درسنامه آموزشی شیمی (1) کلاس دهم رشته ریاضی و تجربی
فصل اول: ساختار اتم و رفتار آن
از مدتها پیش شیمیدانها پی بردند که گازهای نجیب در طبیعت به شکل تک اتمی یافت میشوند. این واقعیت بیانگر این است که این گازها واکنشناپذیر بوده یا واکنشپذیری بسیار کمی دارند، از این رو پایدارند. به نظر شما آیا بین ساختار الکترونی این اتمها، پایداری و واکنش ناپذیری آنها رابطهای هست؟ برای یافتن پاسخ این پرسش به آرایش الکترونی چهار گاز نجیب توجه کنید:
$_{2}He:1{{s}^{2}}$
$_{10}Ne:[He]2{{s}^{2}}2{{p}^{6}}$
$_{18}Ar:[Ne]3{{s}^{2}}3{{p}^{6}}$
$_{36}Kr:[Ar]3{{d}^{10}}4{{s}^{2}}4{{p}^{6}}$
در لایۀ ظرفیت این اتمها، هشت الکترون وجود دارد (به جز هلیم که در تنها لایۀ الکترونی خود، دو الکترون دارد)؛ با این توصیف میتوان نتیجه گرفت که بین پایداری و آرایش الکترونی لایۀ ظرفیت اتمها باید رابطهای باشد بهطوری که اگر لایۀ ظرفیت اتمی، همانند آرایش الکترونی یک گاز نجیب و یا هشتتایی باشد، آن اتم واکنشپذیری چندانی ندارد؛ به دیگر سخن اگر لایۀ ظرفیت اتمی چنین نباشد، آن اتم واکنشپذیر است.
لوویس برای توضیح و پیشبینی رفتار اتمها، آرایشی به نام الکترون - نقطهای ارائه کرد که در آن الکترونهای ظرفیت هر اتم، پیرامون نماد شیمیایی آن با نقطه نمایش داده میشود؛ برای نمونه، آرایش الکترون - نقطهای سدیم به صورت $Na.$ است.
برای رسم آرایش الکترون- نقطهای هر اتم، میتوان نقطهگذاری را از یک سمت برای مثال از سمت راست نماد شیمیایی عنصر آغاز کرد و نقطههای بعدی را در زیر، سمت چپ و بالای آن قرار داد. الکترون پنجم و پس از آن را باید طوری پیرامون نماد شیمیایی عنصر قرار داد که هریک بهصورت جفت نقطه درآید؛ برای نمونه آرایش الکترون- نقطهای اتمهای کربن، فسفر و آرگون به صورت زیر است:
خود را بیازمایید (صفحهٔ 35 کتاب درسی)
آ) جدول زیر را کامل کنید.
ب) آرایش الکترون نقطهای اتم عنصرهای یک گروه چه شباهتی دارد؟ توضیح دهید.
مشابه یکدیگر است زیرا الکترونهای ظرفیت برابری دارند. از اینرو شمار نقطهها پیرامون نماد شیمیایی آنها یکسان است.
پ) بین شمارۀ گروه و آرایش الکترون نقطهای چه رابطهای هست؟ توضیح دهید.
گروه 1 و 2 به ترتیب دارای 1 و 2 الکترون ظرفیت میباشند اما گروههای 13 تا 18 با در نظر گرفتن شمارههای یکان آنها دارای تعداد 3 و 8 الکترون ظرفیت و بنابراین 3 تا 8 نقطه میباشد.
رفتار شیمیایی هر اتم به تعداد الکترونهای ظرفیت آن بستگی دارد بهطوری که میتوان دستیابی به آرایش الکترونی پایدارتر را مبنای رفتار آنها دانست. در واقع اتمها میتوانند با دادن و گرفتن الکترون به آرایش گاز نجیب برسند یا با به اشتراک گذاشتن الکترون، هشتتایی شوند تا پایدارتر گردند. در درس علوم آموختید که هرگاه اتمهای سدیم و کلر کنار یکدیگر قرار گیرند، اتم سدیم با از دست دادن یک الکترون به یون سدیم و اتم کلر با گرفتن یک الکترون به یون کلرید تبدیل شده و در این واکنش سدیم کلرید (نمک خوراکی) تولید میشود (شکل 25).
شکل نشان میدهد که اتمهای سدیم با از دست دادن الکترون به آرایش پایدار گاز نجیب پیش از خود (نئون) و اتمهای کلر با گرفتن الکترون به آرایش پایدار گاز نجیب هم دورۀ خود (آرگون) میرسند.
آیا میدانید
گیلبرت نیوتن لوویس (1946-1875) یکی از پیشتازان دانش شیمی و بنیانگذار نظریۀ تشکیل پیوند شیمیایی و نظریۀ الکترونی اسید - باز بود. او واژۀ فوتون را برای ذرههای سازندۀ نور پیشنهاد کرد.
این شیمی فیزیکدان آمریکایی 35 بار نامزد دریافت جایزۀ نوبل شد اما هیچگاه این جایزه را دریافت نکرد. این ناکامی هیچچیز از ارزشمندی، ماندگاری و تأثیرگذاری کارهای علمی لوویس کم نمیکند.
با هم بیندیشیم (صفحهٔ 37 کتاب درسی)
1- جدول زیر را در نظر بگیرید:
آ) آرایش الکترون- نقطهای اتمهای داده شده را با اتم گازهای نجیب، مقایسه و پیشبینی کنید هر یک از این اتمها در واکنشهای شیمیایی چه رفتاری خواهد داشت؟
آرایش الکترون - نقطهای گازهای نجیب هشتایی میباشد.
با توجه به تعداد الکترونهای تکی میتوان پیش بینی نمود که هر یک اتم چند اتصال یا پیوند میتواند برقرا کند. برای مثال گروه (16) دارای 2 تک الکترون است و میتواند 2 پیوند تشکیل دهد و یا اینکه 2 الکترون دریافت کرده و به آرایش الکترونی گاز نجیب بعد از خود برسد.
ب) بررسیها نشان میدهد که اغلب این اتمها در طبیعت به صورت یون در ترکیبهای گوناگون یافت میشود. جدول زیر یونهای شناخته شده از این اتمها را نشان میدهد. اکنون با توجه به آن، درستی پیشبینیهای خود را بررسی کنید.
عناصر فلزی (گروههای 1، 2 و 3) الکترون از دست میدهند و به آرایش گاز نجیب قبل خود می رسند.
عناصر نافلزی (گروههای 15 تا 17) با گرفتن الکترون به آرایش الکترونی گاز نجیب بعد از خود میرسند.
عناصر گروه 14 به طور معمول با به اشتراک گذاشتن الکترون به پایداری میرسند.
2- با توجه به جدول در هر مورد با خط زدن واژۀ نادرست، عبارت داده شده را کامل کنید.
آ) اگر تعداد الکترونهای ظرفیت اتمی کمتر یا برابر با (سه/ چهار) باشد، آن اتم در شرایط مناسب تمایل دارد که (شماری از/ همۀ) الکترونهای ظرفیت خود را از دست بدهد و به (کاتیون / آنیون) تبدیل شود.
ب) اتم عنصرهای گروه 1 و 2 در شرایط مناسب با (از دست دادن / گرفتن) الکترون به (کاتیون / آنیون) تبدیل میشوند که آرایشی همانند آرایش الکترونی گاز نجیب (پیش / پس) از خود را دارند.
پ) اتم عنصرهای گروه 15 و 16، 17 در شرایط مناسب با (از دست دادن/ به دست آوردن) الکترون به (کاتیون / آنیون)هایی تبدیل میشود که آرایشی همانند آرایش الکترونی گاز نجیب هم دوره خود را دارد.
3- پیشبینی کنید اتم عنصرهایی که به ترتیب در خانههای شمارۀ 7 و 12 جدول دورهای جای دارد، در شرایط مناسب به چه یونهایی تبدیل میشود؟
عنصر خانه (7) در گروه (15) قرار دارد؛ بنابراین برای رسیدن به آرایش الکترونی گاز نجیب هم دورهی پس از خود 3 الکترون دریافت می-کند و به یون $X^{3-}$ تبدیل میشود.
عنصری خانه 12 در گروه (2) قرار دارد؛ بنابراین برای رسیدن به آرایش الکترونی گاز نجیب دوره قبل از خود 2 الکترون از دست میدهد و به یون $X^{2+}$ تبدیل میشود.
تبدیل اتمها به یونها
اتم اکسیژن برای رسیدن به آرایش گاز نجیب پس از خود باید دو الکترون بگیرد درحالیکه اتم کلسیم باید دو الکترون ظرفیت خود را از دست بدهد تا به آرایش پایدار گاز نجیب پیش از خود برسد؛ به دیگر سخن هرگاه اتمهای این دو عنصر در شرایط مناسب در کنار هم قرار گیرند، با هم واکنش میدهند به طوری که با داد و ستد الکترون به یونهای $Ca^{2+}$ و $O^{2-}$ تبدیل میشوند. میان یونهای تولید شده به دلیل وجود بارهای الکتریکی ناهمنام، نیروی جاذبۀ بسیار قوی برقرار میشود؛ نیروی جاذبهای که پیوند یونی نامیده میشود. ترکیب حاصل از این واکنش، کلسیم اکسید نام دارد که آن را با فرمول شیمیایی $CaO$ نشان میدهند. این فرمول شیمیایی نشان میدهد که کلسیم و اکسیژن دو عنصر سازندۀ این ترکیباند و نسبت یونهای سازندۀ آن 1 به 1 است. ترکیبهایی از این دست که ذرههای سازندۀ آنها یون است، ترکیب یونی نام دارند.
فرمول شیمیایی کلسیم کلرید نشان میدهد که نسبت کاتیون به آنیون سازندۀ آن، 1 به 2 است.
با هم بیندیشیم (صفحهٔ 38 کتاب درسی)
هر ترکیب یونی از لحاظ بار الکتریکی خنثی است؛ زیرا مجموع بار الکتریکی کاتیونها با مجموع بار الکتریکی آنیونها برابر است. از این ویژگی میتوان برای نوشتن فرمول شیمیایی ترکیبهای یونی دوتایی بهره برد؛ برای نمونه به چگونگی تشکیل سدیم سولفید و آلومینیم اکسید و نوشتن فرمول شیمیایی آنها توجه کنید.
1- روشی برای نوشتن فرمول شیمیایی ترکیبهای یونی دوتایی ارائه کنید.
فلزها به تعداد الکترونهای ظرفیت خود، به نافلزها الکترون میدهند و در نتیجه فلزها به کاتیون و نافلزها به آنیون تبدیل میشوند.
در فرمول شیمیایی تعداد کاتیون و آنیونهای به دست آمده را در اندیس (زیر) هر کدام قرار میدهیم. در فرمول شیمیایی فلز در سمت راست و نافلز در سمت چپ قرار میگیرد.
2- فرمول شیمیایی هر یک از ترکیبهای زیر را بنویسید.
آ) کلسیم فلوئورید $C{{a}^{2+}}{{\left[ C{{l}^{-}} \right]}_{2}}\to CaC{{l}_{2}}$
ب) پتاسیم نیترید ${{\left[ {{K}^{+}} \right]}_{3}}{{N}^{3-}}\to {{K}_{3}}N$
ت) آلومینیم برمید $A{{l}^{3+}}{{\left[ B{{r}^{-}} \right]}_{3}}\to AlB{{r}_{3}}$
پ) منیزیم سولفید $M{{g}^{2+}}{{S}^{2-}}\to MgS$
3- با توجه به دادههای جدول زیر، شیوۀ نام گذاری ترکیبهای یونی دوتایی را مشخص و جدول صفحۀ بعد را کامل کنید.
ابتدا نام کاتیون را در سمت راست نوشته و سپس نام آنیون را در کنار آن وارد میکنیم.
| نام و نماد شیمیایی کاتیون | نام و نماد شیمیایی آنیون | ||
|---|---|---|---|
| یون لیتیم | $Li^{+}$ | یون برمید | $Br^{-}$ |
| یون پتاسیم | $K^{+}$ | یون یدید | $I^{-}$ |
| یون منیزم | $Mg^{2+}$ | یون نیترید | $N^{3-}$ |
| یون کلسیم | $Ca^{2+}$ | یون سولفید | $S^{2-}$ |
| یون آلومینیم | $Al^{3+}$ | یون فلوئورید | $F^{-}$ |
| فرمول شیمیایی | نماد یونهای سازنده | نام ترکیب یونی |
|---|---|---|
| $MgO$ | $M{{g}^{2+}}$ ، ${{O}^{2-}}$ | منیزیم اکسید |
| $CaCl_2$ | $C{{a}^{2+}}$ ، $C{{l}^{1-}}$ | کلسیم کلرید |
| $K_2O$ | ${{O}^{2-}}$ ، ${{K}^{+}}$ | پتاسیم اکسید |
| $Na_3P$ | ${{p}^{3-}}$ ، $N{{a}^{+}}$ | سدیم فسفید |
| $LiBr$ | $B{{r}^{-}}$ ، $L{{i}^{+}}$ | لیتیم برمید |
تبدیل اتمها به مولکولها
آیا همۀ اتمها هنگام ترکیب با یکدیگر، الکترون دادوستد میکنند؟ در درس علوم آموختید که بسیاری از ترکیبهای شیمیایی در ساختار خود هیچ یونی ندارند و ذرههای سازندۀ آنها مولکولها هستند. حال این پرسش مطرح است که رفتار کدام اتمها سبب تشکیل مولکولها خواهد شد؟ آیا در تشکیل مولکولها نیز رسیدن به آرایش هشتتایی ملاکی برای رفتار اتمهاست؟
برای یافتن پاسخ این پرسشها به آرایش الکترون - نقطهای اتم کلر توجه کنید.
گاز کلر، که خاصیت رنگبری و گندزدایی دارد از مولکولهای دو اتمی ($Cl_{2}$) تشکیل شده است. با توجه به آرایش الکترون - نقطهای اتم کلر میتوان تشکیل این مولکول را به صورت زیر نشان داد:
با این توصیف هر اتم کلر، تک الکترون خود را با دیگری به اشتراک میگذارد بهطوری که دو الکترون موجود بین دو اتم در آرایش الکترون - نقطهای به هر دوی آنها تعلق دارد. در این وضعیت هر یک از اتمها به آرایش هشت تایی رسیده است. (شکل 26).
آ) آرایش هشتتایی اتمها در مولکول ب) مدل فضا پرکن
جفت الکترون اشتراکی میان دو اتم کلر در مولکول $Cl_2$، نشان دهندۀ یک پیوند اشتراکی (کووالانسی) است؛ پیوندی که باعث اتصال دو اتم به یکدیگر در مولکول شده است؛ به دیگر سخن اتم نافلزها در شرایط مناسب با تشکیل پیوندهای اشتراکی میتواند مولکولهای دو یا چند اتمی را بسازد (جدول 4).
| تشکیل مولکول از اتمها |
|
|
| آرایش الکترون - نقطهای مولکول |
|
|
| مدل فضاپرکن |
|
|
| فرمول مولکولی | ${H_2}O$ | ${O_2}$ |
خود را بیازمایید (صفحهٔ 41 کتاب درسی)
1- آرایش الکترون - نقطهای را برای هر یک از مولکولهای زیر رسم کنید.
| آ) هیدروژن کلرید ($HCl$) |
|
| ب) آمونیاک ($NH_3$) |
|
| پ) متان ($CH_4$) |
|
2- جرم مولی هر یک از ترکیبهای داده شده در پرسش بالا را با استفاده از دادههای جدول دورهای به دست آورید.
راهنمایی: جرم مولی یک ماده با مجموع جرم مولی اتمهای سازندۀ آن برابر است. برای مثال، جرم مولی آب برابر است با: $(2\times 1/008)+16/00=18/016gmo{{l}^{-1}}$