خصائص المواد والمخلوطات

هدف التعلم 3.1.A: شرح العلاقة بين الهياكل الكيميائية للجزيئات والقوة النسبية لقوىها بين الجزيئية عندما: أ. تكون الجزيئات من نفس النوع الكيميائي. ب. تكون الجزيئات من نوعين مختلفين من الأنواع الكيميائية.

• 3.1.A.1 قوى تشتت لندن هي نتيجة تفاعلات كولونية بين ثنائيات الأقطاب المؤقتة والمتقلبة. غالباً ما تكون قوى تشتت لندن أقوى قوة بين جزيئية صافية بين الجزيئات الكبيرة.
  • أ. تزداد قوى التشتت مع زيادة مساحة التلامس بين الجزيئات ومع زيادة قابلية استقطاب الجزيئات.
  • ب. تزداد قابلية استقطاب الجزيء مع زيادة عدد الإلكترونات فيه وحجم سحابة الإلكترونات. وتتعزز بسبب وجود الروابط البي.
  • ج. لا ينبغي استخدام مصطلح "قوى تشتت لندن" مرادفاً لمصطلح "قوات فان دير فالس".
• 3.1.A.2 يؤدي العزم الثنائي القطب للجزيء القطبي إلى تفاعلات إضافية مع أنواع كيميائية أخرى.
  • أ. تفاعلات ثنائي القطب المحفز بثنائي القطب موجودة بين الجزيء القطبي والجزيء غير القطبي. هذه القوى دائماً تجاذبية. تزداد قوة هذه القوى مع مقدار ثنائي القطب للجزيء القطبي ومع قابلية استقطاب الجزيء غير القطبي.
  • ب. تفاعلات ثنائي القطب-ثنائي القطب موجودة بين الجزيئات القطبية. تعتمد قوة التفاعل على مقداري ثنائيات الأقطاب وتوجههما النسبي. عادة ما تكون التفاعلات بين الجزيئات القطبية أكبر من تلك بين الجزيئات غير القطبية ذات الحجم المقارب لأن هذه التفاعلات تعمل بالإضافة إلى قوى تشتت لندن.
  • ج. قوى التجاذب بين الأيون وثنائي القطب موجودة بين الأيونات والجزيئات القطبية. تميل هذه القوى إلى أن تكون أقوى من قوى ثنائي القطب-ثنائي القطب.
• 3.1.A.3 يمكن فهم القوة النسبية واعتماد اتجاه قوى ثنائي القطب-ثنائي القطب وثابت الثابت-ثنائي القطب بشكل نوعي من خلال النظر في إشارة الشحنات الجزئية المسؤولة عن عزم ثنائي القطب الجزيئي، وكيفية تفاعل هذه الشحنات الجزئية مع أيون أو مع ثنائي قطب مجاور.
• 3.1.A.4 الرابطة الهيدروجينية هي نوع قوي من التفاعلات بين الجزيئات وتوجد عندما تنجذب ذرات الهيدروجين المرتبطة تساهمياً بالذرات شديدة الكهروسالبية (N, O, وF) إلى الطرف السالب لثنائي القطب المتكون من الذرة الكهروسالبة (N, O, وF) في جزيء مختلف، أو جزء مختلف من نفس الجزيء.
• 3.1.A.5 في الجزيئات الحيوية الكبيرة، قد تحدث تفاعلات غير تساهمية بين جزيئات مختلفة أو بين مناطق مختلفة من نفس الجزيء الحيوي الكبير.

هدف التعلم 3.2.A: اشرح العلاقة بين الخواص العظمية للمادة، والبنية على المستوى الجسيمي للمادة، والتفاعلات بين هذه الجسيمات.

• 3.2.A.1 تُحدد العديد من خواص السوائل والمواد الصلبة بقوى وقوة أنواع القوى بين الجزيئات الموجودة. وبما أن التفاعلات بين الجزيئات تتغلب بالكامل عند تبخر المادة، فإن الضغط البخاري ونقطة الغليان مرتبطة ارتباطاً مباشراً بقوة تلك التفاعلات. تميل نقاط الانصهار أيضاً إلى الارتباط بقوة التفاعل، ولكن بما أن التفاعلات تعيد ترتيب نفسها فقط أثناء الانصهار، فقد تكون العلاقات أكثر دقة.
• 3.2.A.2 تمثل representations على المستوى الجسيمي، التي تظهر عدة أنواع كيميائية متفاعلة، وسيلة مفيدة للتواصل أو لفهم كيف تساعد التفاعلات بين الجزيئات في إنشاء الخواص العظمية.
• 3.2.A.3 بسبب التفاعلات القوية بين الأيونات، تميل المواد الصلبة الأيونية إلى أن يكون لها ضغط بخاري منخفض ونقاط انصهار وغليان عالية. تميل إلى أن تكون هشة بسبب تنافر الشحنات المتشابهة الناتجة عن انزلاق أحد الطبقات فوق طبقة أخرى. توصل الكهرباء فقط عندما تكون الأيونات متحركة، كما عندما تنصهر المادة الصلبة الأيونية (أي في الحالة المنصهرة) أو تذوب في الماء أو مذيب آخر.
• 3.2.A.4 في المواد الصلبة الشبكية التساهمية، ترتبط الذرات تساهمياً معاً لتشكيل شبكة ثلاثية الأبعاد (مثل الألماس) أو طبقات من شبكات ثنائية الأبعاد (مثل الجرافيت). تتشكل هذه المواد فقط من اللافلزات وشبه الفلزات: عناصر (مثل الألماس، الجرافيت) أو مركبات ثنائية (مثل ثاني أكسيد السيليكون وكربيد السيليكون). بسبب التفاعلات التساهمية القوية، تمتلك المواد الصلبة التساهمية نقاط انصهار عالية. المواد الصلبة الشبكية ثلاثية الأبعاد also صلبة وصلبة، لأن زوايا الرابطة التساهمية ثابتة. ومع ذلك، الجرافيت ناعم لأن الطبقات المجاورة يمكن أن تنزلق فوق بعضها البعض بسهولة نسبية.
• 3.2.A.5 تتكون المواد الصلبة الجزيئية من وحدات منفصلة ومميزة لجزيئات مرتبطة بروابط تساهمية، وتتنافر هذه الوحدات عن بعضها البعض عبر قوى بين جزيئية ضعيفة نسبياً. عادةً ما تكون للمواد الصلبة الجزيئية درجة انصهار منخفضة بسبب القوى البينية للجزيئية الضعيفة النسبية الموجودة بين الجزيئات. لا توصل الكهرباء لأن إلكترونات التكافؤ مرتبطة بقوة داخل الروابط التساهمية وأزواج الإلكترونات الحرة لكل جزيء مكون. أحياناً ما تتكون المواد الصلبة الجزيئية من جزيئات كبيرة جداً أو بوليمرات.
• 3.2.A.6 تُعد المواد الصلبة المعدنية موصلات جيدة للكهرباء والحرارة، وذلك لوجود إلكترونات تكافؤ حرة. كما تميل إلى أن تكون قابلة للطرق والمطاطة، بسبب سهولة إعادة ترتيب النوى المعدنية لهيكلها. في السبائك الفاصلية، تميل الذرات الفاصلية إلى جعل الشبكة البلورية أكثر صلابة، مما يقلل من القابلية للطرق والمطاطة. تحتفظ السبائك عادةً ببحر من الإلكترونات المتحركة، لذا تظل موصلة للكهرباء.
• 3.2.A.7 في الجزيئات الحيوية الكبيرة أو البوليمرات، قد تحدث تفاعلات غير تساهمية بين جزيئات مختلفة أو بين مناطق مختلفة من نفس الجزيء الحيوي الكبير. تعتمد وظيفة وخصائص مثل هذه الجزيئات بشكل كبير على شكل الجزيء، والذي تحدده التفاعلات غير التساهمية بشكل رئيسي.

هدف التعلم 3.3.A: تمثيل الفروق بين أطوار الصلب والسائل والغاز باستخدام نموذج مستوى الجسيمات.

• 3.3.A.1 يمكن أن تكون المواد الصلبة بلورية، حيث تكون الجسيمات مرتبة في هيكل ثلاثي الأبعاد منتظم، أو غير بلورية (لا متبلورة)، حيث لا تمتلك الجسيمات ترتيباً منتظماً ومنظماً. في كلا الحالتين، يكون حركة الجسيمات الفردية محدودة، ولا تخضع الجسيمات لحركة انتقالية كلية بالنسبة لبعضها البعض. يتأثر هيكل المادة الصلبة بالتفاعلات بين الجسيمات وقدرة الجسيمات على التجميع معاً.
• 3.3.A.2 تكون الجسيمات المكونة للسوائل في تماس مباشر مع بعضها البعض، وهي تتحرك باستمرار وتتصادم. يتأثر ترتيب وحركة الجسيمات بطبيعة وقوة القوى (مثل القطبية، والروابط الهيدروجينية، ودرجة الحرارة) بين الجسيمات.
• 3.3.A.3 عادةً ما تكون للحالات الصلبة والسائلة لمادة معينة حجم مولاري مشابه، لأنه في كلا الحالتين، تكون الجسيمات المكونة في تماس دائم مع بعضها البعض.
• 3.3.A.4 في الحالة الغازية، تكون الجسيمات في حركة مستمرة. تعتمد ترددات تصادمها والمسافة المتوسطة بينها على درجة الحرارة والضغط والحجم. وبسبب هذه الحركة المستمرة والتأثيرات minimale لقوى بين الجسيمات، لا يمتلك الغاز حجماً محدداً ولا شكلاً محدداً.
  • عبارة الاستبعاد: لن يتم تقييم فهم/تفسير مخططات الأطوار في امتحان AP.

هدف التعلم 3.4.A: شرح العلاقة بين الخصائص العيانية لعينة من الغاز أو خليط من الغازات باستخدام قانون الغاز المثالي.

• 3.4.A.1 ترتبط الخصائص العيانية للغازات المثالية من خلال قانون الغاز المثالي:
  • EQN: $PV = nRT$.
• 3.4.A.2 في عينة تحتوي على خليط من الغازات المثالية، يكون الضغط الذي يمارسه كل مكون (الضغط الجزئي) مستقلاً عن المكونات الأخرى. لذلك، يكون الضغط الجزئي لغاز معين داخل الخليط متناسباً مع كسر المولات الخاص به ($X$)، ويكون الضغط الكلي للعينة هو مجموع الضغوط الجزئية.
  • المعادلة: $P_{A} = P_{total} \times X_{A}$، حيث $X_{A} =$ مولات A / إجمالي المولات;
  • المعادلة: $P_{total} = P_{A} + P_{B} + P_{C} + \ldots$
• 3.4.A.3 تمثيلات الرسوم البيانية للعلاقات بين $P$، $V$، $T$، و$n$ مفيدة لوصف سلوك الغاز.

هدف التعلم 3.5.A: شرح العلاقة بين حركة الجسيمات والخصائص العيانية للغازات باستخدام: i. النظرية الحركية الجزيئية (KMT). ii. نموذج الجسيمات. iii. تمثيل بياني.

• 3.5.A.1 تربط النظرية الحركية الجزيئية (KMT) الخصائص العيانية للغاز بحركة الجسيمات في الغاز. تصف توزيع ماكسويل-بولتزمان توزيع الطاقة الحركية للجسيمات عند درجة حرارة معينة.
• 3.5.A.2 جميع الجسيمات في عينة من المادة في حركة مستمرة وعشوائية. ترتبط الطاقة الحركية المتوسطة للجسيم بسرعةه المتوسطة من خلال المعادلة:
  • EQN: $KE = \frac{1}{2}\,mv^{2}$.
• 3.5.A.3 درجة حرارة كلفن لعينة من المادة متناسبة طردياً مع الطاقة الحركية المتوسطة للجسيمات في العينة.
• 3.5.A.4 يوفر توزيع ماكسويل-بولتزمان تمثيلاً بيانياً لطاقة/سرعات الجسيمات عند درجة حرارة معينة.

هدف التعلم 3.6.A: شرح العلاقة بين السلوك غير المثالي للغازات، وقوى بين الجسيمات، و/أو الأحجام.

• 3.6.A.1 لا يفسر قانون الغاز المثالي السلوك الفعلي للغازات الحقيقية. قد تنتج الانحرافات عن قانون الغاز المثالي عن التجاذبات بين الجسيمات بين جزيئات الغاز، خاصة في الظروف القريبة من تلك التي تؤدي إلى التكثف. قد تنشئ الانحرافات أيضاً عن أحجام الجسيمات، خاصة عند ضغوط عالية للغاية.

هدف التعلم 3.7.A: حساب عدد جسيمات المذاب، أو الحجم، أو المولارية للمحاليل.

• 3.7.A.1 المحاليل، والتي تسمى أحياناً مخلوطات متجانسة، يمكن أن تكون صلبة أو سائلة أو غازية. في المحلول، لا تتغير الخصائص العيانية عبر العينة بأكملها. في الخليط غير المتجانس، تعتمد الخصائص العيانية على الموقع داخل الخليط.
• 3.7.A.2 يمكن التعبير عن تركيب المحاليل بعدة طرق مختلفة؛ والتركيز المولاري هو الطريقة الأكثر شيوعًا المستخدمة في المختبر.
  • المعادلة: $M = n_{solute}/L_{solution}$

هدف التعلم 3.8.A: استخدام النماذج الجسيمية للمخلوطات: i. تمثيل التفاعلات بين المكونات. ii. تمثيل تراكيز المكونات.

• 3.8.A.1 تقدم التمثيلات الجسيمية للمحاليل معلومات عن بنية وخصائص المحاليل، من خلال توضيح التراكيز النسبية للمكونات في المحلول و/أو رسم يوضح التفاعلات بين المكونات.
  • عبارة الاستبعاد: لن يتم تقييم الخصائص المجمعة في امتحان AP.
  • عبارة الاستبعاد: لن يتم حسابات المولالية والنسبة المئوية الكتلية والنسبة المئوية الحجمية للمحاليل في امتحان AP.

هدف التعلم 3.9.A: شرح نتائج تجربة الفصل بناءً على التفاعلات بين الجزيئات.

• 3.9.A.1 لا يمكن فصل مكونات المحلول السائل عن طريق الترشيح. ومع ذلك، يمكن فصلها باستخدام عمليات تستفيد من الفروقات في التفاعلات بين الجزيئات للمكونات.
  • i. الكروماتوغرافيا (ورقية، طبقة رقيقة، وأعمدة) تفصل الأنواع الكيميائية من خلال الاستفادة من قوة التفاعلات المتباينة بين وبين مكونات المحلول (الطور المتحرك) ومع مكونات سطح الطور الثابت. يمكن استخدام الكروماتوغرام الناتج لاستنتاج الأقطاب النسبية للمكونات في المخلوط.
  • ii. التقطير يفصل الأنواع الكيميائية من خلال الاستفادة من قوة التفاعلات المتباينة بين وبين المكونات والتأثيرات التي تبينها هذه التفاعلات على ضغوط البخار للمكونات في المخلوط.

هدف التعلم 3.10.A: اشرح العلاقة بين ذوبانية المركبات الأيونية والجزيئية في المذيبات المائية وغير المائية، والتفاعلات بين الجزيئات.

• 3.10.A.1 تميل المواد ذات التفاعلات بين الجزيئات المتشابهة إلى أن تكون قابلة للخلط أو قابلة للذوبان في بعضها البعض.

هدف التعلم 3.11.A: اشرح العلاقة بين منطقة من الطيف الكهرومغناطيسية وأنواع الانتقالات الجزيئية أو الإلكترونية المرتبطة بهذه المنطقة.

• 3.11.A.1 ترتبط الاختلافات في امتصاص أو انبعاث الفوتونات في مناطق طيفية مختلفة بأنواع مختلفة من الحركة الجزيئية أو الانتقالات الإلكترونية:
  • i. يرتبط إشعاع الميكروويو بانتقالات في مستويات الدوران الجزيئي.
  • ii. يرتبط الإشعاع تحت الأحمر بانتقالات في مستويات الاهتزاز الجزيئي.
  • iii. يرتبط الإشعاع فوق البنفسجي/المرئي بانتقالات في مستويات الطاقة الإلكترونية.

هدف التعلم 3.12.A: اشرح خصائص فوتون ممتص أو منبعث بالنسبة لانتقال إلكتروني في ذرة أو جزيء.

• 3.12.A.1 عندما يتم امتصاص (أو انبعاث) فوتون بواسطة ذرة أو جزيء، تزداد (أو تنقص) طاقة النوع بمقدار يساوي طاقة الفوتون.
• 3.12.A.2 يرتبط طول موجة الموجة الكهرومغناطيسية بترددها وسرعة الضوء بالمعادلة:
  • EQN: $c = \lambda\nu$.

ترتبط طاقة الفوتون بتردد الموجة الكهرومغناطيسية من خلال معادلة بلانك:

• EQN: $E = h\nu$.

هدف التعلم 3.13.A: اشرح كمية الضوء الممتصة لمحلول يحتوي على جزيئات أو أيونات بالنسبة للتركيز وطول المسار ومعامل الامتصاص المولي.

• 3.13.A.1 يربط قانون بير-لامبرت امتصاص الضوء للمحلول بثلاثة متغيرات وفقاً للمعادلة:

  • EQN: $A = \varepsilon bc$.

  معامل الامتصاص المولي، $\varepsilon$، يصف مدى كثافة امتصاص نوع كيميائي لضوء بطول موجة محدد. طول المسار، $b$، والتركيز، $c$، يتناسبان مع عدد الجسيمات الماصة للضوء في مسار الضوء.

• 3.13.A.2 في معظم التجارب، يُحفظ طول المسار وطول موجة الضوء ثابتين. في مثل هذه الحالات، يكون الامتصاص متناسباً فقط مع تركيز الجزيئات أو الأيونات الماصة. عادةً ما يتم ضبط جهاز قياس الطيف الضوئي عند طول موجة أقصى امتصاص (الطول الموجي الأمثل) للنوع قيد التحليل لضمان أعلى حساسية للقياس.