נוסח השאלה המלא: מדוע זהב לא מגיב בעוצמה כמו מתכות אלקליות אם בקליפה החיצונית שלו יש רק אלקטרון אחד?
(הערה: כיוון שבשאלה המקורית מתבססת כבר על ידע קודם בכימיה ברמה של תיכון - בתשובה למטה יוצאת מתוך הנחה שאכן קיים ידע כזה)
לכתוב שזהב "לא מגיב בעוצמה כמו מתכות אלקליות" (מתכות מאוד-פעילות כמו ליתיום, נתרן ואשלגן, שצריך לשמור בתוך כלי מלא שמן כדי שלא יתחמצנו) – זה ממש לשון המעטה, למעשה זהב כמעט ולא מגיב בכלל, בשום עוצמה, ביחס לכל המתכות האחרות. זו גם הסיבה שזהב נמצא בטבע בצורתו המתכתית הטהורה, ולא כתרכובת / מינרל כמו מתכות אחרות.
כיוון שכל המתכות מגיבות בתגובה כימית בה הן מוסרות אלקטרונים לחומרים אחרים, אכן ההיגיון שלך היה נכון, וצריך להסתכל על האלקטרונים החיצוניים ביותר של כל אטום כדי לחזות אם הוא יהיה פעיל (או לא) מבחינה כימית, ובאיזה אופן.
בכימיה שלומדים בתיכון, לומדים את תורת לואיס (ובוהר) המדברת על סידור של 'קליפות' בהם מסודרים האלקטרונים, לפי התורה האלקטרונים מסודרים ב'קליפות' של 2, 8, 18 או 32 אלקטרונים, כאשר האלקטרונים בקליפה החיצונית ביותר הם היוצרים קשרים כימיים.
מימין – איכלוס אלקטרוני בקליפה חיצונית, מתוך מחברותיו של לואיס, משמאל – איכלוס 79 אלקטרונים באטום זהב לפי מודל 'קליפות' פשוט, איור: Pumbaa(original work by Greg Robson) מויקיפדיה. מודל לא מדוייק.
כלומר – לפי איור לואיס יש לצייר אטום זהב עם אלקטרון אחד בודד •Au - האלקטרון שבקליפה החיצונית.
כפי שכבר הוסבר בתשובות עבר, תורת לואיס כפי שנלמדת בבית הספר התיכון, איננה מדוייקת (אע"פ שיש בה רעיונות ועקרונות נכונים רבים), מדוייק יותר לדבר על אורביטלים / אורביטלות ("מסלולונים") בהם נמצאים האלקטרונים באטום בצורה יציבה (להרחבה על צורת האורביטלים האלקטרונים).
ענני האלקטרונים באורביטלים מסוג d (למעלה) ו- fלמטה (עיבוד מתוך ויקיפדיה)
אם מסתכלים על סידור האלקטרונים בארוביטלים באטום זהב, נהוג לרשום אותו כך:
[Xe] 4f14 5d10 6s1 כלומר – הוא מכיל סידור אלקטרונים זהה כמו לגז האציל קסנון (Xe) ועוד 14 אלקטרונים באורביטל 4f, עשרה אלקטרונים באורביטל 5d ואלקטרון בודד באורביטל 6s. זאת בהשוואה אל המתכת האלקלית ציזיום (שמוצגת לפי הסימון של לואיס: Cs•) שנמצאת בתחילת השורה של הזהב לפי סידור הטבלה המחזורית, שבה סידור האלקטרונים הוא [Xe] 6s1, כלומר כמו לגז קסנון + אלקטרון בודד באורביטל 6s. מיד ניתן לראות שסימון האלקטרונים ב'קליפה החיצונית' לפי לואיס מטעה, ולא מגלה את התמונה המלאה. כלומר, בעוד שכאשר אטום צזיום מאבד אלקטרון הוא מגיע למבנה יציב ביותר של גז אציל, אטום זהב רחוק מכך (יש לו 24 אלקטרונים נוספים).
ובכל זאת, עדיין אפשר להמשיך ולתהות: הרי גם לפי מודל האורביטלים, האלקטרון הבודד בצזיום ובזהב נמצא בדיוק באותו האורביטל (6s) ואעפ"כ קשה בהרבה להוציא אותו מזהב: לזהב אנרגיית יינון ראשונה, כלומר האנרגיה שצריך להשקיע כדי להוציא ממנו אלקטרון בודד, של 890 קילוג'אול למול, לעומת 376 של צזיום. מה הסיבה להבדל האדיר הזה? (שבין היתר גורם להבדל באקטיביות של היסודות השונים).
התשובה היא 'מיסוך' (וחוסר מיסוך): הכוח שמחזיק את האלקטרונים במקומם באטום הוא כוח המשיכה החשמלי: האלקטרונים שמטענם החשמלי שלילי נמשכים לפרוטונים החיוביים שנמצאים בגרעין האטום. אולם כפי שהוסבר במאמר על מגמות אנרגיות יינון, האלקטרונים החיצוניים באטומים לא באמת מרגישים את מלוא מטענו החשמלי של הגרעין, מסתבר שהאלקטרונים שנמצאים ברמות הפנימיות של האטום 'מסתרים' או 'ממסכים' את המטען החשמלי עבורם. אבל לא כל האלקטרונים שבאורביטלים ממסכים מטען בצורה שווה, בייחוד אורביטלים מסוג f הם בעלי יכולת מיסוך חשמלי גרועה ביותר, כתוצאה מכך אטומים בהם מאוכלסים אלקטרונים ברמה f או ברמה קרובה אליה חווים כוחות משיכה חשמליים (אל עבר הגרעין) גדולים מכרגיל, מה שגורם להם גם להיות בעלי קוטר קטן (תופעה המכונה Lanthanide contraction– כלומר 'התכווצות הלנתנידים', הלנתנידים הם קבוצת המתכות בהם מתמלאים אורביטלי f), וגם לאורביטלי d– תופעה זהה של מיסוך גרוע המוביל לכוח חשמלי חזק ולקוטר קטן יותר (מכונה - d-block contraction). המרחק הקטן מהגרעין מצטרף לחוסר המיסוך שלו (=מטען חשמלי גבוה) מה שגורם לכוחות החשמליים המחזיקים אלקטרונים מיד אחרי רמות אלה להיות חזקים במיוחד. וזהב – הוא האטום שבא מיד אחרי התמלאות אורביטלי d ו-f ולכן הוא מציג את התופעה בצורה קיצונית, ולכן הוא אינרטי (כלומר אדיש) יחסית לכל המתכות האחרות. יש לציין כי גם המתכות ש'לידו' בטבלה כמו כספית, פלטינה, אירדיום ואוסמיום – מתנהגות ב'אצילות' / אדישות, ולא נוטות להגיב עם אטומים אחרים, בדיוק מאותה הסיבה.
לסיכום – אצילותו של הזהב היא עוד תכונה שרק מכניקת הקוונטים הצליחה למצוא לה הסבר, ועד היום היא המודל המקובל והעדכני ביותר לתיאור האלקטרונים באטום.
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.
