אילו שתי תכונות פשוטות של מתכות, המוכרות היטב לתלמידים, מלמדות על הפעילות הכימית של המתכות? בספרי הלימוד, הפרק על המערכה המחזורית והמחזוריות בתכונות הכימיות מופיע, בדרך כלל, אחרי מבנה האטום והיערכות האלקטרונים. בספרים רבים מוצגים ערכי הרדיוס האטומי והיוני, אנרגיות היינון, ואפילו האלקטרו- שליליות של המתכות השונות. אלה הם, כמובן, נתונים חשובים, אך נשאלת השאלה האם יש קשר בין ערכים אלה, הנמדדים בעבור אטומי המתכות בפאזה הגזית, ובין התכונות של המתכות שבהן אנו ותלמידינו נתקלים בחיי היומיום? האם יש תכונות פיזיקליות אחרות של מתכות, שהתלמידים מיטיבים להכיר - קלות להבנה ופשוטות למדידה - שיכולות לתת מושג על הפעילות (האקטיביות) היחסית של המתכות? ובכן, קיימות תכונות כאלה - נקודת ההיתוך והצפיפות של המתכת. הדבר היה ברור ללותר מייר (Mayer Luther) כבר בשנת 1869, כאשר שרטט את גרף הנפחים האטומיים שלו כנגד הערכים הופכיים של צפיפות המתכת. הוא מצא, שככל שצפיפות המתכת נמוכה יותר, המתכת פעילה יותר; מתכות שצפיפותן גבוהה הן אדישות.

פעילות של מתכות

לא קל להגיע להסכמה על פירוש המונח "פעילות". רובנו חשים אינטואיטיבית, ש"פעילות של מתכות" מתייחסת להתנהגותן בנוכחות חמצן ומים. אנו אומרים "מתכות פעילות", תגובה "נמרצת" ותגובה "איטית" ו"הפעילות עולה עם עליית הטמפרטורה". בדמיוננו עולה התמונה של חתיכת הנתרן הנופלת למים, אפילו קרים, בלוויית קולות נפץ וזיקוקי אש. לעומתה, חתיכת כסף, שגם במים חמים אינה מעוררת אלא קצת גלים. יש המשתמשים במונח "פעילות" או "אקטיביות", ויש המשתמשים במונח "זיקה"; אחרים מתייחסים ל"כוח מניע", ויש שמדברים על נטיית המתכת לדחות יוני מתכת אחרת מתוך תמיסה. אכן ריבוי מונחים. אחת הדרכים המקובלות לקבוע אם מתכת היא פעילה או לא היא לבדוק את מהירות התגובה ואת הטמפרטורה שבה היא מתרחשת. במתכות, נהוג לבדוק שלושה תהליכים: תגובה עם מים, תגובה עם חמצן ותגובת דחייה של יוני המתכות האחרות מתמיסה מימית. אלא שלתוצאות שאנו רואים ולנתונים שאנו מודדים בכל אחד מהתהליכים יש שני היבטים: הקינטיקה - קצב התגובה, והתרמודינמיקה - יציבות התוצרים המתקבלים. הבעייתיות נובעת מכך שלעתים אין הם מתיישבים זה עם זה. נשתמש במעגלי בורן-האבר כדי לבחון את ההיבט התרמודינמי של שתיים מהתגובות המקובלות כקריטריונים לפעילות (לשם פשטות, נניח שהמתכת היא דו-ערכית).

1. מתכת + חמצן ← מתכת חמצנית

אקסותרמי, ΔHf	M (s)+½ O2(g)→MO(s)
אנדותרמי, המראהΔH	M(s)→M(g)
אנדותרמי, IE1 + IE2	M(g)-2e→M2+(g)
אנדותרמי, אטומיזציהΔH = קשרΔH ½	½O2(g)→O(g)
אנדותרמי, EA1 + EA2	O(g)+2e→O2-(g)
אנדותרמי, סריגΔH	M2+(g)+O2-(g)→MO(s)

_תהליךΔH = _המראהΔH + IE₁+ IE₂ + 1/2_קשרΔH + EA₁ + EA₂ + _סריגΔH

טמפרטורת ההיתוך

חימצוןE	M(s)→M2+(aq) + 2e-
אנדותרמי , המראהΔH	M(s) →M(g)
אנדותרמי , IE1 + IE2	M(g)→M2+(g) + 2e-
אקסותרמי , מיוםΔH	M2+(g) + nH2O →M2+(aq)

*פוטנציאל חימצון µ ΔH_המראה + IE₁ + IE₂ + ΔH_מיום

* מקובל לתת את ערכי E^o - פוטנציאל חיזור תיקני של יוני מתכת:

M²⁺ + 2e^- M_(s)

בטבלאות 1-6 נתונים ערכי E^o של היונים המתאימים.

בין אם חושבים על פעילות המתכת במונחים של קלות ההיווצרות של תחמוצת יציבה, ובין אם במונחים של שליליות פוטנציאל האלקטרודה שלה, בשני המקרים מדובר במדדים המבוססים על אותם שני תהליכים אנרגטיים המאפיינים את המתכת: אנתלפיית המראה (ΔH_המראה) ואנרגיית היינון (IE) תהליכים אלה משתקפים, איכותית, בטמפרטורת ההיתוך ובצפיפות המתכת.

טמפרטורת ההיתוך

אנתלפיית ההמראה היא האנרגיה הדרושה כדי לתלוש את האטומים מהמוצק ולהעביר אותם לפאזה הגזית. אם צריך להשקיע אנרגיה רבה (התהליך מאוד אנדותרמי), המתכת לא פעילה. התלמידים מבינים, שכדי להפוך את המתכת לגזית יש לפרק קשרי מתכת-מתכת. המראה היא, למעשה, היתוך; אידוי. ברור, שככל שהקשר מתכת-מתכת חזק יותר, טמפרטורת ההיתוך גבוהה יותר, ועל כן גם, ככל שטמפרטורת ההיתוך גבוהה יותר, המתכת פעילה פחות. מגמה זו ניכרת בטמפרטורות ההיתוך של סדרת המתכות, מאשלגן עד טיטניום, המוצגות בטבלה 1.

Eo (volts)	ΔHהמראה (kJ mol-1)	mp (°C)	Z	מתכת
2.92-	90	64	19	K
2.87-	155	850	20	Ca
2.08-	376	1539	21	Sc
1.63-	469	1668	22	Ti

טבלה 1. טמפרטורת היתוך של כמה מתכות

תצפיותינו אכן מאששות את ניבוי סדר הפעילות היורד: אשלגן מגיב עם מים בעוצמה רבה, ואילו טיטניום משמש לבניית להבים של מנועי סילון.

הצפיפות

Eo (volts)	IE1(kJ mol-1)	(gr cm-3) צפיפות	Z	מתכת
2.93-	403	1.53	37	Rb
2.89-	549	2.60	38	Sr
2.37-	616	4.47	39	Y
1.33-	660	6.45	40	Zr

טבלה 2. צפיפות של כמה מתכות

במתכת פעילה מבחינה כימית, האטומים מוסרים בקלות אלקטרון אחד לפחות והופכים לקטיונים. ככל שהם מוסרים את האלקטרון/(ים) בקלות רבה יותר, המתכת פעילה יותר. הכוח שבו האלקטרון נמשך לגרעין האטום מציית לחוק קולון: ככל שהאלקטרון רחוק יותר מהגרעין, המשיכה חלשה יותר. אם נעבור על הטבלה המחזורית ונבחן מתכות בעלות מספר אטומי דומה, נגלה שככל שהרדיוס האטומי גדול יותר, הצפיפות נמוכה יותר. אם כן, ככל שהצפיפות נמוכה יותר, אנרגיית היינון נמוכה יותר, והמתכת פעילה יותר.

בטבלה 2 ניתן לראות את התופעה במתכות מן המחזור החמישי. פעילות המתכות במחזור זה יורדת עם העלייה בצפיפות. זירקוניום, שצפיפותו גבוהה מאד, משמש לציפוי מוטות האורניום בכורים גרעיניים בשל עמידותו הגבוהה בפני קורוזיה (שיתוך) והאינרטיות (האדישות) שלו למים ולחמצן.

אנומליות בתוך מחזור

ערכי הצפיפות וטמפרטורת הרתיחה של מתכות משתנים בהדרגתיות לאורך השורה, אך פה ושם יש חריגות. דווקא בחריגות יש עניין רב, שכן הן מצביעות על תכונות כימיות יוצאות דופן ולא צפויות.

מנגן ומתכות המחזור הרביעי (3d)

כרום משמש לציפוי בגלל קשיותו והאינרטיות שלו; ברזל הוא המתכת הנפוצה ביותר בשימוש בתחום הבנייה; אך לעולם לא נמצא חפצים עשויים מנגן. זאת, משום שמנגן היא מתכת פעילה מאוד בעלת חוזק מתיחה נמוך. בטבלה 3 מוצגות טמפרטורות ההיתוך של כרום, מנגן וברזל.

mp (°C)	Z	מתכת
1875	24	Cr
1244	25	Mn
1535	26	Fe

טבלה 3. טמפרטורת היתוך של כמה מתכות מעבר מהשורה השלישית

האנומליה בטמפרטורת ההיתוך של המנגן מעידה, שגם הפעילות הכימית שלו אינה כמצופה בהשוואה לכרום ולברזל. ואכן, גם כרום (II) וגם ברזל (II) הם חומרים מחזרים, ואילו מנגן (II) הוא אדיש. מצד שני, מנגן (III) הוא מחמצן חזק, ואילו כרום (III) וברזל (III) אינם כאלה.

אירופיום והלנתנידים

טמפרטורות ההיתוך והצפיפויות של הלנתנידים הראשונים מוצגות בטבלה 4. התכונות הפיזיקליות של האירופיום חורגות, בבירור, מן המגמה הכללית, וניתן לצפות שגם תכונותיו הכימיות יהיו חריגות. דרגת החמצון האופיינית ללנתנידים היא +3, ואילו דרגת החמצון השכיחה של האירופיום בתמיסות מימיות היא +2, והוא יוצר מלחים יציבים יחסית, כגון EuSO₄. התנהגותו הלא צפויה באה לידי ביטוי גם בצפיפות ובטמפרטורת ההיתוך, הנמוכות בהשוואה ללנתנידים השכנים. את החריגות של המנגן והאירופיום אפשר לקשר אל היערכות האלקטרונים שלהם, שהיא בעלת סימטרייה כדורית עם ענן S² מלא במנגן d⁵s² ובאירופיום f⁷s². כדי לענות על השאלה, מדוע היערכות אלקטרונית זו מובילה לתכונות הכימיות הנצפות של המתכות, יש להעמיק בתיאוריית הקשר הכימי, ולא נעשה זאת במאמר זה.

צפיפות (gr cm-3)	(°C) mp	Z	מתכת
7.20	1050	61	Pm
7.53	1072	62	Sm
5.25	826	63	Eu
7.89	1312	64	Gd
8.25	1356	65	Tb

טבלה 4. טמפרטורת היתוך וצפיפות של כמה לנתנידים

האם אפשר לכמת את המיתאם בין הפעילות ובין הצפיפות ונקודת ההיתוך? ובכן, התשובה היא לא. תהליך ההיתוך איננו תהליך ההמראה. לא טמפרטורת היתוך, ואף לא טמפרטורת רתיחה, שקולות לאנרגיית ההמראה. אולם, טמפרטורת ההיתוך יכולה לתת לנו הערכה די טובה. אנרגיית היינון של אטום קשורה באופן מורכב להיערכות האלקטרונים ולמטען האפקטיבי של הגרעין, וכן לרדיוס האטום. צפיפות המתכת אינה מתייחסת לכל הפרמטרים הללו, אך עדיין יכולה לתת לנו מידע חיוני על הפעילות. המדדים הכמותיים של הפעילות התרמודינמית של מתכת, ΔH_f של התחמוצת ופוטנציאל החיזור התקני E^o, מושפעים, שניהם, על-ידי גורמים אנרגטיים שאינם קשורים אך ורק למתכת עצמה. לדוגמה, אנרגיית הסריג, U, של התחמוצת, היא הקובעת את ערך ΔH_f. אנרגיית הסריג תלויה בצורת האריזה של הקטיונים והאניונים בגביש. אנרגיית המיום של הקטיון, ΔH_מיום, תלויה בהיערכות האלקטרונים של הקטיון ובמספר הקואורדינציה שלו. שימוש במעגלי בורן-הבר מאפשר להעריך נכונה את הערכים המספריים של E^o של המתכת ושל ΔH_f של התחמוצת, אך נתונים תרמודינמיים אלה אינם יכולים לספק מדד אמיתי לפעילות, משום שאין בהם מידע על מהירות התגובה. לעתים נוצרת על המתכת שכבת מגן אינרטית שבגינה המתכת אינה מגיבה, ולאו דווקא מפני שאינה פעילה. אפשר לסכם ולומר, שצפיפות נמוכה וטמפרטורת היתוך נמוכה מצביעות על פעילות גבוהה; צפיפות גבוהה וטמפרטורת היתוך גבוהה מצביעות על פעילות נמוכה; ערכים חריגים של צפיפות או טמפרטורת היתוך בתוך מחזור מסוים מרמזים על התנהגות כימית לא צפויה.

מתכות אחרות

נוכל ליישם את הרעיונות הפשוטים הללו גם למתכות מאזורים שונים במערכה המחזורית.

אלומיניום

בטבלה 5 נעשית השוואה של תכונות מתכת זו לאלה של שכנותיה, מגנזיום ונתרן. העלייה ההדרגתית בצפיפות מראה על ירידה הדרגתית בפעילות, אך טמפרטורת ההיתוך הנמוכה יחסית למגנזיום מצביעה על חריגות. עם זאת האלומיניום, כמו מגנזיום, בוער באדי מים. דוגמה להשפעה הקינטית נראתה במלחמה באיי פוקלנד. אוניות בריטיות, שהמרכב שלהן היה עשוי אלומיניום, התפוצצו כאשר התיזו עליהם מים בניסיון לכבות את הלהבות. הבעיה אינה קיימת בבישול במחבתות ובסירי אלומיניום, משום שהם מצופים בשכבה אינרטית של Al₂O₃, שמגינה על המתכת מתגובה עם חמצן או מים.

Al	Mg	Na	.
660	644	98	mp (°C)
2.74	1.74	0.97	(gr cm-3) צפיפות
1.66-	2.37-	2.71-	Eo (volts)
578	738	496	IE1 (kJ mol)-1
326	146	107	ΔHהמראה (kJ mol-1)

טבלה 5. תכונות פיזיקליות של אלומיניום ושכניו

כספית

את המתכת הזו יש להשוות למתכות המוכרות המקיפות אותה: אבץ מעליה (קבוצה 12), זהב ועופרת משני צדיה (קבוצות 11 ו-14, בהתאמה). הנתונים מוצגים בטבלה 6. צפיפות של 13.5 ג' לסמ"ק מעידה שהכספית תהיה פעילה יותר מזהב אך פחות מעופרת. ערכי E^o תואמים נתונים אלה. כמו כן ידוע, ש-HgO מתפרקת בקלות בחימום לכספית וחמצן, ואילו PbO יציבה עד לטמפרטורה של 900°C. טמפרטורת ההיתוך של כספית היא -39°C. מהי משמעות הטמפרטורה הנמוכה הזו בהשוואה ל- 419°C של אבץ ו- 1064°C של זהב? באטום הכספית, אלקטרוני S² קשורים לאטום חזק כל כך, עד שאינם חופשיים לנוע וליצור את "ים האלקטרונים" הלא מאותר של הקשר המתכתי הטיפוסי. מאפיין ייחודי זה של הכספית מסביר מדוע האטומים לא מוסרים בקלות את האלקטרונים שלהם ליצירת קטיון, ולכן, כצפוי, פעילות הכספית נמוכה.

Zn	Pb	Hg	Au	.
419	327	39-	1064	mp (°C)
7.1	11.3	13.5	19.3	(gr cm-3) צפיפות
0.76-	0.13-	0.82-	1.68	Eo (volts)
906	716	1007	890	IE1 (kJ mol)-1
131	195	64	368	ΔHהמראה (kJ mol-1)

טבלה 6. תכונות פיזיקליות של כספית ושכניה

תוריום ואורניום

תוריום מתכתי הופק לראשונה על ידי ברצליוס בשנת 1828, ואורניום מתכתי על ידי פליגוט בשנת 1841. בשנת 1869 מיקם מנדלייב את היסודות האלה בקבוצות IV ו-V בטבלה המחזורית שלו, בהתבסס על ההקבלה הסטוכיומטרית בין תרכובותיהם לאלה של זירקוניום וטונגסטן. התכונות הפיזיקליות של תוריום, אורניום ושכניהם מוצגים בטבלה 7.

U	W	Mo	Th	Hf	Zr	.
92	74	42	90	72	40	Z
1180	3380	2160	1750	2220	1857	mp (°C)
19	19.3	10.3	11.8	13.3	6.5	(gr cm-3) צפיפות
590	770	685	596	654	660	E1 (kJ mol)-1
482	860	659	575	621	605	ΔHהמראה (kJ mol-1)

טבלה 7. תכונות פיזיקליות של תוריום ואורניום וכמה מהשכנים בטבלה המחזורית

אם תוריום היה היסוד הכבד הבא בקבוצה IV, היינו מצפים שטמפרטורת ההיתוך תהיה בערך 3000°C והצפיפות בסביבות 20 גר' לסמ"ק. באופן דומה, טמפרטורת ההיתוך של אורניום הייתה אמורה להיות בערך 4000°C והצפיפות כ- 25 גר' לסמ"ק - הערכים במציאות נמוכים הרבה יותר. עובדה זו נובעת מכך שהאטומים גדולים הרבה יותר, ולפיכך הקשר M-M חלש הרבה יותר מהמצופה. אפשר לנבא אפוא, שתוריום ואורניום יהיו מתכות פעילות מאד, שיגיבו במהירות עם החמצן שבאוויר לקבלת תחמוצות ושיגיבו במים. כך קורה במציאות- ThO₂ הוא אינרטי ומצוי בטבע, ואילו UO₃ נוצר בקלות והוא יציב ב- 600°C. שתי המתכות "אוהבות חמצן", כצפוי לאור מיקומן בחלק השמאלי של הטבלה המחזורית.

ולבסוף

מטרתנו היא לעזור לתלמידים לנבא נכונה תכונות כימיות של מתכות, תוך שימוש במעט מידע המובן ומוכר להם היטב. יחד, שתי תכונות מאקרוסקופיות אלו, צפיפות וטמפרטורת רתיחה, יכולות לתת תמונה איכותית על הפעילות של המתכת, מכיוון שהן מקשרות בין העולם המאקרוסקופי לעולם המיקרוסקופי-האטומי. הקישור בין מגמת ההשתנות של הפרמטרים האטומיים ובין מגמת ההשתנות של התכונות המאקרוסקופיות הוא אתגר לכל מורה. המלצת מאמר זה היא להתחיל בעולם המאקרוסקופי-העולם הנתפס בחושים (טמפרטורות היתוך וצפיפות), ורק אחר כך להיכנס לעולם המיקרוסקופי - (אנרגיית יינון, זיקה אלקטרונית וכו') - עולם האטום. זה היה גם סדר ההתפתחות ההיסטורי.

	העתק קטע למסמך עריכה
סמנו את הקטע הרצוי על ידי העברת העכבר תוך כדי לחיצה על כפתור שמאלי בעכבר.<br> לאחר הסימון לחצו שוב על הכפתור "העתק קטע למסמך עריכה".
Ok