יסודות ותרכובות
יסוד הוא חומר שעשוי מסוג אחד בלבד של אטומים. מימן, חמצן, כלור, נתרן ומגנזיום הם יסודות, וכך גם כמאה אחרים: לכל אטום חמצן יש שמונה פרוטונים, לא משנה מאיזה חומר הוא חלק. תרכובת היא חומר שעשוי מאטומים של שני יסודות או יותר שקשורים זה לזה בקשר כימי, ביחס שהוא תמיד אותו יחס. מים הם תרכובת של מימן וחמצן. מלח בישול הוא תרכובת של נתרן וכלור.
המכל מתחיל עם שני יסודות זה לצד זה. במים אלה שני גזים, וכל אחד מהם עשוי ממולקולות של שני אטומים: מימן לבן, H₂, וחמצן אדום, O₂. המולקולות עפות בחלל, ניתזות מהדפנות וחולפות זו על פני זו בלי להתחבר. במלח בישול הנתרן הוא גוש של מתכת רכה על הרצפה, והגז שסביבו הוא כלור ירוק חיוור, Cl₂.
נסו: בחרו מים, גררו את הרצת התגובה לאט מיסודות נפרדים אל סוף התגובה, ועקבו אחרי אטום חמצן אדום אחד ממולקולת ה־O₂ שלו ועד מולקולת מים בשלולית.
מתכון שלא משתנה לעולם
בסביבות שנת 1800 טען הכימאי הצרפתי ז’וזף פרוסט, מול כמה מהכימאים המוערכים ביותר בזמנו, שתרכובת מכילה תמיד את היסודות שלה באותם יחסים לפי מסה, לא משנה איך הכינו אותה. מים ממעיין, מים שנוצרים בלהבה של נר ומים שהוכנו במעבדה מכילים כולם 11.2 % מימן ו־88.8 % חמצן: בערך גרם אחד של מימן על כל 7.94 גרם של חמצן. זהו חוק ההרכב המוגדר.
התורה האטומית של ג’ון דלטון הסבירה את זה כמה שנים מאוחר יותר. אם יסודות עשויים מאטומים, ותרכובת עשויה מקבוצות קטנות וזהות של אטומים, אז כל קבוצה נושאת את אותם אטומים, ולכן גם התרכובת כולה נושאת את אותו יחס. מולקולת מים היא תמיד שני אטומי מימן ואטום חמצן אחד, ונכתבת H₂O. אטום חמצן כבד בערך פי 16 מאטום מימן, ולכן החמצן בכל מולקולה שוקל בערך פי 8 משני אטומי המימן שלה, וכך גם בכוס מים שלמה.
הנתונים שלצד הסצנה מראים את שתי הגרסאות של המתכון לתרכובת שבחרתם: האטומים ביחידה אחת, וכמה גרמים מהיסוד השני מתחברים לגרם אחד של הראשון.
כשאחד היסודות נגמר
המשוואה המאוזנת שלצד הסצנה סופרת מולקולות שלמות: שתי מולקולות מימן ומולקולת חמצן אחת יוצרות שתי מולקולות מים, 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O. התגובה ממשיכה בצעדים כאלה עד שאחד משני היסודות נגמר. מה שנשאר מהיסוד השני נשאר בדיוק כמו שהיה.
נסו: העלו את כמות החמצן או הכלור עד פי 2 מהנדרש, הריצו את הרצת התגובה עד הסוף, וספרו את מולקולות ה־O₂ האדומות שעדיין עפות מעל המים. אחר כך הורידו אותה לחצי מהנדרש ומצאו במקום זאת את המימן העודף.
עודף חמצן אף פעם לא הופך את המים לעשירים יותר בחמצן. כל מולקולה בשלולית היא עדיין H₂O; העודף פשוט אינו חלק מהתרכובת. היסוד שנגמר ראשון נקרא המגיב המגביל, והוא קובע כמה תרכובת נוצרת. זו הסיבה שטבחים, כימאים ומהנדסים מודדים את המרכיבים שלהם: כל מה שמעבר ליחס הנכון מתבזבז.
אטומים אף פעם לא נוצרים ולא נהרסים בתהליך. כל אטום שנמצא במכל בסוף היה שם כבר בהתחלה, רק מחובר לשותפים אחרים. אנטואן לבואזיה הראה בשנות ה־80 של המאה ה־18 שכלי סגור שוקל אותו דבר לפני תגובה ואחריה, בדיוק מהסיבה הזאת.
חומר חדש, תכונות חדשות
תרכובת היא לא סתם היסודות שלה מעורבבים יחד. מימן הוא גז שבוער; חמצן הוא גז שמאפשר לדברים להמשיך לבעור. יחד הם יוצרים מים, נוזל שמכבה שריפות. נתרן הוא מתכת רכה שמבעבעת ונדלקת במים; כלור הוא גז רעיל בצבע ירוק־צהוב ששימש כנשק במלחמת העולם הראשונה. יחד הם יוצרים מלח בישול, גבישים לבנים שמפזרים על האוכל.
התכונות משתנות כי האטומים קשורים זה לזה בדרך אחרת. במים ובמימן כלורי האטומים חולקים זוגות של אלקטרונים בקשרים קוולנטיים, והתרכובת בנויה ממולקולות נפרדות. נתרן ומגנזיום, לעומת זאת, מוסרים אלקטרונים לכלור. אטום נתרן מוותר על אלקטרון אחד והופך ליון חיובי קטן, Na⁺; אטום כלור מקבל אלקטרון אחד והופך ליון שלילי גדול יותר, Cl⁻. בסצנה אטומי הנתרן הסגולים מתכווצים ואטומי הכלור הירוקים מתנפחים כשהם מחליפים שותפים. היונים נערמים לגביש, תבנית סדירה בשלושה ממדים שאין בה מולקולות נפרדות בכלל, ולכן הנוסחה NaCl פירושה יון נתרן אחד על כל יון כלוריד.
נסו: עברו בין מלח בישול למגנזיום כלורי והשוו את המתכונים שלצד הסצנה. אטום מגנזיום מוותר על שני אלקטרונים, ולכן כל יון Mg²⁺ מתחבר לשני יוני Cl⁻, והנוסחה הופכת ל־MgCl₂.
תרכובות ותערובות
לפני התגובה, המכל מכיל תערובת של מימן וחמצן. תערובת יכולה להיות בכל יחס שתרצו, כל חומר בה שומר על התכונות שלו, ואפשר להפריד אותה באמצעים פיזיקליים, למשל לקרר אותה עד שאחד הגזים מתעבה לפני השני. תרכובת אפשר לפרק רק בתגובה כימית נוספת: מים מתפרקים למימן ולחמצן רק כשמעבירים דרכם זרם חשמלי, באלקטרוליזה, והם מחזירים בדיוק את אותו יחס בין השניים.
גם מי מלח הם תערובת: תרכובת אחת, מלח, מומסת בתרכובת אחרת, מים, בכל כמות שתבחרו. הרתיחו את המים עד שיתאדו, והמלח יישאר בלי שום שינוי.
מה המודל הזה משאיר בחוץ
הסצנה מראה כמה עשרות אטומים, במקום שבו מכל אמיתי מכיל מאות אלפי מיליארדי מיליארדים. כשיש כל כך הרבה, בפועל לא נשאר שום עודף אלא אם הכמויות לא מאוזנות, והתגובה נמשכת רגע ולא רצף איטי של צעדים. מימן וחמצן אמיתיים לא מגיבים בטמפרטורת החדר עד שניצוץ מצית אותם, ואז הם מתפוצצים; מימן וכלור צריכים אור או חום; נתרן בוער בכלור בלהבה צהובה בוהקת. שום חלק מהאנרגיה הזאת לא ממודל, מלבד הבזק.
גרגירי הגביש מפושטים. מלח אמיתי גדל כסריג קובי של מיליוני יונים לכל כיוון, והשכבות של מגנזיום כלורי מסודרות זו על זו בתבנית מסובכת יותר מהיריעה האחת שמצוירת כאן. גושי המתכת הם רק שמונה אטומים, ולכן הם לא יכולים להראות את הברק והרכות שמקורם ב“ים האלקטרונים” המשותף של המתכת.
לחוק ההרכב המוגדר עצמו יש יוצאים מן הכלל. בכמה תרכובות מוצקות, כמו אחת מתחמוצות הברזל, FeO, חסרים כמה אטומי ברזל בגביש, ולכן ההרכב שלהן משתנה מעט. ומכיוון שיסודות מופיעים כאיזוטופים בעלי מסות שונות, היחס לפי מסה תלוי באיזוטופים שנמצאים בחומר: במים שעשויים ממימן כבד יש בערך 20 % מימן לפי מסה במקום 11 %, אף שהאטומים שלהם עדיין מתחברים שניים לאחד.