- شیمی عناصر گروه چهارم (IVA):

بسمه تعال

- بررسی عناصر گروه چهارم (IVA):

 

در این گروه کربن یک غیرفلز مسلم است، سیلیسیم که خصلت شیمیایی آن را می توان تاحدی از کربن استنباط نمود اصولاً غیرفلز بوده و ژرمانیم نیز یک شبه فلز است. قلع و به ویژه سرب را جزو فلزات طبقه بندی می کنیم. 

 

نام عنصر	نماد شیمیایی	نقطه ذوب ^OC	نقطه جوش ^OC	شعاع کووالانسی آنگستروم
کربن	C	3550	4827	۰.۷۷
سیلیسیم	Si	1410	2355	۱.۱۷
ژرمانیم	Ge	937	2830	۱.۲۲
قلع	Sn	231.9	2260	۱.۴۰
سرب	Pb	327.5	1744	۱.۴۴

 

زنجیری شدن در عناصر این گروه یک میل طبیعی است هرچند سایر اعضاء گروه به وسعت کربن تمایل به زنجیری شدن ندارند. زنجیرهای بزرگ در هیدریدهای Si و Ge مانند Si6H14 و Ge9H20 مشاهده شده اند. در مورد Sn و [ذ زنجیری شدن فقط در ترکیبات آلی وجود دارد. در هر حال میل به زنجیری شدن در عناصر گروه به ترتیب زیر کاهش می یابد.

C >> Si >Ge ~ Sn >> Pb

این کاهش کلی در زنجیری شدن را می توان  به کم شدن قدرت پیوندهای اتمهای این عناصر با خودشان نسبت داد.

قدرت پیوند کووالانسی ساده بین اتمهای گروه چهار و سایر اتمها معمولاْ از بالا به پائین کاهش می یابد. ولی در چند مورد استثنایی ابتدا یک صعود از C به Si و پس از آن کاهش قدرت پیوند مشاهده می شود.

در این گروه الکترونگاتیوی کربن از همه بیشتر است و انتظار می رود که الکترونگاتیوی از بالا به پایین کاهش یابد ولی پاره ای از شواهد که بعضی از آنها مورد تردید است دلالت بر این دارند که ژرمانیم از سیلیسیم الکترونگاتیوتر است. و باید توجه نمود که الکترونگاتیوی یک امر کیفی است.

عناصر این گروه در بعضی از ترکیبات با والانس پائینتر شرکت کرده و کمتر از ۴ الکترون لایه ظرفیت خود را در پیوند شرکت می دهند.  در هر حال پایداری حالت دو والانسی از بالا به پایین در گروه زیادتر می شود که در مورد سرب این حالت بسیار بارز است.

سیلیسیم از نظر درصد وزنی تقریباْ ۲۸ درصد پوسته زمین را تشکیل می دهد که بعد از اکسیژن دومین رتبه را در این زمینه دارد. و به صورت انواع زیاد کانیهای سیلیکاتی یافت می شود.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 ژرمانیم، قلع و سرب نسبتاً کمیاب هستند ولی به دلیل اهمیت آنها در صنایع مختلف و همچنین سهولت تهیه قلع و سرب از منابع طبیعی به خوبی شناخته شده هستند. سیلیسم در صنعت از کاهش SiO2 با CaC2 در کوره الکتریکی تهیه می شود. به همین ترتیب ژرمانیم نیز از کاهش ژرمانیم دیوکسید با کربن یا هیدروژن تهیه می شود. سیلیسیم و ژرمانیم به عنوان نیم رسانا در صنایع الکتریکی و مخصوصاً در ساخت ترانزیستورها به کار می روند. برای این منظور سیلیسیم و ژرمانیم فوق العاده خالص مورد نیاز است.

 

 

 

 

قلع و سرب را از سنگهای معدن به روشهای گوناگون و معمولاً به وسیله کاهش اکسید آنها با کربن تهیه می کنند. برای خلوص بیشتر، معمولاً فلزات را در اسید حل کرده و فلز خالص را از طریق الکترولیز رسوب می دهند.

سیلیسیم نسبتاً غیر فعال بوده و جز فلوئودریک اسید با اسیدهای دیگر ترکیب نمی شود. با هالوژنها، تترا هالید و با قلیاها محلولهای سیلیکاتی تشکیل می دهند. سیلیسیم خیلی فعال به وسیله واکنش زیر تهیه می شود:

3CaSi2 + 2SbCl3 ---------> 6Si + 2Sb + 3CaCl

 

سیلیسیمی که به این روش تهیه می شود با آب ترکیب شده  SiO2 و هیدرژن می دهد.

ژرمانیم تا اندازه ای فعالتر از سیلیسیم است، در سولفوریک اسید و نیتریک اسید حل می شود. قلع و سرب در بیشتر اسیدها حل شده و به سهولت با هالوژنها ترکیب می شوند. این دو عنصر با قلیای سرد به کندی ولی با قلیای گرم به سرعت ترکیب شده و استونات و پلمبیت می دهند. سرب در اسید سولفوریک رقیق و کلریدریک اسید غلیظ حل نمی شود.

 

 

ادامه دارد...... 

گرافیت graphite

بسمه تعالی

- گرافیت:

گرافیت به طور طبیعی در نیویورک و پنسیلوانیا به مقدار کم و در سیلان ، ماداگاسکار و شوروی سابق به مقدار زیادتری یاقت می شود. گرافیت چرب کننده بسیار خوبی است، مخصوصاً وقتی که با روغنهای نیم جامد یا ژله های نفتی مخلوط شود، که در این حالت روغن گرافیت خوانده می شود. از گرافیت برای چرب کردن قطعات ماشین هایی استفاده می شود که در حرارتهای زیاد کار می کنند. نقطه ذوب گرافیت مانند الماس حدود ۳۵۰۰ درجه سانتیگراد است. به همین دلیل گاهی از آن برای ساختن بوته های مخصوص ذوب فولاد و فلزات دیگر استفاده شده و همچنین به عنوان الکترود در کوره های الکتریکی نیز به کار می رود. برای تهیه مداد گرافیت را با خاک چینی مخلوط کرده و به شکل باریکه های مغز مداد در می آورند.

  هم چنین از گرافیت به عنوان کنترل کننده در راکتورهای هسته ای استفاده می شود. گرافیت در راکتورهای هسته ای سرعت نوترون های حاصل از متلاشی شدن هسته اتم های سنگین را کم کرده و آنها را برای ایجاد شکافت در سایر اتمها آماده می کند.

 هیبریداسیون اتمها در ساختمان گرافیت sp2 می باشد. که به واسطه این هیبریداسیون هر اتم کربن با 3 اتم خود پیوند تشکیل می دهد به طوری که تمام اتمهای دارای پیوند در یک صفحه قرار می گیرند و زاویه پیوندی در این اتمها 120 درجه می باشد. یک اربیتال p نیمه پر در هر اتم عمود بر صفحه وجود دارد که با اتمهای صفحه پایینی یا بالایی همپوشانی ناقصی را انجام داده و تشکیل پیوند می دهد. به دلیل همپوشانی ضعیف اربیتال ها در پیوند پیوند بین صفحات بسیار سست بوده و گرافیت به صورت لایه لایه در می آید. الکترونهای بین صفحات توانایی جابجایی داشته و به همین دلیل گرانیت در طول صفحات ( در راستای موازی با صفحات) رسانای جریان الکتریسیته می باشد.

 فاصله بین لایه ها در حدود۳.۳۵ آنگستروم می باشدُ که با جمع شعاع واندروالسی برابر است و نشان دهنده کوچکی نیروی بین لایه هاست. به همین دلیل گرافیت بسیار نرم بوده و لایه ها به راحتی بر روی یکدیگر می لغزند.

 

عملاً دو نو ع گرافیت وجود دارد که با هم در تریب قرار گرفتن لایه ها تفاوت دارند. در هیچ حالتی کلیه اتمهای کربن مربوط به لایه ها یک در میان بر هم منطبق هستند. ولی در پایدارترین حالت لایه ها یک در میان بر هم منطبق هستند.

 از گرافیت هم چنین یک شکل لوزی نیز موجود است که در آن لایه دو در میان قابل انطباق هستند. این شکل بیشتر در گرافیت های طبیعی مشاهده شده است.

بسیاری از شکلهای کربن بی ریخت، مانند زغال معمولی، دوده، دوده چراغ در واقع به شکل بلورهای ریز گرافیت هستند. در پاره ای از دوده ها این بلور های ریز به اندازه ای کوچکند که فقط چند سلول واحد از ساختمان گرافیت را دارند.

یکی از جنبه های مهم تکنولوژی گرافیت، تولید الیاف بسیار محکم به وسیله پیرولیز الیاف پلیمر آلی با جهت یابی معین در دمای ۱۵۰۰ درجه سانتیگراد یا بالاتر است، در این مورد می توان پلی آکریلونیتریل یا پلی آکریلات استره یا سلولز را به عنوان مثال ذکر کرد. وقتی این الیاف ها در پلاستیک ها به کار می روند ماده به دست آمده سبک و دارای استحکام زیادی است. اشکال دیگر گرافیت مانند اسفنج، ورقه و رشته را نیز می توان تهیه کرد.

ساختمان لایه ای و بسیار سست گرافیت باعث می شود، بسیاری از مولکولها و یونها بین لایه ها نفوذ کرده و به این ترتیب ترکیبات بین شبکه ای یا لایه ای تشکیل شود. که این عمل به منظور نارسانا ساختن یا تقویت رسانایی الکتریکی گرافیت کاربرد دارد.

- شیمی عناصر گروه سوم (IIIA):

بسمه تعالی

- بررسی عناصر گروه سوم (IIIA):

 

 بور اولین عضو این گروه است که یک شبه فلز می باشد و تفاوت زیادی با سایر هم گروهی های خود دارد. آلومینیم و عناصر پایین تر از آن  Ga,In,Tl به طور قابل ملاحظه ای بزرگتر از بور بوده و از این رو خیلی بیشتر دارای خاصیت فلزی و یونی می باشند.

آلومینیم کاملاً فلزی است ولی با این وجود در ترکیبات خود در مرز بین یونی و کووالانسی قرار می گیرد. و Ga,In,Tl نیز تاحدودی این وضعیت را دارند.

 

 

در این گروه ظرفیت سه در تمامی عناصر به وضوح دیده می شود و هرچه در گروه پایین تر می رویم حالت تک والانسی نیز پایدار می گردد. در تالیم به دلیل رغبت کم الکترونهای اربیتال 6s2 به شرکت در پیوند، رابطه بین والانس ۱ و۳ بسیار در شیمی این عنصر مهم می گردد.

تفاوت بور با سایر عناصر در این گروه بیشتر در این است که قابلیت تشکیل پیوندهای چندگانه در این فلزات تا اندازه ای کم است و عناصر سنگین تر می توانند اعداد کوئوردیناسیون بزرگتر از ۴ ( اغلب ۶) داشته باشند. کلیه هالیدهای بور مونومر هستند در حالیکه هالیدهای آلومینیم، گالیم و ایندیم به صورت دیمر هستند. برای رسیدن به عدد کوئوردیناسیون اشباع، پلیمر شدن ترکیبات سه والانسی عناصر فلزی گروه بسیار رایج است و تشکیل حلقه چهار عضوی علیرغم فشار زاویه والانسی که در حلقه وجود دارد یک امر عادی است.فلزات گروه در بعضی از ترکیبات ساختمان دو هرمی مثلث القاعده دارند که البته چنین ساختمانی برای محصولات افزایشی بور غیر ممکن است. و در نهایت بارزترین اختلاف بور با سایر عناصر در گروه ۳ این است که عناصر فلزی شیمی کاتیونی کاملاً مشخصی دارند که در بور این امکان وجود ندارد. به وسیله رزنانس مغناطیسی هسته 17O عدد کوئوردیناسیون ۶  برای یون آبی آلومینیم تأیید شده است.

آلومینیم متداولترین فلز در پوسته زمین است و به میزان زیادی در طبیعت در سیلیکاتهایی نظیر میکا و فلدسپات و همچنین به صورت هیدروکسو اکسید (بوکسیت) و کریولیت Na3AlF6 یافت می شود. سه عنصر دیگر فقط به میزان جزئی یافت می شوند. گالیم و ایندیم در کانیهای آلومینیم و روی وجود دارند. ولی غنی ترین منابع آنها کمتر از 0.01 گالیم دارد و مقدار ایندیم حتی از گالیم هم کمتر است. تالیم به طور وسیعی توزیع شده است. این عنصر را معمولاً از گرد وغبارهایی که هنگام تصفیه بعضی از کانیهای سولفید و به طور عمده پیریت حاصل می شود، بدست می آورند.

آلومینیم در مقیاس وسیع از بوکسیت تهیه می شود، برای خالص کردن بوکسیت آن را در سدیم هیدروکسید حل می کنند و سپس با استفاده از کربن دی اکسید مجدداً به صورت رسوب ته نشین می سازند. بوکسیت خالص شده را در دمای ۸۰۰ تا ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد در کریولیت مذاب حل کرده، مذاب حاصل را الکترولیز می کنند.

 

                                       آلومینیم

 

آلومینیم فلزی سخت، محکم و سفید رنگ است. گرچه فوق العاده الکتروپوزیتیو است اما به واسطسه اکسید سخت و با دوامی که در سطح آن تشکیل می شود نسبت به خوردگی مقاومت نشان می دهد. چنانچه این لایه اکسیدی تازه باشد به دلیل خلل و فرجی که دارد، مواد رنگی را جذب می کند که آنرا از راه الکترولیز می زدایند.

آلومینیم در محلول های رقیق اسیدهای معدنی حل می شود ولی در نیتریک اسید غلیظ غیر فعال می گردد. در صورتیکه اثر حفاظتی قشر اکسید با خراشیدن یا تشکیل ملغمه از بین برود، آلومینیم به سرعت تحت تأثیر قرار می گیرد بطوریکه حتی آب بر آن اثر می گذارد. آلومینیم در شرایط عادی توسط محلول گرم هیدروکسیدهای قلیایی، هالوژنها و غیرفلزات مختلف خورده می شود. آلومینیم بسیار خالص در برابر اسیدها کاملاً مقاوم است و بیش از همه توسط محلول کلریدریک اسید که شامل مقدار جزئی کوپریک کلرید باشد، یا در تماس با پلاتین با افزودن مقداری آب اکسیژنه در حین انحلال مورد حمله قرار می گیرد.

 

 

گالیم، ایندیم و تالیم معمولاً از الکترولیز محلول آبی نمکهای آنها تهیه می شود. در مورد گالیم و ایندیم به علت اضافه ولتاژ زیادی که برای آزاد شدن هیدروژن وجود دارد، تهیه این فلزات از راه الکترولیز میسر است. این فلزات نرم، سفید رنگ و نسبتاً فعال بوده و به آسانی در اسیدها حل می شوند. در هر حال تالیم فقط به کندی در سولفوریک اسید و کلریدریک اسید حل می شود، زیرا نمکهای یک والانسی تالیم در آب به مقدار کمی محلولند.

 

- شیمی عناصر گروه دوم (IIA) یا فلزات قلیایی خاکی:

بسمه تعالی

- بررسی عناصر گروه دوم (IIA):

 

 

نام عنصر	نشانه اتمی	عدد اتمی	چگالی g/cm3	نقطه ذوب  ^oc	جرم اتمی	شعاع اتمی pm	شعاع یونی pm	رنگ شعله
بریلیم	Be	4	1.82	1278	9.01	112	0.34	-
منیزیم	Mg	12	1.74	651	14.31	160	0.78	سفید
کلسیم	Ca	20	1.55	843	40.08	197	1.06	سرخ مایل یه نارنجی
استرانسیم	Sr	38	2.6	769	87.62	215	1.27	سرخ درخشان
باریم	Ba	56	3.5	725	137.33	222	1.43	زرد مایل به سبز
رادیم	Ra	88		700			1.57

 

 بریلیم رفتار شیمیایی منحصر به خود را دارد و شیمی آن به طور عمده کووالانسی است.خواص شیمیایی منیزیم با توجه به جایگاه آن در گروه کمی متفاوت است. منیزیم تمایل زیادی برای تشکیل پیوند کووالانسی دارد که با نسبت بزرگ بار به شعاع آن مطابق است. به عنوان مثال منیزیم هیدروکسید را مانند بریلیم هیدروکسید در محلول های آبی آن می توان رسوب داد در صورتیکه هیدروکسیدهای سایر اعضاء گروه به طور متوسط در آب محلول هستند.

از دیگر خواص منیزیم به ترکیب شدن نسبتاً آسان آن با کربن می توان اشاره نمود.

به دلیل افزایش بار موثر هسته بر لایه الکترونی شعاع اتمی فلزات قلیایی خاکی کمتر از شعاع اتمی فلزات قلیایی می باشد و تعداد الکترونهای پیوندی آنها دو برابر گروه ۱ است. به همین دلیل نقطه ذوب، نقطه جوش و دانسیته این فلزات از فلزات قلیایی بیشتر است.

کلیه فلزات این گروه الکتروپوزیتیو هستند. به دلیل اینکه اندازه و قطبش پذیری یونهای +M2 آنها نسبت به یونهای +M هم الکترون نظیر بسیار کمتر است، اغلب در نمکها یونهای کاملی را تشکیل می دهند. هرچند که ترکیبات +Mg2 تا اندازه ای و ترکیبات یونهای +Be2 به طور کامل کووالانسی هستند.

بریلیم در بعضی از خواص شیمیایی خود به آلومینیم شباهت دارد، از جمله اینکه با تشکیل غشای اکسید نفوذ ناپذیر روی سطح فلز در مقابل اسیدها مقاومت می نماید. اکسید آن خاصیت آمفوتری داشته و هیدروکسید و کلرید آن مانند اسید لوویس عمل می کند.

سری عناصر کلسیم، استرانسیم، باریم و رادیم همبستگی نزدیکی دارند. به طوریکه خواص فیزیکی و شیمیایی این عناصر و ترکیبات آنها به همان ترتیبی که در گروه ۱ دیدیم با افزایش اندازه یون به طور منظم و مرتب تغییر می کند. در میان این عناصر خاصیت یونی و الکتروپوزیتیوی Ra از همه بیشتر است.

کلیه ایزوتوپهای رادیم رادیواکتیو هستند و رادیم ۲۲۶ طولانی ترین نیمه عمر را دارد. این ایزوتوپ در سری تجزیه رادیواکتیو طبیعی اورانیم ۲۳۸ تشکیل می شود و اولین بار توسط پیر و ماری کوری از پیچبلاند جدا شد. زمانی این ایزوتوپ استفاده گسترده ای در رادیوتراپی  داشت ولی در حال حاضر از رادیوایزوتوپهایی که در رآکتورهای هسته ای ساخته می شود به جای رادیم ۲۲۶ استفاده می کنند.

در طبیعت گاهی اوقات در کانی های گروه ۲ مقداری هم عنصر اروپیم یافت می شود که نشان دهنده تشابه خواص شیمیایی این عنصر با فلزات قلیایی خاکی می باشد.

  

عناصر گروه دوم به دلیل داشتن فعالیت شیمیایی نسبتاْ زیاد در طبیعت به صورت آزاد یافت نمی شوند. آرایش الکترونی لایه ظرفیت این گروه ns2 بوده و به دلیل شرکت دو الکترون در پیوند فلزی بین اتمها، پیوند آنها با هم قویتر از پیوند فلزی گروه اول می باشد. به همین دلیل عناصر گروه دوم سخت تر از فلزات قلیایی بوده و دمای ذوب و جوش آنها هم بالاتر است.

در این گروه منیزیم کمترین و بریلیم بیشترین نقطه ذوب و جوش را دارند. هم چنین چگالی این گروه از بریلیم تا کلسیم کاهش یافته و سپس در عناصر بعدی افزایش می یابد. که به این ترتیب کلسیم کمترین چگالی را در این گروه داراست. و بدون به حساب آوردن رادیم می توان گفت که باریم بیشترین چگالی در بین پنج عنصر این گروه دارد. هرچند که تفاوت بین اولین و دومین انرژی یونش در بریلیم زیاد است. اما حتی در این عنصر از گروه دوم نیز شواهدی طبیعی بر وجود حالت اکسایش ۱+ وجود ندارد. و عدد اکسایش فلزات این گروه به طور غالب ۲+ است.

در بریلیم به دلیل اندازه کوچک اتم، پتانسیل یونش زیاد، انرژی تصعید زیاد، انرژی آب پوشی و انرژی شبکه برای جداسازی کامل الکترون ها کافی نبوده و در تمام ترکیبات حتی ترکیباتی نظیر BaO و BaF2 که بریلیم با عناصر بسیار الکترونگاتیو ترکیب می شود، پیوندها به میزان قابل ملاحظه ای خصلت کووالانسی دارند. برای تشکیل دو پیوند کوالانسی در ترکیبی مانند  BeX2  بعد ار برانگیخته شدن به هیبریداسیون sp می رسد. تحت این هیبریداسیون ترکیب X- Be -X خطی تشکیل می شود که زاویه پیوندی در آن ۱۸۰ درجه می باشد.

 

 

بریلیم در این شرایط دارای عدد کوئوردیناسیون ۲ است و تمایل شدیدی برای افزایش این مقدار به عدد کوئوردیناسیون ماکسیمم یعنی ۴ و یا لااقل ۳ دارد.

 

 

در BeCl2 این افزایش عدد کوئوردیناسیون با پلیمر شدن از طریق پل انجام می گیرد. همچنین در بعضی از ترکیبات اتم بریلیم برای رسیدن به ماکسیمم کوئوردیناسیون به صورت اسید لوویس عمل می نماید. بریلیم در بعضی موارد مانند دیمرهای گازی Be2Cl4 و Be2Br4 عدد کوئوردیناسیون 3 دارد. در دمای عادی فقط نمونه های محدودی از ترکیبات Be یافت می شود که در آنها اتم بریلیم دارای کوئوردیناسون ۲ با پیوندهای خطی sp باشد.

لازم به تذکر است که ترکیبات بریلیم بسیار سمی بوده و تنفس آنها فوق العاده خطرناک می باشد.لذا هنگام کار کردن با این ترکیبات باید حاکثر احتیاط را رعایت کرد.

مهمترین کانی بریلیم در طبیعت بریل Be3Al2(SiO3)6 است که اغلب به صورت منشورهای بزرگ شش ضلعی یافت می شود. بریلیم خاکستری رنگ، تقریباً سبک (1.86g/cm3) بسیار سخت و تاحدی شکننده است. از بریلیم به عنوان پنجره در دستگاه اشعه X استفاده می شود، همچنین به عنوان ضد اکسنده به برنزهای مس و فسفر و نیز به عنوان سخت کننده به مس اضافه می شود. به دلیل بی اثر بودن اسیدها بر فلز بریلیم که به واسطه تشکیل اکسید بی اثر صورت می گیرد، اغلب برای واکنش با اسیدها آن را به صورت پودر یا ملغمه در می آورند. سرعت نسبی انحلال بریلیم در اسیدها به این قرار است:

HF> H2SO4 ~ HCl> HNO3

و مانند آلومینیوم در بازهای قوی حل شده و یون بریلات تشکیل می دهد. از سوزاندن بریلیم در هوا اکسید متبلور و سفید رنگ BeO بدست می آید. بریلیم هیدروکسید یک آمفوتر می باشد و در محلول های آبی رسوب می نماید.

عناصر منیزیم، کلسیم، استرانسیم و باریم به مقدار قابل توجهی در کانیها و در دریا وجود دارند. در رسوباتی نظیر دولومیت CaCO3.MgCO3 ، کارنالیت MgCl2.KCl.6H2O ، باریت BaSO4 و غیره مقدار زیادی از این عناصر را می توان یافت.

کلسیم از نظر فراوانی در قشر زمین سومین فلز بوده و در گروه دوم بیشترین فراوانی را دارد.

منیزیم فلزی سفید مایل به خاکستری است که اغلب سطح ورقه آن با لایه نازکی از اکسید پوشیده می شود. این لایه تاحدودی فلز را از نظر شیمیایی محافظت می کند. منیزیم در هوا با نور سفید بسیار درخشنده و شدیدی سوخته و اشعه فرابنفش تولید می نماید که برای سلامتی چشم بسیار مضر است، و بایستی از عینک محافظ استفاده نمود.

کلسیم و دیگر فلزات قلیایی خاکی نرم و نقره فام هستند و از نظر واکنش پذیری شبیه به سدیم می باشند ولی با قدرت واکنش پذیری کمتری. اکسید منیزیم نسبتاً بی اثر می باشد ولی  سایر اکسیدهای این گروه با آب ترکیب شده و ضمن آزاد کردن انرژی تشکیل هیدروکسید می دهند. منیزیم هیدروکسید در آب نامحلول است و از لحاظ قدرت بازی ضعیف تر از سایر بازهای سری Ca-Ra می باشد. اکسیدهای فلزهای قلیایی خاکی کربن دی اکسید هوا را جذب می نمایند.

 

شیمی عناصر گروه اول (IA) یا فلزات قلیایی:

بسمه تعالی

بررسی عناصر گروه اول (IA):

        
  

نام عنصر	نشانه اتمی	عدد اتمی	چگالی	نقطه ذوب	جرم اتمی	شعاع اتمی	شعاع یونی	رنگ شعله
لیتیم	Li	3	0.534	453.7	6.94	0.152	0.068	قرمز
سدیم	Na	11	0.971	371	22.99	0.185	0.098	زرد
پتاسیم	K	19	0.862	336.8	39.10	0.227	0.133	بنفش
روبیدیم	Rb	37	1.532	312.2	85.47	0.247	0.148	قرمز
سزیم	Cs	55	1.873	301.6	132.91	0.265	0.167	آبی
فرانسیم	Fr	87

          

 

این گروه شامل فلزات لیتیم(Li)، سدیم(Na)، پتاسیم(k)، روبیدیم(Rb)، سزیم(Cs)، و فرانسیم (Fr) است که به آنها گاهی فلزات قلیایی نیز گفته می شود. فرانسیم از سری عناصر تجزیه رادیواکتیو طبیعی بوده و بر اثر واکنش های هسته ای به طور طبیعی تشکیل می شود. تمام ایزوتوپ های فرانسیم طول عمر کوتاهی دارند.

واکنش پذیری فلزات قلیایی از سایر فلزات بیشتر بوده و به همین دلیل هیچ یک از این فلزات در طبیعت به صورت آزاد یافت نمی شوند. این عناصر یک الکترون منفرد در لایه ظرفیت خود دارند که به واسطه از دست دادن این الکترون به آرایش گاز بی اثر ماقبل خود رسیده و یون یک بارمثبت M+  تولید می کنند. با توجه به کوچک بودن نخستین انرژی یونیزاسیون در این گروه و با در نظر گرفتن این واقعیت که یونهای +M آنها کاملا کروی بوده و قطبیت پذیری آنها کم می باشد، چنین نتیجه می شود که شیمی این عناصر اساساً شیمی یونهای ۱+ آنهاست و جز حالت اکسایش ۱+ حالت دیگری برای اکسایش آنها نمی توان در نظر گرفت. در بعضی موارد مانند مولکولهای دو اتمی و گازی شکل Na2 و Cs2 و ... پیوندهای کووالانسی در بین عناصر این گروه مشاهده می شود و بدون شک در کی لیتها و ترکیبات آلی فلزی پیوند این عناصر با اکسیژن، نیتروژن و کربن به مقدار جزئی خصلت کووالانسی دارد. تمایل به داشتن خصلت کووالانسی در لیتیم حداکثر و در سزیم حداقل می باشد. با بررسی های انجام شده در مورد  فرانسیم نیز مشخص شده که رفتار یون فرانسیم به همان صورتی است که از موقعیت آن در این گروه می توان انتظار داشت. در فلزات قلیایی اثر افزایش اندازه و جرم بر روی خواص شیمیایی و فیزیکی، از همه گروههای جدول تناوبی آشکارتر می باشد. از این رو در این سری با افزایش عدد اتمی نقطه ذوب، گرمای تصعید، نقطه جوش، قدرت پیوندهای کووالانسی M2 ، انرژی شبکه کلیه نمکها( به جز آنهایی که اندازه آنیون در آنها بسیار کوچک است.) و ... از بالا به پایین کاهش می یابد.

 

 

بعضی از خواص شیمیایی لیتیم به منیزیم شباهت دارد. خواص غیر عادی لیتیم اساساً از اندازه کوچک اتم و یون آن ناشی می شود. واکنش پذیری فلزات قلیایی در برابر کلیه واکنش گرها( بجز نیتریدها) با افزایش الکتروپوزیتیوی ( از لیتیم به سزیم) فزونی می یابد. از این رو لیتیم کمترین فعالیت شیمیایی و سزیم بیشترین فعالیت را دارد. آب و لیتیم فقط در ۲۵ درجه سانتیگراد و آن هم به کندی واکنش می دهند، در حالیکه در همین دما فلز سدیم به شدت با آب واکنش می دهد و واکنش پتاسیم با اشتعال همراه بوده، روبیدیم و سزیم واکنش انفجاری دارند. لیتیم و سدیم با برم مایع به زحمت ترکیب می شوند در حالیکه سایر عناصر گروه IA با برم مایع به شدت واکنش می دهند.

وقتی که فلزات قلیایی را در هوای آزاد می سوزانیم، لیتیم اکسید Li2O تولید نموده و به مقدار خیلی جزئی Li2O2 تولید می شود. در صورتیکه در مورد اسیدهای قلیایی دیگر M2O ، واکنش پیشرفت کرده و پر اکسید M2O2 تولید شده و مقداری هم سوپر اکسید MO2 ایجاد می شود.

پیوند فلزی در این گروه به دلیل اینکه برای هر اتم تنها یک الکترون لایه ظرفیت در پیوند شرکت می کند ضعیف تر از سایر فلزات است. از این رو نقطه ذوب و جوش فلزات قلیایی از سایر فلزات مانند طلا، نقره، مس و .... کمتر است.از بالا به پایین با افزایش عدد اتمی از جاذبه هسته بر الکترون لایه آخر کاسته شده و پیوند فلزی ضعیف تر می شود. به همین دلیل است که به جز لیتیم فلزات این گروه بسیار نرم هستند و می توان آنها را با چاقوی آشپزخانه برش داد. چگالی این فلزات از بالا به پایین با افزایش عدد اتمی به تدریج زیاد می شود.

سدیم و پتاسیم در لیتوسفر به مقدار زیاد و به صورت ذخائر وسیع سدیم کلرید و کارنالیت KCl.MgCl2.6H2O وجود دارند. لیتیم، روبیدیم و سزیم فراوانی کمتری دارند و به طور عمده فقط در چند کانی سیلیکاتی یافت می شوند. فلزات لیتیم، سدیم، پتاسیم و روبیدیم نقره ای رنگ می باشند در حالیکه سزیم به رنگ زرد طلایی است.

 

مسابقه بزرگ کیمیاگران

بسمه تعالی

مسابقه بزرگ کیمیاگران

به مناسبت یک سالگی کیمیاگران و عید نوروز

به مناسبت تولد یک سالگی کیمیاگران، و عید نوروز در نظر داریم تا مسابقه ای به شرح زیر برگزار نماییم، دوستانی که تمایل به شرکت در مسابقه دارند می توانند پاسخ سئوال زیر را در قسمت نظرات وارد نمایند. به یک نفر که کاملترین پاسخ را ارائه نماید، مبلغ  ۳۰،۰۰۰ تومان از طرف کیمیاگران جایزه داده خواهد شد.

  - سئوال: چرا در دستگاه اشعه کاتدی در فشار ۰.۰۱ اتمسفر گاز درون لوله و در فشار ۰.۰۰۰۱ اتمسفر جداره شیشه ای لوله ملتهب می شود، در حالیکه در فشار ۰.۰۰۰۰۰۱ اتمسفر شاهد تشکیل اشعه کاتدی هستیم؟

 

         

 مهلت ارسال پاسخ ها تا ۱۴ فروردین ۱۳۸۶ می باشد، دوستانی که تمایل به شرکت در مسابقه دارند علاوه بر پاسخ سئوال بالا مشخصات زیر را نیز باید وارد نمایند.

۱- نام و نام خانوادگی

۲- سن( یا سال تولد)

۳- شغل

۴- شهر محل سکونت

۵- آدرس ایمیل

خواهشمندیم از گذاشتن آدرس محل سکونت یا شماره تماس جداً خودداری نمایند.در صورت برنده شدن در مسابقه آدرس و شماره تلفن شما از طریق ایمیل پیگیری می گردد.

به دانش آموزان کلاس المپیاد شیمی دبیرستان امام صادق (ع) به دلیل مطرح شدن پاسخ سئوال در کلاس  جایزه ای تعلق نخواهد گرفت.

کربن

بسمه تعالی

- کربن:

از نظر فراوانی کربن یازدهمین عنصر موجود در قشر جامد زمین است. اما از لحاظ تعداد ترکیبات شناخته شده کربن بعد از هیدروژن رتبه دوم را به خود اختصاص می دهد، که اغلب این ترکیبات را به عنوان مواد آلی طبقه بندی می کنند.

 

 

ساختمان الکترونی کربن در حالت اصلی  1S2,2S2 2P2 است که طبق قاعده هوند دو الکترون در دو اربیتال نیمه پر 2P قرار می گیرند. با این توصیف ظرفیت کربن برابر ۲ خواهد بود و برای اینکه اتم کربن به حالت چهار والانسی برسد باید در نظر گرفت که به آرایش بر انگیخته ای می رسد که در لایه ظرفیت آن چهار اربیتال نیمه پر ایجاد می شود. یون C+4 در هیچ فرآیند شیمیایی مشاهده نشده ولی C-4 احتمالاً در پاره ای از کاربیدها وجود دارد ولی به طور کلی می توان گفت که کربن پیوندهای کووالانسی تشکیل می دهد.

 

یکی از خصوصیات اصلی شیمی کربن تشکیل زنجیر یا حلقه های اتمهای کربن است که نه فقط با پیوندهای ساده بلکه با پیوندهای چندگانه هم این وضع دیده می شود. بدیهی است که چنین عنصری باید حداقل والانس دو داشته باشد و با خود پیوندهای قوی تشکیل بدهد تا بتواند زنجیر یا حلقه به وجود آورد. گوگرد و سیلیسیم عناصر بعدی هستند که تمایل به زنجیری شدن دارند ولی از این نظر به پای کربن نمی رسند.

کربن در طبیعت دارای ترکیب درصد ایزوتوپ 12C با فراوانی 98.89 درصد و 13C با میزان فراوانی 1.11 درصد می باشد. 13C دارای اسپین هسته ای (S=1/2) که وسیله مناسبی برای مشاهده مکانیزیم تشکیل پیوند و ساختمان ترکیبات کربن از طریق NMR است. رادیو ایزوتوپ 14C با نیم عمر 5570 سال اغلب به عنوان ردیاب مورد استفاده قرار می گیرد که از تابش دهی نوترون حرارتی بریلیم نیترید یا آلومینیم نیترید ساخته می شود. این رادیو ایزوتوپ نه فقط به صورت CO2 یا کربناتها  بلکه به صورت عده زیادی از ترکیبات آلی نشان دار نیز در دسترس می باشد. تشکیل آن در جو و جذب CO2 به وسیله موجودات زنده اساس تعیین عمر اشیاء باستانی و قدیمی را به وسیله رادیو کربن تشکیل می دهد.

- آلوتروپ های کربن:

کربن دارای آلوتروپ( چند شکلی)های متفاوت است که دو آلوتروپ الماس و گرافیت به علت تفاوت در آرایش پیوند اتمهای آنها در خواص فیزیکی و شیمیایی از یکدیگر متمایز بوده و حایز اهمیت هستند.

 

 

الماس سنگین تر از گرافیت است، چرا که چگالی الماس 3.51g/cm3 بود و چگالی گرافیت 2.22g/cm3 می باشد، ولی گرافیت از الماس پایدارتر است. با توجه به دانسیته گرافیت و الماس، برای تبدیل این دو چند شکلی به یکدیگر می توان تخمین زد که در دمای 300 درجه کلوین فشاری در حدود 15000 اتمسفر لازم است تا این دو شکل با یکدیگر به حالت تعادل برسند. البته رسیدن به حالت در این شرایط بسیار کند است و به همین دلیل است که ساختمان الماس در شرایط عادی تغییر نمی کند.

- اکسیدهای کربن:

 از کربن 5 اکسید پایدار شناخته شده است که عبارتند از: CO, CO2, C3O2, C5O2, C12O9 که اکسید آخر(C12O9) را انیدرید اسید ملیتیک می نامند. اکسیدهای ناپایداری چون C2O, C2O3, CO3 نیز شناخته شده اند.

- کربن مونوکسید: از سوختن ناقص کربن با اکسیژن به دست می آید. این گاز را در آزمایشگاه را از اثر سولفوریک اسید بر فرمیک اسید غلیظ می توان تهیه نمود.

کربن مونوکسید یک گاز بی رنگ، بی بو، خواب آور و بسیار سمّی می باشد که حتی غلظت کمی از آن در هوای تنفسی می تواند موجب مرگ شود. از علایم وجود این گاز در هوای تنفسی ایجاد سرگیجه، حالت تهوع، خواب آلودگی و گزگز کردن اعضای بدن مانند دست ها و پاها می باشد. در صورت بروز چنین مشکلی ابتدا منبع تولید و نشر گاز را که اغلب وسایلی گرمایشی سوخت های کربنی هستند شناسایی نموده و از کار بیاندازید سپس هوای محیط را تهویه نمایید. کربن مونوکسید یکی از آلاینده های مهم شهری است که منبع اصلی آن خودروها می باشند. 

- کربن دیوکسید: از سوختن کامل کربن در مجاورت مقدار فراوان اکسیژن یا تاثیر اسیدهای رقیق بر کربناتها بدست می آید. غلظت زیاد کربن دیوکسید حاصل از فعالیت کارخانه ها و اتومبیل ها در جو باعث تشدید پدیده گلخانه ای و افزایش دمای زمین شده است.

- کربن سوبوکسید C3O2: گازی با بوی زننده بوده و یک ماده غیر متداول می باشد که از آبگیری مالونیک اسید با P2O5 در خلاء و در 140-150 درجه سانتیگراد بدست می آید. این مولکول احتمالاً خطی است. و در دمای عادی و بالاتر پلیمر شده و مواد زرد تا بنفش رنگ میدهد.