رفتار اتم‌ها با یکدیگر — علوم تیزهوشان نهم (استعداد درخشان)

Q: قاعدهٔ هشتایی را توضیح دهید و با کمک آن نشان دهید چرا فرمول ترکیب یونی منیزیم و نیتروژن به صورت Mg3N2 است.

لوویس دریافت که یونهای پایدار آرایش الکترونی نزدیکترین گاز نجیب را دارند، یعنی مدار آخرشان با ۸ الکترون پر است. اتمها با دادن، گرفتن یا اشتراک الکترون به این آرایش پایدار میرسند؛ این قاعدهٔ هشتایی است. منیزیم با آرایش 2,8,2 دو الکترون از دست میدهد و Mg^2+ میشود. نیتروژن با آرایش 2,5 سه الکترون میگیرد و N^3- میشود. ترکیب یونی باید در مجموع خنثی باشد، پس باید شمار بارهای مثبت و منفی برابر شود. کوچکترین مضرب مشترک ۲ و ۳ عدد ۶ است: سه یون منیزیم 3×(+2)=+6 و دو یون نیترید 2×(-3)=-6 بار دارند. بنابراین سادهترین نسبت سه به دو است و فرمول Mg3N2 است.

Q: در آزمایش رسانایی، چرا نمودار رسانایی محلول سدیم کلرید با افزایش جرم حلشده صعودی است ولی نمودار محلول شکر تقریباً افقی میماند؟

جریان برق در محلول را ذرههای باردار آزاد یعنی یونها حمل میکنند. سدیم کلرید ترکیبی یونی است و در آب تقریباً کامل به یونهای Na^+ و Cl^- جدا میشود. هرچه نمک بیشتری حل کنیم، شمار یونها و در نتیجه رسانایی تقریباً به همان نسبت بالا میرود و نمودار صعودی و نزدیک به خطی میشود. شکر ترکیبی مولکولی است و مولکولهایش در آب سالم و بیبار پخش میشوند؛ هیچ یونی نمیسازد. پس افزودن شکر بیشتر، رسانایی را تقریباً تغییر نمیدهد و فقط رسانایی بسیار ناچیز خود آب دیده میشود. این تفاوت به ما کمک میکند ترکیب یونی را از مولکولی تشخیص دهیم.

Q: تفاوت قانون علمی و نظریهٔ علمی را با مثال پایستگی جرم توضیح دهید. چرا جرم چوب پس از سوختن در هوای آزاد کم میشود ولی این با قانون پایستگی جرم تناقض ندارد؟

قانون علمی توصیف میکند چه اتفاقی میافتد و نظریهٔ علمی توضیح میدهد چرا. لاووازیه با آزمایش نشان داد که جرم واکنشدهندهها با جرم فراوردهها برابر است؛ این قانون پایستگی جرم است. اما چرایی آن را نظریهٔ اتمی دالتون روشن کرد: اتمها در واکنش نه ساخته میشوند و نه از بین میروند، فقط جابهجا میشوند، پس جرم کل ثابت میماند. چوبی که در هوای آزاد میسوزد یک سامانهٔ باز است. کربن دیاکسید و بخار آبِ تولیدشده به هوا میروند، پس خاکستر سبکتر است. اگر همهٔ گازهای خارجشده و اکسیژن مصرفشده را هم حساب کنیم، یا آزمایش را در ظرف بسته انجام دهیم، جرم کل ثابت میماند و قانون برقرار است.

Q: پیوند یونی معمولاً با کدام تغییر الکترونی شکل میگیرد؟

انتقال الکترون و تشکیل یونهای با بار مخالف. — «انتقال الکترون و تشکیل یونهای با بار مخالف.» درست است، زیرا فلز الکترون میدهد و نافلز میگیرد؛ یونهای ناهمنام جذب میشوند. «اشتراک برابر همهٔ الکترونهای اتم.» نادرست است، چون اشتراک الکترون ویژگی پیوند کووالانسی است. «تبدیل پروتون به الکترون در هسته.» نادرست است، چون پروتون در این مدل پیوند جابهجا نمیشود. «ازبینرفتن کامل الکترون و پروتون.» نادرست است، چون ذرهها از بین نمیروند؛ انتقال الکترون رخ میدهد. تلهٔ تستی: انتقال الکترون را با اشتراکگذاری یکی ندان. گزینهٔ درست «انتقال الکترون و تشکیل یونهای با بار مخالف.» است.

Q: در ترکیب یونیِ کلسیم و کلر، چرا فرمول CaCl_2 است؟

یک یون کلسیم دو مثبت با دو یون کلرید یک منفی خنثی میشود. — «یک یون کلسیم دو مثبت با دو یون کلرید یک منفی خنثی میشود.» درست است، زیرا نسبت یونها باید مجموع بار صفر بدهد: یک کلسیم و دو کلرید. «یک یون کلسیم با یک کلرید بار صفر دارد.» نادرست است، چون بارهای دو یون در نسبت یکبهیک برابر نیستند. «دو یون کلسیم با یک کلرید بار کل را خنثی میکند.» نادرست است، چون نسبت پیشنهادی بار خالص مثبت میگذارد. «فرمول تعداد مولکولهای جدا را نشان میدهد.» نادرست است، چون بلور یونی شبکه دارد و فرمول نسبت ساده است، نه شمار مولکولها. تلهٔ تستی: بار کل را پیش از نوشتن فرمول صفر کن. گزینهٔ درست «یک یون کلسیم دو مثبت با دو یون کلرید یک منفی خنثی میشود.» است.

Q: چرا جامد یونی معمولاً جریان الکتریکی را خوب عبور نمیدهد؟

یونها در شبکهٔ بلوری جای ثابتی دارند و آزادانه جابهجا نمیشوند. — «یونها در شبکهٔ بلوری جای ثابتی دارند و آزادانه جابهجا نمیشوند.» درست است، زیرا یون باردار هست، اما در شبکهٔ جامد امکان حرکت آزاد ندارد. «الکترونهای جامد از ماده بیرون رفتهاند و باربر نیستند.» نادرست است، چون الکترونها از ماده خارج نشدهاند و یونها بار دارند. «یونها در بلور میان الکترودها آزادانه حرکت میکنند.» نادرست است، چون یونهای شبکه جایگاههای تقریباً ثابتی دارند. «جامد یونی هیچ ذرهٔ بارداری در ساختار خود ندارد.» نادرست است، چون نمک یونی از یونهای مثبت و منفی تشکیل شده است. تلهٔ تستی: وجود یون را با توان حرکت یون یکی نگیر. گزینهٔ درست «یونها در شبکهٔ بلوری جای ثابتی دارند و آزادانه جابهجا نمیشوند.» است.

Q: نمک مذاب چرا میتواند جریان را عبور دهد؟

یونهای باردار در مذاب میتوانند حرکت کنند. — «یونهای باردار در مذاب میتوانند حرکت کنند.» درست است، زیرا در مذاب شبکه باز میشود و یونها حامل بار متحرکاند. «یونها به مولکولهای خنثی و بیحرکت بدل میشوند.» نادرست است، چون مذاب حرکت ذرهها را ممکن میکند. «الکترونها به اتمهای تازه تبدیل میشوند.» نادرست است، چون الکترون به اتم تبدیل نمیشود. «نمک مذاب دیگر بار الکتریکی ندارد.» نادرست است، چون ترکیب همچنان یونهای مثبت و منفی دارد. تلهٔ تستی: حالت ماده را همراه نوع ذره در نظر بگیر. گزینهٔ درست «یونهای باردار در مذاب میتوانند حرکت کنند.» است.

Q: پیوند کووالانسی میان دو نافلز چگونه ایجاد میشود؟

با بهاشتراکگذاشتن یک یا چند جفت الکترون. — «با بهاشتراکگذاشتن یک یا چند جفت الکترون.» درست است، زیرا اتمهای نافلز میتوانند جفت الکترون را مشترک استفاده کنند. «با انتقال همهٔ الکترونها از هر دو اتم.» نادرست است، چون انتقال الکترون معمولاً پیوند یونی میسازد. «با چسباندن هستهها و حذف لایهٔ بیرونی.» نادرست است، چون هستهها به هم نمیچسبند و الکترونها حذف نمیشوند. «با جاذبهٔ یونهای مثبت و منفیِ جدا.» نادرست است، چون پیوند کووالانسی بر پایهٔ اشتراک الکترون است. تلهٔ تستی: پیوند را از رفتار الکترونهای ظرفیت تشخیص بده. گزینهٔ درست «با بهاشتراکگذاشتن یک یا چند جفت الکترون.» 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.

رفتار اتم‌ها با یکدیگر (علوم تیزهوشان نهم)

گیلبرت لوویس شیمی‌دان آمریکایی تصور می‌کرد الکترون‌های اتم در گوشه‌های مکعب‌هایی تودرتو دور هسته جای دارند. این ایدهٔ ساده سرآغاز یکی از مهم‌ترین پژوهش‌ها دربارهٔ پیوند شیمیایی شد. در این فصل می‌بینیم اتم‌ها چرا به هم می‌پیوندند، چگونه یون یا مولکول می‌سازند و این دو نوع ماده چه تفاوت‌هایی دارند.

اثر مقدار مادهٔ حل‌شده بر رسانایی

در یک آزمایش، ۲۵ میلی‌لیتر آب مقطر را در بشر می‌ریزیم، ۲ گرم از یک ماده حل می‌کنیم و با رساناسنج (یا مولتی‌متر) رسانایی محلول را می‌خوانیم؛ سپس ۲ گرم دیگر می‌افزاییم و اندازه‌گیری را تا ۸ گرم تکرار می‌کنیم. این کار را برای سدیم کلرید، پتاسیم هیدروکسید، اگزالیک اسید و شکر انجام می‌دهیم.

ماده	نوع	شکل نمودار رسانایی بر حسب جرم حل‌شده
سدیم کلرید	یونی	تقریباً خطی و صعودی با شیب زیاد
پتاسیم هیدروکسید	یونی	صعودی با شیب از آن هم بیشتر
اگزالیک اسید	مولکولی (اسید ضعیف)	صعودی با شیب کم که کم‌کم خم می‌شود
شکر	مولکولی	تقریباً افقی و نزدیک صفر

تفسیر: جریان برق را ذره‌های باردار آزاد یعنی یون‌ها حمل می‌کنند. ترکیب یونی در آب تقریباً کامل به یون تبدیل می‌شود: $\text{NaCl}\to\text{Na}^{+}+\text{Cl}^{-}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین؛ پس با افزودن ماده، تعداد یون‌ها و رسانایی متناسب بالا می‌رود. در اگزالیک اسید فقط بخش کوچکی از مولکول‌ها یون می‌دهند و با غلیظ‌تر شدن محلول این سهم کمتر هم می‌شود. شکر اصلاً یون نمی‌سازد. پس شکل نمودار از نوع ذره‌ها و تعداد یون‌های تولیدشده خبر می‌دهد و آزمون رسانایی راهی برای تشخیص ترکیب یونی از مولکولی است. (اگر به‌جای رسانایی مقاومت را بخوانیم، روندها وارونه می‌شوند.)

ساختن یک ترکیب یونی: آهن سولفید

زیر هود، ۳ گرم گوگرد را در بوتهٔ چینی با شعلهٔ ملایم ذوب می‌کنیم و ۶ گرم پودر آهن را کم‌کم به آن می‌افزاییم. واکنشی گرماده با درخشش سرخ رخ می‌دهد و جامدی سیاه به نام آهن سولفید پدید می‌آید:

\text{Fe}+\text{S}\to\text{FeS}

محاسبه: با جرم‌های ۵۶ برای آهن و ۳۲ برای گوگرد، $\frac{3}{32}\approx0.094$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین مول گوگرد و $\frac{6}{56}\approx0.107$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین مول آهن داریم. نسبت واکنش یک به یک است، پس گوگرد محدودکننده است و حدود $0.094\times88\approx8.3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین گرم آهن سولفید و حدود ۰٫۷ گرم آهن اضافه به دست می‌آید که با آهن‌ربا جدا می‌شود. جرم کل همچنان ۹ گرم است.

مقایسهٔ ترکیب با مخلوط عنصرها:

ماده	با هیدروکلریک اسید	آهن‌ربا
مخلوط آهن و گوگرد	آهن حباب بی‌بوی هیدروژن می‌دهد	آهن جذب می‌شود
آهن سولفید	گاز بدبوی هیدروژن سولفید (بوی تخم‌مرغ گندیده)	جذب نمی‌شود

\text{FeS}+2\,\text{HCl}\to\text{FeCl}_2+\text{H}_2\text{S}

نتیجهٔ مهم: ترکیب یونی خواصی کاملاً متفاوت با عنصرهای سازنده‌اش دارد؛ آهن خاکستری و مغناطیسی و گوگرد زرد است، اما آهن سولفید سیاه و غیرمغناطیسی است.

قاعدهٔ هشتایی (اوکتت)

لوویس به آرایش الکترونی یون‌های پایدار نگاه کرد:

اتم	آرایش اتم	یون	آرایش یون	شبیه
$_{11}\text{Na}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$2,8,1$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$\text{Na}^{+}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$2,8$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$\text{Ne}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
$_{12}\text{Mg}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$2,8,2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$\text{Mg}^{2+}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$2,8$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$\text{Ne}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
$_{8}\text{O}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$2,6$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$\text{O}^{2-}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$2,8$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$\text{Ne}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
$_{17}\text{Cl}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$2,8,7$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$\text{Cl}^{-}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$2,8,8$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$\text{Ar}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین

او دریافت که یون‌های پایدار آرایشی مانند نزدیک‌ترین گاز نجیب دارند؛ یعنی مدار آخرشان با ۸ الکترون پر است (برای عنصرهای خیلی سبک مثل لیتیم، ۲ الکترون). اتم‌ها با دادن، گرفتن یا به اشتراک گذاشتن الکترون به این آرایش پایدار می‌رسند. این قاعدهٔ هشتایی است.

برای فلزها کوتاه‌ترین راه از دست دادن الکترون و ساختن کاتیون (یون مثبت) است و برای نافلزها گرفتن الکترون و ساختن آنیون (یون منفی):

گروه	الکترون مدار آخر	بار یون
۱	۱	$+1$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
۲	۲	$+2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
۱۳	۳	$+3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
۱۵	۵	$-3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
۱۶	۶	$-2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
۱۷	۷	$-1$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
۱۸	۸	یون نمی‌سازد

نمونه‌ها: آلومینیوم $\text{Al}^{3+}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، گوگرد $\text{S}^{2-}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، کلسیم $\text{Ca}^{2+}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، فلوئور $\text{F}^{-}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، نیتروژن $\text{N}^{3-}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و لیتیم $\text{Li}^{+}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین با آرایشی مانند هلیم.

واکنش‌پذیری با نگاه هشتایی: عنصر گروه ۱ فقط یک الکترون باید بدهد و عنصر گروه ۲ دو الکترون؛ دادن یک الکترون آسان‌تر است، پس سدیم از منیزیم واکنش‌پذیرتر است. در نافلزها هم گروه ۱۷ که یک الکترون کم دارد، از گروه ۱۶ که دو الکترون کم دارد، فعال‌تر است.

شاهد تجربی از انرژی یونش: انرژی لازم برای کندن یک الکترون از اتم را انرژی یونش می‌نامند. در سدیم، انرژی یونش دوم حدود ۹ برابر اولی است؛ یعنی پس از جدا شدن یک الکترون، الکترون بعدی باید از مدار پرِ $2,8$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین کنده شود که بسیار دشوار است. در منیزیم جهش بزرگ پس از الکترون دوم رخ می‌دهد:

اتم	یونش اول	دوم	سوم
سدیم	$496$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$4562$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$6910$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
منیزیم	$738$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$1451$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$7733$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین

پس اتم فلز دقیقاً به اندازهٔ رسیدن به آرایش گاز نجیب الکترون می‌دهد و نه بیشتر؛ به همین دلیل یون $\text{Na}^{2+}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین نداریم.

نماد یون‌ها

کاتیون را به شکل $\text{A}^{x+}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و آنیون را به شکل $\text{B}^{x-}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین می‌نویسیم و عدد ۱ را معمولاً حذف می‌کنیم: $\text{Cl}^{-}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین به‌جای نوشتن عدد یک. آلومینیوم سه‌بار مثبت $\text{Al}^{3+}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، آهن دوبار مثبت $\text{Fe}^{2+}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و هیدروژن یک‌بار منفی $\text{H}^{-}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین (یون هیدرید که در ترکیب با فلزهای بسیار فعال مثل سدیم پدید می‌آید) نمونه‌هایی‌اند.

پایستگی جرم: قانون و نظریه

لاووازیه در سدهٔ هجدهم دریافت که در هر واکنش، جرم واکنش‌دهنده‌ها با جرم فراورده‌ها برابر است؛ اما نمی‌دانست چرا. چند دهه بعد دالتون در نظریهٔ اتمی خود گفت اتم‌ها نه ساخته می‌شوند، نه از بین می‌روند و نه به هم تبدیل می‌شوند؛ فقط جایشان عوض می‌شود. همین، چرایی پایستگی جرم را توضیح داد.

قانون علمی توصیف می‌کند چه رخ می‌دهد (پایستگی جرم).
نظریهٔ علمی توضیح می‌دهد چرا رخ می‌دهد (نظریهٔ اتمی).

سامانهٔ باز و بسته: بخشی از جهان که بررسی می‌کنیم «سامانه» است. سامانهٔ باز (مثل قابلمهٔ بی‌درپوش) با محیط ماده مبادله می‌کند و سامانهٔ بسته (مثل پاکت شیر دربسته) نه. در سامانهٔ بسته جرم دقیقاً ثابت می‌ماند. در سامانهٔ باز جرم خود سامانه ممکن است کم شود (سوختن چوب: گازها می‌روند) یا زیاد شود (زنگ زدن آهن: اکسیژن افزوده می‌شود)؛ ولی اگر سامانه و محیط را با هم حساب کنیم، قانون باز هم برقرار است. آزمایش ساده: قرص جوشان را در بطری آب بینداز؛ اگر در بطری بسته باشد جرم روی ترازو ثابت می‌ماند و اگر باز باشد با خروج کربن دی‌اکسید کم می‌شود.

موازنهٔ معادلهٔ واکنش

چون اتم‌ها پایسته‌اند، در معادلهٔ درست شمار هر نوع اتم در دو طرف برابر است:

2\,\text{H}_2+\text{O}_2\to2\,\text{H}_2\text{O}

یعنی دو مولکول هیدروژن با یک مولکول اکسیژن دو مولکول آب می‌سازند و در هر طرف ۴ اتم هیدروژن و ۲ اتم اکسیژن داریم.

روش: فرمول‌ها را درست بنویس؛ اتم‌ها را در دو طرف بشمار؛ فقط ضریب‌ها را تغییر بده و هرگز زیروند فرمول را دست نزن؛ عنصرهایی را که در یک ماده هستند اول و عنصرهای آزاد مثل اکسیژن را آخر موازنه کن؛ در پایان ضریب‌ها را به کوچک‌ترین عددهای صحیح برسان.

نمونه‌ها:

2\,\text{C}+\text{O}_2\to2\,\text{CO}\qquad 2\,\text{N}_2+\text{O}_2\to2\,\text{N}_2\text{O}

(\text{NH}_4)_2\text{Cr}_2\text{O}_7\to\text{Cr}_2\text{O}_3+\text{N}_2+4\,\text{H}_2\text{O}

در آخری، ۸ اتم هیدروژن سمت چپ به ۴ مولکول آب نیاز دارد و آن‌گاه اکسیژن‌ها هم برابر می‌شوند ( $3+4=7$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین). واکنش‌هایی مثل $\text{Fe}+\text{S}\to\text{FeS}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین یا تجزیهٔ سدیم کربنات به سدیم اکسید و کربن دی‌اکسید از اول موازنه‌اند.

جرم‌ها: در واکنش تولید آب، ۴ گرم هیدروژن با ۳۲ گرم اکسیژن ۳۶ گرم آب می‌سازد؛ مجموع جرم دو طرف برابر است.

خنثی بودن ترکیب‌های یونی

بلور سدیم فلوئورید میلیاردها یون مثبت و منفی دارد اما در کل بی‌بار است. مجموع بار کاتیون‌ها و آنیون‌ها در هر ترکیب یونی صفر است و فرمول، ساده‌ترین نسبت یون‌ها را نشان می‌دهد. برای ترکیب سدیم و اکسیژن، به ازای هر یون اکسید دو یون سدیم لازم است:

2\times(+1)+(-2)=0\ \Rightarrow\ \text{Na}_2\text{O}

روش میان‌بر: برای کاتیون با بار $m$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و آنیون با بار $n$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، بار هر یون زیروند دیگری می‌شود و سپس ساده می‌کنیم.

یون‌ها	فرمول
$\text{Mg}^{2+}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $\text{Cl}^{-}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$\text{MgCl}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
$\text{Al}^{3+}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $\text{O}^{2-}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$\text{Al}_2\text{O}_3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
$\text{Ca}^{2+}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $\text{S}^{2-}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$\text{CaS}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین (ساده‌شده)
$\text{Li}^{+}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $\text{N}^{3-}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$\text{Li}_3\text{N}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
$\text{Mg}^{2+}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $\text{N}^{3-}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$\text{Mg}_3\text{N}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین

ترکیب یونی میان فلز و نافلز ساخته می‌شود؛ نئون که گاز نجیب است با هیچ‌کدام ترکیب یونی نمی‌سازد و دو نافلز مثل فلوئور و گوگرد هم با هم ترکیب یونی نمی‌دهند (اگر ترکیب شوند مولکولی است).

بیت «کبوتر با کبوتر، باز با باز» در دنیای یون‌ها وارونه است: بارهای هم‌نام یکدیگر را می‌رانند و این بارهای ناهم‌نام‌اند که کنار هم شبکهٔ محکم بلور را می‌سازند.

ویژگی‌های ترکیب‌های یونی

در بلور سدیم کلرید هر یون را ۶ یون با بار مخالف احاطه کرده‌اند. جاذبهٔ قوی میان یون‌ها باعث می‌شود:

نقطهٔ ذوب بالا باشد (سدیم کلرید حدود ۸۰۰ درجه و منیزیم اکسید، به دلیل بارهای بزرگ‌تر، بسیار بالاتر).
جامد سخت اما شکننده باشد: با ضربه لایه‌ها جابه‌جا می‌شوند، یون‌های هم‌بار روبه‌روی هم قرار می‌گیرند و یکدیگر را می‌رانند.
در حالت جامد نارسانا و در حالت مذاب یا محلول رسانا باشد، چون فقط آن‌جا یون‌ها آزادانه حرکت می‌کنند.

هنگام ذوب یا جوشیدن ترکیب مولکولی فقط نیروهای ضعیف میان مولکول‌ها غلبه می‌شود و خود مولکول‌ها سالم می‌مانند؛ اما در ترکیب یونی باید جاذبهٔ قوی میان یون‌ها شکسته شود، پس انرژی بسیار بیشتری لازم است.

خواص تجمعی: حل کردن ماده در آب، نقطهٔ جوش را بالا و نقطهٔ انجماد را پایین می‌برد، فشار بخار را کم می‌کند و فشار اسمزی پدید می‌آورد. این تغییرها فقط به تعداد ذره‌های حل‌شده وابسته‌اند، نه به نوع آن‌ها:

\Delta T_b=i\,K_b\,m\qquad \Delta T_f=i\,K_f\,m

در این رابطه‌ها $m$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین مول مادهٔ حل‌شده بر هر کیلوگرم حلال است و $i$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین تعداد ذره‌هایی که هر واحد ماده می‌دهد (سدیم کلرید ۲، کلسیم کلرید ۳، شکر ۱). برای آب $K_b\approx0.51$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $K_f\approx1.86$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است. یک مول نمک در یک کیلوگرم آب نقطهٔ جوش را حدود ۱ درجه بالا و نقطهٔ انجماد را حدود ۳٫۷ درجه پایین می‌برد.

کاربردها و پرسش‌ها:

نمک‌پاشی خیابان: نمک در لایهٔ نازک آب روی یخ حل می‌شود و نقطهٔ انجماد را پایین می‌آورد؛ آب‌نمک زیر صفر هم مایع می‌ماند و یخ ذوب می‌شود.
پختن تخم‌مرغ در کوه: در ارتفاع، فشار هوا کمتر است و آب زیر ۱۰۰ درجه می‌جوشد. زودپز با بالا بردن فشار مشکل را حل می‌کند؛ نمک هم نقطهٔ جوش را بالا می‌برد ولی اثرش اندک است.
اثر مقدار و نوع ماده: هرچه مادهٔ حل‌شده نسبت به حلال بیشتر باشد اثر بزرگ‌تر است؛ نوع ماده فقط از راه تعداد ذره‌هایی که می‌سازد اثر دارد، پس کلسیم کلرید از نمک و نمک از شکر اثر بیشتری دارد.
مواد مولکولی مثل شکر و ضدیخ (اتیلن گلیکول) هم همین اثرها را دارند.

مقایسهٔ سه محلول نمک: ۱۰ گرم در ۱۲۰ گرم آب، ۱۵ گرم در ۲۰۰ گرم آب و ۲۵ گرم در ۲۵۰ گرم آب. مول بر کیلوگرم آن‌ها به ترتیب حدود ۱٫۴۲، ۱٫۲۸ و ۱٫۷۱ است؛ پس محلول سوم بالاترین و محلول دوم پایین‌ترین نقطهٔ جوش را دارد. معیار، نسبت مادهٔ حل‌شده به حلال است نه فقط جرم ماده.

ویژگی	یونی	مولکولی
ذره‌ها	یون	مولکول
نیروی میان ذره‌ها	قوی	ضعیف
نقطهٔ ذوب	بالا	پایین
رسانایی مذاب	دارد	ندارد

پیوند کووالانسی

اتم‌های نافلز هیچ‌کدام تمایلی به دادن الکترون ندارند، پس الکترون‌هایشان را به اشتراک می‌گذارند و پیوند کووالانسی و مولکول می‌سازند. هر اتم آن‌قدر الکترون شریک می‌شود تا مدار آخرش «از دید خودش» کامل شود؛ در این پیوند هیچ الکترونی داده یا گرفته نمی‌شود. در آب، اکسیژن دو جای خالی دارد و هر هیدروژن یکی؛ پس اکسیژن با دو هیدروژن جفت الکترون شریک می‌شود و هر سه اتم مدار کامل پیدا می‌کنند.

اتم	الکترون مدار آخر	تعداد پیوند معمول
هیدروژن، فلوئور، کلر	۱ یا ۷	۱
اکسیژن، گوگرد	۶	۲
نیتروژن، فسفر	۵	۳
کربن، سیلیسیم	۴	۴

بر این پایه هیدروژن با نیتروژن آمونیاک ( $\text{NH}_3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین)، با کربن متان ( $\text{CH}_4$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین) و با خودش $\text{H}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین می‌سازد.

ساختار لوویس

در این روش نماد عنصر نمایندهٔ هسته و الکترون‌های درونی است، الکترون‌های مدار آخر با نقطه و هر جفت الکترون مشترک با یک خط نشان داده می‌شود. گام‌ها:

همهٔ الکترون‌های ظرفیتی را جمع کن.
اتم مرکزی را برگزین (هیدروژن هرگز مرکزی نیست) و بقیه را با پیوند یگانه به آن وصل کن.
الکترون‌های باقی‌مانده را به شکل جفت‌های ناپیوندی به اتم‌های بیرونی بده.
اگر اتم مرکزی هشتایی نشد، با جفت‌های ناپیوندی اتم‌های کناری پیوند دوگانه یا سه‌گانه بساز.

کربن دی‌اکسید: ۱۶ الکترون ظرفیتی؛ ساختار $\text{O}{=}\text{C}{=}\text{O}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین با دو جفت ناپیوندی روی هر اکسیژن. فرمالدهید ( $\text{CH}_2\text{O}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، ۱۲ الکترون): کربن با دو هیدروژن و یک پیوند دوگانه به اکسیژن. متانول (۱۴ الکترون): کربن با سه هیدروژن و پیوند یگانه به اکسیژنی که به هیدروژن وصل است. در $\text{OCl}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین اکسیژن مرکزی است و در $\text{C}_2\text{Cl}_4$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین دو کربن با پیوند دوگانه به هم و هرکدام به دو کلر وصل‌اند.

الکترون‌های پیوندی و ناپیوندی: الکترون‌های مشترک میان دو اتم «پیوندی»اند: هر پیوند یگانه ۲، دوگانه ۴ و سه‌گانه ۶ الکترون. نقطه‌های دیگر «ناپیوندی»اند و در اتصال نقشی ندارند.

بار هر اتم در ساختار لوویس:

q=V-(N+B)

که $V$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین الکترون‌های ظرفیتی اتم آزاد، $N$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین تعداد الکترون‌های ناپیوندی و $B$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین تعداد پیوندهای آن اتم است؛ بار گونه برابر جمع بار اتم‌هاست. برای مثال در $\text{OH}^{-}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین اکسیژن با سه جفت ناپیوندی و یک پیوند بار $6-(6+1)=-1$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین دارد. در $\text{NO}^{+}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین با پیوند سه‌گانه، بار کل $+1$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است و در یون آزید $\text{N}_3^{-}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین بار کل $-1$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین. این‌ها یون‌های چنداتمی‌اند: چند اتم که با پیوند کووالانسی به هم وصل‌اند و روی هم بار دارند. مولکول $\text{BrCl}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین بی‌بار است.

پیوند با سری واکنش‌پذیری: فلزهای گروه ۱ و ۲ با دادن فقط یک یا دو الکترون هشتایی می‌شوند و این کار آسان است؛ به همین دلیل بالای سری واکنش‌پذیری‌اند. در یک گروه، فلزی که الکترون آخرش دورتر از هسته است (مثل پتاسیم) فعال‌تر است.

پرسش‌های تمرینی با پاسخ کوتاه

آرایش یون‌های منیزیم، کلرید و اکسید؟ به ترتیب $2,8$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $2,8,8$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $2,8$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین.
فرمول ترکیب آلومینیوم و گوگرد؟ $\text{Al}_2\text{S}_3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین؛ دو یون سه‌بار مثبت و سه یون دوبار منفی، هر کدام شش بار.
آهن در آهن (III) اکسید چه باری دارد؟ سه یون اکسید بار $-6$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین دارند، پس دو آهن روی هم $+6$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و هرکدام $+3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین هستند.
موازنهٔ سوختن آلومینیوم؟ $4\,\text{Al}+3\,\text{O}_2\to2\,\text{Al}_2\text{O}_3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین.
موازنهٔ سوختن اتان؟ $2\,\text{C}_2\text{H}_6+7\,\text{O}_2\to4\,\text{CO}_2+6\,\text{H}_2\text{O}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین.
ساختار لوویس آمونیاک؟ نیتروژن مرکزی با سه پیوند یگانه به هیدروژن و یک جفت الکترون ناپیوندی.
محلول ۲ مولی نمک در هر کیلوگرم آب، نقطهٔ جوش را چقدر بالا می‌برد؟ $2\times0.51\times2\approx2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین درجه.
چرا منیزیم اکسید دیرتر از نمک ذوب می‌شود؟ بار یون‌هایش دو برابر است و یون‌ها به هم نزدیک‌ترند، پس جاذبه بسیار قوی‌تر است.
کدام گونه‌ها یون چنداتمی‌اند؟ گونه‌ای که دو یا چند اتمش با پیوند کووالانسی به هم وصل‌اند و روی هم بار دارند، مثل هیدروکسید و آزید.
چرا در سامانهٔ بسته جرم ثابت می‌ماند؟ چون هیچ ماده‌ای از مرز آن وارد یا خارج نمی‌شود؛ شاید فقط انرژی مبادله شود.
چرا نئون با فلوئور یا کلسیم ترکیب یونی نمی‌سازد؟ مدار آخر نئون از پیش پر است و نیازی به دادن یا گرفتن الکترون ندارد.

اشتباه‌های رایج

ترکیب یونی در مجموع خنثی است.
سدیم با دادن الکترون یون مثبت می‌شود، نه با گرفتن.
در موازنه فقط ضریب عوض می‌شود، نه زیروند.
فرمول ترکیب یونی ساده‌ترین نسبت است، نه شمار یون‌های بلور.
محلول شکر رسانا نیست.
آب‌نمک دیرتر می‌جوشد و دیرتر یخ می‌زند.
با جوشیدن ترکیب مولکولی، پیوند کووالانسی نمی‌شکند.
کربن دی‌اکسید دو پیوند دوگانه دارد.

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. پیوند یونی معمولاً با کدام تغییر الکترونی شکل می‌گیرد؟

اشتراک برابر همهٔ الکترون‌های اتم.
تبدیل پروتون به الکترون در هسته.
ازبین‌رفتن کامل الکترون و پروتون.
انتقال الکترون و تشکیل یون‌های با بار مخالف.

پاسخنامه‌ی تحلیلی

«انتقال الکترون و تشکیل یون‌های با بار مخالف.» درست است، زیرا فلز الکترون می‌دهد و نافلز می‌گیرد؛ یون‌های ناهم‌نام جذب می‌شوند. «اشتراک برابر همهٔ الکترون‌های اتم.» نادرست است، چون اشتراک الکترون ویژگی پیوند کووالانسی است. «تبدیل پروتون به الکترون در هسته.» نادرست است، چون پروتون در این مدل پیوند جابه‌جا نمی‌شود. «ازبین‌رفتن کامل الکترون و پروتون.» نادرست است، چون ذره‌ها از بین نمی‌روند؛ انتقال الکترون رخ می‌دهد. تلهٔ تستی: انتقال الکترون را با اشتراک‌گذاری یکی ندان. گزینهٔ درست «انتقال الکترون و تشکیل یون‌های با بار مخالف.» است.

2. در ترکیب یونیِ کلسیم و کلر، چرا فرمول $CaCl_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است؟

یک یون کلسیم دو مثبت با دو یون کلرید یک منفی خنثی می‌شود.
یک یون کلسیم با یک کلرید بار صفر دارد.
دو یون کلسیم با یک کلرید بار کل را خنثی می‌کند.
فرمول تعداد مولکول‌های جدا را نشان می‌دهد.

پاسخنامه‌ی تحلیلی

«یک یون کلسیم دو مثبت با دو یون کلرید یک منفی خنثی می‌شود.» درست است، زیرا نسبت یون‌ها باید مجموع بار صفر بدهد: یک کلسیم و دو کلرید. «یک یون کلسیم با یک کلرید بار صفر دارد.» نادرست است، چون بارهای دو یون در نسبت یک‌به‌یک برابر نیستند. «دو یون کلسیم با یک کلرید بار کل را خنثی می‌کند.» نادرست است، چون نسبت پیشنهادی بار خالص مثبت می‌گذارد. «فرمول تعداد مولکول‌های جدا را نشان می‌دهد.» نادرست است، چون بلور یونی شبکه دارد و فرمول نسبت ساده است، نه شمار مولکول‌ها. تلهٔ تستی: بار کل را پیش از نوشتن فرمول صفر کن. گزینهٔ درست «یک یون کلسیم دو مثبت با دو یون کلرید یک منفی خنثی می‌شود.» است.

3. چرا جامد یونی معمولاً جریان الکتریکی را خوب عبور نمی‌دهد؟

یون‌ها در شبکهٔ بلوری جای ثابتی دارند و آزادانه جابه‌جا نمی‌شوند.
جامد یونی هیچ ذرهٔ بارداری در ساختار خود ندارد.
الکترون‌های جامد از ماده بیرون رفته‌اند و باربر نیستند.
یون‌ها در بلور میان الکترودها آزادانه حرکت می‌کنند.

پاسخنامه‌ی تحلیلی

«یون‌ها در شبکهٔ بلوری جای ثابتی دارند و آزادانه جابه‌جا نمی‌شوند.» درست است، زیرا یون باردار هست، اما در شبکهٔ جامد امکان حرکت آزاد ندارد. «الکترون‌های جامد از ماده بیرون رفته‌اند و باربر نیستند.» نادرست است، چون الکترون‌ها از ماده خارج نشده‌اند و یون‌ها بار دارند. «یون‌ها در بلور میان الکترودها آزادانه حرکت می‌کنند.» نادرست است، چون یون‌های شبکه جایگاه‌های تقریباً ثابتی دارند. «جامد یونی هیچ ذرهٔ بارداری در ساختار خود ندارد.» نادرست است، چون نمک یونی از یون‌های مثبت و منفی تشکیل شده است. تلهٔ تستی: وجود یون را با توان حرکت یون یکی نگیر. گزینهٔ درست «یون‌ها در شبکهٔ بلوری جای ثابتی دارند و آزادانه جابه‌جا نمی‌شوند.» است.

4. نمک مذاب چرا می‌تواند جریان را عبور دهد؟

نمک مذاب دیگر بار الکتریکی ندارد.
یون‌ها به مولکول‌های خنثی و بی‌حرکت بدل می‌شوند.
یون‌های باردار در مذاب می‌توانند حرکت کنند.
الکترون‌ها به اتم‌های تازه تبدیل می‌شوند.

پاسخنامه‌ی تحلیلی

«یون‌های باردار در مذاب می‌توانند حرکت کنند.» درست است، زیرا در مذاب شبکه باز می‌شود و یون‌ها حامل بار متحرک‌اند. «یون‌ها به مولکول‌های خنثی و بی‌حرکت بدل می‌شوند.» نادرست است، چون مذاب حرکت ذره‌ها را ممکن می‌کند. «الکترون‌ها به اتم‌های تازه تبدیل می‌شوند.» نادرست است، چون الکترون به اتم تبدیل نمی‌شود. «نمک مذاب دیگر بار الکتریکی ندارد.» نادرست است، چون ترکیب همچنان یون‌های مثبت و منفی دارد. تلهٔ تستی: حالت ماده را همراه نوع ذره در نظر بگیر. گزینهٔ درست «یون‌های باردار در مذاب می‌توانند حرکت کنند.» است.

5. پیوند کووالانسی میان دو نافلز چگونه ایجاد می‌شود؟

با به‌اشتراک‌گذاشتن یک یا چند جفت الکترون.
با انتقال همهٔ الکترون‌ها از هر دو اتم.
با چسباندن هسته‌ها و حذف لایهٔ بیرونی.
با جاذبهٔ یون‌های مثبت و منفیِ جدا.

پاسخنامه‌ی تحلیلی

«با به‌اشتراک‌گذاشتن یک یا چند جفت الکترون.» درست است، زیرا اتم‌های نافلز می‌توانند جفت الکترون را مشترک استفاده کنند. «با انتقال همهٔ الکترون‌ها از هر دو اتم.» نادرست است، چون انتقال الکترون معمولاً پیوند یونی می‌سازد. «با چسباندن هسته‌ها و حذف لایهٔ بیرونی.» نادرست است، چون هسته‌ها به هم نمی‌چسبند و الکترون‌ها حذف نمی‌شوند. «با جاذبهٔ یون‌های مثبت و منفیِ جدا.» نادرست است، چون پیوند کووالانسی بر پایهٔ اشتراک الکترون است. تلهٔ تستی: پیوند را از رفتار الکترون‌های ظرفیت تشخیص بده. گزینهٔ درست «با به‌اشتراک‌گذاشتن یک یا چند جفت الکترون.» است.

نمونه سؤال تشریحی

۳ سؤال امتحانی با پاسخ نمونه — برای دیدن بزن

۱. قاعدهٔ هشتایی را توضیح دهید و با کمک آن نشان دهید چرا فرمول ترکیب یونی منیزیم و نیتروژن به صورت Mg3N2 است.

پاسخ نمونه

لوویس دریافت که یون‌های پایدار آرایش الکترونی نزدیک‌ترین گاز نجیب را دارند، یعنی مدار آخرشان با ۸ الکترون پر است. اتم‌ها با دادن، گرفتن یا اشتراک الکترون به این آرایش پایدار می‌رسند؛ این قاعدهٔ هشتایی است. منیزیم با آرایش $2,8,2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین دو الکترون از دست می‌دهد و $\text{Mg}^{2+}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین می‌شود. نیتروژن با آرایش $2,5$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین سه الکترون می‌گیرد و $\text{N}^{3-}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین می‌شود. ترکیب یونی باید در مجموع خنثی باشد، پس باید شمار بارهای مثبت و منفی برابر شود. کوچک‌ترین مضرب مشترک ۲ و ۳ عدد ۶ است: سه یون منیزیم $3\times(+2)=+6$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و دو یون نیترید $2\times(-3)=-6$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین بار دارند. بنابراین ساده‌ترین نسبت سه به دو است و فرمول $\text{Mg}_3\text{N}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است.

۲. در آزمایش رسانایی، چرا نمودار رسانایی محلول سدیم کلرید با افزایش جرم حل‌شده صعودی است ولی نمودار محلول شکر تقریباً افقی می‌ماند؟

پاسخ نمونه

جریان برق در محلول را ذره‌های باردار آزاد یعنی یون‌ها حمل می‌کنند. سدیم کلرید ترکیبی یونی است و در آب تقریباً کامل به یون‌های $\text{Na}^{+}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $\text{Cl}^{-}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین جدا می‌شود. هرچه نمک بیشتری حل کنیم، شمار یون‌ها و در نتیجه رسانایی تقریباً به همان نسبت بالا می‌رود و نمودار صعودی و نزدیک به خطی می‌شود. شکر ترکیبی مولکولی است و مولکول‌هایش در آب سالم و بی‌بار پخش می‌شوند؛ هیچ یونی نمی‌سازد. پس افزودن شکر بیشتر، رسانایی را تقریباً تغییر نمی‌دهد و فقط رسانایی بسیار ناچیز خود آب دیده می‌شود. این تفاوت به ما کمک می‌کند ترکیب یونی را از مولکولی تشخیص دهیم.

۳. تفاوت قانون علمی و نظریهٔ علمی را با مثال پایستگی جرم توضیح دهید. چرا جرم چوب پس از سوختن در هوای آزاد کم می‌شود ولی این با قانون پایستگی جرم تناقض ندارد؟

پاسخ نمونه

قانون علمی توصیف می‌کند چه اتفاقی می‌افتد و نظریهٔ علمی توضیح می‌دهد چرا. لاووازیه با آزمایش نشان داد که جرم واکنش‌دهنده‌ها با جرم فراورده‌ها برابر است؛ این قانون پایستگی جرم است. اما چرایی آن را نظریهٔ اتمی دالتون روشن کرد: اتم‌ها در واکنش نه ساخته می‌شوند و نه از بین می‌روند، فقط جابه‌جا می‌شوند، پس جرم کل ثابت می‌ماند. چوبی که در هوای آزاد می‌سوزد یک سامانهٔ باز است. کربن دی‌اکسید و بخار آبِ تولیدشده به هوا می‌روند، پس خاکستر سبک‌تر است. اگر همهٔ گازهای خارج‌شده و اکسیژن مصرف‌شده را هم حساب کنیم، یا آزمایش را در ظرف بسته انجام دهیم، جرم کل ثابت می‌ماند و قانون برقرار است.

مباحث مرتبط

ادامه‌ی این مبحث رو ببین

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

ثبت‌نام رایگان