حالات المادة:
هناك ثلاثة حالات للمادة، صلبة وسائلة وغازية، إما ما سنتناوله في موضوعنا من الناحية الكيميائية هو عن المركبات الكيميائية عندما تكون في الحالة الصلبة، حيث تمتلك المركبات المعدنية والأيونية مصفوفات مرتبة من الذرات أو الأيونات، كما وتعمل على تشكيل مواد بلورية ذات هياكل شبكية (lattice structures) محددة.
- سوف نقوم بدراسة هياكلها التي نهتم بكيفية تعبئة الذرات أو الأيونات الكروية فيها.
- في المعادن، يكون الترابط تساهميًا بشكل أساسي ويتم تحديد إلكترونات الرابطة على البلورة بأكملها، حيث تكون الموصلية الكهربائية عالية لهذه المعادن.
- يتكون المركب الأيوني في الحالة الصلبة من شبكة عملاقة من الأيونات الموجبة والأيونات السالبة، حيث تكون مرتبة في مصفوفة متكررة بانتظام.
- في حين تنشأ الرابطة الأيونية في الحالة الصلبة عن طريق التفاعلات الكهروستاتيكية بين الأنواع المشحونة والمقصود بها الأيونات، على سبيل المثال أيون الصوديوم +Na وأيون الكلور -Cl في ملح الصخور، ووجب التنويه إلى أن المواد الصلبة الأيونية هي عبارة عن عوازل.
- على سبيل المثال عندما نقوم بكتابة NaCl، فإننا لا نقصد بشكل عام جزيء ثنائي الذرة بسيط.
- حيث أنه عندما يتم عمل محلول من ملح NaCl والماء H2O، فإن ما يحدث هو التالي: حيث يتم تقسيم الشبكة العملاقة الصلبة إلى أيونات الصوديوم والكلوريد الرطبة، حيث يكون كل أيون في المحلول منفرد.
- كما ذكرنا سابقا فإنه في الحالة الصلبة، تمتلك المركبات المعدنية والأيونية مصفوفات مرتبة من الذرات أو الأيونات وتشكل مواد بلورية، لذا كتقريب لذلك، فإنه يمكن أن يتم اعتبار الذرات والأيونات عبارة عن كريات صلبة معبأة معًا في مصفوفات.
- يتمثل الاختلاف الأساسي هنا في أن أي كرة داخل المصفوفة المربعة، كما يجب أن تكون على اتصال بأربعة كريات أخرى، بينما يرتفع هذا الرقم إلى ستة في حالة الترتيب السداسي، علما أن المقصود بالكرة هنا هي الذرة.
- يجب أن يكون واضحا أيضا أنه عندما نمتلك مخطط تعبئة سداسي فإنه يحتوي على مساحة فارغة أقل وبالتالي فهو يعد ترتيب تعبئة أكثر كفاءة وأفضل.
يمكن أن يتم اعتبار أن العديد من المواد الصلبة الأيونية تتكون من ترتيب محشو ومعبأ من الأيونات من نوع واحد، حيث أنه عادة يكون هذا النوع هو الأنيونات، مع أيونات الشحنة المعاكسة والتي تشغل الفجوات بطريقة منهجية. وهناك مبدأ هام، حيث أنه بشكل عام، فإن بنية الأقل طاقة هي التي تسمح للأيونات ذات الشحنة المعاكسة بأن تكون قريبة من بعضها البعض قدر الإمكان، والعكس صحيح أيضا.
تراكيب المواد الصلبة الأيونية:
هيكل ملح الصخور (كلوريد الصوديوم):
- هذا هو أحد الأشكال والذي يسمى الهيكل من نوع AX، حيث أنه في هذا النوع، نوع الملح الصخري، تشغل الأيونات من النوع الواحد النقاط الشبكية لمصفوفة ccp وهي نفسها مصفوفة fcc، وتلك الأشكال من النوع الآخر تشغل جميع الثقوب الاوكتاهدرا أو الثمانية (octahedral holes).
- يمكن وصف الهيكل في هذه الحالة على أنهما شبكتان متداخلتان من شبكات fcc.
- تحتوي خلية الوحدة في هيكل ملح الصخور على 4 أيونات من كل نوع.
- يوجد نوعين من الأيونات موجودان في مواقع متكافئة، ويرتبطان في الفضاء أو الفراغ.
- في الواقع، إن أيونات الشحنة نفسها ليست على اتصال مباشر، حيث أنها يجب أن “تتوسع” الشبكات الفرعية المعبأة بشكل وثيق لتلائم أيونات الشحنة المعاكسة.
- لتمثيل ملء الفراغ لهيكل كلوريد الصوديوم فإنه تتم إزالة أجزاء الكرات التي لا تساهم في خلية الوحدة.
- أمثلة على مركبات أخرى تمتلك بنية وهيكل كلوريد الصوديوم، مثل: أولا، هاليدات وهيدرات القلويات MX و MH، حيث أن (M = Na ، K ، Rb و X = Cl ، Br ، I).
- أحادي أكسيد المجموعة الثانية والعناصر الانتقالية الموجودة في الصف الأول، مثل MgO، CaO ، TiO ، FeO ،وغيرها من المركبات.
هيكل الزنك المخلوط (مكعب ZnS):
- هيكل الزنك المخلوط هذا عبارة عن هيكل آخر من نوع AX، حيث أنه يعتمد على شبكة من نوع ccp، ولكن في هذه الحالة، فإن المواقع الرباعية (tetrahedral) تمتلئ بأيونات من النوع المعاكس ولكن نصفها فقط، أي 4 من أصل 8، أما بالنسبة للثقوب الأربعة الأخرى وجميع الثقوب الاوكتاهدرا أو الثمانية (octahedral holes) تكون شاغرة.
- (Zinc Blende) كما هو الحال مع الهيكل من نوع NaCl، يقع نوعا المواقع على شبكات مكافئة، حيث يتم تنسيق كلاهما بواسطة 4 أيونات من الشحنة المعاكسة.
- تحتوي خلية الوحدة على أربعة 4 أيونات من كل نوع، وبالتالي فإن القياس المتكافئ أو كما يعرف باللغة الإنجليزية (stoichiometry) يكون مرة أخرى على شكل 1: 1.
