فلزها، نافلزها و بسپارها (علوم نهم)

فصل ۱: مواد و نقش آنها در زندگی

بخش ۱: فلزها و خواص آن‌ها

فلز عنصری است که معمولاً براق، رسانای گرما و الکتریسیته، و قابل انعطاف است. انسان از هزاران سال پیش فلزها را شناخته و از آن‌ها در ساخت ابزار، خانه، زیورآلات، وسایل حمل‌ونقل و پل استفاده کرده است.

مس (Cu): رنگ سرخ‌براق دارد؛ از ذوب سنگ معدن در دمای بالا به دست می‌آید؛ معدن مس سرچشمه در استان کرمان از معادن مهم ایران است. خواص کلیدی مس: رسانای الکتریکی بالا (سیم‌کشی ساختمان)، مقاومت در برابر خوردگی (ظروف و لوله‌کشی)، قابلیت مفتول شدن (سیم‌های نازک).

واکنش‌پذیری فلزها

همه فلزها به یک اندازه واکنش‌پذیر نیستند:

معادله واکنش مس با اکسیژن: $\text{فلز مس} + \text{گاز اکسیژن} \rightarrow \text{مس‌اکسید}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی

نکته امتحانی: ظروف آهنی زودتر از ظروف مسی زنگ می‌زنند چون آهن واکنش‌پذیری بیشتری نسبت به مس دارد.

بخش ۲: نافلزها و نقش آن‌ها

اکسیژن (O): در هوا به صورت مولکول دو اتمی ($O_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) وجود دارد؛ شکل دیگر آن اوزون ($O_3$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، مولکول سه‌اتمی) است. لایه اوزون در بالای جو زمین، از رسیدن پرتوهای فرابنفش خطرناک به زمین جلوگیری می‌کند.

سولفوریک اسید ($H_2SO_4$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی): ترکیب مهمی از اکسیژن، هیدروژن و گوگرد؛ کاربردها: تهیه کود شیمیایی، تولید پلاستیک، چرم‌سازی، تولید شوینده‌ها، تهیه رنگ، خودروسازی.

گوگرد (S): جامد زردرنگ، در دهانه آتشفشان‌های خاموش یا نیمه‌فعال یافت می‌شود.

نیتروژن (N): در هوا به صورت مولکول دو اتمی ($N_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی)؛ ماده اولیه تولید آمونیاک ($NH_3$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی). کاربردها: کود شیمیایی، مواد منفجره، یخ‌سازی.

فسفر (P) و کربن (C): فسفر در کبریت و کودهای شیمیایی، کربن در ساختار مواد آلی و پلاستیک نقش دارد.

فلوئور (F) و کلر (Cl): هر دو در مدار آخر اتم خود ۷ الکترون دارند ← خواص مشابه. فلوئور (به صورت یون فلوئورید) در خمیردندان برای جلوگیری از پوسیدگی دندان؛ کلر: ضدعفونی آب، میکروب‌کش، آفت‌کش، هیدروکلریک اسید.

بخش ۳: طبقه‌بندی عنصرها

دانشمندان عنصرها را بر اساس تعداد الکترون‌های مدار آخر طبقه‌بندی می‌کنند. عنصرهایی که تعداد الکترون مدار آخرشان برابر است، در یک ستون قرار می‌گیرند و خواص مشابهی دارند. عنصرها از عدد اتمی ۱ تا ۱۸ در ۸ ستون جدول‌بندی می‌شوند.

مثال: $_{11}Na$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، $_{3}Li$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، $_{19}K$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی همه ۱ الکترون در مدار آخر دارند ← فلز بسیار واکنش‌پذیر.

نقش عنصرها در بدن انسان: آهن (Fe) در هموگلوبین خون؛ سدیم (Na) و پتاسیم (K) در فعالیت قلب؛ ید (I) در تنظیم فعالیت‌های بدن؛ کلسیم (Ca) در رشد استخوان‌ها.

نکته امتحانی: بیشترین عنصر موجود در بدن انسان اکسیژن (۶۵٪) و در پوسته زمین نیز اکسیژن (۴۶٪) است.

بخش ۴: بسپارها (پلیمرها)

مولکول‌های کوچک: تعداد اتم محدود دارند (مثل $O_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، $NH_3$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی). درشت‌مولکول: از تعداد بسیار زیادی اتم ساخته شده (مثل سلولز، چربی، هموگلوبین). بسپار (پلیمر): دسته‌ای از درشت‌مولکول‌ها که از اتصال تعداد زیادی مولکول کوچک به هم (زنجیر بلند) به وجود می‌آیند.

پلاستیک‌ها در محیط زیست به‌راحتی تجزیه نمی‌شوند و سوزاندن آن‌ها بخارات سمی وارد هوا می‌کند؛ راه‌حل: بازگردانی (Recycling). کدهای مثلثی روی کالاهای پلاستیکی نوع پلاستیک را برای جداسازی مشخص می‌کنند.

نکات فراتر از کتاب

• سری فعالیت فلزات: فلز فعال‌تر می‌تواند فلز کم‌فعال‌تر را از ترکیبش جابه‌جا کند. ترتیب فعالیتِ چهار فلز این فصل: $\text{منیزیم} > \text{آهن} > \text{مس} > \text{طلا}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی. نکته‌ی کلیدی تیزهوشانی: فلز فعال‌تر، فلز کم‌فعال‌تر را از محلول نمکش بیرون می‌راند (واکنش جابه‌جایی).

• آزمایش میخ آهنی در محلول کات‌کبود: چون آهن از مس فعال‌تر است، آهن وارد محلول می‌شود و مس به رنگ قرمز-براق روی میخ می‌نشیند؛ رنگ آبیِ محلول هم کم‌رنگ‌تر می‌شود چون یون‌های مس مصرف می‌شوند.

• لایه اوزون در ارتفاع تقریباً ۱۵ تا ۳۵ کیلومتری جو قرار دارد؛ گازهای صنعتی مثل CFC آن را تخریب می‌کنند؛ به همین دلیل استفاده از این گازها طی پیمان‌نامه‌های بین‌المللی (مثل پروتکل مونترال) محدود شده است.

• گازهای نجیب: عنصرهایی که مدار آخرشان کاملاً پر باشد (مثل نئون و آرگون، با ۸ الکترون در مدار آخر)، تقریباً هیچ واکنشی نمی‌دهند.

• فراوانی عنصرها در محیط‌های مختلف (تقریبی):

• بسپارهای زیست‌تخریب‌پذیر (Biodegradable) نوع جدیدی از بسپارهای مصنوعی‌اند که مانند بسپارهای طبیعی در طبیعت تجزیه می‌شوند.

• DNA و پروتئین‌ها (مثل هموگلوبین) هم بسپار طبیعی‌اند.

• برخی بی‌مهرگان (مثل صدف‌ها) به‌جای هموگلوبین از پروتئین «هموسیانین» استفاده می‌کنند که به‌جای آهن، مس دارد؛ خون این جانوران وقتی اکسیژن‌دار باشد، آبی‌رنگ دیده می‌شود.

اشتباهات رایج دانش‌آموزان

خیلی‌ها فکر می‌کنند فلزی که کندتر با اکسیژن واکنش می‌دهد، «فلز بی‌کیفیت‌تری» است؛ ولی سرعت واکنش‌پذیری فقط نشان می‌دهد آن فلز چقدر راحت الکترون از دست می‌دهد، نه کیفیت آن.

خیلی‌ها فکر می‌کنند اکسیژن ($O_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) و اوزون ($O_3$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) دو ماده‌ی کاملاً بی‌ربط‌اند؛ ولی هر دو فقط از عنصر اکسیژن ساخته شده‌اند و تفاوتشان فقط تعداد اتم در هر مولکول است («آلوتروپی»).

خیلی‌ها فکر می‌کنند عنصرهای هم‌ستون باید تعداد کل الکترون یکسانی داشته باشند؛ ولی فقط تعداد الکترون‌های مدار آخر آن‌ها یکسان است — سدیم و پتاسیم با عدد اتمی کاملاً متفاوت، هر دو در یک ستون‌اند.

خیلی‌ها فکر می‌کنند بسپار مصنوعی همیشه غیرقابل‌تجزیه و بسپار طبیعی همیشه سریع تجزیه می‌شود؛ ولی سرعت تجزیه به ساختار شیمیایی دقیق ماده بستگی دارد و امروزه بسپارهای مصنوعیِ زیست‌تخریب‌پذیر هم ساخته می‌شوند.

نمونه سؤال

سؤال عادی

کدام گزینه درباره‌ی واکنش‌پذیری فلزهای این فصل با اکسیژن هوا نادرست است؟

۱) منیزیم با شعله‌ای پرنور می‌سوزد. ۲) آهن به‌مرور زمان زنگ می‌زند. ۳) طلا هیچ واکنشی با اکسیژن نشان نمی‌دهد. ۴) مس سریع‌تر از آهن با اکسیژن واکنش می‌دهد.

پاسخ: گزینه ۴ نادرست است. طبق نکته‌ی امتحانیِ فصل، آهن واکنش‌پذیری بیشتری نسبت به مس دارد (به همین دلیل ظروف آهنی زودتر از ظروف مسی زنگ می‌زنند)؛ پس آهن است که سریع‌تر واکنش می‌دهد، نه مس.

سؤال تیزهوشانی ۱ (ترکیبی)

عنصر X عدد اتمی ۱۲ دارد. با دانستن اینکه آرایش الکترونی لایه‌ها به‌ترتیب از هسته با حداکثر ۲، سپس ۸، سپس ۸ الکترون پر می‌شود، عنصر X در طبقه‌بندی ستونیِ این فصل، هم‌ستون با کدام عنصر زیر قرار می‌گیرد؟

۱) سدیم ($_{11}Na$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) ۲) کلسیم ($_{20}Ca$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) ۳) کلر ($_{17}Cl$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) ۴) نئون ($_{10}Ne$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی)

پاسخ: X با عدد اتمی ۱۲: آرایش $۲,۸,۲$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی ← مدار آخر: ۲ الکترون. کلسیم ($۲۰$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی): آرایش $۲,۸,۸,۲$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی ← مدار آخر: ۲ الکترون. چون معیار هم‌ستونی برابریِ تعداد الکترون مدار آخر است، X با کلسیم هم‌ستون است. گزینه ۲ درست است.

سؤال تیزهوشانی ۲ (ترکیبی، چندمرحله‌ای)

یک میخ آهنی را داخل محلول آبی کات‌کبود (مس سولفات) قرار می‌دهیم. پس از مدتی رنگ آبیِ محلول کم‌رنگ‌تر می‌شود و لایه‌ای قرمز-براق روی میخ می‌نشیند. علت این پدیده چیست؟

پاسخ: طبق سریِ فعالیتِ فلزهای این فصل ($\text{آهن}>\text{مس}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی)، آهن فعال‌تر از مس است. در این واکنشِ جابه‌جایی، آهن جای مس را در ترکیب می‌گیرد و وارد محلول می‌شود، درحالی‌که مس به شکل فلز جامد روی میخ می‌نشیند. کاهش رنگ آبیِ محلول هم به این دلیل است که یون‌های مس — که مسئول رنگ آبی‌اند — مصرف می‌شوند.

جمع‌بندی نهایی

مواد دنیای اطراف ما از عنصرها و ترکیب‌های آن‌ها ساخته شده‌اند. فلزها مانند مس، آهن و منیزیم واکنش‌پذیری متفاوتی دارند و این تفاوت در انتخاب کاربردشان نقش مستقیم دارد. نافلزها مانند اکسیژن، نیتروژن، گوگرد، کربن و کلر در ساختار ترکیب‌های مهم صنعتی و زیستی حضور دارند. طبقه‌بندی عنصرها بر اساس الکترون‌های مدار آخر، یافتن شباهت خواص عنصرها را ممکن می‌سازد. در نهایت بسپارها — چه طبیعی چه مصنوعی — بخش بزرگی از مواد زندگی روزمره را تشکیل می‌دهند؛ با این تفاوت که بسپارهای مصنوعی مثل پلاستیک، چالش جدی زیست‌محیطی ایجاد می‌کنند.