اتم‌ها، الفبای مواد — علوم تیزهوشان هفتم (استعداد درخشان)

اتم‌ها، الفبای مواد (علوم تیزهوشان هفتم)

هرچه می‌بینی، لمس می‌کنی یا می‌بویی، از ماده ساخته شده است. این فصل نشان می‌دهد ماده از چه ساخته شده و چرا مواد مختلف رفتار متفاوتی دارند.

پخش ذره‌ها: ماده از ذره ساخته شده است

اگر چند بلور پتاسیم پرمنگنات را آرام ته بشر پر از آب بگذاری، رنگ ارغوانی از کنار بلورها شروع به پخش شدن می‌کند و بدون هم زدن به همهٔ آب می‌رسد. بلور از ذره‌های بسیار ریز ساخته شده است؛ این ذره‌ها جدا می‌شوند، بین ذره‌های آب پراکنده می‌شوند و چون همیشه در جنبش‌اند، خودبه‌خود یکنواخت پخش می‌شوند. این پدیده پخش (نفوذ) است. نتیجه: ماده از ذره‌های ریز تشکیل شده، بین ذره‌ها فاصله هست و ذره‌ها همیشه در حرکت‌اند. اگر ذره‌ها ساکن بودند و بین ذره‌های آب فاصله‌ای نبود، رنگ پخش نمی‌شد.

اتم و عنصر در تاریخ

حدود ۲۵۰۰ سال پیش امپدوکلس چهار عنصر آب، خاک، باد و آتش را معرفی کرد و گفت همهٔ مواد ترکیبی از آنهاست. امروز این چهار را عنصر نمی‌دانیم: آب ترکیب است، خاک و باد مخلوط‌اند و آتش پدیده‌ای است، نه ماده. هم‌زمان دموکریت معتقد بود جهان از ذره‌های بسیار ریز و تقسیم‌ناپذیر ساخته شده و نامشان را اتم گذاشت. این دیدگاه‌ها تا حدود دویست سال پیش ادامه داشت، تا اینکه در سال ۱۸۰۸ میلادی جان دالتون نظریهٔ اتمی را مطرح کرد. برخلاف فیلسوفان پیشین که فقط استدلال می‌کردند، او بر آزمایش و اندازه‌گیری تکیه کرد.

اصول نظریهٔ دالتون: ماده از ذره‌های ریز به نام اتم ساخته شده است؛ اتم‌ها کروی و جامدند و شکافته نمی‌شوند (آن زمان چنین می‌پنداشتند)؛ فقط چند نوع محدود اتم در طبیعت هست؛ اتم‌ها به صورت‌های مختلف ترکیب می‌شوند و مواد تازه می‌سازند؛ و اتم‌های هر عنصر با هم یکسان و با اتم‌های عنصر دیگر متفاوت‌اند. بعدها معلوم شد اتم قابل تقسیم است و بخشی از نظریه اصلاح شد؛ این نمونهٔ یک اصل علمی است: نظریه‌ها با شواهد تازه بهتر می‌شوند.

شباهت دالتون و دموکریت: هر دو معتقد بودند ماده از ذره‌های ریز (اتم) ساخته شده است. تفاوت: دالتون نظریه‌اش را بر آزمایش و اندازه‌گیری بنا کرد، اما دموکریت بیشتر فلسفی استدلال می‌کرد. دالتون گفت اتم‌های هر عنصر یکسان و تعداد انواع اتم محدود است؛ دموکریت برای هر ویژگی ماده شکل خاصی از اتم فرض می‌کرد. دالتون جرم‌ها را اندازه می‌گرفت و ترکیب شدن اتم‌ها را توضیح می‌داد.

نماد و فرمول

دالتون برای عنصرهایی که آن زمان می‌شناخت نمادهای ساده‌ای (دایره‌هایی با علامت‌های مختلف) ساخت. امروز هر عنصر یک نماد شیمیایی دارد که یک یا دو حرف لاتین است و حرف اول بزرگ و حرف دوم کوچک نوشته می‌شود: $\text{H}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، $\text{He}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، $\text{C}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، $\text{N}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، $\text{O}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، $\text{Na}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، $\text{K}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، $\text{Ca}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، $\text{Cl}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، $\text{S}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، $\text{Fe}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، $\text{Cu}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، $\text{Zn}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، $\text{Ag}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و $\text{Au}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی. فرمول شیمیایی نشان می‌دهد مادهٔ مولکولی از چه اتم‌هایی و به چه تعداد ساخته شده است؛ عدد پایین‌نویس تعداد اتم را می‌گوید و عدد ۱ نوشته نمی‌شود. $\text{H}_2\text{O}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی دو هیدروژن و یک اکسیژن، $\text{CO}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی یک کربن و دو اکسیژن، $\text{NH}_3$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی یک نیتروژن و سه هیدروژن و $\text{H}_2\text{SO}_4$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی جمعاً هفت اتم دارد. در گلوکز $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی داریم $6+12+6=24$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی اتم.

اتم، عنصر، مولکول، ترکیب و مخلوط

• اتم: کوچک‌ترین ذرهٔ سازندهٔ یک عنصر.
• عنصر: مادهٔ خالص با فقط یک نوع اتم ($\text{Fe}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، $\text{O}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، طلا).
• مولکول: گروهی از دو یا چند اتم پیوسته که مانند یک ذره عمل می‌کنند؛ می‌تواند از یک نوع اتم ($\text{O}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) یا چند نوع ($\text{H}_2\text{O}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) باشد.
• ترکیب: مادهٔ خالص از دو یا چند عنصر مختلف با پیوند شیمیایی و نسبت ثابت؛ ویژگی‌هایش با عنصرهای سازنده فرق دارد.
• مخلوط: چند مادهٔ خالص که فقط کنار هم‌اند، بدون پیوند شیمیایی؛ نسبت اجزا ثابت نیست و ویژگی هر جزء می‌ماند (هوا، آب نمک، نفت خام).

عنصر را با روش شیمیایی هم نمی‌توان جدا کرد؛ ترکیب فقط با روش شیمیایی تجزیه می‌شود و مخلوط با روش فیزیکی. نمودار درست این است: «مواد» به مواد خالص و مخلوط‌ها تقسیم می‌شود؛ مواد خالص عنصرها و ترکیب‌ها هستند و اتم‌ها سازندهٔ آنها. ترکیب‌ها در مخلوط‌ها قرار نمی‌گیرند و همهٔ مولکول‌ها ترکیب نیستند: $\text{O}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و $\text{N}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی مولکول‌اند ولی عنصرند. هوا و نفت خام مخلوط؛ آب، آمونیاک و سولفوریک اسید ترکیب؛ و اکسیژن، کلر، هلیم، نیتروژن و فسفر عنصرند. از روی شکل ذره‌ها: همهٔ ذره‌ها یکسان و تک‌اتمی یعنی عنصر؛ مولکول‌های هم‌نوع از یک اتم یعنی عنصر مولکولی؛ مولکول‌های یکسان از دو یا چند اتم یعنی ترکیب؛ و چند نوع ذره کنار هم یعنی مخلوط.

میکروسکوپ نیروی اتمی و فعالیت جعبه

اتم‌ها را نمی‌توان مستقیم دید و با روش‌های غیرمستقیم سطح مواد را نقشه‌برداری می‌کنند. اقیانوس‌شناسان اولیه با کابل وزنه‌دار کف دریا را نقشه می‌کردند و امروز با موج صوتی و زمان رفت‌وبرگشت آن: $d=\frac{v\times t}{2}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی (تقسیم بر ۲ چون موج مسیر را دو بار می‌پیماید). میکروسکوپ نیروی اتمی هم نوک بسیار ریزی را روی سطح حرکت می‌دهد و از نیروی میان نوک و اتم‌ها ناهمواری را ثبت می‌کند. در فعالیت جعبه، با فرو بردن میل در خانه‌های شطرنجی و ثبت فرورفتگی، ارتفاع جسم از رابطهٔ $h_{\text{obj}}=h_{\text{box}}-h_{\text{in}}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی به دست می‌آید؛ برای مثال $14-7.5=6.5\,\text{cm}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی. درس این است که با جمع‌آوری اندازه‌های غیرمستقیم می‌توان شکل چیزی را فهمید که مستقیم نمی‌بینیم.

جنبش ذره‌ها

جنبش سه نوع دارد: ارتعاشی (لرزش در جا، مثل ویبرهٔ تلفن)، چرخشی (چرخیدن دور خود) و انتقالی (رفتن از جایی به جای دیگر). در جامد ذره‌ها انتقالی ندارند، می‌لرزند و فاصله‌شان کم و آرایش آنها منظم است؛ در مایع انتقالی آهسته‌تر دارند، فاصله کم است و آرایش ثابتی ندارند؛ در گاز حرکت انتقالی سریع است و فاصله‌ها زیاد. نظریهٔ جنبشی پخش بو، حل شدن شکر در چای، فشرده شدن گاز و پر کردن ظرف توسط گاز را توضیح می‌دهد. هرچه دما بالاتر باشد، ذره‌ها سریع‌تر حرکت می‌کنند؛ پس پرمنگنات در آب گرم زودتر پخش می‌شود.

انبساط گرمایی: با گرم شدن جنبش ذره‌ها زیاد و فاصلهٔ میانگینشان بیشتر می‌شود، پس جسم منبسط می‌شود. ذره‌ها بزرگ نمی‌شوند؛ فقط فاصله‌شان بیشتر می‌شود. برای افزایش دمای یکسان و حجم اولیهٔ یکسان، انبساط گاز بیشتر از مایع و مایع بیشتر از جامد است. علتش این است که در گاز ذره‌ها آزادترند و در جامد محکم کنار هم نگه داشته شده‌اند.

تغییر حالت و نمودار گرم‌کردن

در نمودار دما–زمان یک مادهٔ خالص، بخش‌های شیب‌دار نشان می‌دهند گرما صرف بالا بردن دما و جنبش ذره‌هاست. بخش‌های افقی (ذوب و جوش) دما ثابت می‌ماند، چون گرمای گرفته‌شده صرف غلبه بر نیروی بین ذره‌ها و تغییر حالت می‌شود. در نموداری با دمای ذوب $0\,^\circ\text{C}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و دمای جوش $100\,^\circ\text{C}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی ماده آب است و در بخش بین این دو مایع کامل است. مادهٔ خالص دمای ذوب و جوش مشخص دارد، اما مخلوط چنین نیست.

تبخیر سطحی و جوشیدن: تبخیر سطحی در هر دما و فقط از سطح مایع رخ می‌دهد و آهسته است؛ جوشیدن فقط در دمای جوش و در همهٔ مایع (حباب در عمق) انجام می‌شود و سریع است. تبخیر سطحی با مساحت سطح بیشتر، دمای بالاتر، وزش باد و رطوبت کمتر سریع‌تر می‌شود؛ به همین دلیل لباس در هوای مرطوب ساحلی دیر خشک می‌شود، چون مولکول‌های آب خارج‌شده به‌سختی در هوای پر از بخار جا می‌گیرند.

چگالی گازها

چگالی $d=\frac{m}{V}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی است. چگالی گاز بسیار کم، مایع متوسط و جامد (به‌ویژه فلز) بیشتر است و نمودار چگالی تقریباً برعکس نمودار انبساط است. اختلاف چگالی عنصرها به جرم هر اتم و فاصلهٔ اتم‌ها بستگی دارد. چگالی گاز را باید حتماً با دما و فشار گفت، چون حجم گاز به این دو وابسته است. حالت عنصرها در $25\,^\circ\text{C}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی را با مقایسهٔ دمای ذوب و جوش تعیین کن: ذوب بالاتر از ۲۵ جامد، جوش پایین‌تر از ۲۵ گاز و در غیر این صورت مایع (مثل جیوه و برم).

نکته‌های خودآزمایی

در نمودار انبساط، اگر محور را «چگالی» بگیریم، ستون گازها بسیار کوتاه و ستون جامدها بلند می‌شود، چون در گاز ذره‌ها دورند ($V$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی زیاد) و در جامد نزدیک ($V$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی کم). فرمول اتانول $\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی دو کربن، شش هیدروژن و یک اکسیژن دارد؛ جمعاً $2+6+1=9$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی اتم. $\text{N}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، $\text{Cl}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و $\text{Fe}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی عنصرند و $\text{CO}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و $\text{NH}_3$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی ترکیب. آب نمک مخلوط است، چون آب و نمک با پیوند ثابت به هم وصل نیستند و با تبخیر می‌توان نمک را جدا کرد. اگر آب از $-20$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی تا $0$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی درجهٔ سلسیوس گرم شود، $\Delta T=0-(-20)=20\,^\circ\text{C}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی است. گاز در فشار ثابت با گرم شدن منبسط می‌شود؛ جرم ثابت می‌ماند، $V$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی بزرگ می‌شود و چگالی $d=\frac{m}{V}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی کم می‌شود. گوگرد دی‌اکسید با فرمول $\text{SO}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی یک اتم گوگرد و دو اتم اکسیژن دارد. دو میلهٔ هم‌جنس یک و دو متری با گرمای یکسان: میلهٔ دو متری دو برابر افزایش طول می‌یابد، چون ذره‌های بیشتری دارد که فاصله‌شان زیاد شده است.

بوی غذای کبابی در کنار خیابان به بینی می‌رسد، چون مولکول‌های بودار با جنبش انتقالی در هوا پخش می‌شوند؛ شکر هم در آب داغ زودتر حل می‌شود، چون ذره‌های آب سریع‌تر به بلور برخورد می‌کنند.

اشتباه‌های رایج