دانلود مقاله جامدات

جامدات

جامد یک ماده متراکم است ، که توسط اتمهای نزدیک به هم که الگوی منظمی به نام شبکه را به وجود می آورند ایجاد می شود. این اتمها با نیروهایی قوی در کنار یکدیگر قرار گرفته اند ، که فقط اجازه حرکات خفیفی را می دهد . سختی یک جامد به آرایش و حرکت اتمهای آن بستگی دارد . مثلاَ عنصر کربن هم به شکل نرمی به نام گرافیت ، و هم به شکل یکی از سخت ترین جامدات روی زمین ، یعنی الماس، وجود دارد. تفاوت این دو شکل در آرایش اتمهایشان است.
کشسانی
کشسانی قابلیت یک جامد در بازگشتن به شکل اولیه خود پس از کشیده شدن یا هر تغییر شکل دیگر است . مثلاَ یک فنر کشیده شده پس از رها شدن به سرعت به شکل اولیه خود باز می گردد . اما اگر آن را بیش از حد بکشیم ، به شکل اولیه خود باز نمی گردد و حتی ممکن است پاره شود . با نزدیک شدن به حد شکستن ، فنر کشسانی خود را از دست می دهد و تغییر شکل دائمی می یابد . این حد ، حد کشسانی نامیده می شود.
قانون هوک
قانون هوک می گوید که نیروی اعمال شده به یک ماده با مقدار کشیده شدن متناسب است . یعنی مثلاَ اگر نیروی کشش وارد بر یک فنر را دو یا سه برابر کنید ، دو یا سه برابر بیشتر کشیده خواهد شد . اما این قانون پس از رسیدن به حد کشسانی ماده ، دیگر برقرار نیست. رابرت هوک پس از آتش سوزی بزرگ لندن در سال 1666 ، بازرس ارشد شهر لندن شد . او برای کمک به بازرسانی شهر ، رابطه بین کشسانی (الاستیسیته) مواد و نیروهای اعمال شده به انها را مورد تحقیق قرار داد.

طبقه‌بندی شبکه‌های بلوری
شبکه‌های بلوری بر حسب تقارن در شش سیستم بلوری طبقه‌بندی می‌شوند. یک سیستم بلور را می‌توان بر حسب ابعاد سلول واحد در امتداد سه محور آن (a , b , c) و اندازه سه زاویه بین این محورها (α , β , γ) توصیف کرد.

مکعبی a = b = c
ْα = β = γ = 90 مکعبی ساده
مکعبی مرکز پر
مکعبی با وجوه مرکز پر
مکعب مستطیل یا راست گوشه (دارای 4 شبکه بلوری) a ≠ b ≠ c
α = β = γ = 90 º
چهار گوشه ( تتراگونال ) a = b ≠ c
α = β = γ = 90 º دارای دو شبکه بلوری
تک شیب ( مونو کلینیک ) α = γ = 90 º β ≠ 90 º
a ≠ b ≠ c دارای دو شبکه بلوری
سه شیب (تری کلینیک) a ≠ b ≠ c
α ≠ β ≠ γ ≠ 90 º دارای دو شبکه بلوری
شش گوشه (هگزا گونال) α = β = 90 º و a = b ≠ c
ºγ = 120

چون سیستم بلوری خود دارای چند ساختار است مانند سیستم مکعبی که خود دارای سه نوع شبکه بلور است، بطور کلی 14 شبکه بلوری وجود دارد و بسیاری از اطلاعات در مورد ساختمان داخلی بلورها از آزمایشهای پرش اشعه ایکس بدست می‌آید.
انواع جامدات بلوری
جامدات بلوری بر حسب ذرات تشکیل دهنده شبکه بلور به گروههای زیر تقسیم می‌شوند.
جامدات یونی
اجزای تشکیل دهنده ساختمان این بلور ،‌ یونها هستند. استقرار یونها در یک بلور بر طبق یک الگوی هندسی معین است. ساختمان بلوری چنان است که نیروهای جاذبه بین یونهای مثبت و منفی به‌مراتب بیشتر از نیروهای دافعه بین یونهایی است که بار مشابه دارند. ترکیبات یونی در دمای اتاق جامدند و نقطه ذوب بالایی دارند و در حالت مذاب یا بصورت محلولهای آبی رسانای خوب الکتریسیته هستند.
جامدات مولکولی
نقاط شبکه‌ای در بلور ترکیبات کووالانسی توسط مولکولها اشغال شده‌اند و نیروهای بین مولکولی که مولکولها را در شبکه نگه می‌دارند، به اندازه نیروهای الکترواستاتیکی که در بلورهای یونی مشاهده می‌شوند، قوی نیستند. از این‌رو بلورهای مولکولی نرم و دارای نقاط ذوب پایین هستند نارسانا هستند و یا ممکن است جامدات مولکولی قطبی در حالت مذاب رسانایی اندکی داشته باشند.
بلورهای شبکه‌ای (بلورهای اتمی)
در ساختمان این بلورها نقاط شبکه‌ای توسط اتمهایی اشغال شده‌اند که با شبکه‌ای از پیوندهای کووالانسی به هم متصل می‌شوند. در این بلورها تشخیص یونها از بلورها غیر ممکن است. در واقع کل بلور را می‌توان بعنوان یک مولکول عظیم تصور کرد. به همین دلیل گاهی به آنها مواد درشت مولکولی هم می‌گویند. الماس مثالی از این نوع بلورهاست که در آن اتمهای کربن توسط پیوندهای کووالانسی در یک ساختمان سه بعدی به هم متصل هستند. این مواد نقاط ذوب و جوش بالا دارند، فوق العاده سخت بوده و نارسانا‌ هستند و در تمام حلالهای معمولی نامحلولند و این بعلت داشتن پیوندهای کووالانسی فراوان آنهاست که برای فرو ریختن ساختمان بلوری باید گسسته شوند.
بلورهای فلزی
شبکه بلوری این جامدات از اتمهای فلزی ( یونهای مثبت و الکترونهای متحرک آنها ) تشکیل شده است. پیوند فلزی پیوند قوی است و به این علت است که یونهای مثبت بصورت تنگاتنگ در شبکه بلوری کنار هم و در میان الکترونهای متحرک قرار گرفته‌اند. این جامدات ، چگالی بالا و نقطه ذوب بالایی دارند و رسانای گرمایی و الکتریکی خوبی هستند.

جدول انواع جامدات بلوری
نوع جامد بلوری ذرات تشکیل دهنده نیروی جاذبه خواص نمونه
یونی کاتیونها و آنیونها جاذبه الکترواستاتیکی نقطه ذوب بالا ، سخت ، شکننده ، رسانای الکتریکی خوب در حالت مذاب Nacl , MgO ,
جامدات مولکولی مولکولهای قطبی
مولکولهای غیر قطبی لاندن و دو قطبی- دو قطبی
لاندن نقطه ذوب پایین ، نرم ، نارسانا یا رسانای بسیار ضعیف الکتریسیته در حالت مایع
نفتالین ، ،
بلورهای شبکه‌ای یا درشت ملکولی اتمها پیوندهای کووالانسی نقطه ذوب بسیار بالا ، خیلی سخت ، نارسانا الماس ، کاربید سیلسیم ،
فلزی یونهای مثبت و الکترونهای متحرک پیوند فلزی نقطه ذوب نسبتا بالا ، نرم یا سخت ، چکش خوار ، قابلیت تورق ، رسانای خوب گرما و الکتریسیته Na ، CU ، Ag ، fe

نگاه کلی
جامدات فلزی جز جامدات بلوری طبقه‌بندی می‌شوند و در مقایسه با سایر جامدات بلوری ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی خاصی دارند که از پایین بودن پتانسیل یونش و کم بودن الکترونگاتیوی اتمهای آنها ناشی می‌شود. خواص فیزیکی و شیمیایی جامدات فلزی حاکی از ساختمانی است که در آنها الکترونها نسبتا متحرکند. تنها با این نوع ساختمان مخصوص فلزات است که می‌توان رسانایی خوب ، سهولت از دست دادن الکترون و تشکیل یونهای مثبت را توجیه کرد.

در یک جامد فلزی الکترونهای خارجی اتمهای فلزی بطور نسبتا سستی به اتم وابسته‌اند و آزادانه در سراسر یک بلور فلزی حرکت می‌کنند. باقیمانده اتمها یعنی یونهای مثبت فلزی نقاط شبکه‌ای ثابت را در بلور اشغال می‌کنند. ابر منفی الکترونهایی که آزادانه در حال حرکت هستند بلور را نگه می‌دارند.

خواص جامدات فلزی (بلورهای فلزی)
در اینجا به خواصی از فلزات می‌پردازیم که وجه تمایز آنها از سایر جامدات بلوری (جامدات یونی ، مولکولی و... ) است.

• فلزات غیر فعال هستند همه آنها بجز جیوه در 25 درجه سانتیگراد جامدند. جامدات فلزی نقاط ذوب بسیار متفاوتی دارند. بعنوان مثال نقطه ذوب برخی از آنها مانند سدیم کمی بالاتر از دمای معمولی است (29Cº) و نقطه ذوب برخی دیگر مانند تنگستن به چندین هزار درجه سلیسیوس می‌رسد. (3380 در جه سیلسیوس)
• فلزات در آب و حلالهای آلی نامحلول هستند. هیچ فلزی بطور حقیقی در آب حل نمی‌شود. تعدادی از فلزات فعال با آب بطور شیمیایی ترکیب می‌شوند و گاز هیدروژن آزاد می‌کنند. جیوه مایع بسیاری از فلزات را در خود حل کرده و محلولهایی به نام ملغمه ایجاد می‌کنند.
• فلزات رسانای خوب جریان الکتریسیته هستند و در میان جامدات بلوری فلزات از این نظر که رسانای خوب الکتریکی در حالت جامد هستند منحصر به فرد است. جریان الکتریکی ناشی از حرکت الکترونهای داخل یک فلز است که تحت تاثیر یک میدان الکتریکی خارجی قرار می‌گیرد.
• فلزات رسانایی گرمایی بالایی دارند و این ویژگی هم با توجه به تحرک زیاد الکترونی بلورهای فلزی توجیه می‌شود. الکترونهای والانس یک فلز گرما را بصورت انرژی جنبشی جذب کرده و بعلت حرکت نسبتا آزاد خود آن را سریعا به تمام قسمتهای فلز منتقل می‌کنند. ولی جامداتی که الکترونها در آنها مستقر هستند رسانایی گرمایی کمتری نشان می‌دهند، زیرا در این مواد رسانایی گرمایی فقط از طریق حرکت یونها یا مولکول می‌تواند انجام گیرد که فرآیند کندی است.
• جلای فلزی در یک بلور فلزی الکترونهای والانس به تمام اتمهای بلور وابسته بوده و خیلی تحرک دارند بنابراین می‌توانند با جذب نور به ترازهای بالاتر منتقل شوند. وقتی این الکترونها به ترازهای پایین‌تر برمی‌گردند، نور تابش می‌کنند. جلای فلزات ناشی از این انتقالهای الکترونی است. یک جامد فلزی از ایجاد پیوند فلزی بین اتمهای آن ایجاد می‌شود. پیوند فلزی تنها از تاثیر متقابل اربیتالهای لایه والانس حاصل می‌شود و فاصله میان اتمها در یک بلور فلزی از روی همپوشانی اربیتالهای والانس تعیین می‌شود و اربیتالهای لایه‌های داخلی تاثیر متقابل قابل ملاحظه‌ای در تعیین این فاصله ندارند.

مدل دریای الکترون تجسم ساده‌ای از پیوند فلزی است.
در این مدل شبکه فلزی را می‌توان بصورت ردیف‌های منظم از یونهای مثبت فرض کرد که در دریایی از الکترونهای متحرک شناور نگه داشته شده‌اند. در این مورد ممکن است که الکترونها مدتی در مجاورت کاتیون فلزی باقی بمانند، اما بطور دائم در میان دو کاتیون فلزی حبس نمی‌شوند و دائما در حال تحرک هستند. بر اساس مدل دریای الکترون قدرت پیوند فلزی با مقدار بار مثبتی که شبکه را اشغال کرده‌اند، بستگی مستقیم دارد.

در بلورهای فلزی بر خلاف بلورهای یونی مکان یونهای مثبت را می‌توان بدون از هم پاشیدن بلور تغییر داد و این بعلت توزیع یکنواخت بار است که توسط الکترونهایی که حرکت آزادانه دارد تامین می‌شود. بلورهای فلزی به آسانی تغییر شکل می‌دهند. بیشتر فلزات دارای خاصیت چکش خواری ، تورق و مفتول شدن هستند.

ساختار بلوری فلزات
بلورهای فلزی معمولا دارای یکی از ساختارهای مکعبی مرکز پر ، مکعبی با وجوه مرکز پر و یا شش گوشه فشرده هستند. آرایش هندسی اتمها در بلورهای مکعبی با وجوه مرکز پر و شش گوشه فشرده چنان است که هر اتم دارای عدد کوئوردینانسیون 12 است. فضای خالی در این دو گروه بلور به میزان حداقل است.

ساختمان مکعبی مرکز پر نسبت به این ساختمانهای فشرده اندکی باز و عدد کوئوردینانس هر اتم 8 است. چگالی نسبتا زیاد اغلب فلزات را می‌توان با توجه به ساختمان فشرده بلوری آنها توجیه کرد. معدودی از فلزات مانند منگنز و جیوه در این ساختارها قرار نمی‌گیرند. برخی از فلزات هم دارای چند شکل بلوری هستند مثلا کلسیم در شرایط مناسب ممکن است هر یک از سه ساختمان را داشته باشد.
هدف از جداسازی ، حذف مزاحمت‌ها ، غلیظ کردن محلول مورد نظر و یا سایر موارد است. برای جداسازی از اختلاف در خصوصیات فیزیکی استفاده می‌شود، مثل فراریت ، حلالیت و ضریب تقسیم مواد__ و ... . در آنالیز و جداسازی مواد مختلف از تکنیک‌های ویژه‌ای برحسب نوع و ساختار مواد و مخلوط‌ها استفاده می‌شود که برخی از آنها که معروف بوده و حائز اهمیت بیشتری هستند، در زیر می‌آوریم.
تبلور
هدف از تبلور ، جداسازی ناخالصی از اجسام جامد است. در این روش ، ابتدا جامد ناخالص را در یک حلال گرم حل می‌کنند، سپس محلول را صاف می‌کنند. ناخالصی‌ها در فاز مایع باقی می‌مانند. اگر تبلور طی چند مرحله صورت گیرد، به آن تبلور جزء به جزء می‌گویند. در این روش انتخاب حلال از اهمیت بالایی برخوردار است. اگر از تکنیک ذوب برای جداسازی ناخالصی از جامد استفاده شود، به آن تصفیه ذوب گویند.
این روش در جدا کردن ناخالصی‌های ژرمانیم و اسید بتروییک کاربرد دارد. در این فرآیند ، ضریب تقسیم برابر با نسبت غلظت ناخالصی در فاز جامد به غلظت ناخالصی در فاز مایع است.
تقطیر
اگر هدف از تقطیر ، جداسازی یک مخلوط به اجزای بالا باشد، از تقطیر ساده برای جداسازی اجزاء استفاده می‌شود. اما اگر همه اجزاء فرار باشند، از تقطیر جزء به جزء برای جداسازی استفاده می‌شود. اگر یک مخلوط تولید آزئوتروپ کند، ( مثل آب و الکل) نمی‌توان از روش تقطیر جزء به جزء ، اجزای آن را جدا کرد. برای جداسازی این مخلوط از روش‌های تقطیر با بخار آب ، تقطیر در خلاء و تقطیر ناگهانی استفاده می‌کنند.

در تقطیر با بخار آب هیچگاه درجه حرارت تقطیر از نقطه جوش آب بیشتر نمی‌شود. ترکیباتی نظیر تولوئن ، اتیلن ، گلیسیرین و اسیدهای چرب از این طریق جدا می‌شوند. برای جلوگیری از تجزیه مایعاتی که دارای نقطه جوش بالایی هستند از تقطیر در خلاء استفاده می‌شود. با کاهش فشار ، نقطه جوش مایع کاهش پیدا می‌کند.

در تهیه آب آشامیدنی از آب دریا و تهیه آب مقطر نیروگاه‌ها از تقطیر ناگهانی استفاده می‌شود. در این روش مایع بطور مداوم وارد و بخار بطور مداوم خارج می‌شود.
رسوب دادن
نوعی روش جداسازی است که اساس آن اختلاف حلالیت اجسام می‌باشد. یعنی جزیی که حلالیت کمتری دارد زودتر جدا می‌شود. با افزایش نیروی جاذبه سرعت ته‌نشین شدن افزایش پیدا می‌کند. عمل سانتریفوژ در واقع بر همین اساس است.

استخراج
اساس این روش ، اختلاف حلالیت یک جزء در دو حلال غیر قابل حل در یکدیگر است. اگر دو حلال غیر قابل استخراج ، مایع باشند، به این روش استخراج مایع ـ مایع گویند و اگر یک جسم جامد به وسیله یک حلال استخراج شود، به آن استخراج جامد ـ مایع گویند (مثل استخراج اسانس‌ها ، عصاره‌ها و روغن از دانه‌های گیاهی). عموما دو فاز مورد استفاده ، یکی آب است و دیگری یک حلال آلی.

مقداری از جسم در فاز آبی و مقداری نیز در فاز آلی می‌باشد. بازده استخراج با ضریب تقسیم نسبت مستقیم دارد. دوبار استخراج با حجم کمتر از حلال آلی همیشه موثر از یک بار استخراج با حجمی مساوی دو برابر حجم اول است. چون در حالت اول ، مقدار وزن ماده باقی‌مانده محلول در آب ، کمتر از حالت دوم خواهد بود.

کروماتوگرافی
اساس کروماتوگرافی ، جذب سطحی مواد و توزیع آنها در دو فاز می‌باشد. یکی از فازها ثابت و فاز دیگر متحرک است که نمونه مورد نظر در فاز متحرک جدا می‌شود. فاز ثابت یا جامد است و یا مایع و فاز متحرک یا مایع است و یا گاز . اگر فاز ثابت ، جامد و فاز متحرک ، مایع باشد، به آن کروماتوگرافی مایع ـ جامد ( LSC ) گویند. اگر فاز متحرک ، گاز و فاز ثابت ، جامد باشد، به آن کروماتوگرافی گاز - جامد ( GSC ) گویند. اگر فاز متحرک ، مایع و فاز ثابت نیز مایع باشد به آن کروماتوگرافی مایع ـ مایع ( LLC یا HPLC ) گویند و در نهایت اگر فاز متحرک ، گاز و فاز ثابت ، مایع باشد، به آن کروماتوگرافی گاز - مایع ( GLC یا VPC ) گویند.

در LSC ، جدا شدن بر اساس جذب سطحی یا تعریض یون‌ها و یا تشکیل کمپلکس می‌باشد. در GSC اساس ، جداسازی جذب سطحی است. در LLC و GLC ، مواد بر اساس توزیع بین دو فاز جدا می‌شوند. پس کروماتوگرافی روشی برای جداسازی مخلوط بدلیل اختلاف تحرک آنها می‌باشد.

فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد

تعداد صفحات این مقاله 22   صفحه

پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید