Transcript carbon1
הכימיה של החיים חלק א' מקור: Biology, by N. A. Campbell and J. B. Reece 7th. Ed. 2005 עריכה :נעמי ירון למה כימיה? הביולוג מתמחה בחקר תופעות החיים ,אך יש לזכור כי האורגניזמים החיים והעולם שבו הם מתקיימים הן מערכות טבעיות ,הפועלות בכפוף לחוקי הכימיה והפיזיקה .יצורים חיים עשויים מחומרים כימיים ופועלים בעולם של חומר. מהו חומר? חומר מוגדר כ: כל דבר שתופס מקום ויש לו מסה. חומרים קיימים בעולם בצורות שונות בעלות תכונות ייחודיות: חומרים המרכיבים את סלעי כדור הארץ מתכות שְׁ ַמ ִנים גזים ממה מורכב חומר? חומר מורכב מיסודות כימיים ומצירופים של יסודות כימיים הנקראים תרכובות. יסוד הוא חומר הבנוי מסוג אטומים אחד. כיום מוכרים 92יסודות המופיעים בטבע. [יש ויכוח בספרות בנוגע למספר המדויק של היסודות המופיעים בטבע. במקומות שונים מוזכרים בין 92-98יסודות כאלה .יסודות נוספים המופיעים בטבלה המחזורית הם סינטטיים ,מעשי ידי האדם] (העשרה והבהרה למורים :המושג ַאלֹוטְׁ רֹוּפ )Allotrope בהרבה מקומות נהוג להגדיר יסוד כחומר שלא ניתן לפרקו ולקבל ממנו חומרים חדשים. הגדרה זו יוצרת בעיה להסביר את ההבדל בין חמצן O2לאוזון .O3האם חמצן הוא היסוד ואוזון הוא תרכובת? האם חמצן ואוזון הם שני חומרים שונים? המושג אלוטרופ מתייחס לוריאנטים (גרסאות שונות) של חומרים הבנויים מאטומים זהים אך בעלי מבנה מולקולרי שונה ותכונות פיסיקליות שונות. יסודות בעלי אלוטרופים הם למשל פחמן ,חמצן ,גופרית ופוספאט. פוספאט קיים בלפחות שלוש צורות אלוטרופיות :אדום ,שחור/סגול ולבן/צהוב .פוספט אדום ולבן עשויים 4 אטומים מסודרים במבנה טטראהדר (פירמידה) .בפוספאט האדום ,הטטרהדרים קשורים זה לזה בשרשרת ואילו בפוספאט הלבן הם בודדים .פוספאט שחור מורכב מיריעות דו-מימדיות של משושים (בדומה לגראפיט). לפחמן יש 8אלוטרופים שהתגלו עד כה השונים מאד זה מזה בתכונותיהם. יסודות לכל יסוד יש סמל שהוא לרוב האות הראשונה או שתי האותיות הראשונות בשמו .חלק משמות היסודות נגזרים מהשפה הלטינית או הגרמנית, לדוגמה :הסמל עבור היסוד נתרן Naנגזר משמו הלטיני .Natrium היסודות העיקריים המופיעים בגופם של יצורים חיים היסוד סמל אחוז ממשקל הגוף חמצן O 65% פחמן C 18.5% מימן H 9.5% חנקן N 3.3% סידן Ca 1.5% זרחן P 1% אשלגן k 0.4% גופרית S 0.3% נתרן Na 0.2% כלור Cl 0.2% מגנזיום Mg 0.1% ארבעת יסודות אלה מהווים 96% ממסתו של גוף האדם יסוד יכול להופיע בטבע בצורות שונות .1 צורה של אטומים בודדים היסודות של משפחת הגזים האציליים מופיעים כאטומים בודדים: הליום ,Heניאון ,Neארגון .Ar מהו מודל מדעי? מודל מדעי מנסה להמחיש תהליך או רעיון או מושג מופשטים באמצעים גרפיים (איור למשל) או באמצעות בניית דגם או בעזרת משוואה מתימטית. המודל אינו העתק מדויק של המציאות! פעמים רבות הוא פשוט יותר ,מציג רק את התכונות העיקריות של האוביקט ,מוקטן או מוגדל ,צבוע בצבעי הדגשה שאינם מייצגים את המציאות וכו'. למרות שהמודל אינו העתק של המציאות הוא חשוב ושימושי שני מודלים שונים של התרכובת CCl4 מה מייצג הכדור או העיגול? מה מייצגים הקווים? מהם היתרונות והחסרונות של כל מודל? במה שונה כל מודל מהמציאות? אטומים של גז אציל בתמונה מוצגים חמישה אטומים בודדים המייצגים גז אציל. במרכז האטום ניתן להבחין בגרעין (בצבע כתום). (יש לזכור כי הגרעין אינו עשוי מקשה אחת אלא מורכב בעצמו מחלקיקים) מולקולות בנות שני אטומים זהים .2צורה של מולקולות בנות שני אטומים זהים! היסוד חמצן מופיע בטבע כO2 : היסוד חנקן מופיע בטבע כN2 : היסוד מימן מופיע בטבע כH2 : היסוד כלור מופיע בטבע כCl2 : היסוד ברום מופיע בטבע כBr2 : מולקולות של היסוד חמצן באטמוספרה צבר או גביש של אטומים זהים יסודות של מתכות כמו ברזל Feאו נחושת Cu מופיעים בטבע כצברים של אטומים. יסודות אל-מתכתיים כמו פחמן,פוספאט וגופרית יכולים להופיע בטבע כגבישים. מבנה של מתכות כברזל וזהב מבנה של גביש פחמן יהלום גרפיט תרכובות תרכובת היא כינוי לחומר המכיל שניים או יותר יסודות שונים הקשורים זה לזה ביחס קבוע. דוגמאות: בכל מולקולת מים יש אטום חמצן אחד ושני אטומי מימן .H2O :היסודות מימן וחמצן ביחס שונה מייצרים תרכובות שונה ,H2O2 :תרכובת הנקראת מי חמצן. ובכל מולקולת פחמן דו חמצני יש אטום פחמן אחד ושני אטומי חמצןCO2 : מים ופחמן דו חמצני מים פחמן דו-חמצני מלח בישול ) (NaClהוא תרכובת של היסודות נתרן וכלור ביחס ,1:1היוצרת מבנה של גביש היסוד נתרן מופיע בטבע כמתכת מוצקה ואילו היסוד כלור מופיע בטבע כגז רעיל. אך כאשר נתרן וכלור נקשרים זה לזה בקשר כימי התרכובת היא גביש בעל גרגרים לבנים ,הניתנים לאכילה. תרכובת לתרכובת יש תכונות ומאפיינים השונים מאלה של היסודות המרכיבים אותה. תרכובת :היסוד המתכתי נתרן (משמאל) מתרכב עם הגז הרעיל והצהבהב כלור (אמצע) ,ומתקבלים גבישים לבנים של נתרן-כלור הידועים כמלח בישול (ימין). תכונות של יסוד נקבעות בין השאר על ידי המבנה החלקיקי של האטומים שלו כל יסוד מורכב מסוג מסוים של אטום השונה מהאטומים של יסודות אחרים. אטום הוא יחידת החומר הקטנה ביותר השומרת על תכונות החומר. האטומים הם כה קטנים עד כי נדרשים כמיליון מהם על מנת ליצור את הנקודה בסוף משפט זה. ממה מורכב האטום? למרות שהאטום הוא היחידה הקטנה ביותר השומרת על תכונות החומר ,הוא עצמו מורכב מחלקיקים קטנים יותר. 3סוגי חלקיקים מהם בנויים אטומים הם: נויטרונים ,פרוטונים ואלקטרונים. Neutrons, Protons, Electrons חלקיקים קטנים באטום נויטרונים ופרוטונים קרובים מאד זה לזה ויוצרים את גרעין האטום במרכזו. האלקטרונים ,הנעים במהירות הקרובה למהירות האור, יוצרים כעין ענן סביב הגרעין אנימציה כללית של מבנה האטום http://www.youtube.com/watch?v=WPz_2dwqG6A מספר אטומי אטומים של יסודות שונים נבדלים זה מזה במספר החלקיקים שבאטום. לכל האטומים של יסוד מסוים יש מספר זהה וקבוע של פרוטונים בגרעין האטום. מספר פרוטונים זה ,הייחודי לכל יסוד נקרא המספר האטומי היסוד חמצן O היסוד כלור Cl היסוד פחמן C היסוד הליום He 8פרוטונים 7פרוטונים 6פרוטונים 2פרוטונים מטען חשמלי לאלקטרונים ולפרוטונים יש מטען חשמלי. לכל אלקטרון יש יחידת מטען שלילית אחת. לכל פרוטון יש יחידת מטען חיובית אחת. נויטרון (כפי שמעיד עליו שמו) הוא חלקיק חסר מטען חשמלי. מבנה של אטום פחמן גרעין האטום המכיל 6פרוטונים ו 6-נויטרונים האלקטרונים נעים במסלולים השונים במרחקם מהגרעין. הערה :לא ניתן לומר את מיקומו המדויק של כל אלקטרון בכל רגע .ניתן רק להעריך את הסיכוי למציאת אלקטרון באזור זה או אחר .בעקבות כך ,נתייחס לאלקטרונים כ"ענן אלקטרוני". אלקטרון פרוטון נויטרון מספר מסה מספר המסה של האטום הוא סכום מספר הפרוטונים והנויטרונים בגרעין. לכל האטומים של יסוד נתון יש מספר זהה של פרוטונים ,אך הם יכולים להיות שונים זה מזה במספר הנויטרונים (ולכן גם בעלי מסה שונה). צורות אלה של אטומים (השייכים לאותו יסוד אך נבדלים במספר הנויטרונים) נקראות :איזוטופים .בטבע כל יסוד קיים כתערובת של איזוטופים. ארגון האטום הפרוטונים בגרעין האטום מעניקים לו מטען חיובי. האלקטרונים הנעים במהירות נשארים בקרבת גרעין האטום בשל כוחות המשיכה של מטענים מנוגדים זה לזה. האלקטרונים נמצאים בתנועה מתמדת ,מהירה מאוד ,לכן אינם נדבקים לגרעין (זכרו את הדוגמא של סיבוב דלי מלא במים במהירות גבוהה -המים אינם נשפכים ממנו) המסה של הפרוטונים והנויטרונים גדולה כמעט פי 2000מהמסה של האלקטרונים ולכן מחשבים מסה של אטום על ידי חיבור המסה של הפרוטונים והנויטרונים בלבד. מבנה האטום אם תדמו את האטום לאצטדיון כדורגל ,גודלו של הגרעין יהיה בערך כגודל נמלה במרכזו וגודלם של האלקטרונים יהיה כגודל ברחשים המעופפים בו. למעשה רוב רובו של האטום הוא חלל ריק... סידור האלקטרונים בקליפה הראשונה הקרובה ביותר לגרעין ( 2אלקטרונים); באטומי מימן והליום הערה :באיור זה מוצגים האלקטרונים של היסוד כעיגולים כחולים וה"קליפות" המייצגות רמות אנרגיה שונות ומרחק מהגרעין מוצגות על ידי מעגלים כחולים סביב הגרעין. אנו עושים שימוש באיורים אלה כדרך להמחיש את סידור האלקטרונים של האטום אך עליכם לזכור כי זהו מודל בלבד .בסידור האלקטרונים ביסודות נוספים נטפל בהמשך. אלקטרונים יכולים לעבור מקליפה לקליפה אלקטרון יכול לעבור מקליפה לקליפה רק על ידי קליטה או איבוד של אנרגיה השווה להפרש האנרגיות בין הקליפה הקודמת לקליפה החדשה. דוגמה :אנרגית אור יכולה להקפיץ אלקטרון מקליפה בה הוא נמצא לקליפה רחוקה יותר מהגרעין ,זהו האירוע הראשון המתרחש באטומים של מולקולות כלורופיל בזמן הפוטוסינתזה בצמחים. סידור האלקטרונים באטום אחראי לתכונות הכימיות שלו ההתנהגות הכימית של אטום תלויה בסידור האלקטרונים שלו כלומר בפיזור האלקטרונים בקליפות השונות. האלקטרונים של כל אטום נוטים להסתדר בצורה שבה רמת האנרגיה שלהם היא הנמוכה ביותר. בקליפה הראשונה רמת האנרגיה הפוטנציאלית היא הנמוכה ביותר אך יש בה מקום לשני אלקטרונים בלבד. מודל סידור האלקטרונים באטום באמצעות ציור נקודות על מנת להבין כיצד יסודות יוצרים תרכובות כימיות או יונים יש תחילה להבין את סידור האלקטרונים בתוך האטומים שלהם. את זה אפשר לעשות בקלות יחסית עבור 20היסודות הראשונים בטבלה המחזורית. ראשית ,יש לקרוא בטבלה המחזורית את המספר האטומי של היסוד! נשתמש באיור המהווה מודל ל"קליפות" סביב גרעין האטום בהם נמצאים ומסודרים האלקטרונים. האיור מדגים כמה אלקטרונים יכולים להסתדר בכל "קליפה" או מרחק מן הגרעין. אם ידוע לנו המספר הכולל של האלקטרונים באטום נוכל ל"סדר" אותם בקליפות השונות על פי הסדר המודגם כאן ,כשאנו מתחילים ב"קליפה" הקרובה ביותר לגרעין. גרעין דוגמה :אטום צורן Si בשלב ראשון נחלק את האטום ל 4-על ידי ציור .X בשלב השני נתחיל לשבץ את האלקטרונים .הזוג הראשון נכנס לרבע העליון הקרוב ביותר לגרעין! נמשיך לשבץ את האלקטרונים הבאים של הצורן באותה צורה