مواد و نقش آن‌ها در زندگی — علوم تیزهوشان نهم (استعداد درخشان)

Q: چرا در آزمایش جانشینی، میخ آهنی را در محلول کات کبود میگذارند و نه در محلول نمک خوراکی؟ پاسخ را با کمک مجموعهٔ واکنشپذیری فلزها توضیح دهید و بگویید در هر حالت چه چیزی مشاهده میشود.

در مجموعهٔ واکنشپذیری، فلز بالاتر میتواند فلز پایینتر را از ترکیبش بیرون براند. آهن بالاتر از مس است؛ پس در محلول کات کبود جای یونهای مس را میگیرد. در نتیجه لایهای قرمز-قهوهای از مس روی میخ مینشیند و رنگ آبی محلول کمرنگ میشود: Fe+CuSO4 4+Cu. اما نمک خوراکی یون سدیم دارد و سدیم بسیار فعالتر از آهن است. آهن نمیتواند سدیم را جابهجا کند، پس هیچ تغییری دیده نمیشود و آزمایش چیزی دربارهٔ واکنشپذیری به ما نمیآموزد. برای دیدن واکنش جانشینی باید محلول نمکِ فلزی کمواکنشتر از فلزِ آزمایش را به کار برد.

Q: چرا برای ساختن پارچهای که در برابر کشیده شدن و پارگی مقاوم باشد، رشتههای پلیمری را بهصورت ضربدری میچینند و نه فقط موازی؟ از آزمایش دستمال کاغذی هم کمک بگیرید.

در آزمایش دستمال کاغذی دیدیم که دستمال در جهت رشتههای سلولز آسان و صاف پاره میشود، چون فقط نیروهای ضعیف بین رشتهها باید گسسته شوند؛ اما در جهت عمود سخت و نامنظم پاره میشود، چون باید خود رشتهها را شکست. اگر رشتههای یک پارچه فقط موازی باشند، پارچه در یک جهت محکم ولی در جهت دیگر ضعیف خواهد بود. در چیدمان ضربدری (تار و پود) در هر دو جهت رشتههایی هست که نیرو را تحمل میکنند؛ پس پاره شدن در هر جهتی مستلزم شکستن رشتههاست و نیرو یکنواخت پخش میشود. به همین دلیل پارچهها را میبافند و جلیقههای ضدگلوله و کامپوزیتها را لایهلایه و ضربدری میسازند.

Q: برای ساخت سیم برق، کدام ویژگی مس آن را مناسب میکند؟

رسانایی الکتریکی خوب و شکلپذیری مناسب. — «رسانایی الکتریکی خوب و شکلپذیری مناسب.» درست است، زیرا مس رسانای خوبی است و میتوان آن را به سیم تبدیل کرد. «شفافبودن و عبور آسان نور.» نادرست است، چون شفافیت ویژگی موردنیاز سیم برق نیست. «شکنندگی زیاد و رسانایی بسیار کم.» نادرست است، چون رسانایی کم با کاربرد سیم ناسازگار است. «حلشدن سریع در آب و جرم بسیار کم.» نادرست است، چون مس بهسادگی در آب حل نمیشود و این معیار انتخاب نیست. تلهٔ تستی: ماده را بر پایهٔ کارکردش انتخاب کن، نه فقط ظاهر. گزینهٔ درست «رسانایی الکتریکی خوب و شکلپذیری مناسب.» است.

Q: کانسنگ به کدام ماده گفته میشود؟

مادهٔ معدنیای که استخراج عنصر ارزشمند از آن اقتصادی باشد. — «مادهٔ معدنیای که استخراج عنصر ارزشمند از آن اقتصادی باشد.» درست است، زیرا اقتصادیبودن استخراج عنصر ارزشمند شرط اصلی کانسنگ است. «هر سنگی که در آن رگهای از فلز دیده شود.» نادرست است، چون وجود رگه بهتنهایی سودآوری را تضمین نمیکند. «فلز خالصی که از معدن بدون جداسازی بیرون آمده باشد.» نادرست است، چون کانسنگ معمولاً نیازمند خردایش و جداسازی است. «سنگی که هیچ باطله یا کانی دیگری نداشته باشد.» نادرست است، چون کانسنگ میتواند باطله و کانیهای دیگر داشته باشد. تلهٔ تستی: وجود فلز را با اقتصادیبودن معدن یکی نگیر. گزینهٔ درست «مادهٔ معدنیای که استخراج عنصر ارزشمند از آن اقتصادی باشد.» است.

Q: در واکنش جانشینی، فلز فعالتر معمولاً چه میتواند بکند؟

یون فلز کمفعالتر را از محلول بیرون براند. — «یون فلز کمفعالتر را از محلول بیرون براند.» درست است، زیرا فلز فعالتر آسانتر الکترون میدهد و میتواند یون کمفعالتر را جانشین کند. «همهٔ فلزهای محلول را بدون واکنش رسوب دهد.» نادرست است، چون رسوبدادن همهٔ فلزها از یک واکنش نتیجه نمیشود. «فعالیت شیمیایی هر دو فلز را یکسان کند.» نادرست است، چون واکنش جانشینی فعالیت ذاتی فلزها را یکسان نمیکند. «یون فلز فعالتر را به فلز کمفعالتر تبدیل کند.» نادرست است، چون جهت جانشینی برعکس بیان شده است. تلهٔ تستی: جهت جانشینی را از فعالیت فلزها تعیین کن. گزینهٔ درست «یون فلز کمفعالتر را از محلول بیرون براند.» است.

Q: چرا مقایسهٔ واکنشپذیری فلزها باید در شرایط همسان انجام شود؟

تا تفاوت مشاهدهشده را بتوان به نوع فلز نسبت داد. — «تا تفاوت مشاهدهشده را بتوان به نوع فلز نسبت داد.» درست است، زیرا کنترل شرایط، اثر فلز را از دما، اندازه و سطح جدا میکند. «تا از یک مشاهده بتوان رفتار همهٔ شرایط را قطعی دانست.» نادرست است، چون یک مشاهدهٔ محدود برای نتیجهٔ همیشگی کافی نیست. «تا همهٔ فلزها حتماً همزمان واکنش دهند.» نادرست است، چون آزمون منصفانه تضمین نمیکند همه واکنش یکسان نشان دهند. «تا دما و سطح تماس عمداً برای هر فلز متفاوت باشد.» نادرست است، چون تفاوت همزمان متغیرها علت را نامعلوم میکند. تلهٔ تستی: متغیرهای جانبی را ثابت نگه دار. گزینهٔ درست «تا تفاوت مشاهدهشده را بتوان به نوع فلز نسبت داد.» است.

Q: برای استخراج آلومینیم از ترکیب پایدارش، کدام روش کلی مناسبتر است؟

تجزیهٔ الکتریکی ترکیب مذاب. — «تجزیهٔ الکتریکی ترکیب مذاب.» درست است، زیرا فلزهای بسیار فعال معمولاً با تجزیهٔ الکتریکی ترکیب مذاب استخراج میشوند. «جداکردن ساده با آهنربا.» نادرست است، چون آلومینیم با خاصیت مغناطیسی از کانی جدا نمیشود. «کاهش هر اکسید با کربن در همهٔ شرایط.» نادرست است، چون کاهش با کربن برای همهٔ فلزها شدنی نیست. «حلکردن فلز در آب و تبخیر محلول.» نادرست است، چون آلومینیم از محلول آبی با تبخیر ساخته نمیشود. تلهٔ تستی: یک روش استخراج را برای همهٔ فلزها تعمیم نده. گزینهٔ درست «تجزیهٔ الکتریکی ترکیب مذاب.» است.

بخشی از بانک سؤال طبقه‌بندی‌شده‌ی این مبحث در کوئیز سنتر — رایگان و بدون نیاز به ثبت‌نام

خلاصه‌ی درسنامه

این خلاصه‌ی 30 درصدی درسنامه اصلی است. متن کامل با همه‌ی نکته‌ها، مثال‌های حل‌شده و جمع‌بندی، با ثبت‌نام رایگان در دسترست قرار می‌گیرد.

مواد و نقش آن‌ها در زندگی (علوم تیزهوشان نهم)

همان‌طور که زیست‌شناس‌ها گیاهان را بر پایهٔ شباهت گل و دانه دسته‌بندی می‌کنند، شیمی‌دان‌ها هم عنصرها را دسته‌بندی می‌کنند تا رفتار هر ماده را پیش‌بینی کنند. این فصل از نخستین فلزهایی که انسان شناخت شروع می‌شود، از واکنش‌پذیری فلزها، گوگرد، آرایش الکترونی و جدول تناوبی می‌گذرد و به پلیمرها و بازیافت پلاستیک می‌رسد.

فلزهای باستانی

طلا، نقره، مس و آهن قدیمی‌ترین فلزهای شناخته‌شده‌اند و آشنایی بشر با آن‌ها دست‌کم به چهار هزار سال پیش از میلاد برمی‌گردد.

طلا و نقره آن‌قدر کم‌واکنش‌اند که در طبیعت به حالت آزاد و خالص پیدا می‌شوند و نیازی به استخراج ندارند.
مس نخستین فلزی بود که از سنگ معدن (کانه) به دست آمد. احتمالاً تکه‌ای از کانی سبزرنگ مالاکیت در سنگ‌های دور آتش بوده و گرما و زغال، مس را از آن جدا کرده است:

\text{CuCO}_3\xrightarrow{\text{heat}}\text{CuO}+\text{CO}_2\qquad 2\,\text{CuO}+\text{C}\xrightarrow{\text{heat}}2\,\text{Cu}+\text{CO}_2

آهن دیرتر شناخته شد، چون جدا کردنش از اکسید به دمای بالاتر و کورهٔ بهتر نیاز دارد. با این حال ابزارهای آهنی بسیار کهن پیدا شده‌اند؛ پاسخ این معما را پایین‌تر می‌بینیم.

مقایسهٔ واکنش‌پذیری فلزها با آزمایش

سه آزمایش ساده (همگی فقط زیر نظر معلم، با دست‌کش و قاشقک) فلزها را مقایسه می‌کنند:

آزمایش	مقایسه	نتیجه
انداختن در آب	سدیم و پتاسیم	هر دو حباب هیدروژن و گرما می‌دهند؛ پتاسیم شدیدتر و با شعلهٔ بنفش واکنش می‌دهد
انداختن در اسید رقیق (استیک اسید)	لیتیم و منیزیم	هر دو گاز هیدروژن آزاد می‌کنند؛ لیتیم تندتر است
گرفتن روی شعله	منیزیم و مس	منیزیم با نور سفید خیره‌کننده می‌سوزد و پودر سفید می‌شود؛ مس فقط سیاه می‌شود

2\,\text{K}+2\,\text{H}_2\text{O}\to2\,\text{KOH}+\text{H}_2\qquad 2\,\text{Mg}+\text{O}_2\to2\,\text{MgO}

از کنار هم گذاشتن این نتیجه‌ها ترتیب $\text{K}>\text{Li}>\text{Mg}>\text{Cu}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین به دست می‌آید. اگر فویل مس را در آب بیندازی هیچ تغییری نمی‌بینی؛ این هم تأیید می‌کند که مس بسیار کم‌واکنش است. فلزهایی مثل سدیم و پتاسیم را زیر نفت نگه می‌دارند، چون حتی با رطوبت هوا واکنش می‌دهند. به نور سوختن منیزیم هم نباید مستقیم نگاه کرد.

مجموعهٔ واکنش‌پذیری فلزها

واکنش‌پذیری یعنی میل یک ماده به واکنش دادن و سرعت آن. اگر فلزها را از بیشترین تا کمترین واکنش‌پذیری مرتب کنیم، فهرستی به نام مجموعهٔ واکنش‌پذیری ساخته می‌شود:

\text{K}>\text{Na}>\text{Li}>\text{Ca}>\text{Mg}>\text{Al}>\text{Zn}>\text{Fe}>\text{Cu}>\text{Au}>\text{Pt}

قاعده‌های کاربردی این فهرست:

فلز بالاتر می‌تواند فلز پایین‌تر را از ترکیبش بیرون براند (واکنش جانشینی)، ولی عکس آن رخ نمی‌دهد.
فلزهای بالاتر از هیدروژن با اسیدهای رقیق گاز هیدروژن آزاد می‌کنند؛ مس، طلا و پلاتین چنین نمی‌کنند.
فلزهای خیلی فعال بالای فهرست حتی با آب سرد واکنش می‌دهند.

نمونهٔ معروف: میخ آهنی را در محلول آبی کات کبود (مس سولفات) بگذار. بعد از چند دقیقه لایه‌ای قرمز-قهوه‌ای از مس روی میخ می‌نشیند و رنگ محلول کم‌رنگ و متمایل به سبز می‌شود:

\text{Fe}+\text{CuSO}_4\to\text{FeSO}_4+\text{Cu}

موقعیت	پیش‌بینی
منیزیم در محلول مس سولفات	واکنش می‌دهد (منیزیم بالاتر از مس)
آهن در محلول روی سولفات	واکنشی نیست (آهن پایین‌تر از روی)
روی در هیدروکلریک اسید	حباب هیدروژن
مس یا طلا در هیدروکلریک اسید	واکنشی نیست

چند پرسش مفهومی:

ترتیب آهن، منیزیم و روی؟ منیزیم بیش از روی و روی بیش از آهن واکنش‌پذیر است.
آیا طلا با هیدروکلریک اسید واکنش می‌دهد؟ نه؛ وقتی مس که بالاتر از طلاست واکنش نمی‌دهد، طلا هم نمی‌دهد. طلا فقط در مخلوط ویژه‌ای از اسیدها به نام «تیزاب سلطانی» حل می‌شود.
آیا می‌شود اسید را در ظرف لیتیمی نگه داشت؟ خیر؛ لیتیم به‌شدت با اسید واکنش می‌دهد، ظرف از بین می‌رود و هیدروژن آتش‌گیر آزاد می‌شود.
چرا در آزمایش میخ به‌جای کات کبود از آب‌نمک استفاده نمی‌کنیم؟ چون یون سدیم متعلق به فلزی بسیار فعال‌تر از آهن است و آهن نمی‌تواند جای آن را بگیرد؛ هیچ تغییری دیده نمی‌شود. برای چنین آزمایشی باید نمکِ فلزی کم‌واکنش‌تر از فلز آزمایش را به کار برد.

کربن در فهرست: اگر کربن را وارد مجموعه کنیم، جایش میان آلومینیوم و روی است. پس کربن (زغال کک) می‌تواند آهن را از اکسیدش جدا کند و اساس کورهٔ بلند همین است:

2\,\text{Fe}_2\text{O}_3+3\,\text{C}\to4\,\text{Fe}+3\,\text{CO}_2

اما کربن از آلومینیوم پایین‌تر است و نمی‌تواند اکسیژن را از آلومینا (کانی بوکسیت) بگیرد؛ به همین دلیل آلومینیوم را با برقکافت آلومینای مذاب تهیه می‌کنند.

ضرب‌المثل «دست بالای دست بسیار است» تصویر خوبی از این فهرست است: روی، مس را از ترکیبش بیرون می‌کند، منیزیم روی را و سدیم منیزیم را؛ هر فلز از پایینی‌ها قوی‌تر است و از بالایی‌ها ضعیف‌تر.

گوگرد و سولفوریک اسید

گوگرد ( $\text{S}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین) جامدی زردرنگ است که کنار دهانهٔ آتشفشان‌ها و چشمه‌های آب گرم پیدا می‌شود. گازهای آتشفشانی هیدروژن سولفید و گوگرد دی‌اکسید دارند؛ وقتی این گازها به سطح می‌رسند و با هم یا با اکسیژن هوا واکنش می‌دهند، گوگرد جامد در شکاف‌ها رسوب می‌کند:

2\,\text{H}_2\text{S}+\text{SO}_2\to3\,\text{S}+2\,\text{H}_2\text{O}

ماده	ویژگی مهم
گوگرد دی‌اکسید $\text{SO}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	گاز تند و بی‌رنگ؛ از عوامل باران اسیدی
گوگرد تری‌اکسید $\text{SO}_3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	با آب سولفوریک اسید می‌سازد
هیدروژن سولفید $\text{H}_2\text{S}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	گاز سمی با بوی تخم‌مرغ گندیده
سولفوریک اسید $\text{H}_2\text{SO}_4$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	مایع غلیظ و بسیار خورنده

سولفوریک اسید پرمصرف‌ترین مادهٔ شیمیایی صنعت است: در کود شیمیایی، باتری خودرو، شوینده‌ها، رنگ، پالایش نفت، اسیدشویی فولاد و تولید الیاف. برای همین میزان تولید و مصرف آن را نشانهٔ صنعتی بودن یک کشور می‌دانند. در ایران گوگرد فراوانی از شیرین‌سازی گاز ترش و پالایش نفت به دست می‌آید و اسید در مجتمع‌های مس، کود و پتروشیمی ساخته می‌شود.

روش صنعتی (فرایند تماسی): ابتدا گوگرد را می‌سوزانند تا گوگرد دی‌اکسید بسازند. سپس آن را در دمای حدود ۴۵۰ درجه و با کاتالیزگر وانادیوم اکسید به گوگرد تری‌اکسید تبدیل می‌کنند:

\text{S}+\text{O}_2\to\text{SO}_2\qquad 2\,\text{SO}_2+\text{O}_2\xrightarrow{\text{V}_2\text{O}_5}2\,\text{SO}_3

گوگرد تری‌اکسید را مستقیم در آب حل نمی‌کنند، چون واکنش بسیار گرماده است و مه اسیدی می‌سازد. آن را در اسید غلیظ جذب می‌کنند و بعد با آب رقیق می‌کنند.

محاسبه: جرم مولی سولفوریک اسید $2+32+64=98$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است، پس سهم جرمی گوگرد حدود $\frac{32}{98}\approx 32.7\%$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است. چون هر اتم گوگرد در پایان یک مولکول اسید می‌سازد، از ۶۴ گرم گوگرد $64\times\frac{98}{32}=196$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین گرم اسید به دست می‌آید.

چرا پیاز اشک می‌آورد؟ با بریدن پیاز، ترکیب‌های فرّار گوگرددار آزاد می‌شوند، به چشم می‌رسند و با آب اشک ترکیب‌های اسیدی می‌سازند. سوزش حاصل، چشم را وادار به ریختن اشک برای شستن مادهٔ مزاحم می‌کند. سرد کردن پیاز یا خرد کردنش زیر آب این اثر را کم می‌کند.

شیمی در خدمت جنگ: بمب‌یاب و بمب فسفری

نیتروژن آزاد گازی بی‌اثر است، اما ترکیب‌های نیتروژن‌دار با کربن و اکسیژن پایهٔ بیشتر مواد منفجره‌اند. انفجار یعنی تبدیل ناگهانی یک جامد یا مایع به حجم زیادی گاز داغ؛ تشکیل مولکول بسیار پایدار $\text{N}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین انرژی زیادی آزاد می‌کند. برای مثال از ۴ مولکول نیتروگلیسیرین مایع، ۲۹ مولکول گاز پدید می‌آید.

بمب‌یاب‌ها دنبال نیتروژن می‌گردند و دو روش دارند:

تابش: برای مقدار زیاد مادهٔ پنهان در بار، با پرتوهایی مانند پرتو ایکس (دستگاه‌های فرودگاه).
بخار: برای مقدار کم یا مواد همراه افراد؛ بخار ماده وارد دستگاه می‌شود یا سگ‌های آموزش‌دیده آن را بو می‌کشند.

فسفر سفید در هوا خودبه‌خود با اکسیژن می‌سوزد و دود سفید می‌سازد؛ برای همین آن را زیر آب نگه می‌دارند:

\text{P}_4+5\,\text{O}_2\to\text{P}_4\text{O}_{10}

بمب فسفری سوختگی‌های عمیق پوست، ریه و حتی استخوان ایجاد می‌کند و امروز ممنوع است. بهترین کمک اولیه، شستن با آب است نه خشک کردن پوست؛ آب اکسیژن را از فسفر دور و آن را خنک می‌کند، در حالی که خشک کردن، فسفر را دوباره در تماس با هوا قرار می‌دهد و آتش را شعله‌ور می‌کند.

مدل بور و آرایش الکترونی

در مدل بور الکترون‌ها در مدارهایی دور هسته می‌چرخند. قاعده‌ها:

گنجایش مدار شمارهٔ $n$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین برابر $2n^2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است: مدار اول ۲، دوم ۸، سوم ۱۸ و چهارم ۳۲ الکترون.
پر شدن از مدار اول (نزدیک‌ترین به هسته) شروع می‌شود.
آخرین مدارِ دارای الکترون هرگز بیش از ۸ الکترون ندارد.
یک مدار فقط وقتی بیش از ۸ الکترون می‌گیرد که مدار بیرونی‌تر دست‌کم ۲ الکترون داشته باشد.

اتم	آرایش	الکترون مدار آخر
$_{8}\text{O}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$2,6$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$6$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
$_{11}\text{Na}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$2,8,1$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$1$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
$_{16}\text{S}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$2,8,6$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$6$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
$_{17}\text{Cl}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$2,8,7$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$7$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
$_{19}\text{K}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$2,8,8,1$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$1$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
$_{20}\text{Ca}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$2,8,8,2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین

نکتهٔ پتاسیم: پس از پر شدن دو مدار اول، ۹ الکترون می‌ماند. مدار سوم گنجایش ۱۸ دارد، اما چون اگر آخرین مدار باشد نمی‌تواند بیش از ۸ بگیرد، ۸ الکترون در آن و یکی در مدار چهارم قرار می‌گیرد. اکسیژن و گوگرد هر دو ۶ الکترون در مدار آخر دارند و فلوئور و کلر هر دو ۷ الکترون؛ این شباهت‌ها کلید جدول تناوبی است.

جدول تناوبی عنصرها

لاووازیه نخستین کسی بود که عنصرها را دسته‌بندی کرد (از جمله به فلز و نافلز). پس از او دوبراینر و دیگران کوشیدند و سرانجام مندلیف روس جدولی ساخت که عنصرهای با خواص مشابه را کنار هم می‌گذاشت. هنر بزرگ او این بود که برای عنصرهای کشف‌نشده جای خالی گذاشت و خواصشان را پیش‌بینی کرد؛ وقتی گالیم و ژرمانیم پیدا شدند، پیش‌بینی‌اش درست درآمد. بعدها موزلی با چیدن عنصرها بر پایهٔ عدد اتمی جدول را اصلاح کرد.

اصول چیدمان امروزی:

عنصرها به ترتیب عدد اتمی چیده شده‌اند؛ هر عنصر یک پروتون (و در حالت خنثی یک الکترون) بیشتر از قبلی دارد.
در هر دوره (ردیف) تعداد مدارها یکسان است و از چپ به راست یکی‌یکی الکترون اضافه می‌شود.
در هر گروه (ستون) تعداد الکترون‌های مدار آخر یکسان است و از بالا به پایین یک مدار اضافه می‌شود. استثنا هلیم است که با ۲ الکترون در ستون گازهای نجیب قرار دارد، چون مدار آخرش پر است و رفتارش مانند آن‌هاست.

نتیجه: عنصرهای یک گروه رفتار شیمیایی مشابه (نه یکسان) دارند و در طول یک دوره خواص به‌تدریج تغییر می‌کند. جدول ۷ دوره و ۱۸ گروه دارد.

قاعدهٔ یافتن جایگاه: شمارهٔ دوره = تعداد مدارهای دارای الکترون. برای گروه‌های ۱ و ۲ شمارهٔ گروه برابر الکترون‌های مدار آخر است و برای گروه‌های ۱۳ تا ۱۸، ده واحد به آن اضافه می‌کنیم.

عنصر	آرایش	دوره	گروه
$_{9}\text{F}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$2,7$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	۲	۱۷
$_{13}\text{Al}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$2,8,3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	۳	۱۳
$_{15}\text{P}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$2,8,5$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	۳	۱۵
$_{19}\text{K}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$2,8,8,1$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	۴	۱

فلزها و نافلزها

عنصرهای سمت چپ و میانهٔ جدول فلز و عنصرهای سمت راست نافلز هستند.

فلزها	نافلزها
نقطهٔ ذوب و جوش بالا	نقطهٔ ذوب و جوش پایین
چکش‌خوار و مفتول‌پذیر	در حالت جامد شکننده
سطح براق	سطح کدر
رسانای گرما و برق	نارسانا
در واکنش الکترون می‌دهند و کاتیون می‌سازند	الکترون می‌گیرند و آنیون می‌سازند

عنصرهایی مثل سیلیسیم و بور میان این دو قرار دارند (شبه‌فلز) و سیلیسیم به‌عنوان نیم‌رسانا در تراشه‌ها به کار می‌رود.

روند واکنش‌پذیری: در گروه فلزهای قلیایی (گروه ۱) هرچه پایین‌تر برویم واکنش‌پذیری بیشتر می‌شود، چون الکترون آخر دورتر از هسته است و آسان‌تر جدا می‌شود؛ پس پتاسیم با کلر شدیدتر از لیتیم با کلر واکنش می‌دهد. در نافلزهای گروه ۱۷ وارونه است: عنصر بالاتر واکنش‌پذیرتر است و فلوئور فعال‌ترین نافلز است، چون اتم کوچکش الکترون را محکم‌تر جذب می‌کند.

چرا طلا براق‌تر از آهن می‌ماند؟ طلا و پلاتین تقریباً واکنش نمی‌دهند و سطحشان اکسید نمی‌شود، اما آهن و منیزیم لایهٔ اکسید کدر می‌گیرند که بازتاب نور توسط الکترون‌های آزاد فلز را می‌پوشاند.

چگالی: صد سانتی‌متر مکعب مس حدود ۸۹۰ گرم و همین حجم آلومینیوم حدود ۲۷۰ گرم است؛ این سبکی دلیل استفاده از آلومینیوم در هواپیماست.

منشأ نخستین ابزار آهنی: هستهٔ سیاره‌ها از آهن و نیکل است و شهاب‌سنگ‌های آهنی تکه‌هایی از چنین هسته‌هایی‌اند. این «آهن آسمانی» از پیش فلز است و فقط چکش‌کاری می‌خواهد؛ وجود نیکل در ابزارهای کهن نشان می‌دهد احتمالاً از آهن شهابی ساخته شده‌اند، نه از آهن استخراجی.

پلیمرها

پلیمر مولکولی بسیار بزرگ است که از تکرار هزاران واحد کوچک به نام مونومر ساخته می‌شود؛ برای نمونه پلی‌اتیلن از به هم پیوستن مولکول‌های اتیلن:

n\,\text{CH}_2{=}\text{CH}_2\to[\text{CH}_2{-}\text{CH}_2]_n

پلی‌اتیلن (کیسه)، پلی‌پروپیلن (ظروف)، پی‌وی‌سی (لوله)، پلی‌استایرن (یونولیت و ظرف یک‌بار مصرف) و نایلون (پارچه) پلیمرهای مصنوعی‌اند؛ سلولز، نشاسته و پروتئین پلیمرهای طبیعی. اگر یک زنجیر پلی‌اتیلن از ۵۰۰۰ مولکول اتیلن با جرم ۲۸ ساخته شود، جرم مولی آن $5000\times28=140000$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین گرم بر مول است.

آزمایش دستمال کاغذی: دستمال در یک جهت صاف و راحت پاره می‌شود و در جهت دیگر ریش‌ریش و سخت. علت این است که رشته‌های سلولز بیشتر در یک جهت چیده شده‌اند: پاره کردن در امتداد رشته‌ها فقط نیروهای ضعیف بین آن‌ها را می‌گسلد، اما پاره کردن عمود بر آن‌ها نیازمند شکستن خود رشته‌هاست. کاغذ و سفرهٔ پلاستیکی هم که در کارخانه کشیده شده رفتار مشابهی دارند. پس جهت چیدمان رشته‌ها خواص مکانیکی را تعیین می‌کند و برای پارچهٔ مقاوم باید رشته‌ها را ضربدری (تار و پود) چید تا در هر دو جهت رشته‌ای بار را تحمل کند.

جلیقهٔ ضدگلوله: نسل اول با الهام از تار کشسان عنکبوت ساخته شد، اما اگر گلولهٔ دوم به همان نقطه می‌خورد عبور می‌کرد. نسل بعد از پلیمرهایی ساخته شد که مولکولشان شبیه تسبیح است: انرژی گلوله دانه‌ها را دور نخ می‌چرخاند و به‌تدریج به گرما تبدیل می‌شود. هر دانه می‌تواند بارها بچرخد و انرژی در شبکهٔ تار و پود پخش می‌شود؛ کولار نمونه‌ای از این پلیمرهاست. انرژی جنبشی گلولهٔ ۸ گرمی با سرعت ۴۰۰ متر بر ثانیه برابر $\frac12\times0.008\times400^2=640$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین ژول است که جلیقه باید جذبش کند.

بازیافت پلاستیک‌ها

پلی‌استایرن ارزان است ولی صدها سال در طبیعت می‌ماند. پژوهشگران کرم‌هایی یافته‌اند که پلی‌استایرن می‌خورند و به کمک باکتری‌های روده‌شان آن را تا حدی به کربن دی‌اکسید تبدیل می‌کنند؛ وقتی باکتری‌ها حذف شدند مصرف پلیمر کم شد، و هنوز این روش در مقیاس بزرگ کاربرد ندارد.

راه‌های مقابله با زبالهٔ پلاستیکی: کاهش مصرف، استفادهٔ دوباره، بازیافت (عدد داخل مثلث روی ظرف، نوع پلیمر را نشان می‌دهد؛ مثلاً ۱ برای بطری پت و ۶ برای پلی‌استایرن) و ساخت پلاستیک زیست‌تخریب‌پذیر.

ساخت پلاستیک نشاسته‌ای: نشاسته و آب را مخلوط می‌کنیم، گلیسیرین (نرم‌کننده) و کمی سرکه یا استیک اسید می‌افزاییم و هم‌زنان گرم می‌کنیم تا مخلوط شیری به ژل چسبنده تبدیل شود؛ سپس آن را روی فویل پهن می‌کنیم تا سرد و خشک شود. اگر تکه‌هایش را کنار پلاستیک معمولی در خاک مرطوب دفن کنیم، پس از چند هفته پلاستیک نشاسته‌ای به‌دست میکروب‌ها تجزیه می‌شود ولی پلاستیک معمولی تغییری نمی‌کند. در طراحی این آزمایش، نوع پلاستیک متغیر مستقل، میزان تجزیه متغیر وابسته و اندازهٔ قطعه، خاک، رطوبت و دما متغیرهای کنترل‌اند. عیب این پلاستیک، ضعف آن در برابر رطوبت است.

پرسش‌های تمرینی با پاسخ کوتاه

ترتیب واکنش‌پذیری مس، روی، پتاسیم و آهن؟ پتاسیم، سپس روی، سپس آهن و در پایان مس.
آیا مس آهن را از محلول آهن سولفات جدا می‌کند؟ خیر، چون مس پایین‌تر از آهن است.
آرایش منیزیم (۱۲) و آرگون (۱۸)؟ به ترتیب $2,8,2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $2,8,8$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین؛ مدار آخر آرگون پر است و به همین دلیل گازی نجیب و پایدار است.
فسفر (۱۵) کجای جدول است؟ آرایش $2,8,5$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین دارد؛ دورهٔ ۳ و گروه ۱۵.
منیزیم فلز است یا نافلز؟ با ۲ الکترون در مدار آخر آن‌ها را از دست می‌دهد و یون دو بار مثبت می‌سازد؛ پس فلز است. کلر با ۷ الکترون یک الکترون می‌گیرد و نافلز است.
مراحل تبدیل گوگرد به سولفوریک اسید؟ گوگرد به گوگرد دی‌اکسید، سپس با کاتالیزگر به گوگرد تری‌اکسید و در پایان به اسید.
چرا ابزارهای آهنی کهن نیکل دارند؟ چون از شهاب‌سنگ‌های آهنی ساخته شده‌اند که تکه‌ای از هستهٔ آهن-نیکلی سیارک‌ها هستند.
از ۲ گرم پتاسیم در واکنش با آب چند گرم پتاسیم هیدروکسید به دست می‌آید؟ با جرم مولی ۳۹ برای پتاسیم و ۵۶ برای هیدروکسید آن: $\frac{2}{39}\times56\approx2.87$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین گرم.
یک بطری پت حدود ۲۵ گرم است؛ بازیافت هزار بطری چقدر پلاستیک می‌دهد؟ حدود ۲۵ کیلوگرم، بی‌آنکه نفت تازه‌ای مصرف شود.
اگر پلاستیک نشاسته‌ای از ۴ گرم به ۲٫۶ گرم برسد، چند درصد تجزیه شده است؟ $\frac{4-2.6}{4}\times100=35\%$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین؛ در حالی که پلاستیک معمولی در همین مدت تقریباً هیچ جرمی از دست نمی‌دهد.

اشتباه‌های رایج

فلز بالاتر فهرست، فلز پایین‌تر را جابه‌جا می‌کند، نه برعکس.
آرایش پتاسیم $2,8,8,1$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است، نه $2,8,9$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین.
شمارهٔ دوره برابر تعداد مدارهاست، نه الکترون‌های مدار آخر.
کربن نمی‌تواند آلومینیوم را از اکسیدش جدا کند.
در فلزها پایین‌تر در گروه یعنی فعال‌تر؛ در نافلزها بالاتر یعنی فعال‌تر.
آلودگی فسفر را با آب بشویید، نه با پاک کردن خشک.

سؤال تستی

۵ تست با پاسخنامه‌ی تحلیلی — برای دیدن بزن

پاسخنامه‌ی تحلیلی سه‌بخشی برای هر سؤال

چرا گزینه‌ی درست، درست است
چرا هر گزینه‌ی دیگر غلط است
تله‌ی تستی‌ای که باید بشناسی

1. برای ساخت سیم برق، کدام ویژگی مس آن را مناسب می‌کند؟

رسانایی الکتریکی خوب و شکل‌پذیری مناسب.
شفاف‌بودن و عبور آسان نور.
شکنندگی زیاد و رسانایی بسیار کم.
حل‌شدن سریع در آب و جرم بسیار کم.

پاسخنامه‌ی تحلیلی

«رسانایی الکتریکی خوب و شکل‌پذیری مناسب.» درست است، زیرا مس رسانای خوبی است و می‌توان آن را به سیم تبدیل کرد. «شفاف‌بودن و عبور آسان نور.» نادرست است، چون شفافیت ویژگی موردنیاز سیم برق نیست. «شکنندگی زیاد و رسانایی بسیار کم.» نادرست است، چون رسانایی کم با کاربرد سیم ناسازگار است. «حل‌شدن سریع در آب و جرم بسیار کم.» نادرست است، چون مس به‌سادگی در آب حل نمی‌شود و این معیار انتخاب نیست. تلهٔ تستی: ماده را بر پایهٔ کارکردش انتخاب کن، نه فقط ظاهر. گزینهٔ درست «رسانایی الکتریکی خوب و شکل‌پذیری مناسب.» است.

2. کانسنگ به کدام ماده گفته می‌شود؟

سنگی که هیچ باطله یا کانی دیگری نداشته باشد.
مادهٔ معدنی‌ای که استخراج عنصر ارزشمند از آن اقتصادی باشد.
هر سنگی که در آن رگه‌ای از فلز دیده شود.
فلز خالصی که از معدن بدون جداسازی بیرون آمده باشد.

پاسخنامه‌ی تحلیلی

«مادهٔ معدنی‌ای که استخراج عنصر ارزشمند از آن اقتصادی باشد.» درست است، زیرا اقتصادی‌بودن استخراج عنصر ارزشمند شرط اصلی کانسنگ است. «هر سنگی که در آن رگه‌ای از فلز دیده شود.» نادرست است، چون وجود رگه به‌تنهایی سودآوری را تضمین نمی‌کند. «فلز خالصی که از معدن بدون جداسازی بیرون آمده باشد.» نادرست است، چون کانسنگ معمولاً نیازمند خردایش و جداسازی است. «سنگی که هیچ باطله یا کانی دیگری نداشته باشد.» نادرست است، چون کانسنگ می‌تواند باطله و کانی‌های دیگر داشته باشد. تلهٔ تستی: وجود فلز را با اقتصادی‌بودن معدن یکی نگیر. گزینهٔ درست «مادهٔ معدنی‌ای که استخراج عنصر ارزشمند از آن اقتصادی باشد.» است.

3. در واکنش جانشینی، فلز فعال‌تر معمولاً چه می‌تواند بکند؟

یون فلز کم‌فعال‌تر را از محلول بیرون براند.
یون فلز فعال‌تر را به فلز کم‌فعال‌تر تبدیل کند.
همهٔ فلزهای محلول را بدون واکنش رسوب دهد.
فعالیت شیمیایی هر دو فلز را یکسان کند.

پاسخنامه‌ی تحلیلی

«یون فلز کم‌فعال‌تر را از محلول بیرون براند.» درست است، زیرا فلز فعال‌تر آسان‌تر الکترون می‌دهد و می‌تواند یون کم‌فعال‌تر را جانشین کند. «همهٔ فلزهای محلول را بدون واکنش رسوب دهد.» نادرست است، چون رسوب‌دادن همهٔ فلزها از یک واکنش نتیجه نمی‌شود. «فعالیت شیمیایی هر دو فلز را یکسان کند.» نادرست است، چون واکنش جانشینی فعالیت ذاتی فلزها را یکسان نمی‌کند. «یون فلز فعال‌تر را به فلز کم‌فعال‌تر تبدیل کند.» نادرست است، چون جهت جانشینی برعکس بیان شده است. تلهٔ تستی: جهت جانشینی را از فعالیت فلزها تعیین کن. گزینهٔ درست «یون فلز کم‌فعال‌تر را از محلول بیرون براند.» است.

4. چرا مقایسهٔ واکنش‌پذیری فلزها باید در شرایط همسان انجام شود؟

تا از یک مشاهده بتوان رفتار همهٔ شرایط را قطعی دانست.
تا تفاوت مشاهده‌شده را بتوان به نوع فلز نسبت داد.
تا همهٔ فلزها حتماً هم‌زمان واکنش دهند.
تا دما و سطح تماس عمداً برای هر فلز متفاوت باشد.

پاسخنامه‌ی تحلیلی

«تا تفاوت مشاهده‌شده را بتوان به نوع فلز نسبت داد.» درست است، زیرا کنترل شرایط، اثر فلز را از دما، اندازه و سطح جدا می‌کند. «تا از یک مشاهده بتوان رفتار همهٔ شرایط را قطعی دانست.» نادرست است، چون یک مشاهدهٔ محدود برای نتیجهٔ همیشگی کافی نیست. «تا همهٔ فلزها حتماً هم‌زمان واکنش دهند.» نادرست است، چون آزمون منصفانه تضمین نمی‌کند همه واکنش یکسان نشان دهند. «تا دما و سطح تماس عمداً برای هر فلز متفاوت باشد.» نادرست است، چون تفاوت هم‌زمان متغیرها علت را نامعلوم می‌کند. تلهٔ تستی: متغیرهای جانبی را ثابت نگه دار. گزینهٔ درست «تا تفاوت مشاهده‌شده را بتوان به نوع فلز نسبت داد.» است.

5. برای استخراج آلومینیم از ترکیب پایدارش، کدام روش کلی مناسب‌تر است؟

حل‌کردن فلز در آب و تبخیر محلول.
تجزیهٔ الکتریکی ترکیب مذاب.
جداکردن ساده با آهن‌ربا.
کاهش هر اکسید با کربن در همهٔ شرایط.

پاسخنامه‌ی تحلیلی

«تجزیهٔ الکتریکی ترکیب مذاب.» درست است، زیرا فلزهای بسیار فعال معمولاً با تجزیهٔ الکتریکی ترکیب مذاب استخراج می‌شوند. «جداکردن ساده با آهن‌ربا.» نادرست است، چون آلومینیم با خاصیت مغناطیسی از کانی جدا نمی‌شود. «کاهش هر اکسید با کربن در همهٔ شرایط.» نادرست است، چون کاهش با کربن برای همهٔ فلزها شدنی نیست. «حل‌کردن فلز در آب و تبخیر محلول.» نادرست است، چون آلومینیم از محلول آبی با تبخیر ساخته نمی‌شود. تلهٔ تستی: یک روش استخراج را برای همهٔ فلزها تعمیم نده. گزینهٔ درست «تجزیهٔ الکتریکی ترکیب مذاب.» است.

نمونه سؤال تشریحی

۳ سؤال امتحانی با پاسخ نمونه — برای دیدن بزن

۱. چرا در آزمایش جانشینی، میخ آهنی را در محلول کات کبود می‌گذارند و نه در محلول نمک خوراکی؟ پاسخ را با کمک مجموعهٔ واکنش‌پذیری فلزها توضیح دهید و بگویید در هر حالت چه چیزی مشاهده می‌شود.

پاسخ نمونه

در مجموعهٔ واکنش‌پذیری، فلز بالاتر می‌تواند فلز پایین‌تر را از ترکیبش بیرون براند. آهن بالاتر از مس است؛ پس در محلول کات کبود جای یون‌های مس را می‌گیرد. در نتیجه لایه‌ای قرمز-قهوه‌ای از مس روی میخ می‌نشیند و رنگ آبی محلول کم‌رنگ می‌شود: $\text{Fe}+\text{CuSO}_4\to\text{FeSO}_4+\text{Cu}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین. اما نمک خوراکی یون سدیم دارد و سدیم بسیار فعال‌تر از آهن است. آهن نمی‌تواند سدیم را جابه‌جا کند، پس هیچ تغییری دیده نمی‌شود و آزمایش چیزی دربارهٔ واکنش‌پذیری به ما نمی‌آموزد. برای دیدن واکنش جانشینی باید محلول نمکِ فلزی کم‌واکنش‌تر از فلزِ آزمایش را به کار برد.

۲. آرایش الکترونی اتم‌های پتاسیم (عدد اتمی ۱۹) و کلر (عدد اتمی ۱۷) را بنویسید، دوره و گروه هر کدام را تعیین کنید و توضیح دهید کدام فلز است و کدام نافلز.

پاسخ نمونه

پتاسیم: پس از پر شدن مدار اول با ۲ و مدار دوم با ۸ الکترون، ۹ الکترون می‌ماند. چون آخرین مدار نمی‌تواند بیش از ۸ الکترون بگیرد، ۸ الکترون در مدار سوم و ۱ الکترون در مدار چهارم قرار می‌گیرد: $2,8,8,1$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین. چهار مدار دارد، پس در دورهٔ ۴ است؛ یک الکترون در مدار آخر دارد، پس در گروه ۱ است. کلر: $2,8,7$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین؛ سه مدار دارد، پس در دورهٔ ۳ است و با ۷ الکترون در مدار آخر در گروه $10+7=17$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین قرار می‌گیرد. پتاسیم با از دست دادن یک الکترون کاتیون می‌سازد و فلز است؛ کلر با گرفتن یک الکترون آنیون می‌سازد و نافلز است.

۳. چرا برای ساختن پارچه‌ای که در برابر کشیده شدن و پارگی مقاوم باشد، رشته‌های پلیمری را به‌صورت ضربدری می‌چینند و نه فقط موازی؟ از آزمایش دستمال کاغذی هم کمک بگیرید.

پاسخ نمونه

در آزمایش دستمال کاغذی دیدیم که دستمال در جهت رشته‌های سلولز آسان و صاف پاره می‌شود، چون فقط نیروهای ضعیف بین رشته‌ها باید گسسته شوند؛ اما در جهت عمود سخت و نامنظم پاره می‌شود، چون باید خود رشته‌ها را شکست. اگر رشته‌های یک پارچه فقط موازی باشند، پارچه در یک جهت محکم ولی در جهت دیگر ضعیف خواهد بود. در چیدمان ضربدری (تار و پود) در هر دو جهت رشته‌هایی هست که نیرو را تحمل می‌کنند؛ پس پاره شدن در هر جهتی مستلزم شکستن رشته‌هاست و نیرو یکنواخت پخش می‌شود. به همین دلیل پارچه‌ها را می‌بافند و جلیقه‌های ضدگلوله و کامپوزیت‌ها را لایه‌لایه و ضربدری می‌سازند.

مباحث مرتبط

ادامه‌ی این مبحث رو ببین

با ثبت‌نام رایگان، به بانک کامل سؤال، شبیه‌ساز کنکور و تحلیل پیشرفت دسترسی داری

ثبت‌نام رایگان