תרכובות ומולקולות יוניות: דוגמאות, סוגים, אג"ח, סידורים, הבדלים
במובן זה, המולקולה היא "אוסף" מצטבר המורכב משני אטומים לפחות בסידור מסוים המקושר זה לזה בקשרים כימיים.
הגדרת תרכובת מולקולרית
תרכובות מולקולריות הן אטומים המקושרים יחד עם אלקטרונים שונים, בעיקרון הם נקשרים יחד על חלקיקים ניטרליים חשמליים הנקראים מולקולות.
מבנה מתחם מולקולרי
מולקולות מורכבות משני אטומים (שניים) ומעלה. ניתן להגדיר מולקולות כקבוצות אטומים הקשורות חזק זו לזו, עם קשרים חלשים יחסית בין קבוצות אטומים מאותו הסוג. מולקולה יכולה להיות מורכבת מאטומים מאותו יסוד (למשל חמצן O2), או מורכבת מאלמנטים שונים (למשל מים H2O). אטומים וקומפלקסים שאינם קשורים באופן קוולנטי (למשל קשורים בקשרי מימן וקשרים יוניים) אינם נחשבים בדרך כלל למולקולה אחת.
קרא גם: ביולוגיה מולקולרית - הגדרה, הנדסה, מדע, היסטוריה, מדדים, נוסחאות, גיאומטריה
בכל מולקולה, האטומים מוחזקים יחד על ידי כוחות משיכה חזקים, בדרך כלל בצורה של קשרים ראשוניים. מצד שני, הקשרים הבין-מולקולריים חלשים כך שבתוך גבולות מסוימים כל מולקולה יכולה לנוע בחופשיות. מולקולה מוגדרת כקבוצת אטומים (לפחות שניים) הקשורים חזק מאוד (קוולנטית) בסידור מסוים והם טעונים ניטרליים ויציבים למדי. על פי הגדרה זו, מולקולה שונה מיון פולי-אטומי. בכימיה אורגנית וביוכימיה משתמשים במונח מולקולה בצורה פחות נוקשה, ולכן מולקולות אורגניות וביומולקולות טעונות נחשבות למולקולות.
בתיאוריה הקינטית של גזים, המונח מולקולה משמש לעתים קרובות להתייחס לכל חלקיק גזי ללא קשר להרכבו. על פי הגדרה זו, אטומי הגזים האצילים נחשבים למולקולות למרות שהם מורכבים מאטומים בודדים ולא קשורים.
מסקנת התצפית היא כי
- לכל תרכובת מולקולרית נקודת התכה ורתיחה נמוכות יותר מהחומר המוצק.
- מוצקים מולקולריים רכים יותר מכיוון שכל מולקולה יכולה להחליק זו על זו על ידי מתחים קטנים בלבד.
- מולקולות נשארות שלמות במצב הנוזל או הגז
אם שני אטומים (או מולקולות) מתקרבים זה לזה, הם יפעלו על כל אחד מהאטומים (או המולקולות) הללו כלומר כוח מושך או דוחה. המודל הפשוט ביותר יוצג להלן:
במצב שיווי המשקל, האטומים נמצאים במרחק מסוים זה מזה המכונה מרחק האטום או אורך הקשר. אומרים כי אטום נמצא בשיווי משקל אם הוא במצב אנרגיה חופשית (E) מינימלי ביותר (יציב ביותר).
היסודות המרכיבים את המתחם. לדוגמא, מים תמיד יש יחס מימן לחמצן של 2: 1. לאתנול יש תמיד גם יחס בין פחמן, מימן וחמצן של 2: 6: 1. עם זאת, נוסחה זו אינה מציינת את צורתם או סידורם של האטומים במולקולה. לדוגמא, לאתר דימתיל יש אותו יחס יחס לאתנול. מולקולות עם אותו מספר אטומים המרכיבים אך סידורים שונים מכונים איזומרים.
יש לציין כי הנוסחה האמפירית נותנת רק את ערך היחס בין האטומים המרכיבים מולקולה ואינה נותנת את ערך המספר האטומים בפועל. הנוסחה המולקולרית מתארת את המספר המדויק של האטומים המרכיבים מולקולה. לדוגמא, לאצטילן הנוסחה המולקולרית C2H2, אך הנוסחה האמפירית היא CH. ניתן לחשב את המסה של מולקולה מהנוסחה הכימית שלה. לעיתים קרובות המסה המולקולרית מתבטאת ביחידות מסה אטומיות המקבילות ל- 1/12 המסה של אטומי פחמן 12.
דוגמאות לתרכובות מולקולריות
מולקולות גז פחמן דו חמצני הן מולקולות מורכבות מכיוון שהן מורכבות מאטומים של יסודות שונים, כלומר אטום פחמן אחד ושני אטומי חמצן (נוסחה CO2).
דוגמה לחומר שהחלקיק הקטן ביותר שלו הוא מולקולה תרכובתית הם מים. המים שאנו שותים בדרך כלל מכילים חלקיקים זעירים הנקראים מולקולות מים. מולקולת מים זו מורכבת משני אטומים של היסוד מימן ואטום אחד של היסוד חמצן (נוסחה H2O).
קרא גם: תרכובות קוטביות ולא קוטביות - הגדרה, מאפיינים, קוולנטיים, הבדל, מאפיינים, נקודת רתיחה, דוגמאות
מכיוון שמולקולת המים מורכבת מאטומים של אלמנטים שונים, מולקולת המים היא מולקולה מורכבת. ניתן לייצר מולקולות מים מהתגובה בין מולקולות של מימן אלמנטרי למולקולות של חמצן אלמנטרי.
בתמונה לעיל, ניתן לראות כי מולקולת המימן האלמנטרית מגיבה עם מולקולת החמצן האלמנטרית ליצירת מולקולת תרכובת מים. כל מולקולה של חמצן אלמנטרי תגיב עם שתי מולקולות של מימן אלמנטרי ליצירת 2 מולקולות של תרכובת מים.
אם מולקולה אחת של חמצן דורשת שתי מולקולות של מימן אלמנטרי להגיב לחלוטין ליצירת 2 מולקולות של תרכובת מים, ואז 2 מולקולות של חמצן אלמנטרי דורשות 4 מולקולות של מימן אלמנטרי להגיב לחלוטין ליצירת 4 מולקולות מים.
בתגובה זו רואים שבתגובה כימית אין אובדן אטומים. מספר אטומי H ו- O בצד ימין שווה למספר אטומי H ו- O בצד שמאל.
ההבדל הוא שכל אטום משמאל נקשר לאטום מאותו יסוד אותו דבר, ואילו בימין נקשר באטומים של יסודות אחרים ליצירת מולקולות מתחם.
מספר האטומים בתגובה יישאר קבוע, כך שניתן יהיה להבין את תופעת חוק שימור המסה (מסת החומרים המגיבים שווה למסה הכוללת של תוצרי התגובה).
בנוסף לחומרים שהוזכרו לעיל, עדיין ישנם חומרים רבים סביבנו שהחלקיקים הקטנים ביותר שלהם הם מולקולה מורכבת.
דוגמא הוא סוכר לבן (C12H22O11) שהוא חומר המשמש בדרך כלל כתערובת להכנת קפה. דוגמה נוספת היא פחמן חד חמצני (CO) ואתנול (C2H5OH).
פחמן חד חמצני הוא גז שיכול להרעיל את הדם שלנו ולגרום למוות. האתנול הוא חומר שניתן להשתמש בו למטרות שונות, כגון עיקור, תערובות משקאות ודלק. כל החומרים הללו מורכבים מחלקיקי החומר הקטנים ביותר הנקראים מולקולות.
הגדרת מתחם יוני
יונים הם אטומים או קבוצות אטומים שטעונות חשמל. יון טעון שלילית, שצובר אחד או יותר אלקטרונים, נקרא אניון מכיוון שהוא נמשך לעבר האנודה. יון טעון חיובי, שאיבד אחד או יותר אלקטרונים, נקרא קטיון מכיוון שהוא נמשך לקתודה. תהליך היווצרות היונים נקרא יינון. אטום או קבוצת אטומים מיוננים מסומנים ברמת n + או n, כאשר n הוא מספר האלקטרונים שאבדו או צברו.
קרא גם: הגדרת יינון, דיסוציאציה וריגוש ודוגמאות
היסטוריה של יונים
יונים הוצגו לראשונה בצורה תיאורטית על ידי מייקל פאראדי בסביבות 1830, לתיאור מצד המולקולה שנע לעבר האנודה או הקתודה בצינור ואקום (צינור ואקום, CRT). עם זאת, המנגנון של אירוע זה תואר רק בשנת 1884 על ידי סבנטה אוגוסט ארניוס בעבודת הדוקטורט שלו באוניברסיטת אופסלה. בהתחלה, תיאוריה זו לא התקבלה (הוא קיבל את התואר בציון מינימלי), אך בהמשך עבודת הדוקטורט שלו זכתה בפרס נובל לכימיה בשנת 1903.
סוגי יונים
להלן סוגי היונים, כדלקמן:
- יונים חיוביים (קטיונים)
יונים חיוביים הם אטומים שאיבדו אלקטרונים, יונים אלה מגיעים בעיקר ממתכות או אלמנטים עם פחות מ -4 אלקטרוני ערכיות, אך ישנם יוני מימן H+ שהוא יון חיובי שמקורו שאינו מתכת. הנטייה של אטומים ליצור יונים חיוביים חזקה מאוד בקבוצת IA. אטום הפרנציום (Fr) הוא האטום הקל ביותר ליצירת יון חיובי, והוא ממוקם בקבוצת IA.
דוגמאות ליצירת יונים חיוביים הן כדלקמן:
11ל- Na יש תצורות 2, 8, 1. האלקטרון החיצוני ביותר הופך אותו ליציב פחות, לכן כדי לעבור למצב יציב (תצורה 2.8 כך שהוא זהה לגז אצילי) אטום ה- Na ישחרר אלקטרון ליצירת יון Na+.
Na 1e + Na+
- יונים שליליים (אניונים)
בניגוד ליונים חיוביים, יונים שליליים הם אטומים שצברו אלקטרונים. יונים אלה מגיעים ממתכות או אטומים עם יותר מארבעה אלקטרוני ערכיות. הנטייה ליצירת יונים שליליים חזקה מאוד בקבוצת VIIA. היסוד פלואור (F) שנמצא ב- VIIA הוא האטום שהכי קל ללכוד אלקטרונים כך שיהיה הכי קל ליצור יונים שליליים.
דוגמאות ליצירת יונים שליליים הן כדלקמן:
17ל- Cl יש תצורות 2, 8, 7. האלקטרון החיצוני הוא 7 מה שהופך אותו לפחות יציב, כך שכדי להיות יציב אטום Cl יתפוס אלקטרון אחד (תצורה 2,8.8 כך שהוא יהיה זהה לגז אצילי) ליצירת יון Cl− .
Cl + 1e Cl−
קשרים יוניים של תרכובות יוניות
קשר יוני (קשר אלקטרוקוולנטי): סוג של קשר כימי שיכול להיווצר בין יונים מתכתיים ללא מתכות (או יונים פולי-אטומיים כגון אמוניום) באמצעות משיכה אלקטרוסטטית. במילים אחרות, קשר יוני נוצר על ידי הכוח האטרקטיבי בין שני יונים עם מטענים שונים.
קרא גם: אג"ח יוניות: הגדרה, מאפיינים ותנאים להתרחשותם ודוגמאות מלאות
למשל במלח שולחן (נתרן כלורי). כאשר נתרן (Na) וכלור (Cl) מתאחדים, אטומי הנתרן מאבדים אלקטרונים ויוצרים קטיונים (Na+), בעוד שאטומי הכלור מקבלים אלקטרונים ליצירת אניונים (Cl–). לאחר מכן יונים אלה מושכים זה את זה ביחס 1: 1 ליצירת נתרן כלורי.
Na + Cl → Na+ + קל– → NaCl
סידור תרכובות יוניות
כלל האוקטט מסביר כי ביצירת נתרן כלורי, נתרן יאבד אלקטרון אחד ואילו כלור יזכה באלקטרון אחד. כך שניתן לראות כי אטום כלור אחד דורש אטום נתרן אחד. במבנה התרכובת היונית של נתרן כלורי, יון הנתרן החיובי (Na+) לא רק נקשר ליון כלור שלילי אחד (Cl–) אך יון נא+ מוקף 6 יונים קל– להיפך. ניתן להשתמש במבנה התלת ממדי של נתרן כלורי לתיאור סידור התרכובות היוניות.
נכסים יוניים
- קוֹטבִי
- הפתרון שלה במים מוליך חשמל
- נקודת התכה גבוהה
- ההיתוך מוליך חשמל
- מסיס בממיסים קוטביים
ההבדל בין תרכובת יונית לתרכובת מולקולרית
אנלפיית ההיתוך "אנרגיית החום הנספגת כשמוצק נמס" ואנטלפיית האידוי "אנרגיית החום הנספגת כאשר נוזל רותח" גבוהה יותר בתרכובות יוניות. תרכובות מולקולריות דליקות יותר מתרכובות יוניות.
תרכובות מולקולריות רכות וגמישות יותר מתרכובות יוניות. לתרכובות יוניות נקודות התכה ורתיחה גבוהות יותר מאשר לתרכובות מולקולריות. תרכובות יוניות טעונות יונים ואילו תרכובות מולקולריות מורכבות ממולקולות.
קרא גם: אלקטרוליטים ולא אלקטרוליטים - הגדרה, היסטוריה, תהליכים, חזקים, חלשים, תרכובות, דוגמאות
תרכובת יונית נוצרת על ידי תגובת מתכת עם מתכת, ואילו תרכובת מולקולרית נוצרת בדרך כלל על ידי תגובה של שתיים או יותר שאינן מתכות. בתרכובות יוניות, היונים מוחזקים יחד בגלל משיכה חשמלית, ואילו בתרכובות מולקולריות, האטומים מוחזקים זה בזה על ידי משיכה בין אטומים עקב אלקטרונים משותפים.
תרכובות מולקולריות אינן יכולות להוביל חשמל בכל מצב, ואילו תרכובות יוניות, כאשר הן מומסות בתמיסות מימיות יכולות לשמש כמוליכות טובות של חשמל. תרכובות יוניות תגובתיות יותר מתרכובות מולקולריות.
ההבחנה לעיל מסייעת גם להבחין ולזהות האם תרכובת לא ידועה מסוימת היא יונית או מולקולות על ידי ביצוע בדיקות מתאימות במעבדה וגילוי ההבדל בין תכונות כימיות לתכונות פיזיקליות מתחם.
בִּיבּלִיוֹגְרָפִיָה:
- קימבל, ג'ון וו. 1994. ביולוגיה. כרכים 1,2 ו- 3. מהדורה חמישית. ארלנגגה. ג'קרטה.
- פירס, אוולין .1997. אנטומיה ופיזיולוגיה לחובשים. PT Gramedia Pustaka Utama. ג'קרטה
- פודג'אדי, אנה. יסודות הביוכימיה. ג'קרטה: UI-Press, 1994.
- וינארנו, פ. או כימיה ותזונה של מזון. ג'קרטה: Gramedia Pustaka Utama, 2004.