از نوع ذره تا انتخاب ماده
پایهٔ ۱۲ · فصل ۳ویژگیِ دیدهشده را با ساختار توضیح بده.
اول مفهوم را بخوان، بعد دام همان مبحث را کنارش بررسی کن.
انتخاب ماده برای ظرف، بنا یا اثر هنری به سختی، پایداری، رنگ و رفتار گرمایی آن بستگی دارد. خاک رس و بسیاری از سنگها مخلوطاند و یک فرمول مولکولی ساده برای تمام نمونه ندارند. رنگ یک ماده میتواند به نوع و حالت گونههای موجود وابسته باشد. از یک ویژگی ظاهری نباید ترکیب دقیق و خلوص را نتیجه گرفت.
مخلوطهایی مانند بعضی آلیاژها میتوانند رنگ یکنواخت داشته باشند؛ خلوص از رنگ تنها نتیجه نمیشود.
در جامد شبکهای، اتمها با پیوندهای کووالانسی در شبکهای گسترده به هم متصلاند. برای سیلیس، SiO₂ نسبت اتمها را بیان میکند، نه وجود مولکولهای مستقل کوچک SiO₂ در شبکه معمول آن. شکستن یا تغییر اساسی چنین شبکهای نیازمند غلبه بر پیوندهای قوی است. این توضیح با جامد مولکولی که واحدهای جدا دارد تفاوت دارد.
SiO₂ معمول یک شبکه گسترده کووالانسی دارد؛ فرمول نسبت اتمها را میرساند و مولکول مستقل را الزام نمیکند.
اول مفهوم را بخوان، بعد دام همان مبحث را کنارش بررسی کن.
الماس و گرافیت هر دو از کربناند، اما اتصال و آرایش اتمها متفاوت است. در الماس شبکه سهبعدی پیوندها و در گرافیت لایههای دارای پیوند قوی درونلایهای وجود دارد. برهمکنش ضعیفتر میان لایههای گرافیت به لغزش کمک میکند. الکترونهای غیرموضعی در ساختار گرافیت در رسانایی نقش دارند؛ گرافن یک لایه کربنی با آرایش ششگوش است.
پیوندهای کربن درون لایه قویاند؛ لغزش لایهها به برهمکنش ضعیفتر بین لایهها مربوط است.
جامد مولکولی از مولکولهای مجزا ساخته شده که با نیروهای بینمولکولی کنار هم هستند. در ذوب یخ، مولکول H₂O حفظ میشود و نظم و بخشی از جاذبههای میان مولکولها تغییر میکند. دمای ذوب و جوش چنین مواد تا حد زیادی به برهمکنش بینمولکولی وابسته است. قدرت پیوند داخل یک مولکول را مستقیم معیار دمای جوش آن قرار نمیدهیم.
در ذوب یخ مولکول H₂O حفظ میشود؛ تغییر آرایش بین مولکولها الزاماً واکنش شیمیایی نیست.
اول مفهوم را بخوان، بعد دام همان مبحث را کنارش بررسی کن.
اختلاف تمایل اتمها به جذب الکترون میتواند پیوند را قطبی کند، اما قطبیت مولکول به جمع برداری دوقطبیها و شکل آن هم وابسته است. CO₂ خطی میتواند با وجود دو پیوند قطبی، برآیند صفر داشته باشد؛ آب خمیده برآیند غیرصفر دارد. نقشه پتانسیل الکترواستاتیکی توزیع نسبی نواحی الکترونغنی و فقیر را نشان میدهد، نه بار یونی کامل روی هر اتم.
دوقطبیها ممکن است به علت هندسه خنثی شوند؛ CO₂ با پیوندهای قطبی مولکولی ناقطبی است.
نیروهای پراکندگی در همه مولکولها وجود دارند و در کنار آنها ممکن است جاذبه دوقطبی یا پیوند هیدروژنی هم برقرار شود. اندازه و شکل مولکول بر شدت مجموع برهمکنشها اثر دارد. صرف نام بردن از یک نوع نیرو برای ترتیب دادن همه دماهای جوش کافی نیست. مقایسه مناسب باید اندازه، شکل و نوع برهمکنش را با هم لحاظ کند.
در آب افزون بر پیوند هیدروژنی، نیروهای پراکندگی و برهمکنش دوقطبی هم وجود دارند.
اول مفهوم را بخوان، بعد دام همان مبحث را کنارش بررسی کن.
در جامد یونی، کاتیون و آنیون در شبکه به هم جذب میشوند. یونها در حالت جامد معمولاً آزادی جابهجایی لازم برای رسانایی قابل توجه ندارند؛ در مذاب، حرکت آنها ممکن میشود. محلول آبیِ یک نمکِ محلول در آب، مانند سدیم کلرید، نیز میتواند رسانا باشد. وجود ذره باردار لازم است ولی برای رسانایی یونی، تحرک آن هم اهمیت دارد.
یونهای جامد یونی معمول آزادی حرکت انتقالی ندارند؛ رسانایی یونی مناسب با تحرک یونها در مذاب یا محلول ممکن میشود.
جاذبه الکتریکی یونهای ناهمنام به بار و فاصله آنها وابسته است. بار بیشتر و فاصله کمتر معمولاً جاذبه قویتری ایجاد میکند. برای مقایسه کیفی شبکهها باید هر دو عامل را دید و ساختار را هم در نظر گرفت. چگالی بار با تمرکز بار در حجم مرتبط است؛ یون کوچکتر با بار برابر، چگالی بار بیشتری دارد.
با بار برابر، پخش بار در حجم بزرگتر چگالی بار را کمتر میکند.
اول مفهوم را بخوان، بعد دام همان مبحث را کنارش بررسی کن.
در مدل پیوند فلزی، مراکز مثبت فلزی (یونهای فلزی در مدل ساده) در میان الکترونهای غیرموضعی کنار هم نگه داشته میشوند. حرکت الکترونها به رسانایی کمک میکند و امکان تغییر آرایش بدون گسستن یک شبکه جهتدار شکننده، با چکشخواری ارتباط دارد. آلیاژها میتوانند خواصی متفاوت از فلز خالص داشته باشند؛ افزودن یک عنصر الزاماً همه ویژگیها را بهتر نمیکند.
حامل متحرک اصلی در فلز جامد الکترونهای غیرموضعیاند؛ کاتیونها مانند یون محلول آزادانه جریان نمییابند.
برای انتخاب ماده، از ظاهر به مدل ذرهای میرویم: مولکول، یون، شبکه اتمی یا فلزی؟ سپس اتصال نگهدارنده و حامل بار را پیدا میکنیم و ویژگی مشاهدهشده را توضیح میدهیم. این مسیر از حفظ کردن فهرست جامدها قابل اعتمادتر است. با این حال ویژگیهای واقعی مانند دمای ذوب و سختی باید با داده یا نمونه مشخص تطبیق داده شوند. در نمونهٔ نیروگاه خورشیدی، NaCl مذاب شارهٔ یونیِ ذخیرهکنندهٔ گرماست و بخار آب شارهٔ مولکولیِ بهحرکتدرآورندهٔ توربین است؛ نقش دو شاره را یکی نگیریم.
نوع ذره، پیوند، ساختار و حامل بار باید مشخص باشند؛ یخ و مس هر دو جامد ولی از نظر رسانایی و ساختار متفاوتاند.
دگرشکلهای کربن نشان میدهند نوع اتم تنها عامل خواص نیست. الماس و گرافیت هر دو کربناند، ولی اتصال و آرایش متفاوتی دارند. در گرافیت، داخل هر لایه اتصالهای قوی وجود دارد و میان لایهها جاذبه ضعیفتر است؛ این تفاوت لغزش را توضیح میدهد.
وقتی گرافیت روی کاغذ اثر میگذارد، میتوان جدا شدن و لغزش لایهها را در مدل در نظر گرفت. لازم نیست همه پیوندهای کربن–کربن را ضعیف فرض کنیم. سختی و رسانایی دو خاصیتاند و باید هرکدام را با بخش مناسب ساختار توضیح داد.
دانشآموز اثر مداد روی کاغذ را نشانه شکستن آسان همه پیوندهای کربن–کربن گرافیت میداند. ایراد استدلال او چیست؟
پاسخ تشریحی: اثر مداد را میتوان با لغزش و جداشدن نسبی لایهها توضیح داد؛ پیوندهای کربن–کربن درون هر لایه قویاند و لازم نیست برای ایجاد اثر مداد همگی شکسته شوند.
بار داشتن ذره با توانایی حرکت آن فرق دارد. در جامد یونی، یونها وجود دارند ولی در جایگاههای شبکه محدودند. در مذاب، این محدودیت ساختاری کاهش مییابد و یونها میتوانند بار را جابهجا کنند. در محلول آبی یک نمک محلول در آب، مانند سدیم کلرید، نیز یونهای متحرک داریم.
برای پاسخ رسانایی، دو ستون ذهنی بساز: «حامل بار» و «تحرک». NaCl جامد در ستون اول یون دارد، ولی در ستون دوم حرکت آزاد کافی ندارد. NaCl مذاب هر دو شرط را دارد. این روش از حفظ کردن جملههای پراکنده درباره حالتهای مختلف دقیقتر است.
در مداری شامل سیم مسی و NaCl مذاب، حاملهای متحرک بار در هر بخش چه ذرههایی هستند؟
پاسخ تشریحی: در سیم مسی، الکترونهای غیرموضعی حامل جریاناند؛ در NaCl مذاب، یونهای Na⁺ و Cl⁻ متحرک بار را جابهجا میکنند. یکسانبودن رسانایی به معنی یکسانبودن حامل بار نیست.
جامد X رسانا نیست، اما مذاب آن جریان را عبور میدهد. دانشآموز نتیجه میگیرد X حتماً NaCl است. کدام بخش نتیجه مجاز و کدام بخش نامجاز است؟
جواب نهایی: میتوان یونیبودن X را در مدل درس پیشنهاد کرد، اما نمیتوان فقط از این دادهها گفت X حتماً NaCl است.
قطبیت پیوند یک ویژگی محلی است؛ قطبیت مولکول حاصل جمع برداری همه دوقطبیهای پیوندی با توجه به هندسه است. برابر بودن اندازهها بدون جهت مخالف نیز برای خنثیشدن کافی نیست.
CO₂ و H₂O هر دو پیوندهای قطبی با اکسیژن دارند. چرا نتیجه قطبیت آنها متفاوت است و این تفاوت چه محدودیتی برای مقایسه نقطه جوش ایجاد میکند؟
فرضها: هندسه CO₂ خطی و H₂O خمیده است و درباره مولکولهای خالص در شرایط قابل مقایسه صحبت میکنیم.
جواب نهایی: CO₂ در این هندسه ناقطبی و H₂O قطبی است؛ تفاوت نیروها مهم است، اما پیشبینی کمی نقطه جوش فقط از یک برچسب مجاز نیست.
چرا برای همه نمونههای خاک رس یک فرمول مولکولی یکتا نمینویسیم؟
پاسخ: چون خاک رس مخلوطی از ترکیبهای گوناگون است و ترکیب نمونهها میتواند متفاوت باشد.
چرا نرمتر بودن گرافیت به معنی ضعیف بودن همه پیوندهای آن نیست؟
پاسخ: پیوندهای درون لایه قویاند، ولی لغزش به برهمکنش ضعیفتر میان لایهها مربوط است.
چرا CO₂ با پیوندهای قطبی، مولکولی ناقطبی است؟
پاسخ: هر پیوند C–O دوقطبی دارد، اما CO₂ خطی است و دو بردار هماندازه در جهتهای مخالف قرار میگیرند؛ جمع برداری آنها صفر میشود. پس «پیوند قطبی» بهتنهایی برای قطبی بودن مولکول کافی نیست. اگر شکل خمیده یا جانشینها نامتقارن باشند، حذف کامل دوقطبیها معمولاً رخ نمیدهد.
چرا NaCl جامد با وجود یونها مانند مذاب آن رسانا نیست؟
پاسخ: در جامد یونها در جایگاههای شبکه محدودند، اما در مذاب میتوانند جابهجا شوند.
حامل اصلی جریان برق در فلز جامد چیست؟
پاسخ: الکترونهای متحرک و غیرموضعی، نه حرکت تودهای کاتیونها در شبکه.
این صفحه برای جستوجوی «جزوه شیمی دوازدهم فصل ۳»، «نکات ناب شیمی» و مرور سریع کنکور و امتحان نهایی آماده شده است.