|
شیمی دوازدهم صفحه ۸۱ - با هم بیندیشیم
۱- توضیح دهید چرا برای توصیف ترکیبهای یونی در منابع علمی معتبر هیچگاه واژههایی مانند مولکول و فرمول مولکولی به کار نمیرود؟
پاسخ تشریحی و گام به گام شیمی دوازدهم صفحه ۸۱ - با هم بیندیشیم
سلام به شیمیدانهای باهوش! برای درک این موضوع باید به ساختار ذرهای مواد نگاه کنیم.
در ترکیبهای مولکولی، اتمها با پیوندهای اشتراکی به هم متصل شده و واحدهای مجزا و مستقلی به نام **مولکول** را میسازند که هویت جداگانهای دارند.
اما در **ترکیبهای یونی**، چیزی به نام واحد مستقل یا مولکول وجود ندارد.
این مواد از تجمع تعداد بسیار زیادی کاتیون و آنیون تشکیل شدهاند که با جاذبههای قوی الکترواستاتیک در تمام جهات، یک شبکه عظیم و سهبعدی به نام **شبکه بلور** را میسازند.
در این شبکه، هر یون توسط چندین یون با بار مخالف احاطه شده است و نمیتوان جفت یون خاصی را به عنوان یک واحد مستقل (مولکول) جدا کرد.
به همین دلیل، به جای فرمول مولکولی، از واژه **فرمول تجربی** استفاده میکنیم که فقط سادهترین نسبت میان یونها را در کل بلور نشان میدهد.
شیمی دوازدهم صفحه ۸۱ - تمرین ۲
۲- جدول زیر اندازهٔ شعاع برخی یونهای متداول را در مقایسه با اندازهٔ اتم سازندهٔ آنها نشان میدهد. در مورد این جدول با یکدیگر گفتوگو کنید و روندهای موجود در آن را توضیح دهید.
| دوره / گروه | ۱ | ۲ | ۱۶ | ۱۷ |
| :--- | :---: | :---: | :---: | :---: |
| **دوم** | $Li$: $152, 76$ | | $O$: $73, 140$ | $F$: $71, 133$ |
| **سوم** | $Na$: $186, 102$ | $Mg$: $160, 72$ | $S$: $102, 184$ | $Cl$: $99, 181$ |
پاسخ تشریحی و گام به گام شیمی دوازدهم صفحه ۸۱ - تمرین ۲
این جدول یکی از مفاهیم بنیادی شیمی یعنی تغییر شعاع هنگام تبدیل اتم به یون را به ما نشان میدهد.
بیا گامبهگام این روندها را بررسی کنیم:
**۱- کاتیونها (سمت چپ جدول):**
در فلزات (گروه ۱ و ۲)، شعاع یون مثبت همیشه **کوچکتر** از شعاع اتم خنثی است.
به عنوان مثال، شعاع اتم سدیم ($Na$) برابر $186\,pm$ است اما شعاع یون آن ($Na^+$) به $102\,pm$ کاهش مییابد.
**علت**: فلزات با از دست دادن لایه ظرفیت خود به کاتیون تبدیل میشوند. با حذف یک لایه کامل و همچنین افزایش غلبه نیروی جاذبه هسته بر الکترونهای باقیمانده، اندازه ذره به شدت کوچک میشود.
**۲- آنیونها (سمت راست جدول):**
در نافلزات (گروه ۱۶ و ۱۷)، شعاع یون منفی همیشه **بزرگتر** از شعاع اتم خنثی است.
مثلاً شعاع اتم کلر ($Cl$) برابر $99\,pm$ است که در یون کلرید ($Cl^-$) به $181\,pm$ افزایش پیدا میکند.
**علت**: با ورود الکترون به لایه ظرفیت، تعداد لایهها تغییر نمیکند اما **دفع بین الکترونها** افزایش مییابد. این دافعه باعث میشود ابر الکترونی منبسط شده و شعاع یون نسبت به اتم بیشتر شود.
**۳- روند در گروه و دوره:**
* **در یک گروه**: با حرکت از بالا به پایین (مثلاً از $Li$ به $Na$)، به دلیل اضافه شدن لایههای الکترونی، شعاع اتمی و شعاع یونی هر دو **افزایش** مییابند.
* **در یک دوره**: با حرکت از چپ به راست (مثلاً از $Na$ به $Mg$)، شعاع اتمی به دلیل افزایش عدد اتمی و جاذبه هسته، **کاهش** مییابد.
شیمی دوازدهم صفحه ۸۱ - تمرین ۳
۳- اگر هر یون را کرهای باردار در نظر بگیرید، چگالی بار همارز با نسبت بار به حجم آن است. کمیتی که میتواند برای مقایسهٔ میزان برهمکنش میان یونها به کار رود. نسبت سادهتری که میتوان به کار برد، نسبت مقدار بار یون به شعاع آن است. با این توصیف جدول زیر را کامل کنید و به پرسشها پاسخ دهید.
| کاتیون | شعاع ($pm$) | نسبت بار به شعاع | آنیون | شعاع ($pm$) | نسبت بار به شعاع |
| :--- | :---: | :---: | :--- | :---: | :---: |
| $Na^+$ | ۱۰۲ | $9/80 \times 10^{-3}$ | $F^-$ | ۱۳۳ | ... |
| $K^+$ | ... | $7/24 \times 10^{-3}$ | $Cl^-$ | ۱۸۱ | ... |
| $Mg^{2+}$ | ... | $2/77 \times 10^{-2}$ | $O^{2-}$ | ۱۴۰ | ... |
| $Ca^{2+}$ | ۹۹ | ... | $S^{2-}$ | ۱۸۴ | $1/09 \times 10^{-2}$ |
آ) چگالی بار کدام کاتیون کمتر و کدام یک بیشتر است؟ چرا؟
ب) چگالی بار کدام آنیون کمتر و کدام یک بیشتر است؟ چرا؟
پ) پیشبینی کنید نیروی جاذبه میان کدام کاتیون با کدام آنیون از همه قویتر است؟ چرا؟
ت) پیشبینی کنید نیروی جاذبه میان کدام کاتیون با کدام آنیون از همه ضعیفتر است؟ چرا؟
پاسخ تشریحی و گام به گام شیمی دوازدهم صفحه ۸۱ - تمرین ۳
در این تمرین با مفهوم بسیار مهم **چگالی بار** آشنا میشویم که تعیینکننده قدرت پیوند یونی و پایداری شبکه است.
**گام ۱: تکمیل جدول**
برای محاسبه نسبت بار به شعاع، مقدار بار (بدون علامت) را بر شعاع تقسیم میکنیم:
* نسبت برای $F^-$: $1 / 133 \approx 7/52 \times 10^{-3}$
* نسبت برای $Cl^-$: $1 / 181 \approx 5/52 \times 10^{-3}$
* نسبت برای $O^{2-}$: $2 / 140 \approx 1/43 \times 10^{-2}$
* نسبت برای $Ca^{2+}$: $2 / 99 \approx 2/02 \times 10^{-2}$
همچنین با استفاده از نسبتهای داده شده، شعاعهای مجهول را مییابیم:
* شعاع $K^+$: $1 / (7/24 \times 10^{-3}) \approx 138\,pm$
* شعاع $Mg^{2+}$: $2 / (2/77 \times 10^{-2}) \approx 72\,pm$
**آ) تحلیل کاتیونها:**
* **بیشترین چگالی بار**: متعلق به **$Mg^{2+}$** است.
* **کمترین چگالی بار**: متعلق به **$K^+$** است.
**علت**: چگالی بار با بار یون رابطه مستقیم و با شعاع رابطه عکس دارد. $Mg^{2+}$ با بار زیاد (+۲) و شعاع بسیار کوچک، بار را در فضای بسیار کمی متمرکز کرده است.
**ب) تحلیل آنیونها:**
* **بیشترین چگالی بار**: متعلق به **$O^{2-}$** است.
* **کمترین چگالی بار**: متعلق به **$Cl^-$** است.
**علت**: $O^{2-}$ دارای بار زیاد و شعاع نسبتاً کمی است، در حالی که $Cl^-$ بار کم و شعاع بزرگی دارد.
**پ) قویترین جاذبه:**
نیروی جاذبه میان **$Mg^{2+}$ و $O^{2-}$** از همه قویتر است.
**علت**: طبق قانون کولن، هرچه بار یونها بیشتر و شعاع آنها کوچکتر باشد (یعنی چگالی بار هر دو یون بالا باشد)، نیروی جاذبه الکترواستاتیک میان آنها شدیدتر خواهد بود.
**ت) ضعیفترین جاذبه:**
نیروی جاذبه میان **$K^+$ و $Cl^-$** از همه ضعیفتر است.
**علت**: این دو یون کمترین بار (۱) و بزرگترین شعاعها را در این مجموعه دارند که منجر به کمترین چگالی بار و ضعیفترین جاذبه میشود.
[Image representing electrostatic attraction between ions with different charge densities]
