חומרים אטומריים


חומרים אטומריים

חומרים אטומריים

חומרים אטומריים

משפחת החומרים האחרונה שנכיר בפרק  מבנה וקישור היא משפחת החומרים האטומריים.
זו משפחה מיוחדת ונכיר כמה חומרים המשתייכים אליה אך לא את כולם.

נזכיר שהחומרים המולקולריים (למשל, מים H2O, שבהם אטומי אל-מתכות יוצרים קשרים קוולנטיים כך שנוצרת יחידה הקרויה מולקולה), היונים (למשל, מלח בישול NaCℓ, שבו אטום מתכתי שהוא היון החיובי ואטום אל-מתכתי שהוא היון השלילי יוצרים סריג יוני) והמתכתיים (החומר כסף Ag המורכב מיונים חיוביים בים של אלקטרונים לא מאותרים), קלים יחסית לזיהוי. להבדיל, זיהוי החומר רק על-פי הרכבו הכימי במקרה של משפחת החומרים האטומריים בעייתי יותר.

לכן עלינו להכיר ולמעשה גם לזכור בעל-פה שהחומרים יהלום (C) , גרפיט (C) , צורן (Si), צורן חמצני/קוורץ SiO2 וקרביד הצורן SiC הם חומרים אטומריים.

ישנם, כמובן, חומרים נוספים ששייכים למשפחה זו אבל לא נכיר אותם.
מה המשותף לכל החומרים הללו?
כל החומרים האטומריים יוצרים מבנה ענק שבו אטומים קשורים זה לזה בקשרים קוולנטיים. ניתן לומר שזהו מעין מבנה אין-סופי של אטומים הקשורים ברשת של קשרים קוולנטיים חזקים מאוד, למעט הגרפיט שלה מבנה מיוחד יותר. נתייחס אליה בהמשך.
כמו בשאר המשפחות שהכרנו עד כה, תכונות החומרים האטומריים נגזרות ממבנה החומר, מהקשרים שבו ומהרכב האטומים שלו.
אז מה הם מאפייני ותכונות החומרים האטומריים?

  1. החומרים האטומריים מורכבים מאטומים הקשורים בקשרים קוולנטים חזקים מאוד והיוצרים סריג הקרוי סריג אטומרי.
  2. כל החומרים האטומריים הם מוצקים בטמפרטורת החדר.
  3. החומרים האטומריים הם בעלי טמפרטורות היתוך גבוהות מאוד. כדי להתיך אותם נדרש, לעתים, שימוש בלחץ גבוה מאוד.
    מתוך מאמר "יהלומנים לנצח" באתר נענע :

תכונות חומרים אטומריים

  1. החומרים האטומריים אינם מתמוססים בשום ממס
  2. החומרים האטומריים אינם מוליכים זרם חשמלי למעט הגרפיט שמוליכה זרם חשמלי במצב צבירה מוצק עקב המבנה המיוחד שלה. לגרפיט יש אורביטל מולקולרי שבו ענן אלקטרונים לא מאותרים וניידים מאפשר את הולכת חשמל.

היהלום והגרפיט

אלו שתי צורות אלוטרופיות של היסוד פחמן, למעשה שתיים מתוך צורות רבות נוספות .
צורות אלוטרופיות הן מבנים שונים העשויים מאותו יסוד (בדומה לאיזומרים בתרכובות).

היהלום בנוי מטטראדרים מקושרים אחד לשני. כל אטום פחמן קשור בארבעה קשרים קוולנטיים לארבעה אטומי פחמן נוספים וכך הלאה. נוצר מבנה חזק מאוד ויציב מאוד שמקנה ליהלום את הזכות להיקרא החומר החזק ביותר בטבע.

חומרים אטומריים - יהלום, טטראדר

הדמיה ליצירת קשרים קוולנטיים ביהלום

הגרפיט בנויה משכבות של אטומי פחמן. כל אחד מהם קשור לשלושה אטומי פחמן אחרים בקשר קוולנטי יחיד ולכן נוצרות טבעות משושות (מעין כוורת) של אטומי פחמן. היות ואטומי פחמן נוטים ליצור שיתוף של ארבעה אלקטרונים בקשרים קוולנטיים, וציינו שבמבנה של הגרפיט כל אטום פחמן קשור רק לשלושה אטומי פחמן אחרים בקשר קוולנטי יחיד, נוצר מצב שבו בכל אטום פחמן נותר אלקטרון אחד לא מזווג. כל האלקטרונים הלא מזווגים באותה השכבה נמצאים באורביטל מולקולרי ענק ונעים בו באופן אקראי. אלה אלקטרונים לא מאותרים והם אלה המאפשרים את הולכת הזרם בגרפיט במצב צבירה מוצק בלבד. בין שכבה אחת לשכבה שנייה ישנן אינטראקציות ואן דר ואלס הניתקות בקלות יחסית. משום כך, אפשר לכתוב עם הגרפיט (החומר שבעיפרון).

חומרים אטומריים - שכבה אחת

גרפיט: שכבה אחת (כוורת אטומי פחמן)

חומרים אטומריים 2 שכבות

גרפיט: שתי שכבות לא מקושרות

חומרים אטומריים 3

מבנה סריג הגרפיט

סיימנו את הפרק מבנה וקישור. לפנינו שיעור הכולל טבלה לסיכום כלל התכונות של החומרים השונים ושיעור נוסף עם תרגילים מסוגים שונים לסיכום פרק זה.