آرایش الکترونی اتم ها

آرایش الکترونی اتم ها

به کمک آرایش الکترونی یک اتم می توان  خواص فیزیکی وشیمیایی آن عنصررا پیش بینی نمود.

 الکترون هابه ترتیب افزایش انرژی دراوربیتال هاقرارمی گیرند.(طبق اصل آفبا = اصل بناگذاری ).

 دیاگرام زیراوربیتال ها رابه ترتیب انرژی نشان می دهد. هرچه الکترون به هسته نزدیک تر

می شود درسطح انرژی کمتری قرار می گیرد. به عبارتی برای جدا سازی آن ازاتم انرژی بیشتری

 نیاز است.( طبق تعریف مقدار انرژی اتم منفی است)

                                                                                                             هسته

انرژی یک اوربیتال تحت تاثیر عوامل زیر قرارمی گیرد.                                                

1- اثر بار هسته : باافزایش پروتون ( Z ) در هسته جاذبه بین الکترون وهسته افزایش می یابد .

2- اثر حائلی : الکترون های درونی که بین هسته والکترون های بیرونی قرار می گیرند به طور

 نسبی اثر جاذبه هسته بر روی این الکترون هارا کاهش می دهند. وهم چنین الکترون هایی که

در یک زیر لایه قرار می گیرند تا حدودی حایل یکدیگر بوده واز جاذبه هسته می کاهند به طور

کلی باتوجه به اثر حائلی ٬باری که هر اتم ازطرف هسته احساس می کند بار موثر هسته ( *Z)

می نامند. که مسلما همیشه کمتر از بار هسته ( Z ) می باشد.

 3- اثر الکترون اضافی : الکترون دوم انرژی اوربیتال را٬ افزایش می دهد به مثال زیر توجه نمایید.                                        انرژی اوربیتال      H=  -1311kj mol^-1               1s                                                         انرژی اوربیتال      He =  -2372 kj mol^-1          1s

                                                انرژی اوربیتال      He ⁺=  -5250 kj mol^-1         1s

4- اثر شکل اوربیتال :  قدرت نفوذ الکترون در اوربیتال       s > p > d > f می باشد . اوربیتال 

 s بعلت شکل کروی که دارد تا نزدیکی هسته می تواند نفوذ کند ودرنتیجه جاذبه هسته برروی

الکترون های این اوربیتال بیشتراست درحالی که سایر  اوربیتال ها دارای صفحه گرهی می باشند

که چگالی الکترون درآن صفر است والکترون هرگز به اندازه الکترون s نمی تواند به هسته

 نزدیک شود. درنتیجه این اثر٬ سطح انرژی اصلی  به دو یاچند زیر لایه (اوربیتال های d ٬ p ٬ f )

 شکافته می شود. مثلا لایه سوم( 3= n )  دارای زیر لایه های    3s  و 3p  و 3dمی باشد .

s که کروی است دارای فقط یک اوربیتال و p که دمبلی شکل است . درسه جهت محورمختصات

 گسترش می یابد .ودارای سه اوربیتال(   p_x ٬ p_y ٬ p_z )  می باشد.

d که دربین محورهای مختصات نیز نفوذ می کند دارای پنچ اوربیتال وبه همین ترتیب f دارای

 هفت اوربیتال می باشد.        

طبق اصل آفبا آرایش الکترونی اتم ها را به طریق زیر رسم می نماییم :

1- ازپایین ترین سطح انرژی الکترون ها را دراوربیتال ها قرار می دهیم . ₁H: 1s¹

2- طبق اصل طرد پائولی در هر اوربیتال دوالکترون بااسپین مخالف جای می گیرد.  ₂He:1s²  

طبق اصل پائولی تعداد اوربیتال ها درهر تراز اصلی از رابطه   (  n ²  ) که درآن  n  شماره تراز

 اصلی است به دست می آید.

3-  طبق اصل هوند اوربیتال های هم انرژی هنگامی زوج می شوند که هرکدام یک الکترون داشته

 باشند. 

   ₅B  :   1s²2s²2p_x¹ 

        ₆C :   1s²2s²2p_x¹2p_y¹      

  ₇N:      1s²2s²2p_x¹2p_y¹2p_z¹ 

    ₈O :  1s²2s²2p_x²2p_y¹2p_z¹

        ّ₉F:    1s²2s²2p_x²2p_y²2p_z¹  

   ₁₀Ne   :    1s²2s²2p_x²2p_y²2p_z²

                               تعداد الکترون دراوربیتال ² 3s   سطح انرژی اصلی                       

                                                          نوع اوربیتال    

 4- به طور کلی اوربیتال هایی ابتدا الکترون می پذیرند که مجموع شماره ترازاصلی و عدد

سمتی کوچکتری (   n+l  )   داشته باشند وچنانچه مجموع این دو عدد٬ در دو اوربیتال برابر

 باشد اوربیتالی ابتدا الکترون می پذیرد که شماره ترازاصلی انرژی درآن ( n ) کوچکترباشد. 

 مثال : 

                                                                     3s:      n+l   =  3+ 0= 3 

                                                                     3P:     n+l   =  3+ 1= 4 

                                                                     3d:     n+1   =  3+ 2= 5

                                                                       4s:     n+l   =  4+ 0= 4 

                                                                       4P:     n+l   =  4+ 1=5 

ترتیب پر شدن دراین چند اوربیتال به این ترتیب خواهد بود .

                                               4P  <------ 3d   < ------ 4s  <----- 3P   <----- 3s

اوربیتال ها را معمولا به شکل دایره ویا مربع نشان می دهند .حال اگر اوربیتال ها را به ترتیب

 پر شدن درکنار هم قرار دهیم.جدولی نظیر جدول زیر به وجود خواهد آمد. که همان جدول تناوبی

  عناصر است.

.

طبق این قاعده می توان آرایش الکترونی بیشتر اتم ها را درحالت پایه به دست آورد.ولی لازم به

 تذکر است این قاعده تقریبی بوده زیرا برمبنای فرضی استوارشده است که همیشه درست نیست. در

بعضی ازعناصر که عدداتمی بالایی دارند ترازهای فرعی به طور منظم پر نمی شوند.وچند مورد

استثنایی مشاهده می شود.

 

مصارف تیتانوم

عمده ترين مصرف تيتانيوم در صنايع به دو صورت فلزي و دي اكسيدتيتانيوم مي‌باشد. مصرف فلز آن به دليل مشكلات تهيه و خالص سازي آن مصرف چنداني ندارد، اما در عوض مصرف اكسيد آن بصورت TiO2 در صنعت كاربرد بسيار گسترده اي دارد؛ بطوريكه 90 درصد از صنايع اوليه، مصرف كننده اكسيد تيتانيوم مي‌باشد. امروزه فلز تيتانيوم بعنوان يك فلز استاتژيك در موتور و ساختمان داخلي هواپيما، تجهيزات حمل و نقل صنايع شيميايي، واحد هاي مولد برق، صنايع آلياژي، ساخت زير دريايي ها، كارخانه هاي ساخت مواد شيميايي، دستگاههاي خنك كننده نيروگاه هاي اتمي و حرارتي و دهها مورد ديگر كاربرد دارد. مصرف عمده دي اكسيد تيتانيوم در صنايع رنگ سازي به عنوان رنگدانه مي باشد و همچنين اين ماده در صنايع سراميك، پلاستيك، كاغذ و الكترونيك كاربرد دارد. مصرف اين ماده در كشورهاي پيشرفته تقريبا 10 برابر كشورهاي در حال توسعه مي‌باشد.
مصارف فلز تيتانيوم
فلز تيتانيوم در محيط هاي فرسايشي بسيار مقاوم مي‌باشد. تيتانيوم خالص و يا آلياژ هاي آن با ناخالصي كم در كارخانه هاي سولفورزدايي مشتقات نفتي، در تجهيزات مربوط به چاه هاي نفت و در اتصالات مورد نياز و همچنين در موارد پزشكي مورد استفاده قرار مي‌گيرد. از طرف ورق هاي فولادي با پوشش تيتانيوم هم اكنون در جهان توليد شده كه بعلت خاصيت ضد فرسايشي كاربرد وسيعي در صنعت نفت و در مراحل سولفورزدايي مشتقات نفتي در پالايشگاه ها پيدا كرده اند. ديگر مصرف عمده اين فلزدر صنعت هواپيما سازي است.
ساير مصارف عمده تيتانيوم را مي‌توان به صورت زير خلاصه نمود:
ساخت کاربيد تيتانيم ، سراميک ، فرآيند شيميايي و الكتروشيميايي ، ساخت ورقه هاي فلزي و بازيافت آنها ، صنعت نفت ، سولفورزدايي گاز مايع ، نمك زدايي آب (تصفيه آب) ، ساخت پمپ هاي مخصوص مكش آب از دريا ، ساختمان سازي ، پزشكي (قطعات تعويضي در بدن، دندانها) ، صنايع اتومبيل سازي ، ساخت انباره هاي مخصوص، جهت نگهداري از موادي نظير ضايعات اتمي و غيره ، الياف تقويت كننده جهت استفاده در تركيبات فلزي ، رباط هاي صنعتي ، جواهر سازي ، ساخت انواع آلياژ ها ، ذخيره سازي انرژي ، بالا بردن قابليت هدايت حرارتي آلياژ ها ، پرکننده ، سنگ هاي جواهرات مصنوعي و نرم افزار .
ايلمنيت و اكسيدهاي تيتان براي تهيه تيتانيم در آلياژهاي مهم و راهبردي استفاده مي گردد. آلياژهاي تيتانيم در بدنه هواپيماهاي جنگي، سفينه هاي فضايي، موشك ها، موتور هواپيماها، ادوات رزمي ، توربين هاي گازي، دوچرخه و كامپيوترهاي Laptop مورد استفاده قرار مي گيرند. تيتانيوم اغلب با آلومينيوم، آهن ، منگنز، موليبدن و فلزات ديگر تشكيل آلياژ مي دهد.
ايلمنيت همچنين در تهيه اکسيد تيتانيم که در صنايع رنگ سازي ، کاغذ سازي و پلاستيک به عنوان ماده رنگي ، براق كردن سطح فلزات ، لعاب ، لاستيك سازي ، شيشه ، فايبرگلاس ، سراميك ، الكتروسراميك و . . . مصرف مي شود ، کاربرد دارد .
تنها در حدود 5 % توليد سالانه جهاني تيتانيوم صرف توليد فلز تيتانيوم شده و 95% باقيمانده در توليد ماده رنگ دي اكسيد تيتانيوم مورد استفاده قرار مي گيرد .اين ماده داراي دو شکل آلوتروپي روتيل و آناتاز است که به واسطه رنگ سفيد ، ضريب شکست بالا ( 49/2- 90/2 ) ، درخشندگي عالي ، بي اثر ( خنثي بودن ) و مقاومت سايشي و حرارتي بالاي آن ، درجه ديرگدازي بالا و توان زياد در توزيع و انتشار يکنواخت در ترکيبات ديگر به عنوان عمده ترين ماده اوليه رنگ سفيد در صنايع رنگ سازي ، کاغذسازي ، پلاستيک ، لاستيک و ... شناخته مي شود .

مصارف دارويي :
پودر دي اکسيد تيتان ( روتيل ) که از آن پراکسيد تيتان ، سالسيلات تيتان و تانات تيتان تهيه مي کنند ، عملي همانند اکسيد روي بر روي پوست بدن ايجاد مي کند .
دي اکسيد تيتان براي التيام سوزش هاي پوستي مورد استفاده قرار مي گيرد و منعکس کننده اشعه ماوراء بنفش خورشيد است و بدين جهت در ساختن کرم ها و لوسيون هاي ضد آفتاب ( ضد سوختگي ) استفاده مي شود .
از پودر دي اکسيد تيتان در ساخت قاب کپسول هاي دارويي و پوشش قرص ها نيز استفاده مي شود .

مصارف آرايشي :
دي اکسيد تيتان در ساخت وسايل آرايشي به کار مي رود .
مصرف ساليانه عنصر تيتانيوم و تركيبات آن، 105 تا 106 تن مي باشد. تقريباً 95% تيتان به فرم اكسيد تيتان TiO4 مصرف مي شود و يك رنگدانه دايمي و به شدت سفيد رنگ با قدرت پوششي خوب در رنگ ها ، كاغذ و پلاستيك است .
رنگ ها با وجود اكسيد تيتانيوم يك بازتابنده بسيار عالي اشعه مادون قرمز را مي سازد و بنابراين به طور گسترده اي توسط اختر شناسان مورد استفاده قرار مي گيرد. از آنجايي كه اين فلز مقاومت بالا، وزن سبك، مقاومت غيرعادي در برابر خوردگي و توانايي ايستادگي در برابر دماهاي بسيار بالا مي باشد .
بخاطر مقاومت بالا در آب دريا، اين فلز براي ساخت شفت ها (محور)ملخ هواپيما و پروانه كشتي استفاده مي شود.

دي اکسيد تيتان
دي اکسيد تيتان در تهيه الياف مصنوعي نيز استفاده مي شود . پودر دي اکسيد تيتان خالص به عنوان رنگدانه در فراورده هاي غذايي کاربرد دارد .
دي اكسيد تيتانيوم در كرم هاي (لوسيون ها) ضد آفتاب استفاده مي شود كه ناشي از توانايي آن در حفاظت پوست مي باشد.
دي‌اكسيد تيتانيوم يك رنگدانة برتر سفيد رنگ با ضريب شكست 55/2- 8/2 است، مقاومت، درخشندگي، پايداري شيميايي و مقاومت در برابر اشعة ماوراي بنفش، غير‌سمي بودن و پايداري در يك محدودة دمايي وسيع و قيمت مناسب آن سبب شده تا از آن در كاغذ، رنگ، پلاستيك، لاستيك، سراميك، پارچه و مواد آرايشي استفاده شود. دو نوع رنگدانة روتيل وجود دارد روتيل و آناتاز. روتيل از شبكة بلوري متراكم‌تري نسبت به آناتاز تشكيل شده و چگال‌تر است و ضريب شكست بالاتري دارد .
رنگدانه مي‌بايست قابل استفاده در مسير سولفاته باشد (روتيل يا روتيل مصنوعي قابل استفاده نيستند) و داراي نسبت FeO/Fe2O3 بالاتري بوده (در اسيد سولفوريك واكنش‌پذير) و آهن، كروم، واناديوم، نيوبيوم، كلسيم، فسفات، اورانيوم، توريم و رنيم كم داشته باشد. خواص فيزيكي تقريبا مهم نيستند.
تتراكلرين تيتانيوم
تتراكلرين تيتانيوم (TiCl4) يك مايع بي رنگ است كه براي ساخت شيشه استفاده مي شود و از آن جايي كه آن در هواي مرطوب به شدت بخار مي كند، به منظور پوشش در برابر بخار استفاده مي شود.
ايلمنيت، روتيل، آناتاز، روتيل مصنوعي و سربارة تيتانيوم به عنوان پيش‌مادة توليد رنگدانة دي‌اكسيد تيتانيوم از دو مسير سولفاته و كلريدي امكان‌پذير بوده كه هريك نياز به پيش‌مادة مخصوص به خود دارند.
انواعي كه در مسير كلريدي به عنوان پيش‌ماده استفاده مي‌شوند بايد آلكالي كم، كمتر از 2%CaO و كمتر از 1% MgO، داشته باشد. به علاوه آهن كم، كمتر از 5/0% Cr2O3، V2O3، قلع و آرسنيك، كمتر از 2% سيليس و حداقل اورانيوم، توريم و راديم و ... داشته باشد (هر يك از موارد فوق به دلايلي از قبيل سمي بودن، رنگ‌زايي، خواص مزاحم در حين فرآوري و ... مي‌بايست در رنگدانه وجود نداشته باشند). شرايط مورد نياز ديگر شامل چگالي، مقاومت ذرات و ... است.
با توجه به شرايط فوق، روتيل طبيعي با 95% ‏‏TiO¬2، لازم است كه به دليل كمبود چنين ذخايري ايجاد طرح‌‌هاي پرعيار كردن پيش‌ماده صورت مي‌گيرد.
كنسانترة ايلمنيت براي فرآوري سرباره مي‌بايست حداقل 35% TiO2، داشته باشد، انواع سنگ سخت‌هاي ايلمنيت به سرباره‌هاي سولفاته محدود مي‌شوند، فرايندهاي شستشوي زيرزميني CaO، MgO و ديگر ناخالصي‌ها را كاهش داده و سرباره‌هايي با قابليت قرارگيري در مسير كلريدي ايجاد كند كه معمولا از پلاسرهاي ايلمنيت به دست مي‌آيند (TiO2 57-63%)...

تيتانات باريم:
مادة فروالكتريك با ثابت دي‌الكتريك نسبتا بالا در نيمه‌هادي‌ها و پيزوالكتريك‌ها به كار برده مي‌شود.

نيتريد تيتانيوم:
دماي ذوب 2950 درجة سانتيگراد دارد و از آن به عنوان بوتة ذوب آلياژهاي لانتانيوم، رنگ زرد طلايي در جواهرات و ... به كار مي‌رود.

آلكالي‌هاي تيتانيوم:
پليمريزاسيون، كاتاليزور

تيتانات استرانسيم:
جواهر مصنوعي، ابزار نوري

فلز تيتانيوم:
از كاهش TiCl4 توسط منيزيم مذاب در فرايند كرول حاصل مي‌شود. تيتانيوم، فلزي با نسبت مقاومت به وزن بالا، نقطه ذوب بالا، ظرفيت انتقال حرارتي بالا، مقاومت در برابر خوردگي، ضريب انبساط كم و مقاومت الكتريكي بالاست كه از آن در ساخت قطعات در صنعت هوافضا، قسمت‌هاي حساس ماشين‌آلات، طرح‌هاي صنعتي و شيميايي، تجهيزات دريايي ، ابزار جراحي و دندانپزشكي استفاده مي‌شود.
آلياژهاي تيتانيوم ضريب انبساط حرارتي كمتري از آلياژهاي آهن دارند و خاصيت مغناطيسي نيز ندارند. از كاربردهاي آلياژهاي تيتانيوم مي‌توان به ابزار پزشكي، الكترونيكي، ماشين‌هاي توربين بخار، دريچه و شيرآلات فشار قوي، سكوهاي ساحلي، سيستم‌هاي لوله‌گذاري درياي عميق و غيره اشاره كرد. به عنوان مثال از آلياژهاي تيتانيوم، فروتيتانيوم به عنوان كاهنده و پايدار كننده در ساخت فولاد خالص، آلياژهاي ابررسانا (تيتانيوم- نيوبيوم)، سوپركامپيوتر، كرايوالكترونيك و ... استفاده مي‌شود.

جايگزين ها :
فلز و آلياژها:
آلومينيم، منيزيم، فولاد خالص و سوپر آلياژهاي مختلف
مادة سنگين كننده:
باريت، سلستيت، هماتيت، منيتيت، كانة آهن

ساينده‌هاي بادي:
بوكسيت و آلومينا، كرندوم، الماس، دياتوميت، فلدسپار، گارنت، هماتيت، منيتيت، نفليت سينيت، اليوين، پرليت، پرليت، پوميس، ماسة سيليسي، استاروليت، تريپلي، كربيد كلسيم
فيلتر:
كربن فعال شده، آنتراسيت، آزبست، سلولز، دياتوميت، گارنت، اكسيد آهن، اليوين، پرليت، پوميس، ماسة سيليسي
‌پركننده:
تري هيدرات آلومينيم، باريت، كربنات كلسيم، دياتوميت، فلدسپار، كائولن، اكسيد سرب، ميكا، نفلين سينيت، پرليت، تالك، سيليس ميكروكريستالن، پودر سيليس و سيليس مصنوعي، ولاستونيت .
‌رنگدانه :
ليتوفون، اكسيد روي

بازيافت:
هرچند كه بازيافت كاغذ و پلاستيك مصرف مواد خام را كاهش داده است، مواد بازيافتي از مي‌بايست با افزايش تيتانيوم از نظر درخشندگي بهبود داد. رنگ به ندرت بازيافت مي‌شود. فلز تيتانيوم و آلياژهاي آن بازيافت مي‌شوند، هرچند دورة زندگي طولاني و آلودگي‌هاي غيرقابل قبول از نظر بازار مسئله ساز است. ذخاير شامل قراضه‌هاي حاصل از ذوب، ريخته‌گري و ساخت قطعات بويژه شمش هستند. قراضه‌هاي قديمي از هواپيماهاي قديمي و مبدلهاي حرارتي بدست‌ مي‌آيد. بيشتر تيتانيوم بازيافتي در صنعت فولاد به ويژه در تهية فروتيتانيوم بكار مي‌رود.

ميزان مصرف ظاهري تيتانيوم در جهان در طي اين دوره ( 1997 – 2001) از 06/10 ميليون تن در سال 1997 به 78/9 ميليون تن در سال 1999 و 58/10ميليون تن در سال 2001 افزايش يافته است(جدول 6).
روند مصرف جهاني تيتانيوم طي سالهاي ذكر شده بصورت نوساني بوده و از يك روند ثابت تبعيت نكرده و مصرف جهاني كاني هاي تيتانيوم در سال 1999 به كمترين ميزان در طي سالهاي 2001-1997 رسيده است. بيشترين آمار مصرف كاني هاي تيتانيوم در جهان مربوط به سال 2000 مي‌باشد كه حجم مصرفي بالغ بر 5/10 ميليون تن داشته است.