پرسش

با سلام و خسته نباشید.
1- چرا در جدول مندلیف گروه اصلی IA و IIA را عناصر قلیایی و قلیایی خاكی نامیده اند؟
در مورد خواص فیزیكی و شیمیایی و كاربرد یكی از این عناصر قلیایی خاكی در زندگی و صنعت لطفا نوضیح دهید؟
2- جوزف تامسون چگونه نسبت بار به جرم الكترون را اندازه گرفت؟
3- روش كار طیف سنج جرمی را توضیح دهید؟
با تشكر فراوان از لطف و زحمات شما عزیزان

پاسخ

فلزات قلیایی از آن جهت قلیا نامیده شده‌اند كه در آب تولید قلیا یا باز می‌كنند. فلزات قلیایی خاكی نیز از آن جهت كه تركیبات آن در خاك فراوانند و اینها نیز در آب تولید باز می‌كنند، فلزات قلیایی خاكی نامیده شده‌اند. در گذشته كه شوینده‌ای وجود نداشته ، از خاك برای زدودن چربیها استفاده می‌كردند و علت آن هم وجود همین فلزات در خاك بوده است. كلسیم از نظر فراوانی در طبیعت سومین عنصر است كه در این گروه قرار گرفته است.
استرنسیم یكی از فلزات قلیایی خاكی است كه در دوره‌ی تناوبی پنجم قرار گرفته است و در نتیجه تعداد لایه‌های الكترونی آن پنج لایه است. استرنسیم در سال 1790 توسط كرافورد A. Crawford كشف شد. این فلز از استرونسیانیت SrSO4موجود در خاك بدست می‌آید. استرنسیم علاوه بر استفاده‌هایی كه از آن به عنوان فلز می‌شود، كاربردهای دیگری نیز دارد. از جمله،كربنات ( SrCO3 ) و اكسید (SrO) استرنسیم در صنعت مربوط به شكر كاربرد دارند.نیترات استرنسیم
( Sr (NO3)2) در موارد نورزا و آتش‌زایی مورد استفاده قرار می‌گیرند. برمید و یدید آن در پزشكی كاربرد دارد. همچنین از انواع ایزوتوپهای استرنسیم در پزشكی استفاده می‌شود. همچنین به علت رنگ شعله‌ی قرمز درخشنده‌ی استرنسیم از آن به عنوان هشدار و همچنین در آتش‌بازیها استفاده می‌شود. اطلاعات كلیدی استرنسیم در زیر آمده است.
Basic Information
Name: Strontium
Symbol: Sr
Atomic Number: 38
Atomic Mass: 87.62 amu
Melting Point: 769.0 °C (1042.15 °K, 1416.2 °F)
Boiling Point: 1384.0 °C (1657.15 °K, 2523.2 °F)
Number of Protons/Electrons: 38
Number of Neutrons: 50
Classification: Alkaline Earth
Crystal Structure: Cubic
Density @ 293 K: 2.54 g/cm3
Color: yellowish
در اواخر قرن نوزدهم اشعه‌ی كاتدی كه جریانی از الكترونهاست مورد بررسی قرار گرفت و مشخص شد كه الكترونها دارای بار الكتریكی منفی هستند و طبیعت این الكترونها هم به جنس ماده بستگی ندارد، اما میزان بار یا جرم این ذرات همچنان ناشناخته بود تا اینكه آقای جوزف تامسون در سال 1897 موفق شد نسبت بار به جرم الكترون را از طریق بررسی انحراف اشعه‌ی كاتدی در میدانهای الكتریكی و مغناطیسی معین كند . البته لازم به ذكر است روش تامسون قادر نبود میزان بار یا جرم الكترون را هر یك به تنهایی تعیین كند. روش تامسون بر این اصل استوار است كه میدانهای مغناطیسی و جریان الكتریكی بر یكدیگر تاثیر متقابل دارند یعنی میدان مغناطیسی قادر است ذرات باردار را كه در مسیر مستقیم حركت می‌كنند از مسیر خود منحرف كند. پس وقتی كه یك الكترون با بار الكتریكی e و جرم m با سرعت v وارد یك میدان مغناطیسی می‌شود ، از مسیر مستقیم خود منحرف می‌شود و مسیرش هلال یا دایره‌ای می‌شود كه شعاع آن r می‌باشد. مقدار r از رابطه زیر بدست می‌آید:
(1) r=mv/He
كه در آن H شدت میدان مغناطیسی است.همانطور كه از رابطه بالا مشخص است هر چه شدت میدان و بار الكتریكی ذره بیشتر باشد r كوچكتر می‌شود. كوچكتر شدن r به معنای بیشتر شدن انحراف از مسیر مستقیم است. از طرف دیگر چون r با m , v رابطه مستقیم دارد پس هر چه سرعت و جرم ذره بیشتر باشد انحراف ذره كمتر می‌شود.
اگر رابطه فوق را كمی جابجا كنیم رابطه زیر بدست می‌آید:
(2) e/mv=1/Hr
آقای تامسون مقدار r را برای انحراف اشعه كاتدی در یك میدان مغناطیسی با شدت معین معلوم كرد و از آنجا توانست مقدار e/mv را بدست آورد. اما برای بدست آوردن e/m باید مقدار v را نیز معین كرد. یكی از روشهایی كه تامسون برای پیدا كردن مقدار v به كار برد مطالعه‌ی اشعه‌ی كاتدی در لامپی بود كه در امتداد آن میدانهای الكتریكی و مغناطیسی همزمان و عمود بر هم برقرار شده بود. طبق روابط فیزیك وریاضی سرعت الكترون از رابطه زیر بدست می‌آید:
V=E/H (3)
كه در آن E شدت میدان الكتریكی و H شدت میدان مغناطیسی است.با قرار دادن رابطه (3) در فرمول (2) رابطه زیر بدست آورد:
e/m=E/(H**2)r
آقای تامسون مقدار عددی این كمیت را به میزان زیر گزارش كرد:
e/m=-5.2728*10**17 esu/g

اگر به چگونگی بدست آوردن V نیاز دارید می‌توانید به كتاب شیمی عمومی نوشته آقای مورتیمر فصل دوم مراجعه فرمائید چون توضیح آن نیاز به رسم شكل دارد و امكان رسم یا اسكن شكل برای من وجود ندارد.
برای بررسی ایزوتوپ‌ها از طیف نگار جرمی استفاده می‌شود . دستگاه‌هایی از این نوع توسط استون و دمپستر با پیروی از اصول روش‌هایی كه تامسون ارائه كرده بود ساخته شد. اگر عنصری شامل چند نوع اتم با جرم‌های متفاوت ( ایزوتوپ‌ها ) باشد ، این تفاوت در مقادیر e / m یون‌های مثبت حاصل از این اتم‌ها پدیدار می‌گردد . طیف نگار جرمی یون‌ها را بر حسب مقادیر نسبت بار به جرم ، از یكدیگر جدا می‌كند ، و سبب می‌شود كه یون‌های مثبت متفاوت در محل‌های مختلف روی یك صفحه عكاسی اثر كنند .
وقتی دستگاه كار می‌كند ، اتم‌های بخار ماده مورد مطالعه در معرض بمباران الكترونی قرار گرفته و به یون‌های مثبت تبدیل می‌شوند . این یون‌ها بر اثر عبور از یك میدان الكتریكی ، به قدرت چندین هزار ولت ، شتاب پیدا می‌كنند . اگر ولتاژ این میدان ثابت نگهداشته شود ، تمام یون‌هایی كه مقدار e / m مساوی دارند با سرعت مساوی وارد یك میدان مغناطیسی می‌شوند . این سرعت شعاع مسیر یون را در میدان مغناطیسی تعیین می‌كند .
اگر شدت میدان مغناطیسی و ولتاژ شتاب دهنده ثابت نگهداشته شوند ، تمام یون‌هایی كه مقدار e / m مساوی دارند ، در یك محل بر روی صفحه عكاسی متمركز می‌شوند ولی یون‌هایی كه مقدار e / m متفاوت دارند در محلهای مختلف روی صفحه عكاسی متمركز می‌شوند . هرگاه یك وسیله الكتریكی كه شدت اشعه یونی را اندازه می‌گیرد ، جای‌گزین صفحه عكاسی شود ، دستگاه را طیف سنج جرمی می‌نامیم . با استفاده از طیف سنج جرمی می‌توان هم جرم اتمی دقیق ایزوتوپ‌ها و هم تركیب ایزوتوپی عناصر ( انواع ایزوتوپ‌های موجود و مقدار نسبی هر یك ) را تعیین كرد .