انواع جامدها و پیوندها (شیمی ۳)

۱. از گِل رودخانه تا سفالِ ماندگار

تاریخِ تمدن را نه با نام پادشاهان، که با نام موادی که در دست داشتیم تقسیم کرده‌ایم: عصر مفرغ، عصر آهن. همین نسبت میان ماده و ماندگاری، در مقیاس کوچک‌تر در سفالگری هم دیده می‌شود — گِلی ساده که با حرارت به ظرفی تبدیل می‌شود که هزاران سال دوام می‌آورد. پرسش محوری این فصل هم دقیقاً همین است: چرا مواد مختلف رفتارهای کاملاً متفاوتی دارند؟ پاسخ در نوع پیوند و نیروی نگهدارندهٔ ذرات نهفته است.

دسته	نیروی نگهدارنده	مثال
جامد مولکولی	نیروهای بین‌مولکولی	یخ، $\text{CO}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین جامد
جامد کووالانسی	پیوند کووالانسی گسترده در شبکه	الماس، سیلیس
جامد یونی	جاذبهٔ الکتروستاتیک بین یون‌ها	$\text{NaCl}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، $\text{MgO}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
جامد فلزی	دریای الکترونی	آهن، مس، آلومینیم

خاک رس نقطهٔ شروع خوبی است، چون برخلاف الماس یا نمک طعام که موادی نسبتاً خالص‌اند، مخلوطی طبیعی از چند اکسید معدنی است: حدود ۴۶ تا ۴۸ درصد $\text{SiO}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، حدود ۳۷ درصد $\text{Al}_2\text{O}_3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، حدود ۱۳ درصد آب و حدود یک درصد $\text{Fe}_2\text{O}_3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، به‌همراه مقدارهای کمتری $\text{Na}_2\text{O}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $\text{MgO}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین. همان یک درصد $\text{Fe}_2\text{O}_3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است که رنگ سرخ‌فام آشنای سفالینه‌ها و کاشی‌های سنتی را می‌سازد.

۲. سیلیس و شبکهٔ کووالانسی

بیشترین سهم خاک رس با سیلیس ( $\text{SiO}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین) است. برای شناختن آن، مقایسه با چند مادهٔ آشنا راهگشاست:

ماده	نوع ساختار	نیروی نگهدارنده	نقطهٔ ذوب	سختی
$\text{CO}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین جامد	مولکولی	بین‌مولکولی ضعیف	$-78.5°\text{C}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	بسیار کم
$\text{Si}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	کووالانسی	پیوند $\text{Si–Si}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین در شبکه	$1414°\text{C}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	زیاد
$\text{SiC}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	کووالانسی	پیوند $\text{Si–C}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین در شبکه	بسیار بالا	بسیار زیاد
$\text{SiO}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین (کوارتز)	کووالانسی	پیوند $\text{Si–O–Si}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین در شبکه	$1713°\text{C}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	بسیار زیاد

تفاوت بنیادین اینجاست: در $\text{CO}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین مولکول‌های مجزای $\text{O=C=O}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین با نیروهای ضعیف واندروالس کنار هم‌اند، اما در $\text{SiO}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین اصلاً مولکول مجزایی وجود ندارد — همهٔ اتم‌ها در یک شبکهٔ سه‌بعدی پیوسته به هم متصل‌اند، به‌طوری که هر $\text{Si}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین به چهار $\text{O}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و هر $\text{O}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین به دو $\text{Si}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین پیوند دارد، و هیچ‌گاه پیوند مستقیم $\text{Si–Si}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین یا $\text{O–O}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین در این شبکه دیده نمی‌شود.

سیلیسیم پس از اکسیژن فراوان‌ترین عنصر پوستهٔ جامد زمین و سیلیس فراوان‌ترین اکسید آن است؛ ماسه نمونهٔ ناخالص و کوارتز نمونهٔ خالص سیلیس است. از نظر سختی:

\text{الماس} > \text{SiO}_2 > \text{Si خالص}

یعنی پیوند $\text{Si–O}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین از پیوند $\text{Si–Si}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین محکم‌تر است. نکتهٔ دیگر اینکه برخلاف کربن که هم آزاد (الماس، گرافیت) و هم در ترکیب یافت می‌شود، سیلیسیم خالص هرگز به‌صورت آزاد در طبیعت وجود ندارد و همیشه با اکسیژن ترکیب شده است.

چرا $\text{Si}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین مثل $\text{C}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین رفتار نمی‌کند؟

کربن می‌تواند با اکسیژن پیوند $\pi$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین قوی بسازد و به مولکول مجزای $\text{CO}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین برسد؛ اما اوربیتال‌های $3p$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین سیلیسیم بزرگ‌ترند و هم‌پوشانی ضعیف‌تری می‌دهند، پس سیلیسیم پیوند $\sigma$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و ساختار شبکه‌ای را ترجیح می‌دهد. همین منطق توضیح می‌دهد چرا زنجیرسازی که پایهٔ شیمی آلی است در سیلیسیم بسیار محدودتر است:

\Delta H_{\text{C-C}} = 348\ \text{kJ·mol}^{-1} \quad \text{در برابر} \quad \Delta H_{\text{Si-Si}} = 226\ \text{kJ·mol}^{-1}

سیلیسیم را از احیای سیلیس با کربن می‌گیرند:

\text{SiO}_2\text{(s)} + 2\text{C(s)} \xrightarrow{\Delta} \text{Si(s)} + 2\text{CO(g)}

۳. دگرشکل‌های کربن

ویژگی	الماس	گرافیت	گرافن
پیوند هر اتم	چهار اتم، تتراهدری	سه اتم، در صفحه	سه اتم، در صفحه
چگالی $(\text{g/cm}^3)$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$3.51$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$2.27$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$\sim 2.27$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
رسانایی الکتریکی	ندارد	دارد	عالی
سختی	۱۰ موس	۱ تا ۲ موس	ده‌ها برابر فولاد

در الماس هر اتم کربن با چهار اتم دیگر پیوند تتراهدری دارد (عدد کوئوردیناسیون ۴)، و چون جابه‌جا کردن هر اتم مستلزم گسستن چهار پیوند محکم است، سخت‌ترین مادهٔ شناخته‌شده با نقطهٔ ذوب $3550°\text{C}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین به‌شمار می‌رود. الماس عایق است چون هر چهار الکترون ظرفیت درگیر پیوندند و الکترون آزادی نمی‌ماند.

در گرافیت هر اتم فقط با سه اتم دیگر در صفحه‌های شش‌گوش پیوند دارد و یک الکترون از هر اتم آزاد می‌ماند؛ همین الکترون آزاد گرافیت را رسانا می‌کند. بین لایه‌ها فقط نیروی ضعیف واندروالس برقرار است، پس لایه‌ها روی هم می‌لغزند و گرافیت لغزنده و مناسب روان‌کننده و مغز مداد می‌شود.

گرافن تک‌لایه‌ای جداشده از گرافیت است: صفحه‌ای لانه‌زنبوری با زاویهٔ پیوندی دقیقِ $120°$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، ضخامت تک‌اتمی حدود $0.134\ \text{nm}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، شفافیت حدود $97.7\%$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و مساحت مخصوص شگفت‌آور $2630\ \text{m}^2/\text{g}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین — یعنی یک گرم گرافنِ کاملاً بازشده مساحتی به اندازهٔ چند زمین فوتبال دارد.

۴. مواد مولکولی و نیروهای بین‌مولکولی

مادهٔ مولکولی ماده‌ای است که واحدهای سازنده‌اش مولکول‌های مجزا هستند و با نیروهای بین‌مولکولی — نه پیوند کووالانسی — کنار هم می‌مانند. این تمایز یک پیامد نوشتاری هم دارد: فرمولی مثل $\text{H}_2\text{O}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین یا $\text{HF}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین فرمول مولکولی است، اما آنچه برای $\text{SiO}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، $\text{NaCl}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، گرافیت یا $\text{Na}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین می‌نویسیم فرمول تجربی است، نه مولکولی.

سه نیروی بین‌مولکولی داریم:

واندروالس (لندن): ناشی از دوقطبی‌های لحظه‌ای؛ در همهٔ مواد وجود دارد و با افزایش جرم مولی و تعداد الکترون قوی‌تر می‌شود.
دوقطبی–دوقطبی (کیزوم): بین مولکول‌های قطبی ( $\mu \neq 0$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین).
پیوند هیدروژنی: وقتی هیدروژن به $\text{F}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، $\text{O}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین یا $\text{N}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین متصل باشد؛ قوی‌ترین نیروی بین‌مولکولی با حدود ۵ تا ۳۰ کیلوژول بر مول.

\text{پیوند هیدروژنی} > \text{دوقطبی–دوقطبی} > \text{واندروالس}

اهمیت پیوند هیدروژنی را با یک عدد می‌شود سنجید: اگر آب فقط نیروی واندروالس داشت، نقطهٔ جوشش حدود $-80°\text{C}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین می‌شد، نه $100°\text{C}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین.

یخ و سیلیس، شباهتی فریبنده

در ساختار یخ هر مولکول $\text{H}_2\text{O}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین با چهار مولکول دیگر پیوند هیدروژنی می‌سازد و شبکه‌ای شش‌گوش و سه‌بعدی پدید می‌آید که فضای بیشتری اشغال می‌کند؛ به همین دلیل چگالی یخ ( $0.917\ \text{g/cm}^3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین) از آب مایع ( $1.000\ \text{g/cm}^3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین) کمتر است و یخ روی آب می‌ماند.

اینجا یک تلهٔ دیدنی هست: حلقه‌های شش‌ضلعی منظم یخ از نظر ظاهر بلوری شگفت‌آور شبیه ساختار کوارتز به‌نظر می‌رسند. اما نوع پیوندی که این حلقه‌ها را نگه می‌دارد از زمین تا آسمان فرق دارد. در سیلیس همهٔ اتم‌ها با پیوند کووالانسی مشترک به یک شبکهٔ پیوسته وصل‌اند و کل بلور کوارتز را می‌توان یک مولکول غول‌پیکر دانست؛ در یخ مولکول‌های مجزا با پیوند هیدروژنی به‌مراتب ضعیف‌تر کنار هم نگه داشته شده‌اند. همین است که توضیح می‌دهد چرا سیلیس تا بالای $1700°\text{C}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین ذوب نمی‌شود ولی یخ در دست ما آب می‌شود.

۵. قطبیت مولکول‌ها

مولکول‌های دواتمی جورهسته مانند $\text{H}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، $\text{Cl}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، $\text{O}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $\text{N}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین ناقطبی‌اند، چون دو اتم یکسان الکترون‌های پیوندی را به‌طور مساوی بین خود توزیع می‌کنند. مولکول‌های ناجورهسته مانند $\text{HCl}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، $\text{HF}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $\text{CO}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین به‌دلیل اختلاف الکترونگاتیوی قطبی‌اند:

\chi_{\text{F}} > \chi_{\text{O}} > \chi_{\text{N}} > \chi_{\text{Cl}} > \chi_{\text{C}} > \chi_{\text{H}}

برای مولکول‌های چنداتمی، قطبی بودن به دو شرط نیاز دارد: وجود پیوندهای ناهم‌قطبی، و عدم تقارن در چیدمان آن‌ها.

مولکول	شکل هندسی	تقارن	نتیجه
$\text{CO}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	خطی	متقارن	ناقطبی
$\text{H}_2\text{O}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	خمیده	نامتقارن	قطبی
$\text{CCl}_4$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	تتراهدری	متقارن	ناقطبی
$\text{CHCl}_3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	تتراهدری	نامتقارن	قطبی
$\text{NH}_3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	هرمی	نامتقارن	قطبی
$\text{BF}_3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	مثلثی مسطح	متقارن	ناقطبی

پس $\text{CO}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین با اینکه پیوند $\text{C=O}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین قطبی دارد ناقطبی است، چون دو گشتاور پیوندی متضاد یکدیگر را خنثی می‌کنند؛ و $\text{H}_2\text{O}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین قطبی است چون جفت‌های ناپیوندی اکسیژن تقارن را می‌شکنند.

۶. ساختار لوویس، بار جزئی و نقشهٔ پتانسیل الکتروستاتیک

طبق قانون هشت‌تایی، هر اتم (جز هیدروژن) تمایل دارد هشت الکترون در اطرافش داشته باشد؛ یعنی جمع جفت‌های پیوندی و ناپیوندی به هشت برسد. استثناها را باید به خاطر سپرد: $\text{H}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین فقط دو الکترون، $\text{Be}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین چهار و $\text{B}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین شش الکترون (هر دو ناقص)، و عناصر دورهٔ سوم به بعد که به‌دلیل اوربیتال $d$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین خالی می‌توانند بیش از هشت الکترون بپذیرند.

بار جزئی $\delta^-$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین روی اتم الکترونگاتیوتر و $\delta^+$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین روی اتم دیگر می‌نشیند، و گشتاور دوقطبی از $\mu = q \times d$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین به دست می‌آید که $q$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین بار جزئی و $d$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین فاصلهٔ دو مرکز بار است.

نقشهٔ پتانسیل الکتروستاتیک (EPM) رنگ‌آمیزی گرافیکی چگالی بار روی سطح مولکول است: سرخ تراکم بار منفی و آبی تراکم بار مثبت را نشان می‌دهد. تلهٔ رایج اینجاست که EPM موقعیت یک الکترون خاص را نشان نمی‌دهد؛ این نقشه فقط توزیع کلی چگالی بار را تصویر می‌کند، نه مسیر حرکت تک‌تک الکترون‌ها.

۷. جامدهای یونی

ترکیب یونی از دادوستد الکترون ساخته می‌شود:

\text{Na} \rightarrow \text{Na}^+ + e^- \quad(\text{اکسایش}), \qquad \text{Cl} + e^- \rightarrow \text{Cl}^- \quad(\text{کاهش})

با تشکیل یون، شعاع به‌شدت تغییر می‌کند: شعاع $\text{Na}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین از $186$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین به $102\ \text{pm}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین در $\text{Na}^+$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین می‌رسد (چون کل لایهٔ سوم حذف می‌شود) و شعاع $\text{Cl}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین از $99$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین به $181\ \text{pm}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین در $\text{Cl}^-$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین می‌رسد (چون کشش هسته بین الکترون‌های بیشتری تقسیم می‌شود).

شبکه و عدد کوئوردیناسیون

در شبکهٔ $\text{NaCl}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین هر $\text{Na}^+$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین با شش $\text{Cl}^-$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و هر $\text{Cl}^-$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین با شش $\text{Na}^+$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین احاطه شده است. نام رسمی این شمار، عدد کوئوردیناسیون است: تعداد نزدیک‌ترین یون‌های ناهم‌نامی که هر یون را دربر گرفته‌اند. چرا شش؟ چون نسبت شعاع‌ها تعیین‌کننده است:

\frac{r_{\text{Na}^+}}{r_{\text{Cl}^-}} = \frac{102}{181} \approx 0.56 \quad \Rightarrow \quad \text{عدد کوئوردیناسیون } 6

قاعدهٔ کلی چنین است: نسبت بین $0.41$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $0.73$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین عدد ۶ می‌دهد، بالاتر از $0.73$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین عدد ۸ و کمتر از $0.41$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین عدد ۴. پس آرایش $\text{NaCl}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین تنها یکی از چند آرایش ممکن است؛ در $\text{CsCl}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین به‌دلیل شعاع بزرگ‌تر $\text{Cs}^+$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، عدد کوئوردیناسیون هر دو یون ۸ است.

آنتالپی فروپاشی شبکه

\text{NaCl(s)} \rightarrow \text{Na}^+\text{(g)} + \text{Cl}^-\text{(g)} \qquad \Delta H_{\text{فروپاشی}} = +787\ \text{kJ·mol}^{-1}

تعریف دقیق را باید سفت گرفت، چون یکی از رایج‌ترین اشتباهات همین‌جاست: آنتالپی فروپاشی شبکه انرژی لازم برای تجزیهٔ یک مول جامد یونی به یون‌های گازی است، نه به اتم‌های خنثای گازی و نه به عناصر سازنده.

\Delta H_{\text{فروپاشی}} \propto \frac{|Z^+| \times |Z^-|}{r^+ + r^-}

ترکیب	$\Delta H_{\text{فروپاشی}}\ (\text{kJ·mol}^{-1})$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
$\text{NaF}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$926$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
$\text{NaCl}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$787$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
$\text{KBr}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$689$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
$\text{MgO}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$3795$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین

سه روند از این رابطه بیرون می‌آید: با افزایش شعاع کاتیون ( $\text{Li}^+ < \text{Na}^+ < \text{K}^+$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین) آنتالپی فروپاشی کم می‌شود، با افزایش شعاع آنیون ( $\text{F}^- < \text{Cl}^- < \text{Br}^-$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین) هم کم می‌شود، و با افزایش بار یون‌ها به‌شدت زیاد می‌شود — به همین دلیل $\text{MgO}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین با یون‌های دوباری آنتالپی فروپاشی چندبرابر $\text{NaCl}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین دارد. هرچه این آنتالپی بیشتر باشد، نقطهٔ ذوب آن جامد یونی هم بالاتر است.

چگالی بار

\text{چگالی بار} = \frac{|\text{بار یون}|}{\text{شعاع یون}}

هرچه چگالی بار بیشتر باشد، جاذبه قوی‌تر، شبکه محکم‌تر، آنتالپی فروپاشی بیشتر و نقطهٔ ذوب بالاتر است. تصویر ملموسش این است: با انگشت به کف دست فشار بیاورید و بعد همان نیرو را با نوک سوزن وارد کنید. نیرو یکی است، اما تمرکزش فرق دارد. یون کوچکِ پرباری مثل $\text{Mg}^{2+}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین نوک سوزن است و یون بزرگِ کم‌بار مثل $\text{K}^+$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین کف دست.

۸. فلزها و مدل دریای الکترونی

\text{فلز} = \text{کاتیون‌های مثبت در آرایش منظم} + \text{دریای الکترون‌های آزاد}

دقت در مدل مهم است: کاتیون‌های فلزی در جایگاه‌های ثابت شبکه‌اند و جابه‌جا نمی‌شوند؛ تنها سست‌ترین الکترون‌های ظرفیت آزادانه بین آن‌ها شناورند و به هیچ کاتیون خاصی تعلق ندارند.

خاصیت	توجیه با دریای الکترونی
رسانایی الکتریکی	الکترون‌های آزاد حامل جریان‌اند
رسانایی گرمایی	الکترون‌های آزاد انرژی را سریع منتقل می‌کنند
جلا	الکترون‌های آزاد نور را جذب و بازتاب می‌کنند
انعطاف‌پذیری و چکش‌خواری	لایه‌های کاتیون بدون شکستن شبکه روی هم می‌لغزند

در برابر این، جامدهای یونی شکننده‌اند، چون با لغزیدن لایه‌ها، یون‌های هم‌بار مقابل یکدیگر قرار می‌گیرند و دافعه ساختار را ناگهان می‌شکند.

استحکام پیوند فلزی (و در نتیجه نقطهٔ ذوب فلز) به سه عامل بستگی دارد: بار کاتیون (هرچه بیشتر، جاذبه با دریای الکترون قوی‌تر)، شعاع کاتیون (هرچه کوچک‌تر، جاذبه فشرده‌تر) و تعداد الکترون‌هایی که هر اتم به دریا می‌دهد. به همین سه دلیل آلومینیم با سه الکترون آزادشده و شعاع کوچک‌تر، نقطهٔ ذوب بالاتری از منیزیم دارد.

۹. چرا مواد رنگ دارند؟

چشم انسان فقط بازهٔ باریکی از طیف الکترومغناطیس، از حدود $400$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین تا $700\ \text{nm}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، را می‌بیند. وقتی نور سفید به جسمی می‌تابد، بخشی جذب و بقیه بازتاب می‌شود، و قاعدهٔ کلیدی این است:

\text{رنگ دیده‌شده} = \text{رنگ مکملِ رنگ جذب‌شده}

سه مثال این قاعده را ملموس می‌کند: دوده تقریباً همهٔ طول‌موج‌های مرئی را جذب می‌کند و سیاه دیده می‌شود؛ $\text{TiO}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین هیچ طول‌موج مرئی را جذب نمی‌کند و یکی از سفیدترین پیگمنت‌هاست؛ و $\text{Fe}_2\text{O}_3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین — همان اکسید آهنِ خاک رس در ابتدای فصل — بخش عمدهٔ طیف سبز-آبی را جذب می‌کند و قرمز دیده می‌شود. طبیعت هم از همین قاعده استفاده می‌کند: کلروفیل دو قلهٔ جذب دارد، یکی در ناحیهٔ آبی و یکی در ناحیهٔ قرمز، و نور سبز میانی را بازمی‌تاباند.

در ترکیبات فلزهای واسطه، اوربیتال‌های $d$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین نیمه‌پر با اتصال لیگاندها به دو سطح انرژی متفاوت شکافته می‌شوند (شکست میدان بلور) و الکترون با جذب بخشی از نور مرئی به سطح بالاتر می‌رود:

\Delta E = h\nu = \frac{hc}{\lambda}

زنجیرهٔ رنگی وانادیم بهترین نمایش این رابطه است. اگر به محلولی از $\text{NH}_4\text{VO}_3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین (وانادیم با عدد اکسایش $5+$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین) به‌تدریج پودر روی اضافه کنیم، روی به‌عنوان کاهنده وانادیم را مرحله‌به‌مرحله کاهش می‌دهد و رنگ محلول از زرد ( $\text{V}^{5+}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین) به آبی ( $\text{V}^{4+}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین)، سپس سبز ( $\text{V}^{3+}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین) و سرانجام بنفش ( $\text{V}^{2+}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین) می‌رود. با هر مرحله یک الکترون به یون اضافه می‌شود، آرایش اوربیتال‌های $d$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین تغییر می‌کند و طول‌موج جذب‌شده — و بنابراین رنگ — عوض می‌شود.

۱۰. تیتانیم

تیتانیم ( $_{22}\text{Ti}: [\text{Ar}]3d^24s^2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین) ترکیب نادری از دو مزیت دارد: هم سبک‌تر از فولاد است (چگالی $4.51$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین در برابر $7.90$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین) و هم در برابر خوردگی مقاوم‌تر، ضمن اینکه نقطهٔ ذوب بالاتری هم دارد ( $1667$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین در برابر $1535$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین درجه). راز مقاومتش تشکیل لایهٔ نازک، چسبنده و بسیار چگال $\text{TiO}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین روی سطح است که اکسیژن را از فلز زیرین دور نگه می‌دارد؛ آلومینیم هم با لایهٔ $\text{Al}_2\text{O}_3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین همین رفتار را دارد و به این پدیده پسیواسیون می‌گویند. همین خواص، تیتانیم را به گزینهٔ اول پرهٔ کشتی و زیردریایی و نیز پوشش بیرونی ساختمان‌هایی مانند موزهٔ گوگنهایم بیلبائو تبدیل کرده است.

۱۱. جمع‌بندی چهار دسته و کلید شناسایی

ویژگی	مولکولی	کووالانسی	یونی	فلزی
واحد سازنده	مولکول	اتم	یون	کاتیون + الکترون آزاد
نیروی نگهدارنده	بین‌مولکولی	پیوند کووالانسی	الکتروستاتیک	دریای الکترونی
نقطهٔ ذوب	پایین	بسیار بالا	بالا	متوسط تا بالا
رسانایی در حالت جامد	ندارد	ندارد	ندارد	دارد
رسانایی در مذاب یا محلول	ندارد	ندارد	دارد (با الکترولیز)	دارد (بدون واکنش)
سختی و رفتار مکانیکی	کم	بسیار زیاد	زیاد، شکننده	متوسط، انعطاف‌پذیر

برای تشخیص نوع یک جامد، این زنجیرهٔ پرسش کار را ساده می‌کند: آیا در حالت جامد رسانا است؟ اگر بله، فلزی است. اگر نه، آیا در حالت مذاب رسانا می‌شود؟ اگر بله، یونی است. اگر باز هم نه، آیا نقطهٔ ذوب بسیار بالا و سختی زیاد دارد؟ اگر بله، کووالانسی است؛ و اگر نقطهٔ ذوبش پایین باشد، مولکولی است.

۱۲. آنیون‌های چهاروجهی

سه آنیون مهم این فصل هر سه چهاروجهی‌اند و بار هرکدام از جمع عدد اکسایش اتم مرکزی با بار چهار اکسیژن حاصل می‌شود: سیلیکات $\text{SiO}_4^{4-}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، فسفات $\text{PO}_4^{3-}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و سولفات $\text{SO}_4^{2-}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین. با حرکت از $\text{Si}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین به $\text{P}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $\text{S}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین در جدول تناوبی، عدد اکسایش اتم مرکزی از $4+$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین به $5+$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $6+$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین می‌رود و بار منفی آنیون به‌ترتیب از $4-$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین به $3-$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $2-$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین کم می‌شود. همین روند در طول پیوند $\text{X–O}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین (سولفات کوتاه‌ترین، سیلیکات بلندترین) و در رسانایی محلول نمک سدیم هم‌مولال آن‌ها (سیلیکات بیشتر از فسفات، فسفات بیشتر از سولفات) هم بازتاب پیدا می‌کند.

۱۳. نقطهٔ ذوب، نقطهٔ جوش و گسترهٔ مایع

در مواد مولکولی، قوی‌تر شدن نیروی بین‌مولکولی نقطهٔ جوش را بالا می‌برد. نمونهٔ کلاسیکش نقطهٔ جوش $\text{HF}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین برابر $19.5°\text{C}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین در برابر $\text{HBr}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین با $-66.8°\text{C}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $\text{HCl}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین با $-85.1°\text{C}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است؛ تنها در $\text{HF}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین پیوند هیدروژنی وجود دارد.

\text{گسترهٔ دمایی مایع} = T_{\text{جوش}} - T_{\text{ذوب}}

ماده	$T_{\text{ذوب}}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$T_{\text{جوش}}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	گسترهٔ مایع
$\text{N}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$-210$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$-196$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$14°\text{C}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
$\text{HF}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$-83$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$19$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$102°\text{C}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
$\text{NaCl}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$801$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$1413$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$612°\text{C}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین

این گستره خودش شاخصی از استحکام ساختار است: هرچه نیروی نگهدارندهٔ ذرات قوی‌تر باشد، ماده در بازهٔ دمایی وسیع‌تری مایع می‌ماند.

خلاصه‌ی درسنامه

۱. از گِل رودخانه تا سفالِ ماندگار

۲. سیلیس و شبکهٔ کووالانسی

چرا $\text{Si}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین مثل $\text{C}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین رفتار نمی‌کند؟

۳. دگرشکل‌های کربن

۴. مواد مولکولی و نیروهای بین‌مولکولی

یخ و سیلیس، شباهتی فریبنده

۵. قطبیت مولکول‌ها

۶. ساختار لوویس، بار جزئی و نقشهٔ پتانسیل الکتروستاتیک

۷. جامدهای یونی

شبکه و عدد کوئوردیناسیون

آنتالپی فروپاشی شبکه

چگالی بار

۸. فلزها و مدل دریای الکترونی

۹. چرا مواد رنگ دارند؟

۱۰. تیتانیم

۱۱. جمع‌بندی چهار دسته و کلید شناسایی

۱۲. آنیون‌های چهاروجهی

۱۳. نقطهٔ ذوب، نقطهٔ جوش و گسترهٔ مایع

مباحث مرتبط

ادامه‌ی این مبحث رو ببین

خلاصه‌ی درسنامه

۱. از گِل رودخانه تا سفالِ ماندگار

۲. سیلیس و شبکهٔ کووالانسی

چرا Si\text{Si}Siادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی مثل C\text{C}Cادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی رفتار نمی‌کند؟

۳. دگرشکل‌های کربن

۴. مواد مولکولی و نیروهای بین‌مولکولی

یخ و سیلیس، شباهتی فریبنده

۵. قطبیت مولکول‌ها

۶. ساختار لوویس، بار جزئی و نقشهٔ پتانسیل الکتروستاتیک

۷. جامدهای یونی

شبکه و عدد کوئوردیناسیون

آنتالپی فروپاشی شبکه

چگالی بار

۸. فلزها و مدل دریای الکترونی

۹. چرا مواد رنگ دارند؟

۱۰. تیتانیم

۱۱. جمع‌بندی چهار دسته و کلید شناسایی

۱۲. آنیون‌های چهاروجهی

۱۳. نقطهٔ ذوب، نقطهٔ جوش و گسترهٔ مایع

مباحث مرتبط

ادامه‌ی این مبحث رو ببین

چرا $\text{Si}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین مثل $\text{C}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین رفتار نمی‌کند؟