מולקולות.

אטומים בקבוצות

חלק גדול מהחומר שסביבכם אינו עשוי מאטומים בודדים אלא ממולקולות: קבוצות קטנות וקבועות של אטומים שמוחזקים יחד בזכות אלקטרונים משותפים. מים הם שני אטומי מימן שמחוברים לאטום חמצן אחד. החמצן שאתם נושמים הוא שני אטומי חמצן שנעולים זה בזה. בכל מולקולה של חומר מסוים יש בדיוק אותם אטומים, בדיוק באותו סידור, והסידור הזה הוא שעושה את החומר למה שהוא.

הקשר

אטומים מתחברים כי הקליפה החיצונית של האלקטרונים שלהם לא מלאה. שני אטומי מימן, שלכל אחד מהם אלקטרון אחד, יכולים לחלוק ביניהם את הזוג, כך ששניהם מרגישים שלמים. הזוג המשותף הזה הוא קשר קוולנטי, והוא מצויר בסצנה כמקל. לפעמים אטומים חולקים שני זוגות, קשר כפול, או שלושה, קשר משולש. מולקולות חמצן מוחזקות בקשר כפול, ומולקולות חנקן בקשר משולש, ולכן החנקן שבאוויר כל כך לא ממהר להגיב עם שום דבר.

נסו: בחרו חמצן (O₂), אחר כך חנקן (N₂), וספרו את המקלות שבין שני האטומים.

חזרה לניסוי ↑

הצורה היא הגורל

האטומים במולקולה מסתדרים בצורה שמרחיקה את זוגות האלקטרונים שלהם זה מזה ככל האפשר. שני שכנים שמחוברים לאטום מרכזי יושבים על קו ישר, ולכן מולקולת פחמן דו־חמצני ישרה. ארבעה יושבים בקודקודים של טטראדר, ולכן מתאן הוא פירמידה קטנה. למים יש שני אטומי מימן ושני זוגות אלקטרונים לא קושרים על החמצן, וגם ארבעתם נפרשים לטטראדר, מה שמשאיר את אטומי המימן כפופים בזווית של כ־104 מעלות.

לכיפוף הזה יש השלכות. החמצן מושך אליו את האלקטרונים המשותפים, ולכן צד החמצן של מולקולת המים שלילי מעט וצד המימן חיובי מעט. בפחמן דו־חמצני שתי המשיכות פונות לכיוונים מנוגדים ומבטלות זו את זו; במים, המולקולה כפופה והן לא מתבטלות. בחרו ממלא מרחב תחת מילוי המרחב והצבעים יראו את זה: צד החמצן של המים הופך לאדום ואטומי המימן שלו לכחולים, ואילו לפחמן דו־חמצני יש קצה אדום בכל צד של אמצע כחול, במאזן. לכן מולקולות מים נצמדות זו לזו ולדברים טעונים, וזו הסיבה שמים ממיסים מלח, מטפסים במגבות נייר ודורשים כל כך הרבה חום כדי לרתוח.

מקלות או כדורים

כימאים מציירים מולקולות בשתי דרכים. דגם כדור־מקל מראה אילו אטומים מחוברים ובאילו זוויות, כשהאטומים מוקטנים כדי שאפשר יהיה לראות את הקשרים. דגם ממלא מרחב מצייר כל אטום בגודל המקום שהוא תופס באמת, והמולקולה הופכת לגוש גבשושי בלי רווחים ובלי קשרים נראים. השני קרוב יותר לאמת; הראשון קל יותר לקריאה. הסצנה עוברת ביניהם בהדרגה. בקצה של ממלא המרחב, הצבעים הרגילים של היסודות מפנים את מקומם למפת מטענים, הדרך שבה כימאים צובעים את פני השטח של מולקולה: אדום במקום שבו היא שלילית מעט, לבן במקום שבו היא ניטרלית, כחול במקום שבו היא חיובית מעט. מולקולות חמצן וחנקן נשארות לבנות לגמרי, כי שני אטומים זהים חולקים את האלקטרונים שלהם באופן שווה.

מולקולות בתנועה

מולקולה אף פעם לא עומדת במקום. הקשרים שלה נמתחים ומתכווצים, וכולה מתגלגלת ומתנודדת, חזק יותר ככל שהיא מתחממת. התנודה הזאת אינה ריצוד אקראי. לכל מולקולה יש כמה תבניות קבועות, שנקראות אופני תנודה עצמיים, והתנועה שלה היא צירוף שלהן. למים יש שלושה: מתיחה סימטרית, שבה שני אטומי המימן מתרחקים מהחמצן וחוזרים אליו יחד; מתיחה אסימטרית, שבה קשר אחד מתארך בזמן שהשני מתקצר; וכיפוף, שבו הזווית ביניהם נפתחת ונסגרת. גם פחמן דו־חמצני נמתח בשתי הדרכים, והוא מתכופף בשני כיוונים בבת אחת, כך שהקצוות שלו יכולים להסתובב במעגל.

תנודות אמיתיות מהירות מדי מכדי שנראה אותן: המתיחות של המים חוזרות על עצמן כמאה טריליון פעמים בשנייה. הסצנה מאטה כל אופן תנודה באותו יחס, בערך פי שישים טריליון, כך שהכיפוף עדיין מתנודד בפחות ממחצית המהירות של המתיחות, כמו במציאות. כיפוף רך מתנדנד רחב יותר ממתיחה נוקשה, ואטומי המימן, שהם קלים, זזים הרבה יותר מהחמצן שהם מושכים נגדו. התנודות מצוירות גדולות יותר משהן באמת, והן גדלות בהתמדה עם הטמפרטורה; במולקולה אמיתית, המתיחות הנוקשות כמעט לא מגיבות לחום עד שהיא חמה מאוד.

חממו מולקולה מספיק, וקשר יכול להישבר ולשחרר את האטומים למצוא בני זוג חדשים. זו תגובה כימית, וכל דבר, מבעירה ועד עיכול, הוא אטומים שעוזבים קבוצה אחת של מולקולות כדי ליצור קבוצה אחרת.