تقریباً به طور همزمان، دو گروه علمی از نقاط مختلف جهان موفق شدند تأثیر شفافیت ناشی از الکترومغناطیسی را در یک اتم واحد درک کنند. آنچه منحصر به فرد است این است که موفقیت توسط برخی از دانشمندان با استفاده از اتم های واقعی و توسط برخی دیگر با استفاده از آنالوگ های ساخته شده توسط انسان به دست آمده است.

اثر EIT (شفافیت ناشی از الکترومغناطیسی) برای ایجاد محیطی با شکاف بسیار باریک در طیف جذب شناخته شده است. این پدیده زمانی به راحتی ثبت می شود که یک سیستم کوانتومی سه سطحی (مانند آنچه در شکل زیر نشان داده شده است) در معرض دو میدان تشدید قرار گیرد که فرکانس های آنها متفاوت است.

این ساختار سطوح انرژی، زمانی که دو حالت نزدیک به پایین و یک حالت فوقانی وجود دارد که با انرژی کوانتومی از محدوده نوری از آنها جدا می شود، معمولاً طرح Λ نامیده می شود.

نمایش شماتیک آزمایش با اتم روبیدیم و یک سیستم سه سطحی، که در آن انرژی حالت در جهت عمودی سپرده می شود. دو سطح پایین به صورت افقی برای وضوح فاصله دارند. فلش‌های آبی پرتو اندازه‌گیری را نشان می‌دهند، فلش‌های نارنجی نشان‌دهنده پرتو کنترل هستند (تصویر توسط Martin Mucke و همکاران).

ماهیت EIT را می توان به شرح زیر توصیف کرد: عمل میدان کنترل در یک "بازو" مدار Λ (انتقال بین سطح دوم و سوم) باعث می شود سیستم به میدان آزمایش شفاف شود (انتقال اولین - سوم). سطح) در "بازو" دوم عمل می کند.

به عبارت دیگر، زمانی که اختلاف فرکانس‌های آنها با فرکانس انتقال بین دو سطح پایین‌تر همزمان شود، سیستم نسبت به ترکیب دو میدان نوری شفاف می‌شود.

لازم به ذکر است که اثر EIT فرصت های جالبی را برای مطالعه انتشار نور فراهم می کند. بنابراین، در ناحیه شیب در طیف جذب، محیط یک تغییر بسیار شدید در ضریب شکست را نشان می‌دهد. تحت شرایط خاص، این می تواند به عنوان مثال، منجر به کاهش عظیم در سرعت گروهی انتشار نور در محیط شود.

این اثر EIT است که زیربنای آزمایش‌های معروف روی «کاهش سرعت» نور است، که متعاقباً منجر به ایجاد دستگاه سرگرم‌کننده‌ای مانند «تله رنگین کمان» شد که نور منجمد را در محدوده فرکانس مرئی نشان می‌دهد.

نمودار انتقال نسبی و کنتراست (به عنوان مثال، تفاوت در قرائت زمانی که لیزر کنترل روشن و خاموش می شود) را در آزمایشات شامل تعداد اتم های مختلف نشان می دهد (تصویر توسط Martin Mucke و همکاران).

نویسندگان اولین کار تحت بررسی مؤسسه ماکس پلانک آلمان برای اپتیک کوانتومی (MPQ) اتم های روبیدیم 87 Rb را برای انجام آزمایش انتخاب کردند، زیرا سازماندهی سطوح انرژی این فلز امکان ساخت طرح Λ را فراهم می کند.

به گفته دانشمندان، که مقاله آنها در دامنه عمومی (سند PDF) پست شده است، آنها از یک اتم منفرد واقع در یک تشدید کننده نوری استفاده کردند. هنگامی که لیزر کنترل روشن شد، گذر نسبی تخمین زده شده با استفاده از لیزر دیگر (آزمایشی) 96٪ بود. پس از خاموش کردن تابش کنترل، مقدار 20٪ کاهش یافت.

که کاملاً منطقی است، با افزایش تعداد اتم ها، حداکثر انتقال نسبی به طور متناسب کاهش می یابد: بنابراین، گنجاندن هفت اتم روبیدیم در آزمایش ضریب تنها 78٪ را به دست آورد.

با این حال، در همان زمان، اثر EIT بارزتر شد و در مورد هفت اتم، زمانی که لیزر کنترل خاموش شد، انتقال نسبی بلافاصله 60٪ کاهش یافت.

خط سیاه گذر نسبی را در مورد تشدیدگر نوری "خالی"، خط قرمز در حضور اتم ها و خط آبی را در مورد اثر EIT نشان می دهد. نمودارهای مختلف آزمایش‌هایی را با تعداد اتم‌های مختلف (N) منعکس می‌کنند (تصویر توسط Martin Mucke و همکاران).

مطالعه دوم در مورد همین موضوع توسط یک گروه علمی شامل متخصصانی از ژاپن، ازبکستان، بریتانیای کبیر و روسیه انجام شد. فیزیکدانان که به عناصر موجود راضی نبودند، یک "اتم" مصنوعی ایجاد کردند که در آن اثر EIT نیز با موفقیت آزمایش شد.

اتصالات در نانوالکترونیک، که با استفاده از یک اتم پیاده سازی شده اند، آنقدر که در نگاه اول به نظر می رسد شکننده نیستند. آزمایش‌های اخیر دانشمندان آمریکایی با «پل‌های» در مقیاس نانو بین دو جسم فلزی ماکروسکوپی نشان می‌دهد که وقتی عرض «پل» به یک اتم کاهش می‌یابد، پیوند سفت می‌شود. این نتایج با این فرض سازگار است که در چنین مقیاس‌هایی، نیروهای سطحی.

توسعه فناوری سرانجام به ابعاد اتمی رسیده است. دستگاه‌هایی با اجزایی که ابعاد آنها با اتم‌های ماده برابر است، دیگر حس نمی‌شوند. امروزه، برای مثال، "سیم های اتصال" در یک مدار الکترونیکی می تواند حدود 100 اتم عرض داشته باشد، و این محدودیت نیست. به دلیل کوچک شدن دائمی اندازه، دانشمندان باید تحقیقات جدیدی را انجام دهند که نشان دهد اندازه چگونه بر خواص مواد، به ویژه مقاومت و استحکام مکانیکی تأثیر می گذارد.

اثر دیگری در این راستا توسط گروهی از دانشگاه ایالتی نیویورک (ایالات متحده آمریکا) منتشر شد. نتایج آنها در مجله منتشر شد بررسی فیزیکی B. هدف تحقیق تماس های کوچکی بود که بین نوک طلا و سطح ایجاد شده بود. آزمایش‌ها نشان داده‌اند که چنین ترکیباتی (که می‌توانند به نازکی یک اتم باشند) خواص الکتریکی و مکانیکی خاصی دارند.

به طور معمول، برای ارزیابی ضخامت یک تماس، دانشمندان یک ولتاژ به "پل" حاصل اعمال می کنند و هدایت الکتریکی تماس را اندازه می گیرند. آزمایش‌های قبلی نشان داده‌اند که در این پیکربندی، با افزایش فاصله بین سطح و نوک (با طولانی شدن و کاهش عرض "پل")، رسانایی به طور ناگهانی کاهش می‌یابد. این به این دلیل است که اتم های تماس دوباره مرتب می شوند، به طوری که تعداد اتم های تماس از چند صد به یک کاهش می یابد. تیمی از دانشمندان آمریکایی وظیفه مطالعه این بازآرایی را از دیدگاه مکانیکی بر عهده گرفتند.

برای به دست آوردن اطلاعات لازم، دانشمندان تنش مکانیکی را روی تماس اعمال کردند و طول "پل" را با افزایش 4 پیکومتر تغییر دادند (برای این، نوک به یک کنسول متصل شد، که امکان اندازه گیری نه تنها تغییرات در اندازه "پل"، و همچنین تغییرات در نیرو). همانطور که مشخص است، نسبت نیروی مکانیکی اعمال شده به تغییر طول پارامتری مانند صلبیت (یا یک مشخصه مرتبط به نام مدول یانگ، که اندازه‌گیری پاسخ ماده به تأثیر خارجی را بدون توجه به ابعاد هندسی تعیین می‌کند) می‌دهد.

با کاهش عرض تماس، نیروهای اتمی به گونه ای تغییر می کنند که سفتی باید افزایش یابد. آزمایش‌های قبلی شواهدی برای این واقعیت ارائه کرده‌اند. اما آنها در محدوده محدودی از مقیاس ها قابل اجرا بودند. دانشمندان آمریکایی پدیده های مشابهی را برای عرض تماس کمتر از 1 نانومتر مشاهده کردند. با توجه به داده های آنها، هنگامی که تماس به 1 اتم باریک می شود، سفتی تماس تقریباً دو برابر بیشتر از سفتی طلای "معمولی" است.

علاوه بر تحقیقات اصلی، دانشمندان توضیح دادند که چرا «انقباض‌های» باریکی که بین دو جسم فلزی ایجاد می‌شود، می‌توانند به روش‌های غیرمنتظره‌ای تحت تأثیر نیروهای سطحی تغییر شکل دهند.

کار بیشتر در این جهت می تواند توضیح دهد که چگونه خواص میکروسکوپی مختلف اجسام با هم ترکیب می شوند و خواص ماکروسکوپی را تشکیل می دهند.

اتصالات در نانوالکترونیک که با استفاده از یک اتم مشخص می شوند، آنقدر که در نگاه اول به نظر می رسد شکننده نیستند. آزمایش‌های اخیر دانشمندان آمریکایی با «پل‌های» در مقیاس نانو بین دو جسم فلزی ماکروسکوپی نشان می‌دهد که وقتی عرض «پل» به یک اتم کاهش می‌یابد، پیوند سفت می‌شود. این نتایج با این فرض که نیروهای سطحی در این مقیاس ها غالب هستند سازگار است.

توسعه فناوری سرانجام به ابعاد اتمی رسیده است. دستگاه‌هایی با اجزایی که ابعاد آنها با اتم‌های ماده برابر است، دیگر حس نمی‌شوند. امروزه، برای مثال، "سیم های اتصال" در یک مدار الکترونیکی می تواند حدود 100 اتم عرض داشته باشد، و این محدودیت نیست. به دلیل کوچک شدن دائمی اندازه، دانشمندان باید تحقیقات جدیدی را انجام دهند که نشان دهد اندازه چگونه بر خواص مواد، به ویژه مقاومت و استحکام مکانیکی تأثیر می گذارد.

اثر دیگری در این راستا توسط گروهی از دانشگاه ایالتی نیویورک (ایالات متحده آمریکا) منتشر شد. نتایج آن‌ها در مجله Physical Review B منتشر شد. این مطالعه بر روی تماس‌های کوچکی که بین نوک طلا و سطح ایجاد می‌شد متمرکز بود. آزمایشات نشان داده است که چنین ترکیباتی (که می توانند به ضخامت 1 اتم باشند) خواص الکتریکی و مکانیکی خاصی دارند.

به طور معمول، برای ارزیابی ضخامت یک تماس، دانشمندان یک ولتاژ به "پل" حاصل اعمال می کنند و هدایت الکتریکی تماس را اندازه می گیرند. آزمایش‌های قبلی نشان داده‌اند که در این پیکربندی، با افزایش فاصله بین سطح و نوک (با طولانی شدن و کاهش عرض "پل")، رسانایی به طور ناگهانی کاهش می‌یابد. این به این دلیل است که اتم های تماس دوباره مرتب می شوند، به طوری که تعداد اتم های تماس از چند صد به یک کاهش می یابد. تیمی از دانشمندان آمریکایی وظیفه مطالعه این بازآرایی را از دیدگاه مکانیکی بر عهده گرفتند.

برای به دست آوردن اطلاعات لازم، دانشمندان تنش مکانیکی را روی تماس اعمال کردند و طول "پل" را با افزایش 4 پیکومتر تغییر دادند (برای این، نوک به یک کنسول متصل شد، که امکان اندازه گیری نه تنها تغییرات در اندازه "پل"، و همچنین تغییرات در نیرو). همانطور که مشخص است، نسبت نیروی مکانیکی اعمال شده به تغییر طول پارامتری مانند صلبیت (یا یک مشخصه مرتبط به نام مدول یانگ، که اندازه‌گیری پاسخ ماده به تأثیر خارجی را بدون توجه به ابعاد هندسی تعیین می‌کند) می‌دهد.

با کاهش عرض تماس، نیروهای اتمی به گونه ای تغییر می کنند که سفتی باید افزایش یابد. آزمایش‌های قبلی شواهدی برای این واقعیت ارائه کرده‌اند. اما آنها در محدوده محدودی از مقیاس ها قابل اجرا بودند. دانشمندان آمریکایی پدیده های مشابهی را برای عرض تماس کمتر از 1 نانومتر مشاهده کردند. با توجه به داده های آنها، هنگامی که تماس به 1 اتم باریک می شود، سفتی تماس تقریباً دو برابر بیشتر از سفتی طلای "معمولی" است.

علاوه بر تحقیقات اصلی، دانشمندان توضیح دادند که چرا «انقباض‌های» باریکی که بین دو جسم فلزی ایجاد می‌شود، می‌توانند به روش‌های غیرمنتظره‌ای تحت تأثیر نیروهای سطحی تغییر شکل دهند.

کار بیشتر در این جهت می تواند توضیح دهد که چگونه خواص میکروسکوپی مختلف اجسام با هم ترکیب می شوند و خواص ماکروسکوپی را تشکیل می دهند.

حالت اکسیداسیون

در رویت شارژ مشروط

هر معلمی می داند که سال اول شیمی چقدر معنی دارد. آیا در زندگی و هنگام انتخاب یک حرفه قابل درک، جالب، مهم خواهد بود؟ خیلی به توانایی معلم برای پاسخ دادن به سؤالات "ساده" دانش آموزان به روشی قابل دسترس و بصری بستگی دارد.

یکی از این سوالات این است: "فرمول مواد از کجا آمده است؟" - نیاز به دانش مفهوم "حالت اکسیداسیون" دارد.

فرمول بندی مفهوم "وضعیت اکسیداسیون" به عنوان "بار شرطی اتم های عناصر شیمیایی در یک ترکیب، که بر اساس این فرض محاسبه می شود که همه ترکیبات (اعم از یونی و کووالانسی قطبی) فقط از یون ها تشکیل شده اند" (نگاه کنید به: گابریلیان او.اس.شیمی-8. M.: Bustard، 2002،
با. 61) برای تعداد کمی از دانش آموزانی که ماهیت تشکیل پیوندهای شیمیایی بین اتم ها را درک می کنند قابل دسترسی است. بیشتر مردم به خاطر سپردن این تعریف مشکل دارند. و برای چه؟

تعریف مرحله ای در شناخت است و زمانی به ابزاری برای کار تبدیل می شود که حفظ نشود، اما به خاطر قابل درک بودن به خاطر سپرده شود.

در ابتدای مطالعه یک موضوع جدید، مهم است که مفاهیم انتزاعی را به وضوح نشان دهیم، که به ویژه در درس شیمی پایه هشتم بسیار زیاد است.

این دقیقاً رویکردی است که من می‌خواهم پیشنهاد کنم، و قبل از مطالعه انواع پیوندهای شیمیایی و به عنوان مبنایی برای درک مکانیسم تشکیل آن، مفهوم "حالت اکسیداسیون" را شکل دهم.

از اولین درس ها، دانش آموزان کلاس هشتم یاد می گیرند که از جدول تناوبی عناصر شیمیایی به عنوان جدول مرجع برای ترسیم نمودارهای ساختار اتم ها و تعیین خواص آنها بر اساس تعداد الکترون های ظرفیت استفاده کنند.
هنگام شروع به فرمول بندی مفهوم "وضعیت اکسیداسیون"، دو درس تدریس می کنم.
درس 1.

چرا اتم های غیر فلزی هستند

با یکدیگر ارتباط برقرار کنند؟

بیایید خلاق باشیم. اگر اتم‌ها به هم متصل نمی‌شدند، اگر مولکول‌ها، کریستال‌ها و تشکیلات بزرگ‌تر وجود نداشتند، جهان چگونه بود؟ پاسخ شگفت انگیز است: جهان نامرئی خواهد بود. دنیای اجسام فیزیکی، جاندار و بی جان، به سادگی وجود نخواهد داشت! بعد، بحث می کنیم که آیا همه اتم های عناصر شیمیایی ترکیب می شوند یا خیر. آیا اتم های منفرد در طبیعت وجود دارد؟ معلوم می شود که وجود دارد - اینها اتم های گازهای نجیب (بی اثر) هستند. ما ساختار الکترونیکی اتم های گاز نجیب را با هم مقایسه می کنیم و به ویژگی سطوح انرژی خارجی کامل و پایدار پی می بریم:عبارت "سطوح انرژی خارجی کامل و پایدار است" به این معنی است که این سطوح دارای حداکثر تعداد الکترون هستند (اتم هلیوم دارای 2 است. بعد، بحث می کنیم که آیا همه اتم های عناصر شیمیایی ترکیب می شوند یا خیر. آیا اتم های منفرد در طبیعت وجود دارد؟ معلوم می شود که وجود دارد - اینها اتم های گازهای نجیب (بی اثر) هستند. ما ساختار الکترونیکی اتم های گاز نجیب را با هم مقایسه می کنیم و به ویژگی سطوح انرژی خارجی کامل و پایدار پی می بریم:).

ه

برای اتم های دیگر گازهای نجیب - 8

با استفاده از نمودارهای اتمی، دانش آموزان حدس می زنند که چرا ترکیب دو اتم H و یک اتم O در یک مولکول مفید است. در نتیجه جابجایی تک الکترون ها از دو اتم هیدروژن، اتم اکسیژن دارای هشت الکترون در سطح انرژی بیرونی خود است. دانش‌آموزان راه‌های مختلفی را برای آرایش متقابل اتم‌ها پیشنهاد می‌کنند. ما یک گزینه متقارن را انتخاب می کنیم و تأکید می کنیم که طبیعت طبق قوانین زیبایی و هماهنگی زندگی می کند:

اتصال اتم ها منجر به از دست دادن خنثی الکتریکی آنها می شود، اگرچه مولکول به عنوان یک کل از نظر الکتریکی خنثی است:

شارژ حاصل به عنوان مشروط تعریف می شود، زیرا

درون یک مولکول الکتریکی خنثی "پنهان" شده است.

بیایید مفهوم "الکترون منفی" را فرمول بندی کنیم: اتم اکسیژن دارای بار منفی مشروط 2- است، زیرا او دو الکترون را از اتم های هیدروژن به سمت خود جابجا کرد. این بدان معناست که اکسیژن بیشتر از هیدروژن الکترونگاتیو است. می نویسیم:الکترونگاتیوی (EO) خاصیت اتم ها برای جابجایی الکترون های ظرفیتی از اتم های دیگر به سمت خود است.

ما با سری الکترونگاتیوی نافلزات کار می کنیم. با استفاده از جدول تناوبی، بالاترین الکترونگاتیوی فلوئور را توضیح می دهیم.

با ترکیب همه موارد فوق، تعریف حالت اکسیداسیون را فرموله و یادداشت می کنیم.

حالت اکسیداسیون بار شرطی اتم های یک ترکیب است که برابر با تعداد الکترون های جابجا شده به اتم هایی با الکترونگاتیوی بالاتر است.

اصطلاح «اکسیداسیون» را می‌توان به عنوان اهدای الکترون به اتم‌های یک عنصر الکترونگاتیوتر توضیح داد، با تأکید بر این که وقتی اتم‌های غیرفلزهای مختلف با هم ترکیب می‌شوند، اغلب تنها یک جابجایی الکترون‌ها به یک غیرفلز الکترونگاتیوتر اتفاق می‌افتد. بنابراین، الکترونگاتیوی یکی از ویژگی های اتم های غیر فلزی است که در نام "سری الکترونگاتیوی غیر فلزات" منعکس شده است.

بر اساس قانون ثبات ترکیب مواد، که توسط دانشمند فرانسوی جوزف لوئی پروست در سال های 1799-1806 کشف شد، هر ماده شیمیایی خالص، صرف نظر از مکان و روش تولید، دارای همان ترکیب ثابت است. یعنی اگر روی مریخ آب باشد همان «آش-دو-و» خواهد بود!

برای ادغام مواد، "صحت" فرمول دی اکسید کربن را با ترسیم نموداری برای تشکیل یک مولکول CO 2 بررسی می کنیم: اتم های با الکترونگاتیوی متفاوت ترکیب می شوند: کربن (EO = 2.5) و اکسیژن (EO = 3.5). الکترون های ظرفیت (4ه اتم های با الکترونگاتیوی متفاوت ترکیب می شوند: کربن (EO = 2.5) و اکسیژن (EO = 3.5). الکترون های ظرفیت (4اتم های کربن به دو اتم اکسیژن منتقل می شوند (2 اتم های با الکترونگاتیوی متفاوت ترکیب می شوند: کربن (EO = 2.5) و اکسیژن (EO = 3.5). الکترون های ظرفیت (4- به یک اتم O و 2

با اتصال، اتم ها کامل می شوند، سطح انرژی خارجی آنها را پایدار می کنند (آن را تا 8 تکمیل کنید اتم های با الکترونگاتیوی متفاوت ترکیب می شوند: کربن (EO = 2.5) و اکسیژن (EO = 3.5). الکترون های ظرفیت (4). به همین دلیل است که اتم های همه عناصر به جز گازهای نجیب با یکدیگر ترکیب می شوند. اتم های گازهای نجیب تک هستند، فرمول آنها با علامت عنصر شیمیایی نوشته می شود: He، Ne، Ar و غیره.

حالت اکسیداسیون اتم های گاز نجیب مانند همه اتم ها در حالت آزاد صفر است:

این قابل درک است، زیرا اتم ها از نظر الکتریکی خنثی هستند.

حالت اکسیداسیون اتم ها در مولکول های مواد ساده نیز صفر است:

هنگامی که اتم های یک عنصر به هم می پیوندند، هیچ جابجایی الکترون رخ نمی دهد، زیرا الکترونگاتیوی آنها یکسان است.

من از تکنیک پارادوکس استفاده می‌کنم: چگونه اتم‌های غیرفلز در مولکول‌های گاز دو اتمی، به عنوان مثال، کلر، سطح انرژی خارجی خود را تا هشت الکترون تکمیل می‌کنند؟

بیایید به صورت شماتیک سؤال را اینگونه مطرح کنیم: اتم های با الکترونگاتیوی متفاوت ترکیب می شوند: کربن (EO = 2.5) و اکسیژن (EO = 3.5). الکترون های ظرفیت (4جابجایی های الکترون ظرفیت (

) اتفاق نمی افتد، زیرا الکترونگاتیوی هر دو اتم کلر یکسان است.

این سوال دانش آموزان را سردرگم می کند.

به عنوان یک اشاره، پیشنهاد می شود یک مثال ساده تر را در نظر بگیرید - تشکیل یک مولکول هیدروژن دیاتومیک.

دانش آموزان به سرعت متوجه می شوند که از آنجایی که جابجایی الکترون غیرممکن است، اتم ها می توانند الکترون های خود را ترکیب کنند. طرح چنین فرآیندی به شرح زیر است:

الکترون‌های ظرفیت مشترک می‌شوند و اتم‌ها را به یک مولکول می‌پیوندند و سطح انرژی بیرونی هر دو اتم هیدروژن کامل می‌شود.

من پیشنهاد می کنم الکترون های ظرفیت را به صورت نقطه به تصویر بکشیم. سپس جفت الکترون های مشترک باید روی محور تقارن بین اتم ها قرار گیرند، زیرا

هنگامی که اتم های یک عنصر شیمیایی ترکیب می شوند، جابجایی الکترون رخ نمی دهد.

در نتیجه، حالت اکسیداسیون اتم های هیدروژن در مولکول صفر است:

این پایه ای را برای مطالعه بیشتر پیوندهای کووالانسی ایجاد می کند.

بیایید به تشکیل یک مولکول کلر دو اتمی برگردیم. یکی از دانش‌آموزان حدس می‌زند که طرح زیر را برای ترکیب اتم‌های کلر در یک مولکول پیشنهاد کند:

در تکالیف باید بتوانید از الگو فاصله بگیرید. بنابراین، هنگام ترسیم نمودار برای تشکیل یک مولکول اکسیژن، دانش آموزان باید نه یک، بلکه دو جفت الکترون مشترک را در محور تقارن بین اتم ها به تصویر بکشند:

در نمودار برای تشکیل یک مولکول کلرید هیدروژن، باید جابجایی یک جفت الکترون مشترک به یک اتم کلر الکترونگاتیو تر نشان داده شود:

در ترکیب HCl، حالت های اکسیداسیون اتم ها عبارتند از: H – +1 و Cl – –1.

بنابراین، تعریف حالت اکسیداسیون به عنوان بار مشروط اتم‌ها در یک مولکول، برابر با تعداد الکترون‌های جابه‌جا شده به اتم‌های با الکترونگاتیوی بالاتر، نه تنها این امکان را فراهم می‌کند که این مفهوم را به وضوح و در دسترس بیان کنیم، بلکه آن را به عنوان مبنایی برای درک ماهیت پیوند شیمیایی

با کار بر روی اصل "اول درک کنید و سپس به خاطر بسپارید"، با استفاده از تکنیک پارادوکس و ایجاد موقعیت های مشکل در کلاس، می توانید نه تنها نتایج یادگیری خوبی کسب کنید، بلکه حتی پیچیده ترین مفاهیم و تعاریف انتزاعی را نیز درک کنید.

درس 2.
ترکیب اتم های فلزی
با غیر فلزات

در بررسی تکالیفمن از دانش آموزان دعوت می کنم تا دو نسخه از یک نمایش بصری از اتصال اتم ها به یک مولکول را با هم مقایسه کنند.

گزینه هایی برای به تصویر کشیدن تشکیل مولکول ها

M o l e c u l a f t o r F 2

گزینه 1.

اتم های یک عنصر شیمیایی ترکیب می شوند.

الکترونگاتیوی اتم ها یکسان است.

هیچ جابجایی الکترون های ظرفیتی وجود ندارد.

نحوه تشکیل مولکول فلوئور F2 مشخص نیست.

گزینه 2.
جفت شدن الکترون های ظرفیت اتم های یکسان

ما الکترون های ظرفیت اتم های فلوئور را به صورت نقطه نشان می دهیم:

جفت نشده الکترون های ظرفیت اتم های فلوئور یک جفت الکترون مشترک را تشکیل دادند که در نمودار مولکول روی محور تقارن نشان داده شده است.

از آنجایی که هیچ جابجایی الکترون های ظرفیتی وجود ندارد، حالت اکسیداسیون اتم های فلوئور در مولکول F 2 صفر است.

نتیجه ترکیب اتم های فلوئور در یک مولکول با استفاده از یک جفت الکترون مشترک، سطح هشت الکترونی بیرونی هر دو اتم فلوئور تکمیل شد.

تشکیل مولکول اکسیژن O2 نیز به روشی مشابه در نظر گرفته می شود.

گزینه 1.
M o l e c l u c l o f o r O 2

استفاده از نمودارهای ساختار اتمی
گزینه 2.

جفت شدن الکترون های ظرفیت اتم های یکسان

گزینه 1.
هیدروژن کلرید مول HCl

استفاده از نمودارهای ساختار اتمی

در نتیجه ترکیب اتم ها در یک مولکول HCl، اتم هیدروژن الکترون ظرفیت خود را از دست داد (طبق نمودار) و اتم کلر سطح انرژی بیرونی خود را به هشت الکترون اضافه کرد.

استفاده از نمودارهای ساختار اتمی
جفت شدن الکترون های ظرفیت اتم های مختلف

الکترون های ظرفیت جفت نشده اتم های هیدروژن و کلر یک جفت الکترون مشترک را تشکیل دادند که به اتم کلر الکترونگاتیو تر منتقل شدند. در نتیجه، بارهای معمولی روی اتم ها تشکیل شد: حالت اکسیداسیون اتم هیدروژن +1 است، حالت اکسیداسیون اتم کلر -1 است.

هنگامی که اتم ها با استفاده از یک جفت الکترون مشترک در یک مولکول ترکیب می شوند، سطح انرژی بیرونی آنها کامل می شود. سطح بیرونی اتم هیدروژن به دو الکترون تبدیل می شود، اما به اتم کلر الکترونگاتیو تر منتقل می شود و سطح بیرونی اتم کلر به هشت الکترون پایدار تبدیل می شود.

اجازه دهید با جزئیات بیشتری در مورد آخرین مثال - تشکیل مولکول HCl صحبت کنیم. کدام طرح دقیق تر است و چرا؟ دانش آموزان متوجه تفاوت قابل توجهی می شوند. استفاده از نمودارهای اتمی در تشکیل مولکول HCl شامل جابجایی الکترون ظرفیت از اتم هیدروژن به اتم کلر الکترونگاتیو تر است.

اجازه دهید یادآوری کنم که الکترونگاتیوی (ویژگی اتم ها برای جابجایی الکترون های ظرفیت از اتم های دیگر) در همه عناصر به درجات مختلف ذاتی است.

دانش‌آموزان نتیجه می‌گیرند که استفاده از نمودارهای اتمی برای تشکیل HCl امکان نشان دادن جابه‌جایی الکترون‌ها به یک عنصر الکترونگاتیو بیشتر را ممکن نمی‌سازد.

نمایش الکترون‌های ظرفیت توسط نقاط، شکل‌گیری مولکول کلرید هیدروژن را با دقت بیشتری توضیح می‌دهد. هنگامی که اتم های H و Cl با هم پیوند می خورند، یک تغییر (در نمودار - انحراف از محور تقارن) از الکترون ظرفیت اتم هیدروژن به اتم کلر الکترونگاتیو تر رخ می دهد. در نتیجه، هر دو اتم حالت اکسیداسیون خاصی به دست می آورند. الکترون های ظرفیتی جفت نشده نه تنها یک جفت الکترون مشترک را تشکیل دادند که اتم ها را به یک مولکول متصل می کرد، بلکه سطوح انرژی بیرونی هر دو اتم را نیز تکمیل کرد. طرح‌های تشکیل مولکول‌های F 2 و O 2 از اتم‌ها نیز زمانی که الکترون‌های ظرفیت به صورت نقطه نشان داده می‌شوند قابل درک‌تر هستند.

به دنبال مثال درس قبل با سوال اصلی آن "فرمول مواد از کجا آمده است؟"

از دانش آموزان خواسته می شود به این سوال پاسخ دهند: "چرا نمک خوراکی دارای فرمول NaCl است؟"

بیایید بگوییم: سدیم عنصری از زیرگروه Ia است، یک الکترون ظرفیت دارد، بنابراین، یک فلز است. کلر یک عنصر از زیر گروه VIIa است، دارای هفت الکترون ظرفیت است، بنابراین، یک غیر فلز است. در کلرید سدیم، الکترون ظرفیت اتم سدیم به اتم کلر منتقل می شود.

از بچه ها می پرسم: آیا همه چیز در این نمودار درست است؟

نتیجه ترکیب اتم های سدیم و کلر برای تشکیل یک مولکول NaCl چیست؟

دانش‌آموزان پاسخ می‌دهند: نتیجه ترکیب اتم‌ها در یک مولکول NaCl، تشکیل یک سطح خارجی هشت الکترونی پایدار اتم کلر و یک سطح خارجی دو الکترونی اتم سدیم بود. پارادوکس: اتم سدیم به دو الکترون ظرفیتی در سطح انرژی سوم بیرونی نیاز ندارد! (ما با نمودار اتم سدیم کار می کنیم.)

این بدان معناست که ترکیب شدن اتم سدیم با اتم کلر "نامطلوب" است و ترکیب NaCl نباید در طبیعت وجود داشته باشد. با این حال، دانش آموزان از درس های جغرافیا و زیست شناسی در مورد شیوع نمک خوراکی در کره زمین و نقش آن در زندگی موجودات زنده می دانند.

چگونه می توان راهی برای خروج از این وضعیت متناقض پیدا کرد؟

ما با نمودارهای اتم‌های سدیم و کلر کار می‌کنیم و دانش‌آموزان حدس می‌زنند که برای اتم سدیم مفید است که جابجا نشود، بلکه الکترون ظرفیت خود را به اتم کلر بدهد. سپس اتم سدیم یک سطح انرژی خارجی تکمیل شده - ماقبل خارجی - خواهد داشت. اتم کلر همچنین دارای سطح انرژی بیرونی هشت الکترونی خواهد بود:

ما به این نتیجه می‌رسیم: برای اتم‌های فلزی که تعداد کمی الکترون ظرفیت دارند بهتر است به جای انتقال الکترون‌های ظرفیت خود به اتم‌های غیرفلزی، اهدا کنند. بنابراین اتم های فلزی الکترونگاتیوی ندارند.

من پیشنهاد می کنم یک "علامت جذب" از یک الکترون ظرفیت خارجی توسط یک اتم غیر فلزی - یک براکت مربع معرفی کنیم.

هنگامی که الکترون های ظرفیت با نقطه نشان داده می شوند، نمودار اتصال اتم های فلز و غیرفلز به شکل زیر خواهد بود:

توجه دانش آموزان را به این واقعیت جلب می کنم که وقتی یک الکترون ظرفیتی از یک اتم فلز (سدیم) به یک اتم غیر فلز (کلر) منتقل می شود، اتم ها به یون تبدیل می شوند.

یون ها ذرات باردار هستند که اتم ها در نتیجه انتقال یا افزودن الکترون ها به آنها تبدیل می شوند.

1 –1
علائم و بزرگی بارهای یونی و حالت های اکسیداسیون یکسان است و تفاوت در طراحی به شرح زیر است:

Na، Cl - برای حالت های اکسیداسیون،

Na + , Cl – – برای بارهای یونی.

تشکیل فلوراید کاسه ای CaF 2

در نمودار، الکترون‌های ظرفیت جفت نشده اتم‌ها را طوری مرتب می‌کنیم که همدیگر را ببینند و بتوانند جفت‌های الکترونی تشکیل دهند:

اتصال اتم های کلسیم و فلوئور به ترکیب CaF 2 از نظر انرژی مطلوب است. در نتیجه سطح انرژی هر دو اتم به هشت الکترون تبدیل می شود: برای فلوئور سطح انرژی بیرونی و برای کلسیم سطح بیرونی است. نمایش شماتیک انتقال الکترون در اتم ها (مفید هنگام مطالعه واکنش های ردوکس):

من به دانش‌آموزان اشاره می‌کنم که همانطور که الکترون‌های با بار منفی به سمت هسته با بار مثبت یک اتم جذب می‌شوند، یون‌های دارای بار مخالف نیز با نیروی جاذبه الکترواستاتیکی کنار هم نگه داشته می‌شوند.

ترکیبات یونی جامداتی با نقطه ذوب بالا هستند. دانش‌آموزان از زندگی می‌دانند که می‌توانند نمک خوراکی را برای چندین ساعت گرم کنند، بی‌فایده است.
(دمای شعله مشعل گاز (~500 درجه سانتیگراد) برای ذوب نمک کافی نیستتی

pl (NaCl) = 800 درجه سانتیگراد). از اینجا نتیجه می گیریم: پیوند بین ذرات باردار (یون) - پیوند یونی - بسیار قوی است.

اجازه دهید تعمیم دهیم: هنگامی که اتم های فلز (M) با اتم های غیرفلز (Nem) ترکیب می شوند، جابجایی وجود ندارد، بلکه اهدای الکترون های ظرفیتی توسط اتم های فلز به اتم های غیرفلز وجود دارد.

در این مورد، اتم های الکتریکی خنثی به ذرات باردار - یون هایی تبدیل می شوند که بار آنها با تعداد الکترون های اهدایی (برای یک فلز) و متصل (برای یک غیر فلز) مطابقت دارد.

بنابراین، در دو درس اول مفهوم "حالت اکسیداسیون" شکل می گیرد و در دوم تشکیل یک ترکیب یونی توضیح داده می شود. مفاهیم جدید به عنوان پایه خوبی برای مطالعه بیشتر مواد نظری، یعنی: مکانیسم های تشکیل پیوند شیمیایی، وابستگی خواص مواد به ترکیب و ساختار آنها، و در نظر گرفتن واکنش های ردوکس، عمل می کند.

در پایان، می خواهم دو تکنیک روش شناختی را با هم مقایسه کنم: تکنیک پارادوکس و تکنیک ایجاد موقعیت های مشکل در کلاس درس.

همکاران احتمالا مخالفت خواهند کرد: ایجاد یک موقعیت مشکل ساز در کلاس منجر به همان چیزی می شود.

می کند، اما نه همیشه! به عنوان یک قاعده، یک سوال مشکل ساز توسط معلم قبل از مطالعه مطالب جدید فرموله می شود و همه دانش آموزان را به کار تحریک نمی کند. برای بسیاری مشخص نیست که این مشکل از کجا آمده است و در واقع چرا به راه حلی نیاز دارد. تکنیک پارادوکس در دوره مطالعه مطالب جدید ایجاد می شود و دانش آموزان را تشویق می کند تا خودشان مسئله را فرموله کنند و بنابراین منشاء وقوع آن و نیاز به راه حل را درک کنند.