האם זהות האטומים משפיעה על חוק קולון? תום

נוסח השאלה המלא: בשיעור האחרון בכימיה למדנו על אלקטרו שליליות. לפי חוק קולון ישנה משיכה חשמלית בין מטענים המנוגדים בסימן כתלות בריבוע המרחק ביניהם. אך אין שום "אזכור" לסוג החומר. כיצד ניתן להסביר את התופעה?

בעבר ניתנו הסברים מפורטים, גם במדור 'שאל את המומחה' וגם במדור 'מאגר מדע' מהי אלקטרו-שליליות . ולכן נסביר רק הסבר קצרצר מהי אלקטרו-שליליות (או אלקטרו-נגטיביות):
אלקטרו-שליליות היא גודל שמבטא עד כמה אטום שנמצא בקשר כימי נוטה למשוך את האלקטרונים שמשתתפים בקשר (בינו לבין אטום אחר) לכיוון הגרעין שלו, ובכך להפוך להיות בעל מטען חשמלי שלילי (המטען שלילי בגלל מטענו החשמלי השלילי של האלקטרון שנמשך לכיוון האטום). הפרש האלקטרושליליות בין האטומים שמשתתפים בקשר, עוזר לנו לנבא את אופי הקשר הכימי: קשר כימי עם שני אטומים בעלי אלקטרו-שליליות זהה או כמעט זהה יהיה לא מקוטב מבחינה חשמלית: למשל במולקולות Br₂ או CH₄. כאשר יש הבדל באלקטרו-שליליות הקשר יהפוך למקוטב: על האטום היותר אלקטרו-שלילי יהיה מטען חשמלי חלקי שלילי, ועל האטום הפחות אלקטרו-שלילי מטען חשמלי חיובי חלקי: למשל במולקולות HF או H₂O (מטען שלילי חלקי על הפלואור, F, והחמצן, O), ובהפרש גדול מאוד הקשר יכול להפוך ליוני, כלומר אלקטרון אחד עובר בשלמות מאטום אחד לשני, דוגמא לכך היא מלח הבישול, נתרן כלורי (NaCl) בו אלקטרון מהנתרן עובר בשלמות 'להסתובב' סביב גרעין הכלור. יש לזכור שאלקטרו-שליליות היא גודל 'מומצא' ומדענים שונים הציעו שיטות שונות כדי לחשבו, אולם כל השיטות נותנות דירוג כמעט זהה למידת האלקטרו-שליליות של האטומים.

חוק קולון אכן טוען את מה שכתבת:

הכוח החשמלי (F) בין מטענים חשמליים (q1,q2) שווה למכפלת המטענים, חלקי המרחק ביניהם (r) בריבוע, וכפול קבוע מסויים (k). ובאמת אין שום איזכור לסוג החומר - וזה אכן יוצר 'התנגשות' עם מה שמתקבל לפי האלקטרו-שליליות. לדוגמא:
לפי חוק קולון לא ברור מדוע, בתרכובת נתרן פלואוריד NaF (חומר יוני שנמצא במשחות שיניים) האלקטרונים שבקשר יותר נמשכים לגרעין אטום הפלואור, עד כדי כך שאלקטרון עוזב את אטום הנתרן ועובר לפלואור. המצב עוד יותר מוזר / תמוהּ אם מסתכלים על הגרעינים של שני האטומים: לפלואור מספר אטומי 9, כלומר יש לו 9 פרוטונים (בעלי מטען חיובי) בגרעין, ולנתרן 11 פרוטונים, אז אם-כבר, גרעין הנתרן אמור להפעיל כוח משיכה רב יותר על האלקטרון מהפלואור, ולא ההפך.
אבל, אני לא יודע האם זה הדבר המטריד ביותר בקשר לחוק קולון (וחוקי האלקטרומגנטיות באופן כללי) ולכימיה: הרבה יותר מוזר (והטריד מאוד את הכימאים והפיזיקאים בסוף המאה ה-19 ותחילת המאה ה-20) היא תופעת האטומים עצמם: אם נשחרר בחלל פרוטון אחד ואלקטרון אחד, לפי חוק קולון צריך לפעול ביניהם כוח משיכה, שיגרום להם להתקרב אחד לשני, וככל שהם יתקרבו הכוח יתחזק יותר ויותר, עד ששני החלקיקים ייצמדו אחד לשני. בפועל מתרחש התהליך הנ"ל אבל 'רגע קצר' לפני שהאלקטרון והפרוטון נוגעים זה בזה ההתקרבות נעצרת, והאלקטרון נשאר מרחף בחלל במרחק ממוצע של כ 10^-10 מטר מהפרוטון, ולא נוגע בו. כך למעשה נוצר אטום מימן, ובאופן דומה כך בנויים כל האטומים. ניסיון לפתור את הבעיה על ידי הכנסת כוח צנטריפוגלי שמתנגד לכוח המשיכה החשמלי (בדומה לכוכבי הלכת שמסתובבים סביב השמש) רק מסבכת את המצב: לפי חוקי האלקטרומגנטיות, אם האלקטרונים באמת היו מסתובבים סביב הגרעין הם היו צריכים לפלוט קרינה אלקטרומגנטית, לאבד אנרגיה במהירות, ולקרוס לתוך הגרעין. ובמציאות – אטומים לא פולטים קרינה, ולא קורסים.

מודל האטום הפלנטרי (תמונה מתוך ויקיפדיה), לא מתיישב עם חוקי האלקטרומגנטיות

אם-כך, אנו רואים, שיכולתו של 'חוק קולון' להסביר תופעות אלקטרומגנטיות 'נעלמת' כאשר הגדלים והמרחקים בין המטענים מגיעים לגודל של אטום, ואז כבר תופעות הקשורות למכניקת הקוונטים מתרחשות. בקשר לאטומים: נמצא שאלקטרונים נמצאים במצב יציב בתוך 'אורביטלים' (מסלולים) מאוד ספציפיים סביב האטום, נהוג להתייחס לאלקטרונים כאל מין 'ענן הסתברות' סביב גרעין האטום, וזה יישוב של חלק מהסתירה בין חוק קולון לבין האלקטרו-שליליות: חוק קולון מדבר על כוחות בין שני מטענים טהורים (נקודתיים). בתוך אטומים ומולקולות, ישנם אלקטרונים רבים, במיקומים פיזיים שונים, דבר היוצר, למשל, מיסוך של מטען הגרעין, ולכן משנה את כוחות המשיכה בין האלקטרונים לבין הגרעין.

צורת 'ענני ההסתברות' של אלקרונים באורביטלים מסוג d, (התמונה עוּבדה מתוך ויקיפדיה)

כמו-כן, ישנם קליפות ורמות אנרגיה שונות לאלקטרונים, כאשר קליפה מלאה הינה יציבה יותר מקליפה לא מלאה. אם נחזור לדוגמא של נתרן פלואורי, לפלואור חסר אלקטרון אחד בלבד בכדי להגיע לקליפה מלאה, ואילו לנתרן יש אלקטרון אחד עודף מעל הקליפה המלאה, ולכן המצב היציב ביותר מבחינה אנרגטית הוא מעבר האלקטרון מאטום הנתרן לאטום הפלואור. בנוסף לכל הנ"ל לאורביטלים השונים רדיוס / מרחק שונה מהגרעין – ולכן אלקטרונים באורביטלים שונים יחוו כוחות משיכה שונים לגרעין האטום (חוק קולון הפשוט).
לסיכום- חוק קולון עצמו באמת לא מתייחס לזהות מקורם של המטענים החשמליים, ולכן לא יכול להסביר לבדו את האלקטרו-שליליות (ותופעות רבות אחרות בעולם הכימיה), כאשר עוסקים בעולם האטומי נכנסים למשוואה גורמים נוספים, קוונטיים, שרק הם מצליחים להסביר את התופעות. (ככה זה במדע, עם התקדמות המחקר מתגלות תופעות חדשות, שבזכותם מגלים חוקי טבע חדשים, כלליים יותר, ובעלי יכולת הסבר וניבוי חזקים יותר. זהו חוזקו ויופיו של המדע).

מאת: ד"ר אבי סאייג
המחלקה לנוירוביולוגיה ומכון דוידסון לחינוך מדעי
מכון ויצמן למדע

הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.