اجسام مولکولی

مولکول گروه معلومی از اتمها هستند که بطور شیمیایی باهم پیوند خورده اند-که بطور محکمی با نیروهای جاذبه متصل  شده اند.  یک جسم مولکولی جسمی است که از مولکولها تشکیل شده است که همه مولکولها یکسان هستند. مولکولها در چنین جسمی خیلی کوچک هستند که حتی نمونه های خیلی کوچک حاوی تعداد زیادی از مولکولها هستند. یرای مثال، یک میلیاردم (^9-10) از یک قطره آب، حدود 2 تریلیون (10¹² ×2) مولکول آب دارد.

فرمول مولکولی تعداد دقیق اتمهای متعدد یک عنصر را در مولکول می دهد. مولکول هیدروژن پراکسید دو اتم هیدروژن و دو اتم اکسیژن با پیوند شیمیایی دارد. بنابراین، فرمول مولکولیش H₂O₂ است. سایر اجسام مولکولی ساده آب، H₂O؛ آمونیاک، NH₃؛ کربن دی اکسید، CO₂، و اتانول (اتیل الکل)، C₂H₆O هستند. 

اتمها در مولکول به صورت توده ساده ای تصادفی قرار نگرفته اند. بلکه، اتمها با روش معلومی به صورت شیمیایی پیوند خورده اند. فرمول ساختاری یک فرمول شیمیایی است که نشان می دهد چگونه اتمها به همدیگر در مولکول متصل شده اند. برای مثال، معلوم شده است که هر اتم هیدروژن در مولکول آب به اتم اکسیژن متصل شده اند. بدین ترتیب، فرمول ساختاری                 آب H-O-H است. یک خط متصل کننده دو نماد اتمی در چنین فرمولی پیوند شیمیایی متصل کننده اتمها را نشان می دهد.

شکل 1 تعدادی فرمولهای ساختاری را نشان می دهد. فرمولهای ساختاری بعضی وقتها در نوشتن خلاصه شده اند. برای مثال، فرمول ساختاری اتانول ممکن است CH₃CH₂OH یا C₂H₅OH، بستگی به جزئیاتی که شما می خواهید، نوشته شود.

شکل 1

مثالهای فرمول مولکولی و ساختاری، مدلهای مولکولی، و نقشه های پتانسیل الکترواستاتیک

سه مولکول آب، آمونیاک، و اتانول نشان داده شده اند. نمایش نقشه پتانسیل الکترواستاتیک در انتهای شکل، توزیع الکترونها را در مولکول با طیف رنگی نشان می دهد. گستره رنگ از قرمز (دانسیته الکترون نسبتا بالا) به آبی (دانسیته الکترون نسبتا پایین) است.

 

 

نه تنها اتمها در مولکول با یک روش معلوم متصل شده اند بلکه آرایش فضایی معین را به خوبی نشان می دهند. اغلب شیمیدانها مدل های مولکولی را برای کمک به تجسم شکل و اندازه مولکولها ایجاد می کنند. شکل 1 مدلهای مولکولی ترکیبات متعدد را نشان می دهد. در حالیکه، نوع گوی-میله مدل پیوندها و زوایای پیوندی را به وضوح نشان می دهد، نوع فضا-پر کن حس خیلی واقعی فضای اشغال شده با اتمها را می دهد. همچنین شیمیدانها از مدلهای رایانه ای مولکولها، که در شکلهای مختلف قابل تولید هستند، استفاده می کنند.

برخی عناصر اجسام مولکولی هستند و با فرمول های مولکولی نشان داده شده اند. برای مثال، کلر، جسم مولکولی هستند و فرمول Cl₂ دارد، هر مولکول از دو اتم کلر متصل شده بهم تشکیل شده است. گوگرد شامل مولکولهای ترکیب شده از هشت اتم با فرمول مولکولی S₈ است. هلیم و نئون از اتمهای جدا تشکیل شده اند؛ که فرمولشان به ترتیب He و Ne هستند. سایر عناصر نظیر، نظیر کربن (در شکل گرافیت یا الماس) ساختار مولکولی ساده ندارند ولی تعداد خیلی زیاد نامعین اتم متصل بهم دارند. این عناصر، با نماد اتمیشان به سادگی نشان داده شده اند. (یک استثنا مهم شکل کربن بنام فولرن است، که در 1985 کشف شده بود و فرمول مولکولی ₆₀C دارد.) مدلهای برخی اجسام عنصری در شکل 2.نشان داده شده اند.

 

 

 

 

 

 

شکل 2. مدلهای مولکولی برخی اجسام عنصری

                                                  از چپ به راست : کلر، Cl₂؛ فسفر سفید، P₄؛ و گوگرد،  .S₈   

 

 

یک طبقه مهم از اجسام مولکولی پلیمرها هستند. پلیمرها مولکولهای خیلی بزرگی هستند که از تعدادی مولکولهای کوچکتر تکراری متصل بهم تشکیل شده اند. منومرها مولکولهای کوچک هستند که به شکل پلیمر بهم متصل شده اند. یک قیاس خوب برای تشکیل پلیمرها از منومرها ساخته شدن زنجیر کلیپهای کاغذی است. شما جعبه های کلیپهای کاغذی قرمز، آبی، و زرد دارید. هر کلیپ کاغذی یک منومر را نشان می دهد. شما می توانید یک زنجیر بزرگ از کلیپهای کاغذی را که نشان دهنده پلیمر هستند با الگوهای گوناگون و واحدهای تکراری بسازید. یک زنجیر می تواند یک الگو از تکرار دو قرمز، سه زرد، و یک آبی باشد. زنجیر دیگر می تواند فقط شامل کلیپهای کاغذی آبی باشد. همانند کلیپهای کاغذی، تولید یک یک پلیمر خاص در آزمایشگاه هم شامل کنترل منومرهایی متصل شونده و هم شامل کنترل الگوی اتصال می شود.

پلیمر ها هم طبیعی و هم سنتزی هستند. بطریهای پلاستیک سخت لیموناد اتصال شیمیایی دو منومر مختلف در یک الگوی متناوب است. پشم و ابریشم پلیمر های طبیعی از آمینو اسیدها با پیوندهای پپتیدی است. نایلون برای پارچه ها، کولار برای لباسهای ضد گلوله پیوند CONH را دارد. همچنین پلاستیک ها و لاستیک ها پلیمرهایی هستند که از منومرهای دارای کربن و هیدروژن ساخته شده اند. 

حتی تفلون که پوشش وسایل آشپزی است پلیمری از نتیجه اتصال منومر CF₂CF₂ است.

http://khaneashimiardabil.ir

         

مثال، تمرین و مسئله

مثال 1  نوشتن نمادهای هسته

نماد هسته برای یک هسته که 38 پروتون و 50 نوترون دارد، چه هست؟

استراتژی مسئله برای حل این مسئله، ما باید در ذهن داشته باشیم که تعداد پروتونها در هسته (عدد اتمی) به صورت منحصر بفردی سبب شناسایی یک عنصر می شود و عدد جرمی مجموع پروتون ها و نوترونها است.

حل از جدول اعداد اتمی و اعداد جرمی پشت جلد داخلی کتاب، ما متوجه خواهیم شد که عنصر با عدد اتمی 38 استرونسیم، نماد Sr است. عدد جرمی 88=50+38 است. نماد است.

 

بررسی جواب در موقع نوشتن نمادهای عنصری به صورتی که شما اینجا انجام دادید، مطمئن باشید که شما همیشه فقط حرف اول نماد را بزرگ می نویسید.

تمرین 1 

یک هسته دارای 17 پروتون و 18 الکترون است. نماد هسته اش چه هست؟

مسئله 1

نماد هسته برای هسته ای با 14 پروتون و 14 نوترون چیست؟

مسئله 2

یک اتم دارای 11 پروتون و 11 نوترون دارد. نماد هسته اتم چیست؟

مسئله 3

لیتیم موجود طبیعی مخلوطی از   و   است. تعداد پروتونها، نوترونها، و الکترونها در هر اتم ایزوتوپ چقدر است؟

مسئله 4

کلر موجود طبیعی مخلوطی از ایزوتوپهای Cl-35 و Cl-37 است. چند پروتون و چند نوترون در هر ایزوتوپ وجود دارد؟ چند الکترون در اتم طبیعی وجود دارد؟

مسئله 5

جدول ذیل تعداد پروتونها و نوترونها را در هسته اتم های متعدد  نشان می دهد. کدام اتم ایزوتوپ اتم A است؟ کدام اتم عدد جرمی اتم A را دارد.

 

مسئله 6

 

جدول ذیل تعداد پروتونها و نوترونها را در هسته اتم های متعدد نشان می دهد. کدام اتم ایزوتوپ اتم A است؟ کدام اتم عدد جرمی اتم A را دارد.

http://khaneashimiardabil.ir

مدل هسته ای اتم

مدل هسته ای اتم

ارنست رادرفورد (1937-1871)، فیزیکدان بریتانیایی، ایده جدید مدل هسته ای اتم را در 1911 بر اساس آزمایشهای انجام گرفته در آزمایشگاهش توسط هانس گیگر و ارنست مارسدین ارائه کرد. این دانشمندان اثر بمباران ورق نازک طلا (و صفحات فلزی دیگر) با اشعه آلفا تولید شده از مواد رادیو اکتیو نظیر اورانیوم (شکل 1) را مشاهده کردند. قبلا رادرفورد نشان داده بود که اشعه آلفا شامل ذرات باردار مثبت است. گیگر و مارسدین دریافتند که اغلب ذرات آلفا از میان صفحه فلزی عبور کردند و در نتیجه در قسمتهایی که عبور انجام گرفت چیزی وجود ندارد. ولی تعدادی (تقریبا 1 در 8000) با زوایای بزرگ پراکنده و کمی هم برگشتند.
مطابق با مدل رادرفورد، اغلب جرم اتم (99/95% یا بیشترش) در مرکز با بار مثبت، یا هسته، که اطرافش الکترون با بار منفی حرکت می کند، متمرکز شده است. با وجود اینکه قسمت اعظم جرم یک اتم در هسته اش است، هسته فقط قسمت خیلی کوچکی از فضای اتم را اشغال می کند. هسته قطر حدود  pm 10^-3 ) m 10^-15) دارد، در حالیکه قطر اتمی m 10^-10، صد هزار مرتبه بزرگتر است. اگر شما از توپ گلف برای نشان دادن هسته استفاده نمایید، قطر اتم حدود 3 مایل خواهد شد.

 
شکل 1
پراکندگی ذرات-آلفا از ورقه های فلزی
اشعه آلفا از منبع رادیواکتیو تولید شده و با یک صفحه سربی دارای سوراخ به صورت پرتو درآمده است. (سرب اشعه را جذب  می کند.) ذرات آلفا پراش شده با سطح روی سولفید مرئی شده اند، که به صورت تشعشع های ریز منتشر می شوند وقتی که ذرات به آن برخورد می کنند. یک میکروسکوپ متحرک برای دیدن تشعشع ها استفاده شده است.

مدل هسته ای اتم به راحتی نتایج بمباران کردن ورقه طلا و سایر ورقه های فلزی را با ذرات آلفا توضیح می دهد. ذرات آلفا خیلی سبکتر از اتم های طلا هستند. (ذرات آلفا هسته هلیم هستند.) بیشتر ذرات آلفا از میان اتم های فلزی بدون منحرف شدن با الکترون های سبک وزن عبور می کنند. گرچه، وقتی یک ذره آلفا به هسته اتم فلزی اصابت می کند، با یک زوایه وسیع پراکنده می شود، زیرا که با هسته با بار مثبت بزرگ منحرف می شود (شکل 2).

 
شکل 2
نمایش پراکندگی ذرات-آلفا با ورقه طلا
بیشتر ذرات آلفا از ورقه بدون انحراف عبور می کنند. گرچه تعداد کمی از ذرات آلفا با هسته برخورد کرده و با زاویه بزرگ پراکنده شده اند. (اندازه نسبی هسته کوچک تر از اینی است که ذر اینجا نشان داده شده است.)

http://khaneashimiardabil

ساختار اتم

با وجود اینکه دالتون فرض نموده بود که اتم ها ذرات تفکیک ناپذیری هستند، آزمایشهای انجام شده اوایل قرن گذشته نشان دادکه اتم ها خودشان شامل ذرات هستند. این آزمایشها نشان دادکه یک اتم حاوی دو نوع ذره است: یک هسته، هسته مرکزی اتم، که بار مثبت و بیشتر جرم اتم را دارد، و دیگری یک یا چند الکترون است. یک الکترون یک ذره بار منفی، خیلی سبک است که در ناحیه اطراف هسته بار مثبت اتم مرکزی وجود دارد.

 

کشف الکترون

در 1897 فیزیکدان بریتانیایی جی. جی. تامسون (شکل 1) با انجام یک سری آزمایشها نشان داد که اتم ها ذرات تفکیک ناپذیر نیستند. شکل 2 یک دستگاه آزمایش مشابه استفاده شده توسط تامسون را نشان می دهد. در این دستگاه، دو الکترود با منبع ولتاژ بالا به یک لوله شیشه ای خالی از هوا چسبیده است. الکترود منفی کاتد و الکترود مثبت آند نامیده شده اند. وقتی جریان ولتاژ-بالا روشن شده است، لوله شیشه ای نور سبز را منتشر می کند. آزمایشها نشان داد که این نور سبز با بر همکنش شیشه با اشعه های کاتدی، که اشعه های بوجود آمده از کاتد هستند، ایجاد شده است.

 
شکل 1
 ژوزف جان تامسون
توانایی علمی جی. جی. تامسون زود با انتصابش به عنوان پروفسور آزمایشگاه کاوندیش دانشگاه کمبریج وقتی که وی هنوز 28 سالش نبود، تشخیص داده شد. بلافاصله پس از این انتصاب، تامسون تحقیق روی تخلیه الکتریکی گازها را شروع کرد. این کار با کشف الکترون در 1897 به اوج رسید. تامسون در 1909 برنده جایزه نوبل در فیزیک شد.

بعد از اینکه اشعه کاتدی، الکترود منفی را ترک کرد، و بسوی آند حرکت کرد، مقداری از اشعه از روزنه برای تشکیل پرتو عبور می کند (شکل 2). این پرتو از صفحه بار منفی دور و به طرف صفحه دارای بار مثبت خم  می شود. (اشعه کاتدی بطور مستقیم مرئی نیست، ولی مواد معینی نظیر روی سولفید باعث تابش آن شده و در نتیجه شما می توانید آن را ببینید.) شکل 2  یک آزمایش مشابه را نشان می دهد، که اشعه کاتدی به صورت خمیده دیده می شود وقتی که یک آهنربا بسوی آن برده می شود. تامسون نشان داد که خصوصیات اشعه کاتدی از نوع جنس ماده سازنده کاتد مستقل است. با چنین سندی، او نتیجه گیری کرد که اشعه کاتدی شامل پرتوی از ذرات باردار منفی (یا الکترون ها) می شود و الکترون ها جز اصلی همه مواد هستند.
یک لوله تلویزیون از انحراف اشعه کاتدی با میدان مغناطیسی استفاده می کند. پرتوی از اشعه کاتدی به صفحه پوشش داده شده روی جلوی لوله، جاییکه با تغییر دادن مغناطیس تولید شده با سیم پیچ های الکترومغناطیسی هدایت می شود، پرتو تصویر درخشان را ترسیم می کند.

 
شکل 2
 تشکیل اشعه کاتدی
اشعه کاتدی، کاتد یا الکترود منفی را ترک می کند، و بسوی آند یا بار مثبت شتاب گرفته است. مقداری از اشعه از روزنه آند برای تشکیل پرتو عبور کرده، در نهایت با صفحات الکتریکی در لوله منحرف شده است.

تامسون همچنین از آزمایشش توانست نسبت جرم الکترون، m_e، به بار الکتریکی الکترون، e را حساب کند. گر چه وی نتوانست هم جرم و هم بار را بطور جداگانه ای بدست بیاورد. در 1909 فیزیکدان ایالات متحده رابرت ملیکان با یک سری آزمایشهای مبتکرانه توانست بار الکترون را با مشاهده چگونگی پایین آمدن قطره روغن باردار در حضور یا عدم حضور میدان الکتریکی (شکل 3) بدست آورد. از این نوع آزمایش، بار الکترون ^19-10×1/602 کولن (کولن، مخففش C، واحد بار الکتریکی است) بدست آمد. اگر شما از این با مقدار اخیر نسبت جرم به بار الکترون استفاده نمایید، شما جرم یک الکترون را k 9/109 × 10^-31 kg  بدست می آورید، که 1800 برابر کوچکتر از سبکترین اتم (هیدروژن) است. این خیلی واضح نشان می دهد که الکترون در حقیقت یک ذره زیر اتمی است.
 

 
شکل3
انحراف اشعه کاتدی با آهنربا
چپ: پرتو اشعه کاتدی از راست به چپ می رود. پرتو وقتی روی سطح سولفید روی می افتد مرئی است. وسط: اشعه ذرات منفی بسوی قطب جنوب آهنربای نزدیک شده به آن خم می شود. راست: وقتی آهنربا تغییر جهت می دهد پرتو در جهت مخالف خم می شود.

 
شکل 4
آزمایش قطره-روغن میلیکان
یک عطر پاش، یا بطری اسپری مه خالصی از قطرات روغن را وارد اتاق سربی بالایی می کند. قطرات متعدد بوجود آمده از طریق روزنه کوچک به اتاق سربی پایین افتاده، محلی که آزمایش با تعقیب حرکت قطره با میکروسکوپ ادامه می یابد. تعدادی از این قطرات در اثر اصطکاک با عطر پاش دارای یک یا چند الکترون و بار منفی هستند. قطره با بار منفی به سمت بالا جذب خواهد شد اگر آزمایش کننده جریان الکتریکی بین صفحات را روشن کند. سرعت بالا رفتن قطره (بدست آمده از زمان بالا رفتنش) بستگی به نسبت جرم به بار آن دارد، وشما می توانید بار الکترون را حساب کنید.

http://khaneashimiardabi.ir

 

نظریه اتمی دالتون

فرضیه های نظریه اتمی دالتون 

نکته های اصلی نظریه اتمی دالتون، توضیحی از ساختار ماده با اصطلاحی از ترکیب های متفاوت از ذرات خیلی ریز است، که با فرضیه های ذیل ارائه شده اند:
1.    همه مواد از اتم های غیر قابل تفکیک تشکیل شده اند. یک اتم یک ذره خیلی کوچکی از ماده است که در هنگام واکنش شیمیایی هویت خود را حفظ می کند 
2.    یک عنصر نوعی از ماده است که فقط از یک نوع اتم تشکیل شده است، هر اتم از نوع معین خواص یکسانی دارند. جرم یکی از این خواص است. بدین ترتیب، اتم های یک عنصر مشخص جرم خاصی دارند. 
3.    یک ترکیب نوعی ماده است که از اتم های دو یا چند عنصر به صورت شیمیایی با نسبت های ثابت تشکیل شده است. اعداد نسبی هر دو نوع اتم در یک ترکیب در نسبت های ساده وجود دارد، برای مثال، آب، ترکیبی از عنصرهای هیدروژن و اکسیژن با نسبتهای 2 به 1 است.
4.     یک واکنش شیمیایی آرایش مجدد اتم های موجود در اجسام واکنش دهنده برای بدست آمدن ترکیبات شیمیایی جدید حاضر در اجسام تشکیل شده با واکنش است. در واکنش شیمیایی اتم ها نه بوجود می آیند، نه از بین می روند، نه به ذرات کوچکتر تفکیک می شوند.

امروزه ما می دانیم که تفکیک نا پذیری اتم ها صحیح نیست و خود اتم از ذرات ریز تشکیل شده است. 

 

تصویر اتم های ید در سطح فلز پلاتین
این تصویر سطحی رایانه ای یا میکروسکوپ عبوری روبشی بدست آمده است؛ رنگ با رایانه به تصویر اضافه شده است. اتم های ید با قله های بزرگ صورتی هستند.

http://khaneashimiardabil.ir