تبیان، دستیار زندگی

قسمت اول شیمی 2

پرتو زایی

در حالی که تامسون روی پرتوهای کاتدی آزمایش کرد، هم زمان بکرل فیزیک دانی که روی خاصیت فسفر سانس مواد شیمیایی کار می کرد با پدیده ی جالبی روبرو شد. این پدیده پرتوزایی و مواد دارای این خاصیت پرتوزا نامیده شد. 

بعد از آن رادرفورد به این موضوع علاقه مند شد و پس از سالها تلاش فهمید، این تابش خود ترکیبی از سه نوع تابش مختلف آلفا ، بتا، و لاندا می باشد.

تامسون پس از کشف الکترون ساختاری برای اتم پیشنهاد کرد که در آن الکترون ها با بار منفی در فضای ابر گونه با بار مثبت پراکنده اند و جرم اتم را مربوط به جرم الکترون ها می دانست ، حال آنکه فضای ابرگونه مثبت را بدو ن جرم می دانست.

رادرفورد نتوانست تشکیل تابشهای حاصل از مواد پرتوزا را به کمک مدل اتمی تامسون توجیه کند. و پس از آزمایشهای بسیار ، نادرست بودن مدل تامسون را اثبات کرد. او در آزمایش خود ورقه نازکی از طلا را با ذرههای آلفا بمباران کرد، به امید آنکه همه ی ذره های پرانرژی و سنگین آلفا که دارای بار مثبت نیز هستند با کمترین انحراف از این ورقه نازک طلا عبور کنند. اما مشاهده کرد که تعداد کمی از ذرات منصرف شده خارج می شوند و تعداد بسیار کمی از آن به طور کامل منحرف شده و به عقب برمی گردند.

پس نتیجه گرفت که حتماً یک هسته کوچک در مرکز اتم وجود دارد که محل تمرکز بارهای مثبت است و تقریباً تمام جرم اتم نیز در درون این هسته است که توانایی به عقب راندن ذره های سنگین و پرانرژی آلفا را دارد. 
رادرفورد با استفاده از نتایج این آزمایش مدل «اتم هسته دار» را پیشنهاد کرد.

دیگر ذره های سازنده اتم

پروتون ذره ای با بار نسبی +۱ و جرمی ۱۸۳۷ با رسنگین تر از جرم الکترون ، دومین ذره ی سازنده اتم است. 
نوترون ذره ای است که بار الکتریکی ندارد و جرم آن برابر جرم پروتون است ، سومین ذره ی سازنده اتم است. 
عدد اتمی ، عددی است که تعداد پرتون ها را در اتم مشخص می کند و با Z نشان داده می شود. 
از آنجا که اتم ذره ای خنثی است، بنابر این تعداد الکترونها و پروتونهای آن باید برابر باشد، پس عدد اتمی تعداد الکترونها در یک اتم را نیز مشخص می کند.

عدد جرمی و ایزوتوپها

به مجموع تعداد پروتونها و نوترونهای یک اتم عدد جرمی می گویند. عدد جرمی با A نشان داده می شود. A = Z+ N 
اندازه گیری جرم اتمها با کمک دستگاه طیف سنج نشان می دهد که همه اتمهای یک عنصر جرم یکسانی ندارند. از آنجا که عدد اتمی در واقع تعداد پروتونها در همه اتمهای یک عنصر یکسان است، پس تفاوت جرم باید مربوط به تعداد نوترونهای موجود در هسته ی اتم باشد. این مطالعات به معرفی مفهوم ایزوتوپ انجامید. ایزوتوپها اتمهای یک عنصر هستند که عدد اتمی یکسان و عدد جرمی متفاوت دارند. برای مثال آزمایشها وجود دو ایزوتوپ کلر – ۳۵ (CL۳۵۱۷) و کلر – ۳۷ (CL۳۷۱۷) را به اثبات رسانده است.

 جرم یک اتم

شیم دانها برای بیان جرم عنصرها بدین صورت عمل کردند که فراوان ترین ایزوتوپ کربن یعنی کربن ۱۲ (126C) را بعنوان استاندارد انتخاب کردند و جرم عنصرهای دیگر را با استفاده از نسبتهایی که در محاسبات آزمایشگاهی بدست آمده بود، بیان کردند. 

به عنوان مثال جرم اتم اکسیژن ۱/۳۳ برابر جرم اتم کربن است. با توجه به اینکه جرم اتم کربن ۱۲ می باشد جرم اتم اکسیژن را محاسبه کرد. در این مقیاس جرم اتم اکسیژن برابر۱۶/۰۰۰ خواهد شد. 

واحد جرم اتمی amu است که کوتاه شده ی عبارت atomic mass unitاست. در این مقیاس جرم پروتون و نوترون lamu است. 
با توجه به وجود ایزوتوپها و تفاوت در فراوانی آنها، برای گزارش جرم نمونه های طبیعی از اتم عنصرهای مختلف جرم اتمی میانگین بکار می رود.

طیف نشری خطی

رابرت بونزن شیمیدان آلمانی دستگاه طیف بین را طراحی کرد. هنگامی که او مقداری از یک ترکیب مس دار مانند کات کبود را در شعله ی مشعل دستگاه قرار داد، مشاهده کرد که شعله از آبی و سبز تغییر رنگ داد. او این نور سبز رنگ را از یک منشور عبور داد و الگویی مانند شکل ۴ بدست آورد. او این الگو را طیف نشری خطی نامید. هر فلز طیف نشری خطی خاص خود را داراست و مانند اثر انگشت می توان از این طیف برای شناسایی فلز مورد نظر بهره گرفت.

مدل اتمی بور

در سال ۱۹۱۳ نیلز بور دانشمند دانمارکی مدل تازه ای را برای اتم هیدروژن با فرضهای زیر ارائه کرد: 
1– الکترو در اتم هیدروژن در مسیری دایره ای شکل به دور هسته گردش می کند. 
2– انرژی الکترون با فاصله ی آن از هسته رابطه مستقیم دارد. 
3– این الکترون فقط می تواند در فاصله های معین و ثابتی پیرامون هسته گردش کند. در واقع الکترون تنها مجاز است که مقادیر معینی انرژی را بپذیرد. به هریک از این مسیرهای دایره ای، تراز انرژی می گویند. 
4– این الکترون معمولاً در پائین ترین تراز انرژی ممکن قرار دارد. به این تراز انرژی حالت پایه می گویند. 
5– با دادن مقدار معینی انرژی به این الکترون می توان آن را از حالت پایه (ترازی با انرژی کمتر) به حالت برانگیخته (ترازی با انرژی بالاتر) انتقال داد 
6– الکترون در حالت برانگیخته ناپایدار است ، از این رو همان مقدار انرژی را که پیش از این گرفته بود از دست می دهد و به حالت پایه برمی گردد. 
به این گونه انرژی که بصورت یک بسته ی انرژی مبادله می شود، انرژی کوانتومی یا پیمانه ای می گویند. بور با کوانتیده در نظر گرفتن ترازهای انرژی توانست طیف نشری خطی هیدروژن را توجیه کند.

مدل کوانتومی اتم

این مدل در سال ۱۹۲۶ توسط اروین شرودینگر مطرح شد. وی در این مدل از حضور الکترون در فضایی سه بعدی به نام اوربیتال سخن به میان آورد. همانگونه که برای مشخص کردن موقعیت یک جسم در فضا به سه عدد (طول ، عرض و ارتفاع) نیاز است، برای مشخص کردن هر یک از اوربیتالهای یک اتم نیز به چنین داده هایی نیاز داریم. شرودینگر به این منظور از سه عدد M1 و L و n استفاده کرد که عددهای کوانتومی خوانده می شوند.

 عدد کوانتومی اصلی (n) :

عددی است که بور برای مشخص کردن ترازهای انرژی یا همان لایه های الکترونی بکار برد. ۱= n پایدارترین لایه انرزی را نشان می دهد. هر چه n بالاتر رود سطح انرژی لایه های الکترونی افزایش می یابد و فاصله ی آن لایه از هسته دورتر می شود. لایه های الکترونی خود از گروههای کوچک تر به نام زیر لایه تشکیل شده اند.عدد n تعداد زیر لایه های هر لایه را هم مشخص می کند. مثلاً در لایه الکترونی ۲= n دو زیر لایه وجود دارد. 

عدد کوانتومی اوربیتالی (L) نشان دهنده ی شکل ، انرژی و تعداد اوربیتال ها است. 
L می تواند مقادیر ۰ تا 1 - n را در بر بگیرد. 

1 اوربیتال کردی; L=0 -> S 
اوربیتال دمبلی; L=1 -> 3P 
5 اوربیتال; L=2 -> D 
7 اوربیتال ; L=3 -> F 

عدد کوانتومی مغناطیسی (۱m) : 
جهت گیری اوربیتالها را در فضا معین می کند. ۱m می تواند مقادیری از L – تا L + دارا باشد. با در نظر گرفتن محورهای X ، y ، z قرار می گیرد و به صورت pX ؛ pY ؛ pZ نشان داده می شود. برای آدرس دادن اوربیتال ها به شیوه ی زیر عمل می شود: 

برای مثال2px نشان می دهد که این اوربیتال دمبلی شکل در لایه های الکترونی دوم و در زیر لایه ی p قرار دارد و در راستای محور Xها جهت گیری کرده است. 

عدد کوانتومی مغناطیسی اسپین (MS) : مربوط به جهت حرکت الکترون به دور خودش است. دانشمندان افزون بر حرکت اوربیتالی ، یک حرکت اسپینی نیز به الکترون نسبت داده اند (حرکت الکترون به دور خود MS تنها دو مقدار (½+ برای چرخش در جهت عقربه های ساعت و ½- برای چرخش در خلاف جهت حرکت عقربه های ساعت) دارد. 

طبق اصل پائولی در هر اوربیتال حداکثر دو الکترون آن هم با اسپین مخالف قرار می گیرند. 

اگر برای رسم آرایش الکترونی اتم عنصرهای دیگر از اتم هیدروژن شروع کنیم و سپس یک به یک بر تعداد پروتونهای درون هسته بیفزائیم، بدین گونه اتم عنصرهای سنگین تر از هیدروژن را به ترتیب افزایش عدد اتمی ساخته ایم. به این شیوه، اصل آفبا می گویند. 

قسمت اول سوالات تستی

پاسخنامه کلیدی بخش اول سوالات تستی

بخش دوم شیمی دوم دبیرستان

ویژگی های گروهی عنصرها 
فلزها: 

مانند عنصرهای قلیایی ، قلیایی خاکی ، واسطه و ... با خواص رسانایی برق و الکتریسته و چکش خواری و شکل پذیری و دارا بودن سطح براق 

نافلزها : 
بر خلاف فلزات رسانا نیستند و چکش خوار نیستند و شکننده اند مثل گوگرد. 
برخی نافلزها مثل اکسیژن و نیتروژن در فشار atm ۱ و دمای اتاق به صورت گاز هستند. 

شبه فلزها: 
اگر یک عنصر را نتوان جزو فلزها یا نافلزها طبقه بندی کرد ، آن را جزو شبه فلزها قرار می دهیم مثل سیلیسیم.

گروهای عناصر 

گروه اول – فلزهای قلیایی

این عنصرها همگی فلزهایی نرم و واکنش پذیر هستند. سطح آنها براق است و در مجاورت هوا به سرعت، با اکسیژن هوا ترکیب می شوند. این فلزها دارای خواص شیمیایی و فیزیکی مشابه هستند. آرایش الکترونی آنها، بعد از گاز نجیب ماقبلشان به صورت ۱ ns است و بشدت تمایل دارند که تنها الکترون لایه آخرشان را از دست بدهند تا به آرایش گاز نجیب ماقبلشان برسند.

گروه دوم – فلزهای قلیایی خاکی

این عنصرها نسبت به گروه فلزهای قلیایی سفت تر و چگالتر هستند و نقطه ذوب بالاتری دارند. 
واکنش پذیری شیمیایی آنها نسبت به فلزهای قلیایی کمتر است. آرایش الکترونی آنها بعد از گاز نجیب ماقبلشان به صورت Ns2 است و تمایل دارند که دو الکترون لایه آخرشان را از دست بدهند تا به آرایش گاز نجیب ماقبلشان برسند.

گروههای سوم تا دوازدهم – عنصرهای واسطه

این عنصرها همگی فلز هستند. بجز جیوه ، این فلزها از فلزهای قلیایی و قلیایی خاکی سخت تر ،چگال تر و دیر ذوب تر هستند. اوربیتالهای زیر لایه ی d آنها در حال پرشدن است. 
دو دسته دیگر از عنصرها که عنصرهای واسطه داخلی نامیده می شوند لانتانیدها و آکتینیدها هستند. 
لانتانیدها فلزهایی براق با واکنش پذیری بالا هستند. اکتینیدها هسته ی ناپایدار دارند و به این علت از جمله عنصرهای پرتوزا بشمار می روند. مشهورترین اکتنیدها اورانیم است.

گروههای سیزدهم تا هجدهم

این عنصرها برخی فلزها، نافلزها، شبه فلزها و گازهای نجیب را شامل می شود. اوربیتال P در حال پرشدن است. از میان آنها گروه هفدهم و هجدهم نامهای اختصاصی هالوژنها و گازهای نجیب را دارند. 
هالوژن ها واکنش پذیرترین نافلزها هستند. آرایش الکترونی آنها به صورت ۵ np است و به شدت تمایل دارند که یک الکترون گرفته و به آرایش گاز نجیب بعد از خودشان برسند. هالوژن در زبان لاتین به معنای نمک ساز است.

گازهای نجیب یا گازهای بی اثر معمولاً در واکنشهای شیمیایی شرکت نمی کنند. همه اوربیتالهای S و P آنها در لایه ظرفیت پرهستند.

ه این ترتیب مشاهده می شود که در هر تناوب از چپ به راست خواص فلزی کاهش یافته و خواص نافلزی افزایش می یابد. در انتهای هر تناوب نیز یک گاز نجیب وجود دارد.