مدل های گوناگونی برای اتم

به یاد دارید که دموکریت برای اتم ها شکل های گوناگونی تصور می کرد. در حالی که دالتون اتم ها را ذره هایی کروی می دانست. اتم آن قدر کوچک است که نمی توان آن را دید اما مانند جسمی که درون جعبه است و دیده نمی شود، می توان با بررسی رفتاری که از خودشان می دهد، در مورد شکل دو ویژگی های آن حدسهایی زد. جوزف تامسون دانشمند انگلیسی، دیدگاه دالتون مبنی بر کروی بودن شکل اتم را پذیرفت اما برخلاف او که اتم را مانند یک ساچمه فنری، کره ای توپر و سفت و بدون ساختار درونی تصور می کرد، تامسون درباره ساختار اتم نظر دیگری داشت:

چهارده سال پس از تامسون یعنی در سال ۱۹۱۱ میلادی ارنست رادفورد دانشمند نیوزیلندی در دوستی مدل تامسون برای اتم تردید کرد. وی پس از آزمایش های بسیار ساختار دیگری برای اتم پیشنهاد کرد و مدل تازه ای برای آن ارائه داد.

رادفورد در مدل خود بار مثبت هسته ای اتم را به ذره هایی به نام پروتون نسبت داد. بارالکتریکی پروتون به اندازه ی بار الکترون است. در حالی که اندازه گیریها نشان داده است که جرم پروتون حدود دو هزار بار بیشتر از جرم یک الکترون است.
دو سال پس از رادفورد یعنی در سال ۱۹۱۳ میلادی، نیلز بورد دانشمند دانمارکی، مدل اتمی رادفورد را برای توجیه برخی از ویژگیهای اتم نارسا دانست و از این رو مدل دیگری برای اتم پیشنهاد کرد.
گفتنی است مدل بور علیرغم نارسا بودن اطلاعات سودمندی درباره ساختار هر اتم در اختیار ما می گذارد.

دیگر ذره های سازنده اتم :

جیمز چاد و یک دانشمند انگلیسی، ۲۰ سال پس از بور کشف کرد که در هسته ی اتم علاوه بر پروتون، ذره دیگری نیز وجود دارد. او این ذره را که جرم آن تقریباً با جرم پروتون برابر است بارالکتریکی ندارد. نوترون به این ترتیب، وجود سه ذره ساختار اتم ثابت شد.

همان طور که می دانید ۱۰۹ عنصر شناخته شده است. اتم های سازنده ی هر یک از این عنصرها، عدد اتمی ویژه خود را دارند. برای نمونه، اتم هیدروژن ساده ترین اتم شناخته شده است و تنها یک پروتون هسته ای آن را می سازد، عدد اتمی این اتم یک است. عنصر بعد از هیدروژن هلیم است. این عنصر دو پروتون و دو نوترون در هسته خود دارد. بنابراین عدد اتمی آن ۲ است. اگر عنصرهای شناخته شده را به ترتیب افزایش عدد اتمی آن ها، کنار هم قرار دهیم، جدولی بدست می آید که به آن جدول تناوبی عنصرها می گویند. در این جدول برای نمایش عنصرها از نمادهای ویژه ای استفاده می کنند که نمادهای شیمیایی نامیده می شوند. عدد اتمی و عدد جرمی، دو ویژگی مهم یک اتم به شمار می اید. این دو ویژگی را بصورت عددهایی در سمت چپ نماد شیمیایی عنصر می نویسند. برای مثال (اتم هلیم، با دو پروتون (عدد اتمی :۲) و دو نوترون (عدد جرمی ۴=۲+۲) به صورت زیر نشان داده می شود:

نمادهای شیمیایی :

همان گونه که گفتیم به حروفی که در هر خانه ی جدول تناوبی عنصرها می بینید نماد شیمیایی می گویند. برای نمایش هر عنصر به جای نوشتن نام کامل آن از این نمادهای یک یا دو حرفی استفاده می شود.این نماد بیشتر از نام لاتین عنصرها گرفته شده اند. برای مثال، هیدروژن را با حرف H نشان می دهند. H نخستین حرف از نام لاتین این عنصر یعنی Hydrogen است. هم چنین نیتروژن را با حرف N نشان میدهند. این حرف نیز نخستین حرف از نام لاتین این عنصر یعنی Nitrogen است نام و نشانه ی شیمیایی برخی عنصرها در ص ۸ کتاب وجود دارد.

همان گونه که در جدول صفحه پیش دیده می شود در نشانه ی شیمیایی دو حرفی فقط حرف نخست را بزرگ می نویسند. برای مثال عنصر کلیسیم را با نشانه Ca نشان می دهند. نخستین حروف را به شکل C نشان می دهند. نخستین حرف را به شکل C(حرف بزرگ) و دومین حرف را به صورت a(حرف کوچک) می نویسند.
اتم هایی که عدد اتمی یکسانی دارند ولی عدد جرمی آن ها با هم تفاوت می کند، در یک خانه از جدول تناوبی عنصرها قرار می گیرند. دانشمندان به چنین اتم هایی هم مکان یا ایزوتوپ می گویند. در واقع ایزوتوپ ها تنها در تعداد نوترون ها با یکدیگر تفاوت دارند و این سبب می شود که جرم ایزوتوپ ها با هم متفاوت باشد. ایزوتوپ ها یک عنصر خواص شیمیایی دارند اما به عتل تفاوت اندکی که در جرم آنها وجود دارد، در برخی از خواص فیزیکی وابسته به جرم مانند چگالی،‌تفاوت های ناچیزی با یکدیگر دارند.

مقایسه کنید
جدول اتمی تامسون و مدل اتمی رادفورد چه شباهت ها و چه تفاوت هایی با یکدیگر دارند؟

شباهت ها :
‌۱ – در هر دو مدل اتم کروی شکل است.
۲ – در هر دو مدل الکترون دارای بار منفی است
۳ – هر دو مدل اتم خنثی است و هر دو به یک اندازه بار مثبت و منفی دارند

تفاوت ها:

۱ – در مدل تامسون، بار مثبت خمیر کیک است. در مدل رادفورد، هسته در مرکز اتم و عمده جرم اتم را تشکیل می دهد.
۲- در مدل تامسون اتم تو پر و سفت است اما در مدل رادفورد بیشتر حجم اتم را فضای خالی تشکیل می دهد.
۳ – در مدل اتمی تامسون، الکترون ها مانند کشمش درون خمیری از بار مثبت پخش شده اند. اما در مدل اتمی رادفورد، هسته ی اتم به وسیله ی الکترون ها محاصره شده است.

مقایسه کنید .
مدل اتمی رادفورد با مدل اتمی بور چه شباهت ها و تفاوت هایی با یکدیگر دارند؟ شباهت ها :

۱- در هر دو، هسته در مرکز قرار دارد
۲ – در هر دو هسته دارای بار مثبت و الکترون دارای بار منفی است
۳ – حجم هسته ی اتم در مقایسه با حجم اتم بسیار کوچک است.

تفاوت ها :
۱- د رمدل اتمی رادفورد، هسته ی اتم به وسیله الکترون ها محاصره شده است، اما در مدل بور، الکترون ها در مدارهایی به دور هسته می چرخند.

فکر کنید :
مدل اتمی بور برای سه اتم مختلف در شکل زیر نشان داده شده است.

۱ – تعداد الکترون ها ، پروتون ها و فوترون ها را در هر اتم مشخص کنید.

۲ – به مجموع تعداد پروتون های یک اتم، عدد اتمی آن می گویند.عدد اتمی هر اتم را مشخص کنید.

۳ = تعداد پروتون = عدد اتمی (اتم سمت چپ)
۳ = تعداد پروتون = عدد (اتم وسط)
۴ = تعداد پروتون = عدد اتمی (اتم سمت راست)

۳ – کدام اتم سنگین تر است؟ چرا؟

عدد جرم اتمی سمت راست بیشتر از اتم وسط و اتم وسط بیشتر از سمت چپ است پس اتم سمت راست سنگین تر از بقیه اتم هاست. زیرا عدد جرمی آن از بقیه بیشتر است.

مقایسه کنید : ص ۱۱ مدل بور در سه اتم در شکل روبه رو نشان داده شده است:

۱ – این سه اتم چه شباهتی با یکدیگر دارند؟
عدد اتمی همه ی آنها با هم برابر است و تعداد الکترون های آنها نیز با هم برابر است.

۲ – این اتم ها چه تفاوتی با یکدیگر دارند؟
عدد جرمی این سه اتم با هم متفاوت است.

۳ – هر یک از این اتم ها به چه عنصری تعلق دارند؟
هر سه این اتم ها، اتم هیدروژن هستند.

۴- عدد اتمی و عدد جرمی هر یک از آن ها را معین کنید.
عدد اتمی آن ها برابر یک است. چون هر یک فقط یک پروتون دارند. عدد جرمی اتم است سمت چپ یک ، اتم وسط دو اتم سمت راست برابر سه است.

فکر کنید :
برای اکسیژن سه ایزوتوپ در طبیعت یافت می شود. جدول رو به رو این ایزوتوپ ها و فراوانی آنها را در طبیعت نشان می دهد.
۱ – عددهای نوشته شده در سمت چپ – بالا و پایین نماد شیمیایی ، چه معنایی دارند؟

کدام ایزوتوپ اکسیژن از همه سبک تر است؟ چرا؟
ایزوتوپ ۱۶ از همه سبک تر است . چون عدد جرمی آن از بقیه کم تر است.

کدام ایزوتوپ اکسیژن در طبیعت بیشتر یافت می شود؟
ایزوتوپ ۱۶ اکسیژن در طبیعت بیشتر یافت می شود.

تغییر و انواع آن:

می دانید که ذوب شدن یخ یعنی تبدیل یخ جامد به آب مایع نمونه ای از تغییر در حالت ماده است این تغییر، از آب در حالت جامد (یخ) آغاز به آب در حالت مایع پایان می یابد.
تصویر زیر، شیوه ی قرارگرفتن مولکول های آب در دو حالت جامد و مایع چه تفاوت هایی با هم دارند؟

درک وقوع یک تغییر همیشه به این سادگی نیست ممکن است با تغییرویژگی های دیگری از ماده همراه باشد. به این ویژگی ها خواص ماده گفته می شود.
خواص ماده بر دو نوعند. خواص فیزیکی و خواص شیمیایی.

خواص فیزیکی و تغییر فیزیکی:

هنگامی که یک ورق کاغذ پاره می شود تنها ابعاد آن (یکی از خواص فیزیکی آن ورقه ی کاغذی) تغییر می کند. در این هنگام می گوئیم که ورقه ی کاغذ تغییر فیزیکی کرده است. در این تغییر،جنس ورقه تغییری نمی کند. یعنی کاغذ به ماده ی دیگری تبدیل نمی شود.

فکر کنید :
در این متن به چند خاصیت فیزیکی گوگرد مشاهده شده است،‌با کشیدن خط زیر هر خاصیت آن ها را مشخص کنید:
«گوگرد جامد شکننده زردرنگی است که در دمای ۱۱۹ºC ‌ذوب می شود و در دمای ۴۴۵ºC به جوش می آید. این نافلز جریان برق را از خود عبور نمی دهد وارد آب حل نمی شود» .

فکر کنید :
آیا می توان تغییر فیزیکی را به تغییر در شیوه ی قرارگرفتن ذره های سازنده یک ماده در کنار هم نسبت دارد؟
چون در تغییر فیزیکی خود ذرات هیچ تغیری نمی کند، بلکه جنبش و سرعت آن ها نسبت به همدیگر تغییر می کند.

خواص شیمیایی و تغییر شیمیایی:

اگر با پاره شدن ورقه ی کاغذ جنس آن تغییر نمی کند ولی با سوزاندن آن، کاغذ به ماده ی تازه ای تبدیل می شود که دیگر کاغذ خواص اولیه را ندارد. در این حالت کاغذ دچار یک تغییر شیمیایی شده است. تغییری که طی آن از یک یا چند ماده، ماده یا مواد شیمیایی تازه ای بوجود می آید.

خواص شیمیایی یک ماده به مجموعه خواص گفته می شود که تمایل یا عدم تمایل آن ماده برای شرکت در تغییر شیمیایی بیان می کند. .

فکر کنید :
درهر مورد با بیان علت ،‌تغییرهای شرح داده شده را در دو دسته ی فیزیکی و شیمیایی قرار دهید.

فکر کنید :
۱ – کدامیک از واژه های زیر برای بیان تغییر فیزیکی و کدامیک برای معرفی تغییر شیمیایی بکار می روند.

خردکردن ، ساییدن ، ذوب شدن ، تبخیر شدن ، آسیاب کردن—-> تغییر فیزیکی
فاسد شدن ، زنگ زدن، سوزاندن —-> تغییر شیمیایی

۲- برای شمع سه خاصیت فیزیکی و یک خاصیت شیمیایی مثال بزنید.

خاصیت شیمیایی :‌به آسانی می سوزد خاصیت فیزیکی: جامد است – براثر گرما ذوب می شود – رنگ آن معمولاً سفید مایل به زرد است.

۳- آیا می توانید تغییر شیمیایی را به تغییر در ساختار ذره های سازنده ی ماده نسبت داد ؟ با توجه به شکل زیر پا سخ خود را توضیح دهید

بله،‌چون مولکول های سه اتمی گاز NO₂ قهوه ای رنگ وقتی سرد می شود به مولکول های چهار اتمی N₂O₄ بی رنگ است تبدیل می شود پس چون ساختار مولکولی عوض شده تغییر شیمیایی است.

نشانه های تغییر شیمیایی:

می دانید که تغییر به دو صورت فیزیکی و شیمیایی به وقوع می پیوندد. اما چگونه می توان این دو نوع تغییر را از یکدیگر متمایز کرد؟
با اجرای یک آزمون ساده و به کمک نشانه های شیمیایی می توان برخی مواد را شناسایی کرد، برای نمونه با برخی آزمایشها می توان (آزمایش ص ۷ کتاب) به وجود مس، نشاسته و کربن و دی اکسید پی برد. به این آزمایش های ساده آزمون شیمیایی می گویند.

فکر کنید :
معلوم کنید که در هر مورد تغییر توضیح داده شده فیزیکی یا شیمیایی است؟ آیا با اطلاعات داده شده می توان به این پرسش پاسخ داد؟ چرا؟

۱- یک مایع بی رنگ بر اثر گرم شدن به مرور ناپدید می شود.
فیزیکی : چون تبخیر شده است

۲ – یک مایع سرد می شود و جامدی در ظرف ته نشین می شود.
فیزیکی :‌چون وقتی سرد می شود مقداری از مواد محلول آن رسوب می کند

۳ – یک ماده ی جامد آبی رنگ در آب حل می شود و آب را به رنگ آبی درمی آورد.
فیزیکی : چون ماده در آب حل شده است.

۴ – یک ماده جامد آبی رنگ می شود و بوی تندی به مشام می رسد.
اطلاعات کامل نیست. زیرا ممکن است این مایع وقتی به بخار تبدیل می شود بوی تند و تیز باشد یا ممکن است این مایع بر اثر گرما با یک ماده دیگر واکنش شیمیایی انجام داده باشد و بوی تند و تیز ایجاد کند.

اجزای یک تغییر شیمیایی:

در هر تغییر شیمیایی ماده یا مواد تازه ای بوجود می آید. به این ماده یا مواد جدید فرآورده های تغییر شیمیایی می گویند . هنگامی که مقداری گوگرد و آهن با یکدیگر واکنش نشان می دهند آهن سولفید بدست می آید. آهن سولفید فرآورده این تغییر شیمیایی است. موادی که آغاز کننده تغییر شیمیایی هستند. واکنش دهنده ها یا واکنش گرها گفته می شوند. در مثال یاد شده آهن گوگرد واکنش دهنده هستند.

با کمک یک معادله نوشتاری می توان رابطه ی میان واکنش دهنده ها و فرآورده ها در یک تغییر شیمیایی را نشان داد. برای نمونه به معادله ی نوشتاری واکنش میان آهن و گوگرد توجه کنید:
آهن+ گوگرد(واکنش دهنده ها)—-> آهن سولفید(فرآورده)

سوختن نوعی تغییر شیمیایی

هنگامی که به یک شعله ی شمع نگاه می کنید یا به یک اجاق خوراک پزی، در حال نگاه کردن به یک تغییر شیمیایی هستید.

می دانید که اشتعال پذیری یک خاصیت شیمیایی است. در واقع ماده اشتغال پذیر طی یک تغییر شیمیایی که سوختن نامیده می شود، به مواد تازه ای تبدیل می شود. در این تغییر شیمیایی یک ماده اشتغال پذیر که ماده ی سوختنی گفته می شود، با اکسیژن موجود در هوا برای نمونه ، به هنگام سوختن شمع دو عنصر کربن و هیدروژن که عنصرهای سازنده ی شمع هستند با اکسیژن هوا ترکیب می شوند و آب و کربن دی اکسید تولید می کنند. همان طور که مشاهده می شود در این واکنش نور و گرما نیز آزاد می شود.
آهن در برابر هوا به آهستگی با اکسیژن واکنش نشان می دهد و دچار تغییر شیمیایی می شود. به این تغییر شیمیایی زنگ زدن می گویند. اگر چه این تغییر شیمیایی با تولید ماده ای به نام زنگ آهن یا اکسید آهن همراه است ولی مانند سوختن شمع نور و گرمای قابل توجهی آزاد نمی کند.
به طور کلی به واکنش یک ماده با اکسیژن اکسایش می گویند. واکنش های اکسایش عموماً گرماده اند. مقدار گرمای آزاد شده بر اثر اکسایش در موارد مختلف متفاوت است. در برخی از اکسایش ها که با تولید شعله همراه اند. انرژی قابل توجهی آزاد می شود. سوختن شمع چنین واکنشی است. شمع را از ماده ای به نام پارافین می سازند. پارافین از ترکیب شیمیایی دو عنصر کربن و هیدروژن بوجود می آید. در اثر سوختن پارافین،‌افزودن بر تولید کربن دی اکسید و بخار آب مقدار قابل توجهی انرژی نیز آزاد می شود.
انسان با سوزاندن برخی مواد سوختنی انرژی مورد نیاز زندگی خود را تأمین می کند.
به این دسته از مواد سوختنی که تنها برای تأمین انرژی سوزانده می شوند سوخت می گویند. نفت، بنزین ،‌گازوئیل ،‌زغال سنگ و گاز شهری از جمله مهمترین سوخت ها به شمار می روند.
آتش حاصل از سوختن همان نور و گرمایی است که ازواکنش ماده ی سوختنی با اکسیژن تولید می شود. البته برای ایجاد آتش تنها قرار گرفتن یک ماده سوختنی در مجاورت اکسیژن کافی نیست، بلکه شرط سومی نیز لازم است. گرما سومین شرط لازم برای ایجاد آتش سوزی است. شکل روبرو که به مثلث آتش معروف است رابطه ی میان این سه شرط را بخوبی نشان می دهد.

فکر کنید
گرماده یا گرماگیر بودن هر یک از تغییرهای فیزیکی و شیمیایی زیر را با آوردن دلیل مشخص کنید.
۱ – تبخیر آب
۲ – پختن غذا
۳ – سوختن نفت

۱ – گرماگیر : زیرا برای تبدیل آب به بخار گرمای زیادی لازم است.
۲ – گرماگیر :‌برای اینکه غذا پخته شود به انرژی گرمایی نیاز دارد.
۳ – گرماده : زیرا وقتی نفت شروع به سوختن می کند مقداری زیادی گرما تولید می شود.

انرژی و تغییرهای فیزیکی و شیمیایی:

هر تغییری چه فیزیکی و چه شیمیایی در ماده با تغییر انرژی – گرفتن یا آزاد ساختن همراه است. یخ بدون گرفتن گرما ذوب نمی شود و گرمای خانه ی ما نیز از انرژی آزاد شده برای سوختن نفت، یا گاز تأمین می شود. بر این مبنا تغییرهای فیزیکی و شیمیایی را به دو دسته گرماده و گرماگیر تقسیم می کنند. تغییر گرماده به تغییرهایی گفته می شود که با آزاد کردن انرژی – عموماً به صورت گرما – همراه اند. در حالی که تغییرهای گرماگیر آن دسته تغییراتی هستند که با گرفتن انرژی عموماً به صورت گرما به وقوع می پیوندد.
به انرژی ذخیره شده در مواد شیمیایی انرژی شیمیایی می گویند. تغییرهای شیمیایی سبب آزاد شدن این انرژی یا افزایش انرژی شیمیایی اندوخته شده در مواد شیمیایی می شوند.

سرعت تغییرهای شیمیایی :

تغییرهای شیمیایی با سرعت های متفاوتی روی می دهند. در واقع آهسته و برخی تند به پیش می روند.اگر سرعت یک واکنش شیمیایی را سرعت مصرف شدن مواد واکنش دهنده با سرعت تولید فرآورده های آن واکنش در نظر بگیریم. در این صورت واکنشی مانند انفجار مواد منفجره، که در آن دهها یا صدها کیلوگرم ماده منفجره در کمتر از یک ثانیه مصرف می شود را می توان یک واکنش بسیار سریع دانست. این در حالی است که روزها طول می کشد تا فقط سطح یک تیرآهن زنگ آهن پوشیده شود. به این علت زنگ زدن آهن از جمله واکنش های شیمیایی آهسته به شمار می آید.

کاتالیزگرها :

یکی دیگر از عواملی که باعث افزایش سرعت واکنش های شیمیایی می شود، افزون موادی به واکنش دهنده هاست. این مواد که کاتالیزگرها نامیده می شوند سرعت یک واکنش شیمیایی را افزایش می دهند. کاتالیزگرها خود دچار تغییر شیمیایی نمی شوند و در پایان واکنش بدون تغییر باقی می ماند.

جرم و تغییرهای شیمیایی :

از تغییرهای شیمیایی همواره مجموع جرم واکنش دهنده ها برابر مجموع جرم فرآورده هاست.به عبارت دیگر در واکنش شیمیایی نه از جرم کم نه بر آن افزوده می شود. در واقع جرم ثابت باقی می ماند. این مطلب قانون بایستگی جرم نامیده می شود.

فکرکنید
با دقت به تصویر زیر نگاه کنید. واکنش دهنده ها و فرآورده های واکنش نشان داده شده را مشخص کنید. اگر مولکول های موجود در دو طرف این واکنش را روی کفه ی ترازو قرار دهید، کدام سمت سنگین تر خواهد بود؟ چرا؟

هر دوکفه با هم برابر هستند . چون طبق قانون پایستگی جرم در یک واکنش شیمیایی جرم واکنش دهنده ها برابر جرم فرآورده ها می باشد.