فرمت فایل:WORD(قابل ویرایش) تعدا 16 صحفه
1- برای فلزات گروه I ، که بار 1+ دارند، چون اندازه ی لیتیم از همه کوچک تر است، پس دارای بالاترین نسبت بار به شعاع است و از این رو، یون لیتیم با مولکول های قطبی آب، تأثیر متقابل الکترو استاتیک قوی تری دارد و شعاع عمل این تأثیر متقابل، در مقایسه با یون های دیگر در این گروه، بیشتر است. شعاع آب پوشیده ی یون های این گروه، نشان می دهد که تعداد لایه های مولکول های آب در اطراف یون کوچک لیتیم، بیشتر است و همین عامل، در بالا بودن انرژی آب پوشی یون لیتیم مؤثر است. داده های موجود برای آب پوشی یون های گروه I، به قرار زیر است:
Li+
Na+
K+
Rb+
Cs+
شعاع بلور (Å)
86/0
12/1
44/1
58/1
84/1
شعاع یون آب پوشیده (Å)
40/3
76/2
32/2
28/2
28/2
انرژی آب پوشی (kcal/mole)
124
97
77
70
63
فلزات هر دو گروه، جریان برق را به خوبی هدایت می کنند. الکترون والانس در فلزات قلیایی که اتصال سستی دارد، به وسیله ی نوری که طول موج آن مناسب باشد، به آسانی آزاد می گردد. این پدیده، «اثر فوتو الکتریک» نامیده می شود. مثلاً، نور زرد با طول موج Å5800، می تواند از فلز پتاسیم، الکترون آزاد سازد.
در اکثر کانی های لیتیم، مقدار این فلز، 1 تا 3 درصد بیشتر نیست؛ از این رو، ابتدا از طریق فلوتاسیون، غلظت آن را به 4 تا 6 درصد می رسانند. کانی اسپودومن را به وسیله ی H2SO4، در °C250 شستشو می دهند تا Li2SO4.H2O به دست آید و سپس، آن را به وسیله ی کربنات سدیم و HCl، ابتدا به Li2CO3 (نامحلول) و سپس، LiCl تبدیل می کنند. فلز لیتیم، از الکترولیز مخلوط مذاب 55% LiCl و 45% KCl در حدود °C450 به دست می آید[1]. کاربردهای صنعتی عمده برای Li، بدین قرارند:
به صورت استئارات لیتیم در تهیه ی گریس اتومبیل، به صورت کربنات لیتیم به عنوان کمک ذوب در تهیه ی فرمول لعاب چینی و در تهیه ی شیشه های سخت، در تهیه ی آلیاژی با آلومینیوم که محکم است و وزن حجمی کمی دارد و در هواپیما سازی مصرف می شود، در تهیه ی آلیاژی با منیزیم (14% Li ، 1% Al و 85% Mg) که وزن حجمی کمی دارد (gcm-3 35/1) و بسیار محکم است و در زره پوش و سفینه ی فضایی به کار می آید و به صورت LiOH برای جذب CO2 در فضای بسته، مثل سفینه ی فضایی و زیردریایی استفاده می شود.
2 – 4 – واکنش های فلزات گروه های I و II
الف) واکنش با سایر عناصر:
فلزات قلیایی، از نظر شیمیایی، به اندازه ای فعال اند که به طور مستقیم، با اکثر نافلزات ترکیب می شوند. از بین فلزات قلیایی، فقط لیتیم است که به طور مستقیم با نیتروژن ترکیب شده و نیترید لیتیم، Li3N، می دهد. در بین فلزات قلیایی خاکی، فعالیت شیمیایی کلسیم، استرنسیم و باریم، در حدی است که می توانند با اکثر نافلزات به طور مستقیم ترکیب شوند. با توجه به سهولت اکسید شدن فلزات هر دو گروه، این فلزات با هالوژن ها به شدت ترکیب می شوند و هالیدهای مربوط، MX و MX2 تشکیل می گردند.
لیتیم، تنها فلز قلیایی است که در واکنش مستقیم با اکسیژن، اکسید نرمال (دارای یون O2-) می دهد (Li2O). سدیم با اکسیژن، پراکسید سدیم (Na2O2) (دارای یون ) و پتاسیم، روبیدیم و سزیم، سوپر اکسید (دارای یون ) می دهند.
اکسید لیتیم
پراکسید سدیم
سوپراکسید پتاسیم
برای تهیه ی اکسید نرمال این فلزات، ئیدروکسید یا نیتریت فلز را در غیاب اکسیژن، با فلز مربوط حرارت می دهند. برای مثال:
اکثـر فلزات گروه II ، وقتی با اکسیـژن حرارت داده می شوند، اکسید نـرمال، مثل CaO، می دهند.
اتحاد مستقیم بعضی از عناصر این دو گروه با عناصر دیگر، به قدری راحت و به طور کامل صورت می گیرد، که از آن ها به عنوان «ماده ی جاذب گاز» یا «تصفیه کننده» - یعنی موادی که مقادیر جزئی آلوده کننده ها را از فلزات، آلیاژها و گازها بیرون می کشند – به کار برده می شوند. برای مثال، لیتیم و کلسیم، برای بیرون کشیدن اکسیژن و نیتروژن از فلزات مذاب، باریم و سزیم، برای حذف مقادیر جزئی اکسیژن و نیتروژن از لوله های خلأ به کار برده می شوند.
ب) واکنش با آب:
محصولات واکنش فلزات قلیایی و قلیایی خاکی با آب، ئیدروژن و ئیدروکسید فلز است.
با اغلب فلزات قلیایی، واکنش فوق به شدت گرمازاست؛ به طوری که در نتیجه ی احتراق ئیدروژن، این واکنش با انفجار همراه است. واکنش این فلزات با محلول اسیدها، خیلی شدیدتر از واکنش آن ها با آب است؛ زیرا که در محلول اسیدها، غلظت یون ئیدروژن به مراتب بیشتر است.
در بین فلزات گروه II ، فقط کلسیم، استرنسیم و باریم، از نظر شیمیایی، به اندازه ی کافی فعال اند، که می توانند در دمای معمولی، از آب، ئیدروژن آزاد کنند؛ ولی البته سرعت واکنش آن ها از کلسیم به باریم، افزایش می یابد. منیزیم با آب جوش ترکیب می شود و بریلیم، عملاً بر آب بی اثر است.
اکثر ترکیبات فلزات قلیایی، در آب به خوبی حل می شوند؛ چون اندازه ی این کاتیون ها، به جز Li+، بزرگ و بار آن ها کم است. در نتیجه، این کاتیون ها در بلور، به وسیله ی نیـروهای الکترو استاتیکی نسبتاً ضعیفی، به آنیون ها متصل اند و انرژی شبکه در بلور نمک، نسبتاً کوچک است.
لیتیم، در بسیاری از خواص خود و هم چنین در قابلیت انحلال نمک هایش، بیشتر به منیزیم شباهت دارد تا به سایر فلزات قلیایی. برای مثال، فلوئورید، کربنات و فسفات لیتیم، نسبتاً نامحلول اند؛ در صورتی که همین نمک ها از سایر فلزات قلیایی، کاملاً در آب حل می شوند.
در هر یک از دوره های تناوبی جدول مندلیف، اندازه ی کاتیون عنصر گروه II ، نسبت به کاتیون فلز قلیایی، کوچک تر و بار آن بیشتر است و از این رو، اتصال کاتیون فلز گروه II با یک آنیون معین در بلور، در مقایسه با کاتیون فلز قلیایی همان دوره، محکم تر است. برای مثال، انرژی شبکه ی بلور فلوئورید سدیم، 217 کیلوکالری بر مول است؛ در حالی که برای فلوئورید منیزیم، مقدار آن، 696 کیلوکالری بر مول است. مقادیر انرژی شبکه، برای کلرید پتاسیم و کلرید کلسیم، به ترتیب، 168 و 536 کیلوکالری بر مول است.
2 – 6 – ترکیبات فلزات گروه های I و II
الف) اکسیدها و ئیدروکسیدها:
به استثنای اکسید بریلیم (BeO)، که آمفوتر است، کلیه ی اکسیدهای فلزات گروه های I و II، به شدت بازی اند. یک اکسید فلز قلیایی، به شدت با آب ترکیب می شود و ئیدروکسید می دهد.
اکسید بریلیم، با آب واکنشی نمی دهد؛ اکسید منیزیم، به کندی ترکیب می شود؛ و لیکن اکسیدهای کلسیم، استرنسیم و باریم، با آب ترکیب می شوند و شدت واکنش آن ها، از اکسید کلسیم به سمت اکسید باریم، بیشتر می گردد.
ئیدروکسید فلزات قلیایی، سفید رنگ و در آب قابل حل اند و کلیه ی آن ها، به جز ئیدروکسید لیتیم، از نظر حرارتی پایدارند و می توان آن ها را بی آن که تجزیه شوند، ذوب و تبخیر کرد.
ئیدروکسید لیتیم، قبل از این که به نقطه ی جوش آن برسیم، تجزیه می شود، اکسید لیتیم و آب می دهد. ئیدروکسید فلزات قلیایی، از سایر ئیدروکسیدها، قدرت بازی بیشتری دارند و محلول آبی آن ها، از هوا، دی اکسید کربن جذب می کند و تشکیل کربنات می دهد.
قابلیت انحلال ئیدروکسید عناصر گروه II ، خیلی کمتر از ئیدروکسید فلزات قلیایی است و انحلال پذیری آن ها، از Be (OH)2 به سمت Ba (OH)2، افزایش می یابد، که این نظام، با کاهش جاذبه ی کاتیون برای یون ئیدروکسید در بلور هماهنگ است. قدرت بازی محلول های این ئیدروکسیدها، به وسیله ی انحلال پذیری آن ها معین می شود.
6 – 3 – عناصر قلیایی
شش عنصر که بلافاصله بعد از شش گاز بی اثر قرار گرفته اند، عبارت اند از: لیتیم، سدیم، پتاسیم، روبیدیم، سزیم و فرانسیم. این عناصر، خواص شیمیایی مشابه دارند و عناصر قلیایی (یا فلزات قلیایی) نامیده می شوند.
شکل 6 – 5 نشان می دهد، که این عناصر، مجاور گازهای بی اثرند. همه ی این عناصر، یون های پایدار +1 با آرایش الکترونی گازهای بی اثر ایجاد می کنند و از همین جا، می توان به خواص شیمیایی آن ها پی برد.
تمام این عناصر قلیایی، در حالت عادی خود، فلزند. سطح آن ها، وقتی که صاف و پاک است، جلا و درخشندگی دارد، به خوبی هادی برق و حرارت اند، نرم و چکش خوارند و نقطه ی ذوبشان (در مقایسه با تقریباً همه ی فلزات دیگر) پایین است.
در فصل 5 دیدیم که فلزات قابلیت هدایت الکتریکی زیاد دارند. اکنون می توان توضیح داد که چرا آن قدر خوب الکتریسیته را هدایت می کنند.
در شبکه ی بلورین مانند این عناصر، الکترون هایی وجود دارند که بی اندازه متحرک اند. این «الکترون های رسانایی»، بدون آن که اتصالی با اتم بخصوصی داشته باشند، سراسر بلور فلزی را می پیمایند. عناصر قلیایی، از آن جهت فلزند، که هر اتم آن ها، به آسانی یک الکترون آزاد می کند، تا ذخیره ای برای الکترون های رسانایی باشد. سهولت آزاد شدن این الکترون های رسانایی بدان جهت است، ک باقی مانده ی اتم ها، پایداری گازهای بی اثر را دارند.
تصویر ص 100
6-3-1- خواص فیزیکی عناصر قلیایی
در جدول 6-5، همان نوع خواص برای فلزات قلیایی نشان داده شده است که در جدول 6-3، در مورد گازهای بی اثر دیده می شود.
جدول 6 – 5: بعضی از خواص عناصر قلیایی
خواص
لیتیم
سدیم
پتاسیم
روبیدیم
سزیم
عدد اتمی
3
11
19
37
55
وزن اتمی
6,94
23,0
39,1
85,4
133
نقطه ی جوش (°K)
1599
1162
1030
952
963
نقطه ی جوش (°C)
1326
889
757
679
690
نقطه ی ذوب (°K)
453
371
336,4
311,8
301,7
نقطه ی ذوب (°C)
180
98
63,4
38,8
28,7
حجم اتمی، جامد
(مول اتمها/ میلی لیتر)
13,0
23,7
45,4
55,8
70,0
دانسیته، جامد در °C20
0,535
0,971
0,862
1,53
1,90
نقطه ی جوش و ذوب
تمام فلزات قلیایی، در دمای اتاق جامدند؛ اگر چه سزیم، کمی بالاتر از دمای اتاق ذوب می شود. به طوری که در جدول ملاحظه می شود، هم نقطه ی ذوب با ازدیاد جرم اتمی کاهش می یابد و هم نقطه ی جوش (به عکس گازهای بی اثر).
در شکل های 6-7، (a) و 6-7، (b)، تغییرات نقاط ذوب و جوش فلزات قلیایی را در مقابل تغییرات نقاط جوش و ذوب گازهای بی اثر، که در جهت عکس یکدیگرند، می بینید. نیز می بینید که فلزات قلیایی، به حالت مایع، در فاصله ی دمایی بسیار زیاد، حالت ثابت دارند. مثلاً سدیم، در °K371 ذوب می شود و در °K1162، یعنی تقریباً °800 بالاتر، می جوشد. درست به عکس نئون، که در °K6/24 ذوب می شود و فقط در °6/2 بالاتر، یعنی در °K2/27 می جوشد.
خوب توجه کنیدکه گازهای بی اثر، با فلزات قلیایی که عدد اتمی آن ها فقط یکی بیشتر است، تا چه حد فرق دارند!
تصویر ص 101
حجم اتمی
حجم اتمی فلزات قلیایی، مانند حجم اتمی گازهای بی اثر، با عدد اتمی، زیاد می شود. ولی توجه کنید، که حجم اشغال شده به وسیله ی یک اتم قلیایی، قدری بیشتر از گازهای بی اثر مجاور آن است (به استثنای لیتیم و هلیم – هلیم علت این وضع غیر عادی است). اتم سدیم، حجمی را که در سدیم فلزی اشغال می کند، 30% بیشتر از حجم اتم نئون است. سزیم، تقریباً دو برابر حجم گزنون را اشغال می کند.
6-3-2- خواص شیمیایی فلزات قلیایی
فلزات قلیایی، از نظر فعالیت شیمیایی، درست نقطه ی مقابل گازهای بی اثرند. این فلزات، به هنگام برخورد با اکسیژن و کلر و حتی با جسم غیر فعالی مانند آب، به شدت واکنش می دهند. اکنون، بعضی از این واکنش ها را بررسی می کنیم:
واکنش های فلزات قلیایی با کلر
وقتی که فلز سدیم با گاز کلر برخورد می کند، کلرور سدیم تشکیل می شود:
کلرور سدیم، از شبکه ی یون های Na+ و Cl– ساخته شده است. بنابراین، واکنش (4) عبارت است از انتقال الکترون از اتم های سدیم به اتم های کلر. یون هایی که بدین ترتیب حاصل می شوند، یکدیگر را جذب می کنند؛ زیرا بار الکتریکی آن ها مخالف یکدیگر است. البته جدا شدن الکترون از اتم سدیم برای تولید یون سدیم، با جذب مقداری انرژی همراه است؛ ولی مقدار انرژی ای که در این عمل گرفته می شود، چندان زیاد نیست؛ زیرا یون Na+ که به وجود آمده، دارای آرایش الکترونی گاز بی اثری مانند نئون است. الکترونی که از اتم سدیم جدا می گردد، به اتم کلر افزوده می شود و یون Cl– تولید می کند. در این واکنش، مقدار کمی انرژی آزاد می شود. یون کلر نیز آرایش الکترونی گاز بی اثری مانند نئون را دارد.
بنابراین، با صرف انرژی کم، یک الکترون به اتم کلر منتقل می شود و یون های Na+ و Cl– تولید می گردند. بعد این دو یون، در حالی که انرژی کل آن ها به مقدار زیاد کاهش می یابد، به سوی یکدیگر حرکت می کنند. پس می توان گفت که پایداری بلور کلرور سدیم، مربوط به جاذبه الکتریکی یون هایی است که بار الکتریکی مخالف یکدیگر دارند. نیز می توان گفت، که اجزای بلور، با پیوندهای یونی به هم پیوسته اند.
همه ی فلزات قلیایی، همین خاصیت را دارند و هر یک از آن ها، به همین طریق، با گاز کلر ترکیب می شوند.
فلز قلیایی، در همه حال، به صورت یونی شبیه گاز بی اثر، برای تولید جسم جامد یونی پایدار، وارد ترکیب می شود. نتیجه ی حاصل نیز، در همه ی موارد، جسم بلور مانندی است که در آب به خوبی حل می شود.
پیوند شیمیایی در گاز فلئورور لیتیم
پیوند شیمیایی در مولکول F2 را مورد بحث قرار داده ایم. چون هیچ یک از اتم های فلوئور نمی تواند یک الکترون را از اتم دیگر، کاملاً جدا کند. دو اتم، یک زوج الکترون را به طور مساوی بین خود به شرکت می گذارند. حال چگونه پیوند شیمیایی در مولکول فلئورور لیتیم با این وضع قابل قیاس است.
چنان که قبلاً ذکر کردیم، لیتیم یک الکترون والانس دارد. پس می تواند در یک زوج الکترون با یک اتم فلوئور سهیم باشد.
تصویر ص 321
بنابراین، می توان انتظار تشکیل یک نوع مولکول پایدار را داشت (LiF). کلمه ی «پایدار» بدان معنی است، که برای شکستن مولکول، انرژی لازم است. پیوند شیمیایی، انرژی را پایین می آورد؛ زیرا زوج الکترونی که در تشکیل پیوند دخالت دارند، در یک زماان، نیروی هسته ی لیتیم و هسته ی فلوئور را احساس می کنند؛ ولی این بدان معنی نیست که الکترون ها به طور مساوی تسهیم شده اند. اتم های لیتیم و فلوئور، الکترون ها را به طور متفاوت جذب می کنند. و این نکته، از روی انرژی یونیزاسیون این اتم ها، روشن می شود.
آشکار است که اتم فلوئور، با نیرویی بیشتر از اتم لیتیم الکترون ها را نگه می دارد. در نتیجه، الکترون های پیوند فلئورور لیتیم، با شدت بیشتری مجذوب اتم فلوئور می شوند و اگر الکترون ها به سمت اتم فلوئور پرتاب شوند، انرژی پایین تر خواهد بود. هنگامی که الکترون های پیوند، به یکی از اتم ها نزدیک تر شوند، می گویند پیوند خاصیت یونی پیدا کرده است. در آخرین حد، الکترون های پیوند، به یکی از اتم ها به اندازه ای نزدیک می شوند، که آن اتم در واقع، وضع الکترونی یون منفی را پیدا می کند. این حالت، در گاز LiF پیش می آید.
فرمول نقطه ای الکترون آن را چنین نمایش می دهیم:
(51) یا: Li+ F–
هنگامی که فرمولی مانند (50) یا (51) زمینه ی مفیدی را برای بحث خواص یک مولکول فراهم می کند، پیوند آن مولکول را، «پیوند یونی» می گویند.
[1]- چون خصلت یونی KCl بیشتر است، با افزودن آن، به تحرک یون ها درحالت مذاب کمک می کنند.
تحقیق در مورد بار فلزات
