נוסח השאלה המלא: מדוע CO2 הוא חומר מולקולרי, המורכב ממולקולות שבהן קשרים כפולים בין פחמן לחמצן, ואילו SiO2 הוא חומר אטומרי, בעל מבנה "ענק" שיש בו קשרים בודדים בין צורן לחמצן? הרי צורן (Si) נמצא באותו טור של הפחמן והערכיות האלקטרונית שלו דומה, ובניגוד לפחמן הוא לא יוצר קשרים כפולים.
דבר ראשון – את צודקת בעובדות שציינת. פחמן דו-חמצני, כשמו כן הוא, בנוי ממולקולות של שלושה אטומים – אטום אחד של פחמן שמשני הצדדים שלו יש אטומי חמצן, אפשר לראות זאת בתמונה הבאה (חמצן באדום, פחמן באפור כהה):
כיוון שפחמן צריך ליצור ארבעה קשרים כימיים כדי להגיע ליציבות, וחמצן זקוק לשני קשרים כימיים, כל אטום פחמן וחמצן יוצרים זה עם זה קשר כימי כפול, וכך מושגת יציבות לכל האטומים: לפחמן יש בסך הכל ארבעה קשרים, ולכל אטום של חמצן יש שניים.
צורן (סיליקון) דו-חמצני (SiO2), המוכר גם כקוורץ – שהוא חומר הבסיס ליצור זכוכית – בנוי במבנה של שריג ענקי שאטומי הצורן בו קשורים לאטומי חמצן בקשר בודד, שקשור לאטומי צורן שקשורים לחמצן וחוזר חלילה, במבנה שחוזר על עצמו אינספור פעמים. אפשר לראות את זה בתמונה הבאה (החמצן באדום, הסיליקון באפור)
התמונה באדיבות ויקיפדיה. יוצר: Materialscientist
המבנה דומה קצת למבנה של יהלום. כפי שרואים בתמונה, בקוורץ כל אטום צורן יוצר ארבעה קשרים (בודדים) עם אטומי חמצן, וכך מושגת היציבות. כי כפי שציינת בשאלתך, צורן ופחמן נמצאים באותו טור בטבלה המחזורית ויש להם אותה ערכיות – כלומר גם הצורן צריך ליצור ארבעה קשרים כימיים קוולנטים כדי להגיע ליציבות.
אז למה שלא תהיה מולקולת SiO2 בודדת עם קשרים כפולים?
הסיבה היא שהצורן פשוט כמעט לא יוצר, וכמעט לא מסוגל ליצור, קשרים כימיים כפולים עם חמצן, לכן הוא חייב ליצור קשרים בודדים שיוצרים את מבנה השריג שראינו. אמנם קיימת מולקולת SiO עם קשר כפול בין צורן לחמצן, אבל היא לא יציבה ונוטה להתפרק.
ולמה הצורן לא יוצר קשרים כפולים יציבים עם חמצן?
פשוט כי קשר כימי כפול נוצר מחפיפה של ענן אלקטרונים/אורביטלים מסוג p משני אטומים שונים במאונך לקו המקשר בין האטומים. (להסבר רחב יותר מומלץ לקרוא את המאמרים שמסבירים מה זה אורביטלים ומהם קשרי סיגמא וקשרי פאי). כיוון שהצורן נמצא בטבלה המחזורית שורה אחת מתחת לחמצן ולפחמן, אורביטלי p שלו הם שונים: הם גדולים ורחוקים יותר מהגרעין, מה שיוצר חפיפה גרועה עם אורביטלי p של החמצן. זה מה שגורם לקשר הכימי הגרוע (חלש) ביניהם – שלא נוטה להיווצר.
לכן, בשביל מבנים יציבים דרוש קשר (סיגמא) יחיד של סיליקון-חמצן, שבהכרח מוביל למבנה של שריג (כמו זכוכית) – בגלל מספר הקשרים הדרוש לכל אטום כפי שהוסבר קודם – ואנחנו לא רואים גז צורן דו-חמצני בעולם, אלא רק כמויות אדירות של חול, שהוא (בעיקר) צורן דו-חמצני.
ד"ר אבי סאייג
מכון 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 יתקבלו תמיד בברכה.
