חומרים מולקולריים
חומרים מולקולריים הם חומרים הבנויים ממולקולות של יסודות אלמתכתיים. בין האטומים בתוך המולקולות קיימים קשרים קוולנטיים (טהורים או קוטביים). בין המולקולות מתקיימות אנטראקציות ון דר-ולס ועשוים להתקיים גם קשרי מימן.
בין החומרים המולקולריים ניתן למצוא יסודות כמו חמצן ומימן ותרכובות כמו מים ומתאן. בין היתר חלק גדול מתרכובות הפחמן (חומרים אורגניים) משתייך לקבוצת חומרים זו. גם הגזים האצילים יכולים להיות מסווגים כחומרים מולקולריים עקב האנטראקציות שבין האטומים, למרות שאינם מרכיבים מולקולות.
בין המולקולות מתקיימות אנטראקציות ון דר-ולס מקוטביות רגעית. בחלק מהחומרים נוספות גם אנטראקציות ון דר-ולס מקוטביות קבועה ולעתים גם קשרי מימן. מגוון סוגי הקשרים וחוזקם גורמים לכך שבטמפרטורת החדר ניתן למצוא חומרים מולקולריים גזיים, נוזליים ומוצקים. כוחות אלו משפיעים גם על מסיסות החומרים המולקולריים במים ובממסים אחרים.
תוכן עניינים
אנטראקציות בין המולקולות בצבר המולקולרי
האנטראקציות בין המולקולות נקראות גם קשרים בין מולקולריים.
בכל החומרים המולקולריים קיימות בין המולקולות אנטראקציות ון דר-ולס הנובעות מקוטביות רגעית. הן נגרמות ע"י קיטוב רגעי במולקולות המשרות קיטוב נגדי במולקולות סמוכות. כתוצאה מכך נוצרת משיכה (זמנית וחולפת) ביניהן.
בחלק מהחומרים המולקולריים קיימות בנוסף לאנטראקציות ון דר-ולס מקוטביות רגעית גם אנטראקציות ון דר-ולס מקוטביות קבועה. אנטראקציות אלה מתקיימות כאשר פיזור האלקטרונים במולקולה אינו אחיד, וקיימים קטבים קבועים על פני כל מולקולה. הקשרים נוצרים עקב משיכה של קוטב חיובי קבוע במולקולה אחת לקוטב שלילי קבוע במולקולה סמוכה.
קיום קשרי ון דר-ולס מקוטביות קבועה מגדילה את כמות הקשרים בין המולקולות.
בחלק מהחומרים נוספים לקשרי הון דר-ולס מקוטביות קבועה ומקוטביות רגעית גם קשרי מימן. קשרי מימן נוצרים כאשר אטום מימן, H ,קשור ליסוד מאד אלקטרושלילי כמו חנקן N, חמצן,O, ופלואור,F. במקרה כזה על היסוד המאד אלקטרושלילי מושך את אלקטרוני הקשר ונוצר עליו קוטב שלילי ואילו המימן נותר "חשוף מאלקטרונים" ולמעשה פרוטון. בגלל קוטרו הקטן צפיפות מטענו של המימן גבוהה מאד. כאשר אטום מימן "חשוף מאלקטרונים" נמצא על ישר בין היסוד האלקטרושלילי לבין זוג אלקטרונים של יסוד מאד אלקטרושלילי שבמולקולה סמוכה נוצרים קשרים מסוג אחר, הנקראים קשרי מימן. מקובל לסמן את קשרי המימן בקו מקווקו.
קשרי המימן נוספים לקשרי הון דר-ולס מקוטביות רגעית ומקוטביות קבועה ומגדילים את כמות הקשרים בין המולקולות ואת חוזקם.
מצבי צבירה וטמפרטורות רתיחה של חומרים מולקולריים
מצב הצבירה של חומר מולקולרי נובע מסך הקשרים המתקיימים בין המולקולות. ככל שהקשרים מרובים וחזקים יותר תדרש אנרגיה גבוהה יותר לניתוקם, וטמפרטורת הרתיחה תהיה גבוהה יותר.
כאשר סך הקשרים בין המולקולות חלשים טמפרטורת הרתיחה תהייה נמוכה והחומר יהיה גזי בטמפרטורת החדר. בין היסודות המולקולריים הגזיים ניתן למצוא את החמצן, O2, והחנקן, N2, ואת התרכובות מתאן, CH4, ומימן פלואורי, HF.
ברום, Br2, הוא יסוד מולקולרי נוזלי ואילו מים, H2O, ומתאנול, CH3OH, הן תרכובות מולקולריות נוזליות. האנטראקציות בין מולקולות אלה חזקות מהאנטראקציות בין מולקולות החומרים הגזיים
יסודות מולקולריים מוצקים הם זרחן, P4, וגופרית, S8, ותרכובות כמו סוכרוז ופלסטיק. בין מולקולות תרכובות אלה קשרים רבים וחזקים. כאמור כדי לנתק קשרים אלה יהיה צורך בהשקעת אנרגיה גבוהה, וטמפרטורת הרתיחה של החומרים תהייה גבוהה.
חשוב לציין שקשה להעריך את טמפרטורת הרתיחה של חומר נתון, שכן קשה לשקלל את תרומות הגורמים השונים המשפיעים על חוזק הקשרים הבין מולקולריים.
מסיסות של חומרים מולקולריים במים ובממסים אחרים
מסיסות חומר מולקולרי מתרחשת כאשר מולקולות החומר מתערבבות בין מולקולות הממס. ערבוב זה דורש ניתוק הקשרים בין מולקולות החומר המומס, ניתוק חלק מהקשרים הבין מולקולריים בין מולקולות הממס ויצירה של קשרים בין מולקולות המומס לבין מולקולות הממס. תהליך זה יתרחש אם יש בערבוב תועלת תרמודינמית.
חומר יתמוסס במים אם יוכלו להווצר קשרי מימן בין מולקולות החומר לבין מולקולות המים. חומר זה יכול להיות חומר מולקולרי, שבין המולקולות שלו קשרי מימן כמו אתאנול, CH3CH2OH, או חומר שבין המולקולות שלו קשרי ון דר-ולס אך הוא בעל קוטב שלילי חזק היכול לצור קשר מימן עם אטום מימן שבמים. חומר כזה הוא למשל אצטון (פרופאנון), CH3-CO-CH3. חומר היוצר קשרי מימן אך אנטראקציות הון דר-ולס שבין המולקולות שלו חזקים יותר לא יתמוסס במים, שכן תהליך זה אינו מועדף תרמודינמית (כדי שיתרחש צריכים להנתק קשרי מימן חזקים בין מולקולות המים ולהווצר קשרי ון דר-ולס חלשים יותר בין המים לחומר הנ"ל). דוגמה לחומר כזה הוא גרניול, C10H17OH. בין שני הקצוות, חומר המסיס בכל יחס לבין חומר שאינו מסיס, קיימים חומרים בעלי מסיסות נמוכה.
הצעות לפעילויות עם תלמידים
אוסף פעילויות בנושא "חומרים מולקולריים"
מדובר במגוון רחב של פעילויות בנושא "חומרים מולקולריים.מבנה.תכונות.שימושים בחיי יום-יום".רוב פעילויות ממוחשבות.
ניסוי "הכנת קרם ידיים" הוא הניסוי ברמה 1.מטרות הניסוי הן להעמיק ולחזק את ידיעות התלמיד בפרק "מבנה וקישור" ובעיקר בעניין החומרים המולקולריים,מבנה ותכונותיהם.הניסוי ניתן לביצוע גם בתנאי בית-הספר וגם במסגרת הפעילות "כימיה בחיי יום-יום" במכון דוידסון למדע.
ניסוי חוויתי.מיועד לחיזוק והעמקת הידע בנושאים "חומרים מולקולריים" ו"מסיסות החומרים"
דף עבודה בנושא "חומרים מולקולריים"
בדף ישנן מספר שאלות לתרגול בנושא "חומרים מולקולריים"
פעילות בנושא "מסיסות של חומרים מולקולריים"
הפעילות מכילה מספר שאלות בהן משתמשים במיומנות השוואה.
