درسنامه آموزشی شیمی (3) کلاس دوازدهم رشته ریاضی و تجربی
فصل 3: سیلیس رمز ماندگاری، گرافن و سازههای یخی
إِنّا جَعَلْنا ما عَلَی الْأَرْضِ زِینَةَ لَها لِنَبْلُوَهُمْ أَیُّهُمْ أَحْسَنُ عَمَلاً... (سوره کهف، آیه 7)
مسلماً ما آنچه را روی زمین است، زینت زمین قرار دادیم تا آنان را آزمایش کنیم که کدامشان در عمل نیکوترند.
آفریدگار هستی به ما فرصتی به نام زندگی بخشیده است تا برای پر رنگ کردن نقش و تأثیر خود در این جهان پهناور پیوسته تلاش کنیم. تلاشی آگاهانه و هدفمند برای آفریدن آثاری جاودانه، آن چنان که آینهای باشد از شکرانه امروز و سرمایهای ارزشمند برای آیندگان. پویندگان چنین راهی در این پهنه، پیوسته به کشف اسرار میپردازند از جمله آنکه چگونه شمار بسیاری ماده با رفتارهای گوناگون، تنها از شمار معینی اتم با آرایش و چیدمانی نظاممند پدید آمدهاند. شیمی دانشی است که به ما کمک میکند تا هوشمندانه از مواد در خلق آثاری هنرمندانه، زیبا و ماندگار بهره ببریم.
انسان از دیر باز مواد ضروری برای زندگی خود را از خوان نعمتهای الهی گسترده شده در جای جای زمین تأمین کرده و برای رفع نیاز آنها را تغییر داده است. پژوهشها نشان میدهد که در تغییر این مواد، افزون بر محیط و شیوۀ زندگی، آیینها، آداب و رسوم و حتی ادبیات و افسانهها نیز نقش داشتهاند. با این توصیف، هر یک از آثار به جای مانده از گذشتگان در جهان را میتوان نمادی از هنر زمان خویش دانست که افزون بر زیبایی، بازتابی از ماندگاری آن اثر نیز به شمار میرود (شکل 1).
بدیهی است که مواد اولیه برای ساخت چنین آثاری افزون بر فراوانی و در دسترس بودن، باید واکنشپذیری کم، استحکام زیاد و پایداری مناسبی داشته باشند. توجه کنید که عمر طولانی این آثار، تأییدی بر این ویژگیها است و هر چه عمر یادگار به جا مانده بیشتر باشد، گفتنیهای بیشتری با خود دارد، گفتنیهایی که اسرار هنر، زیبایی و ماندگاری را فاش میکند. با رشد و پیشرفت علوم به ویژه شیمی، پرده از این اسرار برداشته شد تا پایهای برای ساخت سازها و بناهای امروزی و در خور ستایش فراهم گردد.
شیمیدانها در گام نخست، نوع، مقدار، ساختار و رفتار مواد سازندۀ آثار به جا مانده را بررسی کردند، سپس با بهرهگیری از دانش شیمی توانستند به مواد جدیدتری دست یابند. موادی با خواص ویژه که کاربردهای معین داشتند. برخی بر این باورند که چنین موادی را میتوان مبنای کار و کلید موفقیت طراحان، هنرمندان و مهندسان برای خلق سازههای زیبا و ماندگار امروزی دانست.
خود را بیازمایید (صفحهٔ 69 کتاب درسی)
خاک رس مخلوطی از مواد گوناگون است. جدول زیر درصد جرمی مواد سازندۀ نوعی خاک رس را نشان میدهد که از یک معدن طلا استخراج شده است.
| ماده | $Si{{O}_{2}}$ | $A{{l}_{2}}{{O}_{3}}$ | ${{H}_{2}}O$ | $N{{a}_{2}}O$ | $F{{e}_{2}}{{O}_{3}}$ | $MgO$ | $Au$ و موارد دیگر |
| درصد جرمی | 46/20 | 37/74 | 13/32 | 1/24 | 0/96 | 0/44 | 0/1 |
1- با توجه به دادههای جدول به پرسشهای زیر پاسخ دهید.
آ) نام شیمیایی هر یک از مواد موجود در این نوع خاک را بنویسید.
(بوکسیت) آلومینیم اکسید: $A{{l}_{2}}{{O}_{3}}$
(سیلیس) سیلیسیم دیاکسید: $Si{{O}_{2}}$
سدیماکسید: $N{{a}_{2}}O$
آب: ${{H}_{2}}O$
منیزیماکسید: $MgO$
آهن $(III)$ اکسید: $F{{e}_{2}}{{O}_{3}}$
ب) سرخ فام بودن این نوع خاک رس را به وجود کدام ماده نسبت میدهید؟ $F{{e}_{2}}{{O}_{3}}$
پ) پیش بینی کنید هنگام پختن سفالینههای تهیه شده از این نوع خاک رس، از جرم کدام ماده به مقدار بیشتری کاسته میشود؟ چرا؟
مقدار آب (${{H}_{2}}O$) از باقی مواد بیشتر کاسته میشود؛ زیرا آب به شکل بخار خارج میشود و نیروی بین مولکولی ضعیفتری دارد.
2- اگر اجزای این مخلوط نخست جداسازی شده سپس خالص سازی شوند، پیش بینی کنید ساختار ذرهای هریک از این اجزا در حالت خالص و جامد (به جز $Si{{O}_{2}}$) با کدام الگوی زیر همخوانی دارد؟ چرا؟
آ) $A{{l}_{2}}{{O}_{3}}$ ، $N{{a}_{2}}O$ ، $F{{e}_{2}}{{O}_{3}}$ ، $MgO$
ب) ${{H}_{2}}O$
پ) $Au$
با توجه به فرمول شیمیایی هریک از اجزا میدانیم که $MgO$ ، $F{{e}_{2}}{{O}_{3}}$ ، $N{{a}_{2}}O$ ، $A{{l}_{2}}{{O}_{3}}$ شامل کاتیون و آنیون هستند در ساختار این ترکیبات باید یونها دیده شوند، مولکولهای آب فقط شامل اتمهای اکسیژن و هیدروژن هستند و طلا بلوری شامل اتمهای طلا است.
با مواد سازندۀ نوعی خاک رس آشنا شدید که مخلوطی از اکسیدها را در بر میگیرد. یافتههای تجربی نشان میدهد که $Si{{O}_{2}}$ افزون بر خاکهای رس، یکی از سازندههای اصلی بسیاری از سنگها، صخرهها و نیز شن و ماسه است. وجود این ماده باعث استحکام و ماندگاری سازههای سنگی و نقشکندهای روی آنها شده است. آیا میدانید چه ساختاری باعث این رفتار ویژه میشود؟
سیلیس، زیبا، سخت و ماندگار
سیلیسیم پس از اکسیژن فراوانترین عنصر در پوستۀ جامد زمین است به طوری که ترکیبهای گوناگون این دو عنصر بیش از %90 پوستۀ جامد زمین را تشکیل میدهند، از این رو سیلیس $(Si{{O}_{2}})$، فراوانترین اکسید در این لایه از سیارۀ ما به شمار میرود. کوارتز از جمله نمونههای خالص و ماسه از جمله نمونههای ناخالص سیلیس است.
از شیمی 2 به یاد دارید که $_{14}Si$، شبه فلزی از خانوادۀ کربن است، از این رو شاید تصور کنید که ساختار سیلیسیم مانند کربن است و سیلیس ساختاری همانند کربن دیاکسید دارد! (شکل 2). سیلیس خالص به دلیل داشتن خواص نوری ویژه در ساخت منشورها و عدسیها به کار میرود.
برای آشکار شدن این موضوع باید ساختار هر یک از آنها را بررسی و با یکدیگر مقایسه کرد.
با هم بیندیشیم (صفحهٔ 70 کتاب درسی)
1- با توجه به شکلهای زیر به پرسشهای داده شده پاسخ دهید.
آ) از شیمی 1 به یاد دارید که مواد مولکولی در ساختار خود مولکولهای مجزا دارند. کدام ماده در شکل 4 جزو مواد مولکولی است؟ $C{{O}_{2}}$
ب) ماده کووالانسی مجموعهای از اتمهای بسیاری است که با هم پیوندهای اشتراکی دارند. بر این اساس کدام ماده، کووالانسی است؟ $Si{{O}_{2}}$
2- پیش بینی کنید کدام ماده:
آ) سختتر است؟ چرا؟
$Si{{O}_{2}}$ سختتر است؛ زیرا اتمها در سه بُعد و در یک شبکه به صورت منظم با ساختار غول آسا قرار گرفتهاند.
ب) نقطه ذوب پایینتری دارد؟ چرا؟
$C{{O}_{2}}$، زیرا در ساختار خود مولکولهای مجزا و جدا از هم دارد.
دریافتید که موادی مانند کربن دی اکسید و آب، مواد مولکولی به شمار میروند زیرا ذرههای سازندۀ آنها مولکولهای مجزا هستند، اما موادی مانند سیلیس، شامل شمار بسیار زیادی از اتمهای سیلیسیم و اکسیژن با پیوندهای اشتراکی $Si-O-Si$ بوده و دارای ساختاری به هم پیوسته و غولآساست. ساختاری که دلیلی بر سختی بالا و دیرگداز بودن چنین موادی است. از آنجا که این مواد در دما و فشار اتاق به حالت جامد هستند، آنها را با نام جامد کووالانسی نیز میخوانند. یافتههای تجربی نشان میدهد که عنصرهای اصلی سازندۀ جامدهای کووالانسی در طبیعت، کربن و سیلیسیم هستند، دو عنصری که از آنها تاکنون یون تک اتمی در هیچ ترکیبی شناخته نشده است، زیرا اتمهای $_{6}C$ و $_{14}Si$ با تشکیل پیوندهای اشتراکی به آرایش الکترونی هشتتایی میرسند.
خود را بیازمایید (صفحهٔ 71 کتاب درسی)
1- گرافیت و الماس از جمله دگرشکلهای طبیعی کربن بوده که جزو جامدهای کووالانسی هستند. با توجه به ساختارهای زیر به پرسشها پاسخ دهید.
آ) کدام ساختار، جامد کووالانسی با چینش دو بُعدی اتمها و کدام یک، جامد کووالانسی با چینش سه بُعدی اتمها را نشان میدهد؟
گرافیت، جامد کووالانسی دو بُعدی و الماس، جامد کووالانسی سه بُعدی است.
ب) با توجه به اینکه گرافیت موجود در مغز مداد بر روی کاغذ اثر به جا میگذارد، کدام ساختار با این ویژگی همخوانی دارد؟ توضیح دهید.
ساختار لایهای گرافیت سبب میشود که با حرکت مداد روی کاغذ لایههای موجود در گرافیت بر روی هم بلغزد و اثر مداد بر روی کاغذ آشکار شود.
پ) چرا در ساخت متهها و ابزار برش شیشه از الماس استفاده میشود؟
به دلیل سختی و استحکام بالای الماس و همچنین در هنگام کار با متهها و ابزار برش شیشه، گرمای زیادی بر اثر اصطحکاک تولید میشود. نقطهٔ ذوب بالای الماس سبب مقاومت حرارتی الماس خواهد شد.
ت) کدام چگالی (2/27 یا 3/51 گرم بر سانتیمتر مکعب) را به گرافیت میتوان نسبت داد؟ چرا؟
2/27 گرم بر سانتیمتر مکعب، اتمهای کربن در گرافیت ساختار دو بُعدی دارند نه سه بُعدی، پس از فشردگی کمتری برخوردارند.
2- باتوجه به جدول زیر به پرسشها پاسخ دهید.
| پیوند | $C-C$ | $Si-Si$ |
| میانگین آنتالپی $(kJmo{{l}^{-1}})$ | 348 | 226 |
آ) اگر سیلیسیم خالص ساختاری همانند الماس داشته باشد، پیش بینی کنید نقطه ذوب الماس بالاتر است یا سیلیسیم؟ چرا؟
نقطهٔ ذوب الماس بالاتر است، زیرا هرچه میانگین آنتالپی پیوند بیشتر باشد استحکام پیوند نیز بالاتر خواهد بود، پس برای ذوب آن باید انرژی بیشتری مصرف شود و نقطهٔ ذوب بالاتر خواهد رفت. مطابق جدول داده شده میانگین آنتالپی پیوند $C-C$ در الماس از $Si-Si$ در سیلیسیم بیشتر است.
ب) اگر آنتالپی پیوند $Si-O$ بیشتر از پیوند $Si-Si$ و ساختار $Si(s)$ با $Si{{O}_{2}}$ مشابه باشد، توضیح دهید چرا سیلیسیم در طبیعت به حالت خالص یافت نشده و به طور عمده به شکل سیلیس یافت میشود؟
پیوندهای $Si-Si$ در سیلیسیم زودتر از پیوندهای $Si-O$ در سیلیس میشکنند $\leftarrow$ واکنشپذیری سیلیسیم از سیلیس بیشتر است. $\leftarrow$ سیلیسیم با تبدیل شدن به سیلیس، محتوای انرژی خود را کاهش داده و پایدارتر میشود.
گرافن، گونهای به ضخامت یک اتم
گرافن، تک لایهای از گرافیت است که در آن، اتمهای کربن با پیوندهای اشتراکی حلقههای شش گوشه تشکیل دادهاند (شکل 3).
چنین ساختاری با الگویی مانند کندوی زنبور عسل، استحکام ویژهای دارد به طوری که مقاومت کششی آن حدود 100 برابر فولاد است. از آنجا که ضخامت گرافن به اندازه یک اتم کربن است، میتوان آن را یک گونه شیمیایی دو بعدی دانست و انتظار میرود شفاف و انعطافپذیر باشد. یافتههای تجربی نیز این ویژگیهای گرافن را تأیید میکنند. یک روش ساده برای تهیۀ گرافن استفاده از گرافیت و نوارچسب نازک برای جدا کردن لایههایی از آن است (شکل 4).
در این روش، نخست مقداری گرد گرافیت را بین دو تکه نوار چسب فشار میدهند. سپس یکی از نوارچسبها را جدا میکنند. به این ترتیب لایههایی از گرافیت روی سطح چسبنده نوارچسب قرار میگیرد. در ادامه، این نوارچسب را به سطح چسبنده نوارچسب سوم چسبانده، فشار میدهند و از هم جدا میکنند تا لایه نازکتری از گرافیت روی نوار چسب سوم باقی بماند. با ادامه این کار لایهای به ضخامت نانومتر در برخی قسمتهای نوار چسب باقی میماند که همان گرافن است.
در میان تارنماها (صفحهٔ 73 کتاب درسی)
با مراجعه به منابع علمی معتبر دربارۀ کاربردهای گرافن اطلاعات جمع آوری و در کلاس ارائه کنید.
به هر تک لایه از صفحات گرافیت، گرافن میگویند. در این لایهها هر اتم کربن با چهار پیوند کوالانسی و با آرایش سه ضلعی مسطح به سه اتم کربن دیگر متصل است. از آنجایی که کربن ظرفیت برقراری حداکثر چهار پیوند، با چهار اتم را دارد در مییابیم که یکی از سه پیوند بین کربنها در لایههای گرافیت، پیوند دوگانهٔ کربن - کربن است. این پیوند دوگانه میتواند بین اتمهای کربن جابهجا شود. از آنجایی که جابهجایی پیوند به معنی جابهجایی الکترونهای اشتراکی است و میدانیم جابهجایی الکترون نیز سبب انتقال جریان برق میشود، بنابراین گرافن رسانای جریان برق است.
کاوش کنید 1 (صفحهٔ 73 کتاب درسی)
درباره «رسانایی الکتریکی گرافن» کاوش کنید.
وسایل و مواد مورد نیاز: لامپ $LED، باتری 9 ولتی ، سیم، سوکت، مقاومت 330 اهمی، مداد و کاغذ.
1- مداری مطابق شکل زیر بسازید.
2- با یک مداد نرم، چهار گوشهای ضخیم و تیره روی کاغذ بکشید، به طوری که حدود 3 تا 4 سانتیمتر طول و حدود 1/5 سانتی متر عرض داشته باشد، سپس مستطیل را با مداد به طور کامل سیاه کنید.
3- نوک فلزی دو سیم رابط را با مستطیل گرافیتی که ضخامتی در حدود چند نانومتر دارد تماس دهید سپس به لامپ نگاه کنید، چه رخ میدهد؟
لامپ روشن میشود، بنابراین مستطیل گرافیتی با ضخامتی در حدود چند نانومتر که میتوان آن را گرافن نامید، رسانای برق است.
4- دو نقطۀ اتصال را به هم نزدیک یا از هم دور کنید، چه تغییری در شدت روشنایی لامپ پدید میآید؟
با نزدیک کردن دو نقطهٔ اتصال به هم شدت روشنایی لامپ بیشتر و با دور کردن دو نقطهٔ اتصال به هم شدت روشنایی کمتر خواهد بود.
سازههای یخی، زیبا و سخت اما زودگداز
با ساختار و رفتار سیلیس به عنوان نمایندهای از جامدهای کووالانسی آشنا شدید. مادهای که در حالت خالص و تراش خورده، شفاف، زیبا و سخت است. یخ نیز ظاهری شبیه به آن دارد به طوری که سازههای یخی شفاف بوده و هنر به کار رفته در آنها، خود جلوهگر زیبایی است (شکل 5).
میدانید مولکولهای ${{H}_{2}}O$ در ساختار یخ در یک آرایش منظم و سه بُعدی با تشکیل حلقههای شش گوشه، شبکهای همانند کندوی زنبور عسل با استحکام ویژه پدید میآورند. در این ساختار هر اتم اکسیژن به دو اتم هیدروژن با پیوند اشتراکی و به دو اتم هیدروژن از مولکولهای دیگر با پیوندهای هیدروژنی متصل است. این در حالی است که در سیلیس همه اتمها با پیوندهای اشتراکی به یکدیگر متصل شدهاند.
دانۀ برف یک سازۀ یخی طبیعی است که مبنای تشکیل آن حلقههای شش گوشه است.
خود را بیازمایید (صفحهٔ 74 کتاب درسی)
1- با خط زدن واژه نادرست در هر مورد، عبارت زیر را کامل کنید.
در ساختار یک جامد (کووالانسی / مولکولی)، میان (همهٔ / شمار معینی از) اتمها پیوندهای اشتراکی وجود دارد به همین دلیل چنین موادی دمای ذوب (بالایی / پایینی) دارند و دیر گداز هستند.
2- واژههای شیمیایی رایج مانند مادۀ مولکولی، فرمول مولکولی و نیروهای بین مولکولی را برای توصیف کدام مواد زیر میتوان به کار برد؟ چرا؟
$,C{{l}_{2}}(g)$(گرافیت $s,$) ${{C}_{6}}{{H}_{14}}(l),Si{{O}_{2}}(s),NaCl(s),HF(g),C$
مولکولهای مجزای هگزان مایع با نیروهای بین مولکولی به هم متصل میشوند. $\to $ مادهٔ مولکولی است. ${{C}_{6}}{{H}_{14}}(l)\to $
اتمها به وسیلهٔ پیوندهای کوالانسی به یکدیگر متصل هستند. $\to $ جامد کوالانسی است. $Si{{O}_{2}}\to $
فرمول مولکولی ندارد. $\to $ مولکول مجزا ندارد. $\to $ جامد یونی است. $NaCl(s)\to $
مولکولهای آن با نیروهای بین مولکولی به هم متصل میشوند. $\to $ فرمول مولکولی دارد. $\to $ مادهٔ مولکولی است. $HF(g)\to $
فرمول مولکولی ندارد. $\to $ جامد کوالانسی است. $\to $ (گرافیت $C(s,$
مولکولهای آن با نیروهای بین مولکولی به هم متصل میشوند. $\to $ فرمول مولکولی دارد. $\to $ مادهٔ مولکولی است. $C{{l}_{2}}(g)\to $
دریافتید که مولکولها، واحدهای سازندۀ مواد مولکولی هستند، واحدهای مجزایی که شامل دو یا چند اتم با پیوندهای اشتراکی بوده و نقشی کلیدی در تعیین خواص و رفتار این دسته از مواد دارند. رفتار فیزیکی مواد مولکولی به نوع و قدرت نیروهای بین مولکولی آنها بستگی دارد. برای نمونه آنتالپی تبخیر و نقطه جوش یک ترکیب مولکولی به حالت مایع به نیروهای بین مولکولی آن وابسته است، در حالی که رفتار شیمیایی آن به طور عمده به پیوندهای اشتراکی (جفت الکترونهای پیوندی) و جفت الکترونهای ناپیوندی موجود در مولکول وابسته است.