رفتار مولکول‌ها و توزیع الکترون‌ها

در شیمی 1 آموختید که ساختار لوویس، الکترون‌های ظرفیت اتم‌های سازندۀ یک گونۀ شیمیایی را طوری نمایش می‌دهد که هر اتم بر اساس توزیع جفت الکترون‌های پیوندی و ناپیوندی از قاعدۀ هشت‌تایی پیروی می‌کند به جز اتم هیدروژن که تنها یک جفت الکترون پیوندی یا یک پیوند اشتراکی پیرامون آن نمایش داده می‌شود. توزیع این جفت الکترون‌ها در هر مولکول نقش مهمی در تعیین رفتار آن به ویژه در میدان الکتریکی دارد.

ساده‌ترین مولکول‌ها، دواتمی هستند. مولکول‌هایی مانند ${{H}_{2}}$ و $C{{l}_{2}}$ که از دو اتم یکسان تشکیل شده‌اند، مولکول دو اتمی جور هسته نامیده می‌شوند. چنین مولکول‌هایی در میدان الکتریکی جهت گیری نمی‌کنند، به دیگر سخن، گشتاور دو قطبی آنها صفر بوده و مولکول‌های ناقطبی هستند. از سوی دیگر مولکول‌های دو اتمی مانند $HCl$، مولکول دواتمی ناجور هسته بوده و قطبی هستند. شکل 6 توزیع الکترون‌ها را بر اساس نقشهٔ پتانسیل الکتروستاتیکی برای این مولکول‌ها نشان می‌دهد.

بر اساس شکل 6، توزیع یکنواخت و متقارن الکترون‌ها در مولکول‌های دو اتمی جور هسته، نشانهٔ ناقطبی بودن آن است در حالی که در مولکول‌های دو اتمی ناجور هسته، توزیع الکترون‌ها یکنواخت نبوده و تراکم بار الکتریکی روی اتم‌های سازندهٔ آن یکسان نیست، در این شرایط به اتمی که تراکم بار الکتریکی روی آن بیشتر است، بار جزئی منفی $(\delta -)$ و به دیگری بار جزئی مثبت $(\delta +)$ نسبت می‌دهند. بدیهی است چنین مولکول‌هایی گشتاور دوقطبی بزرگ‌تر از صفر دارند.

آیا می‌دانید نقشۀ پتانسیل مولکول‌های سه اتمی چگونه است؟ شکل 7 دو نمونه از این نقشه‌ها را نشان می‌دهد.

در مولکول خطی کربن دی‌اکسید، تراکم بار الکتریکی بر روی اتم‌های اکسیژن بیشتر از اتم کربن است، از این رو به اتم‌های اکسیژن بار جزئی منفی $(\delta -)$ و به اتم کربن بار جزئی مثبت $(\delta +)$ نسبت داده می‌شود، هر چند که به دلیل توزیع متقارن بار الکتریکی پیرامون اتم مرکزی، این مولکول در میدان الکتریکی جهت گیری نمی‌کند و گشتاور دو قطبی آن صفر است. اگر چه در مولکول خمیدۀ آب تراکم بار الکتریکی روی هسته اتم اکسیژن بیشتر است اما این مولکول برخلاف کربن دی‌اکسید در میدان الکتریکی جهت گیری می‌کند (چرا؟).

هنرنمایی شاره (سیال)های مولکولی و یونی برای تولید برق

خورشید بزرگ‌ترین منبع انرژی برای زمین است. منبعی تجدیدپذیر که انرژی خود را با پرتوهای الکترومغناطیسی به سوی ما گسیل می‌دارد. بدیهی است که بهره‌گیری بیشتر از این انرژی پاک، کاهش ردپای زیست محیطی را به دنبال خواهد داشت. دانشمندان برای استفاده بهینه از انرژی خدادادی و رایگان خورشید به دنبال فناوری‌هایی هستند که بتوانند بخشی از آن را ذخیره نموده و به شکل انرژی الکتریکی وارد چرخه مصرف نمایند (به ویژه شب هنگام که نیاز به آن بیشتر احساس می‌شود). گفتنی است که برای تبدیل پرتوهای خورشیدی به انرژی الکتریکی به دانش و فناوری پیشرفته نیازمند است، از این رو تنها در برخی کشورهای توسعه یافته انجام می‌شود.

با هم بیندیشیم (صفحهٔ 79 کتاب درسی)

 

شکل زیر نمایی از فناوری پیشرفته برای تولید انرژی الکتریکی از پرتوهای خورشیدی را نشان می‌دهد. با توجه به شکل به پرسش‌ها پاسخ دهید.

1- مشخص کنید هر یک از جمله‌های زیر، توصیف کدام بخش از این فناوری است؟
آ) پرتوهای خورشیدی را روی برج گیرنده متمرکز می‌کنند. آینه‌ها
ب) شاره‌ای بسیار داغ که باعث تولید بخار داغ می‌شود. شارهٔ $A$
پ) شاره‌ای که توربین را به حرکت در می‌آورد. بخار داغ

2- با توجه به جدول زیر به پرسش‌ها پاسخ دهید.

ماده	نقطه ذوب $({}^\circ C)$	نقطه جوش $({}^\circ C)$
${{N}_{2}}$	210-	196-
$HF$	83-	19
$NaCl$	801	1413

آ) کدام ماده در گسترۀ دمایی کمتری به حالت مایع است؟ چرا؟
${{N}_{2}}$، زیرا هرچه تفاوت بین نقطهٔ ذوب و جوش یک ماده کمتر باشد، نیروهای بین ذره‌های سازندهٔ آن ضعیف‌تر است و در گسترهٔ دمایی کمتری به حالت مایع وجود خواهد داشت.
ب) کدام ماده را به جای شاره A پیشنهاد می‌کنید؟ چرا؟
$NaCl$، زیرا در گسترهٔ دمایی بیشتری به حالت مایع وجود خواهد داشت.

3- با خط زدن واژه نادرست در هر مورد، جملۀ زیر را کامل کنید.
مطابق یک قاعدۀ کلی هر چه تفاوت بین نقطه ذوب و جوش یک مادۀ خالص (بیشتر / کمتر) باشد، آن ماده در گسترۀ دمایی بیشتری به حالت مایع بوده و نیروهای جاذبه میان ذره‌های سازندۀ مایع (قوی‌تر / ضعیف‌تر) است.

دریافتید که با متمرکز شدن پرتوهای خورشیدی بر روی گیرندۀ برج، دمای سدیم کلرید مذاب (شاره یونی) افزایش می‌یابد و این شاره بسیار داغ به منبع ذخیره انرژی گرمایی سرازیر می‌شود تا حتی در روزهای ابری و شب هنگام، انرژی لازم برای تبدیل آب به بخار داغ را فراهم کند. بخار داغ، توربین را برای تولید انرژی الکتریکی به حرکت در می‌آورد.

داده‌های تجربی نشان می‌دهند که گسترۀ دمایی سدیم کلرید مذاب در این فناوری در حدود $({}^\circ C)$ 1350-850 است، گسترۀ دمایی که برای مواد مولکولی نمی‌توان انتظار داشت! آیا می‌دانید این ویژگی نشان دهنده چه نوع نیروی جاذبه میان ذره‌ها است؟ چه ساختاری برای سدیم کلرید تصویر می‌کند؟