جمع بندی شیمی دوازدهم فصل سوم (رایگان و جامع) + نکات و حل تمرین

جمع بندی شیمی دوازدهم فصل سوم شامل مفاهیم مهمی مانند قطبیت مولکول‌ها، درصد جرمی و محاسبه آن، خواص جامدات مولکولی و یونی، سری واکنش پذیری فلزات و طیف نور مرئی است. شناخت این مفاهیم، پایه‌ای مهم برای شناخت سایر خواص مواد در شیمی عمومی و شیمی دانشگاهی است. در این مطلب از مجله فرادرس به بررسی این مفاهیم پرداخته و جمع بندی شیمی دوازدهم فصل سوم را به صورت کامل ارائه می‌کنیم.

در ابتدای این مطلب به بررسی مفاهیم درصد جرمی و حل مسائل آن می‌پردازیم. سپس تفاوت‌ها و خواص جامدهای کووالانسی، مولکولی و بلوری را مقایسه می‌کنیم. در ادامه، به بررسی مولکول‌های دو اتمی و جامدهای بلوری پرداخته و آنتالپی فروپاشی شبکه را می‌آموزیم. در نهایت با فلزات و واکنش‌پذیری آن‌ها آشنا شده و طیف نور مرئی را بررسی می‌کنیم. با مطالعه این مطلب تا انتها می‌توانید به شکلی کامل با مفاهیم جمع بندی شیمی دوازدهم فصل سوم آشنا شوید.

جمع بندی شیمی دوازدهم فصل سوم

در جمع بندی شیمی دوازدهم فصل سوم، به بررسی خواص جامدهای مولکولی و یونی، مواد فلزی و غیر فلزی، اثر قطبیت بر رفتار مولکول‌ها در میدان مغناطیسی و واکنش‌پذیری مواد می‌پردازیم. در این فصل، مفاهیم مهمی مانند قطبیت مولکول، ترتیب واکنش‌پذیری فلزات، گشتاور دوقطبی مولکول، جامدهای یونی و ویژگی آن‌ها و تفاوت عناصر فلزی و نافلزی بررسی می‌شود. در ادامه، به بررسی مهم‌ترین نکات این فصل می‌پردازیم.

درصد جرمی چیست؟

درصد جرمی یکی از مفاهیم مهم جمع بندی شیمی دوازدهم فصل سوم است. درصد جرمی یکی از روش‌های بیان غلظت یک عنصر در یک ترکیب یا یک جزء در یک مخلوط است. این کمیت با تقسیم جرم جزء موردنظر بر جرم کل مخلوط و ضرب حاصل در ۱۰۰ به دست می‌آید. برای محاسبه درصد جرمی، جرم جزء موردنظر را بر جرم کل تقسیم و حاصل را در ۱۰۰ ضرب می‌کنیم.

برای مثال، می‌توان با استفاده از فرمول شیمیایی آب، $$‌{H_2O}$$، محاسبه کرد که آب از نظر جرمی دارای ۱۱٫۱۹ درصد هیدروژن است. نام‌های دیگر درصد جرمی (Mass Percent) و درصد وزنی - وزنی (w/w)% هستند.

فرمول درصد جرمی

برای محاسبه درصد جرمی یک عنصر در یک ترکیب، از رابطه زیر استفاده می‌شود.

درصد جرمی = جرم عنصر در ۱ مول از ترکیب / جرم ۱ مول از ترکیب × ۱۰۰

این رابطه در متون تخصصی به شکل زیر نمایش داده می‌شود.

$$‌{Mass\ Percent}=\frac{‌{Mass\ of\ Element\ in\ 1\ mole\ of\ Compound}}{‌{Mass\ of\ 1\ mole\ of\ Compound}}\times100$$

• Mass Percent: درصد جرمی
• Mass of Element: جرم عنصر موردنظر
• Mass of Compound: جرم ترکیب

مثال محاسبه درصد جرمی

برای درک بهتر روش محاسبه درصد جرمی به مثال‌های زیر دقت کنید.

مثال ۱

سفیدکننده معمولی دارای ۵٫۲۵ درصد جرمی $$‌{NaOCl}$$ است. یعنی در هر ۱۰۰ گرم سفیدکننده، ۵٫۲۵ گرم $$‌{NaOCl}$$ وجود دارد.

$$‌{Mass\ of\ NaOCl}=5.25\ ‌{g}$$

$$‌{Mass\ of\ Solution}=100\ ‌{g}$$

در این محاسبه، Mass of NaOCl نشان‌دهنده جرم سدیم هیپوکلریت و Mass of Solution نشان‌دهنده جرم کل محلول است.

مثال ۲

۶ گرم سدیم هیدروکسید در ۵۰ گرم آب حل شده است. درصد جرمی سدیم هیدروکسید را محاسبه کنید.

پاسخ

ابتدا جرم کل محلول را به دست می‌آوریم.

$$‌{Total\ Mass}=6\ ‌{g}+50\ ‌{g}=56\ ‌{g}$$

سپس درصد جرمی سدیم هیدروکسید را محاسبه می‌کنیم.

$$‌{Mass\ Percent}=\frac{6\ ‌{g\ NaOH}}{56\ ‌{g\ Solution}}\times100$$

$$‌{Mass\ Percent}=0.1074\times100$$

$$‌{Mass\ Percent}=10.74$$

بنابراین، درصد جرمی $$‌{NaOH}$$ برابر با ۱۰٫۷۴ درصد است.

مثال ۳

جرم سدیم کلرید و آب مورد نیاز برای تهیه ۱۷۵ گرم محلول ۱۵ درصدی را به دست آورید.

پاسخ

ابتدا اطلاعات مسئله را در فرمول درصد جرمی قرار می‌دهیم.

$$15$$

سپس مقدار $$x$$ را محاسبه می‌کنیم.

$$x=\frac{15\times175}{100}$$

$$x=26.25\ ‌{g\ NaCl}$$

بنابراین، به ۲۶٫۲۵ گرم سدیم کلرید نیاز داریم. برای محاسبه جرم آب، جرم سدیم کلرید را از جرم کل محلول کم می‌کنیم.

$$‌{Mass\ of\ Water}=‌{Total\ Mass}-‌{Mass\ of\ Salt}$$

$$‌{Mass\ of\ Water}=175\ ‌{g}-26.25\ ‌{g}$$

$$‌{Mass\ of\ Water}=147.75\ ‌{g}$$

بنابراین، برای تهیه این محلول به ۲۶٫۲۵ گرم سدیم کلرید و ۱۴۷٫۷۵ گرم آب نیاز است.

مثال ۴

درصد جرمی هیدروژن در آب را محاسبه کنید. جرم مولی هیدروژن و اکسیژن به ترتیب برابر است با:

• $$‌{H}=1.008\ ‌{g/mol}$$
• $$‌{O}=16.00\ ‌{g/mol}$$

پاسخ

در هر مول آب، دو اتم هیدروژن وجود دارد. بنابراین، جرم هیدروژن موجود در یک مول آب برابر است با:

$$‌{Mass\ of\ H}=2\times1.008=2.016\ ‌{g}$$

جرم کل یک مول آب نیز برابر است با:

$$‌{Mass\ of\ H_2O}=2\times1.008+16.00=18.016\ ‌{g}$$

اکنون درصد جرمی هیدروژن را محاسبه می‌کنیم.

$$‌{Mass\ Percent\ of\ H}=\frac{2\times1.008}{2\times1.008+16.00}\times100$$

$$‌{Mass\ Percent\ of\ H}=\frac{2.016}{18.016}\times100$$

$$‌{Mass\ Percent\ of\ H}=11.19$$

بنابراین، درصد جرمی هیدروژن در آب برابر با ۱۱٫۱۹ درصد است.

یادگیری شیمی دوازدهم با فرادرس

برای درک بهتر مفاهیم ارائه‌شده در جمع‌بندی شیمی دوازدهم فصل سوم، نیاز است ابتدا با مفاهیمی چون مواد جامد، مولکول‌های دواتمی، مولکول‌های قطبی و ناقطبی و سری واکنش‌پذیری فلزات آشنا شویم. پیشنهاد می‌کنیم برای یادگیری بهتر این مفاهیم، به مجموعه فیلم آموزش دروس پایه دوازدهم، بخش شیمی مراجعه کنید که با زبانی ساده و کاربردی به توضیح این مفاهیم می‌پردازد.

همچنین، با مراجعه به فیلم‌های آموزش فرادرس که در ادامه آورده شده است، می‌توانید به آموزش‌های بیشتری در زمینه جمع بندی شیمی دوازدهم فصل دوم دسترسی داشته باشید.

• فیلم آموزش شیمی ۱ پایه دهم گواهینامه فرادرس
• فیلم آموزش شیمی ۱ پایه دهم حل سوالات تشریحی امتحانات نهایی فرادرس
• فیلم آموزش شیمی ۲ پایه یازدهم رشته علوم تجربی و ریاضی و فیزیک فرادرس

سیلیس چیست؟

یکی از مواد مهم مطرح شده در جمع بندی شیمی دوازدهم فصل سوم، سیلیس است. سیلیس، که در برخی از منابع با نام سیلیکا شناخته می‌شود، ترکیبی از دو عنصر فراوان در پوسته زمین، یعنی سیلیسیم و اکسیژن، با فرمول $$SiO_2$$ است. حدود ۵۹ درصد از جرم پوسته زمین را سیلیس تشکیل می‌دهد و این ماده، جزء اصلی بیش از ۹۵ درصد سنگ‌های شناخته‌شده به شمار می‌رود.

سیلیس دارای سه شکل بلوری اصلی است. این سه شکل، کوارتز که فراوان‌ترین نوع آن است، تریدیمیت و کریستوبالیت هستند. از دیگر شکل‌های آن می‌توان به کوزیت، کیاتیت و لوشاتلیریت اشاره کرد.

ماسه سیلیسی در ساخت‌وساز و راه‌سازی و برای تولید سیمان پرتلند، بتن و ملات استفاده می‌شود. سیلیس همچنین در سایش و پرداخت شیشه و سنگ، ساخت قالب‌های ریخته‌گری و تولید شیشه، سرامیک، کاربید سیلیسیم، فروسیلیسیم و سیلیکون‌ها کاربرد دارد.

از این ماده به‌عنوان ماده نسوز و در ساخت برخی سنگ‌های قیمتی نیز استفاده می‌شود. ژل سیلیس نیز به‌طور گسترده به‌عنوان ماده رطوبت‌گیر برای جذب رطوبت به کار می‌رود.

جامد کووالانسی و جامد مولکولی

از دیگر مفاهیم مهم جمع بندی شیمی دوازدهم فصل سوم، جامدات هستند. جامدها را می‌توان از روش‌های مختلفی دسته‌بندی کرد. یکی از رایج‌ترین روش‌ها، دسته‌بندی آن‌ها بر اساس نوع پیوند میان ذرات است. در این روش، سه نوع اصلی پیوند در جامدها در نظر گرفته می‌شود. جامدهای کووالانسی خود به دو گروه جامدهای مولکولی و جامدهای شبکه‌ای کووالانسی تقسیم می‌شوند.

پیشنهاد می‌کنیم برای آشنایی بیشتر با این مواد، فیلم آموزش جامد کووالانسی فرادرس، که لینک آن در ادامه آورده شده است را مشاهده کنید.

جامد مولکولی

جامدهای مولکولی از مولکول‌هایی تشکیل شده‌اند که اتم‌های درون آن‌ها با پیوند کووالانسی به یکدیگر متصل هستند. اما مولکول‌ها در ساختار جامد به کمک نیروهای واندروالس در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند. این جامدها معمولا نقطه ذوب پایینی دارند و به‌راحتی شکسته می‌شوند، زیرا نیروهای بین مولکول‌ها نسبتا ضعیف هستند.

یخ نمونه‌ای از یک جامد مولکولی است. در حالت جامد، مولکول‌های آب در یک آرایش منظم قرار می‌گیرند. بسیاری از مواد مولکولی، به‌ویژه هنگامی که با دقت از حالت مایع جامد می‌شوند، ساختاری منظم و شبیه بلورهای یونی تشکیل می‌دهند. با این تفاوت که واحدهای سازنده آن‌ها مولکول هستند.

جامد کووالانسی

از دیگر مفاهیم مهم در جمع بندی شیمی دوازدهم فصل سوم، جامدهای کووالانسی هستند. در مقابل، در جامدهای شبکه‌ای کووالانسی، مولکول‌های جداگانه وجود ندارند و کل ساختار جامد به وسیله پیوندهای کووالانسی میان اتم‌ها به هم متصل است. برای مثال، در الماس، هر اتم کربن با چهار اتم کربن دیگر پیوند کووالانسی تشکیل می‌دهد و این اتم‌ها آرایشی چهاروجهی ایجاد می‌کنند.

جامدهای شبکه‌ای کووالانسی معمولا نقطه ذوب بالایی دارند و سخت هستند، زیرا اتم‌های سازنده آن‌ها با پیوندهای کووالانسی بسیار قوی به یکدیگر متصل شده‌اند. الماس نیز به دلیل وجود پیوندهای بسیار قوی کربن - کربن، یکی از سخت‌ترین مواد شناخته‌شده است.

الماس و سیلیسیم دی‌اکسید از شناخته‌شده‌ترین جامدهای شبکه کووالانسی هستند. جامدهای شبکه کووالانسی معمولا رسانایی الکتریکی کمی دارند، اما رسانایی گرمایی آن‌ها می‌تواند متفاوت باشد.

گرافیت الماس و گرافن

الماس، گرافیت و گرافن هر سه از عنصر کربن تشکیل شده‌اند، اما تفاوت در نحوه قرارگیری و پیوند اتم‌های کربن باعث می‌شود خواص و کاربردهای متفاوتی داشته باشند. الماس ساختاری سه‌بعدی دارد، گرافیت از لایه‌های دوبعدی تشکیل شده است و گرافن تنها یک لایه از ساختار گرافیت است.

پیشنهاد می‌کنیم برای درک بهتر تفاوت این مواد، مطلب آلوتروپ مجله فرادرس که لینک آن در ادامه آورده شده است را مطالعه کنید.

الماس

الماس یکی از آلوتروپ‌های کربن است و در آن هر اتم کربن با چهار اتم کربن دیگر، با پیوندهای کووالانسی قوی، پیوند دارد. این آرایش یک شبکه سه‌بعدی و بسیار مستحکم ایجاد می‌کند.

خواص الماس را در ادامه توضیح داده‌ایم.

• ساختار سه‌بعدی چهاروجهی
• بسیار سخت و مقاوم
• نقطه ذوب بسیار بالا
• نارسانای جریان برق
• در حلال‌های معمول حل نمی‌شود.

گرافیت

گرافیت آلوتروپ دیگری از کربن است که اتم‌های کربن در لایه‌های دوبعدی با آرایش شش‌ضلعی قرار گرفته‌اند. هر اتم کربن با سه اتم دیگر پیوند کووالانسی دارد و الکترون چهارم آن آزادانه در لایه حرکت می‌کند.

خواص گرافیت در ادامه معرفی شده است.

• ساختار لایه‌ای و دوبعدی
• نرم و لغزنده
• نقطه ذوب بسیار بالا
• رسانای جریان برق و گرما
• لایه‌ها با نیروهای ضعیف بین‌مولکولی کنار هم قرار گرفته‌اند.

گرافن

گرافن یک لایه منفرد از گرافیت و یکی از شکل‌های کربن است. اتم‌های کربن در آن شبکه‌ای دوبعدی و شش‌ضلعی تشکیل می‌دهند.

خواص گرافن در ادامه آورده شده است.

• بسیار سبک و مستحکم
• ساختار دوبعدی و تک‌اتمی
• رسانای بسیار خوب برق و گرما
• شفاف در برابر نور
• دارای کاربرد در الکترونیک و مواد مرکب

سختی مواد

سختی یکی از ویژگی‌های مواد است که میزان مقاومت آن‌ها را در برابر فشرده‌شدن یا خراشیدگی نشان می‌دهد. بر اساس سختی، مواد را می‌توان به دو دسته نرم و سخت تقسیم کرد.

مواد نرم

مواد نرم به‌راحتی فشرده یا خراشیده می‌شوند و مقاومت کمی در برابر تغییر شکل دارند. پنبه و لاستیک نمونه‌هایی از مواد نرم هستند.

مواد سخت

مواد سخت به‌سختی فشرده یا خراشیده می‌شوند و مقاومت زیادی در برابر تغییر شکل دارند. چوب، سنگ و آهن نمونه‌هایی از مواد سخت هستند.

جامدهای بلوری و آمورف

جامدها را می‌توان از نظر دیگری نیز به دو گروه بلوری و آمورف تقسیم کرد. در جامدهای بلوری، اتم‌ها یا یون‌ها آرایش منظم و مشخصی دارند. در مقابل، در جامدهای آمورف، آرایش ذرات نظم مشخصی ندارد.

ویژگی جامدهای بلوری

بیشتر فلزها، جامدهای یونی، جامدهای شبکه‌ای کووالانسی و جامدهای مولکولی تا حدی ساختار بلوری و منظم دارند، هرچند ساختار آن‌ها معمولا کاملا بی‌نقص نیست. جامدهای بلوری اغلب دارای سطوح صاف و مشخصی به نام وجه بلوری هستند که با زاویه‌های معینی نسبت به یکدیگر قرار می‌گیرند. بسیاری از سنگ‌های قیمتی مورد استفاده در جواهرسازی نمونه‌هایی از مواد بلوری هستند.

ساختار جامدهای آمورف و پلیمرها

پلیمرها از مهم‌ترین مواد آمورف به شمار می‌روند و بیشتر پلاستیک‌ها را شامل می‌شوند. پلیمرها معمولا از مولکول‌های کووالانسی بسیار بلند و باریکی تشکیل شده‌اند که درهم‌تنیده هستند و به همین دلیل اغلب انعطاف‌پذیری بالایی دارند.

برخی سنگ‌ها نیز ساختار آمورف دارند. برای مثال، اوپال معمولا به شکل گرد و صیقلی تراش داده می‌شود، زیرا ساختار آن مانند بسیاری از سنگ‌های بلوری، وجه‌های صاف و مشخص ایجاد نمی‌کند.

مولکول های دواتمی

از دیگر مفاهیم مهم جمع بندی شیمی دوازدهم فصل سوم، مولکول‌های دواتمی هستند. مولکول دواتمی مولکولی است که از دو اتم تشکیل شده است. این دو اتم می‌توانند از یک عنصر یکسان یا از دو عنصر متفاوت باشند. مولکول‌های دواتمی معمولا ساختاری خطی دارند، زیرا دو اتم در امتداد یک خط مستقیم قرار می‌گیرند.

مولکول دواتمی جور هسته

اگر دو اتم سازنده مولکول دواتمی از یک عنصر باشند، به آن مولکول دواتمی جور هسته گفته می‌شود. در این مولکول‌ها، دو اتم الکترون‌ها را به‌طور مساوی به اشتراک می‌گذارند و پیوند بین آن‌ها کووالانسی و ناقطبی است. هفت عنصر شناخته‌شده که در شرایط مناسب به صورت مولکول‌های دواتمی هم‌هسته وجود دارند. این مولکول ها به همراه فرمول شیمیایی آن ها را در جدول زیر معرفی کرده ایم.

در دما و فشار استاندارد، پنج عنصر هیدروژن، نیتروژن، اکسیژن، فلوئور و کلر به صورت مولکول‌های دواتمی پایدار وجود دارند، در حالی که برم و ید در شرایط دمایی متفاوت نیز می‌توانند مولکول‌های دواتمی تشکیل دهند.

مولکول دو اتمی ناجور هسته

اگر دو اتم سازنده مولکول دواتمی از دو عنصر متفاوت باشند، به آن مولکول دواتمی ناجور هسته گفته می‌شود. به دلیل تفاوت الکترونگاتیوی اتم‌ها، پیوند میان آن‌ها معمولا کووالانسی قطبی است و می‌تواند باعث ایجاد دوقطبی در مولکول شود.

نمونه‌هایی از مولکول‌های دواتمی ناجور هسته را در ادامه معرفی کرده‌ایم.

• هیدروژن کلرید
• کربن مونوکسید
• نیتروژن مونوکسید
• هیدروژن فلوئورید

پیوند در مولکول دو اتمی

پیوند میان دو اتم در یک مولکول دواتمی می‌تواند از مرتبه یگانه، دوگانه یا سه‌گانه باشد. همچنین، بسته به نوع اتم‌ها، پیوند می‌تواند کووالانسی ناقطبی، کووالانسی قطبی یا در برخی موارد یونی باشد.

برای مثال، کربن مونوکسید دارای یک پیوند سه گانه بین کربن و اکسیژن و کربن است.

تفاوت بین ترکیبات دوتایی و مولکول دو اتمی

هر ترکیبی که در آن اتم ها با نسبت یک به یک (۱:۱) وجود داشته باشند، لزوما یک مولکول دو اتمی نیست. برای مثال، در مولکول‌هایی مانند اکسید منیزیم و اکسید سیلیسیم، ممکن است در فاز گازی به صورت واحدهای دواتمی وجود داشته باشند، اما در حالت جامد ساختارهای گسترده‌تری تشکیل می‌دهند.

در مثالی دیگر، سدیم کلرید، در حالت جامد، یک شبکه بلوری بزرگ از یون ها تشکیل می‌دهد و به صورت مولکول‌های دواتمی مجزا وجود ندارد. با این‌ حال، در فاز گازی می‌تواند به صورت واحدهای دواتمی مشاهده شود.

شکل مولکول های دو اتمی

همه مولکول‌های دواتمی هندسه خطی دارند. در این ساختار، دو اتم در یک خط مستقیم قرار گرفته‌اند و زاویه پیوندی ۱۸۰ درجه است.

اهمیت مولکول‌های دواتمی در جو

نیتروژن و اکسیژن که به ترتیب حدود ۷۸ و ۲۱ درصد جو زمین را تشکیل می‌دهند، دو مولکول دواتمی اصلی موجود در جو هستند. بنابراین، تقریبا ۹۹ درصد جو زمین از همین دو مولکول دواتمی تشکیل شده است.

مولکول ناقطبی

مولکولی است که توزیع بار در آن متقارن است و در نتیجه، قطبیت کلی مولکول صفر می‌شود. در چنین مولکولی، گشتاورهای دوقطبی پیوندها می‌توانند یکدیگر را خنثی کنند. نیروی جاذبه بین این مولکول‌ها از نوع نیروی واندروالس، یا به‌طور دقیق‌تر نیروی پراکندگی لاندن، است. این نیروی جاذبه بین‌مولکولی ضعیف است.

این جامدها نرم هستند، نقطه ذوب پایینی دارند و آنتالپی ذوب آن‌ها کم است. رسانای ضعیف گرما و جریان الکتریکی هستند. همچنین قابل اشتعال و عایق الکتریکی‌ هستند.

مولکول قطبی

مولکول قطبی از مهم‌ترین مفاهیم جمع بندی شیمی دوازدهم فصل سوم و مولکولی است که یک طرف آن اندکی بار مثبت و طرف دیگر آن اندکی بار منفی دارد. این توزیع نابرابر بار الکتریکی باعث ایجاد دو قطب در مولکول می‌شود. بدین علت این نوع مولکول ها را مولکول قطبی می‌نامند.

بار جزئی مولکول

بار جزئی، بار الکتریکی کوچکی است که در اثر توزیع نابرابر الکترون‌ها در یک پیوند یا مولکول ایجاد می‌شود. در این حالت، اتمی که الکترون‌ها را بیشتر به سمت خود می‌کشد، دارای بار جزئی منفی $$\delta^-$$ و اتم دیگر دارای بار جزئی مثبت $$\delta^+$$ می‌شود.

برای مثال، در مولکول $$‌{HF}$$، فلوئور الکترونگاتیویته بیشتری دارد و الکترون‌های پیوند را بیشتر به سمت خود می‌کشد. بنابراین، فلوئور دارای بار جزئی منفی و هیدروژن دارای بار جزئی مثبت است.

گشتاور دوقطبی مولکول

گشتاور دوقطبی نشان‌دهنده جدایی بارهای مثبت و منفی در یک مولکول است. اگر گشتاورهای دوقطبی پیوندها یکدیگر را خنثی نکنند، مولکول دارای گشتاور دوقطبی خالص و در نتیجه قطبی است. اگر مجموع آن‌ها صفر شود، مولکول ناقطبی است.

تفاوت مولکول‌های قطبی و ناقطبی

به‌طور خلاصه، تفاوت مولکول‌های قطبی و ناقطبی به نحوه توزیع بار الکتریکی در مولکول مربوط است. در مولکول قطبی، بار الکتریکی به‌طور یکنواخت توزیع نشده و یک سر مولکول کمی مثبت و سر دیگر کمی منفی است، در حالی که در مولکول ناقطبی، توزیع بار متقارن است و دو قطب مشخص ایجاد نمی‌شود.

در تصویر بالا، مولکول‌های آمونیاک، کلروفرم و هیدروژن کلرید، همگی دارای گشتاور قطبی بوده و مولکول‌هایی قطبی هستند. اما در تصویر زیر، دو مولکول کربن تتراکلرید و بور تری‌فلوئورید متقارن بوده و دارای گشتاور دوقطبی خالص نیستند.

در ادامه، تفاوت‌های اصلی مولکول‌های قطبی و ناقطبی را در جدول زیر آورده‌ایم.

جامد یونی

جامدات یونی از دیگر مفاهیم مهم جمع بندی شیمی دوازدهم فصل سوم هستند. بیشتر مواد یونی در دمای اتاق به صورت جامد هستند و از یون‌هایی مانند کاتیون‌های فلزی و آنیون‌های نافلزی تشکیل می‌شوند. جامدهای یونی به کمک نیروهای الکترواستاتیکی قوی میان یون‌ها در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند. به همین دلیل، این جامدها معمولا سخت هستند و نقطه جوش بالایی دارند.

ویژگی جامدهای یونی

برای بررسی خواص جامدهای یونی باید ویژگی‌هایی مانند نقطه ذوب، سختی، رسانایی، حلالیت، آنتالپی فروپاشی شبکه و قدرت برهم‌کنش‌های الکترواستاتیکی را در نظر گرفت. در ادامه، برخی از مهم‌ترین ویژگی‌های جامدهای یونی را توضیح می‌دهیم.

• جامدهای بلوری آرایش بسیار منظم و سازمان‌یافته‌ای از ذرات در یک ساختار سه‌بعدی دارند و جامدهای یونی یکی از انواع جامدهای بلوری هستند.
• جامدهای یونی از یون‌هایی تشکیل شده‌اند که به کمک پیوندهای یونی در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. پیوند یونی میان یون‌های با بار مثبت و منفی ایجاد می‌شود و با انتقال الکترون همراه است.
• هرچه نیروهای جاذبه میان یون‌ها قوی‌تر باشند، نقطه ذوب جامد یونی بالاتر است.
• جامدهای یونی در حالت مذاب یا در محلول‌های آبی می‌توانند جریان الکتریکی را هدایت کنند.
• آنتالپی فروپاشی شبکه جامدهای یونی به بار و اندازه یون‌ها بستگی دارد. افزایش بار یون‌ها باعث افزایش آنتالپی فروپاشی شبکه و کاهش اندازه یون‌ها نیز باعث افزایش آنتالپی فروپاشی شبکه می‌شود.

جامدهای با پیوند یونی و کووالانسی

برخی جامدها ویژگی‌هایی بین جامدهای کووالانسی و یونی دارند. این مواد از فلزها و نافلزها تشکیل شده‌اند و هر دو نوع پیوند کووالانسی و یونی در ساختار آن‌ها اهمیت دارند. بیشتر سنگ‌ها، کانی‌ها و سرامیک‌ها در این گروه قرار می‌گیرند. برای مثال، یاقوت کبود یکی از مواد بسیار سخت است که ترکیب اصلی آن اکسید آلومینیوم است.

چگالی بار به حجم یون

چگالی بار به حجم یون به مقدار بار الکتریکی موجود در واحد حجم یون گفته می‌شود و برای توصیف نحوه توزیع بار الکتریکی در فضای اطراف یون به کار می‌رود. برخلاف چگالی بار سطحی که مقدار بار را در واحد سطح بیان می‌کند، چگالی بار به حجم یون مقدار بار را نسبت به حجم یون در نظر می‌گیرد.

عوامل موثر بر چگالی بار

چگالی بار یک یون به دو عامل اصلی بستگی دارد. این دو عامل، مقدار بار یون و حجم موثری که این بار در آن توزیع شده است، هستند. شعاع یونی نیز در تعیین این حجم نقش دارد.

برای مثال، یون‌های $$‌{Mg^{2+}}$$ و $$‌{Na^+}$$ آرایش الکترونی یکسانی دارند و هر دو دارای آرایش الکترونی نئون هستند. دلیل این موضوع آن است که اتم منیزیم با از دست دادن دو الکترون و اتم سدیم با از دست دادن یک الکترون، هر دو به ۱۰ الکترون می‌رسند. بنابراین، بار منفی ناشی از الکترون‌های اطراف هر دو یون یکسان است.

اما هسته منیزیم یک پروتون بیشتر از هسته سدیم دارد. در نتیجه، جاذبه هسته منیزیم برای الکترون‌ها بیشتر است و شعاع یون $$‌{Mg^{2+}}$$ کوچک‌تر می‌شود. شعاع یونی $$‌{Mg^{2+}}$$ برابر با ۷۲ پیکومتر و شعاع یونی $$‌{Na^+}$$ برابر با ۱۰۲ پیکومتر است. بنابراین، یون $$‌{Mg^{2+}}$$ هم بار بیشتری دارد و هم حجم کوچک‌تری را اشغال می‌کند. در نتیجه، چگالی بار آن از یون $$‌{Na^+}$$ بیشتر است.

اثر چگالی بار یون بر نقطه ذوب

نقطه ذوب به اندازه یون و چگالی بار آن بستگی دارد. هرچه یون کوچک‌تر باشد، چگالی بار آن بیشتر است و در نتیجه جاذبه الکترواستاتیکی بین یون‌ها قوی‌تر می‌شود. بنابراین، معمولا با افزایش چگالی بار، نقطه ذوب نیز افزایش می‌یابد. برای مثال، نقطه ذوب KCl از NaCl کمتر است.

ساختارهایی که در آن‌ها یون‌های دو بار مثبت یا منفی وجود دارند، در مقایسه با ساختارهایی که فقط یون‌های یک‌بار مثبت یا منفی دارند، معمولا نقطه ذوب بسیار بالاتری دارند.

برهمکنش میان یون ها

جامدهای یونی از یون‌هایی تشکیل شده‌اند که به کمک پیوندهای یونی در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. پیوندهای یونی نوعی برهم‌کنش الکترواستاتیکی قوی هستند و بر نقطه ذوب جامدهای یونی اثر می‌گذارند. برای شکستن پیوند میان یون‌ها در جامد یونی، به مقدار زیادی انرژی جنبشی نیاز است.

هرچه نیروهای جاذبه میان یون‌ها قوی‌تر باشند، نقطه ذوب جامد یونی بالاتر خواهد بود. بار یون‌ها نیز بر قدرت نیروهای جاذبه اثر می‌گذارد. هرچه بار یون‌ها بیشتر باشد، نیروی الکترواستاتیکی میان آن‌ها قوی‌تر خواهد بود.

برای مثال، بار یون‌ها را در $$MgO$$ و $$NaCl$$ مقایسه کنید. یون $$Mg^{2+}$$ دارای بار +۲ و یون $$O^{2-}$$ دارای بار -۲ است، درحالی‌که یون‌های $$Na^+$$ و $$Cl^-$$ به‌ترتیب بارهای +۱ و -۱ دارند.

بنابراین، جاذبه میان یون‌ها در $$MgO$$ قوی‌تر است و انتظار می‌رود نقطه ذوب بالاتری داشته باشد.

قانون کولن در جاذبه الکترواستاتیکی

پیوندهای یونی با قانون کولن نیز ارتباط دارند. بر اساس قانون کولن، قدرت جاذبه الکتریکی میان یون‌ها با بار آن‌ها ارتباط مستقیم دارد. بنابراین، هرچه بار یون‌ها بیشتر باشد، جاذبه میان آن‌ها و در نتیجه نیروی کولنی نیز بیشتر خواهد بود.

نقطه ذوب و سختی جامدهای یونی

به دلیل قدرت زیاد پیوندهای یونی، جامدهای یونی معمولا نقطه ذوب بسیار بالایی دارند. این جامدها همچنین به دلیل نیروهای جاذبه میان یون‌ها، سخت هستند. بااین‌حال، جامدهای یونی ترد و شکننده‌ هستند، یعنی ساختار بلوری آن‌ها می‌تواند در اثر ضربه به‌راحتی خرد شود.

این شکنندگی معمولا به دلیل در کنارهم قرار گرفتن یون‌های هم بار و دافعه بین آن‌ها در اثر ضربه به وجود می‌آید.

رسانایی جامدهای یونی

وقتی یک جامد یونی تا رسیدن به حالت مذاب گرم می‌شود، یون‌ها می‌توانند آزادانه حرکت کنند و در نتیجه ماده جریان الکتریکی را به‌خوبی هدایت می‌کند. محلول‌های آبی جامدهای یونی نیز به دلیل وجود یون‌های متحرک می‌توانند جریان الکتریکی را هدایت کنند.

عدد کوئوردیناسیون

عدد کئوردیناسیون یک اتم در یک مولکول یا بلور، به تعداد کل اتم‌ها، یون‌ها یا مولکول‌هایی گفته می‌شود که مستقیما با آن اتم پیوند دارند. به عدد کئوردیناسیون، لیگاندی (Ligancy) نیز گفته می‌شود. اتم‌ها، یون‌ها یا مولکول‌هایی که به اتم مرکزی یا یون یا مولکول مرکزی متصل هستند، لیگاند نام دارند. روش محاسبه لیگاندی در مولکول‌ها با روش محاسبه عدد کئوردیناسیون اتم مرکزی در بلورها و ترکیبات کوئوردیناسی متفاوت است.

برای مثال، در کمپلکس $$[Mo(CN)_8]^{4-}$$، هشت یون $$CN^-$$ در اطراف یون مرکزی قرار دارند. بنابراین، عدد کئوردیناسیون برابر ۸ است. عدد کئوردیناسیون همیشه برای یک یون مشخص ثابت نیست. برای مثال، یون $$Al^{3+}$$ در $$[AlCl_4]^-$$ عدد کئوردیناسیون ۴ و در $$[AlF_6]^{3-}$$ عدد کئوردیناسیون ۶ دارد.

عوامل موثر بر عدد کئوردیناسیون

اندازه یون مرکزی و اندازه یون‌ها یا مولکول‌های اطراف آن، بر تعداد ذراتی که می‌توانند در اطراف یون مرکزی قرار بگیرند اثر می‌گذارد. هرچه یون مرکزی بزرگ‌تر باشد، معمولا می‌تواند تعداد بیشتری یون یا مولکول را در اطراف خود جای دهد. برای مثال، در کمپلکس‌های فلوئوریدی، افزایش اندازه کاتیون مرکزی می‌تواند باعث افزایش تعداد یون‌های $$F^-$$ اطراف آن شود.

در برخی کمپلکس‌ها نیز نوع پیوند میان یون مرکزی و ذرات اطراف آن بر آرایش و در نتیجه عدد کئوردیناسیون اثر می‌گذارد. برای مثال، کمپلکس $$[Zn(CN)_4]^{2-}$$ دارای عدد کئوردیناسیون ۴ است و یون‌های $$CN^-$$ در اطراف یون مرکزی آرایش چهاروجهی دارند. به‌طور کلی، برای تعیین عدد کئوردیناسیون کافی است تعداد ذراتی را که مستقیما به یون یا اتم مرکزی متصل یا هماهنگ شده‌اند، بشماریم.

فلش کارت ساختار و ویژگی های مواد

در ادامه، مطالب مهمی که درباره ساختار و ویژگی‌های مواد در این جمع بندی شیمی دوازدهم فصل سوم بررسی شد، در قالب فلش کارت آورده شده است. با کلیک بر روی هر تصویر می‌توانید مفاهیم مربوط به آن را مشاهده کنید.

آنتالپی فروپاشی شبکه

یکی دیگر از مهم‌ترین مباحث مطرح شده در جمع بندی شیمی دوازدهم فصل سوم، آنتالپی فروپاشی شبکه است. آنتالپی فروپاشی شبکه معیاری برای نشان دادن قدرت پیوندهای یونی در یک ترکیب یونی است. این کمیت به درک برخی ویژگی‌های جامدهای یونی، مانند سختی و حلالیت آن‌ها، کمک می‌کند.

آنتالپی فروپاشی شبکه یک جامد یونی را نمی‌توان به‌طور مستقیم اندازه‌گیری کرد، اما می‌توان آن را با استفاده از چرخه بورن - هابر به‌دست آورد یا تخمین زد. این کمیت معمولا بر حسب کیلوژول بر مول $$kJ/mol$$ بیان می‌شود.

تعریف آنتالپی فروپاشی شبکه

آنتالپی فروپاشی شبکه مقدار انرژی لازم برای تبدیل یک مول جامد یونی به یون‌های گازی سازنده آن است. این فرایند گرماگیر است، بنابراین آنتالپی فروپاشی شبکه با این تعریف مقداری مثبت دارد. برای مثال، در سدیم کلرید، آنتالپی فروپاشی شبکه مقدار انرژی لازم برای انجام واکنش زیر است.

$$NaCl(s)\rightarrow Na^+(g)+Cl^-(g)$$

برای جدا کردن یک مول $$NaCl$$ جامد و تبدیل آن به یون‌های گازی $$Na^+$$ و $$Cl^-$$، حدود ۷۸۶ کیلوژول انرژی لازم است. توجه کنید که برخی منابع، آنتالپی فروپاشی شبکه را به‌صورت انرژی آزادشده هنگام تشکیل جامد یونی از یون‌های گازی تعریف می‌کنند. در این حالت، مقدار آنتالپی فروپاشی شبکه منفی در نظر گرفته می‌شود.

عوامل موثر بر آنتالپی فروپاشی شبکه

دو عامل اصلی برآنتالپی فروپاشی شبکه اثر می‌گذارند. این دو عامل موارد زیر هستند.

• بار یون‌ها
• فاصله میان یون‌ها

اثر بار یون‌ها

یون‌های موجود در یک جامد یونی به دلیل جاذبه الکترواستاتیکی یکدیگر را جذب می‌کنند. هرچه بار یون‌ها بیشتر باشد، نیروی جاذبه میان آن‌ها نیز بیشتر و در نتیجه آنتالپی فروپاشی شبکه بیشتر خواهد بود.

برای مثال، آنتالپی فروپاشی شبکه $$CaCl_2$$ از $$KCl$$ بیشتر است. دلیل این موضوع، بار بیشتر کاتیون کلسیم $$Ca^{2+}$$ نسبت به کاتیون پتاسیم $$K^+$$ است. در نتیجه، جاذبه الکترواستاتیکی میان یون‌ها در $$CaCl_2$$ قوی‌تر است.

اثر اندازه و فاصله یون‌ها

هرچه فاصله میان یون‌ها بیشتر باشد، نیروی جاذبه الکترواستاتیکی میان آن‌ها ضعیف‌تر و آنتالپی فروپاشی شبکه کمتر می‌شود. بنابراین، هرچه اندازه یون‌های سازنده یک جامد یونی کوچک‌تر باشد، فاصله میان یون‌ها کمتر، جاذبه میان آن‌ها بیشتر و آنتالپی فروپاشی شبکه بزرگ‌تر خواهد بود.

چرخه بورن - هابر

برای محاسبه آنتالپی فروپاشی شبکه می‌توان از چرخه بورن - هابر استفاده کرد. این چرخه بر اساس قانون هس است. طبق قانون هس، اگر یک واکنش شیمیایی در یک مرحله یا چند مرحله انجام شود، مجموع تغییرات آنتالپی در همه مسیرها یکسان است.

برای مثال، اگر واکنش $$A\rightarrow B$$ در یک مرحله انجام شود و تغییر آنتالپی آن $$\Delta H$$ باشد، همین واکنش می‌تواند در چند مرحله نیز انجام شود. در این حالت، مجموع تغییرات آنتالپی مراحل مختلف برابر با تغییر آنتالپی واکنش کلی خواهد بود. چرخه بورن - هابر از همین اصل برای محاسبه غیرمستقیم آنتالپی فروپاشی شبکه ترکیبات یونی استفاده می‌کند.

حلالیت ترکیبات یونی

جامدهای یونی می‌توانند در حلال‌های قطبی مانند آب حل شوند. حلالیت به توانایی یک حل‌شونده برای حل شدن در یک حلال و تشکیل محلول گفته می‌شود. با این حال، همه جامدهای یونی محلول نیستند. برای تشخیص محلول یا نامحلول بودن یک ترکیب یونی، باید قواعد حلالیت ترکیبات یونی را بررسی کرد. این قواعدرا در ادامه معرفی کرده‌ایم.

• ترکیبات یونی دارای نیترات $$NO_3^-$$ و استات $$CH_3COO^-$$ محلول هستند.
• ترکیبات یونی دارای $$Cl^-$$، $$Br^-$$ و $$I^-$$ محلول هستند، مگر اینکه $$Ag^+$$، $$Hg_2^{2+}$$ یا $$Pb^{2+}$$ در ترکیب وجود داشته باشد.
• ترکیبات یونی دارای $$SO_4^{2-}$$ محلول هستند، مگر اینکه $$Sr^{2+}$$، $$Ba^{2+}$$، $$Hg_2^{2+}$$ یا $$Pb^{2+}$$ در ترکیب وجود داشته باشد.
• ترکیبات یونی دارای $$S^{2-}$$ نامحلول هستند، مگر اینکه $$NH_4^+$$، $$Li^+$$، $$Na^+$$، $$K^+$$، $$Rb^+$$، $$Cs^+$$، $$Ca^{2+}$$، $$Sr^{2+}$$ یا $$Ba^{2+}$$ در ترکیب وجود داشته باشد.
• ترکیبات یونی دارای $$CO_3^{2-}$$ نامحلول هستند، مگر اینکه $$NH_4^+$$، $$Li^+$$، $$Na^+$$، $$K^+$$، $$Rb^+$$ یا $$Cs^+$$ در ترکیب وجود داشته باشد.
• ترکیبات یونی دارای $$PO_4^{3-}$$ نامحلول هستند، مگر اینکه $$NH_4^+$$، $$Li^+$$، $$Na^+$$، $$K^+$$، $$Rb^+$$ یا $$Cs^+$$ در ترکیب وجود داشته باشد.
• ترکیبات یونی دارای $$OH^-$$ نامحلول هستند، مگر اینکه $$NH_4^+$$، $$Li^+$$، $$Na^+$$، $$K^+$$، $$Rb^+$$، $$Cs^+$$، $$Ca^{2+}$$، $$Sr^{2+}$$ یا $$Ba^{2+}$$ در ترکیب وجود داشته باشد.

فلزها

فلز به گروهی از مواد گفته می‌شود که ویژگی‌هایی مانند رسانایی بالای الکتریکی و گرمایی، چکش‌خواری، مفتول‌پذیری و بازتاب زیاد نور دارند.

حدود سه‌چهارم عناصر شیمیایی شناخته‌شده را فلزها تشکیل می‌دهند. فراوان‌ترین فلزهای موجود در پوسته زمین، عناصر آلومینیوم، آهن، کلسیم، سدیم، پتاسیم و منیزیم هستند. بیشتر فلزها در طبیعت به صورت سنگ معدن یافت می‌شوند، اما برخی فلزها مانند مس، طلا، پلاتین و نقره به دلیل واکنش‌پذیری کم، اغلب به صورت آزاد نیز در طبیعت وجود دارند.

ویژگی فلزات

فلزها معمولا جامدهای بلوری هستند. در بیشتر موارد، ساختار بلوری آن‌ها نسبتا ساده است و اتم‌ها در این ساختار به صورت فشرده و با درجه بالایی از نظم و تقارن قرار گرفته‌اند. اتم‌های فلزها معمولا کمتر از نیمی از ظرفیت کامل لایه ظرفیت خود را با الکترون پر کرده‌اند. به همین دلیل، فلزها معمولا تمایل کمی به تشکیل ترکیب با یکدیگر دارند، اما می‌توانند با نافلزها، مانند اکسیژن و گوگرد، به‌راحتی ترکیب شوند. نافلزها معمولا بیش از نیمی از ظرفیت لایه ظرفیت خود را با الکترون پر کرده‌اند.

فلزها از نظر واکنش‌پذیری شیمیایی تفاوت زیادی با یکدیگر دارند. لیتیوم، پتاسیم و رادیوم از فلزهای بسیار واکنش‌پذیر هستند، در حالی که طلا، نقره، پالادیم و پلاتین واکنش‌پذیری کمتری دارند.

پیوند فلزی

نوع دیگری از پیوند در جامدها، پیوند فلزی است. پیوند فلزی از این نظر به پیوند کووالانسی شباهت دارد که در آن الکترون‌ها به‌صورت مشترک مورد استفاده قرار می‌گیرند.

مدل دریای الکترونی

یکی از ساده‌ترین مدل‌ها برای توضیح پیوند فلزی، مدل دریای الکترونی است. در این مدل، اتم‌های فلز در میان دریایی از الکترون‌های ظرفیت قرار دارند که در سراسر ساختار فلز پخش شده‌اند و به اتم خاصی تعلق ندارند.

از آنجا که در فلزها پیوند مشخص و مستقیمی میان هر دو اتم وجود ندارد، این مواد نسبت به جامدهای شبکه‌ای کووالانسی انعطاف‌پذیرتر هستند. اتم‌های فلزی می‌توانند تا حدی نسبت به یکدیگر جابه‌جا شوند، در حالی که دریای الکترونی همچنان آن‌ها را در کنار یکدیگر نگه می‌دارد.

برخی فلزها بسیار سخت و دارای نقطه ذوب بالایی هستند، در حالی که برخی دیگر نرم‌ بوده و نقطه ذوب پایینی دارند. این تفاوت تا حدی به تعداد الکترون‌های ظرفیتی مشارکت‌کننده در دریای الکترونی مربوط می‌شود.

جامدهای فلزی

جامد فلزی جامدی است که ویژگی‌های معمول فلزها را دارد. این جامدها معمولا براق و نقره‌ای‌رنگ هستند و گرما و جریان الکتریکی را به‌خوبی هدایت می‌کنند. همچنین می‌توان بسیاری از جامدهای فلزی را به ورقه تبدیل کرد یا به شکل سیم درآورد.

در جامدهای فلزی، پیوند فلزی وجود دارد. این نوع پیوند در اثر اشتراک‌گذاری الکترون‌های ظرفیتی از نوع $$s$$ میان تمام اتم‌های موجود در ماده ایجاد می‌شود. اشتراک‌گذاری این الکترون‌های ظرفیتی، توانایی فلزها برای هدایت مناسب گرما و جریان الکتریکی را توضیح می‌دهد.

همچنین از دست دادن این الکترون‌های ظرفیتی برای فلزها نسبتا آسان است. به همین دلیل، عناصر فلزی هنگام تشکیل ترکیبات معمولا یون‌های مثبت یا کاتیون‌ها را تشکیل می‌دهند.

سری واکنش پذیری فلزات

سری واکنش‌پذیری فلزات که با نام سری فعالیت فلزات نیز شناخته می‌شود، آرایش فلزها بر اساس کاهش واکنش‌پذیری آن‌هاست. این سری از دیگر مفاهیم مهم جمع بندی شیمی دوازدهم فصل سوم است. اطلاعات این سری را می‌توان برای پیش‌بینی این موضوع به‌کار برد که آیا یک فلز می‌تواند فلز دیگری را در واکنش جانشینی یگانه جابه‌جا کند یا خیر. همچنین، از این سری می‌توان برای بررسی واکنش‌پذیری فلزها در برابر آب و اسیدها استفاده کرد.

در ادامه سری واکنش پذیری فلزات آورده شده است.

فلزها معمولا تمایل زیادی به از دست دادن الکترون و تشکیل کاتیون دارند. بیشتر فلزها با اکسیژن موجود در هوا واکنش می‌دهند و اکسید فلزی تشکیل می‌دهند. البته واکنش‌پذیری فلزهای مختلف در برابر اکسیژن متفاوت است. برای مثال، فلزهای کم‌واکنش‌پذیری مانند طلا و پلاتین به‌راحتی در معرض هوا اکسید نمی‌شوند.

ویژگی های مهم سری واکنش پذیری

فلزهای بالای سری واکنش‌پذیری، عوامل کاهنده قوی‌تری هستند، زیرا به‌راحتی اکسید می‌شوند. این فلزها نیز معمولا به‌سرعت کدر یا دچار خوردگی می‌شوند.

• با حرکت از بالای سری به سمت پایین، توانایی فلزها برای کاهش دادن مواد دیگر کمتر می‌شود.
• الکتروپوزیتیوی فلزها نیز با حرکت به سمت پایین سری کاهش می‌یابد.
• همه فلزهایی که بالاتر از هیدروژن قرار دارند، در واکنش با اسید کلریدریک رقیق یا اسید سولفوریک رقیق، گاز $$‌{H_2}$$ آزاد می‌کنند.
• فلزهای بالاتر در سری می‌توانند فلزهای پایین‌تر را از محلول نمک آن‌ها جابه‌جا کنند.
• فلزهایی که در بخش بالاتری از سری قرار دارند، برای استخراج از سنگ معدن و ترکیب‌هایشان به انرژی بیشتری نیاز دارند.
• با حرکت به سمت پایین سری، توانایی فلزها برای واگذاری الکترون کاهش می‌یابد.

هیدروژن با اینکه نافلز است، معمولا در سری واکنش‌پذیری قرار می‌گیرد تا مقایسه واکنش‌پذیری فلزها با آن آسان‌تر باشد. فلزهای بالاتر از هیدروژن می‌توانند آن را از اسیدهایی مانند $$‌{HCl}$$ و $$‌{H_2SO_4}$$ جابه‌جا کنند، زیرا واکنش‌پذیری بیشتری دارند.

کاربردهای مهم سری واکنش پذیری

سری واکنش‌پذیری علاوه بر نشان دادن ویژگی‌ها و واکنش‌پذیری فلزها، برای پیش‌بینی نتیجه برخی واکنش‌ها نیز کاربرد دارد. برای مثال، می‌توان با استفاده از این سری، واکنش فلزها با آب، واکنش فلزها با اسیدها و واکنش‌های جانشینی یگانه بین فلزها را پیش‌بینی کرد.

واکنش فلزها با آب

کلسیم و فلزهایی که در سری واکنش‌پذیری بالاتر از کلسیم قرار دارند، می‌توانند با آب سرد واکنش دهند و هیدروکسید فلزی مربوطه را همراه با گاز هیدروژن تشکیل دهند. برای مثال، واکنش پتاسیم با آب به صورت زیر است.

$$‌{2K+2H_2O\rightarrow2KOH+H_2}$$

بنابراین، از سری واکنش‌پذیری می‌توان برای پیش‌بینی واکنش فلزها با آب استفاده کرد.

واکنش فلزها با اسیدها

سرب و فلزهایی که در سری واکنش‌پذیری بالاتر از سرب قرار دارند، در واکنش با اسید کلریدریک یا اسید سولفوریک می‌توانند نمک تشکیل دهند و گاز هیدروژن نیز آزاد کنند. واکنش روی با اسید سولفوریک نمونه‌ای از این واکنش‌ها است.

$$‌{Zn+H_2SO_4\rightarrow ZnSO_4+H_2}$$

در نتیجه، سری واکنش‌پذیری می‌تواند برای پیش‌بینی واکنش فلزها با برخی اسیدها نیز استفاده شود.

واکنش‌های جانشینی یگانه بین فلزها

یون‌های فلزهای پایین‌تر در سری واکنش‌پذیری، به‌وسیله فلزهای بالاتر به راحتی کاهش می‌یابند. بنابراین، فلزهای بالاتر می‌توانند فلزهای پایین‌تر را در واکنش‌های جانشینی یگانه جابه‌جا کنند.

برای مثال، روی می‌تواند مس را از محلول سولفات مس جابه‌جا کند.

$$‌{Zn(s)+CuSO_4(aq)\rightarrow ZnSO_4(aq)+Cu(s)}$$

این مفهوم در استخراج فلزها نیز کاربرد دارد. برای مثال، تیتانیوم از تتراکلرید تیتانیوم با استفاده از منیزیم و از طریق یک واکنش جانشینی یگانه استخراج می‌شود. بنابراین، سری واکنش‌پذیری فلزها می‌تواند برای پیش‌بینی نتیجه واکنش‌های جانشینی یگانه نیز به‌کار رود.

تفاوت فلزات و نافلزات

فلزها و نافلزها از نظر ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی تفاوت دارند. فلزها معمولا رسانایی الکتریکی و گرمایی بالایی دارند، براق‌ بوده و به دلیل چکش‌خواری و مفتول‌پذیری می‌توان آن‌ها را به ورقه یا سیم تبدیل کرد، در حالی که نافلزها معمولا رسانایی کمی دارند و در حالت جامد شکننده‌ هستند.

فلزها معمولا با از دست دادن الکترون به کاتیون تبدیل می‌شوند، اما نافلزها تمایل بیشتری به گرفتن یا به‌اشتراک‌گذاری الکترون دارند و می‌توانند آنیون یا ترکیب‌های کووالانسی تشکیل دهند.

مثال تشخیص نوع جامد

برای درک بهتر آنچه در این جمع بندی شیمی دوازدهم فصل سوم درباره جامدات آموختید، به سوالات زیر درباره تخیص نوع جامد پاسخ دهید.

مثال ۱

دو ماده $$‌{NaCl}$$ و $$‌{CO_2}$$ را از نظر نقطه ذوب مقایسه کنید. کدام‌یک نقطه ذوب بالاتری دارد و علت آن چیست؟

پاسخ

$$NaCl$$ نقطه ذوب بالاتری دارد، زیرا ذرات آن با جاذبه‌های الکترواستاتیکی قوی در ساختاری منظم کنار هم قرار گرفته‌اند. $$NaCl$$ یک جامد یونی است.

در $$CO_2$$، مولکول‌ها با نیروهای بین‌مولکولی ضعیف‌تری به یکدیگر متصل هستند. $$CO_2$$ یک جامد مولکولی است.

مثال ۲

الماس و $$‌{NaCl}$$ را از نظر سختی مقایسه کنید. کدام‌یک سخت‌تر است و این تفاوت به ساختار کدام‌یک مربوط می‌شود؟

پاسخ

الماس سخت‌تر است، زیرا اتم‌های آن در یک شبکه گسترده با پیوندهای کووالانسی قوی به یکدیگر متصل شده‌اند. الماس یک جامد شبکه‌ای کووالانسی است.

در $$NaCl$$، یون‌ها در یک آرایش منظم قرار دارند و ساختار آن در برابر تغییر شکل، رفتار متفاوتی دارد. $$NaCl$$ یک جامد یونی است.

مثال ۳

دو ماده $$‌{Cu}$$ و $$‌{NaCl}$$ را از نظر رسانایی الکتریکی در حالت جامد مقایسه کنید. کدام‌یک جریان الکتریکی را بهتر هدایت می‌کند و چرا؟

پاسخ

$$Cu$$ رسانایی الکتریکی بیشتری دارد، زیرا در ساختار آن الکترون‌های ظرفیت می‌توانند در سراسر جامد حرکت کنند. $$Cu$$ یک جامد فلزی است.

در $$NaCl$$، یون‌ها در حالت جامد در جای خود ثابت هستند و نمی‌توانند آزادانه حرکت کنند. $$NaCl$$ یک جامد یونی است.

مثال ۴

ماده‌ای براق است، گرما و جریان الکتریکی را به‌خوبی هدایت می‌کند و می‌توان آن را به ورقه‌های نازک تبدیل کرد. با توجه به این ویژگی‌ها، این ماده چه نوع ساختاری دارد؟ دلیل خود را توضیح دهید.

پاسخ

این ویژگی‌ها مربوط به یک جامد فلزی است. در این مواد، الکترون‌های ظرفیت به‌صورت گسترده در ساختار حرکت می‌کنند و باعث رسانایی الکتریکی و گرمایی می‌شوند. همچنین ساختار فلزی امکان چکش‌خواری و تبدیل شدن به ورقه‌های نازک را فراهم می‌کند.

طیف نور مرئی

طیف نور مرئی بخشی از طیف الکترومغناطیسی است که چشم انسان می‌تواند آن را ببیند. به زبان ساده‌تر، این محدوده از طول موج‌ها را نور مرئی می‌نامیم. چشم انسان معمولا می‌تواند طول موج‌های حدود ۳۸۰ تا ۷۰۰ نانومتر را تشخیص دهد.

طول موج‌های نور مرئی

تمام تابش‌های الکترومغناطیسی نوعی نور هستند، اما چشم انسان فقط بخش کوچکی از این تابش‌ها را می‌تواند ببیند که همان نور مرئی است. سلول‌های مخروطی‌شکل در چشم مانند گیرنده‌هایی عمل می‌کنند که برای دریافت طول موج‌های این بخش باریک از طیف تنظیم شده‌اند.

بخش‌های دیگر طیف، طول موج‌هایی دارند که به دلیل محدودیت‌های زیستی دستگاه بینایی انسان، بیش از حد بزرگ یا بیش از حد کوچک و پرانرژی هستند و چشم قادر به درک آن‌ها نیست.

هنگامی که کل طیف نور مرئی از یک منشور عبور می‌کند، طول موج‌ها از یکدیگر جدا می‌شوند و رنگ‌های رنگین‌کمان را تشکیل می‌دهند، زیرا هر رنگ دارای طول موج متفاوتی است. بنفش با طول موج حدود ۳۸۰ نانومتر، کوتاه‌ترین طول موج را دارد و قرمز با طول موج حدود ۷۰۰ نانومتر، بلندترین طول موج را دارد.

حدوده تقریبی طول موج رنگ‌های مختلف در نور مرئی به صورت زیر است.

فلش کارت خواص و واکنش پذیری مواد

در ادامه، مفاهیم مربوط به خواص و واکنش‌پذیری مواد که در این مطلب بررسی شد، در قالب فلش کارت آورده شده است. با کلیک بر روی هر تصویر می‌توانید مفاهیم مربوط به آن را مشاهده کنید.

عنصر تیتانیوم

تیتانیم یک فلز خاکستری نقره‌ای، سبک و مستحکم است که در گروه ۴ جدول تناوبی قرار دارد. این فلز در طبیعت بیشتر به شکل ترکیب‌های معدنی یافت می‌شود و دو کانی مهم آن ایلمنیت و روتیل هستند. تیتانیم به دلیل چگالی کم، استحکام زیاد و مقاومت بالا در برابر خوردگی، فلزی ارزشمند در صنایع مختلف به شمار می‌رود. همچنین می‌توان از آن برای ساخت آلیاژهای مقاوم استفاده کرد.

یکی از ویژگی‌های مهم تیتانیم، تشکیل یک لایه نازک و محافظ از اکسید روی سطح آن است که باعث افزایش مقاومت آن در برابر خوردگی می‌شود. به همین دلیل، تیتانیم در ساخت قطعات هواپیما، فضاپیما، موشک و کشتی و همچنین برخی تجهیزات پزشکی کاربرد دارد.

خواص مهم عنصر تیتانیم در ادامه معرفی شده است.

• عدد اتمی: ۲۲
• جرم اتمی: ۴۷٫۸۶۷
• نقطه ذوب: ۱۶۶۰ درجه سلسیوس
• نقطه جوش: ۳۲۸۷ درجه سلسیوس
• چگالی: ۴٫۵ گرم بر سانتی‌متر مکعب
• حالت‌های اکسایش: ۲+، ۳+ و ۴+
• آرایش الکترونی: $$[Ar]3d^24s^2$$

مهم‌ترین ترکیب تیتانیم، دی‌اکسید تیتانیم $$TiO_2$$ است که به‌عنوان رنگ‌دانه سفید در رنگ‌ها، لعاب‌ها و لاک‌ها کاربرد دارد. ترکیب مهم دیگر، تتراکلرید تیتانیم $$TiCl_4$$ است که در تولید تیتانیم فلزی و برخی فرایندهای شیمیایی استفاده می‌شود.

تیتانیم معمولا در ترکیب‌های خود حالت‌های اکسایش ۲+، ۳+ و ۴+ دارد که حالت ۴+ پایدارترین آن‌ها است. ترکیب‌هایی مانند $$TiO$$، $$Ti_2O_3$$ و $$TiO_2$$ نمونه‌هایی از ترکیب‌های تیتانیم هستند.

آزمون سنجش یادگیری

برای درک بهتر مفاهیم جمع بندی شیمی دوازدهم فصل سوم که در این مطلب از مجله فرادرس آموختید، به سوالات زیر پاسخ دهید. پس از پاسخدهی به تمامی سوالات می‌توانید با کلیک بر روی گزینه «دریافت نتیجه آزمون»، تعداد پاسخ‌های صحیح خود را مشاهده کنید.