تدریس فصل اول شیمی دهم ریاضی و تجربی – اتم و عنصر

عنصر چیست شیمی دهم

در شیمی، کلمه “عنصر” به معنای ماده ای است که فقط از یک نوع اتم تشکیل شده است که همه آنها دارای تعداد پروتون یکسان هستند. طلای خالص یک نمونه معروف است. حلقه ای ساخته شده از طلای خالص از میلیون ها میلیون اتم ساخته می شود که هر کدام دارای 79 پروتون در هسته خود هستند و بنابراین دارای عدد اتمی یکسانی هستند.

همچنین منصفانه است که بگوییم یک عنصر نوعی اتم است. در جدول تناوبی، اتم ها بر اساس تعداد پروتون هایشان به عناصر مختلفی طبقه بندی می شوند. کوچکترین هیدروژن است که فقط یک پروتون دارد. هلیم حاوی دو پروتون و غیره است. تاکنون 118 عنصر کشف شده است که البته 24 مورد از آنها ساخته دست بشر هستند و به طور طبیعی در زمین وجود ندارند.

اتم چیست شیمی دهم

اتم ذره ای از ماده است که به طور منحصر به فردی یک عنصر شیمیایی را تعریف میکند. یک اتم از یک هسته مرکزی تشکیل شده است که این هسته شامل پروتون ها ونوترون ها میباشد . که توسط یک یا چند الکترون با بار منفی احاطه شده است.

در کل اتم از پروتون , الکترون , و نوترون تشکیل شده است. الکترون ها حول پروتون ها و نوترون ها میچرخند. پروتون ها دارای بار مثبت و الکترون ها دارای بار منفی هستند. و نوترون ها بار ندارند. پروتون ها آزادانه حرکت حرکت نمیکنند , بنابرین فقط الکترون ها میتوانند حرکت کنند اگر انرژی کافی برای آنها فراهم کنیم. اتم ها از نظر الکتریکی خنثی هستند.  چون تعداد الکترون ها با بار منفی و پروتون ها با بار مثبت با هم برابر هستند.

پایداری و ناپایداری عناصر

اتم های موجود در طبیعت یا پایدار هستند یا ناپایدار . اگر نیرو های بین ذرات تشکیل دهنده هسته متعادل باشند, یک اتم پایدار است. اگر این نیرو ها نا متعادل باشند , یک اتم ناپایدار است.

اتم‌های پایدار:
زمانی پایدارند که میان نیروی دافعه الکتریکی پروتون‌ها و نیروی جاذبه قوی هسته‌ای بین پروتون‌ها و نوترون‌ها تعادل برقرار باشد. در این حالت هسته تغییر نمی‌کند و ذره‌ای از خود ساطع نمی‌نماید.

اتم‌های ناپایدار:
اگر نسبت پروتون‌ها و نوترون‌ها در هسته مناسب نباشد، تعادل نیروها به هم می‌خورد و اتم ناپایدار می‌شود. این اتم‌ها برای رسیدن به پایداری دچار واپاشی هسته‌ای می‌شوند و پرتوهایی مانند آلفا، بتا یا گاما را منتشر می‌کنند.

شیمی دهم ساختار اتم

اولین ایده‌های ما در مورد اتم از فیلسوف یونانی دموکریتوس در 300 سال قبل از میلاد می‌آید، او اظهار داشت که ماده را می‌توان بارها و بارها تقسیم کرد تا زمانی که کوچک‌ترین تکه‌ای وجود داشته باشد که اتم یا غیرقابل تقسیم باشد. او با ارسطو مخالف بود که معتقد بود ماده را می توان به طور پیوسته تقسیم کرد بدون اینکه به کوچکترین قطعه برسد. در دهه 1800، جان دالتون با گازها و فشار آزمایش کرد و نشان داد که دموکریتوس درست است. دالتون مدل کره جامد اتم را ایجاد کرد. در اواخر دهه 1800، J.J. تامسون با استفاده از یک لوله پرتوی کاتدی الکترون ها را کشف کرد و مدل پودینگ آلو خود را توسعه داد. در سال 1909، ارنست رادرفورد آزمایشات ورق طلای خود را انجام داد، که منجر به کشف این شد که اتم ها دارای یک هسته کوچک، متراکم و دارای بار مثبت هستند. این کشف مدل هسته ای را ایجاد کرد. در سال 1912، نیلز بور کار رادرفورد را اصلاح کرد و یک مدل سیاره ای ارائه کرد که در آن الکترون ها در اطراف هسته در مدارهای مجزا حرکت می کنند. رابرت میلیکان در سال 1913 چگونگی اندازه گیری بار یک الکترون را با استفاده از آزمایش قطره روغن خود کشف کرد. فعلی ترین مدل ما از اتم در سال 1926 توسط اروین شرودینگر توسعه یافت. مدل کوانتومی او بیان می کند که الکترون ها در یک مسیر مستقیم در اطراف هسته حرکت نمی کنند، اما احتمال مکان آنها را می توان به صورت ریاضی محاسبه کرد.

اتم‌ها ذرات بسیار کوچکی هستند که بلوک‌های اصلی سازنده ماده معمولی هستند.

اتم ها می توانند به یکدیگر ملحق شوند و مولکول هایی را تشکیل دهند که اکثر اجسام را تشکیل می دهند. عناصر مختلف (مانند اکسیژن، کربن، اورانیوم) از انواع مختلفی از اتم ها ساخته شده اند. اتم کوچکترین واحد یک عنصر است که مانند آن عنصر رفتار می کند.

اتم ها از یک هسته بسیار کوچک با بار مثبت تشکیل شده اند که توسط ابری از الکترون های با بار منفی احاطه شده است. اگرچه اندازه هسته معمولاً کمتر از یک ده هزارم اتم است، اما هسته حاوی بیش از 99.9٪ از جرم اتم است. هسته‌ها از پروتون‌های با بار مثبت و نوترون‌های خنثی الکتریکی ساخته شده‌اند که توسط نیروی هسته‌ای در کنار هم نگه داشته می‌شوند. این نیرو بسیار قوی‌تر از نیروی الکترواستاتیکی است که الکترون‌ها را به هسته متصل می‌کند، اما برد آن به فواصل 10-10-15 متر محدود می‌شود.

تدریس ساختار اتم شیمی دهم

تعداد پروتون های هسته را عدد اتمی (Z)  مینامند. تعداد نوترون های  هسته را به (N) نشان میدهند.

از مجموع پروتون و نوترون ( Z + N ) عدد جرمی هر عنصر بدست می آید.

اتم های یک عنصر میتواند تعداد نوترون های متفاوتی داشته باشند , که به آنها ایزوتوپ عنصر گفته میشود.

شیمی دهم عدد کوانتومی

اعداد کوانتومی چیست؟

اعداد کوانتومی مثل آدرس یک اتم در داخل اتم هستند. هر الکترون در اتم یک مکان و انرژی مشخص دارد، و اعداد کوانتومی به ما می‌گویند:

• الکترون کجا قرار دارد،
• چه شکل مداری دارد،
• و چرخش خودش را چگونه انجام می‌دهد.

به زبان ساده، اعداد کوانتومی هویت یک الکترون را مشخص می‌کنند. بدون این اعداد، نمی‌توانیم بدانیم الکترون‌ها در اطراف هسته چه وضعیتی دارند یا چرا اتم‌ها ویژگی‌های شیمیایی خاصی دارند.

اعداد کوانتومی در شیمی مجموعه اعدادی هستند برای توصیف موقعیت و انرژی یک الکترون در اتم استفاده می شوند.

چهار نوع اعداد کوانتومی  وجود دارد: اصلی(n)  , فرعی یا اوربیتالی(l)  , مغناطیسی (ml)و سپین(s).

عدد کوانتومی اصلی و فرعی شیمی دهم

1 – عدد کوانتومی اصلی شیمی دهم

عدد کوانتومی اصلی به عنوان عدد تعیین شده به عنوان لایه الکترونی، جایی که بیشتر الکترون ‌های اتم در آن قرار دارند، تعریف می ‌شود.

نماد ‘n’ نشان دهنده اعداد کوانتومی اصلی است. آنها پوسته الکترونی اولیه اتم را نشان می دهند. از آنجایی که محتمل ترین فاصله بین هسته و الکترون ها را توصیف می کند، مقدار بزرگتر عدد کوانتومی اصلی حاکی از فاصله بیشتر بین الکترون و هسته است (که به نوبه خود نشان دهنده اندازه اتمی بیشتر است).

مقدار عدد کوانتومی اصلی می تواند هر عدد صحیحی با مقدار مثبت مساوی یا بزرگتر از یک باشد. مقدار n=1 نشان‌دهنده درونی‌ترین لایه الکترونی اتم است که با پایین‌ترین حالت انرژی الکترون (یا حالت پایه) مطابقت دارد.

در نتیجه، عدد کوانتومی اصلی، n، نمی تواند یک مقدار منفی یا برابر با صفر داشته باشد، زیرا یک اتم نمی تواند مقدار منفی یا بدون مقدار برای پوسته اصلی داشته باشد.

هنگامی که یک الکترون با انرژی تزریق می شود (حالت برانگیخته)، الکترون از یک پوسته اصلی به یک لایه بالاتر می پرد و باعث می شود مقدار n افزایش یابد.

به طور مشابه، با از دست دادن انرژی الکترون ها، به لایه های پایین تر باز می گردند و مقدار n را کاهش می دهند. جذب به افزایش مقدار n برای یک الکترون اشاره دارد که بر فوتون ها یا انرژی جذب شده توسط الکترون تأکید دارد.

به طور مشابه، کاهش مقدار n برای یک الکترون به عنوان انتشار نامیده می شود و در اینجاست که الکترون ها انرژی خود را ساطع می کنند.

به عنوان مثال، انرژی و اندازه اوربیتال های s با افزایش عدد کوانتومی اصلی افزایش می یابد. اوربیتال 2s انرژی بیشتری دارد و نسبت به اوربیتال 1s از هسته دورتر است.

عدد کوانتومی اصلی (n)

n می‌گوید الکترون در کدام لایه انرژی قرار دارد.

مقادیر(  n=1, 2, 3, 4, 5, 6, 7) عدد صحیح مثبت.

هر چه n بزرگ‌تر باشد: الکترون دورتر از هسته است ، انرژی آن بیشتر است.

مثال:

n = 1 → نزدیک‌ترین لایه به هسته

n = 2 → لایه دوم، کمی دورتر و پرانرژی‌تر

n = 3 → لایه سوم، باز هم دورتر و پرانرژی‌تر

2 – عدد کوانتومی فرعی شیمی دهم

عدد کوانتومی فرعی شکل یک اوربیتال را توصیف می کند. با حرف “l” نشان داده می شود و مقدار آن برابر با تعداد کل گره های زاویه ای در مدار است.

مقدار عدد کوانتومی فرعی می‌تواند نشان‌دهنده زیر پوسته‌های s، p، d یا f باشد که شکل‌های آن متفاوت است.

این مقدار با مقدار عدد کوانتومی اصلی (و محدود می شود) تعیین می شود، یعنی عدد کوانتومی فرعی بین 0 و (n-1)قرار دارد.

به عنوان مثال، اگر n=3 باشد، عدد کوانتومی فرعی می تواند سه مقدار داشته باشد: 0، 1، و 2.

عدد کوانتومی فرعی یا جانبی (l)

l شکل مداری که الکترون در آن حرکت می‌کند را مشخص می‌کند.

مقادیر آن: 0 تا (n-1)

نام ‌های شکل ‌ها (حرفی):

l = 0 → s (مدار کروی)

l = 1 → p (مدار دم‌دار، شکل دوکی)

l = 2 → d (پیچیده‌تر، چهار برگه یا دوکی شکل)

l = 3 → f (بسیار پیچیده)

مثال:

اگر n=3 باشد، l می تواند 0، 1 یا 2 باشد:

0 → 3s

1 → 3p

2 → 3d

 

3 – عدد کوانتومی مغناطیسی شیمی دهم

همان طوری که جریان برق در داخل حلقه بوجود میاید و ساحه مغناطیسی را در داخل حلقه تولید میکند. تحریک الکترون در یک مدار دایروی نیز ساحه مغناطیسی را تولید میکند.

عدد کوانتومی مغناطیسی تعداد کل اوربیتال ها در یک زیر پوسته و همچنین جهت آنها را تعیین می کند. این عدد با نماد “ml” نشان داده می شود.

عدد کوانتومی مغناطیسی توسط عدد کوانتومی  فرعی تعیین می شود.

برای مقدار معین l، مقدار ml بین -l تا +l قرار می‌گیرد. در نتیجه، به طور غیر مستقیم به مقدار n وابسته است.

به عنوان مثال، اگر در یک اتم n=4 و l=3 باشد، عدد کوانتومی مغناطیسی می تواند -3، -2، -1، 0، +1، +2 و +3 باشد. تعداد کل اوربیتال ها در یک زیر پوسته معین با مقدار “l” اوربیتال تعیین می شود.

با استفاده از فرمول (2l+1)محاسبه می شود. برای مثال، پوسته فرعی (n=3 , l=2)، دارای 5 اوربیتال (2×2+1) است. هر اوربیتال می تواند دو الکترون را در خود نگه دارد. در نتیجه، لایه فرعی 3 بعدی می تواند در مجموع 10 الکترون را در خود جای دهد.

عدد کوانتومی مغناطیسی (m_l)

m_l می‌گوید الکترون کدام مدار خاص در فضا قرار دارد.

مقادیر آن از -l تا +l هستند، شامل صفر.

یعنی هر نوع مدار چند جایگاه مختلف در فضا دارد.

مثال:

یعنی سه مدار p داریم که در جهات مختلف فضا قرار گرفته‌اند.

 

4 – عدد کوانتومی اسپین شیمی دهم

عدد کوانتومی اسپین الکترون مستقل از مقادیر n، l و ml است. مقدار این عدد که با علامت ms نشان داده می شود، جهت چرخش الکترون را نشان می دهد.

مقدار ms نشان دهنده جهتی است که الکترون در آن می چرخد. عدد کوانتومی اسپین الکترون می تواند مقادیری بین +1/2 و -1/2 داشته باشد.

مقدار مثبت ms نشان‌دهنده یک اسپین رو به بالا روی الکترون است که به آن اسپین بالا نیز می‌گویند.

اگر ms منفی باشد، الکترون مورد نظر دارای اسپین رو به پایین است.

مقدار عدد کوانتومی اسپین الکترون تعیین می کند که آیا اتم مورد نظر می تواند میدان مغناطیسی ایجاد کند یا خیر. مقدار ms را می توان به ±½ تعمیم داد.

عدد کوانتومی اسپین (m_s)

m_s جهت چرخش یا اسپین الکترون را مشخص می‌کند.

تنها دو مقدار دارد:

+½ → اسپین بالا

-½ → اسپین پایین

چرا مهم است؟

هیچ دو الکترونی در یک اتم نمی‌توانند چهار عدد کوانتومی یکسان داشته باشند.

این قانون به ما کمک می‌کند بفهمیم الکترون‌ها چگونه در مدارها جا می‌ شوند و چرا اتم‌ها جدول تناوبی دارند.

 

اهمیت اعداد کوانتومی شیمی دهم

اعداد کوانتومی مهم هستند زیرا می توان از آنها برای تخمین پیکربندی الکترون اتم و جایی که الکترون های آن به احتمال زیاد در آن قرار دارند استفاده کرد. شعاع اتمی و انرژی یونیزاسیون اتم ها، در میان سایر خواص، با اعداد کوانتومی نیز تعیین می شود.

مدل کوانتومی اتم

در مدل مکانیکی کوانتومی، همانطور که بور پیشنهاد می‌کند، الکترون‌ها در مدارهای ثابت مانند سیارات به دور خورشید حرکت نمی‌کنند. در عوض، آنها در مناطقی از فضا به نام اوربیتال وجود دارند. اوربیتال ناحیه ای سه بعدی در اطراف هسته است که در آن احتمال یافتن الکترون زیاد است. این اوربیتال ها بسته به سطح انرژی و نوع اوربیتال در اشکال و اندازه های متفاوتی هستند.

اوربیتال های s: کروی شکل هستند و می توانند تا دو الکترون را در خود نگه دارند.

اوربیتال‌های p: دمبل‌شکل هستند و در سه جهت (محورهای x، y، و z) وجود دارند که هر کدام حداکثر دو الکترون را در خود جای می‌دهند، که در مجموع شش الکترون در یک لایه فرعی p وجود دارد.

اوربیتال های d: اشکال پیچیده تر، با پنج جهت ممکن، که در مجموع تا ده الکترون را در خود جای می دهند.

اوربیتال‌های f: اشکال حتی پیچیده‌تر، با هفت جهت، که تا چهارده الکترون را در خود نگه می‌دارند.