☰ Year plan · Chemistry (Arabic)

خواص السلسلة الأولى ومغناطيسيتها وعواملها الحفازة

Week 3 · Chapter 1 (C): general properties of the first series (atomic mass, radius, density, metallic character), paramagnetic and diamagnetic substances and counting unpaired electrons, transition metals as catalysts · 3 lessons
1

نصف القطر والكتلة والكثافة عبر السلسلة الأولى

Chemistry Sec 3 Term 1, Chapter 1: pp. 12–15
الهدفصف كيف تتغير الكتلة الذرية ونصف القطر الذري والكثافة عبر السلسلة الأولى، وفسّر كل اتجاه.
كلمات جديدة
نصف القطر الذري · نصف المسافة بين مركزي ذرتين متجاورتين في الفلز، ويُقاس بوحدة ⁦pm⁩ (⁦1 pm = 10⁻¹² m⁩)الكثافة · الكتلة في وحدة الحجم، ⁦ρ = m ÷ V⁩، بوحدة ⁦g/cm³⁩شحنة النواة الفعالة · قوة جذب النواة للإلكترونات الخارجية بعد أن تحجب الإلكترونات الأخرى جزءًا منها
الشرح

تزداد الكتلة الذرية بزيادة العدد الذري عبر السلسلة مع استثناء صغير واحد: فالكتلة الذرية المتوسطة للنيكل (نحو 58.7) أقل قليلًا من كتلة الكوبلت (نحو 58.9) مع أن للنيكل بروتونًا زائدًا. فالكتلة المتوسطة تتوقف على مزيج النظائر، ومزيج النيكل تغلب عليه نظائره الأخف. ويتغير نصف القطر الذري أقل بكثير مما تتوقع. فكلما اتجهنا يمينًا تزداد قوة جذب النواة فتسحب الإلكترونات إلى الداخل؛ لكن إلكترونات ⁦3d⁩ المضافة تتنافر مع الإلكترونات الأخرى فتدفع الذرة إلى الخارج. ويكاد التأثيران المتعاكسان يتعادلان، فيبقى نصف القطر من ⁦Cr⁩ إلى ⁦Cu⁩ في حدود 124 إلى ⁦128 pm⁩. ولأن الذرات متقاربة الحجم تحلّ إحداها محل الأخرى في الشبكة الفلزية، ولذلك تمتزج هذه الفلزات بسهولة في السبائك. والكثافة هي الكتلة ÷ الحجم: كل ذرة أثقل على امتداد السلسلة لكنها تشغل حيّزًا يكاد لا يتغير، فترتفع الكثافة من نحو ⁦3 g/cm³⁩ للاسكانديوم إلى نحو ⁦9 g/cm³⁩ للنحاس، ويقل الخارصين إلى نحو 7. وقيم نصف القطر والكثافة هنا تقريبية مدوّرة للتوضيح فقط.

050100150200ScTiVCrMnFeCoNiCuZnpmنصف القطر الذري (تقريبي)
أمثلة محلولة
الكثافة من قياس. كتلة قطعة من فلز يشبه الحديد (أرقام مخترعة) ⁦100 g⁩ وحجمها ⁦12.5 cm³⁩. ⁦ρ = m ÷ V = 100 g ÷ 12.5 cm³ = 8.0 g/cm³⁩، وهي قريبة من كثافة الحديد.
الفلز⁦M (g/mol)⁩⁦ρ (g/cm³)⁩⁦V = M ÷ ρ (cm³/mol)⁩
⁦Cr⁩527.27.2
⁦Fe⁩567.97.1
⁦Cu⁩63.59.07.1
لماذا ترتفع الكثافة وحجم الذرات ثابت؟ احسب حجم مول واحد ⁦V = M ÷ ρ⁩ بكثافات مدوّرة: ⁦7.2 g/cm³⁩ للكروم و7.9 للحديد و9.0 للنحاس. ترتفع الكتلة المولية من 52 إلى ⁦63.5 g/mol⁩ لكن حجم المول يبقى قريبًا من ⁦7 cm³/mol⁩، فمول أثقل في الحيّز نفسه يعني كثافة أعلى.
ƒتأثيران متعاكسان
زيادة شحنة النواة: تسحب إلى الداخل · زيادة تنافر ⁦3d⁩: تدفع إلى الخارج
من ⁦Cr⁩ إلى ⁦Cu⁩ يكاد التأثيران يتعادلان، فنصف القطر شبه ثابت
شدّ الحبل داخل الذرة. من ⁦Sc⁩ إلى ⁦Cr⁩ ينقص نصف القطر من نحو 162 إلى ⁦128 pm⁩: تزداد شحنة النواة وإلكترونات ⁦3d⁩ المضافة القليلة تدفع إلى الخارج قليلًا. ومن ⁦Cr⁩ إلى ⁦Cu⁩ يتوازن الجذب الزائد والتنافر الزائد، فيتغير نصف القطر بنحو ⁦4 pm⁩ فقط.
نشاط الفصل

شدّ الحبل على الورق. ارسم دائرة تمثل ذرة. ارسم سهمًا طويلًا إلى الداخل وسهمًا قصيرًا إلى الخارج واكتب عليهما «شحنة النواة» و«تنافر إلكترونات ⁦3d⁩»: هذا هو الانتقال من ⁦Sc⁩ إلى ⁦Cr⁩ حيث تنكمش الذرة. ثم ارسم الذرة نفسها بسهمين متساويين في الطول: هذا هو الانتقال من ⁦Cr⁩ إلى ⁦Cu⁩ حيث يكاد الحجم لا يتغير. ثم بمساعدة شخص بالغ املأ كوبًا صغيرًا بالأرز وكوبًا مماثلًا بالسكر، وسوِّ سطح كل منهما بملعقة ثم زنهما بميزان المطبخ. الحجم نفسه والكتلة مختلفة: قل أيهما أعلى كثافة.

تدرّب
1
كتلة قطعة تشبه النحاس (أرقام مخترعة) ⁦134.4 g⁩ وحجمها ⁦15.0 cm³⁩. أوجد كثافتها.
2
كثافة قطعة تشبه التيتانيوم ⁦4.5 g/cm³⁩ وكتلتها ⁦36 g⁩. ما حجمها؟
3
كثافة الخارصين نحو ⁦7.1 g/cm³⁩. ما كتلة ⁦20 cm³⁩ منه؟
4
لماذا يبقى نصف القطر الذري شبه ثابت من الكروم إلى النحاس؟