תכונות האטומים

@site is currently under a large upgrade. Thank you for your patience. Please visit http://oldsite.al-chemist.info to see the spare mirror.
האתר בשדרוג וזה ייקח זמן. נא לבקר בראי של האתר הישן בכתובת הבאה: http://oldsite.al-chemist.info

נכתב ע"י alexL בד', 02/28/2018 - 07:48

תכונות של אטום הן כמובן תכונות מיקרוסקופיות. החשובות ביניהן הן:

1. מסה אטומית

ניתן לקבוע מסה אטומית בדרכים רבות. התאוריה הקינטית של גזים מאפשרת לקבוע את המסה הממוצעת של חלקיקים היוצרים גז. במקרים רבים חלקיקים אלו הם אטומים ובשאר המקרים הם מולקולות המורכבות ממספר קטן של אטומים כך שבכל מקרה ניתן לקבוע את המסות של האטומים המרכיבים גז. הקביעה בשיטה זאת נעשתה לראשונה ע''י ג' דלטון בתחילת מאה התשע עשרה. במדידות אלו נעשו מספר שגיאות, אבל באופן עקרוני מדידות המסה נעשו עם דיוק טוב מאוד.

באופן כללי, הכימיה מספקת דרכים פשוטות ואמינות לקביעת מסה אטומית. אם יודעה המסה האטומית של מגיב אחד לפחות, וידועה המשוואה של התגובה הכימית, חישוב פשוט ומדידות של מסות או נפחים של שאר המגיבים ותוצרים מאפשרים קביעת המסה האטומית שלהם בדיוק גבוה מאוד.

שיטות אחרות מבוססות על מדידת התנע של אטומים במעוף. לדוגמה, מסלול אטומים בתא ערפל מאפשר חישוב מדויק מאוד של מסת החלקיקים, לרבות האטום. על אותו רעיון מבוססות השיטות של מס-​​ספקטרומטרייה, שבהן יש שימוש נרחב מאוד באנליזה כימית.

מסות של אטומים שונים נמצאות בטווח של  1.66·10-24 g עבור האטום הקל ביותר של מימן עד  3.95·10-22 g עבור אורניום והוא האטום הכבד ביותר בטבע. בדרך כלל, לא מביעים את המסות של אטומים ביחידות של גרם או קילוגרם אלא משתמשים ביחידות מיוחדות הקרויות "יחידות מסה אטומית" או a.m.u (1 amu = 1.66 · 10-24 g, atomic mass unit). ביחידות מסה אטומית, אטום מימן שוקל 1 ואטום אורניום שוקל 238.

 

2. הגדלים של אטומים

קביעת הגודל של אטומים בעייתית כי מדובר בנציג בולט מאוד של עולם המיקרו. לדוגמה, גודל אטום החמצן הנקבע על ידי שלוש השיטות, יהיה (Å, angstrem = 0.1 nm):

הקוטר האטומי של חמצן מקור ספקותי
1.30 ± 0.01 Å Periodic Chart of the Atoms (1979), Sargent-Welch
0.66 ± 0.01 Å "Chemical Systems," Chemical Bond Approach Project (1964), McGraw-Hill
1.40 ± 0.01 Å Handbook of Chemistry and Physics, 65th Ed. (1984), CRC Press and "Chemical Systems"

אחד ההסברים של הסתירה בין הנתונים שלעיל הוא הייחודיות של עולם המיקרו הבאה לידי ביטוי בשני היבטים לפחות:

תכונה אחת היא האופי שבו עצם אחד נבדל מעצם אחר. בעולם המאקרו שלנו בין שני עצמים יש גבול מוגדר. אנחנו יכולים להגיד בדיוק, באיזו נקודה מסתיים גוף אחד ומתחיל גוף שני. בעולם המיקרו זה לא כך. שם המעבר בין עצם לעצם הוא מעבר רציף, כאשר הסתברות ההימצאות של העצם הראשון הולכת ויורדת ברציפות והסתברות ההמצאות של העצם השני הולכת ועולה. ניתן להדגים את זה באמצעות איור תרשימי שבו בחלק השמאלי מצויר עצם מאקרו בעל צורה כדורית ובחלקו הימני עצם מיקרו בעל צורה דומה. מתחת לכל עצם נתונה התפלגות ההסתברות של הימצאות העצם בנקודות שונות.גבולות מיקרו ומאקרו

התכונה השנייה המבדילה את שני העולמות שלנו, היא אופי הצפייה עצמו. כאשר אנחנו צופים במשהו, אנחנו משנים אותו.

  • אם אנחנו נוגעים בו, אנחנו מפעילים עליו לחץ. וקולטני העור באצבעות שלנו קולטים את כוח ההתנגדות של העצם. אם לא נלחץ על העצם, לא נרגיש שום התנגדות ולא נמשש את העצם בכלל.
  • אם אנחנו שומעים משהו, זה מתנודד בתדירות המתאימה לאוזניים אנושיות. אי אפשר לשמוע עצם נח.
  • אם רואים משהו, מספקים לו אנרגיה שאת חלקה הוא מחזיר בצורת אור נראה. עצם לא מעורר אינו נראה.
  • אם מריחים או טועמים משהו, קולטני הריח והטעם שלנו צורכים מספר חלקיקים של העצם.

לא ניתן לצפות בעצם בלי להשפיע עליו. וככל שיותר ברורות צריכות להיות תוצאות הצפייה, כך יותר חזקה צריכה להיות ההשפעה. בעולם המאקרו, בדרך כלל, אפשר להתעלם מהשפעה זו. למשל קולטני ריח צריכים כמה עשרות מולקולות בלבד, כאשר כמות מקרוסקופית סבירה (כוס, קומץ וכו') מכילה  כ-1020-1024 מולקולות. במישוש עדין פועלת אצבע בכוח של מיקרו-ניוטונים בודדים וזה לא מספיק על מנת להתמודד עם כוחות חיכוך ולניע גוף נצפה.

בעולם המיקרו השפעה של צפיה לא ניתנת להזנחה. על כן, כשמודדים את גודל אטום החמצן בשלוש שיטות שונות, משנים את האטום הזה בשלוש דרכים שונות. וכל שיטה מודדת את האטום כבר אחרי השינוי שנגרם. כל כן, לא ניתן לדעת  מהו הגודל של אטום חמצן לפני ההשפעות שנגרמה בעת המדידה.

לסיכום, גודל ממוצע של אטומים ננמצא בטווח שבין 0.3Å - 7Å או 0.03 - 0.7 נ''מ ותלוי מאוד בשיטת מדידתו.

 

3. צורתם של האטומים

בגלל הסיבות המתוארות בסעיף הקודם, קשה מאוד להסיק מסקנה לגבי הצורה של האטומים. ברוב המקרים, אטום בודד ניתן לתאר ככדור. כאשר אטום נקשר עם אטומים אחרים, יותר מתאים לתאר אותו כאליפסה או פאון, בתלוי בשיטת מדידה.

 

4. תכונות חשמליות ומגנטיות

קיטוב באטוםלאטום בודד אין מטען חשמלי משום שהמטען החיובי של הגרעין מאוזן ע''י המטען השלילי של האלקטרונים. זה לא כך עבור אטום בשדה חשמלי (למשל, של יונים ומולקולות בקרבתו), במיוחד עבור אטומים גדולים. בשדה חשמלי האלקטרונים מתחילים להימשך למטען חיצוני חיובי ולהידחות ממטען חיצוני שלילי. עקב כך, סימטריה של מטען באטום מופרת ובאטום מופיעים קטבים. תופעה זו נקראת קיטוב (ראה את האיור). קיטוב האטום גורם לשני דברים: ראשית כול, אטום מקוטב יכול להשתתף באינטראקציות עם אטומים ומולקולות אחרים. דבר נוסף, אטום מקוטב ניתן לזיהוי באמצעות שיטות של ספקטרוסקופיית קיטוב.

בניגוד למטען חשמלי, מומנט מגנטי (פרמטר מגנטי מקביל למטען חשמלי) של אטום לא חייב להיות אפסי. אטומים בעלי מומנט מגנטי לא אפסי יכולים להגיב לשדה מגנטי חיצוני. יתר על כן, לגרעין האטום ולאלקטרונים יכולים להיות מומנטים מגנטיים לא אפסיים ושניהם (הגרעין והאלקטרונים) מגיבים לשדה המגנטי באופן עצמאי (יחסית). דבר זה נותן לנו שתי שיטות אנליטיות חזקות במיוחד: NMR (תהודה מגנטית גרעינית, nuclear magnetic resonance) ו-ESR (תהודת ספין אלקטרוני, electron spin resonance), שימושיות ביותר בכל תחומי מדע חומרים.