כוחות חשמליים בין חלקיקים
הכוחות הבלתי נראים שמחזיקים את עולם החומר יחד
חזרה - מבנה האטום
פרוטון
מטען חיובי (+)
נמצא בגרעין האטום.
מטען: +
קובע את זהות היסוד (המספר האטומי).
נויטרון
ללא מטען (0)
נמצא בגרעין האטום.
מטען: 0 (נייטרלי)
תורם ליציבות הגרעין ולמסת האטום.
אלקטרון
מטען שלילי (-)
מקיף את הגרעין בקליפות.
מטען: -
קובע את התנהגות האטום בתגובות כימיות.
אנלוגיה - מגנטים בלתי נראים
שיחקתם פעם עם מגנטים? כשמקרבים שני קטבים הפוכים (צפוני ודרומי) הם נמשכים. כשמקרבים שני קטבים זהים (צפוני-צפוני) הם נדחים.
הכוחות החשמליים עובדים בדיוק אותו דבר:
- מטענים הפוכים (+ ו-) נמשכים
- מטענים זהים (+ ו+ או - ו-) נדחים
ההבדל? כוחות מגנטיים עובדים רק עם מגנטים, אבל כוחות חשמליים עובדים בין כל החלקיקים הטעונים - והם אחראים לכל הקשרים הכימיים!
כוחות משיכה ודחייה חשמליים
כוח משיכה חשמלי
כוח משיכה חשמלי פועל בין חלקיקים בעלי מטענים הפוכים - חיובי ושלילי.
באטום פועלים כוחות משיכה חשמליים בין הפרוטונים (מטען חיובי) שבגרעין לבין האלקטרונים (מטען שלילי) שבקליפות.
כוח זה הוא שמחזיק את האלקטרונים בקליפות סביב הגרעין. ככל שהאלקטרון קרוב יותר לגרעין, כוח המשיכה עליו חזק יותר.
הכלל: מטענים הפוכים נמשכים.
כוח המשיכה בין פרוטונים לאלקטרונים הוא הכוח שמייצב את מבנה האטום.
כוח דחייה חשמלי
כוח דחייה חשמלי פועל בין חלקיקים בעלי מטען זהה.
כאשר שני חלקיקים נושאים מטען זהה, הם דוחים זה את זה:
- שני פרוטונים דוחים זה את זה (+ דוחה +)
- שני אלקטרונים דוחים זה את זה (- דוחה -)
הדחייה בין אלקטרונים משפיעה על הדרך שבה הם מתפלגים בקליפות.
הכלל: מטענים זהים נדחים.
כוח הדחייה בין אלקטרונים עוזר להסביר את סידורם בקליפות שונות.
כוח משיכה מול כוח דחייה
כוח משיכה
פועל בין מטענים הפוכים
(+) ← (-)
מקרב את החלקיקים זה לזה
דוגמה: פרוטון (+) מושך אלקטרון (-)
כוח דחייה
פועל בין מטענים זהים
(+) (+) או (-) (-)
מרחיק את החלקיקים זה מזה
דוגמה: שני אלקטרונים (-) דוחים זה את זה
אלקטרונים פנימיים וחיצוניים
האלקטרונים מסודרים בקליפות סביב הגרעין. הקליפות הקרובות לגרעין נקראות פנימיות, והקליפה הרחוקה ביותר נקראת חיצונית.
אלקטרוני ערכיות - האלקטרונים בקליפה החיצונית של האטום. הם אלו שקובעים את ההתנהגות הכימית של היסוד ומשתתפים ביצירת קשרים כימיים.
הבדלים בין אלקטרונים פנימיים לחיצוניים
אלקטרונים פנימיים
קרובים לגרעין, נמשכים אליו בכוח חזק. לא משתתפים בתגובות כימיות.
אלקטרונים חיצוניים (ערכיות)
רחוקים מהגרעין, נמשכים אליו בכוח חלש יותר. משתתפים בקשרים כימיים.
הטבלה המחזורית ואלקטרוני ערכיות
בטבלה המחזורית ישנם 8 טורים עיקריים (קבוצות). מספר הטור מציין את מספר אלקטרוני הערכיות של היסודות באותו טור.
מספר אלקטרוני ערכיות לפי טור
| טור בטבלה | אלקטרוני ערכיות | דוגמה | תגובתיות |
|---|---|---|---|
| טור 1 | 1 | נתרן (Na), ליתיום (Li) | גבוהה מאוד |
| טור 2 | 2 | מגנזיום (Mg), סידן (Ca) | גבוהה |
| טור 3 | 3 | אלומיניום (Al) | בינונית |
| טור 4 | 4 | פחמן (C), סיליקון (Si) | משתנה |
| טור 5 | 5 | חנקן (N), זרחן (P) | בינונית |
| טור 6 | 6 | חמצן (O), גופרית (S) | גבוהה |
| טור 7 | 7 | פלואור (F), כלור (Cl) | גבוהה מאוד |
| טור 8 (18) | 8 (או 2) | הליום (He), נאון (Ne) | אפסית - יציבים |
* יסודות באותו טור מתנהגים באופן דומה כי יש להם אותו מספר אלקטרוני ערכיות
שאלה לחשיבה
לנתרן (Na) יש 11 אלקטרונים, מתוכם רק 1 בקליפה החיצונית. לנאון (Ne) יש 10 אלקטרונים, מתוכם 8 בקליפה החיצונית. מי מהם יהיה יותר פעיל כימית, ולמה?
נתרן יהיה יותר פעיל כימית. יש לו רק אלקטרון אחד בקליפה החיצונית, ולכן הוא 'רוצה' להיפטר ממנו כדי להגיע לקליפה מלאה. נאון כבר יציב - יש לו 8 אלקטרונים בקליפה החיצונית, ולכן אין לו צורך ליצור קשרים.
שאלה לחשיבה
מה היה קורה אם לא היו כוחות חשמליים? האם חומר היה יכול להתקיים?
ללא כוחות חשמליים, אטומים לא היו יכולים להתקיים! הכוח החשמלי הוא שמחזיק את האלקטרונים בקליפות סביב הגרעין. בלעדיו, האלקטרונים היו מתפזרים. בנוסף, ללא כוחות חשמליים לא היו נוצרים קשרים כימיים - ולכן לא היו מולקולות, לא מים, לא אוויר ולא חיים. הכוחות החשמליים הם למעשה הבסיס לכל החומר שאנחנו מכירים.
שאלה לחשיבה
לכלור (Cl) יש 17 אלקטרונים ולארגון (Ar) יש 18 אלקטרונים. יש ביניהם הבדל של אלקטרון אחד בלבד, אבל ההתנהגות הכימית שלהם שונה לחלוטין. למה?
כלור (2,8,7) - יש לו 7 אלקטרוני ערכיות. הוא חסר אלקטרון אחד להשלמה ל-8, ולכן הוא פעיל מאוד ויוצר קשרים. ארגון (2,8,8) - יש לו 8 אלקטרוני ערכיות, הקליפה מלאה והוא יציב. הוא גז אציל ואינו פעיל כימית כלל. אלקטרון אחד עושה את כל ההבדל!
הכוחות החשמליים לא קיימים רק בתוך אטומים. הם אחראים לתופעות רבות בחיינו:
- חשמל סטטי - כשמשפשפים בלון בשיער, אלקטרונים עוברים מהשיער לבלון. הבלון נטען שלילית ומושך חתיכות נייר קטנות.
- ברק - הפרש מטענים חשמליים עצום בין עננים לקרקע יוצר פריקה חשמלית.
- דבק - חלק מסוגי הדבק פועלים על בסיס כוחות משיכה חשמליים בין מולקולות.
טיפ לזכירה
זכרו את הכלל הפשוט: הפוכים נמשכים, זהים נדחים. בדיוק כמו מגנטים - קוטב צפוני מושך דרומי ודוחה צפוני נוסף.
למה הכוחות החשמליים חשובים?
הכוחות האלה מחזיקים את הכול!
הכוחות החשמליים בין חלקיקים הם הבסיס לכל הכימיה - ולכל מה שקיים סביבנו:
- האטום עצמו - כוח המשיכה בין פרוטונים לאלקטרונים מחזיק את האטום ביחד
- מולקולות - כוחות חשמליים יוצרים את הקשרים הכימיים בין אטומים
- מצבי צבירה - כוחות חשמליים בין מולקולות קובעים אם חומר יהיה מוצק, נוזל או גז
- הגוף שלנו - כל מולקולת DNA, כל חלבון וכל תא מוחזקים יחד על ידי כוחות חשמליים
בפרק הזה נלמד כיצד כוחות אלה יוצרים שני סוגי קשרים עיקריים: קשר שיתופי וקשר יוני.
טעויות נפוצות
שימו לב לנקודות הבאות שתלמידים רבים מתבלבלים בהן:
- אלקטרוני ערכיות הם רק באלקטרונים בקליפה החיצונית - לא כל האלקטרונים!
- מספר הטור = מספר אלקטרוני ערכיות (לא מספר הקליפות)
- גזים אצילים יציבים כי הקליפה מלאה - לא כי אין להם אלקטרונים
- כוח משיכה בין + ל-, כוח דחייה בין + ל+ או - ל- (אל תבלבלו!)
בנה אטום - סימולציה אינטראקטיבית
בסימולציה הבאה תוכלו לבנות אטומים בעצמכם - להוסיף פרוטונים, נויטרונים ואלקטרונים ולראות כיצד הם משפיעים על מבנה האטום ועל זהות היסוד.
קליפות אלקטרונים - סימולציה
כעת נראה כיצד האלקטרונים מסודרים בקליפות סביב הגרעין. שימו לב לקליפה החיצונית - היא שקובעת את ההתנהגות הכימית של היסוד.
מה הלאה?
עכשיו שאנחנו מבינים את הכוחות החשמליים ואת תפקיד אלקטרוני הערכיות, בשיעור הבא נלמד כיצד הכוחות האלה יוצרים קשרים כימיים. נתחיל בקשר השיתופי - מה שקורה כששני אטומים של אל-מתכות נפגשים ומחליטים לשתף אלקטרונים.