۱۰۰ هزار تومان هدیهٔ ثبت‌نام، تا ۱ میلیونبا ثبت‌نام گردونهٔ هدیه را بچرخان: دست‌کم ۱۰۰٬۰۰۰ تومان و تا ۱٬۰۰۰٬۰۰۰ تومان اعتبار هدیه، بدون کارت بانکیگردونهٔ هدیه۱ میلیون برای تو، ۱ میلیون برای دوستتدوستانت را دعوت کن: برای هر دوستی که فعال شود ۱٬۰۰۰٬۰۰۰ تومان اعتبار هدیه می‌گیری و خودش هم ۱٬۰۰۰٬۰۰۰ تومانجوایز
1xAi
شیمی ۱ · فصل ۱

خلاصه درس فصل ۱ شیمی دهم؛ درسنامه و نکات مهم

«کیهان زادگاه عنصرها»، فصل ۱ کتاب شیمی ۱، صفحهٔ ۱ تا ۴۶، پایهٔ دهم: ۷ درس، هر کدام با توضیح مفاهیم، مثال حل‌شده و نکات مهم.

این درسنامه را هوش مصنوعی 1xAi از روی صفحه‌های همان درس در کتاب درسی نوشته است (برچسب «تولید هوش مصنوعی»). کنار توضیح‌ها شمارهٔ صفحهٔ کتاب آمده تا با کتاب مقایسه کنی، و مثال حل‌شدهٔ هر درس یک بار دیگر جداگانه حل و بررسی شده؛ مثالی که درست درنیامده حذف شده است.

نمونه سوال این فصل با جواب

درس ۱ · صفحهٔ ۱ تا ۹ · حدود ۱۵ دقیقه · تولید هوش مصنوعی

عنصرها چگونه پدید آمدند؟

در این درس یاد می‌گیری منشأ عنصرها را توضیح دهی، ایزوتوپ‌ها و پایداری آن‌ها را بشناسی و کاربردهای کنترل‌شدۀ رادیوایزوتوپ‌ها را با مفهوم غنی‌سازی ارتباط دهی.

پیش از شروع

آهن موجود در بدن تو چه ارتباطی با زندگی و مرگ ستاره‌ها دارد؟

بسیاری از عنصرهای سازندۀ بدن و زمین، در فرایندهای هسته‌ای مربوط به ستاره‌ها پدید آمده‌اند. پراکنده شدن این عنصرها در فضا، مواد لازم برای شکل‌گیری جهان پیرامون ما را فراهم کرده است؛ پس داستان عنصرهای بدن تو، بسیار قدیمی‌تر از تولد زمین است!

از گازهای آغازین تا ستاره‌ها

اگر مواد سازندۀ زمین و مشتری را مقایسه کنیم، می‌بینیم نوع و فراوانی عنصرها در آن‌ها یکسان نیست. این تفاوت‌ها سرنخ‌هایی برای شناخت گذشتهٔ کیهان هستند.

طبق توضیح این درس، پس از مهبانگ و پدید آمدن ذره‌های زیراتمی، هیدروژن و هلیم به وجود آمدند. با سردتر شدن جهان، این گازها متراکم شدند و ابرهای گازی یا سحابی‌ها را ساختند؛ ستاره‌ها بعدها از این مجموعه‌ها پدید آمدند.

درون ستاره‌ها، دما و فشار بسیار بالاست و واکنش‌های هسته‌ای می‌توانند از عنصرهای سبک‌تر، عنصرهای سنگین‌تر بسازند. انفجارهای پایان عمر ستاره‌ها نیز به پراکنده شدن عنصرها کمک می‌کنند. نور و گرمای خورشید از تبدیل هیدروژن به هلیم سرچشمه می‌گیرد؛ انرژی این فرایند بسیار بیشتر از واکنش‌های شیمیایی روزمره، مانند سوختن گاز اجاق، است.

کتاب درسی، صفحهٔ ۴

یک عنصر، جرم‌های متفاوت

عنصر از یک نوع اتم ساخته شده است؛ اما این به معنی هم‌جرم بودن همۀ اتم‌های آن نیست. اتم‌های یک عنصر می‌توانند ایزوتوپ‌های متفاوت داشته باشند: شمار پروتون‌هایشان یکسان، ولی شمار نوترون‌هایشان متفاوت باشد.

در نماد ZAE^{A}_{Z}\mathrm{E}، عدد اتمی ZZ شمار پروتون‌ها و عدد جرمی AA مجموع شمار پروتون‌ها و نوترون‌هاست. بنابراین شمار نوترون‌ها از رابطۀ N=A−ZN=A-Z به دست می‌آید. در اتم خنثی، شمار الکترون‌ها نیز با شمار پروتون‌ها برابر است.

مثلاً ایزوتوپ‌های منیزیم همگی منیزیم‌اند و یک جایگاه در جدول دوره‌ای دارند. چون عدد اتمی یکسانی دارند، خواص شیمیایی آن‌ها یکسان است؛ اما تفاوت جرم می‌تواند باعث تفاوت در خواص فیزیکی وابسته به جرم، مانند چگالی، شود. پس «یک عنصر بودن» را با «جرم یکسان داشتن» اشتباه نگیر!

کتاب درسی، صفحهٔ ۵

پایداری، نیمه‌عمر و فراوانی

همۀ ایزوتوپ‌ها پایدار نیستند. هسته‌های ناپایدار با گذشت زمان واپاشی می‌کنند و پرتو و انرژی آزاد می‌کنند؛ به این ایزوتوپ‌ها رادیوایزوتوپ می‌گوییم. مثلاً در میان ایزوتوپ‌های هیدروژن، بعضی پایدار و بعضی پرتوزا هستند؛ پس نام عنصر به‌تنهایی پایداری اتم را مشخص نمی‌کند.

نیمه‌عمر مدت زمانی است که شمار هسته‌های پرتوزای باقی‌مانده به نصف شمار آغازین برسد. نیمه‌عمر کوتاه‌تر نشان می‌دهد هسته‌های آن ایزوتوپ سریع‌تر واپاشی می‌کنند. این تعریف به یک مجموعۀ بزرگ از هسته‌ها مربوط است، نه اینکه هر هسته دقیقاً در لحظۀ مشخصی واپاشی کند.

درصد فراوانی نیز سهم هر ایزوتوپ از کل اتم‌های آن عنصر در نمونه است:

درصد فراوانی=شمار اتم‌های ایزوتوپشمار کل اتم‌های عنصر×100\text{درصد فراوانی}=\frac{\text{شمار اتم‌های ایزوتوپ}}{\text{شمار کل اتم‌های عنصر}}\times 100

بنابراین پرتوزایی و فراوانی دو ویژگی متفاوت‌اند؛ کم‌بودن یک ایزوتوپ به‌تنهایی نشانۀ پرتوزا بودن آن نیست.

کتاب درسی، صفحهٔ ۶

عنصرسازی برای کمک به پزشکی

آیا انسان فقط می‌تواند از عنصرهای موجود در طبیعت استفاده کند؟ نه؛ با واکنش‌های هسته‌ای می‌توان عنصرهای ساختگی نیز تولید کرد. کتاب از میان 118118 عنصر شناخته‌شده، 9292 عنصر را طبیعی و 2626 عنصر را ساختگی معرفی می‌کند و تکنسیم را نخستین عنصر ساخت بشر می‌نامد.

یکی از کاربردهای مهم تکنسیم، تصویربرداری پزشکی، از جمله بررسی غدۀ تیروئید است. یون حاوی تکنسیم که در این روش به کار می‌رود، از نظر اندازه به یون یدید شباهت دارد؛ بنابراین تیروئید هنگام جذب یدید می‌تواند آن را نیز جذب کند. تجمع این مادۀ پرتوزا امکان تصویربرداری را فراهم می‌کند.

پس کاربرد پزشکی یک رادیوایزوتوپ فقط به پرتو دادن آن وابسته نیست؛ رسیدن آن به بخش موردنظر بدن هم مهم است. تولید و مصرف این مواد باید کنترل‌شده و زیر نظر متخصصان باشد.

کتاب درسی، صفحهٔ ۷

کاربرد همراه با مسئولیت

رادیوایزوتوپ‌ها در پزشکی، کشاورزی و تولید انرژی کاربرد دارند؛ اما مفید بودن آن‌ها به معنی بی‌خطر بودنشان نیست. برای نمونه، پسماند راکتور هسته‌ای همچنان پرتوزاست و مدیریت آن به مراقبت ویژه نیاز دارد.

یکی از ایزوتوپ‌های اورانیم، 235U^{235}\mathrm{U}، در سوخت هسته‌ای کاربرد دارد. افزایش سهم این ایزوتوپ در مخلوط ایزوتوپ‌های اورانیم را غنی‌سازی ایزوتوپی می‌نامند. دقت کن: اینجا نسبت ایزوتوپ‌ها تغییر می‌کند، نه اینکه اورانیم به عنصر دیگری تبدیل شود.

در تشخیص بعضی توده‌های سرطانی نیز از گلوکز نشان‌دار، یعنی گلوکز حاوی اتم پرتوزا، استفاده می‌شود. یاخته‌های توده که رشد سریع‌تری دارند، گلوکز بیشتری مصرف می‌کنند؛ تجمع گلوکز نشان‌دار و ثبت پرتو آن با آشکارساز به شناسایی محل توده کمک می‌کند. این نمونه نشان می‌دهد چگونه می‌توان از ویژگی پرتوزایی، با کنترل و حفاظت، اطلاعات مفید به دست آورد.

کتاب درسی، صفحهٔ ۸

مثال حل‌شده

برای اتم خنثای 1226Mg^{26}_{12}\mathrm{Mg}، عدد اتمی، عدد جرمی و شمار پروتون‌ها، الکترون‌ها و نوترون‌ها را تعیین کن. سپس توضیح بده چرا این اتم و 1224Mg^{24}_{12}\mathrm{Mg} ایزوتوپ‌های یک عنصرند.

  1. نماد را با الگوی ZAE^{A}_{Z}\mathrm{E} مقایسه می‌کنیم: عدد پایین Z=12Z=12 و عدد بالا A=26A=26 است.

  2. عدد اتمی شمار پروتون‌ها را نشان می‌دهد؛ پس این اتم 1212 پروتون دارد.

  3. چون اتم خنثی است، شمار الکترون‌ها با پروتون‌ها برابر است؛ بنابراین 1212 الکترون دارد.

  4. شمار نوترون‌ها را حساب می‌کنیم: N=A−Z=26−12=14N=A-Z=26-12=14.

  5. هر دو اتم عدد اتمی 1212 دارند، ولی عدد جرمی آن‌ها متفاوت است؛ پس شمار نوترون‌هایشان متفاوت است و ایزوتوپ‌های یک عنصرند.

جواب: اتم خنثای 1226Mg^{26}_{12}\mathrm{Mg} دارای 1212 پروتون، 1212 الکترون و 1414 نوترون است؛ این اتم با 1224Mg^{24}_{12}\mathrm{Mg} هم‌ایزوتوپ است.

نکات مهم

  • هیدروژن و هلیم در آغاز تاریخ کیهان پدید آمدند و فرایندهای هسته‌ای مربوط به ستاره‌ها در ساخته شدن عنصرهای سنگین‌تر نقش دارند.
  • ایزوتوپ‌های یک عنصر پروتون‌های برابر و نوترون‌های متفاوت دارند و نوع ناپایدار آن‌ها رادیوایزوتوپ نامیده می‌شود.
  • رادیوایزوتوپ‌ها در تشخیص بیماری و تولید انرژی کاربرد دارند، اما استفاده از آن‌ها و مدیریت پسماندشان نیازمند کنترل و حفاظت است.

تمرین تعاملی این درس (رایگان)تمرین تعاملی این درس

درس ۲ · صفحهٔ ۹ تا ۱۹ · حدود ۱۵ دقیقه · تولید هوش مصنوعی

طبقه‌بندی عنصرها

در این درس یاد می‌گیری از جدول دوره‌ای اطلاعات بگیری، معنای جرم اتمی میانگین را توضیح بدهی و جرم یک نمونهٔ عنصر را به مول و شمار اتم‌هایش تبدیل کنی.

پیش از شروع

اگر یک کیسه برنج داشته باشی، می‌توانی بدون شمردن تک‌تک دانه‌ها تعدادشان را پیدا کنی؟ شیمی‌دان‌ها با اتم‌های نادیدنی چه می‌کنند؟

اگر جرم کل برنج و میانگین جرم یک دانه را بدانیم، می‌توانیم تعداد دانه‌ها را برآورد کنیم. شیمی‌دان‌ها هم از همین فکر استفاده می‌کنند؛ جرم نمونه را اندازه می‌گیرند و با کمک جرم مولی و عدد آووگادرو به شمار اتم‌ها می‌رسند.

جدول؛ نقشهٔ عنصرها

جدول دوره‌ای را مثل یک نقشه ببین؛ جای هر عنصر در آن معنا دارد. عنصرها به ترتیب افزایش عدد اتمی، یعنی شمار پروتون‌های اتم، چیده شده‌اند؛ نه به ترتیب جرم اتمی.

جدول، هفت ردیف افقی یا دوره و هجده ستون یا گروه دارد. عنصرهای یک گروه خواص شیمیایی مشابهی دارند؛ پس برای پیش‌بینی رفتار یک عنصر، هم‌گروهی‌هایش سرنخ خوبی هستند. مثلاً هلیم و آرگون در گروه هجدهم قرار دارند و هر دو تمایل کمی به واکنش دارند.

هر خانه نیز شناسنامهٔ یک عنصر است: نام، نماد، عدد اتمی و جرم اتمی میانگین را نشان می‌دهد. برای نیتروژن، عدد اتمی 77 و جرم اتمی میانگین 14.01 amu14.01\,\mathrm{amu} است؛ این دو عدد را با هم اشتباه نگیر.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۲

یک وزنهٔ بسیار کوچک

برای وزن‌کردن طلا از باسکول کامیون استفاده نمی‌کنیم؛ ابزار و یکا باید با اندازهٔ چیزی که می‌سنجیم هماهنگ باشند. برای اتم‌ها هم به مقیاسی بسیار کوچک نیاز داریم.

دانشمندان جرم اتم‌ها را نسبت به یک مرجع می‌سنجند: یکای جرم اتمی با نماد amu\mathrm{amu} یا u\mathrm{u}. این یکا برابر یک‌دوازدهم جرم یک اتم کربن دوازده است:

1 amu=112m(12C)1\,\mathrm{amu}=\frac{1}{12}m(^{12}\mathrm{C})

پس جرم اتم کربن دوازده در این مقیاس دقیقاً 12 amu12\,\mathrm{amu} است. جرم پروتون و نوترون هرکدام تقریباً 1 amu1\,\mathrm{amu} و جرم الکترون بسیار کمتر است. بنابراین جرم یک ایزوتوپ بر حسب amu\mathrm{amu} تقریباً با عدد جرمی آن برابر است؛ اما عدد جرمی شمار پروتون‌ها و نوترون‌هاست، نه یک کمیت دارای یکای جرم.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۴

میانگین با سهم‌های نابرابر

چرا جرم اتمی درج‌شده در جدول معمولاً عددی صحیح نیست؟ چون یک عنصر طبیعی می‌تواند مخلوطی از ایزوتوپ‌های مختلف باشد. ایزوتوپ‌های یک عنصر پروتون‌های برابر، اما نوترون‌ها و جرم‌های متفاوت دارند.

عدد جدول، میانگین وزنی جرم اتم‌هاست. «وزنی» یعنی ایزوتوپ فراوان‌تر اثر بیشتری بر میانگین دارد؛ درست مثل میانگین نمره‌هایی که ضریب یکسان ندارند.

اگر جرم هر ایزوتوپ را mim_i و درصد فراوانی آن را pip_i بنامیم، رابطه چنین است:

m‾=∑imipi100\overline{m}=\sum_i m_i\frac{p_i}{100}

یعنی جرم هر ایزوتوپ را در سهم آن از کل ضرب می‌کنیم و حاصل‌ها را جمع می‌زنیم. مجموع درصدها باید 100100 باشد. میانگین بین جرم سبک‌ترین و سنگین‌ترین ایزوتوپ قرار می‌گیرد و به جرم ایزوتوپ فراوان‌تر نزدیک‌تر است.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۵

شمارش بدون شمردن

برای شمارش دانه‌های ریز، لازم نیست تک‌تک آنها را جدا کنیم. می‌توان جرم تعداد مشخصی دانه را اندازه گرفت و از تقسیم آن بر تعداد، میانگین جرم یک دانه را یافت. سپس داریم:

N=mنمونهm‾هر ذرهN=\frac{m_{\text{نمونه}}}{\overline{m}_{\text{هر ذره}}}

جرم صورت و مخرج باید یکای یکسان داشته باشد. برای دانه‌های برنج نتیجه یک برآورد است، چون جرم همهٔ دانه‌ها دقیقاً برابر نیست.

در شیمی، برای بیان تعداد بسیار زیاد ذره‌ها از مول استفاده می‌کنیم. هر مول شامل 6.02×10236.02\times10^{23} ذره است؛ این شمار را عدد آووگادرو می‌نامند. همان‌طور که «دوجین» تعداد را بیان می‌کند، مول هم بیانگر تعداد است، نه جرم. بنابراین یک مول اتم آهن و یک مول اتم کربن، شمار اتم برابر ولی جرم متفاوت دارند.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۷

پل میان جرم و تعداد

ترازوی آزمایشگاه جرم نمونه را با گرم نشان می‌دهد، نه با یکای جرم اتمی. برای رسیدن از این جرم به تعداد اتم‌ها، به یک پل نیاز داریم: جرم مولی، یعنی جرم یک مول ماده، با یکای g mol−1\mathrm{g\,mol^{-1}}.

مقدار عددی جرم مولی یک عنصر با جرم اتمی میانگین آن برابر است، اما یکا و معنایشان فرق دارد. مثلاً برای کربن، جرم اتمی میانگین 12.01 amu12.01\,\mathrm{amu} و جرم مولی 12.01 g mol−112.01\,\mathrm{g\,mol^{-1}} است.

اگر جرم نمونه mm، جرم مولی MM و مقدار ماده nn باشد:

n=mMN=nNAn=\frac{m}{M}\qquad N=nN_A

مسیر را به خاطر بسپار: جرم ← مول ← شمار اتم‌ها. در عامل تبدیل، یکای ناخواسته را در مخرج بگذار تا حذف شود؛ برای تبدیل گرم به مول، گرم باید در مخرج عامل تبدیل باشد.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۸

مثال حل‌شده

نمونه‌ای با جرم 5.4 g5.4\,\mathrm{g} آلومینیم چند مول و چند اتم آلومینیم دارد؟ جرم مولی آلومینیم را 27 g mol−127\,\mathrm{g\,mol^{-1}} و عدد آووگادرو را 6.02×10236.02\times10^{23} در نظر بگیر.

  1. مسیر حل را مشخص می‌کنیم: ابتدا گرم آلومینیم را به مول و سپس مول را به شمار اتم‌ها تبدیل می‌کنیم.

  2. از رابطهٔ 1 mol Al=27 g Al1\,\mathrm{mol\,Al}=27\,\mathrm{g\,Al} عاملی را انتخاب می‌کنیم که گرم در مخرج آن باشد: 1 mol Al27 g Al\frac{1\,\mathrm{mol\,Al}}{27\,\mathrm{g\,Al}}.

  3. مقدار مول را به دست می‌آوریم: n=5.4 g Al×1 mol Al27 g Al=0.20 mol Aln=5.4\,\mathrm{g\,Al}\times\frac{1\,\mathrm{mol\,Al}}{27\,\mathrm{g\,Al}}=0.20\,\mathrm{mol\,Al}.

  4. برای تبدیل مول به تعداد اتم‌ها می‌نویسیم: N=0.20 mol Al×6.02×1023 اتم آلومینیم1 mol Al=1.204×1023 اتم آلومینیمN=0.20\,\mathrm{mol\,Al}\times\frac{6.02\times10^{23}\,\text{اتم آلومینیم}}{1\,\mathrm{mol\,Al}}=1.204\times10^{23}\,\text{اتم آلومینیم}.

  5. نتیجه را بررسی می‌کنیم: چون مقدار نمونه کمتر از یک مول است، شمار اتم‌هایش هم باید کمتر از عدد آووگادرو باشد؛ نتیجه با این انتظار سازگار است.

جواب: نمونه شامل 0.20 mol Al0.20\,\mathrm{mol\,Al} و 1.204×10231.204\times10^{23} اتم آلومینیم است.

نکات مهم

  • جدول دوره‌ای بر اساس افزایش عدد اتمی تنظیم شده است و عنصرهای یک گروه خواص شیمیایی مشابهی دارند.
  • جرم اتمی میانگین، میانگین وزنی جرم ایزوتوپ‌ها با توجه به فراوانی آنهاست و با یکای amu\mathrm{amu} بیان می‌شود.
  • برای یافتن شمار اتم‌ها از روی جرم، ابتدا با جرم مولی به مول و سپس با عدد آووگادرو به تعداد اتم‌ها می‌رسیم.

تمرین تعاملی این درس (رایگان)تمرین تعاملی این درس

درس ۳ · صفحهٔ ۱۹ تا ۲۷ · حدود ۱۵ دقیقه · تولید هوش مصنوعی

نور، کلید شناخت جهان

در این درس یاد می‌گیری چگونه از ویژگی‌های نور و طیف نشری خطی برای شناخت عنصرها استفاده کنی و پیدایش این خط‌ها را با لایه‌های الکترونی و دادوستد کوانتومی انرژی توضیح بدهی.

پیش از شروع

چطور می‌توان فهمید در خورشید چه عنصرهایی وجود دارد، بدون اینکه از آن نمونه برداریم؟

نور خورشید اطلاعاتی از مواد سازندۀ آن به ما می‌رساند. با بررسی الگوی طول موج‌های نور و مقایسۀ آن با الگوی عنصرهای شناخته‌شده، می‌توان به حضور عنصرها پی برد؛ انگار نور، نشانۀ شناسایی آنها را همراه آورده است.

نور، پیام‌آورِ دوردست‌ها

برای شناخت یک جسم، همیشه لازم نیست آن را لمس کنیم یا از آن نمونه برداریم. خورشید و ستاره‌ها بسیار دورند و نمی‌توان دماسنج معمولی را در آنها قرار داد؛ اما نورشان به ما می‌رسد و اطلاعاتی از آنها همراه دارد.

طیف‌سنج دستگاهی است که کمک می‌کند این اطلاعات را بررسی کنیم. الگوی ثبت‌شده از بررسی نور را «طیف» می‌نامند. دانشمندان از طیف برای شناخت مواد و بررسی ویژگی‌هایی مانند دما استفاده می‌کنند.

نور سفید خورشید هم ساده‌تر از چیزی که به نظر می‌رسد نیست! منشور یا قطره‌های آب می‌توانند آن را به گستره‌ای پیوسته از رنگ‌ها تجزیه کنند. در این طیف، رنگ‌ها بدون شکاف به یکدیگر می‌رسند؛ رنگین‌کمان نمونۀ آشنای چنین تجزیه‌ای است.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۹

دیدنی و نادیدنی

چشم ما همۀ پرتوهای الکترومغناطیسی را نمی‌بیند. فقط بخش کوچکی از آنها، از سرخ تا بنفش، نور مرئی است. فروسرخ و فرابنفش هم از پرتوهای الکترومغناطیسی‌اند، ولی با چشم معمولی دیده نمی‌شوند.

یکی از ویژگی‌های موج، طول موج با نماد λ\lambda است؛ یعنی فاصلۀ دو قلۀ پیاپی موج. قاعدۀ مهم این درس را به خاطر بسپار: طول موج کوتاه‌تر، انرژی بیشتر. پس نور آبی نسبت به نور سرخ طول موج کوتاه‌تر و انرژی بیشتری دارد.

کنترل تلویزیون نمونه‌ای روزمره از کاربرد فروسرخ است. ممکن است نور آن را در تصویر بعضی دوربین‌های گوشی ببینی، در حالی که با چشم نمی‌بینی؛ البته همۀ دوربین‌ها به آن حساس نیستند. دماسنج فروسرخ نیز با دریافت پرتوهای جسم، دما را بدون تماس تعیین می‌کند.

کتاب درسی، صفحهٔ ۲۰

اثر انگشت نوری عنصرها

رنگ‌های آتش‌بازی تصادفی نیستند؛ مواد مختلف می‌توانند نورهای متفاوتی تولید کنند. در نمونه‌های کتاب، سدیم و نمک‌های آن شعلۀ زرد، مس و نمک‌های آن شعلۀ سبز، و لیتیم و نمک‌های آن شعلۀ سرخ ایجاد می‌کنند. یکسان بودن رنگِ فلز و نمک‌های گوناگونش، نقش عنصر فلزی را نشان می‌دهد.

وقتی ماده انرژی می‌گیرد و پرتو گسیل می‌کند، نشر رخ می‌دهد. اگر نور نشرشده از اتم‌های یک عنصر را تجزیه کنیم، به‌جای نواری پیوسته، خط‌هایی جدا در طول موج‌های معین می‌بینیم: طیف نشری خطی.

این الگو مثل بارکد به شناسایی عنصر کمک می‌کند. فقط تعداد خط‌ها مهم نیست؛ جایگاه آنها هم باید بررسی شود. مثلاً لیتیم در گسترۀ مرئی چهار خط دارد، اما هر طیف چهارخطی الزاماً متعلق به لیتیم نیست.

کتاب درسی، صفحهٔ ۲۳

لایه‌ها و بسته‌های انرژی

این خط‌های جدا چه چیزی از درون اتم می‌گویند؟ هیدروژن، ساده‌ترین اتم، یک پروتون در هسته و یک الکترون پیرامون آن دارد. بور با توجه به انرژی‌های معین الکترون، طیف هیدروژن را توضیح داد؛ اما مدل او برای توضیح طیف دیگر عنصرها کافی نبود.

در ساختار لایه‌ای، هسته بخش بسیار کوچکی در مرکز اتم است و الکترون‌ها در فضای بزرگ‌تری پیرامون آن توزیع می‌شوند. لایه‌ها را از داخل به بیرون با عدد کوانتومی اصلی، یعنی nn، شماره‌گذاری می‌کنیم: n=1n=1، سپس n=2n=2 و به همین ترتیب.

این تصویر را مسیر حرکت قطعی الکترون تصور نکن؛ بخش پررنگ هر لایه، ناحیۀ احتمال حضور بیشتر است. انرژی نیز مانند ارتفاع روی یک سطح شیب‌دار، دلخواه نیست: الکترون هنگام جابه‌جایی میان لایه‌ها، بسته‌های معین انرژی می‌گیرد یا از دست می‌دهد؛ شبیه تفاوت ارتفاع پله‌ها.

کتاب درسی، صفحهٔ ۲۴

از برانگیختگی تا نور

حالا می‌توانیم مسیر تولید نور را دنبال کنیم. اتم در حالت پایه آرایش کم‌انرژی‌تر و پایدارتر خود را دارد. اگر انرژی مناسب دریافت کند، الکترون می‌تواند به لایۀ بالاتر برود؛ در این حالت، اتم برانگیخته شده است. در این مدل، هرچه لایه از هسته دورتر باشد، انرژی الکترون بیشتر است.

اتم برانگیخته تمایل دارد انرژی اضافی را از دست بدهد. هنگام انتقال الکترون از لایۀ بالاتر به پایین‌تر، نور نشر می‌شود. انرژی نور به اختلاف انرژی آن دو لایه مربوط است؛ پس طول موج نور هم معین خواهد بود.

به همین دلیل طیف، خط‌خطی است، نه پیوسته. چون اختلاف انرژی لایه‌ها در عنصرهای مختلف متفاوت است، الگوی خط‌ها هم متفاوت می‌شود. پس زنجیرۀ اصلی این است: جذب انرژی، برانگیختگی، بازگشت و نشر نور.

کتاب درسی، صفحهٔ ۲۷

مثال حل‌شده

در یک بررسی آموزشی، طیف مرئی یک نمونۀ تک‌عنصری چهار خط دارد. جایگاه همۀ خط‌ها با طیف مرجع لیتیم یکسان است، اما با جایگاه خط‌های هیدروژن تفاوت دارد. نمونه را شناسایی کن و توضیح بده چرا نور آن به صورت خط‌های جدا دیده می‌شود.

  1. نخست تعداد و جایگاه خط‌های نمونه را با طیف‌های مرجع مقایسه می‌کنیم؛ تعداد خط‌ها به‌تنهایی برای شناسایی کافی نیست.

  2. چون همۀ خط‌های نمونه با خط‌های لیتیم هم‌جایگاه‌اند، عنصر نمونه را لیتیم شناسایی می‌کنیم.

  3. انرژی داده‌شده به نمونه، باعث انتقال الکترون‌ها به لایه‌های بالاتر و برانگیختگی اتم‌ها شده است.

  4. هنگام بازگشت الکترون‌ها به لایه‌های پایین‌تر، انرژی‌های معینی به شکل نور نشر می‌شود؛ بنابراین طول موج‌ها معین‌اند و طیف به صورت خط‌های جدا ظاهر می‌شود.

جواب: نمونه دارای لیتیم است، چون جایگاه همۀ خط‌های طیف آن با طیف لیتیم تطابق دارد؛ این خط‌ها از نشر نور هنگام انتقال الکترون‌ها به لایه‌های پایین‌تر پدید آمده‌اند.

نکات مهم

  • نور اطلاعاتی از ماده همراه دارد و هرچه طول موج آن کوتاه‌تر باشد، انرژی بیشتری دارد.
  • هر عنصر طیف نشری خطی ویژۀ خود را دارد و شناسایی آن به تطابق جایگاه خط‌ها نیاز دارد.
  • الکترون با جذب انرژی به لایۀ بالاتر می‌رود و هنگام بازگشت به لایۀ پایین‌تر، نوری با انرژی معین نشر می‌کند.

تمرین تعاملی این درس (رایگان)تمرین تعاملی این درس

درس ۴ · صفحهٔ ۲۷ تا ۳۸ · حدود ۱۵ دقیقه · تولید هوش مصنوعی

توزیع الکترون‌ها در لایه‌ها و زیرلایه‌ها

در این درس یاد می‌گیری الکترون‌ها را در لایه‌ها و زیرلایه‌ها توزیع کنی و از آرایش الکترونی، جای عنصر در جدول و رفتار سادهٔ شیمیایی آن را پیش‌بینی کنی.

پیش از شروع

چرا دورهٔ سوم جدول فقط هشت عنصر دارد، درحالی‌که لایهٔ سوم می‌تواند هجده الکترون جا بدهد؟

الکترون‌ها فقط بر اساس شمارهٔ لایه جای نمی‌گیرند؛ انرژی زیرلایه‌ها هم تعیین‌کننده است. زیرلایهٔ 4s4s زودتر از 3d3d پر می‌شود، پس پرشدن همهٔ بخش‌های لایهٔ سوم در دورهٔ سوم تمام نمی‌شود.

لایه‌ها و بخش‌های درون آن‌ها

برای شناختن درون اتم، شیمی‌دان‌ها نور گسیل‌شده از آن را بررسی می‌کنند؛ این نور دربارهٔ انرژی لایه‌های الکترونی خبر می‌دهد. در اتم خنثی، شمار الکترون‌ها با عدد اتمی برابر است؛ اما این الکترون‌ها همگی در یک جایگاه قرار نمی‌گیرند.

اتم را مانند ساختمانی با طبقه‌ها و بخش‌های گوناگون تصور کن؛ البته الکترون‌ها واقعاً در اتاق‌های ثابت نیستند! شمارهٔ لایه با عدد کوانتومی اصلی، nn، مشخص می‌شود. هر لایه زیرلایه‌هایی دارد که نوعشان با عدد کوانتومی فرعی، ll، مشخص می‌شود:

  • مقدارهای مجاز: l=0,1,…,n−1l=0,1,\ldots,n-1؛ پس لایهٔ شمارهٔ nn، دارای nn زیرلایه است.
  • نوع‌های s,p,d,fs,p,d,f به‌ترتیب با l=0,1,2,3l=0,1,2,3 مشخص می‌شوند.
  • گنجایش این زیرلایه‌ها به‌ترتیب 2,6,10,142,6,10,14 الکترون است؛ رابطهٔ آن al=4l+2a_l=4l+2 است.

پس لایهٔ اول فقط 1s1s و لایهٔ دوم، 2s2s و 2p2p دارد. در نماد 2p2p، عدد، لایه را نشان می‌دهد و حرف، نوع زیرلایه را؛ این دو را با شمار الکترون‌ها اشتباه نگیر.

کتاب درسی، صفحهٔ ۳۰

اول انرژی کمتر

برای نوشتن آرایش الکترونی حالت پایه، باید الکترون‌ها را از زیرلایه‌های کم‌انرژی‌تر در زیرلایه‌ها جای دهیم. این روش، قاعدهٔ آفباست؛ مانند پرکردن جایگاه‌هایی که ابتدا کم‌هزینه‌ترین آن‌ها انتخاب می‌شود.

برای مقایسهٔ انرژی، مجموع n+ln+l را بررسی کن: مقدار کمتر، انرژی کمتر دارد. اگر این مجموع برابر بود، زیرلایه‌ای با nn کمتر زودتر پر می‌شود. ترتیب موردنیاز تا عنصر سی‌وششم چنین است:

1s→2s→2p→3s→3p→4s→3d→4p1s\rightarrow2s\rightarrow2p\rightarrow3s\rightarrow3p\rightarrow4s\rightarrow3d\rightarrow4p

در نوشتن آرایش، توانِ بالای نماد زیرلایه، شمار الکترون‌های آن را نشان می‌دهد؛ مثلاً 2p42p^4 یعنی چهار الکترون در آن زیرلایه. مجموع توان‌ها باید با شمار الکترون‌های اتم برابر باشد.

حالا پاسخ معمای آغاز روشن است: در دورهٔ سوم فقط 3s3s و 3p3p پر می‌شوند؛ پرشدن 3d3d به دورهٔ بعد می‌رسد. البته آفبا برای همهٔ اتم‌ها بی‌استثنا نیست؛ آرایش واقعی کروم و مس به‌ترتیب [Ar] 3d5 4s1\mathrm{[Ar]}\,3d^5\,4s^1 و [Ar] 3d10 4s1\mathrm{[Ar]}\,3d^{10}\,4s^1 است. این آرایش‌ها با داده‌های طیف‌سنجی تعیین شده‌اند.

کتاب درسی، صفحهٔ ۳۰

آرایش کوتاه، اطلاعات زیاد

آرایش فشرده مثل کوتاه‌نویسی یک نشانی آشناست: بخش آغازین آرایش را که با آرایش یک گاز نجیب پیشین یکسان است، با نماد آن گاز در کروشه جایگزین می‌کنیم. کروشه به معنی حذف الکترون‌ها نیست؛ آن‌ها فقط کوتاه نوشته شده‌اند.

از آرایش می‌توان جای عنصر در جدول را هم پیدا کرد:

  • دوره: بزرگ‌ترین مقدار nn در آرایش است؛ نه لزوماً عددِ آخرین زیرلایهٔ نوشته‌شده.
  • گروه‌های اول و دوم: شمارهٔ گروه با شمار الکترون‌های ظرفیت برابر است.
  • گروه‌های سیزدهم تا هجدهم: شمارهٔ گروه، ده واحد بیشتر از شمار الکترون‌های ظرفیت است. هلیم با دو الکترون در گروه هجدهم است.
  • دستهٔ dd در دورهٔ چهارم: الکترون‌های 4s4s و 3d3d هر دو ظرفیت به‌شمار می‌آیند و مجموعشان شمارهٔ گروه را می‌دهد.

برای عنصرهای دسته‌های ss و pp، الکترون‌های ظرفیت در بیرونی‌ترین لایه‌اند. دسته‌های s,p,d,fs,p,d,f نیز نشان می‌دهند کدام نوع زیرلایه در آن بخش جدول در حال پرشدن است؛ هلیم با آرایش 1s21s^2 به دلیل رفتارش کنار گازهای نجیب قرار می‌گیرد.

کتاب درسی، صفحهٔ ۳۲

نقطه‌ها و رفتار اتم

چرا شناختن الکترون‌های ظرفیت مهم است؟ چون بخش مهمی از رفتار شیمیایی اتم به همین الکترون‌ها مربوط است. گازهای نجیب واکنش‌پذیری بسیار کمی دارند و لایهٔ ظرفیتشان کامل است: هلیم دو الکترون و گازهای نجیب دیگر هشت الکترون ظرفیت دارند. آرایش هشت‌تایی برای بسیاری از اتم‌های این درس، الگویی برای رسیدن به پایداری بیشتر است.

لوویس برای نمایش سادهٔ الکترون‌های ظرفیت، آن‌ها را با نقطه دور نماد شیمیایی نشان داد. در این نمایش، الکترون‌های لایه‌های درونی رسم نمی‌شوند. ابتدا در چهار سمت نماد، تک‌نقطه قرار بده؛ از الکترون پنجم به بعد، نقطه‌ها را جفت کن. بنابراین پیش از آنکه چهار سمت سهمی بگیرند، یک سمت را جفت نمی‌کنیم.

اتم‌های عنصرهای یک گروه اصلی معمولاً شمار نقطه‌های یکسانی دارند؛ همین شباهت به فهم رفتار مشابه آن‌ها کمک می‌کند. اتم‌ها می‌توانند با دادن، گرفتن یا به‌اشتراک‌گذاشتن الکترون به آرایش پایدارتر برسند؛ رسیدن به پایداری همیشه به معنی تشکیل یون نیست.

کتاب درسی، صفحهٔ ۳۶

از الکترون تا یون و پیوند

وقتی اتم الکترون از دست می‌دهد، شمار پروتون‌هایش عوض نمی‌شود؛ بنابراین بار مثبت پیدا می‌کند و کاتیون می‌شود. گرفتن الکترون، یون منفی یا آنیون می‌سازد. یون تک‌اتمی از یک اتم تشکیل شده است.

در الگوی این درس و در شرایط مناسب، اتم‌های گروه‌های اول و دوم به‌ترتیب یک و دو الکترون از دست می‌دهند و به آرایش گاز نجیب پیشین می‌رسند. اتم‌های گروه‌های پانزدهم، شانزدهم و هفدهم به‌ترتیب سه، دو و یک الکترون می‌گیرند و به آرایش گاز نجیب هم‌دورهٔ خود می‌رسند. برای بسیاری از اتم‌های دارای حداکثر سه الکترون ظرفیت نیز ازدست‌دادن همهٔ الکترون‌های ظرفیت، مسیر تشکیل کاتیون است؛ این الگو را نباید به همهٔ اتم‌ها تعمیم داد.

جاذبهٔ قوی میان یون‌های ناهمنام، پیوند یونی است. در ترکیب یونی، مجموع بارهای مثبت و منفی باید یکدیگر را خنثی کنند. فرمول CaCl2\mathrm{CaCl_2} نسبت یک یون کلسیم به دو یون کلرید را نشان می‌دهد، نه یک به یک. ترکیب یونی ساخته‌شده از فقط دو عنصر، «دوتایی» نام دارد؛ دوتایی بودن به شمار نوع عنصرها مربوط است، نه شمار یون‌ها.

کتاب درسی، صفحهٔ ۳۸

مثال حل‌شده

برای اتم گوگرد با Z=16Z=16، آرایش گسترده و فشرده، دوره و گروه، شمار و چیدمان نقطه‌های لوویس و یون متداول را تعیین کن.

  1. اتم خنثی است؛ پس شانزده الکترون داریم که باید در زیرلایه‌ها قرار دهیم.

  2. با رعایت ترتیب آفبا و گنجایش‌ها می‌نویسیم: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p41s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^4. کنترل شمار الکترون‌ها: 2+2+6+2+4=162+2+6+2+4=16.

  3. بخش آغازین با آرایش نئون یکسان است؛ پس آرایش فشرده برابر [Ne] 3s2 3p4\mathrm{[Ne]}\,3s^2\,3p^4 است.

  4. بزرگ‌ترین شمارهٔ لایه سه است؛ پس دورهٔ سوم داریم. در لایهٔ سوم، 2+4=62+4=6 الکترون ظرفیت وجود دارد و چون عنصر از دستهٔ pp است، شمارهٔ گروه 10+6=1610+6=16 می‌شود.

  5. برای نمایش لوویس، شش نقطه دور نماد S\mathrm{S} قرار می‌دهیم: ابتدا چهار تک‌نقطه در چهار سمت و سپس دو نقطه برای جفت‌کردن دو سمت؛ در پایان دو جفت و دو تک‌نقطه داریم.

  6. گوگرد در شرایط مناسب با گرفتن دو الکترون، لایهٔ ظرفیت هشت‌تایی پیدا می‌کند؛ بنابراین یون متداول آن S2−\mathrm{S^{2-}} با آرایش الکترونی آرگون است.

جواب: گوگرد: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4=[Ne] 3s2 3p41s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^4=\mathrm{[Ne]}\,3s^2\,3p^4؛ دورهٔ سوم، گروه شانزدهم، شش الکترون ظرفیت و شش نقطه در نمایش لوویس؛ یون متداول آن S2−\mathrm{S^{2-}} است.

نکات مهم

  • زیرلایه‌های s,p,d,fs,p,d,f به‌ترتیب گنجایش 2,6,10,142,6,10,14 الکترون دارند و در حالت پایه معمولاً به ترتیب افزایش انرژی پر می‌شوند.
  • از آرایش الکترونی می‌توان الکترون‌های ظرفیت، دوره و گروه عنصر را با توجه به دستهٔ آن تعیین کرد.
  • الکترون‌های ظرفیت در نمایش لوویس و پیش‌بینی رسیدن به آرایش پایدارتر از راه دادن، گرفتن یا اشتراک الکترون نقش اصلی دارند.

تمرین تعاملی این درس (رایگان)تمرین تعاملی این درس

درس ۵ · صفحهٔ ۳۸ تا ۴۰ · حدود ۱۵ دقیقه · تولید هوش مصنوعی

تبدیل اتم‌ها به یون‌ها

در این درس یاد می‌گیری چگونه دادوستد الکترون یون می‌سازد، فرمول و نام ترکیب‌های یونی دوتایی را تعیین کنی و پیوند یونی را از پیوند اشتراکی تشخیص بدهی.

پیش از شروع

کلسیم دو الکترون از دست می‌دهد و اکسیژن دو الکترون می‌گیرد؛ پس چگونه ماده‌ای که از این دو ساخته می‌شود، از نظر بار الکتریکی خنثی است؟

الکترون‌ها از بین نمی‌روند؛ از اتم کلسیم به اتم اکسیژن منتقل می‌شوند. یون‌های حاصل بارهای برابر و مخالف دارند، پس مجموع بارشان صفر است؛ همین بارهای مخالف، آنها را به‌شدت به هم جذب می‌کند.

دادوستد الکترون و پیوند یونی

وقتی اتم الکترون از دست می‌دهد، تعداد پروتون‌هایش از الکترون‌هایش بیشتر می‌شود و کاتیون می‌سازد. با گرفتن الکترون، تعداد الکترون‌ها بیشتر می‌شود و آنیون به وجود می‌آید؛ در این تغییر، هسته عوض نمی‌شود.

در شرایط مناسب، کلسیم دو الکترون از دست می‌دهد و به Ca2+\mathrm{Ca^{2+}} تبدیل می‌شود. اکسیژن هم دو الکترون می‌گیرد و O2−\mathrm{O^{2-}} می‌سازد. هر دو به آرایش الکترونی یک گاز نجیب می‌رسند.

جاذبهٔ قوی میان این بارهای مخالف، پیوند یونی است. مادهٔ حاصل، کلسیم اکسید با فرمول CaO\mathrm{CaO}، یک ترکیب یونی است. یون‌های این مثال تک‌اتمی‌اند؛ یعنی هر یون فقط از یک اتم ساخته شده است.

کتاب درسی، صفحهٔ ۳۸

فرمولی با مجموع بار صفر

ترکیب یونی در مجموع خنثی است، نه اینکه یون‌های آن بی‌بار باشند! باید مجموع بارهای مثبت و منفی یکدیگر را جبران کنند. برای نوشتن فرمول، کوچک‌ترین نسبت صحیح یون‌ها را پیدا می‌کنیم که این شرط را برقرار کند.

در کلسیم کلرید، هر Ca2+\mathrm{Ca^{2+}} به دو Cl−\mathrm{Cl^-} نیاز دارد؛ چون +2+2(−1)=0+2+2(-1)=0. پس فرمول آن CaCl2\mathrm{CaCl_2} است. زیروند کلر تعداد نسبی یون‌های کلرید را نشان می‌دهد؛ زیروند یک را نمی‌نویسیم.

در سدیم سولفید نیز دو یون Na+\mathrm{Na^+} بار یک یون S2−\mathrm{S^{2-}} را جبران می‌کنند و فرمول Na2S\mathrm{Na_2S} به دست می‌آید. ترکیبی که فقط از دو عنصر ساخته شده و ذره‌های سازنده‌اش یون‌اند، ترکیب یونی دوتایی است؛ «دوتایی» یعنی دو نوع عنصر، نه دو یون.

کتاب درسی، صفحهٔ ۳۸

از فرمول به نام

حالا که فرمول را می‌شناسی، نام ترکیب را هم می‌توانی بخوانی. برای ترکیب‌های یونی دوتایی این درس، ابتدا نام کاتیون و سپس نام آنیون را می‌گوییم. نام کاتیون همان نام فلز است، اما برای آنیون باید نام ویژه‌اش را بشناسی.

مثلاً آنیون اکسیژن «اکسید»، گوگرد «سولفید»، نیتروژن «نیترید» و کلر «کلرید» نام دارد. پس MgO\mathrm{MgO} را «منیزیم اکسید» و LiBr\mathrm{LiBr} را «لیتیم برمید» می‌خوانیم.

زیروندها نسبت یون‌ها را نشان می‌دهند، اما در نام‌گذاری این ترکیب‌ها آنها را نمی‌خوانیم؛ برای نمونه، K2O\mathrm{K_2O} «پتاسیم اکسید» است. برای رفتن از نام به فرمول، ابتدا یون‌ها و بارشان را مشخص کن و سپس شرط خنثی بودن را به کار ببر.

کتاب درسی، صفحهٔ ۳۹

راه دیگر: اشتراک الکترون

آیا هر پیوندی با گرفتن و دادن الکترون ساخته می‌شود؟ نه! دو اتم کلر می‌توانند به جای انتقال الکترون، آن را به اشتراک بگذارند. هر اتم کلر هفت الکترون ظرفیت دارد و یک الکترون از هر اتم در یک جفت مشترک قرار می‌گیرد.

این جفت به هر دو اتم تعلق دارد؛ بنابراین هر اتم، با حساب کردن جفت مشترک، هشت الکترون در لایهٔ ظرفیت خود دارد. این جفت الکترون یک پیوند اشتراکی یا کووالانسی می‌سازد و مولکول Cl2\mathrm{Cl_2} تشکیل می‌شود.

پس در اینجا یون مثبت و منفی نمی‌سازیم. اتم‌های نافلز در شرایط مناسب می‌توانند با پیوند اشتراکی مولکول بسازند. مواد خالصی که ذره‌های سازندهٔ آنها مولکول است، مواد مولکولی نام دارند؛ گاز کلر یکی از آنهاست.

کتاب درسی، صفحهٔ ۴۰

مثال حل‌شده

با توجه به یون‌های Al3+\mathrm{Al^{3+}} و F−\mathrm{F^-}، فرمول شیمیایی آلومینیم فلوئورید را بنویس.

  1. بار هر کاتیون آلومینیم 3+3+ و بار هر آنیون فلوئورید 1−1- است.

  2. برای جبران بار یک یون آلومینیم، سه یون فلوئورید لازم داریم.

  3. خنثی بودن را بررسی می‌کنیم: +3+3(−1)=0+3+3(-1)=0؛ پس نسبت کاتیون به آنیون 1:31:3 است.

  4. نماد کاتیون را ابتدا می‌نویسیم و زیروند یک را حذف می‌کنیم؛ فرمول نهایی AlF3\mathrm{AlF_3} است.

جواب: فرمول آلومینیم فلوئورید AlF3\mathrm{AlF_3} و نسبت یون آلومینیم به یون فلوئورید 1:31:3 است.

نکات مهم

  • با از دست دادن الکترون کاتیون و با گرفتن آن آنیون ساخته می‌شود و جاذبهٔ یون‌های مخالف، پیوند یونی است.
  • فرمول ترکیب یونی کوچک‌ترین نسبت صحیح یون‌ها با مجموع بار صفر را نشان می‌دهد و نام آن با نام کاتیون آغاز می‌شود.
  • در پیوند کووالانسی، اتم‌ها به جای انتقال کامل الکترون، جفت الکترون مشترک دارند.

تمرین تعاملی این درس (رایگان)تمرین تعاملی این درس

درس ۶ · صفحهٔ ۴۰ تا ۴۲ · حدود ۱۵ دقیقه · تولید هوش مصنوعی

تبدیل اتم‌ها به مولکول‌ها

در این درس یاد می‌گیری چگونه اشتراک الکترون‌ها مولکول می‌سازد، آرایش الکترون ــ نقطه‌ای مولکول‌های ساده را رسم کنی و از فرمول مولکولی برای محاسبۀ جرم مولی کمک بگیری.

پیش از شروع

هر اتم کلر برای کامل شدن لایۀ ظرفیتش یک الکترون کم دارد. پس دو اتم کلر که هر دو همین کمبود را دارند، چگونه می‌توانند کنار هم پایدارتر شوند؟

لازم نیست یکی از آن‌ها الکترونش را به دیگری واگذار کند؛ هر کدام یک الکترون برای اشتراک می‌آورد. جفت الکترون مشترک در شمارش الکترون‌های لایۀ ظرفیت هر دو اتم حساب می‌شود و آن‌ها را به هم پیوند می‌دهد.

پیوند با اشتراک الکترون

تا اینجا دیده‌ای که اتم‌ها می‌توانند با از دست دادن یا گرفتن الکترون، یون بسازند؛ اما تشکیل هر ترکیبی به این روش نیست. اتم‌های نافلز در شرایط مناسب می‌توانند الکترون‌هایشان را به اشتراک بگذارند و مولکول بسازند.

هر اتم کلر هفت الکترون ظرفیت دارد. وقتی دو اتم کلر نزدیک می‌شوند، هر کدام یک الکترون در اختیار پیوند می‌گذارد. این دو الکترون، یک جفت الکترون اشتراکی می‌سازند که برای هر دو اتم شمرده می‌شود؛ پس هر کلر به آرایش هشت‌تایی می‌رسد.

این جفت مشترک، یک پیوند اشتراکی یا کووالانسی است. آن را می‌توان با یک خط نشان داد: Cl−Cl\mathrm{Cl{-}Cl}. اشتراک را با انتقال اشتباه نگیر: در اینجا یکی از اتم‌ها الکترون را کاملاً به دیگری واگذار نکرده است.

کتاب درسی، صفحهٔ ۴۰

از پیوند تا فرمول مولکولی

همۀ اتم‌ها با یک جفت اشتراکی به آرایش مناسب نمی‌رسند. اکسیژن شش الکترون ظرفیت دارد؛ در O2\mathrm{O_2} دو اتم اکسیژن، دو جفت الکترون را مشترک می‌کنند. این پیوند دوگانه را با O=O\mathrm{O{=}O} نمایش می‌دهیم.

در آب، اکسیژن با هر هیدروژن یک جفت الکترون مشترک دارد. اکسیژن هشت‌تایی می‌شود، اما هر هیدروژن با دو الکترون به آرایش مناسب می‌رسد؛ پس قاعدۀ هشت‌تایی را نباید به هیدروژن تحمیل کنیم.

فرمول مولکولی می‌گوید مولکول از چه عنصرهایی و چند اتم از هر کدام ساخته شده است. در H2O\mathrm{H_2O}، زیروندِ هیدروژن یعنی دو اتم هیدروژن؛ نداشتن زیروند برای اکسیژن یعنی یک اتم اکسیژن. فرمول مولکولی به‌تنهایی شکل قرارگیری اتم‌ها را نشان نمی‌دهد. مادۀ خالصی که ذره‌های سازندۀ آن مولکول باشند، مادۀ مولکولی نام دارد.

کتاب درسی، صفحهٔ ۴۱

رسم و وارسی نقطه‌ها

برای رسم آرایش الکترون ــ نقطه‌ای، الکترون‌های ظرفیت را دنبال کن. هر جفت مشترک را میان دو اتم بگذار؛ جفت‌هایی را که در پیوند شرکت ندارند، کنار اتم خودشان نگه دار. می‌توانی به‌جای هر جفت مشترک یک خط بکشی، اما جفت‌های ناپیوندی را نباید فراموش کنی.

در HCl\mathrm{HCl} یک پیوند تشکیل می‌شود و روی کلر سه جفت ناپیوندی باقی می‌ماند. در NH3\mathrm{NH_3}، نیتروژن با سه هیدروژن سه پیوند می‌سازد و یک جفت ناپیوندی دارد. در CH4\mathrm{CH_4}، کربن چهار پیوند با چهار هیدروژن می‌سازد و جفت ناپیوندی ندارد.

در پایان رسم، یک وارسی کوتاه انجام بده: آیا هر هیدروژن دو الکترون دارد؟ آیا برای اتم مرکزیِ این نمونه‌ها هشت الکترون شمرده می‌شود؟ یادت باشد هر جفت مشترک را برای هر دو اتمِ دو سوی پیوند حساب کنی.

کتاب درسی، صفحهٔ ۴۱

از فرمول تا جرم مولی

فرمول مولکولی برای محاسبۀ جرم مولی هم راهنماست. برای این کار، جرم مولی هر نوع اتم را در شمار آن اتم در فرمول ضرب کن و سهم‌ها را با هم جمع بزن. یکای پاسخ g mol−1\mathrm{g\,mol^{-1}} است.

مثلاً برای متان، باید سهم یک اتم کربن و چهار اتم هیدروژن را در نظر بگیری؛ نه اینکه فقط جرم مولی کربن و هیدروژن را یک بار با هم جمع کنی. زیروندها در این محاسبه نقش شمارنده دارند.

پیوندها را نیز سهم جداگانه‌ای در این جمع حساب نمی‌کنیم؛ روش این درس، جمع کردن جرم مولی اتم‌های سازنده با توجه به تعداد آن‌هاست. پیش از شروع هر محاسبه، کنار فرمول برای خودت بنویس از هر عنصر چند اتم وجود دارد.

کتاب درسی، صفحهٔ ۴۱

مثال حل‌شده

آرایش الکترون ــ نقطه‌ای آمونیاک، NH3\mathrm{NH_3}، را رسم و جرم مولی آن را محاسبه کن. جرم مولی نیتروژن و هیدروژن را به‌ترتیب 14.01 g mol−114.01\ \mathrm{g\,mol^{-1}} و 1.008 g mol−11.008\ \mathrm{g\,mol^{-1}} بگیر.

  1. الکترون‌های ظرفیت را بشمار: نیتروژن پنج الکترون و هر هیدروژن یک الکترون دارد؛ پس مجموع الکترون‌های ظرفیت 5+3(1)=85+3(1)=8 است.

  2. نیتروژن را در مرکز قرار بده و میان آن و هر هیدروژن یک جفت الکترون بگذار. سه جفت، یعنی شش الکترون، در پیوندها قرار می‌گیرد و دو الکترون باقی‌مانده یک جفت ناپیوندی روی نیتروژن می‌سازد.

  3. آرایش نقطه‌ای چنین است: ⋅⋅H:N:H:H\begin{array}{ccc}&\cdot\cdot&\\ \mathrm{H}{:}&\mathrm{N}&{:}\mathrm{H}\\ &{:}&\\ &\mathrm{H}&\end{array}. وارسی کن: نیتروژن با سه جفت پیوندی و یک جفت ناپیوندی، هشت الکترون دارد و هر هیدروژن دو الکترون.

  4. از فرمول بخوان: یک اتم نیتروژن و سه اتم هیدروژن داریم؛ بنابراین M(NH3)=M(N)+3M(H)M(\mathrm{NH_3})=M(\mathrm{N})+3M(\mathrm{H}).

  5. مقدارها را جای‌گذاری کن: M(NH3)=14.01+3(1.008)=17.034 g mol−1M(\mathrm{NH_3})=14.01+3(1.008)=17.034\ \mathrm{g\,mol^{-1}}.

جواب: آمونیاک سه پیوند یگانۀ نیتروژن ــ هیدروژن و یک جفت الکترون ناپیوندی روی نیتروژن دارد؛ جرم مولی آن 17.034 g mol−117.034\ \mathrm{g\,mol^{-1}} است.

نکات مهم

  • هر پیوند کووالانسی یگانه یک جفت الکترون اشتراکی دارد که برای هر دو اتمِ پیوند شمرده می‌شود.
  • در نمونه‌های این درس، هیدروژن به آرایش دوتایی و اتم‌های کلر، اکسیژن، نیتروژن و کربن به آرایش هشت‌تایی می‌رسند.
  • فرمول مولکولی نوع و شمار اتم‌ها را مشخص می‌کند و جرم مولی از جمع سهم همین اتم‌ها به دست می‌آید.

تمرین تعاملی این درس (رایگان)تمرین تعاملی این درس

درس ۷ · صفحهٔ ۴۲ تا ۴۶ · حدود ۱۵ دقیقه · تولید هوش مصنوعی

تمرین‌های دوره‌ای

در این درس یاد می‌گیری با استفاده از آرایش الکترونی، پایستگی بار، رابطه‌های مول و الگوی طیف، تمرین‌های دوره‌ای فصل را مرحله‌به‌مرحله تحلیل کنی.

پیش از شروع

چطور می‌توان بدون دیدن اتم‌ها، فهمید در یک تکه سفال قدیمی چه فلزهایی وجود دارد؟

اتم‌های برانگیخته هنگام بازگشت به حالت‌های کم‌انرژی‌تر، نورهایی با طول موج‌های مشخص گسیل می‌کنند. الگوی این نورها مانند اثر انگشت عنصر است؛ با مقایسهٔ آن با الگوهای شناخته‌شده می‌توان فلزهای نمونه را شناسایی کرد.

از آرایش تا جایگاه و ایزوتوپ

این تمرین‌ها را با یک نقشهٔ راه شروع کن: عدد اتمی ← تعداد الکترون ← آرایش الکترونی ← جایگاه در جدول. در اتم خنثی، تعداد الکترون‌ها با پروتون‌ها برابر است. برای آهن، آرایش فشرده برابر [Ar] 3d6 4s2[\mathrm{Ar}]\,3d^6\,4s^2 است. بزرگ‌ترین شمارهٔ لایه، دوره را مشخص می‌کند؛ بنابراین آهن در دورهٔ چهارم قرار دارد. آهن از عنصرهای دستهٔ dd و در گروه هشتم است؛ برای عنصرهای واسطه نباید گروه را فقط از تعداد الکترون‌های بیرونی‌ترین لایه حدس زد.

ایزوتوپ‌های یک عنصر، پروتون‌های برابر ولی نوترون‌های متفاوت دارند. پس اتم‌های خنثی آن‌ها در حالت پایه، آرایش الکترونی و جایگاه یکسان دارند؛ این همان دلیل هم‌مکانی آن‌ها در جدول است.

جرم اتمی میانگین به فراوانی ایزوتوپ‌ها هم وابسته است: m‾=∑fimi\overline{m}=\sum f_i m_i؛ در این رابطه fif_i سهم فراوانی و مجموع سهم‌ها برابر 11 است. مانند میانگین نمره‌های ضریب‌دار، سهم بیشتر یعنی اثر بیشتر. اگر جرم دقیق ایزوتوپ‌ها داده نشده باشد، در تمرین‌های تقریبی می‌توان عدد جرمی را به‌جای جرم ایزوتوپی به کار برد.

کتاب درسی، صفحهٔ ۴۲

انتقال یا اشتراک الکترون؟

در آرایش الکترون‌ـ‌نقطه‌ای، نماد عنصر را با نقطه‌هایی برای الکترون‌های ظرفیت نشان می‌دهیم. برای عنصرهای اصلی، این نقطه‌ها کمک می‌کنند رفتار اتم را پیش‌بینی کنیم: فلزها معمولاً الکترون از دست می‌دهند و نافلزها الکترون می‌گیرند یا به اشتراک می‌گذارند.

در تشکیل ترکیب یونی، الکترون منتقل می‌شود، اما فرمول نهایی باید از نظر بار خنثی باشد. مثلاً کنار یون Ca2+\mathrm{Ca^{2+}} و یون N3−\mathrm{N^{3-}} باید نسبتی انتخاب شود که مجموع بارهای مثبت و منفی برابر شود؛ صرفاً کنار هم نوشتن نماد دو عنصر کافی نیست. زیروندها ساده‌ترین نسبت تعداد یون‌ها را نشان می‌دهند. در نام‌گذاری نیز نام کاتیون پیش از نام آنیون می‌آید؛ مانند پتاسیم فلوئورید.

در مولکول‌ها، به‌جای انتقال کامل، الکترون‌ها مشترک می‌شوند. هر جفت مشترک یک پیوند است. برای مولکول‌های دواتمی هیدروژن و هالوژن‌ها پیوند یگانه، برای اکسیژن پیوند دوگانه و برای نیتروژن پیوند سه‌گانه داریم. در رسم ساختار، جفت‌های ناپیوندی را هم نشان بده؛ هیدروژن با دو الکترون و اتم‌های نافلزی مطرح‌شده در این تمرین‌ها معمولاً با هشت الکترون در لایهٔ ظرفیت پایدار می‌شوند.

کتاب درسی، صفحهٔ ۴۲

پل جرم، مول و تعداد ذره

برای حل پرسش‌های جرم و تعداد ذره، سه کمیت را جدا نگه دار: جرم نمونه با نماد mm، مقدار ماده با نماد nn و تعداد ذره‌ها با نماد NN. پل ارتباطی آن‌ها این دو رابطه است: n=mMn=\frac{m}{M} و N=nNAN=nN_A. در اینجا MM جرم مولی برحسب g mol−1\mathrm{g\,mol^{-1}} و NA≃6.02×1023 mol−1N_A\simeq6.02\times10^{23}\,\mathrm{mol^{-1}} است.

جرم یک مولکول از جمع جرم اتم‌های سازنده‌اش به‌دست می‌آید؛ زیروند هر عنصر می‌گوید جرم آن اتم چند بار در جمع وارد شود. در CO2\mathrm{CO_2} باید جرم یک اتم کربن و دو اتم اکسیژن را جمع کنی.

عدد جرم یک مولکول برحسب amu\mathrm{amu} و عدد جرم مولی همان ماده برحسب g mol−1\mathrm{g\,mol^{-1}} یکسان است، اما معنا و واحدشان فرق دارد. یکی دربارهٔ یک مولکول است و دیگری دربارهٔ یک مول مولکول. همچنین برای یافتن جرم مولی از جرم متوسط هر اتم برحسب گرم، آن جرم را در ثابت آووگادرو ضرب می‌کنیم.

کتاب درسی، صفحهٔ ۴۴

خواندن اثر انگشت نوری

در پرسش درخشش خیارشور و شناسایی فلزهای سفال، یک ایدهٔ مشترک داریم: انرژی گرفتن و نور گسیل کردن. انرژی می‌تواند الکترون اتم را به حالت پرانرژی‌تر ببرد. هنگام بازگشت به حالت کم‌انرژی‌تر، اختلاف انرژی به شکل نور آزاد می‌شود. چون ترازهای انرژی هر عنصر مشخص‌اند، فقط طول موج‌های معینی دیده می‌شود؛ به همین دلیل طیف، خطی است نه نواری پیوسته.

برای شناسایی یک نمونه، جای خط‌های آن را با طیف عنصرهای مرجع مقایسه کن. نمونهٔ دارای چند عنصر می‌تواند مجموعه‌ای از خط‌های آن‌ها را نشان دهد. مانند تشخیص چند ساز در یک قطعهٔ موسیقی، باید دنبال چند نشانهٔ هماهنگ بگردی، نه فقط یک شباهت.

ممکن است یک خط بین چند عنصر مشترک باشد؛ پس یک خط به‌تنهایی معمولاً کافی نیست. همچنین ندیدن یک خط ضعیف، لزوماً نبودن عنصر را ثابت نمی‌کند. در آزمایش خیارشور، نور رنگی عمدتاً به گونه‌های سدیم مربوط است. این آزمایش با برق شهر خطرناک است و نباید بیرون از آزمایشگاه مجهز و بدون نظارت معلم انجام شود.

کتاب درسی، صفحهٔ ۴۵

شمارش دقیق در اتم و یون

در پرسش‌های پایانی، اول مشخص کن چه چیزی را می‌شماری. اگر عدد اتمی ZZ و عدد جرمی AA باشد، شمار پروتون‌ها p=Zp=Z و شمار نوترون‌ها Nn=A−ZN_n=A-Z است. برای یون با بار qq، اگر علامت بار را هم در نظر بگیریم، شمار الکترون‌ها e=Z−qe=Z-q می‌شود. پس یون مثبت الکترون کمتری دارد، اما یون شدن تعداد پروتون و نوترون را تغییر نمی‌دهد. برای مقایسهٔ نوترون‌ها، خودِ عدد جرمی کافی نیست.

بیرونی‌ترین لایه و بیرونی‌ترین زیرلایه یکی نیستند. بیرونی‌ترین لایه بزرگ‌ترین عدد اصلی را دارد؛ بیرونی‌ترین زیرلایه در این تمرین، زیرلایهٔ اشغال‌شدهٔ پرانرژی‌تر است. آرایش پایهٔ مس استثناست: [Ar] 3d10 4s1[\mathrm{Ar}]\,3d^{10}\,4s^1. مس در دورهٔ چهارم و گروه یازدهم قرار دارد؛ لایهٔ بیرونی آن یک الکترون، ولی زیرلایهٔ 3d3d ده الکترون دارد.

برای شمارش برحسب عدد کوانتومی، l=0l=0 مربوط به همهٔ زیرلایه‌های ss و l=2l=2 مربوط به همهٔ زیرلایه‌های dd است؛ فقط آخرین زیرلایه را نشمار. ظرفیت زیرلایه‌های s,p,ds,p,d به‌ترتیب 2,6,102,6,10 الکترون است. زیرلایهٔ نیمه‌پر نصف ظرفیت خود را دارد؛ همچنین در آرایش نقطه‌ای، ابتدا نقطه‌ها را تک‌تک در چهار سوی نماد قرار می‌دهیم و سپس جفت می‌کنیم.

کتاب درسی، صفحهٔ ۴۶

مثال حل‌شده

در 0.36 g0.36\,\mathrm{g} گرافیت خالص، چند مول کربن و چند اتم کربن وجود دارد؟ جرم مولی کربن را تقریباً 12.0 g mol−112.0\,\mathrm{g\,mol^{-1}} در نظر بگیر.

  1. گرافیت خالص از کربن ساخته شده است؛ پس جرم داده‌شده همان جرم کربن است: m=0.36 gm=0.36\,\mathrm{g}.

  2. برای رسیدن از جرم به مول، بر جرم مولی تقسیم می‌کنیم: n=mM=0.36 g12.0 g mol−1=0.030 moln=\frac{m}{M}=\frac{0.36\,\mathrm{g}}{12.0\,\mathrm{g\,mol^{-1}}}=0.030\,\mathrm{mol}.

  3. هر مول کربن تقریباً 6.02×10236.02\times10^{23} اتم دارد؛ بنابراین N=nNA=(0.030 mol)(6.02×1023 mol−1)=1.806×1022N=nN_A=(0.030\,\mathrm{mol})(6.02\times10^{23}\,\mathrm{mol^{-1}})=1.806\times10^{22} اتم.

  4. با گرد کردن متناسب با دادهٔ مسئله، تعداد اتم‌ها تقریباً 1.8×10221.8\times10^{22} است؛ دقت کن که ذره‌های شمرده‌شده اتم کربن‌اند، نه مولکول گرافیت.

جواب: در 0.36 g0.36\,\mathrm{g} گرافیت خالص، تقریباً 0.030 mol0.030\,\mathrm{mol} کربن و 1.8×10221.8\times10^{22} اتم کربن وجود دارد.

نکات مهم

  • آرایش الکترونی به شناخت جایگاه و رفتار اتم کمک می‌کند؛ ایزوتوپ‌ها در نوترون و یون‌ها در الکترون تفاوت دارند.
  • در ترکیب یونی، نسبت یون‌ها باید بار کل را صفر کند و در مولکول، جفت‌های الکترونی مشترک پیوند می‌سازند.
  • جرم را با جرم مولی به مول و مول را با ثابت آووگادرو به تعداد ذره تبدیل می‌کنیم؛ برای شناسایی عنصر نیز الگوی چند خط طیفی را می‌سنجیم.

تمرین تعاملی این درس (رایگان)تمرین تعاملی این درس

حالا خودت را بسنج: نمونه سوال این فصل با جواب (فصل ۱ شیمی دهم)

درس‌های فصل ۱ را تعاملی بخوان

در پنل یادگیری 1xAi هر کدام از این درس‌ها قدم به قدم پیش می‌رود: بعد از هر بخش یک سوال کوتاه، بعد مثال حل‌شده و در پایان برگهٔ خروج. جوابت ثبت می‌شود و سوال‌های هر درس در روزهای بعد برای مرور برمی‌گردند. درس‌های تعاملی رایگان‌اند؛ فقط تصحیح پاسخ کوتاه سهمیهٔ روزانهٔ رایگان دارد.

ساختن حساب رایگان است و بعد از ثبت‌نام مستقیم به همین بخش از پنل برمی‌گردی.

فصل ۱ شیمی دهم · رایگان