تدریس فصل اول شیمی یازدهم ریاضی و تجربی – فلز،نافلز و شبه فلز

دسته‌ بندی عنصر ها: فلز ها، نافلز ها و شبه ‌فلزها شیمی یازدهم

در جدول تناوبی، عنصرها بر اساس ویژگی ‌های فیزیکی و شیمیایی به سه گروه اصلی تقسیم می ‌شوند:

نکته: شبه ‌فلز ها مثل سیلیسیم (Si) و آنتیموان (Sb) همزمان ویژگی ‌های فلز و نافلز را دارند.

روند تغییر خصلت فلزی در جدول تناوبی

خصلت فلزی یعنی میزان تمایل یک عنصر به دادن الکترون و رفتار فلزی نشان دادن.

الگوهای اصلی:

• در یک دوره از چپ به راست: خصلت فلزی کاهش می ‌یابد.
• در یک گروه از بالا به پایین: خصلت فلزی افزایش می‌ یابد.

چرا این اتفاق می‌افتد؟

• در دوره ‌ها: انرژی لازم برای از دست دادن الکترون زیاد می‌ شود.
• در گروه‌ ها: اندازه اتم بزرگ‌تر شده و از دست دادن الکترون آسان‌تر می ‌شود.

قانون دوره ‌ای عنصر ها شیمی یازدهم

با مرتب ‌سازی عنصرها بر پایه‌ی عدد اتمی، متوجه شدیم که:

خواص فیزیکی و شیمیایی عنصرها به طور دوره‌ ای تکرار می ‌شود. این کشف بنیادین را قانون دوره ‌ای می ‌نامند.

مثال:

همه‌ی عناصر گروه اول (فلزات قلیایی مثل لیتیوم، سدیم، پتاسیم) بسیار واکنش ‌پذیرند و تمایل به از دست دادن یک الکترون دارند.

آیا عناصر بیشتری کشف خواهند شد؟

در حال حاضر، تمام 118 عنصر جدول تناوبی توسط اتحادیه ‌ی بین ‌المللی شیمی (IUPAC) تأیید شده ‌اند.
اما دانشمندان در حال ساخت عنصر های مصنوعی با عدد اتمی بالاتر از 118 هستند.

مسئله:
برای عنصر های جدید جایی در جدول کنونی پیش ‌بینی نشده است.

مدل‌ های جدید برای گسترش جدول تناوبی

شارل ژانت شیمی‌دان فرانسوی در سال 1927 طرحی پیش ‌بینی کرد که با استفاده از روند های آرایش الکترونی می ‌توان حتی عنصر های سنگین ‌تر از 118 را دسته ‌بندی کرد.

ویژگی ‌های طبقه ‌بندی ژانت:

• چیدن عنصر ها به ترتیب عدد اتمی
• پیروی از روند آرایش الکترونی
• احتمال ظهور لایه ‌های جدید الکترونی (مثل 5g و 6f)

رفتار عنصرها و شعاع اتم شیمی یازدهم

عناصر موجود در طبیعت هرکدام رفتار و ویژگی‌های خاص خود را دارند. اگر به جدول تناوبی نگاه کنیم، می‌بینیم که عناصر به سه گروه اصلی تقسیم می‌شوند: فلزها، نافلزها و شبه‌فلزها.
شناخت رفتار این عناصر به ما کمک می‌کند تا بفهمیم چرا مثلاً فلزها برق را هدایت می‌کنند اما نافلزها نه، یا چرا فلزها براق و چکش‌خوارند ولی نافلزها شکننده‌اند.

فلزها و رفتار آنها شیمی یازدهم

۱. موقعیت فلزها در جدول تناوبی

بیشتر عناصر جدول تناوبی فلز هستند. آن‌ها در سمت چپ و وسط جدول قرار دارند (مثل سدیم، آهن، مس، منیزیم، آلومینیوم و روی).

۲. ویژگی‌های فیزیکی فلزها

فلزها دارای خواص فیزیکی مشترکی هستند، از جمله:

• براق بودن: سطح صیقلی فلزها نور را بازتاب می‌دهد (مثل طلا و نقره).
• چکش‌خواری و مفتول‌پذیری: می‌توان فلزها را به ورق یا سیم تبدیل کرد بدون اینکه بشکنند.
• رسانایی الکتریکی: تقریباً همه‌ی فلزها جریان برق را به‌خوبی عبور می‌دهند (مس بهترین رسانا است).
• رسانایی گرمایی: فلزها گرما را نیز به‌خوبی منتقل می‌کنند.
• دارای چگالی زیاد: بیشتر فلزها سنگین هستند (مثلاً آهن و مس).
• نقطه ذوب بالا: بیشتر فلزها دیر ذوب می‌شوند.

۳. ویژگی‌های شیمیایی فلزها

• فلزها معمولاً الکترون از دست می‌دهند و به کاتیون (یون مثبت) تبدیل می‌شوند.
• در واکنش با اسیدها معمولاً گاز هیدروژن آزاد می‌کنند.
• در واکنش با اکسیژن، اکسید فلزی تشکیل می‌دهند (که اغلب بازی است).

۴. رفتار شیمیایی فلزها در واکنش‌ها

• فلزهای فعال‌تر مانند پتاسیم و سدیم سریع‌تر با آب یا اکسیژن واکنش می‌دهند.
• فلزهای کم‌فعال‌تر مانند مس و طلا در برابر خوردگی و اکسید شدن مقاوم‌ترند.
• هرچه از بالا به پایین در یک گروه فلزی حرکت کنیم، فعالیت شیمیایی بیشتر می‌شود.

۵. مثال‌های کاربردی

آهن در ساختمان‌سازی به‌دلیل استحکام بالا استفاده می‌شود.

مس در سیم‌کشی برق به‌دلیل رسانایی عالی به‌کار می‌رود.

آلومینیوم به‌خاطر سبک بودن در صنایع هواپیما و بسته‌بندی کاربرد دارد.

 نافلزها و رفتار آن‌ها شیمی یازدهم

۱. موقعیت نافلزها در جدول تناوبی

نافلزها در سمت راست جدول تناوبی قرار دارند (مثل اکسیژن، نیتروژن، کربن، گوگرد و کلر).

۲. ویژگی‌های فیزیکی نافلزها

• فاقد درخشش فلزی هستند و سطح آن‌ها مات است.
• شکننده‌اند و بر خلاف فلزها چکش‌خوار یا مفتول‌پذیر نیستند.
• عایق الکتریکی‌اند، یعنی برق را از خود عبور نمی‌دهند (به جز گرافیت که یکی از شکل‌های کربن است).
• چگالی و نقطه ذوب پایینی دارند.
• معمولاً به شکل گاز (مثل اکسیژن و نیتروژن) یا جامد نرم (مثل گوگرد و فسفر) یافت می‌شوند.

۳. ویژگی‌های شیمیایی نافلزها

• نافلزها معمولاً الکترون می‌گیرند و به آنیون (یون منفی) تبدیل می‌شوند.
• در واکنش با فلزها، ترکیبات یونی تشکیل می‌دهند.
• در واکنش با اکسیژن، اکسید نافلزی تولید می‌کنند که اغلب خاصیت اسیدی دارد.​

۴. رفتار شیمیایی نافلزها

• نافلزهای بالای جدول (مثل فلوئور و اکسیژن) فعال‌ترند.
• هرچه در گروه‌های نافلزی به پایین حرکت کنیم، واکنش‌پذیری کاهش می‌یابد.
• بیشتر نافلزها در واکنش‌ها تمایل دارند الکترون بگیرند تا به پایداری برسند.

۵. کاربردهای مهم نافلزها

اکسیژن (O₂) برای تنفس و سوختن ضروری است.

نیتروژن (N₂) برای ساخت کودهای شیمیایی استفاده می‌شود.

کربن (C) در همه ترکیبات آلی و موجودات زنده وجود دارد.

گوگرد (S) در داروسازی و تولید لاستیک کاربرد دارد.

رفتار شبه‌فلزها شیمی یازدهم

شبه‌فلزها (یا نیمه‌فلزها) عناصری هستند که ویژگی‌های آن‌ها بین فلزها و نافلزها قرار دارد.
این عناصر گاهی مانند فلزها رفتار می‌کنند و گاهی مثل نافلزها. به همین دلیل در صنایع الکترونیک، کامپیوتر و نیمه‌هادی‌ها اهمیت بسیار زیادی دارند.

۱. موقعیت شبه‌فلزها در جدول تناوبی

شبه‌فلزها در جدول تناوبی در ناحیه‌ی مرزی بین فلزها و نافلزها قرار گرفته‌اند.
در واقع، آن‌ها روی خطی زیگزاگ در سمت راست جدول (نزدیک نافلزها) دیده می‌شوند.

عناصر اصلی شبه‌فلز عبارت‌اند از:
بور (B)، سیلیسیم (Si)، ژرمانیم (Ge)، آرسنیک (As)، آنتیموان (Sb) و تلوریم (Te).

۲. ویژگی‌های فیزیکی شبه‌فلزها

ویژگی‌های فیزیکی شبه‌فلزها ترکیبی از فلزها و نافلزهاست:

• درخشش فلزی دارند، ولی شکننده‌اند.
• رسانای برق هستند، اما نه به خوبی فلزها و نه به بدی نافلزها (یعنی رسانایی متوسط دارند).
• معمولاً جامدند.
• چکش‌خوار نیستند و با ضربه می‌شکنند.
• چگالی و نقطه ذوب آن‌ها معمولی یا متوسط است.

۳. ویژگی‌های شیمیایی شبه‌فلزها

رفتار شیمیایی شبه‌فلزها بستگی به شرایط واکنش دارد:

• در برخی واکنش‌ها مانند فلزها الکترون از دست می‌دهند.
• در برخی دیگر مانند نافلزها الکترون می‌گیرند.
• اکسید شبه‌فلزها معمولاً آمفوتری هستند (یعنی می‌توانند خاصیت اسیدی یا بازی داشته باشند).

مثال‌ها:

سیلیسیم (Si) در ساختار خود مانند نافلز عمل می‌کند ولی رسانای برق است.

آرسنیک (As) در بعضی ترکیبات مانند فلزها رفتار می‌کند و در برخی دیگر مانند نافلزها.

۴. رفتار شیمیایی در واکنش‌ها

• شبه‌فلزها معمولاً واکنش‌پذیری کمی دارند.
• ترکیبات آن‌ها هم می‌تواند کووالانسی باشد و هم یونی.
• در واکنش با اسیدها یا بازها، معمولاً رفتار دوگانه از خود نشان می‌دهند (آمفوتریک).

۵. کاربردهای مهم شبه‌فلزها

شبه‌فلزها کاربردهای صنعتی گسترده‌ای دارند:

سیلیسیم (Si): مهم‌ترین ماده در ساخت تراشه‌های کامپیوتری و سلول‌های خورشیدی.

بور (B): در شیشه‌های مقاوم حرارتی و مواد شوینده استفاده می‌شود.

ژرمانیم (Ge): در صنایع نیمه‌هادی و فیبر نوری کاربرد دارد.

آرسنیک (As): در تولید آلیاژها و برخی داروها به کار می‌رود.

آنتیموان (Sb): در ساخت باتری و فلزات مقاوم به حرارت.

مقایسه فلز ها، نافلز ها و شبه فلز ها شیمی یازدهم

شعاع اتمی شیمی یازدهم

شعاع اتمی چیست؟

در مدل کوانتومی اتم، الکترون ‌ها در اطراف هسته در لایه‌ هایی حرکت می ‌کنند. به فاصله ‌ی مرکز هسته تا دورترین الکترون‌ها، شعاع اتمی می‌گوییم.

اتم ‌هایی که شعاع بزرگتری دارند، اندازه‌ی بزرگتری هم دارند.

شعاع اتمی به ما کمک می‌کند تا روند های تغییر ویژگی‌ های شیمیایی را در جدول دوره‌ ای درک کنیم.

ارتباط شعاع اتمی با خصلت فلزی و نافلزی

فلزات تمایل دارند الکترون از دست بدهند.

نافلزات تمایل دارند الکترون جذب کنند.

–  هر چه شعاع اتم بزرگ ‌تر باشد، الکترون‌های لایه‌ی آخر دورتر از هسته‌ اند، پس از دست دادن آنها آسان ‌تر می‌شود و خصلت فلزی بیشتر است.

– برعکس، نافلزات با شعاع کوچکتر، تمایل بیشتری به جذب الکترون دارند، چون نیروی جاذبه ‌ی هسته بر الکترون ‌های خارجی قوی ‌تر است.

پاسخ به سوالات مطرح شده در متن:

سوال ۱:

در میان لیتیم (Li)، سدیم (Na) و پتاسیم (K)، کدام آسان‌تر الکترون از دست می‌دهد و چرا؟

پاسخ:
پتاسیم آسان ‌تر الکترون از دست می‌ دهد، زیرا شعاع اتمی پتاسیم از لیتیم و سدیم بزرگ‌ تر است، یعنی الکترون‌ های لایه‌ ی آخرش از هسته دور ترند و نیروی جاذبه‌ ی کمتری حس می ‌کنند.

روند تغییر شعاع اتمی در جدول دوره‌ای شیمی یازدهم

در گروه ‌ها (ستون ‌های جدول):

از بالا به پایین شعاع اتمی افزایش می‌ یابد.
علت: افزایش تعداد لایه ‌های الکترونی.

در دوره ‌ها (ردیف ‌های جدول):

از چپ به راست شعاع اتمی کاهش می‌ یابد.
علت: افزایش تعداد پروتون ‌های هسته بدون افزایش لایه ‌های جدید، پس جاذبه‌ ی الکترونی بیشتر می‌شود و شعاع کوچک ‌تر.

چرا هالوژن ‌ها (نافلزات گروه ۱۷) تمایل به گرفتن الکترون دارند؟

هالوژن‌ها با گرفتن یک الکترون به ساختار پایدار گاز نجیب بعدی می‌ رسند.
مثلاً کلر (Cl) با گرفتن یک الکترون به یون کلرید (Cl⁻) تبدیل می ‌شود.

ویژگی ‌های خاص بعضی فلزات شیمی یازدهم

فلزات متفاوت چه رفتاری دارند؟

سدیم (Na): نرم است، با چاقو بریده می ‌شود، سریع در هوا تیره می‌ شود.

آهن (Fe): سخت، مقاوم، با اکسیژن ترکیب شده و زنگ می ‌زند (آهسته).

طلا (Au): بسیار پایدار، جلا و رنگ زیبایش را در طول زمان حفظ می ‌کند.

معرفی فلزات واسطه و رفتار های خاص آنها

فلزات واسطه (d-block) مانند آهن، مس و نیکل، ویژگی ‌های معمول فلزات را دارند:

• رسانایی عالی، چکش خواری، قابلیت مفتول شدن.
• اما هرکدام ویژگی خاص خود را هم دارند:
• مثلاً آهن مغناطیسی است، مس رسانای عالی برق است.

دنیای رنگی با عنصرهای دستۀ d (مطالعه ‌ای بر فلز های واسطه و نقش آنها در زیبایی دنیای ما)

شیشه‌گری، هنری با ریشه ‌های کهن

شیشه ‌گری یکی از کهن‌ ترین و اصیل ‌ترین صنایع دستی ایران است که پیشینه ‌ی آن به هزاران سال پیش باز می‌گردد. کشف دانه ‌های شیشه‌ای آبی ‌رنگ و قطعات سبز شیشه ‌ای در شمال غربی ایران، لرستان و شوش، نشان می‌ دهد ایرانیان از دیر باز با هنر ساخت شیشه ‌های رنگارنگ آشنا بوده ‌اند.

در معماری سنتی ایرانی نیز، شیشه‌های رنگی جایگاه ویژه ‌ای دارند. این شیشه ‌ها که بر روی پنجره ‌های مساجد و خانه ‌های قدیمی دیده می ‌شوند، با تابش نور خورشید، فضایی جادویی از رنگ و نقش می ‌آفرینند.

اما راز این رنگ ‌های زیبا چیست؟ چه موادی باعث می ‌شوند که شیشه ‌ها و سنگ‌ های قیمتی، این همه تنوع رنگی داشته باشند؟

علت رنگ ‌های زیبا در شیشه ‌ها و سنگ ‌های قیمتی

پاسخ ساده است: ترکیبات فلزهای دستۀ d!

فلز های واسطه (Transition Metals) که در زیرلایه‌ ی d آرایش الکترونی خود الکترون دارند، با ایجاد ترکیبات خاص، باعث رنگ ‌آمیزی شیشه‌ ها و جواهرات می ‌شوند. به طور مثال:

این یون ‌های فلزی در ترکیب با دیگر عناصر، رنگ‌ های خاصی ایجاد می‌ کنند که بسته به آرایش الکترونی و انرژی انتقالی بین تراز های الکترونی d متفاوت است.

فلز های دسته d و ویژگی های خاص آنها شیمی یازدهم

فلز های دستۀ d ویژگی ‌های منحصر به فردی دارند که آنها را از سایر فلزات متمایز می ‌کند:

• آرایش الکترونی متغیر: آنها می ‌توانند تعداد مختلفی الکترون از دست بدهند و یون ‌هایی با بار متفاوت ایجاد کنند.
• تشکیل ترکیبات رنگی: به دلیل حضور الکترون‌ های d و انتقال الکترونی بین مدارها.
• خواص مغناطیسی و کاتالیزوری ویژه: برخی از آنها دارای خواص مغناطیسی یا فعالیت کاتالیزوری بالا هستند.

مثال : آهن (Fe) می‌تواند یون‌های +2 (Fe²⁺) و +3 (Fe³⁺) ایجاد کند.
اما توجه کنید: آرایش الکترونی این یون ‌ها به آرایش گاز نجیب نمی ‌رسد!
این ویژگی برخلاف فلزهای اصلی (مثل سدیم یا منیزیم) است که پس از از دست دادن الکترون، به آرایش پایدار گاز نجیب دست می ‌یابند.

نگاهی به فلز ارزشمند طلا:

یکی از مشهورترین فلزهای دستۀ d طلا (Au) است.

طلا علاوه بر زیبایی، خواص فیزیکی و شیمیایی شگفت‌ انگیزی دارد:

کاربرد های از طلا

• جواهر سازی (انگشتر، گردن ‌بند، دستبند)
• تزئین معماری (گنبد های طلایی)
• صنایع الکترونیک (اتصالات حساس)
• صنایع فضایی

اما استخراج طلا، با مشکلات زیست محیطی زیادی همراه است. برای ساخت یک حلقه ‌ی طلا، تقریباً سه تن پسماند صنعتی تولید می ‌شود! این مسأله لزوم پژوهش و استفاده از روش ‌های استخراج پایدار تر را نشان می ‌دهد.

استخراج طلا در ایران

ایران نیز دارای معادن طلاست، از جمله:

• مجتمع طلای موته در استان اصفهان
• معدن زرشوران در استان آذربایجان غربی

با توسعه‌ی فناوری ‌های نوین، امید است که استخراج طلا و دیگر فلزات با کمترین آسیب به محیط زیست انجام شود.

چگونه عناصر در طبیعت یافت میشوند و چه روش هایی برای استخراج آن ها وجود دارد؟

عناصر شیمیایی در طبیعت به شکل‌ های گوناگونی وجود دارند. برخی از آن ‌ها به ‌صورت خالص و آزاد و برخی دیگر به‌ صورت ترکیب‌ های مختلف یافت می ‌شوند. شناخت نحوه حضور این عناصر و استخراج آن ‌ها یکی از زمینه ‌های مهم علم شیمی و صنایع معدنی است.

عناصر آزاد و ترکیبی در طبیعت

حالت آزاد

برخی نافلزها مانند:

• اکسیژن (O₂)
• نیتروژن (N₂)
• گوگرد (S)

در طبیعت به صورت آزاد وجود دارند. این به دلیل پایداری بالای پیوند های بین اتمی در این عناصر است.

در میان فلزها نیز:

• نقره (Ag)
• مس (Cu)
• پلاتین (Pt)
• طلا (Au)

می‌توانند در حالت آزاد یافت شوند.
طلا به ‌طور خاص به شکل کلوخه ‌ها یا رگه ‌های زرد رنگ در لایه ‌های خاکی مشاهده می‌ شود.

حالت ترکیبی

بیشتر عناصر، به ویژه فلز ها، به صورت ترکیبات یونی (مانند اکسید ها، سولفید ها، کربنات ‌ها و…) حضور دارند.
برای مثال:

آهن اغلب به شکل اکسید آهن (Fe₂O₃ یا FeO) در طبیعت دیده می ‌شود.

اهمیت استخراج فلزات در دنیای امروز

در دنیای مدرن و صنعتی، فلزات نقش کلیدی در توسعه فناوری، زیر ساخت ‌ها و اقتصاد کشور ها دارند. بدون استخراج و بهره‌ برداری از منابع فلزی، صنایع ساختمانی، خودرو سازی، الکترونیک و انرژی نمی ‌توانستند رشد کنند.

آهن، پرمصرف ‌ترین فلز در سطح جهان، پایه اصلی بسیاری از صنایع است.

فرآیند شناسایی و استخراج عناصر از سنگ معدن

شناسایی

شیمیدانان با تحلیل ویژگی ‌های فیزیکی و شیمیایی مواد معدنی، وجود عناصر مورد نظر را در سنگ ‌ها شناسایی می ‌کنند.

استخراج

به طور کلی برای استخراج فلزات باید:

پیوند های بین یون ‌های فلزی و سایر یون ‌ها شکسته شوند. عنصر فلزی آزاد شود.