באופן כללי – כאשר מסווגים דברים (לא רק בכימיה – אלא בכלל) תמיד יש בעייתיות בדברים שנמצאים "על הגבול", כלומר דברים שמראים תכונות משותפות לכמה סיווגים באופן חלקי, ואז – או שאפשר לקבל החלטה על סיווג על פי איזשהו שקלול כמותי של התכונות, או – שאפשר להמשיך ולהתווכח על הנושא בלי להסכים... (ראי למשל ויכוח כזה כאן באתר, בטוקבקים, בנוגע לשאלה האם תערובת גזים היא תמיסה או לא, במסגרת הכתבה על תמיסות מתחת ל-70 מעלות מתחת לאפס).
ולעניינו – הולכת חשמל היא באמת ה-תכונה המאפיינת של המתכות, אבל לא רק – למתכות יש תכונות פיזיקליות וכימיות רבות משותפות, שאף אחת מהן לא קיימת בפחמן, או מתקיימת בצורה חלקית (כפי שמיד אפרט), ולכן הוחלט לסווג אותו כאל-מתכת:
הולכת חום וחשמל – מתכות מאופיינות בהולכה טובה של חום וחשמל. לפחמן, כיסוד יש מספר צורות הופעה בטבע: יהלום וגרפיט (הצורות העיקריות) וגם מולקולות כדוריות קטנות המכונות פולרנים (בעלות נוסחה כימית של C60, C70 ועוד, כלומר מולקולה שמורכבת מ-60 אטומי פחמן המחוברים יחד. המגלים שלהן זכו על כך בפרס נובל לכימיה בשנת 1996), צינורות מולקולריים קטנים - ננו-צינורות פחמן, פחמן 'אמורפי' (חסר צורה גבישית) וגרפן (שגם על גילויו זכו בפרס נובל, בשנת 2010). מכל האוסף הגדול של הצורות הנ"ל הצורה היחידית שמוליכה חשמל באופן תמידי היא הגרפיט (מכניקת הקוונטים מסבירה מדוע הקשר הכימי בגרפיט גורם להולכה). הננו-צינורות והגרפן מוליכים באופן חלקי – תלוי במבנה שלהם. כך שאפילו את התכונה המאפיינת העיקרית של מתכות אי אפשר להגיד בפה מלא שקיימת לפחמן, אלא רק לצורה אחת בלבד של הופעה שלו.
יהלומים – בנויים פחמן אך לא מוליכים חשמל. תמונה: מויקיפדיה צילום: Mario Sarto
ניתנות לריקוע ומתיחה – תכונה אופיינית של מתכות, בגלל מבנה השריג שלהם ברמה האטומית – המכיל 'ים' אלקטרונים חופשיים. גרפיט – לא ניתנת לריקוע ומתיחה כלל, אפשר לראות את זה בקלות אם לוקחים מעט גרפיט מעפרון, ומנסים למתוח אותו או לתת לו מכה על מנת לרקע אותו – הוא מיד נשבר ומתפורר לאבקה, שלא כמו מתכות.
עפרון – החלק הכותב בנוי בעיקר מגרפיט, לא ניתנת לריקוע צילום: Dmgerman מויקיפדיה
ברק מתכתי – לכל המתכות ברק אופייני של ראי ("צבע כסף", פרט לנחושת וזהב שלהם נוסף גם גון מעט אדמדם-צהבהב) – הברק המתכתי – בגלל המבנה. ואילו לגרפיט צבע שחור כמעט ללא ברק מתכתי.
תכונות נוספות – חוזק, יכולת שינוי צורה, קשיחות – לא מתקיימות בגרפיט שהינה חומר רך מאוד מצד אחד, ופריך / שביר / מתפורר מצד שני.
בנוסף לכל הנ"ל – מהבחינה הכימית פחמן מתנהג כמו אל-מתכת טהורה: כאשר הוא מגיב עם אלמתכות טהורות אחרות (כמו למשל עם חמצן, חנקן כלור, ברום וכו') – התרכובות שלו הן מולקולריות קוולנטיות לגמרי (תחשיבי על תרכובת של פחמן עם חמצן – הגז פחמן דו חמצני), בעוד שכאשר מתכות מגיבות עם אלמתכות – התרכובת הנוצרת היא תרכובת יונית (מלח מוצק, תחמוצות מוצקות כמו חלודה וקורוזיה), וזה בגלל שהפחמן לא נוטה לשחרר את האלקטרונים בקליפה החיצונית שלו, בדיוק ההפך ממתכות.
אם תשלבי את כל הנ"ל ודאי תסכימי כי לא ניתן להגדיר את הפחמן כמתכת.
מעניין לציין, אגב (בהקשר למה שכתבתי בהתחלה על גבולות) – בטבלה המחזורית אפשר לציין גבול בין המתכות והאל מתכות והמתכות (מוליכים) למחצה:
הטבלה המחזורית – תמונה עובדה מתוך ויקיפדיה
כאשר היסודות שמעל ומימין לגבול הן אל-מתכות, ואלה שמתחת ומשמאל לגבול הן אל-מתכות. אפשר לשים לב – שפחמן (C, מספר אטומי 6) נמצא 'על הגבול', וכמו יסודות אחרים שעל הגבול, הוא אכן מכיל תכונות מעורבות של מתכת ואל מתכת (כאשר הוא 'אל-מתכת' ברובו). ישנם חומרים אחרים שנמצאים בין גבול המתכות לגבול האלמתכות, כמו סיליקון למשל (היסוד מתחת לפחמן, Si) – שהוא נחשב ל'מוליך למחצה'. המשמעות של מוליך למחצה, בקצרה, הוא חומר בעל מבנה גבישי דומה לזה של מתכות, אבל שהאלקטרונים שלו לא באמת חופשיים לתנועה (ולהולכת חשמל וחום) אלא דורשים – או תוספת של אנרגיה כדי להוליך, או תוספת של חומרים אחרים עם עודף או חוסר באלקטרונים – שמפרים מעט את המבנה הגבישי וגורמים להולכה. זה בקצרה – אם את רוצה להרחיב ממליץ לקרוא תשובות נרחבות שניתנו בעבר בנושא כמו: כיצד תורת הקוונטים שיש חומרים מוליכים, מוליכים למחצה ומבודדים.
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.
