IMT1_002 מבנה האטום וקשר בין אטומים

על מבנה האטום וקשרים כימיים ניתן למצוא ב-GCH1_000 125001 כימיה כללית.

כוח ואנרגיות קשר

ההבנה של מאפיינים פיזיקליים של חומרים מבוססת על הבנת הכוחות הבין אטומיים המקשרים אותם ביחד. ניתן לתאר את הקשר בין שני אטומים בכך שמדמיינים את הכוחות על שני האטומים ככל שהם מתקרבים אחד לשני ממרחק אינסופי.
במרחקים גדולים, הכוחות בין האטומים זניחים, אך ככל שהם מתקרבים אחד לשני, הם גם מפעילים כוחות אחד על השני. נחלק את כוחות אלו לשני סוגים: כוחות משיכה () וכוחות דחייה ().
מקור כוח משיכה תלוי בסוג הקשר שקיים בין שני האטומים (קוולנטי, יוני, מתכתי). הגודל של כוח המשיכה משתנה עם המרחק:

התלות של כוחות המשיכה, כוחות הדחייה וסה”כ הכוחות במרחק בין האטומים.

בשלב מסוים, קליפות האלקטרונים החיצוניות של האטומים מתחילות לחפוף, ונוצר כוח דחייה.
הכוח הכולל, , בין שני אטומים הוא פשוט הסכום בין הכוחות דחייה והכוחות משיכה:

נשים לב שישנה נקודה בה מתאפסת - כאשר כוחות הדחייה והמשיכה מקזזים אחד את השני באופן מלא:

במצב זה ישנו שיווי משקל. מרכז שני האטומים יישאר במרחק זה, אותו נסמן . לרוב האטומים, מרחק זה הוא . במצב זה, שני האטומים יתנגדו לכל הפרעה שתגרום להם להיפרד ע”י כוח משיכה, או להצמיד אותם ע”י כוח דחייה.

לפעמים יותר נוח לעבוד עם אנרגיה פוטנציאלית בין שני אטומים במקום כוחות. מבחינה מתמטית, אנרגיה היא אינטגרל של כוח (אנרגיה בפיזיקה):

במערכות אטומיות:

התלות של אנרגיית המשיכה, הדחייה, וסה”כ האנרגיה הפוטנציאלית במרחק בין האטומים.

נשים לב שבעקומת האנרגיה הפוטנציאלית ישנו נקודת מינימום ב- - כלומר בנקודה זו האנרגיה הפוטנציאלית היא הכי נמוכה. אנרגיית הקשר () של שני האטומים היא אנרגיה זו - היא מתארת את האנרגיה שדרושה להפריד את שני האטומים למרחק אינסופי.
גודל אנרגיית הקשר וצורת עקומת האנרגיה הפוטנציאלית משתנה בין חומר לחומר, ושניהם תלויים בסוג הקשר בין האטומים. בנוסף, המון תכונות של החומר נובעים מנתונים אילו. למשל, לחומרים בעלי אנרגיית קשר גדולה לרוב גם בעלי טמפרטורת התכה גבוהות - נדרשת יותר אנרגיה כדי להפריד בין האטומים.

אנרגיות הדחייה והמשיכה נתונות ע”י:

נוסחה:

כאשר הם קבועים שתלויים בקשרים בין האטומים. לסיכום:

כדי למצוא את ו- בהינתן , ו-, נגזור את לפי ונשווה לאפס:

נציב את שקיבלנו בחזרה במשוואה לקבלת :

לסיכום:

נוסחה: