درسنامه آموزشی شیمی هنرستان
فصل 1: ساختار اتم و مفاهیم پایه شیمی
اتمها چگونهاند؟
چرا اتمها تمایل دارند با هم واکنش دهند؟
دل هر ذره را که بشکافی
آفتابیش در میان بینی
هاتف اصفهانی
شیمی از علوم پایه و بنیادین به شمار میرود و به مطالعه و بررسی ساختار، خواص و دگرگونی ماده در طی فرایندهای شیمیایی میپردازد.
کوششهای نخستین بشر برای درک طبیعت مواد و بیان چگونگی دگرگونی آنها ناموفق بود. اندکاندک کوششها برای تبدیل مواد کم ارزش به مواد ارزشمندی چون زر و سیم، به پیدایش دانش کیمیاگری منجر گردید. هر چند در ظاهر، دانش کیمیاگری به خواست اصلی خود نرسید، اما دستاوردهای کیمیاگران در این راه به اندوخته گرانبهایی تبدیل گردید که پایهگذار علم شیمی شد و مقدمهای برای شناسایی ساختار ماده به حساب میآید. علم شیمی تقریباً از ابتکارات مسلمانان است، زیرا مشاهده دقیق و تجربه علمی و ثبت نتایج را آنها وارد میدان علم کردند.
امروزه میدانیم که در واکنشهای شیمیایی نمیتوان ماهیت عنصرها را تغییر داد ولی به کمک آنها میتوان اتم عنصرها را به شکلهای گوناگونی به هم متصل کرد و موادی با ویژگیهای بهتر و دلخواه ساخت. بیشک بدون شناخت ماده و اتم درک درستی از علم شیمی نخواهیم داشت.
مروری بر ساختمان اتم
در علوم تجربی آموختید مواد موجود در طبيعت از ذرات بسيار کوچکی به نام اتم تشکيل شدهاند. یونانیان باستان باور داشتند که چیزی کوچکتر از اتم نمیتواند وجود داشته باشد، بنابراین نام اَتموس را که به معنای تجزیهناپذیر است بر آن نهادند. اتمها میتوانند بهصورت تنها یا در اتصال با اتمهایی مانند خودشان و یا دیگر اتمها در مولکولها و ترکیبهای یونی و جامدهای کووالانسی وجود داشته باشند. تحقیقات دانشمندان ثابت کرد که اتمها تجزیهپذیر هستند و از ذرات کوچکتری ساخته شدهاند (ذرات بنیادی اتم الکترون، پروتون و نوترون هستند). هر اتم شامل دو بخش اصلی هسته و فضای پیرامون هسته است (شکل 1). هسته در مرکز فضای کروی اتم بوده و پروتون و نوترون را در خود جای داده است و با اینکه اندازهای بسیار کوچکتر از اتم دارد، تعیین کننده جرم اتم است. الکترونها در اطراف هسته قرار دارند و چگونگی قرار گرفتن آنها در اطراف هسته رفتار شیمیایی اتم را تعیین میکند.
نمایش عناصر (نماد شیمیایی)
به مادهای که اتمهای آن از یک نوع باشند عنصر گفته میشود. برای نمایش هر عنصر از نماد شیمیایی آن، که یک یا دو حرف انگلیسی است استفاده میشود. همواره حرف اول در نماد شیمیایی، بزرگ و حرف دوم کوچک نوشته میشود. مثلاً C نماد عنصر کربن و Ca نماد عنصر کلسیم است. نماد برخی از عناصر در جدول 1 آمده است.
| نام | نماد | نام لاتین | نام | نماد | نام لاتین |
| آلومینیوم | AI | Aluminum | آهن | Fe | Ferrum |
| کربن | C | Carbon | سیلیسیم | Si | Silisium |
| کلسیم | Ca | Calcium | گوگرد | S | Sulfur |
| هیدروژن | H | Hydrogen | ژرمانیم | Ge | Germanium |
| هلیم | He | Helium | نیتروژن | N | Nitrogen |
| اکسیژن | O | Oxygen | سدیم | Na | Natrium |
شیمیدانها نماد هر اتم را بهصورت زیر نشان میدهند:
عدد اتمی (Z) تعداد پروتونهای موجود در هسته اتم را نشان میدهد و از مجموع تعداد پروتونها و تعداد نوترونهای هسته اتم، عدد جرمی (A) محاسبه میشود:
تعداد نوترون (N) + تعداد پروتونها (Z) = عدد جرمی (A)
برای نمونه، اتم عنصر آلومینیوم را بهصورت $_{13}^{27}Al$ نشان میدهند و این مفهوم را دارد که در این اتم 13 پروتون وجود دارد و چون عدد جرمی آن 27 است، 14 نوترون نیز در هسته آن وجود دارد.
13 پروتون + 14 نوترون = 27 = عدد جرمی Al
تمام اتمهای یک عنصر، تعداد پروتون و بنابراین عدد اتمی یکسانی دارند. اما برخی از اتمهای یک عنصر در مقایسه با سایر اتمهای همان عنصر، تعداد نوترون متفاوتی دارند. به این اتمها ایزوتوپهای آن عنصر گفته میشود. ایزوتوپها در واقع اتمهای مختلف یک عنصر هستند که تعداد نوترون متفاوت و در نتیجه جرم متفاوتی دارند.
رادیو ایزوتوپ
برخی از ایزوتوپها ناپایدارند و طی واکنشهایی معروف به واکنشهای هستهای، که شامل نشر پرتو است، به اتمهای دیگری تبدیل میشوند. به این ایزوتوپهای ناپایدار رادیو ایزوتوپ یا ایزوتوپهای رادیواکتیو گفته میشود. در نتیجۀ واکنشهای هستهای و نشر پرتو (پرتو زایی)، هستۀ ایزوتوپ تغییر میکند و ایزوتوپ به اتم دیگری (اتمی از همان عنصر یا عنصر دیگر) که پایدارتر است، تبدیل میشود (شکل 2).
نحوۀ توزیع الکترونها در اتم
در علوم تجربی خواندید مطابق با مدل اتمی بور، الکترونها در مدارهایی به دور هسته میچرخند. هر یک از مدارها انرژی مشخصی دارد که با افزایش فاصله از هسته مقدار آن افزایش مییابد. هر مدار با عدد صحیحی که با n نمایش داده میشود (... و 2، 1 =n) مشخص میگردد.
در مدلهای اتمی جدیدتر، از مفهوم لایۀ الکترونی به جای مدار استفاده میشود. هر لایه تعداد مشخصی الکترون را میتواند در خود جای دهد (گنجایش الکترونی). گنجایش هر لایه از رابطه $2{{n}^{2}}$ به دست میآید که n شمارۀ لایه الکترونی را نشان میدهد.
در اولین لایه حداکثر 2 الکترون و در لایۀ دوم حداکثر 8 الکترون میتواند قرار گیرد. اتم عنصر اکسیژن (${}_{8}O$) دارای 8 الکترون است، پس 2 الکترون در لایۀ اول و 6 الکترون دیگر در لایۀ دوم قرار گرفتهاند. در اتم سیلیسیم (${}_{14}Si$) لایۀ سوم هم دارای 4 الکترون است (شکل 3).
به بیرونیترین لایۀ الکترونی اتم که دارای الکترون است لایۀ ظرفیت یا لایۀ والانس گفته میشود و در اتمهایی با عدد اتمی 20 یا کمتر و اتمهایی که لایۀ قبل از لایۀ آخر آنها کامل شده باشد، به الکترونهای لایۀ ظرفیت، الکترونهای ظرفیت یا الکترونهای والانس میگویند. براساس یک قاعده کلی، لایۀ ظرفیت اتمها حداکثر 8 الکترون میتواند داشته باشد.
اگر چه لایۀ سوم میتواند تا 18 الکترون داشته باشد ولی هرگز قبل از اینکه لایۀ چهارم 2 الکترون بگیرد بیش از 8 الکترون نمیپذیرد.
بر این اساس چگونگی قرار گرفتن الکترونها (آرایش الکترونی) در اتمی مانند پتاسیم (${}_{19}K$) بهصورت نشان داده شده در شکل 4 است که میتوانیم آن را به صورت زیر نمایش دهیم:
${}_{19}K:2)8)8)1)$
نمونۀ حل شده
چگونگی قرار گرفتن الکترون ها (آرایش الکترونی) در اتم آهن (${}_{26}Fe$) بنویسید.
پاسخ:
در اتم آهن 26 الکترون وجود دارد که به ترتیب 2 و 8 تای آنها در لایههای 1 و 2 قرار دارند. طبق قاعده ذکر شده، بعد از قرار گرفتن 8 الکترون در لایه سوم، 2 الکترون در لایه چهارم قرار میگیرد و سپس باقی الکترونها (6 الکترون دیگر) به لایه سوم اضافه میشوند. پس در لایه های 1، 2، 3 و 4 اتم آهن به ترتیب 2، 8، 14 و 2 الکترون قرار دارد.
${}_{26}Fe:2)8)14)2)$
خود را بیازمایید (صفحه 14 کتاب درسی)
چگونگی قرار گرفتن الکترون ها در اتم های عناصر گوگرد (${}_{16}S$)، روی (${}_{30}Zn$) و آرسنیک (${}_{33}As$) را تعیین کنید.
جدول تناوبی عنصرها
عنصرها خواص متفاوتی دارند. این تفاوتها تصادفی و بینظم نیست بلکه بسته به عدد اتمی بهصورت منظم و با ترتیب خاصی تغییر میکند. به روند تغییر خواص اتمها براساس عدد اتمی قانون تناوبی عنصرها گفته میشود.
وقتی عنصرها براساس افزایش عدد اتمی کنار هم چیده شوند، بسیاری از خواص آنها بهصورت دورهای تکرار میشود. از قراردادن عنصرهای دارای خواص مشابه در یک ستون جدولی به دست میآید که جدول تناوبی عنصرها نامیده میشود و امروزه به طور گستردهای مورد استفادۀ دانش پژوهان قرار میگیرد.
از آنجا که رفتار شیمیایی هر عنصر را آرایش الکترونی آن عنصر تعیین میکند، مهمترین ویژگی جدول تناوبی تشابه آرایش الکترونی عناصری است که در یک ستون قرار میگیرند. به ستونهای جدول تناوبی گروه گفته میشود و عنصرهای هر گروه را هم خانواده میگویند. به ردیفهای جدول تناوبی دوره یا تناوب گفته میشود. جدول تناوبی امروزی دارای 18 گروه و 7 دوره است. برخی از گروههای جدول تناوبی نام ویژهای دارند، مثلا گروه 1 جدول را گروه فلزهای قلیایی، گروه 2 را فلزهای قلیایی خاکی، عناصر گروه 17 را هالوژنها و عناصر گروه 18 را گازهای نجیب میگویند.
کار در کلاس (صفحه 15 کتاب درسی)
ضمن یک فعالیت گروهی جدول زیر را کامل و آرایش الکترونی عناصر داده شده را مقایسه کنید. پس از کامل کردن جدول به این سؤال پاسخ دهید: به نظر شماکدام عناصر در یک ستون جدول قرار میگیرند؟ پاسخ خود را با پاسخ گروههای دیگر مقایسه کنید. آیا به پاسخهای مشابهی دست یافتید؟
| نام عنصر | نماد | آرایش الکترونی | تعداد الکترون در لایه ظرفیت |
| لیتیم | ${}_{3}Li$ | ${}_{3}Li:2)1)$ | 1 |
| برلیم | ${}_{4}Be$ | ||
| سدیم | ${}_{11}Na$ | ||
| منیزیم | $_{12}Mg$ | ||
| بور | $_{5}B$ | ||
| آلومینیوم | ${}_{13}Al$ |
خود را بیازمایید (صفحه 16 کتاب درسی)
براساس تشابه آرایش الکترونی و خواص شیمیایی کدام عنصرهای زیر هم خانوادهاند؟
لیتیم (${}_{3}Li$)، آلومینیوم (${}_{13}Al$)، بور (${}_{5}B$)، سدیم (${}_{11}Na$)، پتاسیم (${}_{19}K$)
دستهبندی عناصر
در طبیعت، حدود 91 عنصر از عناصر جدول تناوبی یافت میشوند که میتوانیم آنها را از جنبههای گوناگون مثل حالت فیزیکی (جامد، مایع و گاز) و خاصیت فلزی (فلز، شبه فلز و نافلز) دستهبندی کنیم (شکل 5).
فلزها: حدود 90 درصد عنصرها فلز هستند. فلزها برای شرکت در واکنشهای شیمیایی تمایل به از دست دادن الکترون دارند و خواصی مانند رسانایی الکتریکی و گرمایی، سطح براق، چکشخواری و شکلپذیری از ویژگیهای بارز این دسته از عناصر است.
نافلزها: این دسته از عنصرها معمولاً در واکنشهای شیمیایی تمایل به دریافت الکترون دارند و معمولا برای جریان برق و گرما رسانای خوبی نیستند. آنها برخلاف فلزها در حالت جامد شکنندهاند و سطح براقی ندارند. اکثر نافلزها حالت گازی دارند، مانند گازهای نجیب، اکسیژن، هیدروژن، فلوئور، کلر.
شبه فلزها: عنصرهایی هستند که برخی از ویژگیهای فلزات و برخی از خواص نافلزات را دارند. برای مثال، عنصر سیلیسیم با اینکه شکننده است اما سطحی درخشان دارد و نیمه رسانا محسوب میشود (شکل 6).
تحقیق کنید (صفحه 18 کتاب درسی)
برای عنصرهای فلزی (آلومینیوم، مس، طلا و ...)، نافلزی (کربن، هیدروژن، فسفر، نیتروژن و ...) و شبه فلزها (سیلیسیم و ...) کاربردهایی را بیابید و با سایر هم کلاسیهای خود در ارتباط با کاربردهای این عناصر گفتوگو کنید.
بیشتر بدانید
عناصر 113، 115، 117 و 118 که به تازگی با تلاش دانشمندان معرفی شدهاند به تأیید اتحادیه جهانی شیمی محض و کاربردی موسوم به آیوپاک (IUPAC) رسیده است و به این ترتیب ردیف هفتم جدول تناوبی را کامل کردهاند. تا پیش از این، از 118 خانه جدول تناوبی، 114 عنصر بهصورت رسمی از سوی IUPAC پذیرفته و نامگذاری شده بودند، اما چهار عنصر دیگر مورد تأیید رسمی قرار نگرفته بودند.
عنصرهای جدید در محیطهای آزمایشگاهی ساخته شدهاند و آنها را در دسته عناصر فوق سنگین قرار میدهند. خاصیت بالای رادیو اکتیو و ناپایداری از جمله ویژگیهای این عناصر اعلام شده که گفته میشود تنها چند میلی ثانیه طول میکشد تا به عناصر دیگر تبدیل شوند.
عنصرها در صنعت
خواص فلزها، آنها را برای ساختن انواع لوازم، بسیار سودمند میکند. مخلوط دو یا چند فلز که آلیاژ گفته میشود (گاهی شامل نافلز هم میشود) نیز بهطور گستردهای درصنعت مورد استفاده قرار میگیرد. به عنوان نمونه، فولاد آلیاژی از آهن و کربن است. کربن، استحکام آهن را افزایش میدهد.
فولاد نرم، تنها شامل آهن و کربن است. اگر نیکل و کروم به آلیاژ اضافه شوند فولاد زنگ نزن ساخته میشود.
اتصال اتمها به هم
اتمهای اغلب عنصرها در پیوند با سایر اتمها وجود دارند و بهصورت تک اتمی (اتمهای تنها) در طبیعت یافت نمیشوند. برای مثال عنصر اکسیژن بهصورت مولکولهای دو اتمی در گاز اکسیژن (${{O}_{2}}$) و یا در ترکیبهای گوناگون، مانند آب (${{H}_{2}}O$)، منیزیم اکسید ($MgO$) و ...، بهصورت پیوند شده با دیگر اتمها وجود دارد.
چرا اتمها تمایل دارند با یکدیگر پیوند شیمیایی تشکیل دهند؟
گازهای نجیب بهصورت تک اتمی در طبیعت یافت میشوند (به عنوان مثال گاز آرگون از اتمهای تنهای آرگون تشکیل شده است) (شکل 7) که بیانگر پایداری اتم آنهاست. دلیل پایداری را باید در آرایش الکترونی خاص این عنصرها جستجو کرد. بررسی آرایش الکترونی گازهای نجیب نشان میدهد که در لایه ظرفیت همه آنها (بهجز هلیم که تنها 2 الکترون دارد) 8 الکترون وجود دارد. پس داشتن 8 الکترون در لایه بیرونی معیاری برای پایداری اتم است و اتمها تلاش میکنند تا با تشکیل پیوند شیمیایی با دیگر اتمها به چنین آرایش الکترونی دست یابند و پایدار شوند (قاعده هشتایی).
پیوندهای شیمیایی
همانطور که گفته شد، اتمهای اغلب عنصرها برای رسیدن به آرایش الکترونی مشابه با آرایش الکترونی گاز نجیب و پایدار شدن، به یکدیگر متصل میشوند. شیوۀ اتصال اتمها به یکدیگر را پیوند شیمیایی میگویند.
در علوم تجربی خواندید اتمها از طریق انتقال الکترون و تشکیل پیوند یونی و یا اشتراکگذاری الکترون و تشکیل پیوند کووالانسی پایدار میشوند.
پیوند یونی و ترکیبهای یونی
وقتی دو یا چند اتم از طریق انتقال الکترون و تشکیل پیوند یونی به هم متصل میشوند، برخی از اتمها با از دست دادن الکترون و تبدیل شدن به کاتیون و برخی دیگر با دریافت الکترون و تبدیل شدن به آنیون به پایداری میرسند. جاذبه الکترواستاتیک ایجاد شده بین کاتیونها و آنیونها پیوند یونی نام دارد. در علوم تجربی چگونگی مبادله الکترون میان اتمهای فلز سدیم و گاز کلر را آموختید. اکنون به سوختن نوار منیزیم در اکسیژن توجه کنید. اتمهای منیزیم با از دست دادن 2 الکترون و تبدیل شدن به کاتیون منیزیم و اتمهای اکسیژن با گرفتن 2 الکترون و تبدیل شدن به آنیون اکسید به یکدیگر متصل شده و ترکیب یونی منیزیم اکسید ($MgO$) را تولید میکنند (شکل 8).
در نتیجۀ انتقال الکترون میان اتمهای فلز و نافلز، آنیون و کاتیون ایجاد شده دارای آرایش الکترونی پایدار (8 الکترون در لایۀ ظرفیت) میشوند و به صورت پایدار در ترکیب یونی حاصل وجود دارند.
برخی از اتمهای فلزی با از دست دادن الکترون میتوانند به کاتیون تبدیل شوند و در مقابل برخی از اتمهای نافلزی با دریافت الکترون به آنیون تبدیل میشوند.
کار در کلاس (صفحه 21 کتاب درسی)
الف) در یک فعالیت گروهی به کمک اعضای گروه، جدول زیر را کامل کنید.
| نام عنصر | نماد | آرایش الکترونها | چگونگی پایدار شدن | آرایش الکترونی یون حاصل |
| لیتیم | ${}_{3}Li$ | ${}_{3}Li:2)1)$ | از دست دادن 1 الکترون و تبدیل شدن به کاتیون با 1 بار مثبت ($L{{i}^{1+}}$) |
2 الکترون در لایه اول ${}_{3}L{{i}^{+}}:2)$ |
| کلسیم | ${}_{20}Ca$ | 8 الکترون در لایه سوم ${}_{20}C{{a}^{2+}}:2)8)18)$ |
||
| نیتروژن | ${}_{7}N$ | |||
| آلومینیوم | ${}_{13}Al$ | |||
| اکسیژن | ${}_{8}O$ | |||
| فلوئور | ${}_{9}F$ |
ب) در ترکیب یونی حاصل از اکسیژن و منیزیم چه یونهایی وجود دارد؟
ج) در ترکیب یونی حاصل از اکسیژن و کلسیم به ازای هر کاتیون چند آنیون وجود دارد؟ چرا؟
د) در ترکیب یونی حاصل از واکنش فلزهای آلومینیوم و گاز فلوئور چه یونهایی و با چه نسبتی وجود دارد؟
همانطور که از «کار در کلاس» بالا میتوان نتیجه گرفت، در ترکیبهای یونی تعداد کاتیونها و آنیونها به گونهای است که ترکیب یونی خنثی باشد (تعداد کاتیونها و آنیونها ممکن است برابر نباشد). برای نمایش مواد شیمیایی از فرمول شیمیایی استفاده میشود. فرمول شیمیایی ترکیبهای یونی نشان دهنده کاتیون و آنیون موجود در ترکیب یونی و سادهترین نسبت آنها است. در فرمول شیمیایی ترکیبهای یونی (از چپ به راست) ابتدا نماد کاتیون و سپس نماد آنیون نوشته میشود و در صورت نیاز از اعدادی در زیر نماد هر یون استفاده میشود که زیروند گفته میشوند و نشان دهنده نسبت یونها در ترکیباند. بهطور معمول اگر کاتیون و آنیونِ ترکیب یونی از نظر اندازۀ بار یکسان باشند در فرمول شیمیایی ترکیب یونی، زیروندی نوشته نمیشود، مانند ترکیبهای یونی، $MgO$، $NaCl$ و ... .
خود را بیازمایید (صفحه 22 کتاب درسی)
فرمول شیمیایی ترکیبهای یونی حاصل از فلزها و نافلزهای "کار در کلاس" بالا را بنویسید.
آزمایش کنید (صفحه 22 کتاب درسی)
بررسی رسانایی الکتریکی آب خالص و محلولهای آن
آب خالص رسانای بسیار ضعیف جریان برق محسوب میشود و نمک خوراکی (سدیم کلرید) که ترکیب یونی سفید رنگی است و شکر نیز جریان برق را از خود عبور نمیدهند.
اگر به آب خالص مقداری نمک خوراکی اضافه کنید محلول حاصل جریان برق را به خوبی از خود عبور میدهد. در حالی که اگر به آب خالص کمی شکر اضافه کنید همچنان جریان برق را از خود عبور نمیدهد!
به کمک دبیر خود با طراحی آزمایشی این پدیده را بررسی و مشاهدات خود را تفسیر کنید.
بیشتر بدانید
یونها در بسیاری از فعالیتهای زیستی موجودات زنده نقش مهمی دارند. برای نمونه، بیرون و درون سلولهای بدن باید از نظر الکتریکی خنثی باشد. وجود یونهای پتاسیم (${{K}^{+}}$) هیدروژن فسفات ($HPO_{4}^{2-}$) درون سلول و یونهای سدیم (${{Na}^{+}}$) و کلرید (${{Cl}^{-}}$) بیرون آن موجب میشود که مایع بین سلولی هر دو محیط از نظر الکتریکی خنثی بماند. یون دیگری که در فعالیتهای زیستی نقش ایفا میکند، یون منیزیم ($M{{g}^{2+}}$) است. این یون در سبزینۀ گیاهان یافت میشود. همچنین، یون منیزیم در سلول های عصبی و به هنگام فعالیتهای ماهیچهای مورد استفاده قرار میگیرد. یون آهن ($II$) ($F{{e}^{2+}}$) در ساختار مولکول هموگلوبین وجود دارد و از اجزای اصلی در سیستم انتقال اکسیژن بدن است. یون کلسیم ($C{{a}^{2+}}$) از اجزای اصلی استخوانها و دندانها است و نقش مهمی در انعقاد خون دارد.
پیوند کووالانسی و مواد مولکولی
وقتی دو اتم نافلز در کنار یکدیگر قرار گیرند (به عنوان مثال وقتی دو اتم فلوئور (${}_{9}F$) میخواهند با هم پیوند تشکیل دهند و گونه ${{F}_{2}}$ را تولید کنند(هیچ یک از اتمها توانایی دریافت الکترون از اتم مقابل خود را ندارد!
بیندیشید
آرایش الکترونی اتم فلوئور (${}_{9}F$) را تعیین کنید و به سؤالات زیر پاسخ دهید.
الف) اتم فلوئور چگونه به پایداری میرسد؟
ب) اتم فلوئور در گاز فلوئور بهصورت پیوند شده با یک اتم فلوئور دیگر وجود دارد. با مدل زیر میتوانیم آرایش الکترونی دو اتم فلوئور در گاز فلوئور را نشان دهیم. اتمهای فلوئور در گاز فلوئور چگونه پایدار شدهاند؟
در علوم تجربی سال نهم خواندید برخی مواد از کنار هم قرار گرفتن کاتیون و آنیون تشکیل نشدهاند (مانند گاز کلر، آب، شکر و ...). در چنین موادی اتمها بدون اینکه الکترونی مبادله کنند و به یون تبدیل شوند به هم متصل میشوند. در این حالت اتمها به جای انتقال الکترون، از طریق به اشتراک گذاشتن الکترونها به آرایش الکترونی پایدار میرسند. به پیوندی که در نتیجه اشتراک الکترون بین دو اتم ایجاد میشود پیوند کووالانسی گفته میشود.
وقتی تعداد مشخصی اتم از طریق پیوند کووالانسی به هم متصل شوند، گونه چند اتمی حاصل که بار الکتریکی ندارد، مولکول نامیده میشود. برای نمایش مولکول یک ماده از یک نوع فرمول شیمیایی استفاده میشود که علاوه بر نوع اتمهای سازنده، تعداد دقیق هر نوع اتم در مولکول را نشان میدهد؛ به این فرمول شیمیایی فرمول مولکولی گفته میشود. مانند مولکول اکسیژن (${{O}_{2}}$)، (${{H}_{2}}O$)، متان، ($C{{H}_{4}}$) کربن دیاکسید ($C{{O}_{2}}$)، گلوکز (${{C}_{6}}{{H}_{12}}{{O}_{6}}$) و ... .
درشت مولکولها
برخی مولکولها از تعداد بسیار زیادی اتم ساخته شدهاند و درنتیجه جرم مولکولی زیادی دارند. این مولکولها درشت مولکول نامیده میشوند.
پلیمرها یا بسپارها از جمله درشت مولکولها هستند که از اتصال تعداد زیادی مولکول کوچک که مونومر یا تکپار نامیده میشوند، ساخته شدهاند.
سلولز، پشم، پنبه و ابریشم پلیمرهای طبیعی و پلاستیک و تفلون از جمله پلیمرهای مصنوعی هستند
از پلیمرهای مصنوعی در ساخت قطعات خودرو، مواد ساختمانی، بستهبندی مواد غذایی و ... استفاده میکنند.
کار در کلاس (صفحه 24 کتاب درسی)
الف) با کمک اعضای گروه خود جدول زیر را کامل کنید.
| نام ماده شیمیایی | فرمول مولکولی | نوع و تعداد اتم هر عنصر در مولکول | فرمول تجربی |
| گاز اکسیژن | ${{O}_{2}}$ | ||
| متان | $C{{H}_{4}}$ | ||
| بوتان | ${{C}_{4}}{{H}_{10}}$ | ||
| آمونیاک | $N{{H}_{3}}$ | ||
| استیک اسید | ${{C}_{2}}{{H}_{4}}{{O}_{2}}$ | اکسیژن: 2، هیدروژن: 4، کربن: 2 | $C{{H}_{2}}O$ |
| فرمالدهید | $C{{H}_{2}}O$ | ||
| فسفریک اسید | ${{H}_{3}}P{{O}_{4}}$ |
ب) تفاوت فرمول شیمیایی مولکولی و تجربی را بنویسید.
ج) آیا موادی وجود دارند که فرمول تجربی یکسانی داشته باشند؟
در مولکول متان، 1 اتم کربن با اشتراک گذاری 4 الکترون لایه ظرفیت خود با 4 الکترون از 4 اتم هیدروژن (تشکیل 4 پیوند کووالانسی) به آرایش الکترونی پایدار میرسد. در مولکول کربن دی اکسید، اتم کربن با هر اتم اکسیژن 2 الکترون به اشتراک میگذارد (تشکیل پیوند کووالانسی دوگانه) (شکل 9).
موادی را که از اجتماع مولکولها ایجاد میشوند، مواد مولکولی مینامند. در مواد مولکولی فقط اتمهای یک مولکول با هم پیوند کووالانسی دارند و با اتمهای مولکولهای دیگر پیوند شیمیایی ندارند. بسیاری از مواد مولکولی (از جمله شکر، اتانول و ...) وقتی در آب حل میشوند یون تولید نمیکنند و به همین دلیل محلول آنها جریان برق را از خود عبور نمیدهد.
بیشتر بدانید
مدل الکترون- نقطهای اتمها و مولکولها (ساختار لوییس)
برای نمایش مولکولها میتوان الکترونهای لایۀ ظرفیت را بهصورت نقطههایی اطراف نماد شیمیایی اتمهای تشکیل دهنده مولکول نشان داد. جفت الکترون به اشتراک گذاشته شده بین اتمها (جفت الکترون پیوندی) بهصورت دو نقطه یا خط تیره بین دو اتم نشان داده میشود. به این شیوه نمایش دادن مولکولها، مدل الکترون نقطهای یا ساختار لوییس گفته میشود.
در این مدل، الکترونهای لایه ظرفیت هر اتم در چهار جایگاه اطراف نماد شیمیایی آن عنصر نشان داده میشوند. در هر جایگاه حداکثر دو الکترون قرار میگیرد. برای تمام اتمها به جز هلیم ابتدا در هر جایگاه یک الکترون قرار میگیرد.
برای نمونه ، اتمهای کربن، اکسیژن و هیدروژن به ترتیب 4، 6 و 1 الکترون در لایه ظرفیتشان دارند و مدل الکترون نقطهای این اتمها را بهصورت زیر نمایش میدهند:
ساختار لوییس مولکولهای متان و کربن دی اکسید بهصورت زیر است:
تحقیق کنید (صفحه 25 کتاب درسی)
در یک فعالیت گروهی به کمک هم گروهیهای خود در ارتباط با تفاوتهای ترکیبهای یونی و مواد مولکولی تحقیق کنید و نتایج خود را به کلاس ارائه دهید.
آنچه آموختیم در یک نگاه
بیشتر بدانید
جامدهای کووالانسی
در برخی از مواد تعداد بسیار زیادی اتم (غیر قابل شمارش!!) از طریق پیوندهای کووالانسی به هم متصل میشوند و یک شبکه از اتمها را به وجود میآورند. به چنین موادی که جامدهای بسیار سخت هستند جامدهای کووالانسی گفته میشود. الماس و گرافیت معروفترین جامدهای کووالانسی هستند که از اتمهای کربن ساخته شدهاند. در الماس هر اتم کربن به چهار اتم دیگر ساختار هندسی چهار وجهی ایجاد میکند. گرافیت برخلاف الماس ساختار لایه لایه دارد. در هر لایه، هر اتم کربن به سه اتم کربن دیگر متصل شده است. پیوندهای موجود در هر صفحه بسیار قوی هستند و از این رو هر صفحه را میتوان یک مولکول غولآسای ورقهای در نظر گرفت. این مولکولهای صفحهای غولآسا به وسیلۀ نیروی بین مولکولی ضعیفی روی هم قرارگرفتهاند. از این رو به آسانی روی یکدیگر میلغزند (گرافیت نرم است!). سختی الماس باعث شده است تا از آن در ساخت متهها و ابزارهای برش صنعتی استفاده شود.
ارزشیابی پایان فصل (صفحه 27 کتاب درسی)
1- الف) آرایش الکترونی اتم عنصرهای زیر را بنویسید.
ب) تعیین کنید کدام عنصرها خواص شیمیایی مشابه دارند و در یک گروه جدول تناوبی قرار دارند؟
${}_{17}Cl-{}_{5}B-{}_{9}F-{}_{13}Al$
2- الف) فرمول شیمیایی ترکیب یونی که دارای کاتیون $F{{e}^{3+}}$، ${{O}^{2-}}$ است را بنویسید.
ب) فرمول شیمیایی ترکیب یونی حاصل از واکنش عنصرهای منیزیم (${}_{12}Mg$) و نیتروژن (${}_{7}N$) را بنویسید.
3- دلیل هریک از پدیدههای زیر را توضیح دهید:
- آب خالص به خوبی جریان برق را از خود عبور نمیدهد.
- اگر به آب خالص کمی نمک سدیم کلرید ($Nacl$) اضافه کنیم، محلول حاصل جریان برق را به خوبی از خود عبور میدهد.
4- هیدروکربن ها از مهم ترین ترکیب های شیمیایی به حساب می آیند که در ساختار آنها فقط عنصرهای نافلزی هیدروژن و کربن وجود دارد. ساده ترین آنها متان نام دارد که در مولکول آن 1 اتم کربن و 4 اتم هیدروژن وجود دارد. به کمک اعضای گروه خود و بر اساس آرایش الکترونی عنصرهای کربن (${}_{6}C$) و هیدروژن (${}_{1}H$) چگونگی تشکیل پیوند شیمیایی بین اتمهای موجود در مولکول متان را تعیین کنید.