השלישוניים קוראים בצורה דומה. לדוגמא :אן-מתילאתאנאמין CH3NHCH2CH3 -או אן -מתילאתילפרופאנאמין CH3CH22N)CH3CH2CH2CH3 -
אמידים ( )R-CO-NH2מקבלים את הסיומת " -אמיד" אין צורך לציין את המיקום ,היות והם תמיד מסיימים את השרשרת. לדוגמא אתאנאמיד (אצטאמיד) הוא CH3CONH2 -במקרה של אמיד שניוני או שלישוני משתמשים בכללים של האמינים השניוניים והשלושוניים.
תרכובות טבעתיות
לציקלואלקאנים ותרכובות ארומאטיות מתיחסים כאל השרשרת המרכזית ומונים את מיקום הקבוצות הנוספות על פני הטבעת .לדוגמא שלושת האיזומרים של קסילן ,CH3C6H4CH3 :מקבלים את התחיליות "אורטה "-ו"פארה "-הם 1,2 דימילבזנזן 1,3 ,דימתילבנזן ו 1,4דימתילבנזן .גם הטבעת עצמה יכולה להיות הקבוצה הפונקציונלית ואז תקבל את הקידומת -ציקלו כמו ציקלובנזן. 12
מונחי IUPACהופכים למסובכים יותר לתרכובות המכילות יותר מטבעת אחת או מכילות קבוצות פעילות שונות המקושרות לטבעת ,לדוגמא :פנול ,פוראן ,אינדול וכו'.
סדר העדיפות של הקבוצות הפעילות כאשר התרכובות מכילות יותר מקבוצה פעילה אחת ,סדר העדיפות יקבע את התחיליות והסיומות .יש יוצא מהכלל - תרכובות בעלות קשרים כפולים או משולשים יכולות לקבל רק את הסיומת אן או אין. •אטום :הבסיסי של יסוד כימי. •גרעין האטום :גוף פיזיקלי המרכיב את עיקר האטום מבחינת המסה ,אך הרבה יותר קטן ממנו בנפח. •מספר אטומי :מספר הפרוטונים בגרעין האטום ,זהו המאפיין של יסוד כימי. •מספר מסה :מספר הפרוטונים והנויטרונים בגרעין האטום. •איזוטופ :אטומים בעלי מספר אטומי זהה ומספר נייטרונים שונה. •משקל אטומי( :גם :מסה אטומית) המסה האופיינית לאטום של יסוד כימי או איזוטופ מסויים ,מובעת ביחידות מסה אטומיות. •ביקוע גרעיני )fission( :פירוק מלאכותי של גרעין אטום. •היתוך גרעיני )fusion( :מיזוג של גרעיני אטומים שונים. •רדיואקטיביות :התפרקות גרעין אטום בלתי יציב תוך פליטת קרינה. •זמן מחצית חיים :הזמן הנחוץ למחצית מאטומי יסוד רדיואקטיבי להתפרק. •נוקליאון :שם כללי לחלקיק אלמנטרי בתוך גרעין האטום (כגון פרוטון או נייטרון). •הכוח הגרעיני החזק :הכוח הפועל בין הנוקליאונים. •קווארק :חלקיק יסוד .כל נוקליאון ,לדוגמא ,מורכב משלושה קווארקים. •חלקיק אלמנטרי :חלקיק יסוד .במקור -חלקיק שאינו מורכב מחלקיקים אחרים ,אך מאז טביעת מונח זה ,גילו כי חלק ניכר מהחלקיקים שבעבר כונו "אלמנטריים" אינם אלמנטריים כלל והעיקר. •ספין :תכונה בסיסית של חלקיקים .מבדילה בין פרמיונים לבוזונים. •פרמיון :חלקיק אלמנטרי שהספין שלו הוא שבר .חלקיק חומר בסיסי (הקווארקים והאלקטרונים הם פרמיונים). •בוזון :חלקיק אלמנטרי שהספין שלו הוא שלם .חלקיק נשא של כח (הפוטונים והגלואונים הם בוזונים). •האדרון :חלקיק המורכב מקווארקים המוחזקים יחדיו על ידי גלואונים .האדרון יכול להיות באריון המורכב משלושה קווארקים או מזון (חלקיק) המורכב מקווארק ואנטי-קווארק .לאחרונה התגלו גם חלקיקים בלתי יציבים ביותר המורכבים מחמישה קווארקים. •באריון :האדרון המורכב משלושה קווארקים .באריון יכול להיות נוקליאון או היפרון. •פרוטון :חלקיק אלמנטרי בעל מטען חשמלי חיובי הנמצא בגרעין האטום •נייטרון :חלקיק אלמנטרי חסר מטען חשמלי הנמצא בגרעין האטום •מזון :האדרון המורכב מקווארק ומאנטי-קווארק מסוג שונה .כל המזונים המוכרים אינם יציבים. •גלואון - :חלקיק נשא של כוח הצבע ,הכוח המחבר יחדיו את הקווארקים בליבו של האדרון. •אלקטרון :חלקיק אלמנטרי בעל מטען שלילי. •אורביטל( :מסלול). •יינון :הוצאת אלקטרון מאטום. •אנרגיית יינון :האנרגיה הדרושה להוצאת אלקטרון מסוים מהאטום. •רמת אנרגיה :סידור פוטנציאלי של אלקטרונים באטום המבטא דמיון במצבם האנרגטי. 13
•תת-רמת אנרגיה :סידור פוטנציאלי של אלקטרונים ברמת אנרגיה המבטא דמיון במצבם האנרגטי. •רדיוס אטומי :סידור אנרגטי פוטנציאלי של אלקטרון או זוג אלקטרונים באטום. •פוזיטרון :חלקיק אלמנטרי השקול לאלקטרון בכל תכונותיו מלבד מטענו החיובי •נייטרינו :חלקיק אלמנטרי חסר מטען .מתקבל כחלק מקרינת בטא. •פוטון :חלקיק אור חסר מסה ומטען חשמלי •קרינה :צורת מעבר של אנרגיה שאינה תלויה בחומר מתווך. •קרינת אלפא :קרינה המורכבת מגרעיני הליום. •קרינת בטא :קרינה המורכבת מאלקטרונים או פוזיטרונים. •קרינת גמא :קרינה המורכבת מפוטונים (קרינה אלקטרומגנטית).
מים מים הם תרכובת שהמולקולה שלה מורכבת משני אטומים של מימן ואטום אחד של חמצן .סימולם הכימי של המים הוא H2 .O בלחץ האוויר בגובה פני הים בכדור הארץ המים קופאים באפס מעלות צלזיוס ולפיכך הם במצב המוצק שלהם (המכונה "קרח") בטמפרטורות נמוכות מטמפרטורה זו .בין אפס מעלות למאה מעלות צלסיוס המים נמצאים במצב צבירה נוזלי. במאה מעלות צלזיוס המים רותחים ועוברים למצב צבירה גזי המכונה אדי מים. בגובה רב או למשל במקומות כמו פני השטח של מאדים ,שם לחץ האוויר קטן בהרבה מזה של כדור הארץ (ליתר דיוק במאדים הוא אחוז אחד מזה של כדור הארץ) המים רותחים כבר בשבע מעלות צלזיוס ולכן נמצא מים במאדים במצב מוצק או גזי אך כמעט שלא במצב נוזלי .מטפסי הרים ,למשל בגובה 5,000מטרים בהימלאיה ,יודעים שהמים רותחים בטמפרטורה של כשבעים מעלות. למים מספר תכונות כימיות ופיסיקליות מעניינות הנובעות בעיקר מהקיטוב של מולקולת המים: •האנומליה של המים -בטמפרטורות שבין ארבע לאפס מעלות צלסיוס ,המים מתפשטים בקירור ,בשונה מרוב החומרים האחרים .כך קורה שהמים במצבם המוצק (קרח) צפופים פחות מהמים במצבם הנוזל. •המים משמשים כממיס אוניברסלי של חומרים קוטביים ויוניים. •המים ,בעזרת תכונות חומציות-בסיסיות שלהם ( )2H2O → OH-+ H3O+ובעזרת יונים המומסים בהם מאפשרים הולכת חשמל (מים מזוקקים לא יעבירו חשמל בצורה טובה כל כך ,היות וקבוע שיווי המשקל של התפרקות המים לחומצה ובסיס נמוך (בערך 10בחזקת ))-14 •למים יש חום סגולי גבוה מאוד.
מתכת היא חומר שמורכב מאטומים שלאלקטרונים שלהם ,אשר נמצאים ברמה אחרונה אנרגית יינון נמוכה (energy of .)ionizationכתוצאה מכך חלק או כל האלקטרונים של הרמה האחרונה נמשכים בצורה חלשה לגרעין .מתכות הן אחת מ 2או 3הקבוצות המרכיבות את יסודות הטבלה המחזורית (תלוי בספר .חלק אומרים שיש שתי קבוצות וחלק שיש .)3 הקבוצות האחרות הן :אל-מתכות ומטאלואדים ( )metalloidבטבלה המחזורית נמצאים משמאל .לקו האלכסוני המתחיל מבור ונמשך עד ל At במתכת טהורה האטומים יוצרים סריג ,כאשר אלקטרוני הערכיות אינם קשורים לאטום מסויים ,אלא נמצאים בכל הסריג. רוב המתכות מתאפיינות במספר תכונות בולטות :הן בדר"כ מבריקות ,בעלות צפיפות גבוהה (לכן יוצרות צליל גבוה ,תוך הקשה עליהם) ,קשיחות ,בעלות טמפרטורת התכה גבוהה ומוליכות חום וחשמל. 14
כאשר מתכות מתרכבות עם אל-מתכות ,האטומים שלהם מוסרים את אלקטרוני הערכיות והופכים ליונים חיוביים .היונים החיוביים של המתכת והיונים השליליים של האל-מתכת יוצרים סריג יוני פולימר ( )Polymerהוא שרשרת ארוכה של מולקולות שחוזרות על עצמן nפעמים .שם נוסף של פולימר הוא "מולקולת ענק" .יחידת הבנין של הפולימר נקראת מונומר. פולימרים מלאכותיים מעשה ידי אדם הם כל סוגי הפלסטיק ,בהם פוליאתילן ,פוליאמיד (ניילון) ,פוליקרבונט ,פוליאוריתן ועוד .פולימרים מלאכותיים משמשים כמעט בכל התעשיות ,כמו רכב ,מחשבים ,בינוי ועוד .חלקים מסויימים באקדחים מסויימים (גלוק ,למשל ,אך לא רק) עשויים מחומר פולימרי .כל החומרים הפלסטיים הם פולימרים ,אבל לא כל פולימר הוא חומר פלסטי. השרטוט הבא מדגים פולימריזציה של אתן לפוליאתן:
CISו TRANS וטראנס הינם שני סוגי איזומרים של אלקנים ופחמימנים אחרים. באלקנים ישנו זוג פחמנים המחוברים בקשר כפול .כאשר לזוג פחמנים אלו קשורים (בקשר קוולנטי) אטומי מימן ,כך שלכל פחמן קשור אטום מימן בקשר אחד ואטום או חומר אחר בקשר השני (כך שאין סימטריה) ישנו איזומר ציס ואיזומר טראנס .איזומר ציס מתקבל כאשר שני המימנים נמצאים באותו צד (שניהם מעל או מתחת לפחמנים שאליהם הם קשורים) ואיזומר טרנס מתקבל כאשר המימנים ממוקמים בצדדים מנוגדים .כאשר מספר הפחמנים שווה בשני איזומרים ,ואחד מהם הוא ציס והשני טראנס ,אזי טמפרטורת ההיתוך וטמפרטורת הרתיחה של איזומר הטראנס גבוהות מאילו של איזומר הציס. ניתן כמה דוגמאות להמחשה: .1לנוסחה ,CHBr = CHBr :יש איזומרים ציס וטרנס ,כי ניתן להפוך את מיקומו של מימן הקשור לאחד מהפחמנים כך שיהיה באותו צד של המימן השני (ציס) ובצד הנגדי (טראנס). .2לנוסחה ,CH3 - CH = CH – CH3 :יש איזומרים ציס-טרנס מפני שאם נהפוך את המיקום בין המימן למתיל, הקשורים לפחמן השני ,נקבל איזומר ציס ואיזומר טראנס. .3לנוסחה ,CH2 = CHBr :אין איזומר ציס ,ואיזומר טראנס מפני שהפחמן הראשון הוא סימטרי ,יש מימנים משני צדדיו .לכן אם נחליף את מקומות המימנים באותו פחמן לא נקבל איזומר חדש .ולכן אין איזומרים ציס- טראנס.
סוגי קשרים קשר יוני הינו קשר כימי בין שני יונים או יותר ,אחד בעל מטען חשמלי חיובי והשני שלילי .הקשר נוצר ע"י משיכה אלקטרו סטטית בין שני יונים
הסיבה ליצירת הקשר כל החומרים בטבע ,ככל זה גם האטומים שואפים להגיע למצב יציב .המצב היציב הוא המצב שבו החומר נמצא ברמת האנרגיה הנמוכה ביותר .היסודות היציבים ביותר הם הגזים האצילים ,לכן היסודות שואפים להגיע למערך הגז האציל .יש יוצאים מהכלל שלגביהם ישנה רמת האנרגיה נמוכה יותר מאשר במערך הגז האציל. על מנת להגיע לאיזון זה ,האטומים מוסרים ,מקבלים או משתפים אלקטרונים. 15
דוגמא הקשר היוני בין אלומיניום וחמצן. לאלומיניום יש 3אלקטרונים ברמתו האחרונה ,ולחמצן .6 על כן ,כל אטום חמצן שואף לקבל 2אלקטרונים וכל אטום אלומיניום שואף לאבד .3הקשר שיווצר ,אם כן יהיה .Al2O3 ( 3אטומי חמצן 2 ,6-=3*-2 -אטומי אלומיניום 6=3*2 -וקיים איזון)
קשר כימי הינו מונח ב-כימיה המתאר משיכה של שני אטומים סמוכים זה לזה .הקשרים הללו הם אלה שגורמים לחומר ללבוש צורה ,ובלעדיהם כל החומרים היו במצב גזי. קשרים אלו נוצרים על ידי כוחות אלקטרומגנטיים הנגרמים מהשאיפה של כל אטום להיות בעל הרמה האנרגטית הנמוכה ביותר. להלן רשימה של קשרים כימיים: •קשר מתכתי -קשר הנוצר בין שני אטומים מתכתיים. •קשר יוני -קשר הנוצר בין אטום מתכתי לבין אטום אל מתכתי או בין שני יונים בעלי מטען הפוך. •קשר קוולנטי -קשר הנוצר בין שני אטומים אל מתכתיים או בין מתכת לאל-מתכת. •קשרי מימן -קשר הנוצר בין מולקולות שאחת מכילה אטום מימן ואחת מכילה אטום בעל אלקטרושליליות גבוהה (ההפרש צריך להיות לפחות ) 0.5כגון פלואור ,חמצן או חנקן. •קשר ואן דר וואלס -קשר בין הנוצר מולקולות על ידי שדה אלקטרומגנטי זמני או קבוע במולקולה.
קשר קוולנטי ,הינו סוג קשר כימי בין אטומים. הבסיס ליצירת קשר קוולנטי הוא הנטייה של אטומים מסויימים להגיע למצב נייטרלי של אטום גז אציל ע"י הוספת אלקטרונים .נטייה זו מתאפיינת בתכונתם של האלקטרונים סביב האטום להתפרס באורביטלים (מסלולים) ,בהם עשויים להיות עד שני אלקטרונים .ברמת האנרגיה הגבוהה ביותר בכל אטום (מלבד מימן והליום) נמצאים ארבעה אורביטלים, מתוכם עשויים להתקיים אורביטלים בהם זוגות של אלקטרונים ,ואורביטלים בהם אלקטרונים חופשיים. דוגמה :באטום חמצן ( )Oנייטרלי ,ששה אלקטרונים ברמת האנרגיה הגבוהה ביותר ,ועל כן ישנם שני זוגות אלקטרונים (בשני אורביטלים) ,ושני אלקטרונים חופשיים (בשני אורביטלים). אלקטרונים אלו מסומנים בנקודות סביב האטום. לדוגמה ,אטום חמצן יסומן כך: . :O: .
בקשר קוולנטי' ,משתפים' שני אטומים את האלקטרונים החופשיים שלהם ברמת האנרגיה הגבוהה ביותר ,ליצירת אורביטלים משותפים (בהם זוגות אלקטרונים) המצויים בין שני האטומים .קשרים קוולנטים אותם יוצר אטום עם אטומים אחרים משלימים את מצבו האלקטרוני של האטום למצב הדומה למצבו הנייטרלי של אטום גז אציל ( 8אלקטרונים מסודרים בארבעה זוגות ,מלבד הליום שבו זוג אלקטרונים) .יש יוצאים מהכלל הזה לדוגמת מתכות ביונים מרוכבים או במצב שבו האלקטרונים מהרמות הפנימיות משתתפות בקשר. 16
בין שני אטומים עשוי להיווצר קשר קוולנטי יחיד (זוג אטומים משותף) ,כפול (שני זוגות אטומים משותפים) או משולש (שלושה זוגות) .בין שני אטומים מסוימים לא מתקיים לעולם קשר קוולנטי מרובע. קשר קוולנטי מסומן בקווים בין שני האטומים. דוגמה (בדוגמאות להלן לא צויינו האלקטרונים שאינם בקשר): קשר קוולנטי יחיד בין אטום זרחן לאטום חנקן: P-N
קשר קוולנטי כפול בין אטום זרחן לאטום חנקן: P=N
קשר קוולנטי משולש בין אטום זרחן לאטום חנקן: P≡N
צורתה המרחבית של המולקולה הנוצרת בזכות יצירתו של קשר קוולנטי נקבע על-פי נטייתם של זוגות האלקטרונים להיות רחוקים זה מזה ככל הניתן בשל מטענם החשמלי השלילי .סביב כל אטום במולקולה כזו (מלבד מימן והליום) מצויים ארבעה אורביטלים (בלעדיים לאטום או משותפים בקשר קוולנטי) המסודרים לפיכך בפינותיו של טטראדר משוכלל (פירמידה מעלת בסיס משולש שבה כל הפאות שוות זו לזו). כוח הדחייה של זוגות אלקטרונים שאינם קשרים קוולנטים אלא נמצאים סביב אטום אחד גדול במעט משל הזוגות היוצרים את הקשר ,שכן הראשונים קרובים יותר לגרעין האטום .כמו כן ,כוח הדחייה של קשר קוולנטי כפול גדול משל יחיד ,וכוח הדחייה של קשר משולש גדול משל קשר כפול. דוגמאות לסידור הזוגות במרחב: מולקולת מתאן ,שבה אטום פחמן מקושר לארבעה אטומי מימן ,לכל אחד בקשר קוולנטי יחיד: H H H \|/ C | H
•צורת תאור זו היא מישורית ,אך מציינת פיזור טטראדרי של הקשרים במרחב. מולקולת אמוניה ,שבה אטום חנקן ,לו זוג אלקטרונים אחד ברמת האנרגיה האחרונה ,מקושר לשלושה אטומי מימן ,לכל אחד בקשר קוולנטי יחיד: .. N \|/ H H H
•גם במקרה זה התאור הגרפי מציין פיזור מרחבי בצורת פירמידה .הזווית שבין כל שני קשרים קבועה ,אך הזווית בין זוג האלטרונים 'השייך' לאטום (שתי הנקודות) גדולה מעט מהזווית בין כל שני קשרים. מולקולת מים ,שבה אטום חמצן ,לו שני זוגות אלקטרונים ברמת האנרגיה האחרונה ,מקושר לשני אטומי מימן ,לכל אחד בקשר קוולנטי יחיד: .. H - O: |
17
H
•שלושת האטומים יוצרים צורה מישורית ,אך כל זוגות האלקטרונים מפוזרים במרחב בצורת טטראדר .הזווית בין הקשרים היא זווית חדה ,שכן כוח הדחייה של זוגות האלטרונים גדול יותר משל הקשר הקוולנטי. מולקולת ציאניד ,שבה אטום פחמן מקושר בקשר יחיד לאטום מימן ובקשר משולש לאטום חנקן: H-C≡N:
•למולקולה זו סידור מישורי של קו ישר.
עוצמת הקשר בין שני האטומים גדלה ככל שיש ביניהם יותר קשרים קוולנטיים .כמו כן ,ככל שהאלקטרושליליות (יכולת המשיכה של אלקטרונים) של אטום מסוים גבוהה יותר ,גדלה עוצמת הקשרים אותם הוא יוצר. מכיוון שהאלקטרושליליות של היסודות השונים שונה זו מזו ,בכל קשר בין אטומים (מלבד מקרים בהם המולקולה היא סימטרית לחלוטין בציר זה) לאחד האטומים כוח משיכה גדול יותר ,והאלקטרונים של הקשר הקוולנטי ייטו להיות בקרבתו. כך נוצרים הבדלים יחסיים של מטען בין שני האטומים .הבדלים יחסיים אלו עשויים להשפיע על שאר הקשרים של האטומים. לדוגמה ,במולקולת הציאניד (בדוגמה לעיל) ,לאטום הפחמן ( )Cאלקטרושליליות גבוהה משל המימן ( ,)Hולכן מטענו היחסי של המימן חיובי ושל הפחמן שלילי .כמו כן ,לחנקן ( )Nאלקטרושליליות גבוהה משל הפחמן ( ,)Cולכן מטענו היחסי של החנקן שלילי .מכיוון שמטענו של הפחמן שלילי בשל הקשר עם המימן ,וחיובי בשל הקשר עם החנקן ,מטענו הכולל הוא בקירוב נייטרלי.
תרכובות בכימיה ,תרכובת היא חומר הבנוי משני יסודות או יותר ,הקשורים ביניהם בקשר כימי .לתרכובת תכונות כימיות משל עצמה ,השונות מתכונות מרכיביה .לדוגמא( NaCl :מלח בישול) היא תרכובת של נתרן וכלור. סוגי תרכובות: •תרכובת יונית (מלח) •תרכובת עם קשר קוולנטי (בדרך-כלל בין שתי אל-מתכות) יש להבחין בין סגסוגת לבין תרכובת .סגסוגת היא תערובת של מתכות ולא תרכובת .בסגסוגת מתיכים מתכות שונות באופן כזה שהתכונות המקוריות של המתכות (חוזק ,משקל וכו') נשארות.
18