חוק קולון ורדיוס האטום

חוק קולון

קולון בדק בצורה ניסיונית את הקשר בין כוחות חשמליים (משיכה ודחיה) של גופים טעונים לבין גודל המטענים החשמליים והמרחק ביניהם.

הוא מצא שכוח משיכה או דחיה בין מטענים חשמליים גדל ביחס ישר לגודל כל אחת המטענים החשמליים וקטן ביחס הפוך לריבוע המרחק ביניהם.

העשרה: אם נתייחס לגדלים כפי שמופיעים התמונה במצד שמאל (בחרנו מטענים בעלי סימן הפוך).

ניתן לתאר את חוק קולון בצורה מתמטית לפני הנוסחה הבאה:        F = K(Q.q)/r2

K  הנו קבוע היחס והוא ערך ניסיוני (נמדד במעבדה) קבוע

בסרטון נבין את חוק קולון בעזרת אנימציה ונתן שתי דוגמאות לשימוש חוק קולון על ברמה שלאטומים.

כוחות משיכה חשמליים בין מטענים הפוכים
חוק קולון - תיאור גרפי של מטענים הפוכים והכוחות ביניהם

רדיוס האטום

רדיוס האטום הוא המרחק בין הגרעין לאלקטרונים ברמת האנרגיה הגבוהה ביותר המאוכלסת.

כידוע ככל שרמת האנרגיה גבוהה יותר, הסיכוי למצוא את האלקטרונים רחוק יותר מהגרעין גדל ולכן האלקטרונים ברמת האנרגיה הגבוהה ביותר קובעים את גבולות האטום.

בציור בצד שמאל מתואר בצורה סכמתית רדיוס האטום של היסוד בריליום על גבי דיאגרמת רמות אנרגיה. ברור שהציור רק סכמתי שכן לא מדובר במסלול של האלקטרון.

תיאור סכמתי של רדיוס אטום בריליום (Be)
סכימת רדיוס אטום בריליום

גורמים המשפיעים על רדיוס האטום

אנו מעוניינים לדעת מהם הגורמים המשפיעים על גודל רדיוס האטום של היסודות וכך להשוות בין יסודות שונים על פי מיקומם בטבלה המחזורית.
יש שני גורמים עיקרים המשפיעים על גודל רדיוס האטום: מטען הגרעין ורמת האנרגיה הגבוהה ביותר המאוכלת.

  1. מטען הגרעין

כזכור, גרעין האטום מורכב מפרוטונים וניטרונים. היות והניטרונים ניטראליים (מטען 0) מטען הגרעין האטום של יסוד מסויים הוא מספר האטומי של היסוד בסימן חיובי.
ככל שמטען הגרעין גדל, רדיוס האטום של היסוד קטן מכיוון שכוח המשיכה של האלקטרון אל הגרעין גדל על פי חוק קולון ולכן האלקטרוני מתקרבים יותר אל הגרעין.

  1. רמת האנרגיה הגבוהה ביותר המאוכלסת

כזכור, רמת האנרגיה היא ערך אנרגיה מוגדר שי לאלקטרון הנמצא בתוך האטום. ככל שרמת האנרגיה של האלקטרון גדולה יותר, הסיכוי למצוא את האלקטרון רחוק יותר מהגרעין גדל.
ככל שרמת האנרגיה הגבוהה ביותר המאוכלס גדלה, רדיוס האטום גדל מכיוון שלאלקטרונים יש סיכוי גדול יותר להימצא רחוק יותר מהגרעין.

תלות רדיוס האטום במיקום היסוד בטבלה

על פי השפעת שני הגורמים הנ"ל ניתן להסיק איך רדיוס האטום של יסודות משתנה על פי מיקום היסוד בטבלה המחזורית:

  1. יסודות באותה שורה

ככל שנעים ימינה באותה שורה בטבלה המחזורית, רדיוס האטום של היסוד קטן מכיוון שמטען הגרעין גדל ולכן על פי חוק קולון, כוח המשיכה הפועל על האלקטרון גדל ולכן האלקטרון מתקרב לגרעין.
הערה: באותה שורה בטבלה המחזורית, האלקטרונים של היסודות נמצאים באותה רמת אנרגיה ולכן גורם זה לא משפיע.

 

שינוי רדיוס האטום לפי מיקום היסוד בטבלה המחזורית
שינוי רדיוס האטום על פי מיקום בטבלה המחזורית
  1. יסודות באותו טור

ככל נעים מטה באותו טור בטבלה המחזורית, רדיוס האטום של היסוד גדל מכיוון שרמת האנרגיה הגבוהה ביותר המאוכלסת גדלה ולכן המרחק בין האלקטרון לגרעין גדל.
אמנם מטען הגרעין גדל אבל השפעת המרחק על חוזק המשיכה בין מטענים חזק יותר  על פי חוק קולון (בשל חזקת הריבוע על המרחק) ולכן עדיין רדיוס האטום גדל.

תרגיל "קפיצה" על רדיוס האטום

תרגיל "קפיצה" הוא כינוי שיעזור לנו לזהות סוג שאלות נפוץ במבחני בגרות המתארים סידרה של יסודות בעלי מספרי אטומים עוקבים כלומר הם נמצאים אחד ליד השני בטבלה המחזורית.
התרגילים לא מציינים מהם היסודות ומבקשים להשוות בין רדיוס האטום או אנרגיית היינון (גודל שנלמד בפרק הבא).

בסרטון "פתרון המודרך" מוצעת שיטה כללית לפתרון סוג תרגילים זה.

מושגים: חוק קולון, מטען חשמלי, ריבוע המרחק, יחס ישיר, יחס הפוך, רמת אנרגיה הגבוהה ביותר המאוכלסת, מטען הגרעין

דרישות מבחן בגרות: "התלמידים ידעו לציין את הגורמים המשפיעים ולא יידרשו לנמק"

תרגול

  1. רשמו את הבחירה הנכונה המתאימה למשפטים הבאים:

א. חוק קולון טוען שכוח המשיכה / דחיה ____________ בין שני גופים בעלי מטען חשמלי עם סימן הפוך / שווה ______________ גדל ככל שגדל ערך המטענים / המרחק בין הגופים _______________     וקטן ככל שגדל  ערך המטענים / המרחק בין הגופים

ב. חוק קולון מאפשר לנו להשוות בין כוחות הפועלים בתוך האטום כמו לדוגמה בין ניוטרון לפרוטון / אלקטרון לגרעין האטום _______________ .

ג. ככל שהאלקטרון נמצא ברמת אנרגיה גבוהה יותר כוח המשיכה / הדחיה __________ לגרעין גדל / קטן / לא משתנה הסיבה היא שהמרחק בין הגרעין לאלקטרון גדל / קטן ________________ ככל שרמת האנרגיה של האלקטרון גדלה ולכן, על פי חוק קולון, כוח המשיכה החשמלי גדל / קטן __________.

ד. ככל שמטען הגרעין גדל, כוח המשיכה / דחייה ______________בינו לבין האלקטרונים ברמת אנרגיה מסוימת באטום גדל / קטן / לא משתנה _______________________. הסיבה היא שעל פי חוק קולון, ככל שערך אחד המטענים גדל כוח המשיכה או הדחיה בין המטענים קטן / גדל___________.

 

2. סדרו לפי רדיוס גדל את היסודות של הגזים האצילים, המתכות האלקליות וההלוגנים על פי הגורמים המשפיעים על רדיוס האטום.

3. מה הגורם או הגורמים המשפיעים על רדיוס האטום שבחרתם  כדי לענות על השאלה הקודמת? נמקו.

4. נסחו כלל המתאר שינוי רדיוס האטום לפי המיקום של היסוד בטבלה המחזורית על פי התוצאות שקיבלתם בשאלה 1.

5. נתונים זוגות היסודות הבאים, סדרו אותם על פי רדיוס גדל:

א. C, Ne
ב. Br, Ga
ג. Na, S
ד. Si, Mg

6. נסח כלל עבור שינוי רדיוס האטומים של היסודות הנמצאים באותה שורה בטבלה המחזורית ונמק אותה מבחינה כוחות בין חלקיקי האטום.

7. סדרו את קבוצות היסודות הבאות על פי רדיוס אטום קטן (תניחו שגורם רמת האנרגיה משפיע חזק יותר מגורם מטען הגרעין):
:

א. Sr, Cl, Cs, Si, Ca , Ge
ב. Te, K, Se, Cl , Na, P, O, C

 

השארת תגובה