درسنامه آموزشی شیمی (1) کلاس دهم رشته ریاضی و تجربی
فصل اول: کشف ساختار اتم
اتم هیدروژن به عنوان سادهترین اتم، تنها دارای یک پروتون در هسته و یک الکترون پیرامون آن است. در گسترۀ مرئی طیف نشری خطی به دست آمده از اتمهای آن، وجود چهار خط یا نوار رنگی با طول موج و انرژی معین، تأیید شده است. از آنجاکه هر نوار رنگی در طیف نشری خطی، نوری با طول موج و انرژی معین را نشان میدهد، نیلز بور بر این باور بود که از بررسی تعداد و جایگاه آنها، میتوان اطلاعات ارزشمندی از ساختار اتم هیدروژن به دست آورد. او پس از پژوهشهای بسیار، توانست مدلی برای اتم هیدروژن ارائه کند. اگرچه مدل بور با موفقیت توانست طیف نشری خطی هیدروژن را توجیه کند اما توانایی توجیه طیف نشری خطی دیگر عنصرها را نداشت.
دانشمندان به دنبال توجیه و علت ایجاد طیف نشری خطی دیگر عنصرها و نیز چگونگی نشر نور از اتمها، ساختاری لایهای برای اتم ارائه کردند (شکل 18). در این مدل، اتم را کرهای در نظر میگیرند که هسته در فضایی بسیار کوچک و در مرکز آن جای دارد و الکترونها در فضایی بسیار بزرگتر و در لایههایی پیرامون هسته توزیع میشوند. این لایهها را از هسته به سمت بیرون شمارهگذاری میکنند و شمارۀ هر لایه را با n. نمایش میدهند n، عدد کوانتومی اصلی نامیده میشود که برای لایۀ اول n=1، برای لایۀ دوم n=2، ... و برای لایۀ هفتم n=7 است.
آیا میدانید
نیلز بور (1962- 1885 میلادی) فیزیکدان دانمارکی در سال 1922 جایزه نوبل در فیزیک را از آن خود کرد. وی با در نظر گرفتن اینکه الکترون در اتم هیدروژن انرژی معینی دارد، مدلی را برای اتم هیدروژن ارائه کرد. وی موفق شد با این مدل، طیف نشری هیدروژن را به خوبی توضیح دهد. مدل اتمی وی اگرچه عمر زیادی نداشت ولی گام بسیار مهمی برای بهبود نگرش دانشمندان نسبت به ساختار اتم بود.
در ساختار لایهای اتم، مطابق شکل 18، هر بخش پررنگ، مهمترین بخش از یک لایۀ الکترونی را نشان میدهد. بخشی که الکترونهای آن لایه، بیشتر وقت خود را در آن فاصله از هسته سپری میکنند به این معنا که الکترون در هر لایهای که باشد در همۀ نقاط پیرامون هسته حضور مییابد اما در محدودۀ یاد شده احتمال حضور بیشتری دارد.
نکتۀ مهم و جالب توجه در این مدل، کوانتومی بودن داد و ستد انرژی هنگام انتقال الکترون از یک لایه به لایۀ دیگر است. در واقع الکترون هنگام انتقال از یک لایه به لایۀ دیگر، انرژی را به صورت پیمانهای یا بستههای معین، جذب یا نشر میکند. برای درک بهتر مفهوم کوانتومی بودن انرژی، تصور کنید برای رسیدن به بالای یک بلندی دو راه وجود دارد، (شکل 19).
در راه اول میتوان از پلکان بالا رفت. بدیهی است که برای بالا رفتن از پلکان، باید پا روی هر پله گذاشت و با صرف انرژی از یک پله به پلۀ بالایی رفت. توجه کنید که هرگز نمیتوان جایی میان دو پله ایستاد. همچنین برای بالا رفتن از هر پله باید انرژی معین و کافی صرف کرد تا بدن را از آن پله به پلۀ بعدی بالا بکشد؛ زیرا اگر انرژی به کار رفته کمتر از این مقدار انرژی باشد، دیگر نمیتوان به پلۀ بالاتر رسید (شکل 19- آ). در راه دوم برای رسیدن به بالای این سربالایی، باید از یک مسیر هموار بالا رفت. در این راه، دیگر مشکل راه اول وجود ندارد، زیرا در هر لحظه و به هر اندازه میتوان بالا رفت؛ هر جایی که ممکن است، ایستاد و به هر مقدار دلخواهی انرژی صرف کرد (شکل 19- ب)؛ با این توصیف در میان این دو راه، هنگام بالا رفتن از پلکان محدودیت آشکاری وجود دارد.
الکترونها در اتم نیز برای گرفتن یا از دست دادن انرژی هنگام انتقال بین لایهها با محدودیت مشابهی همانند بالا رفتن از پلکان روبه رو هستند؛ برای نمونه، هنگامی که به اتمهای گازی یک عنصر با تابش نور یا گرم کردن، انرژی داده میشود، الکترونها با جذب انرژی معین از لایهای به لایۀ بالاتر انتقال مییابند. از سوی دیگر هر چه مقدار انرژی جذب شده بیشتر باشد، الکترونها به لایههای بالاتری انتقال مییابند (شکل 20).
با این توصیف انرژی داد و ستد شده هنگام انتقال الکترونها در اتم، کوانتومی است و انرژی در پیمانههای معینی، جذب یا نشر میشود؛ به همین دلیل، چنین ساختاری را برای اتم، مدل کوانتومی اتم نامیدهاند. براساس این مدل، الکترونها در هر لایه، آرایش و انرژی معینی دارند و اتم از پایداری نسبی برخوردار است به طوری که گفته میشود اتم در حالت پایه قرار دارد. در این ساختار، انرژی الکترونها در اتم با افزایش فاصله از هسته فزونی مییابد. حال اگر به اتمها در حالت پایه انرژی داده شود، الکترونهای آنها با جذب انرژی به لایههای بالاتر انتقال مییابد. به اتمها در چنین حالتی، اتمهای برانگیخته میگویند (شکل 21).
هیچ کس نمیتواند جایی میان پلههای این نردبان بایستد، همان گونه که الکترونها میان دو لایه، انرژی معین و تعریف شدهای ندارند. این شیوۀ نردبانی دریافت یا از دست دادن انرژی را شیوۀ کوانتومی مینامند.
اتمهای برانگیخته پرانرژی و ناپایدارند؛ از این رو تمایل دارند دوباره با از دست دادن انرژی به حالت پایدارتر و در نهایت به حالت پایه برگردند. از آنجاکه برای الکترون، نشر نور، مناسبترین شیوه برای از دست دادن انرژی است، الکترونها در اتم برانگیخته، هنگام بازگشت به حالت پایه، نوری با طول موج معین نشر میکنند.
اینک میتوان گفت هر نوار رنگی در طیف نشری خطی هر عنصر، پرتوهای نشر شده هنگام بازگشت الکترونها را از لایههای بالاتر به لایههای پایین تر نشان میدهد. از آنجاکه انرژی لایههای الکترونی پیرامون هستۀ هر اتم ویژۀ همان اتم بوده و به عدد اتمی آن وابسته است، پس انرژی لایهها و تفاوت انرژی میان آنها در اتم عنصرهای گوناگون، متفاوت است و انتظار میرود هر عنصر، طیف نشری خطی منحصر به فردی ایجاد کند (شکل 22).
با تعیین دقیق طول موج نوارهای یادشده میتوان به تصویر دقیقی از انرژی لایههای الکترونی و در واقع آرایش الکترونی اتم دست یافت.
توزیع الکترونها درلایهها و زیرلایهها
عنصرها در جدول دورهای برمبنای عدد اتمی یا تعداد الکترونهای اتم خود، چیده شدهاند. به طوری که اتم هیدروژن با یک الکترون و اتم هلیم با دو الکترون به ترتیب اولین و دومین عنصر جدول است. این روند تا عنصر 118 جدول دورهای ادامه مییابد و اتم هر عنصر نسبت به اتم عنصر پیش از خود، یک الکترون بیشتر دارد.
از سوی دیگر اتم، ساختار لایهای دارد و الکترونها در لایههای پیرامون هسته با نظم ویژهای حضور دارند به گونهای که در عنصرهای ردیف اول، لایۀ الکترونی اول و در عنصرهای دورۀ دوم، لایۀ دوم از الکترون پر میشود. آیا به نظر شما میان تعداد عنصرهای موجود در هر دوره و گنجایش لایههای الکترونی رابطهای هست؟
همانگونه که در جدول مشاهده میکنید در دورۀ اول فقط 2 عنصر (هیدورژن و هلیم) وجود دارد که در اتم آنها، لایۀ الکترونی اول ($n=1$) در حال پرشدن است. این لایه، نزدیکترین لایه به هسته است و تنها میتواند 2 الکترون را در خود جای دهد. از آنجا که لایۀ اول حداکثر 2 الکترون گنجایش دارد، شاید بتوان گفت به همین دلیل در دورۀ اول فقط 2 عنصر وجود دارد؛ اما اتم عنصرهای دورۀ دوم، دارای دو لایۀ الکترونی است ($n=2$). در اتم این عنصرها، هر دو لایه دارای الکترون بوده بهطوری که لایۀ اول پر شده و لایۀ دوم در حال پرشدن است؛ با این توصیف لایۀ دوم حداکثر با 8 الکترون پر میشود (چرا؟). آیا میتوان بین چیدمان 8 عنصر دورۀ دوم در جدول و شیوۀ پر شدن لایۀ دوم در اتم آنها ارتباطی یافت؟ آیا لایۀ الکترونی دوم، لایهای یکپارچه است یا از چند بخش تشکیل شده است؟
با هم بیندیشیم (صفحهٔ 28 کتاب درسی)
1- یک دانشجوی رشتۀ شیمی، جدول دورهای را به دقت بررسی و عنصرهای هر دوره را شمارش کرد. او میان تعداد عنصرهای یک دوره و شیوۀ پرشدن لایههای الکترونی در اتم عنصرها، ارتباطی کشف کرد. او نخست عنصرها را در چهار دسته قرار داد و هر یک را با رنگی مشخص کرد؛ سپس فرض نمود که هر لایه، خود از بخشهای کوچکتری تشکیل شده است به طوری که میان تعداد عنصرها در هر دستۀ رنگی از هر ردیف با گنجایش الکترونی هر یک از این بخشهای کوچکتر، رابطهای منطقی برقرار است.
آ) در هر دسته از عنصرهای نشان داده شده با رنگهای نارنجی، سبز، آبی و زرد در هر ردیف به ترتیب چند عنصر وجود دارد؟
| رنگ | نارنجی | سبز | آبی | زرد |
|---|---|---|---|---|
| تعداد عنصر | 14 | 30 | 36 | 28 |
ب) لایۀ دوم از چند بخش تشکیل شده است؟ گنجایش هر یک از این بخشها چند الکترون است؟
لایهی دوم از دو بخش تشکیل شده است که دارای 2 و 6 الکترون میباشند.
پ) او هر یک از این بخشها را یک زیرلایه نامید؛ با این توصیف در اتم چند نوع زیرلایه وجود دارد و هر یک چند الکترون گنجایش دارد؟
در اتم 4 نوع زیر لایه با گنجایش (2 و 6 و 10 و 14) الکترونی وجود دارد.
2- او گنجایش الکترونی زیرلایهها را به عنوان چهار جملۀ نخست یک دنباله به صورت زیر در نظر گرفت:
$2$، $6$، $10$، $14$، $..........$
آ) جملهٔ عمومی ($a_1$) این دنباله را به دست آورید. $(1\ge 0)$
${{a}_{l}}=4l+2$
ب) مقدار مجاز $l$ را برای هر زیر لایه تعیین و جدول زیر را کامل کنید.
| زیر لایه | 2 الکترون | 6 الکترون | 10 الکترون | 14 الکترون |
|---|---|---|---|---|
| مقدار مجاز $l$ | 0 | 1 | 2 | 3 |
پ) در مدل کوانتومی اتم به هر نوع زیرلایه یک عدد کوانتومی نسبت میدهند. این عدد کوانتومی با نماد $l$ نشان داده شده و عدد کوانتومی فرعی نامیده میشود. مقادیر معین و مجاز آن به صورت زیر است:
$l=0$ , $1$ , ..... , $n-1$
با این توصیف، جدول زیر را کامل کنید.
| نماد زیر لایه | s | p | d | f |
|---|---|---|---|---|
| حداکثر گنجایش زیر لایه | 2 | 6 | 10 | 14 |
| مقدار مجاز $l$ | 0 | 1 | 2 | 3 |
ت) پیش بینی کنید پنجمین زیرلایۀ یک اتم، ظرفیت پذیرش حداکثر چند الکترون را خواهد داشت؟
ظرفیت پذیرش زیر لایه پنجم (l=4) حداکثر 18 الکترون است. زیرا؛
الکترون $4l+2\Rightarrow 4(4)+2=18$
اتم را میتوان کرهای درنظر گرفت که هستۀ بسیار کوچک و سنگینی در مرکز آن جای دارد و محل تمرکز پروتونها و نوترونهاست. پیرامون هسته، الکترونها در لایههای الکترونی حضور دارند. هر لایه، خود از زیرلایههای متفاوتی تشکیل شده است به گونهای که لایۀ اول دارای یک زیر لایه از نوع s با گنجایش 2 الکترون، لایۀ دوم دارای دو زیرلایه از نوع s و p با گنجایش 2 و 6 الکترون، لایۀ سوم دارای سه زیرلایه از نوع p ،s و d با گنجایش 2، 6 و 10 الکترون است (جدول 3).
| عدد کوانتومی اصلی | تعداد زیرلایه | عدد کوانتومی فرعی | نماد زیرلایه |
|---|---|---|---|
| $n=1$ | $1$ | $l=0$ | $1s$ |
| $n=2$ | $2$ | $l=0$ | $2s$ |
| $l=1$ | $2p$ | ||
| $n=3$ | $3$ | $l=0$ | $3s$ |
| $l=1$ | $3p$ | ||
| $l=2$ | $3d$ |
زیرلایههای موجود در چهار لایۀ الکترونی
