מולקולת פחמן – מכדור זעיר לעולם שלם של חומרים
כל דבר סביבנו בנוי מחומר.
השולחן, האוויר, המים, הגוף שלנו, הטלפון ואפילו הכוכבים — כולם בנויים מחלקיקים קטנים מאוד.
כדי להבין את הדגם שאנחנו עומדים לבנות, נתחיל מאחד החלקיקים הבסיסיים ביותר:
האטום
אטום הוא יחידת הבנייה הבסיסית של יסוד כימי.
הוא קטן כל כך שאי אפשר לראות אותו בעין רגילה ואפילו לא במיקרוסקופ פשוט.
במרכז האטום נמצא גרעין, ובתוכו פרוטונים ונויטרונים. סביב הגרעין נמצאים אלקטרונים.
מהו יסוד?
יסוד הוא חומר שכל האטומים שלו מכילים אותו מספר של פרוטונים.
לדוגמה:
אטום מימן מכיל פרוטון אחד.
הליום – שני פרוטונים.
חמצן – שמונה.
ופחמן – שישה פרוטונים.
כיום מוכרים 118 יסודות כימיים, והם מסודרים בטבלה מיוחדת:
הטבלה המחזורית של היסודות
הטבלה המחזורית היא מעין מפה של אבני הבניין של החומר.
כל משבצת מייצגת יסוד אחר ומציגה את הסמל שלו ואת המספר האטומי שלו.
במצגת נשתמש בטבלת היסודות הרשמית של IUPAC באיכות גבוהה, ונבליט בתוכה את:
C – Carbon – פחמן
מספר אטומי: 6
הגרסה הרשמית העדכנית של IUPAC היא מ־4 במאי 2022.
טבלת היסודות הרשמית של IUPAC – A3 באיכות גבוהה
מה מיוחד בפחמן?
פחמן הוא אחד היסודות החשובים ביותר שאנחנו מכירים.
הוא נמצא בגוף שלנו, בצמחים, במזון, בדלקים, בפלסטיק ובמספר עצום של חומרים אחרים.
אחד הדברים שהופכים את הפחמן למיוחד הוא היכולת שלו ליצור קשרים חזקים עם אטומים אחרים — ובעיקר עם אטומי פחמן נוספים.
לכן אטומי פחמן יכולים להתחבר וליצור:
שרשראות.
טבעות.
משטחים.
מבנים תלת־ממדיים.
ואפילו מבנים סגורים דמויי כדור.
אותו יסוד – חומרים שונים לגמרי
וזה אחד הדברים המפתיעים בפחמן.
אותם אטומי פחמן בדיוק יכולים להסתדר בצורות שונות — ולקבל תכונות שונות לחלוטין.
לצורות המבניות השונות של אותו יסוד קוראים:
אלוטרופים
של הפחמן יש כמה אלוטרופים מעניינים במיוחד.
יהלום
ביהלום, אטומי הפחמן יוצרים רשת תלת־ממדית חזקה מאוד.
כל אטום מחובר בצורה קשיחה לאטומים שסביבו.
התוצאה היא מבנה חזק במיוחד.
לכן יהלום הוא אחד החומרים הטבעיים הקשים ביותר המוכרים לנו.
וזה מדהים:
יהלום עשוי מפחמן.
גרפיט
גם החומר שנמצא בעיפרון ומכונה בדרך כלל "עופרת" מבוסס על פחמן בצורת גרפיט.
בגרפיט האטומים מסודרים בשכבות שטוחות.
בתוך כל שכבה הקשרים חזקים, אבל בין השכבות הקשר חלש יותר.
לכן השכבות יכולות להחליק זו על זו ולהישאר על הדף בזמן הכתיבה.
כלומר:
אותו יסוד – פחמן.
סידור אחר של האטומים – חומר אחר לגמרי.
גרפן
אם ניקח שכבה אחת בלבד מתוך מבנה הגרפיט, נקבל:
גרפן
גרפן הוא משטח בעובי של שכבה אחת של אטומי פחמן.
האטומים מסודרים בו ברשת של משושים, קצת כמו חלת דבש.
למרות שהוא דק להפליא, לגרפן תכונות מכניות וחשמליות מיוחדות מאוד.
ומה קורה אם מקפלים את רשת הפחמן לכדור?
כאן מגיע החלק שלנו.
במקום ליצור משטח שטוח, אפשר לסדר את אטומי הפחמן במבנה סגור.
בשנת 1985 גילו החוקרים Harold Kroto, Robert Curl ו־Richard Smalley מבנה חדש ומפתיע של פחמן.
הם מצאו מבנה המורכב מ־:
60 אטומי פחמן
ולכן הוא נקרא:
C₆₀
המבנה שייך למשפחה הנקראת:
פולרנים – Fullerenes
על גילוי הפולרנים קיבלו שלושת החוקרים את פרס נובל לכימיה בשנת 1996.
למה C₆₀ נראה כמו כדורגל?
המבנה של C₆₀ מיוחד מאוד.
60 אטומי הפחמן מסודרים על פני מבנה סגור שמורכב מ־:
20 משושים
ו־
12 מחומשים
בדיוק אותו סידור גאומטרי שמוכר לנו מכדורגל קלאסי.
לכן כשמסתכלים על מודל של C₆₀ הוא נראה ממש כמו כדור קטן.
המבנה המדויק מתואר כ־איקוסהדרון קטום – truncated icosahedron.
למה קוראים לו Buckminsterfullerene?
השם הארוך:
Buckminsterfullerene
ניתן למבנה על שמו של האדריכל והממציא האמריקאי:
R. Buckminster Fuller
פולר התפרסם בזכות מבנים אדריכליים שנקראו:
כיפות גאודזיות
הכיפות שלו נבנו ממשולשים ומצולעים המחוברים יחד ליצירת מבנה קל, חזק וכמעט כדורי.
כאשר החוקרים ראו את המבנה של C₆₀, הוא הזכיר להם את הכיפות של פולר — ולכן קראו למולקולה על שמו.
ומכאן הגיע גם הכינוי החביב:
Buckyball – כדור באקי
מה מחזיק את הכדור יחד?
כל אטום פחמן ב־C₆₀ מחובר לאטומי פחמן שכנים.
יחד נוצרת רשת חזקה וסגורה.
המחומשים הם חלק חשוב מאוד במבנה.
אם היינו משתמשים רק במשושים, היינו מקבלים משטח שטוח יותר, כמו גרפן.
הוספת המחומשים גורמת לרשת להתעקם בהדרגה — עד שהיא יכולה להיסגר לכדור.
זו נקודה נפלאה שבה:
כימיה וגאומטריה נפגשות.
למה אי אפשר לבנות כדור רק ממשושים?
נסו לחשוב על חלת דבש.
היא בנויה ממשושים ויוצרת משטח כמעט שטוח.
כדי לגרום למשטח להתעקם ולהיסגר, אנחנו צריכים להכניס לתוכו צורות שמשנות את הזוויות של הרשת.
ב־C₆₀ המחומשים הם אלה שמאפשרים למבנה להתעקל ולהיסגר.
לכן השילוב:
מחומשים + משושים
יוצר את הצורה הכדורית.
מולקולה שאנחנו לא יכולים לראות – אבל יכולים לבנות
C₆₀ קטן בצורה שקשה לדמיין.
אי אפשר להחזיק מולקולת C₆₀ בודדת ביד ולראות את המבנה שלה בעיניים.
אבל אנחנו יכולים לבנות מודל מוגדל מאוד שלה.
וזה בדיוק מה שהתלמידים עושים במערך.
הדגם מאפשר לנו לקחת משהו שקיים בעולם הננומטרי ולהגדיל אותו לגודל שאפשר:
לראות.
לגעת.
לסובב.
ולהבין.
מה מייצג הדגם שלנו?
בתמונה המקורית של הדגם שהתלמידים בונים ניתן לראות את המבנה הכדורי המורכב מחלקים המחוברים זה לזה.
במצגת חובה להשתמש בתמונה הזו עצמה.
נסביר לתלמידים:
נקודות החיבור מייצגות את מיקומם של אטומי הפחמן.
הקווים או החיבורים ביניהם מייצגים את הקשרים בין האטומים.
המבנה כולו מייצג מולקולה אחת של:
C₆₀
האטום מול המודל
כדאי להדגיש:
האטומים עצמם אינם באמת כדורים גדולים עם מקלות ביניהם.
זהו רק:
מודל מדעי
מודלים מאפשרים למדענים ולתלמידים להציג דברים שקשה לראות ישירות.
אנחנו משתמשים בהם כדי להבין:
צורה.
קשרים.
מרחקים יחסיים.
ומבנה תלת־ממדי.
ומה אפשר לעשות עם פולרנים?
מאז גילוי הפולרנים נפתח תחום מחקר שלם.
חוקרים בודקים פולרנים וחומרים הקשורים אליהם בתחומים כמו:
חומרים חדשים.
אלקטרוניקה.
חיישנים.
כימיה.
ננוטכנולוגיה.
מחקר רפואי.
הגילוי של C₆₀ גם היה חלק מהתפתחות רחבה יותר של המחקר בעולם הננו־חומרים. פרס נובל תיאר את גילוי הפולרנים כפתיחה של תחום חדש בכימיה ובמדעי החומרים.
יהלום, גרפיט וכדור באקי – הכול פחמן
זו אחת השקופיות החשובות במצגת.
נציג זה לצד זה:
יהלום
גרפיט / גרפן
כדור באקי C₆₀
ונשאל:
איך יכול להיות ששלושה חומרים שנראים כל כך שונים בנויים כולם מאותו יסוד?
התשובה:
לא רק סוג האטומים חשוב – גם הדרך שבה האטומים מסודרים ומחוברים משנה את תכונות החומר.
זה אחד הרעיונות החשובים ביותר בכימיה ובמדעי החומרים.
אתגר הבנייה
עכשיו התלמידים הופכים מ"צופים" ל־בוני מולקולות.
בזמן בניית הדגם נסו לזהות:
איפה נמצאים המחומשים?
איפה המשושים?
האם כל מחומש מוקף באותה צורה?
כיצד המבנה מתחיל שטוח יחסית ובהדרגה מתעקל?
באיזה שלב הוא הופך לכדור?
והאם אפשר היה לסגור אותו ללא המחומשים?
המטרה היא לא רק לסיים את הבנייה — אלא להבין למה המבנה מקבל דווקא את הצורה הזאת.
המסר המרכזי של השיעור
אטומי פחמן יכולים להתחבר בדרכים שונות וליצור חומרים בעלי תכונות שונות לחלוטין. ב־C₆₀, שישים אטומי פחמן מסתדרים ברשת של מחומשים ומשושים ויוצרים מולקולה סגורה דמוית כדור. הדגם שאנחנו בונים מאפשר לנו לראות בידיים מבנה שבמציאות קטן מכדי לראות בעין.
הארה בפייסבוק
.jpg?id=31632429)
