خلاصه درس فصل ۲ علوم نهم؛ درسنامه و نکات مهم

ظاهر شبیه، ذرّه‌های متفاوت

دو ظرف شکر و نمک را تصور کن؛ هر دو دانه‌های سفید دارند، اما آیا این شباهت یعنی ذرّه‌های سازندهٔ آن‌ها هم یکسان‌اند؟

برای پاسخ، باید از ظاهر دانه‌ها فراتر برویم. شکر از مولکول‌ها ساخته شده است، اما نمک خوراکی از یون‌ها تشکیل شده است. هر مولکول شکر مجموعه‌ای از چند اتم است. یک دانهٔ قابل‌دیدن شکر، فقط یک مولکول نیست؛ تعداد بسیار زیادی مولکول دارد. یک دانهٔ نمک هم شامل تعداد بسیار زیادی یون است.

شکر و نمک هر دو ترکیب شیمیایی هستند، ولی ترکیب‌بودن به این معنا نیست که نوع ذرّه‌های سازندهٔ آن‌ها یکسان باشد. تفاوت این ذرّه‌ها در ویژگی‌های مواد نقش دارد؛ بنابراین برای شناخت یک ماده، تنها نگاه‌کردن به رنگ و شکل آن کافی نیست.

مثلاً در آشپزخانه، سفیدبودن شکر و نمک دلیل نمی‌شود که بتوانیم آن‌ها را به جای هم به غذا اضافه کنیم!

چه محلولی برق را عبور می‌دهد؟

دو لیوان آب را تصور کن: در یکی نمک حل کرده‌ای و در دیگری شکر. هر دو محلول شفاف‌اند؛ اما آیا هر دو جریان برق را عبور می‌دهند؟ حل‌شدن به‌تنهایی کافی نیست.

یون‌ها بار الکتریکی مثبت یا منفی دارند. وقتی نمک خوراکی در آب حل می‌شود، یون‌های آن در آب پخش می‌شوند و می‌توانند حرکت کنند. حرکت این ذرّه‌های باردار باعث عبور جریان الکتریکی از محلول می‌شود؛ پس محلول نمک رساناست.

در مقابل، شکر به شکل مولکول‌های بدون بار در آب پخش می‌شود. این مولکول‌ها حرکت می‌کنند، اما چون بار الکتریکی ندارند، حرکتشان باعث برقراری جریان برق نمی‌شود. بنابراین محلول شکر رسانا نیست.

در مدار آزمایشی کتاب، محلول نمک می‌تواند باعث روشن‌شدن لامپ شود، ولی محلول شکر چنین اثری ندارد. تفاوت اصلی، وجود یون‌های باردار و متحرک است، نه شفاف‌بودن محلول. این آزمایش فقط با باتری و رعایت نکات ایمنی انجام می‌شود؛ هرگز از برق شهری استفاده نکن.

ردّ حرکت یون‌ها

یون‌ها آن‌قدر ریزند که حرکتشان را با چشم نمی‌بینیم؛ پس چطور می‌توانیم برای حرکت آن‌ها شاهد پیدا کنیم؟ از اثری که به جا می‌گذارند! مثل وقتی که پخش‌شدن بوی غذا نشان می‌دهد ذرّه‌هایی در هوا جابه‌جا شده‌اند.

در آزمایش کتاب، یک بلور کات کبود و یک بلور سدیم هیدروکسید را در دو سوی ظرف آب می‌گذارند. با حل‌شدن بلورها، یون‌های آن‌ها وارد آب می‌شوند. یون‌های مس از سوی کات کبود و یون‌های هیدروکسید از سوی سدیم هیدروکسید در آب حرکت می‌کنند. وقتی به هم می‌رسند، واکنش می‌دهند و ماده‌ای تازه با رنگی تازه پدید می‌آید.

پس زنجیرهٔ استدلال ما این است: پدیدآمدن رنگ جدید ← رخ‌دادن واکنش ← رسیدن یون‌ها به یکدیگر ← حرکت یون‌ها در آب. این مشاهده، شاهدی برای حرکت یون‌هاست، نه دیدن مستقیم خود آن‌ها.

این آزمایش را فقط در آزمایشگاه، زیر نظر دبیر و با عینک و دستکش انجام بده؛ مواد آن برای آزمایش خانگی مناسب نیستند.

مادهٔ تازه، ویژگی‌های تازه

نمکی که روی غذا می‌ریزیم، از واکنش دو ماده با ویژگی‌های بسیار متفاوت به وجود می‌آید: سدیم، فلزی براق و خطرناک است و کلر، گازی زردرنگ و سمی. وقتی این دو در شرایط مناسب واکنش می‌دهند، سدیم کلرید یا همان نمک خوراکیِ سفیدرنگ ساخته می‌شود.

چطور چنین چیزی ممکن است؟ در واکنش شیمیایی، مادهٔ تازه‌ای تولید می‌شود؛ پس نباید انتظار داشته باشیم ویژگی‌های آن همان ویژگی‌های مواد اولیه باشد. نمک، نه یک فلز براق است و نه یک گاز زردرنگ! ذرّه‌های سازندهٔ آن، یون‌های مثبت سدیم و یون‌های منفی کلرید هستند که کنار هم قرار گرفته‌اند.

پس از خطرناک‌بودن مواد اولیه نمی‌توان نتیجه گرفت که ترکیب حاصل هم دقیقاً همان خطرها را دارد. البته نمک خوراکی هم باید به اندازه مصرف شود؛ مصرف زیاد آن برای سلامتی زیان‌آور است. واکنش سدیم و کلر نیز آزمایش خانگی نیست و نباید آن را انجام دهی.

دادن و گرفتن الکترون

چطور از سدیم و کلرِ خطرناک، نمک خوراکی ساخته می‌شود؟ در شرایط مناسب، این دو ماده واکنش می‌دهند و ماده‌ای تازه با ویژگی‌های متفاوت می‌سازند. در این واکنش، الکترون از اتمی به اتم دیگر منتقل می‌شود.

اتم در آغاز خنثی است؛ یعنی تعداد پروتون‌های مثبت و الکترون‌های منفی آن برابر است. اگر الکترون از دست بدهد، تعداد بارهای مثبتش بیشتر می‌شود؛ پس به یون مثبت یا کاتیون تبدیل می‌شود. اگر الکترون بگیرد، تعداد بارهای منفی‌اش بیشتر می‌شود؛ پس یون منفی یا آنیون می‌سازد. در این تغییر، تعداد پروتون‌ها عوض نمی‌شود.

در تشکیل ترکیب یونی، اتم فلز الکترون می‌دهد و اتم نافلز الکترون می‌گیرد. مثلاً سدیم با دادن یک الکترون به یون $\mathrm{Na^+}$ و کلر با گرفتن همان الکترون به یون کلرید $\mathrm{Cl^-}$ تبدیل می‌شود.

نکتهٔ مهم: «از دست دادن» الکترونِ منفی، اتم را منفی‌تر نمی‌کند؛ آن را مثبت می‌کند!

مدار آخرِ پُر

چرا سدیم الکترون می‌دهد، ولی کلر آن را می‌گیرد؟ برای فهمیدن این تفاوت، باید به الکترون‌های مدار آخر نگاه کنیم.

اتم سدیم $11$ الکترون دارد که در مدارهای آن به صورت $2، 8، 1$ قرار گرفته‌اند. با دادن همان $1$ الکترونِ بیرونی، مدار آخرِ قبلی خالی می‌شود؛ حالا بیرونی‌ترین مدارِ دارای الکترون، $8$ الکترون دارد. پس سدیم برای رسیدن به این وضعیت، لازم نیست الکترون بگیرد.

اتم کلر $17$ الکترون با آرایش $2، 8، 7$ دارد. این اتم با گرفتن همان الکترونِ سدیم، به آرایش $2، 8، 8$ می‌رسد و یون کلرید می‌شود.

مثل ردیفی با $8$ صندلی که $7$ صندلی‌اش پُر است، مدار آخر کلر فقط یک جای خالی دارد. در پایان، مدار آخر هر دو یون $8$ الکترونی است؛ اما یکی با دادن و دیگری با گرفتن الکترون به این وضعیت رسیده است. برخی اتم‌ها در واکنش‌ها تمایل دارند به چنین آرایشی برسند.

یون‌های باردار، ترکیب خنثی

شاید بپرسی: اگر ترکیب یونی از ذره‌های باردار ساخته شده، چطور خودش خنثی است؟ نکته این است که خنثی بودنِ کل ترکیب، با باردار بودنِ یون‌های آن تناقضی ندارد. بارهای مثبت و منفی باید در مجموع یکدیگر را خنثی کنند.

مثلاً در سدیم کلرید، به ازای هر یون سدیم با بار $+1$، یک یون کلرید با بار $-1$ وجود دارد. پس مجموع بارها برابر است با:

$(+1)+(-1)=0$

این شبیه حسابی است که مقدار طلب و بدهی آن برابر باشد؛ حاصل حساب صفر است، اما طلب و بدهی در محاسبه حضور دارند. در نمک هم یون‌ها همچنان باردارند؛ خنثی بودن ترکیب به معنی بی‌بار شدن تک‌تک آن‌ها نیست.

ملاک، برابر بودن مجموع بارهای مثبت و منفی است، نه لزوماً برابر بودن تعداد یون‌های مثبت و منفی.

جرم از بین نمی‌رود

وقتی سدیم و کلر واکنش می‌دهند، ماده‌ای با ویژگی‌های تازه ساخته می‌شود. اما آیا تازه بودن ماده یعنی جرم تازه‌ای هم به وجود آمده است؟ نه! در واکنش شیمیایی، اتم‌ها از بین نمی‌روند و اتم تازه‌ای هم ساخته نمی‌شود؛ فقط شیوهٔ قرار گرفتن آن‌ها کنار یکدیگر تغییر می‌کند. پس مجموع جرم هم ثابت می‌ماند. این همان قانون پایستگی جرم است.

در نمونهٔ کتاب، اگر $7.7\,\mathrm{g}$ سدیم با $11.9\,\mathrm{g}$ کلر به‌طور کامل واکنش دهد، جرم سدیم کلرید تولیدشده برابر با $19.6\,\mathrm{g}$ خواهد بود؛ یعنی برابر با مجموع جرم مواد مصرف‌شده.

یک نکتهٔ مهم: اگر در واکنشی گاز تولید شود و از ظرف بیرون برود، ممکن است ترازو جرم کمتری نشان دهد. جرم ناپدید نشده است؛ بخشی از ماده از ظرف خارج شده و دیگر روی ترازو نیست. برای مقایسهٔ درست، باید جرم همهٔ مواد، از جمله گازها، را حساب کنیم.

یون‌ها و تعادل بدن

یون سدیم فقط در نمکدان نیست؛ در بدن تو هم کار مهمی انجام می‌دهد! این یون در ایجاد جریان‌های الکتریکیِ لازم برای فعالیت مغز، اعصاب و ماهیچه‌ها، به‌ویژه قلب، نقش دارد. پس بدن به یون سدیم نیاز دارد و حذف کامل نمک، هدف درستی نیست.

اما ضروری بودن، به معنی «هرچه بیشتر، بهتر» نیست. اگر دریافت نمک خیلی کم یا خیلی زیاد شود، کار طبیعی یاخته‌های بدن به هم می‌خورد. نمک خوراکی، با فرمول $\mathrm{NaCl}$، یکی از راه‌های تأمین یون سدیم است.

برای کنترل نمک دریافتی، فقط به نمکی که روی غذا می‌پاشی نگاه نکن. نان، پنیر، چیپس و بسیاری از غذاهای آماده هم نمک دارند. مثلاً اگر همراه غذا چیپس بخوری، حتی بدون استفاده از نمکدان هم نمک وارد بدنت می‌شود. بنابراین باید مجموع نمکِ همهٔ خوراکی‌های روزانه را در نظر گرفت.

سدیم؛ یونی ضروری

وقتی تصمیم می‌گیری دستت را حرکت بدهی، پیام‌هایی در اعصاب تو جابه‌جا می‌شوند تا ماهیچه‌ها کار کنند. یون سدیم یکی از یون‌هایی است که در ایجاد جریان الکتریکی در مغز، اعصاب و ماهیچه‌ها نقش دارد. قلب هم ماهیچه است و فعالیت آن به حضور این یون نیاز دارد.

نمک خوراکی با فرمول $\mathrm{NaCl}$ از یون‌های سدیم $\mathrm{Na^+}$ و کلرید $\mathrm{Cl^-}$ تشکیل شده است. پس با خوردن غذاهای دارای نمک، یون سدیم وارد بدن می‌شود. یون‌های سدیم در مایعات بدن به حالت محلول حضور دارند و به رسانایی جریان الکتریکی کمک می‌کنند.

برای نمونه، هنگام راه‌رفتن، هماهنگی پیام‌های عصبی و کار ماهیچه‌های پا به حضور یون‌هایی مانند سدیم وابسته است. بنابراین نمک فقط یک طعم‌دهنده نیست؛ یکی از راه‌های تأمین یونی ضروری برای بدن است. البته ضروری‌بودن سدیم به معنی بهتر بودن مصرف بیشتر نمک نیست.

نمک؛ نه کم، نه زیاد

فرض کن امروز سر سفره اصلاً از نمکدان استفاده نکرده‌ای؛ آیا یعنی هیچ نمکی وارد بدنت نشده است؟ نه! نان، پنیر، تنقلات و بسیاری از غذاهای آماده هم نمک دارند. پس برای بررسی نمک دریافتی، باید همهٔ خوراکی‌ها و نوشیدنی‌های روز را در نظر بگیریم، نه فقط نمکی را که خودمان به غذا اضافه می‌کنیم.

بدن به مقدار مناسبی از یون سدیم نیاز دارد. اگر نمک رژیم غذایی خیلی کم یا خیلی زیاد شود، فعالیت یاخته‌ها دچار اختلال می‌شود. بنابراین «سدیم ضروری است» به معنی «هرچه نمک بیشتر، بهتر» نیست؛ حذف شدید نمک هم نتیجهٔ درستی از زیانِ مصرف زیاد آن نیست.

یک کار کاربردی این است که برچسب مواد غذایی را بخوانی و مقدار نمک آن‌ها را مقایسه کنی. مثلاً خوردن چیپس در کنار غذاهای پرنمک، نمک دریافتی همان روز را بیشتر می‌کند؛ حتی اگر نمکدان را کنار گذاشته باشی!

آهن و هموگلوبین

اکسیژنی که با نفس کشیدن وارد شش‌ها می‌شود، چگونه به یاخته‌های بدن می‌رسد؟ گلبول‌های قرمز خون، مولکول بزرگی به نام هموگلوبین دارند که در جابه‌جایی اکسیژن نقش دارد. آهن بخشی از ساختار هموگلوبین است و بدن برای ساختن آن به یون آهن با بار دو مثبت، یعنی $\mathrm{Fe^{2+}}$، نیاز دارد.

بدن آهن مورد نیازش را از خوراکی‌هایی مانند گوشت، جگر و سویا تأمین می‌کند. اما نیاز به آهن همیشه یکسان نیست: در دوران رشد و نوجوانی، بارداری و شیردهی یا پس از ازدست‌دادن خون زیاد، بدن به آهن بیشتری نیاز دارد. مثلاً تو که در سن رشد هستی، باید به دریافت آهن کافی از غذا توجه کنی.

اگر کمبود آهن پیش بیاید، پزشک ممکن است علاوه بر غذاهای سرشار از آهن، قرص آهن هم تجویز کند؛ پس نیاز بیشتر به آهن، به معنی مصرف خودسرانهٔ قرص نیست.

یون‌های باردار، ترکیب خنثی

به دانه‌های نمک روی سفره فکر کن: آیا خنثی بودن نمک یعنی یون‌های سازندهٔ آن هم بدون بارند؟ نه! خنثی بودنِ کل ترکیب با بی‌بار بودنِ تک‌تک ذره‌های آن فرق دارد.

ترکیب یونی از کنار هم قرار گرفتن یون‌های مثبت و منفی ساخته می‌شود. بارهای مخالف یکدیگر را جذب می‌کنند؛ همین جاذبه، یون‌ها را کنار هم نگه می‌دارد و پیوند یونی نام دارد.

مثلاً در نمک خوراکی، یون سدیم $\mathrm{Na^+}$ بار مثبت و یون کلرید $\mathrm{Cl^-}$ بار منفی دارد. به ازای هر یون سدیم، یک یون کلرید وجود دارد؛ بنابراین بارهای آن‌ها همدیگر را خنثی می‌کنند:

$(+1)+(-1)=0$

پس یون‌ها همچنان باردارند، اما مجموع بارهای ترکیب صفر است. در ترکیب‌های یونی دیگر هم مجموع بارهای مثبت و منفی باید برابر باشد؛ نه لزوماً تعداد یون‌های مثبت و منفی.

نمک جامد و آب‌نمک

یک دانهٔ نمک و آب‌نمک، هر دو یون دارند؛ پس چرا فقط آب‌نمک رساناست؟ داشتن یون کافی نیست؛ یون‌ها باید بتوانند حرکت کنند. در نمک جامد، یون‌ها در جای خود نگه داشته شده‌اند و نمی‌توانند آزادانه جابه‌جا شوند؛ بنابراین نمک جامد جریان الکتریکی را عبور نمی‌دهد. وقتی نمک در آب حل می‌شود، یون‌های آن در محلول امکان حرکت پیدا می‌کنند و محلول رسانا می‌شود. برای بررسی این موضوع هرگز از برق پریز استفاده نکن!

ترکیب‌های یونی شکننده‌اند؛ یعنی با ضربه خُرد می‌شوند. بسیاری از آن‌ها، مانند نمک خوراکی، در آب حل می‌شوند، اما این ویژگی برای همهٔ ترکیب‌های یونی یکسان نیست.

حل شدن نمک، ویژگی‌های آب را هم تغییر می‌دهد: آب‌نمک در فشار یکسان، در دمای بالاتری از آب خالص می‌جوشد و چگالی بیشتری دارد. برای همین، تخم‌مرغی که در آب مقطر فرو می‌رود، با حل کردن مقدار کافی نمک می‌تواند شناور بماند؛ آب شور بهتر آن را نگه می‌دارد.

اشتراک به‌جای دادوستد

تا حالا دو نفر را دیده‌ای که به‌جای اینکه کتابشان را به هم بدهند، یک کتاب را با هم بخوانند؟ برای استفادهٔ مشترک، لازم نیست یکی کتابش را برای همیشه به دیگری واگذار کند!

اتم‌های هیدروژن و اکسیژن هم هنگام تشکیل مولکول آب، الکترون‌ها را به اشتراک می‌گذارند؛ یعنی الکترونی از یک اتم جدا نمی‌شود تا به اتم دیگر منتقل شود. در عوض، بعضی از الکترون‌ها در اشتراک میان اتم‌ها قرار می‌گیرند و به متصل ماندن آن‌ها کمک می‌کنند. البته مثال کتاب فقط برای فهم تفاوت «اشتراک» و «واگذاری» است؛ اتم‌ها تصمیم نمی‌گیرند!

پس برای پاسخ به پرسش آغاز درس، لازم نیست دنبال اتمی باشیم که الکترون داده یا گرفته است. در تشکیل آب، راه اتصال اتم‌ها اشتراک الکترون است، نه دادوستد آن.

یک جفت الکترون، یک پیوند

اتم‌ها با اشتراک الکترون به هم متصل می‌شوند؛ اما برای تشکیل هر پیوند اشتراکی چند الکترون لازم است؟ هر پیوند اشتراکی یک جفت، یعنی $2$ الکترون مشترک دارد. در هر پیوند بین اکسیژن و هیدروژن، یکی از این الکترون‌ها از هیدروژن و دیگری از اکسیژن است.

در مولکول آب، اکسیژن به دو اتم هیدروژن متصل است. اکسیژن با هر هیدروژن یک جفت الکترون مشترک دارد؛ پس آب در مجموع $2$ پیوند اشتراکی دارد و $4$ الکترون در این پیوندها مشترک‌اند.

می‌توانیم اتصال اتم‌ها را به صورت $\mathrm{H{-}O{-}H}$ نشان دهیم. هر خط نمایندهٔ یک پیوند و یک جفت الکترون مشترک است؛ نه فقط یک الکترون! پس هنگام شمردن، «تعداد پیوندها» را با «تعداد الکترون‌های مشترک» اشتباه نگیر.

چهار پیوند کربن در متان

در فرمول متان، $\mathrm{CH_4}$، عدد کوچک کنار نماد هیدروژن نشان می‌دهد که هر مولکول، چهار اتم هیدروژن دارد. کنار نماد کربن عددی نیست؛ یعنی فقط یک اتم کربن داریم.

این اتم‌ها چطور به هم وصل می‌شوند؟ کربن در مدار آخرش چهار الکترون دارد. هر اتم هیدروژن هم یک الکترون دارد. کربن با هر هیدروژن یک الکترون به اشتراک می‌گذارد و هیدروژن نیز یک الکترون در این اشتراک شرکت می‌دهد. پس بین کربن و هر هیدروژن، یک جفت الکترون مشترک و یک پیوند اشتراکی تشکیل می‌شود.

برای تصور ساختار، یک گلولهٔ کربن را در مرکز و چهار گلولهٔ هیدروژن را اطرافش در نظر بگیر؛ هر میله، یک پیوند را نشان می‌دهد. کربن به چهار هیدروژن وصل است، اما هر هیدروژن فقط به همان کربن وصل می‌شود. بنابراین کربن چهار پیوند و هر هیدروژن یک پیوند دارد؛ تعداد اتم‌های مولکول را با تعداد پیوندهایش اشتباه نگیر!

اشتراک الکترونی گسترده‌تر

آیا دو اتم فقط می‌توانند یک جفت الکترون مشترک داشته باشند؟ نه! مثلاً در مولکول اکسیژن، $\mathrm{O_2}$، دو اتم اکسیژن دو جفت الکترون به اشتراک می‌گذارند؛ یعنی بین آن‌ها دو پیوند اشتراکی وجود دارد. آن را به صورت $\mathrm{O=O}$ نشان می‌دهیم؛ هر خط نمایندهٔ یک پیوند است.

حالا تصور کن با مدل‌های گلوله و میله، مولکولی با دو اتم کربن می‌سازی. هر کربن باید در مجموع چهار پیوند داشته باشد و هر هیدروژن فقط یک پیوند می‌دهد:

• اگر بین دو کربن یک پیوند باشد، هر کربن به سه هیدروژن وصل می‌شود: $\mathrm{C_2H_6}$.
• اگر بین دو کربن دو پیوند باشد، هر کربن به دو هیدروژن وصل می‌شود: $\mathrm{C_2H_4}$.
• اگر بین دو کربن سه پیوند باشد، هر کربن به یک هیدروژن وصل می‌شود: $\mathrm{C_2H_2}$.

پس هرچه پیوندهای بین دو کربن بیشتر شود، برای اتصال هیدروژن‌ها جای کمتری می‌ماند؛ اما مجموع پیوندهای هر کربن همچنان چهار است.