درسنامه آموزشی شیمی (2) کلاس یازدهم رشته ریاضی و تجربی با پاسخ 1-4 دنیایی رنگی با عنصرهای دسته d
دنیایی رنگی با عنصرهای دستۀ d
یکی از اصیلترین و ارزندهترین صنایع دستی کشورمان شیشهگری است، صنعتی که پشتوانه و سابقهای دیرینه دارد. گردنبندی با دانههای شیشهای آبی رنگ متعلق به هزاران سال پیش که در ناحیۀ شمال غربی ایران کشف شده و قطعات شیشهای مایل به سبزی که طی کاوشهای باستانشناسی در لرستان و شوش به دست آمده است، نشان از وجود این صنعت در روزگاران بسیار دور دارد. شیشههای رنگی و طرحدار در معماری پر نقش و نگار ایرانی بخشی از فرهنگ غنی ما است؛ پنجرههایی که در مساجد و خانههای تاریخی ایران به فراوانی دیده میشوند و هنگامی که خورشید بر آنها میتابد، نقشی از طرح و رنگهای خیره کننده در فضا پدیدار میشود (شکل 6).
یکی از هدایای زمینی، سنگهای گرانبهای آن است که به دلیل رنگهای گوناگون و زیبای خود، کاربرد گستردهای در جواهرسازی دارند. شاید از خودتان پرسیده باشید که این تنوع و زیبایی رنگها در شیشه به دلیل وجود چه موادی است؟ چه چیزی سبب سرخی یاقوت شده است؟ چرا زمرد سبز رنگ است؟ رنگ زیبای سنگ فیروزه به چه دلیل است؟ در پاسخی ساده میتوان گفت که این رنگهای زیبا، نشانی از وجود برخی ترکیبهای فلزهای واسطه است (شکل 7).
فلزهای دستۀ d، دستهای از عنصرهای جدول دورهای هستند که زیر لایۀ d اتم آنها در حال پر شدن است. در شکل زیر نخستین سری از این فلزها که در دورۀ چهارم جدول جای دارند، نشان داده شده است.
اغلب این فلزها در طبیعت به شکل ترکیبهای یونی همچون اکسیدها، کربناتها و... یافت میشوند. برای نمونه آهن، دو اکسید طبیعی با فرمولهای FeOFeO و Fe2O3Fe2O3 دارد. در این اکسیدها، کدام کاتیونهای آهن وجود دارد؟ به نظر شما اتم آهن برای تشکیل این کاتیونها، کدام الکترونهای خود را از دست داده است؟ فلزهای دستۀ d نیز به هنگام تشکیل کاتیون، الکترونهای بیرونیترین زیر لایه خود را از دست میدهند. پس آرایش یونهای Fe2+Fe2+ و Fe3+Fe3+ به صورت زیر خواهد بود:
Fe:[Ar]3d64s2−2e→Fe2+:[Ar]3d6Fe2+:[Ar]3d6−e→Fe3+:[Ar]3d5Fe:[Ar]3d64s2−2e−−→Fe2+:[Ar]3d6Fe2+:[Ar]3d6−e−→Fe3+:[Ar]3d5
همان گونه که میبینید آرایش الکترونی یونهای Fe2+Fe2+ و Fe3+Fe3+ همانند آرایش الکترونی هیچ گاز نجیبی نیست. بررسیها نشان میدهد که اتم اغلب فلزهای واسطه با تشکیل کاتیون به آرایش گاز نجیب دست نمییابند. در حالی که کاتیون حاصل از فلزهای اصلی اغلب به آرایش پایدار گاز نجیب میرسند، مانند:
3Li:[2He]2s1→3Li+:[2He]13Al:[10Ne]3s23p1→13Al3+:[10Ne]30Zn:[18Ar]3d104s2→30Zn2+:[18Ar]3d103Li:[2He]2s1→3Li+:[2He]13Al:[10Ne]3s23p1→13Al3+:[10Ne]30Zn:[18Ar]3d104s2→30Zn2+:[18Ar]3d10
آرایش الکترونی یون روی شبیه هیچ گاز نجیبی نیست.
خود را بیازمایید (صفحهٔ ۱۶ کتاب درسی)
1- اسکاندیم (21Sc)(21Sc)، نخستین فلز واسطه در جدول دورهای است که در وسایل خانه مانند تلویزیون رنگی و برخی شیشهها وجود دارد.
الف) آرایش الکترونی اتم آن را بنویسید.
21Se:1s2/2s22p6/3s23p63d1/4s221Se:1s2/2s22p6/3s23p63d1/4s2
آرایش الکترونی فشرده 21Se:[Ar]3d14s221Se:[Ar]3d14s2
ب) کاتیون این فلز در ترکیبهایش، سه بار مثبت دارد. آرایش الکترونی فشرده کاتیون اسکاندیم را رسم کنید.
31Se:[Ar]3d14s2−3e−→21Sc3+:[Ar]31Se:[Ar]3d14s2−3e−−−−→21Sc3+:[Ar]
2- جدول زیر را کامل کنید.
آرایش الکترونی | نماد فلز / یون | آرایش الکترونی | نماد فلز / یون |
---|---|---|---|
[Ar]3d54s1[Ar]3d54s1 | 24Cr24Cr | [Ar]3d34s2[Ar]3d34s2 | 23V23V |
[Ar]3d4[Ar]3d4 | Cr2+Cr2+ | [Ar]3d3[Ar]3d3 | V2+V2+ |
[Ar]3d3[Ar]3d3 | Cr3+Cr3+ | [Ar]3d2[Ar]3d2 | V3+V3+ |
پیوند با صنعت
هر کجا که هستید به اطراف خود نگاهی بیندازید، آیا جسم یا وسیلهای میبینید که از جنس طلا باشد یا در ساختن آن از طلا استفاده شده باشد؟ شاید به دنبال زیورآلاتی مانند گردنبند، انگشتر، دستبند، گنبد طلایی یا مواردی مشابه میگردید. آیا فلز طلا را میتوان در وسایل دیگر نیز یافت؟ طلا فلزی ارزشمند و گرانبها است که افزون بر ویژگیهای مشترک فلزها، ویژگیهای منحصر به فردی نیز دارد. فلز طلا به اندازهای چکشخوار و نرم است که چند گرم از آن را میتوان با چکشکاری به صفحهای با مساحت چند متر مربع تبدیل کرد.
به همین دلیل ساخت برگهها و رشته سیمهای بسیار نازک (نخ طلا) به راحتی امکانپذیر است. رسانایی الکتریکی بالای طلا و حفظ این رسانایی در شرایط دمایی گوناگون، همچنین واکنش ندادن آن با گازهای موجود در هواکره و مواد موجود در بدن انسان همراه با بازتاب زیاد پرتوهای خورشیدی از جمله ویژگیهای خاص طلاست که سبب شده کاربردهای این فلز گسترش یافته و تقاضای جهانی آن روزبه روز افزایش یابد (شکل 8). هر چند طلا در طبیعت به شکل فلزی و عنصری خود نیز یافت میشود، اما مقدار آن در معادن طلا بسیار کم است. به طوری که برای استخراج مقدار کمی از آن باید از حجم انبوهی خاک معدن استفاده کرد. به همین دلیل پسماند بسیار زیادی تولید میشود. برای نمونه، در تولید مقدار طلای مورد نیاز برای ساخت یک عدد حلقۀ عروسی حدود سه تن پسماند ایجاد میشود. از این رو استخراج طلا همانند دیگر فعالیتهای صنعتی آثار زیانبار زیست محیطی بر جای میگذارد. امید است که در پیوند صنعت با دانشگاه و انجام پژوهشهای مناسب، راههایی برای استخراج فلزها پیدا شود که ضمن بهرهبرداری از منابع، منجر به کاهش ردپای محیط زیستی شده و هماهنگ با توسعه پایدار باشد. مجتمع طلای موته در اصفهان و زرشوران در آذربایجان غربی از منابع استخراج طلا در ایران هستند.