یه کوچولو از شیمی (مول و ...)

در شیمی از اصطلاح"مول" برای اندازه گیری مقدار یک عنصر یا ماده مرکب استفاده می شود. در واقع این یک تعریف و قسمتی از زبان بیان علم شیمی است. برای این که از مول بیش تر بدانیم، بهتر است از "وزن اتمی" شروع کنیم.

وزن اتمی:
شیمی دان ها همواره به دنبال کشف روابط وزنی بین عناصر بوده اند. بیایید تصور کنیم که در یک آزمایشگاه شیمی و در قرن 19 هستیم و می خواهیم بدانیم آزمایش بین روی و گوگرد به چه صورت انجام می شود:

65 گرم از روی و40 گرم از گوگرد برداشته و آن ها را در یک بوته آزمایشگاه برای چند ساعت حرارت می دهیم. سپس مقدار اضافه گوگرد را در متیلن کلرید حل می کنیم.
ماده ای از گوگرد اضافی باقی نمی ماند و هیچ اثری از روی دیده نمی شود و وزن به دست آمده 97 گرم است.

سوال 1:
وزن گوگرد ترکیب شده با روی (مقداری که واکنش داده است) چه قدر است؟
الف) 40 گرم                                                   ب) 8 گرم                                                   ج) 32 گرم
 
جواب الف اشتباه است؛ از آن جایی که مقداری از گوگرد بعد از اتمام واکنش هنوز هم باقی می ماند، تمام آن با روی واکنش نداده است.
جواب ب اشتباه است؛ دوباره وزن نهایی ماده مرکب را بررسی کنید و یادتان باشد که تمام مقدار روی مصرف شده است.
جواب ج صحیح است؛ زیرا در پایان واکنش هیچ اثری از روی نیست؛ تمام 65 گرم ا ز روی به طور شیمیایی مصرف شده است. ماده نهایی که شامل روی و گوگرد است، دارای وزن 97 گرم است؛ بنابراین  97 - 65 = 32 g از گوگرد مصرف شده است.
 
بنابراین در این واکنش، وزن ترکیبی روی و گوگرد 65 و 32 گرم است. اثر این وزن ترکیبی در دهه 1800 و در زمان دالتون مشخص شد، او فرض کرد که تمام ماده از اتم ها تشکیل شده است و واکنش ها شامل ترکیبات این اتم ها با نسبت های صحیح (غیر کسری) هستند.
هم چنین دالتون فرض کرد تمام اتم های یک عنصر دارای جرم یکسانی هستند (اکنون ما می دانیم که این فرض اشتباه است).
ما می دانیم که یک اتم گوگرد با یک اتم روی ترکیب می شود تا ماده مرکب سولفید روی را حاصل کند، اگر 32 گرم از گوگرد با 65 گرم از روی واکنش دهد، یک اتم روی، 65/32  بار سنگین تر از یک اتم گوگرد است. معادله پایین این واکنش را نشان می دهد:

 

در این معادله، نمادهای عناصر در شکل عنصری آن ها نوشته شده است و ماده مرکب ZnS نشان می دهد که نسبت یک به یک از اتم های روی و گوگرد وجود دارد.در این معادله، نمادهای عناصر در شکل عنصری آن ها نوشته شده است و ماده مرکب ZnS نشان می دهد که نسبت یک به یک از اتم های روی و گوگرد وجود دارد.

سوال 2:
اگر اتم روی با دو اتم گوگرد ترکیب شود، واکنش آن به کدام صورت خواهد بود؟

جواب ج صحیح است؛ زیرا ماده مرکب سمت راست به خوبی نسبت یک به دو از روی و گوگرد را بیان می کند. هم چنین این ماده مرکب به ما می گوید که دو اتم گوگرد در سمت راست معادله به دو اتم گوگرد در سمت چپ نیز نیاز دارد.
 
سوال3:
با فرض این که وزن یکسانی از هر عنصر (65 گرم روی و 32 گرم از گوگرد) در واکنش با هم مصرف شده اند و یک اتم روی با دو اتم گوگرد واکنش داده است، وزن ترکیبی گوگرد چه قدر خواهد بود؟
 
الف) 16 گرم                                                   ب) 64 گرم                                                       ج) 32 گرم
 
گزینه الف صحیح است. اکنون 32 گرم از گوگرد نشان دهنده واکنش دو اتم گوگرد با یک اتم روی است. در نتیجه هر اتم گوگرد باید وزن نصف شده داشته باشد یعنی 16 گرم.

خب دوستان حالا یه استراحت بکنید تا ادامه مبحث رو شروع کنیم :)

اتم های عناصر مختلف با نسبت های متفاوت با هم ترکیب می شوند. برای مثال، سیلیسیوم با دو اتم گوگرد ترکیب می شود (فرمول سولفید سیلیسیوم SiS2 است) و دو اتم سدیم با یک اتم گوگرد ترکیب می شود (Na2S ).
 
بنابراین تعیین نسبت اتم ها در هر ماده مرکب مهم است. فرض کنید لیستی از وزن های نسبی اتم ها را تهیه کرده ایم:

به دلیل این که هیدروژن سبک ترین عنصر است، بیایید وزن آن را 1 در نظر بگیریم و وزن بقیه عناصر را با توجه به وزن آن یک پنجم کنیم:

سوال 1:
با توجه به جدول، اتم کربن چه قدر سنگین تر از بور است؟
الف) 12 برابر        ب) 12/10 برابر           ج) 10/12 برابر
 
جواب: از جدول بالا می فهمیم که کربن و بور وزن اتمی نسبی 12 و 10 دارند، میانگین اتمی کربن از میانگین اتمی بور، سنگین تر است. برای همین میانگین اتمی کربن 12/10 برابر سنگین تر از میانگین اتمی بور است.
 
سوال 2:
چه جرمی از نقره شامل تعداد یکسانی از اتم های 12 گرمی کربن است؟
 
جواب این سوال 107 گرم است. جرم های جدول بالا نشان دهنده جرم های نسبی عناصر هستند. طبق جدول، میانگین اتمی نقره 107/12 = 8.9  دارای همان توده جرمی میانگین اتمی کربن است. برای همین، برای داشتن تعداد یکسانی از اتم های نقره، به جرم کربن نیاز داریم که 107/12  برابر جرمش است. از آن جایی که 12 گرم اتم کربن داریم، پس      107/12 x 12 = 107 g  نقره داریم.
 
سوال 3:
چه جرمی از نقره دارای تعداد یکسانی از اتم های 6 گرمی کربن است؟
جواب: 107/2 = 53.5 g  نقره، اگر نادرست حل کردید به سوال قبل برگردید و این نسبت را رعایت کنید:
 
6/12 = X/107
 
ایزوتوپ ها:
در اوایل قرن بیستم، طیف سنجی جرمی (اسپکترومتر جرمی) که به دانشمندان اجازه می داد تا جرم تک تک اتم ها را به صورت مجزا تعیین کنند، ساخته شد. این وسیله واقعیت هایی را کشف کرد از جمله این که تمام اتم های یک عنصر، جرم یکسانی ندارند (برای همین بود که به جای کلمه "اتم و وزن اتم" از "میانگین اتم" استفاده کردیم).
 
اتم های یک عنصر دارای جرم های مختلفی هستند که "ایزوتوپ" نامیده می شود. برای مثال، دو ایزوتوپ مهم بور وجود دارد که هر دو دارای 5 پروتون در هسته هستند اما یکی از ایزوتوپ ها دارای 5 نوترون و دیگری دارای 6 نوترون است. می دانیم که جمع تعداد پروتون ها و نوترون ها در یک هسته، جرم ایزوتوپ را حاصل می کند. این تعداد به صورت یک بالا نویس در سمت چپ در کنار نماد شیمیایی عنصر نوشته می شود. برای مثال ایزوتوپ بور با 6 نوترون، 11B است.

 

الکترون ذره دیگر موجود در اتم ها بسیار مورد علاقه شیمی دان هاست. الکترون ها در خارج از هسته و با بار منفی به دور هسته می چرخند. جرم الکترون از جرم پروتون یا نوترون بسیار کوچک تر است. بار روی الکترون با بار پروتون یکسان است اما علامت آن ها مخالف هم است. در نتیجه در یک اتم خنثی، تعداد الکترون ها و پروتون ها یکی است.
سوال 4:
کدام یک از ایزوتوپ های زیر دارای 6 پروتون و 7 نوترون است؟
الف) 7B
ب) 13B
ج) 12C
د) 13C
جواب: گزینه د صحیح است.
 
سوال 5:
کلر طبیعی موجود در طبیعت دارای دو ایزوتوپ است که یکی از ن ها دارای دو نوترون بیش تر از دیگری است. اگر ایزوتوپ سبک تر دارای عدد جرمی 35 باشد؛ نماد شیمیایی صحیح ایزوتوپ دیگر چیست؟
 
جواب : 37Cl نماد شیمیایی کلر Cl است و ایزوتوپ صحیح کلر بایستی دو عدد بیش تر از 35 باشد؛ یعنی 37.
 
بعد از کشف ایزوتوپ ها و میانگین برای اندازه گیری های صحیح جرم نسبی ایزوتوپ ها، دانشمندان تصمیم گرفتند تا جرم ایزوتوپ 12C باید به صورت دقیق 12.0000 واحد وزن اتمی (amu) تعریف شود.

 

در شکل بالا در (a) یک هندوانه، 12 قطعه هندوانه در (b) ، در حالت (c) شما 12/1 هندوانه را می بینید و بالاخره در شکل (d) می بینید که چگونه با این مقیاس می توان میوه های دیگر را وزن کرد. شیمی دان ها هم از کربن برای وزن کردن اتم ها استفاده می کنند.
 
سوال 6:
یک واحد وزن اتمی (amu) چگونه تعریف می شود؟
 
الف) 12 گرم
ب) یک دوازدهم جرم یک اتم 12C
ج) 1 x 10-12 گرم
 
جواب صحیح گزینه ب است.
 
جرم نوترون ها و پروتون ها بسیار نزدیک هم است. جرم یک الکترون حدود 2000 برابر کوچک تر از جرم یک نوترون یا پروتون است.
 
سوال 7:
جرم تقریبی یک پروتون و یا نوترون با واحد اتمی amu چه قدر است؟
الف) 12 amu
ب) 6 amu
ج) 1 amu
 
جواب: گزینه ج درست است؛ در یک اتم کربن، 6 پروتون، 6 نوترون و 6 الکترون وجود دارد. وزن الکترون ها نسبت به پروتون ها و نوترون ها آن قدر کوچک است که می توان آن را نادیده گرفت. جرم یک پروتون نیز تقریبا با جرم نوترون برابر است؛ یعنی این هسته دارای جرم ترکیبی 12.00 amu  است. برای همین یک پروتون (و یا یک نوترون) وزن 1.00 amu  دارد.

سوال 8:
جرم تقریبی یک اتم 13C چه قدر است؟
 
جواب: 13.00 amu
 
سوال 9:
جرم تقریبی دو اتم 29Si چه قدر است؟
 
جواب:
58.0 amu  ؛ زیرا هر نوکلئون (پروتون یا نوترون) دارای جرم 1.00 amu  است (جرم الکترون را نادیده می گیریم). یک اتم سیلیسیوم 29Si دارای جرم 29.0 amu  است و دو اتم سیلیسیوم دارای جرم    2 x 29.0 = 58.0 amu  است.