مفاهیم پایه شیمی
عنصر چیست؟
این نظریه که هر چیزی در عالم از هزاران ذره ی ریز ساخته شده نخستین بار توسط فلسفه دان یونان باستان، دموکریتوس(460-361ق.م)، مطرح شد. صدها سال گذشت و پیشرفت های عظیم علمی صورت گرفتند تا این نظریه کاملاً بررسی و درک شود. این نظرات اولیه با طرح نظریه ی اتمی ماده در سال 1808 توسط شیمیدان انگلیسی، جان دالتون(1844-1766)، گسترش و ارتقا یافت. نظریه ی دالتون بر این مبنا بود که همه ی مواد از ذرات ریزی به نام اتم تشکیل شده اند و اتم را نمی توان به جزء کوچک تری تقسیم کرد، گرچه نادرستی این امر بعدها ثابت شد. گروهی از اتم های مشابه عنصر را به وجود می آورند. بنابراین عنصر ماده ای است که نمی توان آن را با واکنش شیمیایی به ماده ی ساده تری تجزیه کرد، زیرا فقط از یک نوع اتم ساخته شده است. دالتون اظهار داشت که تمام اتم های یک عنصر مشابه هستند و عناصر شیمیایی مختلف با یکدیگر متفاوتند، زیرا اتم های تشکیل دهنده ی آنها اندکی با هم تفاوت دارند، یعنی تمام اتم های هیدروژن با هلیم متفاوت است، زیرا این دو عنصر از اتم هایی با تفاوت اندک ساخته شده اند، یک شمش طلا تنها از یک نوع اتم ساخته شده، یعنی اتم های طلا. کار دالتون تمام درک کنونی ما از ماهیت اتم را شکل می دهد.
اتم ها از چه ساخته شده اند؟
به دنبال مدل های اتمی گوناگون اولیه توسط جی.جی تامسون (1940-1856) و ارنست رادرفورد (1973-1871)، که هر کدام نارسایی هایی داشتند، رادرفورد مدل اتمی اش را در سال 1911 ارائه داد. به گفته ی رادرفورد، در اتم یک هسته ی مرکزی با بار مثبت وجود دارد که الکترون های دارای بار منفی به دور آن گردش می کنند. وی مدل اتمی خود را برای توضیح نتایج کارهای هانس ویلهلم گایگر (1945-1882) و مارسدن ارائه داد. آزمایش های معدود آنها نشان می داد که ذرات آلفای دارای بیشترین بار مثبت مستقیماً از یک ورق نازک طلا عبور می کنند، اما درصد کمی از آنها منحرف می شوند. رادرفورد دلیل این امر را این گونه بیان کرد: از آنجا که بیشتر اتم را فضای خالی تشکیل می دهد، ذرات آلفا می توانند مستقیماً از آن عبور کنند، اما درصدی از انحراف، وجود یک هسته ی حجیم با بار مثبت را ثابت می کند. ذرات آلفای دارای بار مثبت توسط هسته های مثبت طلا دفع می شوند. به دنبال رادرفورد این موضوع که مرکز اتم شامل هسته ای با بار مثبت و اندازه ی بسیار بزرگ تر نسبت به الکترون های با بار منفی می باشد، مورد قبول همگان قرار گرفت.
پروتون ها و نوترون ها در هسته
ذرات زیر اتمی هسته که به آن بار مثبت می دهند پروتون نامیده می شوند. تا قبل از اینکه بررسی هایی روی هیدروژن و هلیم صورت بگیرد فرض بر این بود که پروتون ها تنها ذرات موجود در هسته اند. این بررسی ها نشان دادند که بار هسته ی هلیم دو برابر، اما جرم آن چهار برابر جرم هسته هیدروژن می باشد. بنابراین چیز دیگری می بایست در هسته وجود داشته باشد که بر جرم تاثیر داشته باشد اما کاری به کار بار نداشته باشد. این ذرات بدون بار نوترون نامیده شدند.
هر عنصری تعداد پروتون های خاص خود را داراست، اگر تعداد پروتون ها تغییر کند آن وقت هسته ی یک عنصر به هسته ی عنصر متفاوتی تبدیل می شود: هیدروژن یک، هلیم دو و لیتیم سه پروتون دارند. به همین دلیل تعداد پروتون ها به عنوان یک عامل شناسنده ی عنصر محسوب و از آن به عدد اتمی یاد می شود. جرم الکترون تقریباً صفر است، اما نوترون و پروتون ها نسبتاً سنگین و دارای جرم یکسان هستند.
ممکن است تعداد نوترون های یک عنصر تغییر کند. این تغییرات در هسته ی اتم، جرم اتم را تغییر می دهد، گرچه عنصر به عنصر دیگری تبدیل نمی شود. پس عنصری که شش پروتون دارد، کربن و آنکه هفت پروتون دارد نیتروژن است. گرچه هسته ای با شش پروتون می تواند شش یا هشت نوترون داشته باشد، مانند کربن-12 یا کربن- 14. بنابراین عدد اتمی عبارت است از تعداد پروتون های هسته. ایزوتوپ های یک عنصر دارای پروتون های برابر و نوترون های نابرابر هستند: 12C و 14C یک عنصر هستند، اما 12C دارای شش نوترون و 14C دارای هشت نوترون می باشد. ایزوتوپ های اورانیم تعداد نوترون های متفاوتی دارند اما عنصر یکسانی هستند. با فروپاشی 238Uتوریم به وجود می آید که عنصر کاملا متفاوتی است. جرم اتمی یک عنصر عبارت است از تعداد پروتون ها و نوترون های موجود در هسته ی یکی از اتم های آنها.
الکترون ها و لایه ها
99/9 درصد حجم یک اتم را فضای خالی تشکیل می دهد، این فضای خالی توسط الکترون هایی که با سرعت در مدارها یا لایه هایی در اطراف هسته گردش می کنند اشغال شده است. برخی اتم ها مثل هلیم فقط یک لایه دارند، در حالی که برخی دیگر همچون کلسیم دارای لایه های متعددی هستند.
رفتار شیمیایی اتم را الکترون های لایه ی آخر تعیین می کنند. اگر لایه ی آخر اتمی با نهایت الکترون هایی که می تواند نگه دارد کامل شده باشد، دیگر نیازی ندارد که برای پر شدن با عناصر دیگر پیوند دهد، چنین عنصری بسیار پایدار است. مثلاً لایه ی آخر آرگون پر است، پس این عنصر پایدار بوده و پیوند های شیمیایی نمی دهد.
اتمی که لایه آخرش کامل نباشد، یعنی شامل بیشترین الکترون های ممکن نباشد، ناپایدار محسوب می شود. این اتم برای اینکه می خواهد لایه ی آخرش را پر کند یک اتم فعال است و به این دلیل با اتم های دیگر پیوند می دهد. تعداد چنین پیوندهایی که اتم می تواند تشکیل دهد ظرفیت آن محسوب می شود.
پیوند کلر و سدیم به توضیح این مطلب کمک می کند. یک اتم سدیم روی هم رفته یازده الکترون دارد، دو تا در لایه ی اول، هشت تا در لایه ی دوم و یکی در لایه ی آخر. این عنصر برای اینکه پایدار باشد باید الکترون لایه ی آخر را از دست بدهد. کلر دارای هفده الکترون است، یعنی هفت الکترون در لایه ی آخر، پس برای پایدار شدن باید یک الکترون بگیرد تا لایه ی آخرش کامل شود. اگر یک الکترون از اتم سدیم به اتم کلر منتقل شود هر دوی این عناصر به آرایش کامل هشت الکترونی در لایه ی آخرشان می رسند. ظرفیت هر دو آنها یکی است. یک پیوند یونی بین دو اتمی که حالا دیگر یون نامیده می شوند صورت می گیرد که به شکل گیری ترکیب یونی کلرید سدیم می انجامد. تعداد الکترون های لایه ی آخر عناصری که در جدول تناوبی در یک گروه قرار دارند یکسان است، به همین دلیل عناصر یک گروه با عناصر دیگر واکنش های مشابهی می دهند.
جرم اتمی نسبی
در سال 1858 استانیز لائو کانیتسارو (1910-1826) لیستی از وزن های اتمی ثابت برای 60 عنصر کشف شده در آن زمان را منتشر کرد که امروزه از آنها به نام جرم های اتمی نسبی یاد می شود. زمانی که عناصر به ترتیب افزایش جرم اتمی نسبی چیده شدند تشابهاتی در خواص شیمیایی آنها در فاصله های ثابت آشکار شد. تا اینکه دمیتری مندلیف (1907-1834) عناصر را به ترتیب افزایش جرم اتمی در کنار هم و عناصری را که رفتارهای مشابهی داشتند زیر هم قرار داد و به این ترتیب جدول تناوبی جدید طراحی شد.
کربن به عنوان ((معیار)) محاسبه ی جرم اتمی نسبی انتخاب شد. برای اتم های کربن-12 جرم اتمی 12 در نظر گرفته شده و جرم های نسبی اتم های دیگر با مقایسه با جرم اتم کربن به دست می آیند. مثلاً اتم های کربن، 12 بار سنگین تر از اتم های هیدروژن هستند، پس جرم اتمی نسبی هیدروژن یک است. اکسیژن 16 بار سنگین تر از اتم های هیدروژن می باشد، پس جرم اتمی نسبی آن 16 می باشد.
مول
جرم اتمی نسبی در بررسی ترکیب ها اهمیت خاصی دارد. با تقسیم کردن جرم عنصر بر جرم اتمی نسبی آن می توانیم به تعداد مول های موجود در یک نمونه پی ببریم. مول از یکاهای دستگاه SI می باشد و عبارت است از تعداد اتم های کربن در 12 گرم از ایزوتوپ کربن-12 ، یعنی 23 10× 6 ذره. یک مول از هر ماده ای 1023 × 6 ذره از آن ماده را در بر می گیرد. این موضوع در آن دسته واکنش های شیمیایی که به نسبت های اتمی دقیق نیاز است بسیار اهمیت دارد. وزن یک مول از یک ماده با جرم اتمی نسبی آن ماده برابر است.
رادیواکتیویته
اتم های یک عنصر تعداد پروتون های معینی دارند. اکثر اتم ها دارای هسته های پایداری هستند که تعداد پروتون ها و نوترون ها در آنها ثابت می ماند. اما برخی هسته ها ناپایدارند و ممکن است شکسته شوند. اتم هایی که هسته های ناپایدار دارند رادیواکتیو می باشند. فروپاشی رادیواکتیو عبارت است از شکسته شدن هسته همراه با آزادسازی انرژی.
هر چه تعداد ذرات زیر اتمی در اتم بیشتر باشد، احتمال اینکه آن اتم رادیواکتیو باشد نیز بیشتر است. سه نوع پرتوزایی وجود دارد: آلفا، بتا، گاما. اتم های بزرگ با پرتو زایی آلفا فروپاشی می کنند. پرتوزایی بتا زمانی رخ می دهد که تعداد پروتون ها و نوترون ها برابر نباشد و می تواند در همه ی عناصر رخ دهد. نوع سوم یعنی پرتوزایی گاما از دو نوع دیگر خطرناک تر بوده و شکل پایدار تری از عنصر را به وجود می آورد. عدد اتمی بیسموت 83 می باشد و این بالاترین تعداد پروتون های ممکن برای پایدار بودن عنصر محسوب می شود. عناصری که عدد اتمی آنها از بیسموت بالاتر است همگی رادیواکتیو هستند.
نیمه عمر
سرعت فروپاشی رادیواکتیو در قالب نیمه عمر اندازه گیری می شود. نیمه عمر زمان مورد نیاز برای فروپاشی نصف هسته های رادیواکتیو در یک ماده ی رادیواکتیو است. نیمه عمر اورانیم- 238، 4/5 میلیارد سال است، اورانیم-238 هر مقدار که باشد چنین زمان طولانی لازم است تا نیمی از هسته های آن به صورت رادیواکتیو فروپاشی کنند. فروپاشی تا زمانی که یک وضعیت پایدار حاصل شود ادامه می یابد. اورانیم با فروپاشی سرب را شکل می دهد. با نگاهی به جدول تناوبی در می یابیم که اورانیم با عدد اتمی 92 فروپاشی می کند و توریم با عدد اتمی 90 را به وجود می آورد. اگر این روند را دنبال کنیم می بینیم که سپس رادیم (88)، رادون (86)، پلونیم (84) و در آخر سرب (82) به وجود می آید. این روند به سرب که می رسد متوقف می شود، زیرا سرب نخستین عنصر با عدد اتمی پایین تر از بیسموت (83) می باشد و همان طور که می دانید 83 حد نهایی تعداد پروتون ها برای پایدار بودن عنصر است. ایزوتوپ هایی که نیمه عمرهای طولانی دارند از آنهایی که سریع فروپاشی می کنند پایدارترند.
برخی از عناصر، مثلاً توریم آن قدر آرام فروپاشی می کنند که رسوب های طبیعی رخ می دهند، برخی دیگر از جمله آنانکوادیم (114) و آنانهگزیم (116) آن قدر فعال هستند که فقط چند هزارم ثانیه قبل از فروپاشی به صورت مصنوعی تولید شده اند.
توضیح جدول تناوبی(جدول تناوبی مندلیف)
در سال 1869 دمیتری مندلیف (1907-1834) نمونه ی جدول تناوبی خود را که مبنای تمام نمونه های امروزی می باشد منتشر کرد. جدول تناوبی نمایشی نموداری از تمام عناصر شناخته شده با یک ترتیب خاص می باشد. می توان تنها با نگاه کردن به جای هر عنصر نسبت به عناصر دیگر در جدول به اطلاعات مهمی دست یافت.
مندلیف عناصر را در جدول تناوبی به ترتیب افزایش جرم اتمی نسبی قرار داد. وی عناصر را در سطرهای افقی (دوره) قرار داد تا عناصری که خواص مشابه داشتند در ستون های عمودی (گروه) ظاهر شوند. او برای اینکه مطمئن شود عناصر با خواص یکسان در یک گروه قرار گرفته اند مجبور بود برخی خانه های جدول را خالی بگذارد. اما این جدول باز هم به این خاطر که دانشمندان را قادر به پیش بینی خواص عناصر جا افتاده می ساخت منبع اطلاعاتی مناسبی بود. بعدها ثابت شد که فرض های مندلیف درباره ی خواص عناصر جا افتاده به طرز شگفت انگیزی دقیق بوده اند.
naft