اتجاهات حالة المادة في الجدول الدوري لكيمياء HSC
تعرّف على كيفية استخدام الموقع في الجدول الدوري والتركيب والروابط والقوى بين الجزيئات لتفسير ما إذا كان العنصر صلبًا أو سائلًا أو غازًا عند درجة حرارة الغرفة.
الكلور غاز. والبروم، الواقع تحته مباشرة في الجدول الدوري، سائل. واليود، الواقع مباشرة تحت البروم، صلب.
هذه مسألة مفيدة للتفكير فيها. فجميع هذه العناصر تنتمي إلى المجموعة 17 ولها سلوك كيميائي متشابه، فلماذا لا تكون لها الحالة الفيزيائية نفسها؟
قبل أن تتابع القراءة، ضع توقعًا: عندما تتحرك إلى أسفل المجموعة 17، هل تصبح الجسيمات أسهل أم أصعب فصلًا بعضها عن بعض؟
تصبح أصعب فصلًا. تفسر هذه الفكرة الواحدة نمط التحول من غاز إلى سائل إلى صلب نزولًا عبر الهالوجينات، كما تمنحنا طريقة لفهم جزء كبير من الجدول الدوري من دون حفظ حالة كل عنصر.
01حالة المادة هي منافسة بين التجاذب والحركة الحرارية
تتحرك الجسيمات في المادة باستمرار. وعند درجة حرارة أعلى، تكون لديها طاقة حرارية أكبر، وتتحرك في المتوسط بنشاط أكبر.
وفي الوقت نفسه، يمكن للجسيمات أن تتجاذب فيما بينها.
يمكنك تصور الأمر كأنه حفلة فيها شيء من الارتباك. تمثل الحركة الحرارية تجول الجميع في أرجاء الغرفة، بينما تمثل قوى التجاذب الأسباب التي تجعل الناس يواصلون التجمع معًا.
إذا كانت قوى التجاذب ضعيفة مقارنة بالحركة الحرارية للجسيمات، فيمكن للجسيمات أن تتباعد كثيرًا وتكون المادة غازًا.
إذا كانت قوى التجاذب قوية بما يكفي لإبقاء الجسيمات متقاربة، ولكن من دون تثبيتها في موضع واحد، فقد تكون المادة سائلًا.
إذا كان التركيب يُبقي الجسيمات في مواضع ثابتة، بحيث تهتز الجسيمات أساسًا حول تلك المواضع، فإن المادة تكون صلبة.
لهذا التشبيه حدود. فالجسيمات لا تتخذ قرارات، ويمكن أن تكون المواد المختلفة مترابطة بأنواع مختلفة جدًا من الروابط وقوى التجاذب. والجزء المفيد هو فكرة المنافسة: تميل الطاقة الحرارية إلى فصل الجسيمات، بينما تميل تآثرات التجاذب إلى إبقائها معًا.
02حالة المادة عند درجة حرارة الغرفة تعني في الواقع درجتي الانصهار والغليان
العنصر ليس صلبًا أو سائلًا أو غازًا بصورة دائمة. فحالته تعتمد على درجة الحرارة والضغط.
في أسئلة كيمياء HSC، تعني عبارة «درجة حرارة الغرفة» عادةً ما يقارب \(20^\circ\text{C}\) إلى \(25^\circ\text{C}\)، مع ضغط قريب من الضغط الجوي.
عند ضغط ثابت:
| درجة الحرارة مقارنة بدرجات حرارة تغير الحالة | الحالة المتوقعة |
|---|---|
| أقل من درجة الانصهار | صلب |
| بين درجتي الانصهار والغليان | سائل |
| أعلى من درجة الغليان | غاز |
لنفترض أن عنصرًا ينصهر عند \(10^\circ\text{C}\) ويغلي عند \(80^\circ\text{C}\). عند \(25^\circ\text{C}\)،
\[ 10^\circ\text{C}<25^\circ\text{C}<80^\circ\text{C} \]
لذلك يكون سائلًا.
وهذا يعطينا الصياغة الدقيقة لنموذج الجسيمات السابق. فقوى التجاذب الأقوى تتطلب عمومًا طاقة أكبر للتغلب عليها، ولذلك تميل إلى إحداث درجات انصهار أو غليان أعلى.
يساعدنا الجدول الدوري لأن موقع العنصر فيه يعطينا دلائل عن تركيبه وروابطه، وهو ما يساعدنا بعد ذلك على الاستدلال على درجات الانصهار والغليان.
03النمط العام عبر الجدول الدوري
معظم العناصر صلبة عند درجة حرارة الغرفة.
تتركز الغازات في الجزء العلوي الأيمن من الجدول، بالإضافة إلى الهيدروجين. ولا يوجد سوى عدد قليل جدًا من العناصر المألوفة التي تكون سائلة عند درجة حرارة الغرفة.
وهذه خريطة أولية مفيدة:
| منطقة الجدول الدوري | التركيب النموذجي | الحالة الشائعة عند درجة حرارة الغرفة | السبب الرئيسي |
|---|---|---|---|
| الفلزات في اليسار والوسط | شبكة فلزية عملاقة | عادةً صلبة | الروابط الفلزية تُبقي أعدادًا كبيرة من الجسيمات ضمن تركيب ممتد |
| عناصر مثل البورون والكربون والسيليكون | تركيب تساهمي عملاق | صلب | تمتد روابط تساهمية قوية عبر التركيب |
| اللافلزات الجزيئية في الجزء العلوي الأيمن | جزيئات صغيرة أو أكبر | غاز أو سائل أو صلب | تعتمد الحالة بدرجة كبيرة على القوى بين الجزيئية |
| المجموعة 18 | ذرات منفردة | غاز | لا تعمل بين الذرات إلا قوى تشتت ضعيفة |
| الهيدروجين | جزيئات \(\ce{H2}\) | غاز | جزيئات صغيرة ذات قوى تجاذب ضعيفة بين الجزيئات |
هذا نمط، وليس قانونًا يسمح لك بتلوين الجدول الدوري من دون تفكير.
فعلى سبيل المثال، الزئبق فلز، لكنه سائل عند درجة حرارة الغرفة. والغاليوم والسيزيوم صلبان عند \(25^\circ\text{C}\)، لكن كليهما ينصهر عند درجة ليست أعلى بكثير من درجة حرارة الغرفة. لذلك يمكن لبيئة دافئة أن تكون مهمة عندما تكون المادة قريبة من حد تغير الحالة.
السؤال الأفضل ليس ببساطة: «هل هو فلز أم لافلز؟»
بل اسأل:
ما الجسيمات أو التركيب الذي يكونه العنصر، وما مدى صعوبة فصل هذه الجسيمات؟
04لماذا تكون معظم الفلزات صلبة
الفلز ليس مكوّنًا من جزيئات فلزية صغيرة منفصلة. بل تكوّن ذراته تركيبًا فلزيًا ممتدًا.
في نموذج الرابطة الفلزية، تنجذب أيونات الفلز الموجبة إلى إلكترونات غير متمركزة في أنحاء الشبكة. ولصهر فلز، يجب التغلب على عدد كافٍ من هذه التجاذبات حتى تتمكن الجسيمات من التحرك بعضها بجوار بعض.
ويتطلب ذلك عادةً درجات حرارة أعلى من درجة حرارة الغرفة، ولذلك تكون معظم الفلزات صلبة عند \(25^\circ\text{C}\).
لكن توجد اختلافات مهمة بين الفلزات. فقوة الرابطة الفلزية ليست متماثلة تمامًا في كل عنصر. ويؤثر كل من الحجم الذري والشحنة وترتيب الإلكترونات والبنية البلورية.
ولهذا فإن عبارة «فلز = صلب» تمثل توقعًا أوليًا مفيدًا، لكنها ليست قاعدة دقيقة.
الزئبق هو الاستثناء الشهير عند درجة حرارة الغرفة: فهو سائل.
05لماذا يحتوي الركن العلوي الأيمن على هذا العدد الكبير من الغازات
انظر الآن نحو الجزء العلوي الأيمن من الجدول الدوري.
توجد عدة لافلزات على هيئة جزيئات صغيرة:
- الهيدروجين، \(\ce{H2}\)
- النيتروجين، \(\ce{N2}\)
- الأكسجين، \(\ce{O2}\)
- الفلور، \(\ce{F2}\)
- الكلور، \(\ce{Cl2}\)
يمكن أن تكون الروابط التساهمية داخل هذه الجزيئات قوية جدًا. فرابطة \(\ce{N#N}\) في النيتروجين، على سبيل المثال، ليست ضعيفة بالتأكيد.
لكن غليان النيتروجين لا يتطلب منا كسر كل رابطة \(\ce{N#N}\).
وهذا التمييز بالغ الأهمية.
عندما تنصهر مادة جزيئية بسيطة أو تغلي، فإننا نتغلب أساسًا على القوى بين الجزيئات. أما الروابط التساهمية داخل كل جزيء فتبقى سليمة.
تميل الجزيئات الصغيرة إلى امتلاك قوى تشتت لندن ضعيفة نسبيًا بينها، ولذلك تكون درجات غليان العديد من هذه العناصر أقل بكثير من درجة حرارة الغرفة. ولهذا فهي غازات عند \(25^\circ\text{C}\).
06توضح الهالوجينات الاتجاه بصورة ممتازة
لننظر إلى المجموعة 17.
| الهالوجين | الجسيم العنصري | درجة الانصهار التقريبية | درجة الغليان التقريبية | الحالة عند \(25^\circ\text{C}\) |
|---|---|---|---|---|
| الفلور | \(\ce{F2}\) | \(-220^\circ\text{C}\) | \(-188^\circ\text{C}\) | غاز |
| الكلور | \(\ce{Cl2}\) | \(-101^\circ\text{C}\) | \(-34^\circ\text{C}\) | غاز |
| البروم | \(\ce{Br2}\) | \(-7^\circ\text{C}\) | \(59^\circ\text{C}\) | سائل |
| اليود | \(\ce{I2}\) | \(114^\circ\text{C}\) | \(184^\circ\text{C}\) | صلب |
تزداد درجتا الانصهار والغليان بدرجة كبيرة كلما تحركنا إلى أسفل المجموعة.
لماذا؟
يصبح كل جزيء أكبر ويحتوي على عدد أكبر من الإلكترونات. كما تصبح سحابته الإلكترونية أكثر قابلية للاستقطاب، أي إن توزيع إلكتروناته يمكن تشويهه بسهولة أكبر.
ويؤدي ذلك إلى تكوّن ثنائيات أقطاب مؤقتة أقوى، ومن ثم إلى قوى تشتت لندن أقوى بين الجزيئات المتجاورة.
لذلك نحتاج إلى طاقة أكبر لفصل الجزيئات.
ومن ثم، عند درجة الحرارة نفسها \(25^\circ\text{C}\):
- تُبقي الطاقة الحرارية جزيئات \(\ce{Cl2}\) متباعدة بسهولة على هيئة غاز
- تبقى جزيئات \(\ce{Br2}\) متقاربة لكنها قادرة على الحركة كسائل
- تكون قوى التجاذب بين جزيئات \(\ce{I2}\) قوية بما يكفي ليبقى اليود صلبًا
مثال محلول: لماذا يكون البروم سائلًا؟
الفلور والكلور غازان عند \(25^\circ\text{C}\)، بينما اليود صلب. اشرح لماذا يكون البروم، الواقع بين الكلور واليود في المجموعة 17، سائلًا عند درجة حرارة الغرفة.
الخطوة 1
يوجد البروم العنصري على هيئة جزيئات \(\ce{Br2}\). ولذلك نحتاج إلى التفكير في القوى بين جزيئات \(\ce{Br2}\).
الخطوة 2
يحتوي جزيء \(\ce{Br2}\) على عدد أكبر من الإلكترونات وسحابة إلكترونية أكبر وأكثر قابلية للاستقطاب من \(\ce{Cl2}\). ولذلك تكون قوى تشتت لندن فيه أقوى.
لكن هذه القوى ليست بقوة تلك الموجودة بين جزيئات \(\ce{I2}\) الأكبر حجمًا.
الخطوة 3
ينصهر البروم عند نحو \(-7^\circ\text{C}\) ويغلي عند نحو \(59^\circ\text{C}\).
عند \(25^\circ\text{C}\)،
\[ -7^\circ\text{C}<25^\circ\text{C}<59^\circ\text{C} \]
ولذلك لا بد أن يكون البروم سائلًا.
الخطوة 4
قوى التجاذب بين الجزيئات في البروم قوية بما يكفي لمنع جزيئاته من الانتشار كغاز عند درجة حرارة الغرفة، لكنها ليست قوية بما يكفي لتثبيتها في تركيب صلب.
07لا تُرجع السبب إلى الرابطة داخل الجزيء
هناك تفسير شائع يقول:
اليود صلب لأن الرابطة التساهمية \(\ce{I-I}\) أقوى من الرابطة \(\ce{Cl-Cl}\).
هذا ليس التفسير الصحيح لاتجاه حالات المادة.
فانصهار اليود لا يتطلب كسر كل رابطة \(\ce{I-I}\). وتبقى جزيئات \(\ce{I2}\) على هيئة \(\ce{I2}\).
التغير المهم هو أن الجزيئات تكتسب طاقة كافية لتتحرك بعضها بجوار بعض. فنحن نتغلب على قوى التجاذب بين الجزيئات، ولا نكسر الجزيء إلى ذرات يود منفردة.
ومن العادات المفيدة في الامتحان أن تسأل:
هل أفصل الجزيئات بعضها عن بعض، أم أكسر الروابط بين الذرات داخل الجزيء؟
بالنسبة إلى انصهار المواد الجزيئية البسيطة وغليانها، يكون الأمر عادةً هو الأول.
08يوضح الأكسجين والكبريت أن موقع المجموعة ليس القصة كاملة
ينتمي الأكسجين والكبريت كلاهما إلى المجموعة 16.
ولذلك قد تتوقع أن تكون حالتهما متشابهة. لكن الأكسجين غاز عند درجة حرارة الغرفة، بينما الكبريت صلب.
الحجم جزء من التفسير، لكن هناك تفصيلًا مهمًا آخر: جزيئاتهما العنصرية ليست بالحجم نفسه.
يوجد الأكسجين عادةً على هيئة جزيئات \(\ce{O2}\) صغيرة. أما الكبريت العنصري العادي عند درجة حرارة الغرفة فيحتوي على جزيئات \(\ce{S8}\) أكبر بكثير.
يحتوي جزيء \(\ce{S8}\) على عدد أكبر بكثير من الإلكترونات وسحابة إلكترونية أكبر بكثير. ولذلك تكون قوى تشتت لندن فيه أقوى بكثير.
مثال محلول: الأكسجين غاز، لكن الكبريت صلب
اشرح لماذا تختلف حالة الأكسجين والكبريت عند درجة حرارة الغرفة رغم انتمائهما إلى المجموعة نفسها.
الخطوة 1
يوجد الأكسجين على هيئة جزيئات \(\ce{O2}\). ويحتوي الكبريت الصلب الشائع على جزيئات \(\ce{S8}\).
الخطوة 2
جزيء \(\ce{S8}\) أكبر بكثير ويحتوي على عدد أكبر بكثير من الإلكترونات مقارنة بجزيء \(\ce{O2}\).
ولذلك تكون سحابته الإلكترونية أكثر قابلية للاستقطاب.
الخطوة 3
تؤدي زيادة قابلية الاستقطاب إلى قوى تشتت لندن أقوى بين جزيئات \(\ce{S8}\) مقارنة بتلك الموجودة بين جزيئات \(\ce{O2}\).
ولذلك يلزم مقدار أكبر من الطاقة الحرارية لفصل جزيئات الكبريت.
الخطوة 4
عند درجة حرارة الغرفة، تسمح قوى التجاذب الضعيفة بين جزيئات \(\ce{O2}\) بوجود الأكسجين كغاز. أما قوى التجاذب الأقوى بين جزيئات \(\ce{S8}\) فتسهم في بقاء الكبريت صلبًا.
والدرس أوسع من مجرد الأكسجين والكبريت: موقع العنصر في الجدول الدوري مفيد لأنه يساعدك على الاستدلال على التركيب وحجم الجسيمات. أما الموقع نفسه فلا يسبب حالة المادة بصورة مباشرة.
09الغازات النبيلة: ذرات أكبر، لكنها تظل غازات
تعطينا المجموعة 18 اتجاهًا واضحًا آخر.
توجد الغازات النبيلة على هيئة ذرات منفردة لا جزيئات. وبين هذه الذرات، تكون قوى التجاذب الرئيسية هي قوى تشتت لندن.
وعند النزول في المجموعة من الهيليوم نحو الزينون والرادون:
- تصبح الذرات أكبر
- تحتوي على عدد أكبر من الإلكترونات
- تصبح سحبها الإلكترونية أكثر قابلية للاستقطاب
- تصبح قوى التشتت أقوى
- تزداد درجات الغليان
فهل يعني ذلك أن الزينون ينبغي أن يكون صلبًا عند درجة حرارة الغرفة؟
لا.
لقد ارتفعت درجة غليانه مقارنة بالهيليوم أو النيون، لكنها لا تزال أقل بكثير من \(25^\circ\text{C}\). ولذلك تظل درجة حرارة الغرفة مرتفعة بما يكفي ليكون الزينون غازًا.
وهذا تنبيه مفيد. فقد تزداد خاصية ما نزولًا في المجموعة من دون أن تزداد بالقدر الكافي لتتجاوز الحد الفاصل بين الغاز والسائل أو بين السائل والصلب.
10عبر الدورة، لا يكون النمط سلسًا
من المغري البحث عن قاعدة بسيطة واحدة من اليسار إلى اليمين.
مثلًا:
يقل نصف القطر الذري عبر الدورة، ولذلك ينبغي أن تتغير العناصر تدريجيًا من صلب إلى سائل إلى غاز.
لكن هذا الاستنتاج يفشل لأن نوع التركيب يتغير عبر الدورة.
لننظر إلى بعض عناصر الدورة الثالثة:
- للصوديوم والمغنيسيوم والألومنيوم تراكيب فلزية، وهي مواد صلبة
- للسيليكون تركيب تساهمي عملاق، وهو صلب
- يكون الفوسفور والكبريت مواد صلبة جزيئية عند درجة حرارة الغرفة
- يكون الكلور جزيئات \(\ce{Cl2}\) صغيرة، وهو غاز
- الأرجون أحادي الذرة، وهو غاز
لاحظ ما حدث. لم نكتفِ بجعل نوع واحد من الجسيمات أصغر فأصغر.
بل انتقلنا من شبكة فلزية إلى تركيب تساهمي عملاق، ثم إلى مواد جزيئية، وأخيرًا إلى ذرات منفردة.
وهذا التغير في التركيب بالغ الأهمية.
لذلك لا توجد قاعدة موثوقة تقول: «تحرك ثلاث خانات إلى اليمين فتتغير الحالة من صلب إلى غاز». بل عليك تحديد نوع المادة التي يكونها كل عنصر.
11التراكيب التساهمية العملاقة مختلفة أيضًا
يقدم الكربون والسيليكون مقارنة مفيدة أخرى مع اللافلزات الجزيئية الصغيرة.
في الألماس، ترتبط كل ذرة كربون تساهميًا ضمن شبكة عملاقة ثلاثية الأبعاد. ويكوّن السيليكون أيضًا تركيبًا تساهميًا عملاقًا.
لا توجد جزيئات منفصلة من \(\ce{C}\) أو \(\ce{Si}\) يمكنها ببساطة الابتعاد بعضها عن بعض.
ولصهر مادة تساهمية عملاقة، يجب التغلب على عدد كبير من الروابط التساهمية القوية في التركيب الممتد. وهذا يتطلب كمية كبيرة من الطاقة.
لذلك تكون هذه المواد صلبة عند درجة حرارة الغرفة.
ولهذا فإن قاعدة «اللافلزات غازات» غير صالحة إطلاقًا. فبعض اللافلزات غازات، وبعضها مواد صلبة جزيئية، ويمكن للكربون تكوين مواد صلبة تساهمية عملاقة.
التركيب هو المهم.
12طريقة أفضل لاتخاذ القرار من حفظ ألوان الجدول الدوري
عندما يُطلب منك استخدام الموقع الدوري لمناقشة الحالة المحتملة لعنصر، انتقل عبر الأسئلة الآتية بالترتيب.
هل هو فلز أم لافلز، أم عنصر يُرجح أن يكوّن تركيبًا تساهميًا عملاقًا؟
ستكون معظم الفلزات والعناصر ذات التراكيب التساهمية العملاقة صلبة عند درجة حرارة الغرفة.إذا كان عنصرًا جزيئيًا، فما حجم جزيئاته؟
تعني السحب الإلكترونية الأكبر عادةً قابلية أكبر للاستقطاب وقوى تشتت أقوى.هل تقارن بين تراكيب متشابهة؟
تكون اتجاهات الحجم مفيدة خصوصًا داخل عائلة مثل الهالوجينات أو الغازات النبيلة. وتكون أقل فائدة بكثير إذا كانت إحدى المواد شبكة تساهمية عملاقة والأخرى تتكون من ذرات منفردة.إذا أُعطيت درجات الانصهار والغليان، فاستخدمها.
لا تستبدل البيانات الفعلية باتجاه محفوظ.أبقِ الظروف ثابتة.
حالة المادة عند درجة حرارة الغرفة هي وصف عند درجة حرارة وضغط محددين، وليست خاصية أبدية للعنصر.
13أهم الأنماط التي يجدر تذكرها
لا تحتاج إلى حفظ 118 حالة منفصلة للإجابة عن معظم أسئلة HSC.
احتفظ بهذه الأنماط في ذهنك:
- معظم العناصر صلبة عند درجة حرارة الغرفة
- معظم الفلزات صلبة، والزئبق هو الاستثناء السائل المألوف
- الهيدروجين غاز رغم وجوده فوق المجموعة 1
- النيتروجين والأكسجين والفلور والكلور غازات
- الغازات النبيلة غازات عند درجة حرارة الغرفة
- البروم سائل عند درجة حرارة الغرفة
- عند النزول في مجموعة من المواد الجزيئية أو أحادية الذرة المتشابهة، تؤدي زيادة الحجم وقابلية الاستقطاب غالبًا إلى تقوية قوى تشتت لندن
- تؤدي قوى التجاذب الأقوى بين الجسيمات عمومًا إلى درجات انصهار وغليان أعلى
- عبر الدورة، يعني تغير التركيب عدم وجود قاعدة واحدة سلسة لحالة المادة
والأهم من ذلك، فسّر النمط من خلال التركيب وقوى التجاذب، بدلًا من التعامل مع الجدول الدوري على أنه اختبار حفظ قائم على الألوان.
14الأسئلة والحلول
السؤال 1
لدى عنصر درجة انصهار مقدارها \(-12^\circ\text{C}\) ودرجة غليان مقدارها \(47^\circ\text{C}\) عند الضغط الجوي.
ما حالته عند \(25^\circ\text{C}\)؟ فسّر استدلالك.
الحل 1
العنصر سائل عند \(25^\circ\text{C}\).
درجة انصهاره أقل من درجة حرارة الغرفة، ولذلك يكون قد انصهر بالفعل. ودرجة غليانه أعلى من درجة حرارة الغرفة، ولذلك لم يغلِ بعد.
المقارنة ذات الصلة هي
\[ -12^\circ\text{C}<25^\circ\text{C}<47^\circ\text{C}. \]
ولأن \(25^\circ\text{C}\) تقع بين درجتي الانصهار والغليان، فإن الحالة المستقرة في هذه الظروف هي السائل.
والمبدأ المهم هو أن الحالة تتحدد من خلال درجة الحرارة مقارنة بدرجات حرارة تغير الحالة، لا بمجرد إرفاق تسمية «صلب» أو «سائل» أو «غاز» بعنصر بصورة دائمة.
السؤال 2
الكلور غاز عند درجة حرارة الغرفة، بينما اليود صلب.
يفسر أحد الطلاب الفرق بقوله: «الرابطة التساهمية \(\ce{I-I}\) أقوى، ولذلك لا تستطيع جزيئات اليود الانفصال.»
حدد المشكلة في هذا التفسير، ثم قدم تفسيرًا أفضل.
الحل 2
يركز هذا التفسير على التآثر الخطأ. تعتمد الحالة عند درجة حرارة الغرفة أساسًا على القوى بين الجزيئات، لا على كسر الرابطة التساهمية داخل كل جزيء.
يوجد الكلور على هيئة \(\ce{Cl2}\)، بينما يوجد اليود على هيئة \(\ce{I2}\).
عندما يغلي الكلور أو ينصهر اليود، لا تتفكك الجزيئات ثنائية الذرة عادةً إلى ذرات منفردة. وتبقى الروابط التساهمية \(\ce{Cl-Cl}\) أو \(\ce{I-I}\) سليمة.
وبدلًا من ذلك، تنفصل الجزيئات عن الجزيئات المجاورة لها.
يحتوي جزيء \(\ce{I2}\) على عدد أكبر من الإلكترونات وسحابة إلكترونية أكبر وأكثر قابلية للاستقطاب من \(\ce{Cl2}\). ويؤدي ذلك إلى قوى تشتت لندن أقوى بين جزيئات \(\ce{I2}\).
ولذلك تكون درجتا انصهار اليود وغليانه أعلى بكثير. عند \(25^\circ\text{C}\)، يبقى اليود صلبًا، بينما يكون الكلور قد تجاوز درجة غليانه بكثير ويكون غازًا.
الفخ هنا هو الخلط بين الروابط التساهمية داخل الجزيء والقوى بين الجزيئات.
السؤال 3
يضع طالب التوقع الآتي عن الدورة الثالثة:
«يتناقص نصف القطر الذري عمومًا من اليسار إلى اليمين، ولذلك ينبغي أن تتغير حالات العناصر بسلاسة من صلب إلى سائل إلى غاز.»
اشرح لماذا لا يمكن الاعتماد على هذا التوقع. أشر إلى ثلاثة أنواع مختلفة على الأقل من التراكيب العنصرية الموجودة عبر الدورة.
الحل 3
لا يمكن الاعتماد على هذا التوقع لأن نوع التركيب يتغير عبر الدورة الثالثة، ولذلك لا يمكن للحجم الذري وحده تحديد الحالة.
في يسار الدورة، يكون الصوديوم والمغنيسيوم والألومنيوم تراكيب فلزية عملاقة. وتمتد الروابط الفلزية عبر شبكاتها، وتكون العناصر الثلاثة كلها صلبة عند درجة حرارة الغرفة.
يكون السيليكون تركيبًا تساهميًا عملاقًا. وتمتد روابط تساهمية قوية عبر الشبكة، ولذلك يكون السيليكون صلبًا أيضًا.
وإلى اليمين أكثر، يكون الفوسفور والكبريت والكلور مواد جزيئية. وتعتمد حالاتها الفيزيائية بدرجة كبيرة على القوى بين تلك الجزيئات. يحتوي الكلور على جزيئات \(\ce{Cl2}\) صغيرة ذات قوى تشتت ضعيفة نسبيًا، وهو غاز عند درجة حرارة الغرفة.
ويتكون الأرجون من ذرات منفردة، مع وجود قوى تشتت ضعيفة فقط بينها، وهو أيضًا غاز.
خطأ الطالب هو افتراض أن متغيرًا واحدًا فقط يتغير عبر الدورة. في الواقع، تتغير الروابط والتركيب أيضًا، ويمكن أن يكون لهذه التغيرات تأثير أكبر في سلوك الانصهار والغليان من تأثير نصف القطر الذري وحده.
السؤال 4
تتوفر البيانات التقريبية الآتية لثلاثة هالوجينات.
| العنصر | درجة الانصهار | درجة الغليان |
|---|---|---|
| \(\ce{Cl2}\) | \(-101^\circ\text{C}\) | \(-34^\circ\text{C}\) |
| \(\ce{Br2}\) | \(-7^\circ\text{C}\) | \(59^\circ\text{C}\) |
| \(\ce{I2}\) | \(114^\circ\text{C}\) | \(184^\circ\text{C}\) |
حدد حالة كل عنصر عند \(70^\circ\text{C}\).
يلاحظ طالب أن البروم لم يعد سائلًا، ويدعي أن الاتجاه المعتاد لحالة عناصر المجموعة 17 «توقف عن العمل». اشرح الخلل في هذا الاستنتاج.
الحل 4
عند \(70^\circ\text{C}\)، يكون الكلور غازًا، والبروم غازًا، واليود صلبًا. ولا يتعارض ذلك مع الاتجاه الدوري.
بالنسبة إلى الكلور،
\[ 70^\circ\text{C}>-34^\circ\text{C}, \]
ومن ثم تكون درجة الحرارة أعلى من درجة غليانه. لذلك يكون الكلور غازًا.
بالنسبة إلى البروم،
\[ 70^\circ\text{C}>59^\circ\text{C}, \]
ومن ثم يكون البروم أيضًا أعلى من درجة غليانه ويكون غازًا.
بالنسبة إلى اليود،
\[ 70^\circ\text{C}<114^\circ\text{C}, \]
ومن ثم يبقى اليود تحت درجة انصهاره ويكون صلبًا.
لم يختفِ اتجاه المجموعة 17. فلا تزال درجتا الانصهار والغليان تزدادان بقوة من الكلور إلى البروم إلى اليود لأن قوى التشتت بين الجزيئات تصبح أقوى نزولًا في المجموعة.
الذي تغير هو درجة حرارة الملاحظة.
عند \(25^\circ\text{C}\)، تقع درجة حرارة البروم بين درجتي انصهاره وغليانه ويكون سائلًا. أما عند \(70^\circ\text{C}\)، فتكون المادة نفسها فوق درجة غليانها وتكون غازًا.
الفخ هنا هو التعامل مع «الحالة عند درجة حرارة الغرفة» كما لو كانت حالة جوهرية يجب أن يحتفظ بها العنصر عند كل درجة حرارة.
السؤال 5
ذرات الزينون أثقل بكثير وتحتوي على عدد أكبر من الإلكترونات من ذرات السيليكون.
ولذلك يتوقع طالب أن الزينون ينبغي أن يكون صلبًا عند درجة حرارة الغرفة، بينما ينبغي أن يكون السيليكون غازًا، مستندًا إلى أن «المزيد من الإلكترونات يعني قوى تشتت أقوى».
من دون الاعتماد فقط على الحالات المحفوظة، اشرح لماذا يفشل هذا التوقع.
الحل 5
السيليكون صلب عند درجة حرارة الغرفة، بينما الزينون غاز. وتفشل قاعدة الطالب لأن العنصرين لهما تركيبان مختلفان تمامًا.
تتضمن العبارة المتعلقة بعدد الإلكترونات فكرة مفيدة: ضمن سلسلة قابلة للمقارنة، يمكن لسحابة إلكترونية أكبر وأكثر قابلية للاستقطاب أن تنتج قوى تشتت لندن أقوى.
فعلى سبيل المثال، يساعد هذا الاستدلال في تفسير سبب امتلاك الزينون درجة غليان أعلى من الغازات النبيلة الأخف مثل النيون.
لكن السيليكون لا يتماسك أساسًا بفعل قوى تشتت لندن بين جسيمات سيليكون منفصلة.
فالسيليكون يكون شبكة تساهمية عملاقة. وترتبط كل ذرة بذرات أخرى بروابط تساهمية قوية تمتد عبر التركيب كله. ولذلك يتطلب صهر السيليكون طاقة كافية لتعطيل عدد كبير من الروابط التساهمية القوية.
أما الزينون فيتكون من ذرات منفصلة. وقوى التجاذب بين تلك الذرات هي قوى تشتت لندن. وتصبح هذه القوى أقوى نزولًا في المجموعة 18، لكنها تظل ضعيفة بما يكفي لأن تبقى درجة غليان الزينون أقل من درجة حرارة الغرفة.
كان الافتراض الخفي لدى الطالب هو إمكانية مقارنة «عدد أكبر من الإلكترونات» مباشرة بين مواد ذات أنواع مختلفة تمامًا من الروابط.
والترتيب الأكثر أمانًا للاستدلال هو:
حدد التركيب أولًا، وحدد قوة التجاذب المهمة ثانيًا، ثم استخدم اتجاهات الحجم وقابلية الاستقطاب داخل التراكيب القابلة للمقارنة.
15ما الذي تمهّد له هذه الفكرة لاحقًا
تمثل اتجاهات حالة المادة في الحقيقة مقدمة لمهارة أوسع في كيمياء HSC: الربط بين التركيب والروابط والقوى بين الجزيئية وبين الخصائص الفيزيائية القابلة للقياس.
وبمجرد أن تتمكن من تفسير سبب اختلاف حالات الكلور والبروم واليود، تكون الخطوة التالية هي تفسير الاتجاهات الفعلية لدرجات انصهارها وغليانها. ثم يمتد الاستدلال نفسه إلى المواد الجزيئية على نطاق أوسع، بما في ذلك سبب كون بعض المركبات غازات متطايرة، وبعضها سوائل، بينما يكون بعضها الآخر مواد صلبة مرتفعة الانصهار.