از شناسنامهٔ اتم تا زبان مول
پایهٔ ۱۰ · فصل ۱ذره را درست بشناس، بعد شمارش کن.
اول مفهوم را بخوان، بعد دام همان مبحث را کنارش بررسی کن.
عنصر با شمار پروتونهای هسته شناخته میشود؛ محل یافتن آن تعریف عنصر را تغییر نمیدهد. فراوانی عنصرها در کیهان، پوسته زمین و بدن یکسان نیست. هیدروژن و هلیم در کیهان فراواناند، اما برای هر مقایسه باید نام محیط و نوع درصد را بخوانیم. درصد جرمی با درصد تعداد اتمها متفاوت است؛ یک اتم سنگین سهم جرمی بیشتری دارد.
فراوانی به محیط و مبنای درصد بستگی دارد؛ فراوانی هیدروژن در کیهان را نمیتوان به پوسته زمین تعمیم داد.
پروتون بار مثبت، نوترون بار صفر و الکترون بار منفی دارد. عدد اتمی Z شمار پروتونها و عدد جرمی A مجموع پروتون و نوترون است. پس شمار نوترونها A−Z میشود. اتم خنثی به اندازه پروتونهایش الکترون دارد. بیشتر جرم اتم در هسته است، اما عدد جرمی را نباید جرم دقیق اندازهگیریشده اتم فرض کرد.
عدد جرمی A=p+n است؛ الکترون در این شمارش نوکلئونها وارد نمیشود.
اول مفهوم را بخوان، بعد دام همان مبحث را کنارش بررسی کن.
ایزوتوپهای یک عنصر، پروتون برابر و نوترون متفاوت دارند. بنابراین شماره خانه جدول آنها یکسان ولی جرمشان متفاوت است. شباهت رفتار شیمیایی معمول آنها از آرایش الکترونی مشابه میآید، نه یکسانی هسته. بعضی ایزوتوپها پرتوزا و بعضی پایدارند؛ «ایزوتوپ» هممعنی «پرتوزا» نیست. در واکنش شیمیایی معمول، شناسنامه هسته عوض نمیشود.
ایزوتوپها تنها در شمار نوترون متفاوتاند؛ برای نمونه کربن دوازده پایدار و کربن چهارده پرتوزاست.
نمونه طبیعی معمولاً آمیزهای از ایزوتوپهاست. جرم اتمی میانگین از جمع حاصلضرب جرم هر ایزوتوپ در کسر فراوانی تعدادی آن به دست میآید؛ درصد جرمی را نباید مستقیم به جای فراوانی تعدادی گذاشت. اگر درصد داده شده، پیش از ضرب بر صد تقسیمش کن. میانگین باید میان کوچکترین و بزرگترین جرم قرار بگیرد. فقط در نمونهای با دقیقاً دو ایزوتوپِ دارای جرم متفاوت و فراوانی نابرابر، میانگین به جرم ایزوتوپ فراوانتر نزدیکتر است؛ این میانبر را به آمیزههای چندایزوتوپی تعمیم نده. واحد u برای مقیاس جرم اتمی است.
باید جرم هر ایزوتوپ را در کسر فراوانی تعدادی آن ضرب کرد. برابر بودن فراوانی همه ایزوتوپها یک شرط کافی برای برابر شدن میانگین وزنی با میانگین ساده است، اما در آمیزههای بیش از دو ایزوتوپ شرط لازم نیست؛ توزیع نامساویِ متقارن نیز میتواند همان میانگین ساده را بدهد.
اول مفهوم را بخوان، بعد دام همان مبحث را کنارش بررسی کن.
نور خورشید گسترهای پیوسته از رنگها دارد و نور مرئی تنها بخش کوچکی از پرتوهای الکترومغناطیسی است. در این گستره، هرچه طول موج کوتاهتر باشد انرژی بیشتر است؛ بنابراین نور آبی از نور سرخ پرانرژیتر است. طیفسنج پرتوهای گسیلشده از ماده را جدا و ثبت میکند و الگوی طیف میتواند برای شناخت ماده به کار رود.
هرچه طول موج کوتاهتر باشد انرژی بیشتر است؛ پس سمت بنفش گستره مرئی از سمت سرخ پرانرژیتر است.
اتم برانگیخته میتواند با رفتن الکترون از تراز بالاتر به پایینتر فوتون گسیل کند. انرژی فوتون برابر اختلاف انرژی همان دو تراز است. چون انرژیهای مجاز گسستهاند، طیف گسیلی اتمها خطی میشود. رنگ شعله سرنخی برای شناسایی است، اما مشاهده رنگ به معنی دیدن خود الکترون یا مسیر حرکت آن نیست.
گسیل از افت انرژی اتم همراه با گذار به تراز پایینتر رخ میدهد؛ رفتن به تراز بالاتر نیازمند دریافت انرژی است.
اول مفهوم را بخوان، بعد دام همان مبحث را کنارش بررسی کن.
آرایش الکترونی نحوه توزیع الکترونها در حالت مشخص اتم را نمایش میدهد. زیرلایههای s و p بهترتیب حداکثر ۲ و ۶ الکترون میگیرند و d حداکثر ۱۰ الکترون. برای اتم خنثی مجموع توانهای آرایش باید Z باشد. پرشدن زیرلایهها تابع ترتیب انرژی است؛ شماره لایه بهتنهایی ترتیب پرشدن همه زیرلایهها را تعیین نمیکند.
زیرلایه p سه اوربیتال با ظرفیت دو الکترون دارد؛ ظرفیت کل آن شش است.
خانههای جدول تناوبی بر اساس افزایش عدد اتمی مرتباند. دوره، ردیف افقی و گروه، ستون عمودی است. برای عنصرهای گروههای اصلی، الکترونهای لایه بیرونی در توضیح رفتار شیمیایی نقش مهمی دارند. هلیم با دو الکترون در گروه گازهای نجیب است؛ بنابراین قاعده هشتتایی را نباید بدون توجه به لایه اول تعمیم داد.
هلیم فقط دو الکترون در لایه نخست دارد و همین لایه پر است؛ سایر گازهای نجیب معمول هشت الکترون ظرفیت دارند.
اول مفهوم را بخوان، بعد دام همان مبحث را کنارش بررسی کن.
مول واحد مقدار ماده است. یک مول از ذره مشخص، Nₐ ذره دارد؛ باید بگوییم اتم، مولکول یا واحد فرمولی. رابطه n=m/M جرم را به مول و N=nNₐ مول را به تعداد وصل میکند. جرم مولی واحد g/mol دارد. در یک مول مولکول آب، مقدار اتمهای هیدروژن دو مول و مقدار اتمهای اکسیژن یک مول است؛ در مجموع سه مول اتم وجود دارد، اما مقدار خود مولکول آب همچنان یک مول است.
مول، شمار ذره مشخص را یکسان میکند؛ جرم یک مول آب هجده گرم و یک مول کربن دوازده تقریباً دوازده گرم است.
اتم با از دست دادن الکترون کاتیون و با گرفتن الکترون آنیون میشود. این تغییر، شمار پروتونها را عوض نمیکند. فرمول ترکیب یونی سادهترین نسبت صحیح یونها را طوری نشان میدهد که مجموع بار صفر شود. برای Mg²⁺ و Cl⁻ نسبت ۱ به ۲ و فرمول MgCl₂ است. جامد یونی مجموعه مولکولهای مستقل MgCl₂ نیست.
کاتیون با از دست دادن الکترون ساخته میشود؛ از دست دادن پروتون هویت عنصر را تغییر میدهد.
اتم را برای شمارش به دو ناحیه تقسیم میکنیم: هسته و فضای الکترونی پیرامون آن. پروتون و نوترون در هستهاند؛ الکترونها در فضای اطراف هسته قرار دارند. این تصویر برای جدا کردن نقش ذرههاست و اندازه واقعی هسته را نشان نمیدهد. هسته نسبت به کل اتم بسیار کوچک است. برای تشخیص نوع عنصر فقط شمار پروتون را میخوانیم؛ برای حساب بار، پروتون و الکترون را با هم مقایسه میکنیم.
در نمونهای با ۱۳ پروتون، ۱۴ نوترون و ۱۳ الکترون، عدد اتمی ۱۳ و عدد جرمی ۲۷ است. بار مثبتِ ۱۳ پروتون با بار منفیِ ۱۳ الکترون خنثی میشود. اگر دو الکترون جدا شوند، پروتونها همچنان ۱۳ تا هستند، ولی الکترونها ۱۱ تا میشوند؛ پس گونه حاصل بار ۲+ دارد. نوترون در حساب بار وارد نمیشود، چون بار الکتریکی ندارد.
اتم خنثی با Z=۱۳ و A=۲۷ چند نوترون و الکترون دارد؟
پاسخ تشریحی: ۱۴ نوترون و ۱۳ الکترون؛ ۲۷−۱۳=۱۴.
مول یک نام برای شمار بسیار بزرگی از ذرههای مشخص است؛ مانند «دوجین» که دوازدهتایی بودن را میرساند، با این تفاوت که مول حدود ۶٫۰۲×۱۰²³ ذره دارد. یک دوجین تخممرغ و یک دوجین توپ، تعداد برابر ولی جرم متفاوت دارند. یک مول آب و یک مول کربندیاکسید هم تعداد مولکول برابر و جرم متفاوت دارند. جرم مولی میگوید یک مول از ماده مورد نظر چند گرم است.
اگر جرم مولی آب را ۱۸ گرم بر مول بگیریم، ۳۶ گرم آب دو مول مولکول دارد. تعداد مولکولها دو برابر عدد آووگادرو است. اما برای شمار اتمها باید فرمول H₂O را هم بخوانیم: هر مولکول سه اتم دارد. در نتیجه دو مول مولکول آب، شش مول اتم در مجموع و چهار مول اتم هیدروژن دارد. در هر گام نام ذره را کنار «مول» نگه دار.
در ۰٫۲۵ mol گاز N₂O₄، مجموع مقدار اتمهای نیتروژن و اکسیژن چند mol است؟
پاسخ تشریحی: هر مولکول N₂O₄ شش اتم دارد؛ پس مجموع مقدار اتمها ۰٫۲۵×۶=۱٫۵۰ mol است. از این مقدار، ۰٫۵۰ mol اتم نیتروژن و ۱٫۰۰ mol اتم اکسیژن است.
در طیف خطی دو نمونه، یک خط سرخ در جای یکسان دیده میشود اما بقیه خطها متفاوتاند. دانشآموز میگوید دو طیف یکساناند. ادعای او را بررسی کنید.
جواب نهایی: ادعای دانشآموز درست نیست؛ یک خط مشترک برای یکسان دانستن دو طیف کافی نیست.
در جدول ایزوتوپها، درصد فراوانی معمولاً میگوید از هر صد اتم چند اتم از هر نوع داریم. برای میانگین وزنی همین کسر تعدادی را در جرم اتمی ضرب میکنیم. درصد جرمی پرسش دیگری است: جرم همان گروه ایزوتوپ را بر جرم کل نمونه تقسیم میکنیم؛ چون اتمهای سنگینتر جرم بیشتری دارند، این دو درصد الزاماً برابر نیستند.
عنصری دو ایزوتوپ فرضی با جرمهای ۲۴ و ۲۶ u دارد و جرم اتمی میانگین آن ۲۴٫۵ u است. فراوانی تعدادی و سهم جرمی ایزوتوپ سنگین را بیاب.
فرضها: نمونه فقط همین دو ایزوتوپ را دارد و جرمهای دادهشده برای این مدل دقیق فرض میشوند.
جواب نهایی: فراوانی تعدادی ایزوتوپ سنگین ۲۵ درصد و سهم جرمی آن حدود ۲۶٫۵ درصد است.
چرا نمیتوان درصد جرمی را مستقیماً درصد تعداد اتم دانست؟
پاسخ: چون جرم اتمهای عنصرهای مختلف یکسان نیست. ابتدا مقدار ماده از رابطه n=m/M بر حسب mol به دست میآید و سپس شمار اتمها N=nNₐ است. در نسبت تعداد اتمها، عامل مشترک Nₐ از صورت و مخرج حذف میشود؛ پس m/M بهتنهایی تعداد اتم نیست.
کربن ۱۲ و کربن ۱۴ در شمار کدام ذرهٔ زیراتمی تفاوت دارند؟
پاسخ: در شمار نوترون؛ هر دو ۶ پروتون دارند و بهترتیب ۶ و ۸ نوترون دارند.
در گستره مرئی، نور آبی و سرخ را از نظر طول موج و انرژی مقایسه کنید.
پاسخ: نور آبی طول موج کوتاهتر و انرژی بیشتری از نور سرخ دارد.
آرایش ۱s²۲s²۲p⁶۳s²۳p³ مربوط به اتم خنثی با چه Z است؟
پاسخ: Z=۱۵؛ مجموع الکترونها ۲+۲+۶+۲+۳ است.
در ۰٫۵ مول CO₂ چند مول اتم اکسیژن وجود دارد؟
پاسخ: یک مول اتم اکسیژن؛ هر مولکول دو اتم اکسیژن دارد.
این صفحه برای جستوجوی «جزوه شیمی دهم فصل ۱»، «نکات ناب شیمی» و مرور سریع کنکور و امتحان نهایی آماده شده است.