علوم پایه هشتم

اتم چيست؟

اتم کوچکترين واحد تشکيل دهنده يک عنصر شيميايي است که خواص منحصر به فرد آن عنصر را حفظ مي‌کند. تعريف ديگري آن را به عنوان کوچکترين واحدي در نظر ميگيرد که ماده را ميتوان به آن تقسيم کرد بدون اينکه اجزاء بارداري از آن خارج شود. اتم ابري الکتروني، تشکيل‌شده از الکترون‌ها با بار الکتريکي منفي، که هسته? اتم را احاطه کرده‌است. هسته نيز خود از پروتون که داراي بار مثبت است و نوترون که از لحاظ الکتريکي خنثي است تشکيل شده است. زماني که تعداد پروتون‌ها و الکترون‌هاي اتم با هم برابر هستند اتم از نظر الکتريکي در حالت خنثي يا متعادل قرار دارد در غير اين صورت آن را يون مي‌نامند که مي‌تواند داراي بار الکتريکي مثبت يا منفي باشد. اتم‌ها با توجه به تعداد پروتون‌ها و نوترون‌هاي آنها طبقه‌بندي مي‌شوند. تعداد پروتون‌هاي اتم مشخص کننده نوع عنصر شيميايي و تعداد نوترون‌ها مشخص‌کننده ايزوتوپ عنصر است.

نظريه فيزيک کوانتم تصوير پيچيده اي از اتم ارائه ميدهد و اين پيچيدگي دانشمندان را مجبور ميکند که جهت توصيف خواص اتم بجاي يک تصوير متوسل به تصاوير شهودي متفاوتي از اتم شوند. بعضي وقت ها مناسب است که به الکترون به عنوان يک ذره متحرک به دور هسته نگاه کرد و گاهي مناسب است به آنها عنوان ذراتي که در امواجي با موقعيت ثابت در اطراف هسته (مدار: orbits) توزيع شده اند نگاه کرد. ساختار مدار ها تا حد بسيار زيادي روي رفتار اتم تأثير گذارده و خواص شيميايي يک ماده توسط نحوه دسته بندي اين مدار ها معين ميشود.

ريشه لغوي

اين کلمه ، از کلمه يوناني atomos ، غير قابل تقسيم ، که از a- ، بمعني غير و tomos، بمعني برش ، ساخته شده است. معمولا به معناي اتم‌هاي شيميايي يعني اساسي‌ترين اجزاء مولکول‌ها و مواد ساده مي‌باشد.

تاريخچه شناسايي اتم

اتم - ملکول - ساختار اتم

از مدتها قبل ،انسان مي داند که تمام مواد از ذرات بنيادي يا عناصر شيميايي ساخته شده اند. از ميان اين مواد،مثلاً مي توان از اکسيژن ،گوگرد ،و آهن نام برد .کوچکترين ذره آهن ،يک اتم آهن و کوچکترين ذره گوگرد ،يک اتم گوگرد ناميده مي شود .

آهن خالص فقط داراي اتمهاي آهن است و گوگرد خالصل نيز فقط اتمهاي گوگرد دارد . اتمها جرمهاي گوناگوني دارند .سبکترين آنها اتم هيدوژن است .

اتمهاي آهن بسيار سنگينتر از هيدروژن و اتمهاي "اورانيم" از اتمهاي آهن سنگينترند ،يعني جرمشان بيشتر ايت .واژه اتم ،از بان يوناني گرفته شده و معناي آن در واقع "ناکسستني" يا "تقسيم ناپذير" است .

امروزه ما مي دانيم که امها را هم مي توان به اجزاء کوچکتر تقسيم کرد.ولي به هر حال ،اگر مثلاً يک اتم آهن را درهم بشکنيم ،اجزاء شکسته شده ،و ديگر آهن نسيتند و خصوصيات آهن را ندارند به اين دليل است که در بسياري از کتابهاي شيمي تعريف زير در باره واژه "اتم" آورده شده است :

"يک اتم کوچکترين سنگ بناي يک عنصرشيميايي است که کليه خصوصيات ويژه آن عنصر را دارا بوده و در صورت تقسيم آن به اجزاء کوچکتر ،اين خصوصيات را از دست خواهد داد ".

اتمها در مقايسه با کليه چيزهايي که ما در زندگي معمولي خود با آنها برخورد مي کنيم ،خيلي خيلي کوچک هستند .قطر يک اتم تقريباً سانتيمتر يا 8 - 10×1 سانتيمتراست . با ذکر يک مثال مي توان پي برد که اتمها چقدر کوچک هستند :

برروي کره زمين تقريباً 5 ميليارد نفر زندگي مي کنند. اگر هر نفر را يک اتم حساب کنيم و با اين اتمها يک زنجير بسازيم طول اين زنجير به زحمت 50 سانتيمتر خواهد شد .

مولکول چيست؟ اتمها مي توانند براي ايجاد ذرات بزرگنر با يکديگر پيوند پيدا کنند و به اصطلاح "مولکولها " را تشکيل دهند.به عنوان مثال ،دو اتم اکسيژن با يکديگر تشکيل يک مولکول اکسيژن را مي دهند. در طبيعت اغلب اوقات اتفاق مي افتد که امهاي عناصر مختلف به صورت مولکول با يکديگر اتحاد مي يابند .

يکي از معروفترين اين اتحادها مولکول آب است . که ازيک اتم اکسيژن و دو اتم هيدوژن تشکيل شده است . يک مولکول آمونياک ،يک اتم نيتروژن وسه اتم هيدوژن دارد .

آب و آمونياک برخلاف اکسيژن و کربن عناصر شيميايي نيستند بلکه ترکيبات شيميايي از عناصر متقاوت هستند .کوچکترين ذره چنين ترکيبي مولکول ناميده مي شود .چنانچه يک مولکول آب را تجزيه کنيم خصوصيات آب از دست مي رود و فقط ذرات تشکيل دهنده آن يعني هيدروژن و اکسيژن باقي مي مانند که خصوصياتي کاملاً متفاوت با آب دراند .

مولکولهانيز مثل اتمها به طرز غيرقابل تصوري کوچک هستند دريک ليوان ـآب معمولي تقريباً 6000000000000000000000000 يا 24 10×6 مولکول آب وجود دارد . اگر اين لوان آب را به ميزان مساوي بر روي تمام اقيانوسها و درياهاي کره زمين پخش کنيم درهر ليتر از آب درياها ،چندين هزار مولکول از آب ليوان وجود خواهد داشت .

ساختار اتم چيست ؟ تقريباً 75سال پيش "ارنست رادر فورد " در انگلستان مطلبي را کشف کرد که فيزيک اتمي جديد را نبيان گذارد . اما اکنون به اين مطلب مي پردازيم .اين فيزيکدان بريتانيايي يک ورق نازک طلايي را مورد اصابت ذرات آلفا قرار داد تا در ون اتمها را شناسايي کند .

اگر مواد در يک چنين ورق فلزي بطور متناسب و يکنواخت پخش بودند ذرات آلفا درهمان مسير پرواز خود به حرکت ادامه مي دادند،اگر چه در اين حالت کمي از سرعت ذرات آلفا کاسته مي شد. تمام "ذرات آلفا" تقريباً به همين شکل رفتار کردند .البته تعداد کمي نيز کاملاً از مسير خود منحرف شدند درست مثل اينکه به يک گلوله کوچک اما خيلي سنگين برخورد کرده باشند "رادرفورد " از اين آزمايش چنين نتيجه گيري کرد که تقريبا تمام جرم اتم طلا در يک هسته بسيار کوچک وناچيز تمرکز يافته است .

هسته اتم کشف شده بود.امروز ه ما دقيقاً مي دانيم ساختار اتم چيست ."اتم ماننديک منظومه شمسي کوچک است ". در مرکز اتم يک هسته بسيار کوچک قرار دارد که از نظر الکتريکي داراي با ر مثبت است و تقريباً تمام جرم اتم را تشکيل مي دهد به دور اين هسته ذرات کوچک و بسيار سبکي که داراي بار الکتريکي منفي هستند يعني الکترونها در حرکت هستند.

اتمها ي سنگين تر ين فلزات در وقاع داراي "ساختماني اسفنجي " هستند و تقريبا فقط از فضاي خالي تشکيل شده اند اگر هسته اتم را به برزگي يک گيلاس فرض کنيم ،ساختمان اتم با مدارهاي اکتروني خود تقريبا به بزرگي "کليساي دم " در شهر کلن خواهد بود .

قطر هستهه اتم تقريبا برابر سانتيمتر يا 12- 10سانتيمتر مي باشد به عبارت ديگر 100ميليارد هسته اتم درکنار هم زنجيري به طول يک ميليمترخواهند ساخت .

ساده ترين اتم هيدروژن است . دراين اتم فقط يک الکترون به دور هسته بسيار کوچکي مي گردد . در شرايط عادي اين اکترون فقط پنج ميليارددم سانتيمتر يا 9- 10×5 سانتيمتر از هسته فاصله دارد .اما اين الکترون مي تواند روي مدارهاي دور تري نسيت به هسته نيز قرار گيرد و در اينجاست که متاسفانه و جه تشابه بين اتم و منظومه شمسي از بين مي رود .

حرکت الکترون فقط روي مدارهاي ويژه و معين يا به عبارت ديگر"تراز انرژي " مشخصي امکان پذير مي بادش در حالي که سياره ها در هر فاصله دلخواهي از خورشيد مي توانند حرکت کنند مثلا اگريک الکترون از يک مدار داخلي يا به عبارت ديگراز يکتراز پر انرژي تر به يک مدارداخلي يا يک تراز کم انرژي تر منتقل شود مقدار انرژي به شکل يک ذره يا "کوانت نوري " يا "فوتون" رها مي وشد چون فقط مدارها يا ترازهاي انرژي کاملاً معيني وجود دارد در نتيجه فقط ذره هاي نوري يا انرژي کاملاً معيني نيز منتشر خواهند شد و به عبارت ديگردرنمودار موجي طول موجهاي کاملا معيني پديدار مي شوند که انسان ار روي آنها مي تواند درتمام کيهان يک انم هيدروژن را باز شناسايي کند.

اين مطلب براي ساير عناصر شيميايي نيزصادق است زير بناي علم "طيف نگاري و طيف شناسي " مي باشد که به کمک آن مثلا مي توان تشخيص داد چه نوع اتمهايي در آتمسفر خورشيد وجود دارند .

مواد متنوعي که روزانه در آزمايش و تجربه با آن روبه رو هستيم، متشکل از اتم‌هاي گسسته است. وجود چنين ذراتي براي اولين بار توسط فيلسوفان يوناني مانند دموکريتوس (Democritus) ، لئوسيپوس (Leucippus) و اپيکورينز (Epicureanism) ولي بدون ارائه يک راه حل واقعي براي اثبات آن ، پيشنهاد شد. سپس اين مفهوم مسکوت ماند تا زمانيکه در قرن 18 راجر بسکوويچ (Rudjer Boscovich) آنرا احياء نمود و بعد از آن توسط جان دالتون (John Dalton) در شيمي بکار برده شد.

راجر بوسويچ نظريه خود را بر مبناي مکانيک نيوتني قرارداد و آنرا در سال 1758 تحت عنوان:

Theoria philosophiae naturalis redacta ad unicam legem virium in natura existentium

چاپ نمود.

براساس نظريه بوسويچ ، اتمها نقاط بي‌اسکلتي هستند که بسته به فاصله آنها از يکديگر ، نيروهاي جذب کننده و دفع کننده بر يکديگر وارد مي‌کنند. جان دالتون از نظريه اتمي براي توضيح چگونگي ترکيب گازها در نسبتهاي ساده ، استفاده نمود. در اثر تلاش آمندو آواگادرو (Amendo Avogadro) در قرن 19، دانشمندان توانستند تفاوت ميان اتم‌ها و مولکول‌ها را درک نمايند. در عصر مدرن ، اتم‌ها ، بصورت تجربي مشاهده شدند.

اندازه اتم

اتم‌ها ، از طرق ساده ، قابل تفکيک نيستند، اما باور امروزه بر اين است که اتم از ذرات کوچکتري تشکيل شده است. قطر يک اتم ، معمولا ميان 10pm تا 100pm متفاوت است.

ذرات دروني اتم

در آزمايش‌ها مشخص گرديد که اتم‌ها نيز خود از ذرات کوچکتري ساخته شده‌اند. در مرکز يک هسته کوچک مرکزي مثبت متشکل از ذرات هسته‌اي ( پروتون‌ها و نوترون‌ها ) و بقيه اتم فقط از پوسته‌هاي متموج الکترون تشکيل شده است. معمولا اتم‌هاي با تعداد مساوي الکترون و پروتون ، از نظر الکتريکي خنثي هستند.

طبقه‌بندي اتم‌ها

اتم‌ها عموما برحسب عدد اتمي که متناسب با تعداد پروتون‌هاي آن اتم مي‌باشد، طبقه‌بندي مي‌شوند. براي مثال ، اتم هاي کربن اتم‌هايي هستند که داراي شش پروتون مي‌باشند. تمام اتم‌هاي با عدد اتمي مشابه ، داراي خصوصيات فيزيکي متنوع يکسان بوده و واکنش شيميايي يکسان از خود نشان مي‌دهند. انواع گوناگون اتم‌ها در جدول تناوبي ليست شده‌اند.

اتم‌هاي داراي عدد اتمي يکسان اما با جرم اتمي متفاوت (بعلت تعداد متفاوت نوترون‌هاي آنها) ، ايزوتوپ ناميده مي‌شوند.

ساده‌ترين اتم

ساده‌ترين اتم ، اتم هيدروژن است که عدد اتمي يک دارد و داراي يک پروتون و يک الکترون مي‌باشد. اين اتم در بررسي موضوعات علمي ، خصوصا در اوايل شکل‌گيري نظريه کوانتوم ، بسيار مورد علاقه بوده است.

واکنش شيميايي اتم‌ها

واکنش شيميايي اتم‌ها بطور عمده‌اي وابسته به اثرات متقابل ميان الکترون‌هاي آن مي‌باشد. خصوصا الکترون‌هايي که در خارجي‌ترين لايه اتمي قرار دارند، به نام الکترون‌هاي ظرفيتي ، بيشترين اثر را در واکنش‌هاي شيميايي نشان مي‌دهند. الکترون‌هاي مرکزي (يعني آنهايي که در لايه خارجي نيستند) نيز موثر مي‌باشند، ولي بعلت وجود بار مثبت هسته اتمي ، نقش ثانوي دارند.

پيوند ميان اتم‌ها

اتم‌ها تمايل زيادي به تکميل لايه الکتروني خارجي خود و (يا تخليه کامل آن) دارند. لايه خارجي هيدروژن و هليم جاي دو الکترون و در همه اتمهاي ديگر طرفيت هشت الکترون را دارند. اين عمل با استفاده مشترک از الکترونهاي اتم‌هاي مجاور و يا با جدا کردن کامل الکترون‌ها از اتمهاي ديگر فراهم مي‌شود. هنگاميکه الکترونها در مشارکت اتمها قرار مي گيرند، يک پيوند کووالانسي ميان دو اتم تشکيل مي‌گردد. پيوندهاي کووالانسي قويترين نوع پيوندهاي اتمي مي‌باشند.

يون

هنگاميکه بوسيله اتم ، يک يا چند الکترون از يک اتم ديگر جدا مي‌گردد، يون‌ها ايجاد مي‌شوند. يون‌ها اتم‌هايي هستند که بعلت عدم تساوي تعداد پروتو ن‌ها و الکترون‌ها ، داراي بار الکتريکي ويژه مي‌شوند. يون‌هايي که الکترون‌ها را برمي‌دارند، آنيون (anion) ناميده شده و بار منفي دارند. اتمي که الکترون‌ها را از دست مي‌دهد کاتيون (cation) ناميده شده و بار مثبت دارد.

پيوند يوني

کاتيون‌ها و آنيون‌ها بعلت نيروي کولمبيک (coulombic) ميان بارهاي مثبت و منفي ، يکديگر را جذب مي‌نمايند. اين جذب پيوند يوني ناميده مي‌شود و از پيوند کووالانسي ضعيفتر است

مرز مابين انواع پيوندها

همانطور که بيان گرديد، پيوند کوالانسي در حالتي ايجاد ميشود که در آن الکترون‌ها بطور يکسان ميان اتمها به اشتراک گذارده مي‌شوند، درحاليکه پيوند يوني در حالي ايجاد مي‌گردد که الکترون‌ها کاملا در انحصار آنيون قرار مي‌گيرند. بجز در موارد محدودي از حالتهاي خيلي نادر ، هيچکدام از اين توصيف‌ها کاملا دقيق نيست. در بيشتر موارد پيوندهاي کووالانسي ، الکترون‌ها بطور نامساوي به اشتراک گذارده ميشوند، بطوريکه زمان بيشتري را صرف گردش بدور اتم‌هاي با بار الکتريکي منفي‌تر مي‌کنند که منجر به ايجاد پيوند کووالانسي با بعضي از خواص يوني مي‌گردد بطور مشابهي ، در پيوندهاي يوني ، الکترون‌ها اغلب در مقاطع کوچکي از زمان بدور اتم با بار الکتريکي مثبت‌تر مي‌چرخند که باعث ايجاد بعضي از خواص کووالانسي در پيوند يوني مي‌گردد.