carbon1

Report
‫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

similar documents