درسنامه آموزشی شیمی (1) کلاس دهم رشته ریاضی و تجربی
فصل اول: طبقه بندی عنصرها
طبقه بندی عنصرها
طبقهبندی کردن یکی از مهارتهای پایه در یادگیری مفاهیم علمی است که بررسی و تحلیل را آسانتر میکند. در واقع با استفاده از طبقهبندی، یافتهها و دادهها را به شیوۀ مناسبی سازماندهی میکنند تا بتوان سریعتر و آسانتر به اطلاعات دسترسی یافت. در درس علوم با اساس طبقهبندی عنصرها، مواد و جانداران آشنا شدید. شیمیدانها نیز 118 عنصر شناخته شده را براساس یک معیار و ملاک در جدولی با چیدمانی ویژه کنار هم قرار دادهاند (شکل 7). این جدول به آنها کمک میکند تا اطلاعات ارزشمندی از ویژگیهای عنصرها را به دست آورند و براساس آن، رفتار عنصرهای گوناگون را پیشبینی کنند.
جدول دورهای عنصرها
در این جدول هر عنصر با نماد یک یا دو حرفی نشان داده شده است. در هر نماد، حرف اول نام لاتین عنصر به صورت بزرگ نوشته میشود؛ برای نمونه نماد سه عنصر آلومینیم، آرگون و طلا به ترتیب $Al$، $Ar$ و $Au$ است که همگی با حرف A آغاز میشود.
در جدول دورهای (تناوبی) امروزی، عنصرها بر اساس افزایش عدد اتمی (Atomic Number) سازماندهی شدهاند، به طوری که جدول دورهای عنصرها از عنصر هیدروژن با عدد اتمی یک (Z=1) آغاز و به عنصر شمارۀ 118 ختم میشود. این جدول، 7 دوره (Period) و 18 گروه (Group) دارد. هر ردیف افقی جدول، که نشان دهندۀ چیدمان عنصرها برحسب افزایش عدد اتمی است، دوره نام دارد؛ در حالی که هر ستون، شامل عنصرها با خواص شیمیایی مشابه است و گروه نامیده میشود. بدیهی است خواص شیمیایی عنصرهایی که در یک دوره از جدول جای دارند، متفاوت است. با پیمایش هر دوره از چپ به راست، خواص عنصرها به طور مشابه تکرار میشود؛ از اینرو چنین جدولی را جدول دورهای (تناوبی) عنصرها نامیدهاند.
هر خانه از جدول به یک عنصر معین تعلق دارد و حاوی برخی اطلاعات شیمیایی آن عنصر است. برای نمونه خانۀ شمارۀ هفت به عنصر نیتروژن تعلق دارد که اطلاعات آن به صورت زیر است:
آیا میدانید
بزرگترین پیشرفت در زمینۀ دستهبندی عنصرها با کارهای مندلیف (1907 - 1834 میلادی) به دست آمد. مندلیف یک معلم شیمی اهل روسیه بود که به وجود روند تناوبی میان عنصرها مشابه با شیوهای که امروز میشناسیم، پی برد.
نمادها، دادههای عددی و خلاصه نویسیها در جدول دورهای، اطلاعات مفیدی دربارۀ عنصرها ارائه میکند. با استفاده از این نشانهها و فراگیری مهارت استفاده از جدول میتوان اطلاعاتی مانند شمارۀ گروه، دوره، شمار ذرههای زیراتمی و... را برای یک عنصر به دست آورد (شکل 8).
در میان تارنماها (صفحهٔ 13 کتاب درسی)
با مراجعه به منابع علمی معتبر مانند وبگاه «آیوپاک» و وبگاه «انجمن شیمی ایران» دربارۀ دسته بندی عنصرها به روشهای دیگر، اطلاعاتی جمعآوری و نتایج خود را به کلاس گزارش کنید.
دانشمندان با مطالعه بر روی عناصر متوجه شده بودند که با وجود تفاوت بین خواص عنصرها مشابهت فیزیکی و شیمیایی بین عناصر وجود دارد. تفاوتها نیز از نظم و ترتیب خاصی پیروی میکند.
طبقه بندی عناصر، با توجه به تشابه برخی از عنصرها با یک دیگر، و نظم و ترتیب موجود در تغییرات خواص آنها امکان پذیر بود.
- اولین دسته بندی توسط لاوازیه صورت گرفت. لاوازیه عناصر را به دو دسته فلز و نافلز تقسیم کرد.
- دوبراینر دانشمند دیگری است که عناصر را در دستههای سه تایی به جدول زیر تقسیم بندی کرد.
| نمونههایی از سه تاییهای دوبراینر | ||||||
| سه تایی اول | سه تایی دوم | سه تایی سوم | ||||
| نام | جرم اتمی | نام | جرم اتمی | نام | جرم اتمی | |
| عنصر اول | کلسیم | 40/1 | کلر | 35/5 | گوگرد | 32/1 |
| عنصر سوم | باریم | 137/3 | ید | 126/9 | تلور | 127/6 |
| میانگین 88/7 | میانگین 81/2 | میانگین 79/9 | ||||
| عنصر دوم | استرونسیم | 87/6 | برم | 79/9 | سلنیم | 79/0 |
نیوزلند براساس قانون اکتاو (گام های موسیقی) هفت عنصر را در هفت دسته هفت تایی دسته بندی کرد. در این دسته بندی خواص فیزیکی و شیمیایی در عنصر هشتم تکرار میشد.(طبق جدول زیر)
| قانون اکتاوهای نیوزلند | ||||||
| 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 |
| F | O | N | C | B | Be | Li |
| Cl | S | p | Si | Al | Mg | Na |
| K | ||||||
اولین دانشمندی که عناصر را طبقه بندی کرد مندلیف روسی بود. مندلیف به تغییرات خواص عناصر توجه نمود. او با بیان قانون تناوبی جدول خود را عرضه کرد.
مندلیف در تنظیم جدول دو اصل را رعایت کرد.
1- اصل تشابه خواص عناصر (قرار گرفتن عناصر با خاصیتهای مشابه در زیر هم در یک ستون)
2- افزایش تدریجی جرم اتمی عناصر در ردیف های کنار هم (تغییر تدریجی خواص)
مندلیف عناصر شناخته شده زمان خود را در چند ردیف (دوره - تناوب) براساس افزایش جرم اتمی از چپ به راست منظم نمود. به گونهای که عناصر با خواص مشابه زیر یکدیگر در یک ستون قرار بگیرند.
این کار باعث شد خانههای خالی متعددی از عناصر که در زمان مندلیف کشف نشده بود پیش بینی شود. در نتیجه قدم بزرگ در راه کشف این عناصر توسط محققین برداشته شود.
ایراد جدول مندلیف: چند مورد بی نظمی دیده میشد و آن این بود که برای رعایت اصول تشابه مجبور شد عناصر سنگینتر را قبل از عناصر سبکتر قرار دهد.
قانون تناوبی مندلیف: اگر عنصرها به ترتیب افزایش جرم اتمی در کنار هم در ردیف قرار گیرند خواص فیزیکی و شیمیایی آنها به طور تناوبی تکرار میشود.
بعد ها موزلی با کشف عدد اتمی (تعداد پروتونهای هسته) نشان داد که عدد اتمی معیار مناسب تری برای تنظیم عناصر در جدول تناوبی است. بر همین اساس موزلی معیار تنظیم عناصر در جدول را تغییر داد. به طور که در جدول تناوبی امروزی عناصر بر مبنای عدد اتمی (نه جرم اتمی) تنظیم شدهاند.
قانون تناوبی جدول امروزی: براساس کار موزلی - قانون تناوبی عناصر - هر گاه عناصر را براساس افزایش عدد اتمی در کنار یکدیگر قرار دهیم خواص فیزیکی و شیمیایی آنها به طور تناوبی تکرار میشود.
خود را بیازمایید (صفحهٔ 13 کتاب درسی)
1- با استفاده از جدول دورهای، موقعیت (دوره و گروه) عنصرهای آلومینیم (${}_{13}Al$)، کلسیم (${}_{20}Ca$)، منگنز (${}_{25}Mn$) و سلنیم (${}_{34}Se$) را تعیین کنید.
| اتم | دوره | گروه |
|---|---|---|
| $_{B}Al$ | 3 | 13 |
| $_{20}Ca$ | 4 | 2 |
| $_{25}Mn$ | 4 | 7 |
| $_{34}Se$ | 4 | 16 |
2- هلیم (${}_{2}He$)، عنصری است که تمایل به انجام واکنش شیمیایی ندارد. پیش بینی کنید کدام یک از عنصرهای زیر، رفتاری مشابه با آن دارد؟ چرا؟
$_{18}Ar$، زیرا این اتم هم گروه هلیم است.
3- اتم فلوئو (${}_{9}F$)، در ترکیب با فلزها به یون فلوئورید ($F^{-}$) تبدیل میشود. اتم کدامیک از عنصرهای زیر، میتواند آنیونی با بار الکتریکی همانند یون فلوئورید تشکیل دهد؟ چرا؟
$_{35}Br$، زیرا این عنصر هم گروه فلوئور است.
4- از اتم آلومینیم (${}_{13}Al$)، یون پایدار $Al^{3+}$ شناخته شده است. پیشبینی کنید اتم کدام یک از عنصرهای زیر میتواند به کاتیونی مشابه $Al^{+}$ در ترکیبها تبدیل شود؟
$_{31}Ga$، زیرا هر دو عنصر دارای 3 الکترون ظرفیتی بوده و در یک گروه قرار دارند.
جرم اتمی عنصرها
میدانید که جرم اجسام گوناگون را بسته به اندازه و نوع آنها با ترازوهای متفاوتی. اندازه گیری میکنند (شکل 9).
با این توصیف، ترازوهایی که برای اندازهگیری جرم مواد گوناگون به کار میرود، دقت اندازهگیری متفاوتی دارد؛ برای نمونه، دقت باسکولهای تنی تا یکصدم تن و دقت ترازوی زرگری تا یکصدم گرم است. با استفاده از باسکول چند تنی نمیتوان جرم یک هندوانه را اندازهگیری کرد؛ زیرا جرم هندوانه از دقت اندازهگیری این ترازو کمتر است. آیا میتوان جرم یک دانۀ برنج را با ترازوی معمولی اندازه گیری کرد؟
دانشمندان برای اینکه بتوانند خواص فیزیکی و شیمیایی هر ماده را در محیطی مانند بدن انسان، محیط زیست، محیط آزمایش و... بررسی و اثر آن را گزارش کنند، باید بدانند که چه جرمی از اتمها یا مولکولهای آن ماده وارد محیط شده است؛ از این رو آنها همواره در پی یافتن سنجهای مناسب و در دسترس برای اندازه گیری جرم اتمها بودهاند.
اتمها بسیار ریزند بهطوری که نمیتوان آنها را به طور مستقیم مشاهده و جرم آنها را اندازهگیری کرد؛ به همین دلیل دانشمندان مقیاس جرم نسبی را برای تعیین جرم اتمها به کار میبرند. مطابق این مقیاس، جرم اتمها را با وزنهای میسنجند که جرم آن $\frac{1}{12}$ جرم ایزوتوپ کربن -12 است (شکل 10). به این وزنه، یکای جرم اتمی (amu) میگویند.
ب) اگر در این ترازوی فرضی به جای ایزوتوپ کربن -12، ایزوتوپ $_{1}^{1}H$ قرار گیرد، جرم 1/008amu به دست میآید.
الگویی دیگر برای نمایش amu
با تعریف amu، شیمیدانها موفق شدند جرم اتمی دیگر عنصرها و همچنین جرم ذرههای زیراتمی را اندازه گیری کنند. در این مقیاس جرم پروتون و نوترون در حدود 1amu بوده در حالی که جرم الکترون ناچیز و در حدود $\frac{1}{2000}$ است (جدول 1)
| نام ذره | نماد | بار الکتریکی نسبی | جرم (amu) |
|---|---|---|---|
| الکترون | $_{-1}^{0}e$ | 1- | 0/005 |
| پروتون | $_{+1}^{1}e$ | 1+ | 1/0073 |
| نوترون | $_{0}^{0}e$ | 0 | 1/0087 |
در این نماد، عددهای سمت چپ از بالا به پایین به ترتیب جرم نسبی و بار نسبی ذره را مشخص میکند.
با این توصیف جرم اتم $_{3}^{7}Li$ را میتوان 7amu در نظر گرفت. اکنون با مراجعه به جدول، جرم اتمی لیتیم را مشخص کنید. آیا تفاوتی مشاهده میکنید؟ به نظر شما علت این تفاوت چیست؟
با هم بیندیشیم (صفحهٔ 15 کتاب درسی)
1- با توجه به شکل به پرسشهای زیر پاسخ دهید.
آ) جدول زیر را کامل کنید.
| نماد ایزوتوپ | درصد فراوانی در طبیعت | عدد جرمی (A) | جرم اتمی میانگین |
|---|---|---|---|
| $_{3}^{6}Li$ | 6٪ | 6 | 6/94 |
| $_{3}^{7}Li$ | 94٪ | 7 | 6/94 |
ب) جرم اتمی میانگین هر عنصر همان جرم نشان داده شده در جدول دورهای عنصرهاست. رابطهای بین جرم اتمی میانگین، درصد فراوانی و جرم اتمی ایزوتوپها بنویسید.
$\chi =\frac{{{m}_{1}}{{a}_{1}}+{{m}_{2}}{{a}_{2}}+...}{100}$
2- شکل زیر ایزوتوپهای کلر را نشان میدهد.
آ) جرم اتمی میانگین کلر را حساب کنید.
کلر دارای دو ایزوتوپ است که با توجه به نمودار دایرهای درصد فراوانی آنها به صورت زیر است:
$\chi =\frac{{{m}_{1}}{{a}_{1}}+{{m}_{2}}{{a}_{2}}+...}{100}=\frac{(37\times 24/2)+(35\times 75/8)}{100}=\frac{895/4+2653}{100}=35/484$
ب) جرم اتمی میانگین به دست آمده را با جرم اتمی کلر در جدول دورهای مقایسه کنید.
جرم اتمی محاسبه شده با فرمول مقداری کمتر از مقدار موجود در جدول تناوبی است.
شمارش ذرهها از روی جرم آنها
اگر بخواهید دانههای خاکشیر یا برنج موجود در یک نمونۀ کوچک از آنها را بشمارید، به نظر شما این تلاش چقدر وقت میگیرد؟ پس از شمارش دانهها تا چه اندازه به نتیجۀ شمارش خود اطمینان دارید؟ برای اینکه بتوانید تعداد دانههای برنج یا خاکشیر در یک کیسه از این مواد را بشمارید (شکل 11)، چه راهکاری پیشنهاد میکنید؟
اگر جرم هر مهره به طور میانگین 4/29 گرم باشد، برآورد کنید در این ظرف چند مهره وجود دارد؟ (جرم ظرف برابر با 450/03 گرم است).
با هم بیندیشیم (صفحهٔ 16 کتاب درسی)
آ) جدول زیر را کامل کنید.
| ماده | جرم 1000 عدد (گرم) | جرم 50 عدد (گرم) | جرم 1 عدد (گرم) |
|---|---|---|---|
| کاغذ آ4 | 4500 | 225 | 4/5 |
| عدس | 56 | 2/8 | 0/056 |
| برنج | 22 | 1/1 | 0/022 |
| خاکشیر | 2 | 0/1 | 0/002 |
ب) به نظر شما جرم یک عدد از کدام ماده را میتوان با ترازوی دیجیتالی اندازه گیری کرد؟ چرا؟
کاغذ آ4، زیرا جرم یک عدد کاغذ آ4، در حد گرم میباشد و دقت ترازوی دیجیتالی در حد گرم است.
پ) روشی برای اندازه گیری جرم یک دانه خاکشیر ارائه کنید.
میتوان با ترازوی دیجیتالی یک گرم از این ماده را وزن کرد و سپس با شمارش دانههای آن و تقسیم نمودن جرم بر تعداد دانه، جرم یک دانهی خاکشیر را به دست آورد.
ت) آیا جرم هر یک از دانههای برنج موجود در نمونه با جرم به دست آمده در ستون چهارم جدول برابر است؟ توضیح دهید.
خیر، زیرا جرم هر یک از دانههای برنج به اندازه و ابعاد آن دانه وابسته است.
اتمها به طور باور نکردنی ریز هستند به طوری که نمیتوان با هیچ دستگاهی و شمارش تک تک آنها، شمار آنها را به دست آورد؛ اما دریافتید که از روی جرم یک نمونه ماده میتوان به شمار واحدهای موجود در آن دست یافت، الگویی که نشان میدهد چگونه میتوان شماره اتمهای موجود در یک نمونه عنصر را تعیین کرد.
برآورد کنید در یک کیسۀ 40 کیلویی برنج تقریباً چند دانۀ برنج وجود دارد؟
پیوند با ریاضی (صفحهٔ 17 کتاب درسی)
1- اگر بدانید که جرم هر اتم هیدروژن $1amu=1/66\times {{10}^{-24}}$ است، حساب کنید در نمونۀ یک گرمی از عنصر هیدروژن، چند اتم هیدروژن وجود دارد؟
2- به عدد $6/02 \times {10^{23}}$ که در پرسش 1، به دست آمد، عدد آووگادرو میگویند و آن را با $N_A$ نشان میدهند. اگر $N_A$ اتم هیدروژن در یک نمونه موجود باشد، جرم نمونه چند گرم است؟
در زندگی روزانه نیز برای بیان شمارش از یکاهای گوناگونی استفاده میشود، برای نمونه استفاده از شانه برای تخممرغ و دست برای قاشق و چنگال، شمارش و محاسبه را آسانتر میکند (شکل 12).
نقش $N_A$ در شیمی مانند نقش شانه در شمارش تعداد تخممرغهاست با این تفاوت چشمگیر که عدد آووگادرو، عدد بسیار بزرگی است. شیمیدانها به $6/02\times {{10}^{23}}$ از هر ذره، یک مول از آن ذره میگویند به طوری که جرم یک مول ذره بر حسب گرم، جرم مولی آن نامیده میشود (شکل 13).
آیا میدانید
آمدئو آووگادرو (1856 - 1776 میلادی) شیمیدان پرآوازۀ ایتالیایی که به افتخار او شمار ذرههای موجود در یک مول ماده، عدد آووگادرو نام گذاری شده است.
آیا میدانید
اگر $6/02\times {{10}^{23}}$ دانۀ برف در سطح ایران ببارد، لایهای از برف به ارتفاع قلۀ دنا $(\simeq 4500m)$ همۀ کشور را میپوشاند.
با استفاده از همارزی میان کمیتها میتوان آنها را به یکدیگر تبدیل کرد به طوری که برای هر هم ارزی میتوان دو عامل (کسر) تبدیل نوشت. در این عاملها، صورت و مخرج هر یک شامل عددی همراه با یکاست؛ برای نمونه از هم ارزی 1m = 100cm میتوان این دو عامل تبدیل را نوشت:
$\frac{100cm}{1m}$ و $\frac{1m}{100cm}$
از این عاملها میتوان در تبدیل متر به سانتیمتر و برعکس استفاده کرد؛ برای نمونه به تبدیل 0/15 متر به سانتیمتر توجه کنید:
$?cm=0/15\times \frac{100cm}{1m}=15cm$
به همین ترتیب برای 1mol C = 12/01g C، میتوان دو عامل تبدیل به صورت زیر نوشت:
$\frac{12/01gC}{1molC}$ $\frac{1molC}{12/01gC}$
بنابراین برای تبدیل جرم 0/6 گرم کربن به مولهای آن میتوان نوشت:
$?molC=0/6gC\times \frac{1molC}{12/01gC}=0/05molC$
خود را بیازمایید (صفحهٔ 19 کتاب درسی)
1- با استفاده از $1molAl=27gAl$ ، $1molS=32gS$ حساب کنید:
آ) 5 مول آلومینیم چند گرم جرم دارد؟
$5molAl\times \frac{26gAl}{1molAl}=135Al$
ب) 0/08 گرم گوگرد چند مول گوگرد است؟
$0/08molS\times \frac{32gS}{1molS}=2/56gS$
2- دانشآموزی برای تعیین تعداد اتمهای موجود در 0/2 مول فلز روی، محاسبۀ زیر را به درستی انجام داده است. هر یک از جاهای خالی را پرکنید.
$?atom Zn=0/2 {mol Zn} \times \frac {6/02 \times 10^{23} atomZn}{1 molZn}=1/204 \times {{10}^{23}} atomZn$
3- حساب کنید $9/03\times {{10}^{20}}$ اتم مس، چند مول و چند گرم مس است؟
$\begin{align}
& 9/03\times {{10}^{20}}atomCu\times \frac{1molCu}{6/02\times {{10}^{23}}atomCu}=1/5\times {{10}^{-3}}molCu \\
& 1/5\times {{10}^{-3}}molCu\times \frac{63/55gCu}{1molCu}=0/095gCu \\
\end{align}$
آیا میدانید
فلز مس گاهی در طبیعت به حالت آزاد یافت میشود. این عنصر اغلب به شکل ترکیبهای گوناگون وجود دارد. حدود هفت هزار سال پیش، انسان توانست با گرم کردن سنگ معدن مس همراه با زغال سنگ، فلز مس را به صورت مذاب استخراج کند.
