علوم دوم - بخش اول
مواد در حال تغيير
مواد پيرامون ما پيوسته در حال تغييرند . انجماد آب ، زنگ زدن آهن شكستن شيشه، ذوب يخ ، تغيير رنگ پارچه ها ، ترش شدن شير، هضم غذا و ... از جمله تغييرات مواد هستند
تغيير و خواص فيزيكي و شيميايي
بدون تغييرات فيزيكي و شيميايي، ادامهي حيات و زندگي ممكن نميباشد. با استفاده از خواص فيزيكي و شيميايي مواد و امكان ايجاد تغيير مناسب در آنها، غذاهاي مختلف تهيه ميشود، گردونه صنايع پيشرفته ميچرخد و به جلو ميرود.
براي آشنايي با خواص فيزيكي و شيميايي مواد و تغييرات فيزيكي و شيميايي لازم نيست به آزمايشگاه برويم، بهتر است سري به آشپزخانه بزنيم و كيك خوشمزهاي تهيه كنيم!.
برخي از اين تغييرات سودمند و برخي زيان آورند و ما پيوسته در پي آن هستيم كه تغييرات مطلوب را پديد آوريم و از بروز تغييرات نامطلوب جلوگيري كنيم.
تغيير فيزيكي ، تغيير شيميايي
در قسمت الف تفاوت مولكول هاي آب جامد (يخ) و آب در حالت مايع نشان داده شده است. با ذوب شدن يخ مولكول هاي آب تغيير نكرده اند. اين يك تغيير فيزيكي است.
در قسمت ب آب در دستگاه ولتامتر به وسيله جريان الكتريسيته تجزيه شده است. مولكول هاي حاصل (گاز هيدروژن و گاز اكسيژن) با مولكول هاي اوليه (آب) تفاوت دارند، اين يك تغيير شيميايي است.
الف) تغيير فيزيكي: در اين نوع تغيير شكل ، اندازه و حالت ماده تغيير مي كند. اما خواص و ماهيت ماده تغيير نمي كند.
تبخير، تصعيد ، ميعان و ساير تغيير حالت ها و نيز خرد شدن ، سائيدن و ... از جمله تغييرات فيزيكي هستند.
ب) تغيير شيميايي: به تغييري گفته مي شود كه در نتيجه آن خواص و ماهيت ماده تغيير مي كند و ماده يا موادي با خواص جديد حاصل مي شود.
هنگامي كه آب به كمك جريان الكتريسيته تجزيه مي شود گازهاي ئيدروژن و اكسيژن پديد مي آيند اين دو ماده هيچ شباهتي با آب ندارند.
سوختن چوب ، زنگ زدن آهن، تغيير رنگ پارچه ، زرد شدن برگ درختان ، هضم غذا، تبديل شدن شير به ماست و پنير از جمله تغييرات شيميايي هستند
حل شدن، تغيير فيزيكي يا شيميايي
دو يا چند ماده وقتي مخلوط به حساب ميآيند كه:
الف) اجزاي مخلوط شده خواص اوليه خود را حفظ كرده باشند.
ب) با عمليات فيزيكي مانند تبخير، بتوان مواد تشكيل دهندهي مخلوط را از هم جدا كرد.
در مورد پديدههاي فيزيكي و شيميايي، بايد توجه كرد كه پديدههايي فيزيكي محسوب ميشوند كه در اثر آنها ساختمان مولكولي مواد تغيير نكند و فقط شكل ظاهري آن عوض شود. براي مثال گداخته شدن آهن يك تغيير فيزيكي است، اما گرما دادن يك قطعه چوب كه باعث سياه شدن آن ميشود، يعني زغال پديد ميآيد، يك تغيير شيميايي است. در اين نوع تغييرها ساختمان مولكولي ماده تغيير ميكند و با روشهاي فيزيكي به حالت اول برنخواهد گشت.
محلولها در چهار دسته قابل بررسي هستند كه در جدول زير اين چهار دسته را مشاهده ميفرمائيد. در هر مورد با بررسي ساختار ماده حلشونده و برخي خواص محلول نوع محلول از نظر مخلوط يا تركيب بودن بيان شده است و مشخص شده است كه اين نوع محلول تغييري فيزيكي است يا شيميايي.
جدول طبقه بندي محلول ها و توضيحات مربوط به آن
ساختار حلال رسانايي حلال در برابر جريان الكتريسيته ساختار ماده حل شونده رسانايي حل شونده در برابر جريان الكتريسيته وضع حلال و حل شونده در داخل محلول نوع محلول نوع عمل مثال مولكولي نارسانا مولكولي نارسانا پخش شدن مولكولهاي حل شونده در ميان مولكولهاي حلال مخلوط فيزيكي قند در آب مولكولي نارسانا يوني(بلوري) مذاب (در حالت مذاب) پخش شدن يونهاي حل شونده در ميان مولكولهاي حلال مخلوط فيزيكي نمك در آب مولكولي نارسانا مولكولي نارسانا تبديل حل شونده از مولكول به يون و پخش شدن آن در ميان مولكولهاي حلال تركيب شيميايي كلريدريك اسيد در اتر مولكولي نارسانا مولكولي نارسانا پخش شدن مولكول هاي حل شونده در حلال و سپس تغيير مولكولي حل شونده بدون اينكه با حلال تركيب شود يا مولكولهاي حلال تغيير كند. تركيب شيميايي فنيل پروپانول در حلال دي متيل سولفوكسيد مدل زير حل شدن يك تركيب يوني را در حلال (آب) نشان ميدهد. هنگام حل شدن اين گونه اجسام، حلال، اجزاي تشكيل دهندهي جسم حل شونده (يونهاي مثبت و منفي) را از هم جدا ميكند و به دور هر يون پوششي از حلال تشكيل ميشود. ساختمان اين مواد كه قبل از حل شدن به صورت يوني بوده است، پس از حل شدن نيز همچنان به حالت يوني باقي ميماند، با اين تفاوت كه يونها از هم تفكيك شدهاند. به اين دليل در مورد مواد يوني درست مانند موادي كه ساختار مولكولي دارند، ساختمان اجزاي ماده تغيير نميكند و عمل فيزيكي صورت ميگيرد.
1- آب خالص (آب مقطر) رساناي جريان برق نيست، ولي آبهاي معمولي به خاطر وجود نمكهاي معدني مختلف رسانا هستند.
2- نمك جامد، رساناي جريان برق نيست، ولي به صورت مذاب رسانا مي باشد.
3- اسيدهاي خالص در برابر جريان برق نارسانا هستند، ولي محلول اسيدها رسانا مي باشند..
فعاليت: اگر چند قطره نيتريك اسيد غليظ بر روي فلز مس بريزيم گاز خرمايي رنگ نيتروژن دي اكسيد كه بوي تند و آزار دهنده اي دارد تشكيل مي شود.
اگر لوله محتوي گاز نيتروژن دي اكسيد را در آب جوش قرار دهيم رنگ قهوه اي پر رنگ ظاهر مي شود(شكل1)
اگر لوله را سرد كنيم مولكول هاي سه اتمي نيتروژن دي اكسيد به مولكول هاي 6 اتمي دي نيتروژن تترااكسيد كه بي رنگ است تبديل مي شود.(شكل 3)
اگر هر دو لوله را در آب ولرم قرار دهيم تعدادي از مولكول ها No2 و تعدادي N2o4 خواهند بود كه در اين صورت رنگ خرمايي كم رنگ مشاهده خواهد شد.
اين تغييرات از نوع شيميايي و برگشت پذير هستند.
خواص ماده:
هر ماده داراي خواصي است كه با آنها شناخته مي شود مثلا بي رنگ بودن خاصه آب ، شور بودن خاصه نمك، اشتعال پذير بودن خاصه كاغذ و تمايل به زنگ زدن خاصه آهن است.
خواص فيزيكي و خواص شيميايي مس
برخي از ويژگي هاي مس ويژگي هاي شيميايي ويژگي هاي فيزيكي به آرامي در هواي مرطوب به كربنات آبي (مايل به سبز)رنگ تبديل مي شود. رنگ قهوه اي مايل به قرمز ، جلاي فلزي به آساني به صورت ورقه و سيم تبديل مي شود. با نيتريك اسيد و سولفوريك اسيد واكنش مي دهد. رساناي خوب گرما و الكتريسته است. در محلول آمونياك توليد محلول آبي رنگ مي كند. مي تواند إوب شده و با روي مخلوط شده آلياژ برنج را به وجود آورد.
الف) خواص فيزيكي:به آن دسته از خواص گفته مي شود كه مشاهده و اندازه گيري آنها به توليد ماده جديد منجر نمي شود.
خواص فيزيكي
رنگ
بو
چگالي
نقطه ذوب
نقطه جوش
رسانايي (الكتريكي)
آب
بي رنگ
بي بو
1
صفر درجه
100 درجه
ناچيز
تغييرها و ويژگيهاي فيزيكي ماده
انحلالپذيري نيز از جملهي مهمترين خاصيت فيزيكي مواد به شمار ميآيد. در كتابهاي مرجع، ميزان انحلالپذيري مواد گوناگون در حلالهاي مختلف ارائه مي شود ولي از آن جا كه آب فراوانترين و در عين حال ارزانترين حلال قابل دسترس است، در مبحث انحلالپذيري بيش از ديگر حلالها از آن سخن به ميان ميآيد؛ بنابراين، انحلالپذيري مادهي حلشدني در آب به عنوان يك خاصيت فيزيكي آن ماده مطرح است.
رنگ، بو و مزه، نقطهي ذوب و نقطهي جوش، چگالي، رسانايي الكتريكي، رسانايي گرمايي، سختي، حالت فيزيكي و انحلالپذيري (در آب) از جمله خواص فيزيكي مهمي هستند كه در كنار ضريب انبساط، ضريب شكست، ظرفيت گرمايي ويژه و ... به آنها توجه ميشود.
ب) خواص شيميايي :
به مجموعه خواصي گفته مي شود كه تمايل يا عدم تمايل يك ماده به شركت در واكنش هاي شيميايي را بيان مي كند. مثلا اشتعال پذيري خاصه بنزين و عدم اشتعال پذيري خاصه آب است.
انرژي عامل ايجاد تغيير شيميايي
بيشتر تغيير هاي شيميايي به وسيله انرژي نور، گرما يــا الكتريسيته انجام مي شوند در عين حال در هر واكنش شيـــميايي انـــرژي ذخيره شده شيميايي به انرژي هاي ديگر تبديل مي شوند.
انرژي براي تجزيه يك تركيب
باز گرداندن فلز از تركيب آن با عنصر ديگر (جداسازي فلز) كاري بسيار دشوار است.
انرژي زيادي لازم است تا فلزي مثل سديم از تركيب خود جدا شود.
نشانه تغيير شيميايي
هر تغيير شيميايي با نشانه اي همراه است است. اين نشانه حاكي از تشكيل يك ماده جديد مي باشد البته بايد توجه داشت كه برخي از اين نشانه ها در تغيير فيزيكي هم ديده مي شوند
مثالي از يك تغيير شيميايي
آزمايش شعله (رنگ شعله) از رنگ شعله مواد ميتوان به عنوان يكي از راههاي شناخت عناصر استفاده نمود. براي انجام آزمايش با شعله بايد، قطعهاي سيم پلاتين يا كروم در شعلهي چراغ بونزن گرم شود تا چنان چه موادي از آزمايشهاي قبلي روي آن باقي مانده باشد تبخير و خارج گردد و سيم قرمز شود، اما شعله ور نشود. سپس سيم در محلول مورد آزمايش فرو برده ميشود يا مقداري از مادهي مورد نظر روي سيم قرار داده ميشود و دوباره سيم روي شعله گرفته ميشود.
وقتي اتم هاي فلز انرژي جذب ميكنند، به ترازهاي بالاتر انرژي ميروند و به اصطلاح اتم برانگيخته ميشود. اين آرايش انرژي پايدار نيست و الكترونها به سرعت به ترازهاي پايين و حالت اوليه خود باز ميگردند. بر اثر اين تفاوت انرژي بين آرايشهاي بالا و پايين، نور درخشندهاي گسيل ميشود، درواقع الكترونها در بازگشت به حالت اوليه، انرژي اضافي خود را به صورت فوتونهاي نوري از دست مي دهند.
- تركيبات استرانسيم دار مانند استرانسيم نيترات، نور قرمز توليد ميكنند.
- تركيبات باريم دار مانند باريم كلرات، نور سبز توليد مي كنند.
- تركيبات سديم دار مانند سديم اكسالات، سديم كلريد نور زرد توليد ميكنند.
چنانچه جسم مورد نظر علاوه بر تركيبات سديم، حاوي تركيبات آلي نيز باشند، در اين صورت ذرات داغ كربن هم ميتوانند نور زرد ايجاد كنند (مانند سوختن چوب، قند، نفت و ...) اما رنگ زرد اين مواد با رنگ زرد حاصل از سوختن سديم تفاوت دارد كه با مقايسه دوشعله به طور مجزا، قابل تشخيص ميباشد.
- تركيبات حاوي مس مانند مس سولفات، نور آبي متمايل به سبز روشن ايجاد ميكنند.
- تركيبات كلسيمدار مانند كلسيم كلريد يا كلسيم نيترات، شعله را به رنگ قرمز آجري درميآورند.
- تركيبات پتاسيمدار كاملا" خالص داراي رنگ شعله ارغواني هستند، اما چنانچه تركيبات پتاسيمدار داراي ناخالصيهايي از تركيبات سديم باشند، شعله به رنگ زرد روشن درميآيد. در اين حالت اگر با شيشه آبي كبالت به شعله نگاه شود، رنگ زرد شعله توسط شيشه آبي جذب شده و رنگ قرمز پتاسيم به خوبي نمايان ميگردد.
در آتشبازيها نيز بيشتر از تكنيك فوق براي توليد رنگهاي مختلف استفاده ميشود.
بالا شعله روبيديم (Rb) و پايين شعله سزيم (Cs)
شناسايي اكسيژن
اكسيژن باعث شعله ور شدن چوب نيمه افروخته مي شود.
شناسايي هيدروژن
صداي انفجار پوپ بر اثر شعله نشانه وجود هيدروژن است.
رنگ شعله (آزمايش شعله)
رنگ شعله بعضي از فلزهاي قليايي (گروه I) و قليايي خاكي (II)
شناسايي گاز كربنيك
قرصهاي جوشان و حبابهاي گاز
در فرمول قرصهاي جوشان، براي كمك به انحلال مادهي مؤثرهي (ويتامين ث، آسپيرين يا ....) موجود در آنها، بهبود مزهي دارو و تنظيم PH مناسب براي جذب بهتر آن مخلوطي از جوششيرين (سديم بيكربنات يا سديم هيدروژن كربنات كه يك مادهي قليايي است) و جوهر ليمو (سيتريك اسيد كه يك مادهي اسيدي است) به كار ميرود.
اين دو در حالت جامد (به شكل قرص) با هم واكنشي انجام نميدهند ولي به محض تماس با آب در آن حل ميشوند و در مجاورت محلول آبي اين دو ماده به واكنش زير منجر ميشود.
آب + سديم سيتراتسديم هيدروژن كربنات + سيتريك اسيد
همان طور كه مشاهده ميكنيد، بر اثر اين واكنش، گاز كربندياكسيد آزاد مي شود. حل شدن اين گاز در آب با كاهش PH محلول (به علت تشكيل كربنيك اسيد) همراه است و حركت رو به بالاي گاز، سبب ايجاد يك جابهجايي طبيعي در محلول ميشود و به اين ترتيب، نقش همزن را نيز براي حل كردن مادهي مؤثرهي ياد شده در آب ايفا ميكند.
تهيهي آب آهك و واكنش CO2 با آن كدر شدن (شيري رنگ شدن) آب آهك نشانگر وجود كربندياكسيد (گازكربنيك) است. آب آهك كه نام تجاري (معمولي) كلسيم هيدروكسيد Ca(OH)2 است با كربندياكسيد (CO2) واكنش ميدهد و كلسيم كربنات CaCO3 را توليد ميكند.
كلسيم كربنات در آب حل نميشود. بنابراين ذرات سفيد رنگ آن به صورت معلق در آب باقي ميمانند و مايع موجود را كدر يا شيري رنگ ميسازند؛ اما بعد از مدتي تهنشين شده يعني در ته ظرف يك لايهي رسوب پديد ميآورند.
براي درست كردن آب آهك، يك قاشق كلسيم هيدروكسيد را در يك بطري بزرگ آب مقطر بريزيد. در بطري را ببنديد و هر چند گاه آن را تكان دهيد. پس از چند روز محلول زلالي در بالاي بطري به دست ميآيد آن را در يك ظرف بريزيد. به بطري دوباره آب مقطر اضافه كنيد. با تكرار اين عمل چند ليتر آب آهك به دست ميآوريد
شناساگرهاي مواد غذايي • تشخيص نشاسته: وجود نشاسته در هر ماده غذايي با روشي ساده قابل تشخيص است. كافي است چند قطره محلول يد به آن بيافزاييد اگر رنگ محلول به آبي تيره بدل شود آن ماده داراي نشاسته است. • تشخيص مونوساكاريدها: براي تشخيص مونوساكاريدها مثل گلوكز از محلول بنديك استفاده ميشود. اگر مقداري گلوكز در لولهي آزمايش را با محلول بنديك گرما دهيم. وقتي محلول ميجوشد ابتدا در آن رگههاي سبز رنگي مشاهده ميشود كه سپس زرد رنگ شده و سرانجام رسوب قرمز رنگ اكسيد مس به وجود مييد. به فعاليت «تشخيص قند ساده» مراجعه كنيد.
• تشخيص پروتئينها: اگر به محلول يك درصد آلبومين (پروتئين سفيدهي تخممرغ) ابتدا 5 ميليمتر محلول رقيق سديم هيدروكسيد (سود سوزآور) بيفزاييد، بعد 5 ميليمتر محلول رقيق مس سولفات (كات كبود) اضافه كنيد، رنگ ارغواني ظاهر ميشود كه دليل وجود پروتئين است.
• تشخيص چربيها: چربي مواد غذايي با لكهي شفافي كه بر روي كاغذ باقي ميگذارند قابل شناسايي است. در عين حال ميتوانيد با آزمايش ديگري وجود چربي را تشخيص دهيد. 2 قطره روغن زيتون و 5 سانتيمتر مكعب الكل سفيد (اتانول) را در لوله آزمايش بريزيد و خوب تكان دهيد، تا روغن در الكل حل شود. محلول حاصل را كه حاوي چربي است اگر در لوله آزمايش داراي آب بريزيد. تكان دهيد امولسيوني تشكيل ميشود كه نشانگر وجود چربي در محلول است.
.
برخي از نشانه هاي تغيير شيميايي عبارتند از :
الف) ظهور يك رنگ جديد مانند:
رنگ قهوه اي ‹------------- قرار گرفتن ميخ آهني در محلول مس سولفات
رنگ آبي مايل به سياه ‹------------- افزودن محلول يد به سيب زميني
شيري رنگ ‹--------------- دميدن در آب آهك
ب) تشكيل يك ماده جامد مانند:
ماده جامد پنير مانند ‹------------- افزودن سركه به شير
ج) تشكيل حبابهايي از گاز
حباب هاي گاز كربن دي اكسيد ‹------------ ريختن جوهر نمك بر روي پوسته تخم مرغ
حباب هاي گاز كربن دي اكسيد ‹------------ افزودن سركه به جوش شيرين
د: توليد گرما :مانند حل شدن كلسيم كلريد در آب
همانطور كه گفته شد برخي نشانه ها در هر دو نوع تغيير مشاهده مي شوند.
مثلا هنگامي كه در نوشابه گاز دار را باز مي كنيد و يا هنگامي كه آب را حرارت مي دهيد هم حباب هاي گاز ظاهر مي شوند اما در اينجا تغيير شيميايي روي نداده است
جسمي كه به رنگ معين مثلا" سبز ديده ميشود به اين معني است كه از ميان نورهاي تك رنگي كه به صورت يك مجموعه نور مركب (مثلا" نور سفيد) بر آن تابيده شده، فقط نور سبز را بازتابش ميكند و بقيه جذب ميگردد؛ نور سبز بازتابش شده به چشم بيننده ميرسد، بنابراين جسم به رنگ سبز ديده ميشود. اكنون اين سؤال مطرح ميشود: علت اينكه سطح يك جسم، نور معيني را بازتابش و نورهاي معيني را جذب ميكند چيست؟ تحقيق و آزمايش نشانميدهد دليل اصلي آن ساختمان شيميايي مادهاي است كه سطح يك جسم از آن تشكيل شده و نور با آن برخورد ميكند. در بحث از رابطه مواد شيميايي با نور بازتابيده به طور خلاصه به دو گروه از تركيبات اشاره ميشود.
الف: تركيبات معدني مانند نمكها – تركيبات آهني مانند سولفات ، كلريد، اكسيد و هيدروكسيد آهن بر حسب اينكه در ملكول آنها آب تبلور باشد يا نباشد به رنگ زرد، قرمز تا قهوهاي ديده ميشود.
همچنين نمكهاي اكسيژندار منگنز مانند پتاسيم پرمنگنات يا سديم منگنات بنفش و نمكهاي اكسيژندار مس (سولفات، نيترات، كربنات و...) آبي تا سبز هستند.
ب: تركيبات غير معدني (آلي): در مورد اجسامي كه رويه (سطح) آنها از تركيبات غير معدني تشكيل شده باشد رنگ ميتواند در اثر وجود گروههاي شيميايي خاص باشد. مثلا" اگر تركيب شيميايي رويه ي جسم داراي گروهي بهنام آزو (دو اتم ازت بهم چسبيده كه هر اتم ازت با گروههاي شيميايي ديگر پيوند داشته باشد.) باشد بر حسب تعداد اين گروههاي آزو در ملكول نورهاي خاصي جذب يا بازتابش خواهد شد در نتيجه سطح جسم به رنگ زرد يا نارنجي ديده ميشود.
همچنين چنانچه دو ازت گروه آزو به حلقهي بنزين متصل باشند جسم در نور سفيد به رنگ قرمز ديده ميشود.
نمونههاي فراواني از گروههاي شيميايي رنگزا شناخته شده كه نشان ميدهد رنگ نور بازتابش حاصل از تابش نور سفيد بر اجسام ارتباط مستقيمي با تركيب شيميايي سطح آنها خواهد داشت. بديهي است چنانچه به جاي نور سفيد نورهايي كه طيف كامل را دارا نيست تابانده شود، نور بازتابش شده و در نتيجه رنگ جسم متفاوت خواهد بود؛ مثلا" جسمي كه در نور سفيد به رنگ سبز ديده ميشود، چنانچه بر آن نور قرمز يا نارنجي بتابانيم تماما" جذب ميشود و چون نور سبز در آن نيست بازتابش نداشته و جسم سياه رنگ ديده خواهد شد.
.
اجزاء يك تغيير شيميايي
معادله واكنشهاي شيميايي فرآيند هر واكنش شيميايي با استفاده از نشانههاي عنصري و فرمولهاي شيميايي، تحت معادلهاي كه "معادله واكنش" ناميده ميشود، نمايش داده مي شود. موادي كه بر هم واكنش ميكنند، واكنشدهنده، مولد يا مواد اوليه خوانده ميشود و آن چه بر اثر واكنش بدست ميآيد، فرآورده يا توليد نام دارد. واكنش كنندهها در سمت چپ معادله و فرآوردهها در سمت راست قرار دارند. پيكان ميان فرآوردهها و واكنشدهنده ها نيز به جاي كلمهي "ميدهد" قرار ميگيرد.)
اين معادله نشان مي دهد كه دو مولكول H2 و يك مولكول O2 با يكديگر شده و دو مولكول آب (H2O) توليد مي شود. ضرايب يا اعداد قبل از هر فرمول ، تعداد مولكول هايي كه از هر كدام در واكنش شركت دارند را نشان مي دهد.
هر گاه دو طرف معادله در عدد آووگادرو(NA) ضرب شود، معادله اي بدست مي آيد كه نشان مي دهد تعداد NA2 مولكول H2 با NA مولكول O2 تركيب مي شود و NA2 مولكول H2O توليد مي گردد، به عبارت ديگر:
براي آنكه قانون بقاي جرم يا ماده اعتبار خود را در جريان واكنش حفظ كند، لازم است كه تعداد مول هاي هر يك از عناصر دخيل در دو طرف واكنش به يك اندازه باشد. در مثال فوق 4 مول از اتم هاي هيدروژن در سمت چپ و 4 مول در سمت راست معادله وجود دارد. پس توازن معادله آن است كه تعداد مول هاي هر يك از عناصر در دو طرف واكنش به يك اندازه باشد.
مي توان اين موضوع را در دو مرحله بررسي نمود:1- نوشتن فرمول:
ابتدا فرمول كليهي واكنشدهندهها در سمت چپ و فرآورده ها در سمت راست نوشته ميشود و با يك پيكان ايندو دسته مواد به هم مربوط شده و معادله كامل ميشود.
گاهي در فرمولها، حالت انبوه ماده ذكر ميشود كه براي اين منظور از يك پرانتز استفاده ميشود كه حرف اول كلمه لاتين مربوط به حالت ماده در آن نوشته ميشود:
(g) براي نشان دادن حالت گاز يا بخار (gas)
(l) براي نشان دادن حالت مايع (liquid)
(s) براي نشان دادن حالت جامد (solid)
(aq) براي حالت محلول در آب (aqueous)2- موازنه كردن معادله:
موازنه بودن معادله به معناي برابر بودن تعداد هر نوع اتم در دو طرف معادله ميباشد. به عنوان مثال، در معادله فوق تعداد مول اتمهاي كربن و گوگرد موازنه شدهاند، يعني در هر طرف يك مول اتم كربن و دو مول اتم گوگرد وجود دارد، اما براي كلر اين موازنه برقرار نميباشد، زيرا تعداد اتمهاي كلر در سمت چپ دو عدد و در سمت راست 6 عدد ميباشد: از اينرو براي موازنه كردن معادله بايد يك ضريب 3 به مولكول كلر داده شود تا موازنه برقرار گردد:
در جدول زير واكنش سوختن پروپان (C3H5) را مشاهده ميفرمائيد.
جلوگيري از اكسيد شدن زنگ زدن فرايندي است كه همواره خسارتهاي فراواني ايجاد ميكند. آهن يك فلز فعال است كه به كمك پارهاي از عوامل از جمله آب، با اكسيژن هوا تركيب شده و آهن اكسيد (III) يا زنگ آهن را پديد ميآورد. زنگ زدن موجب پوسيدگي و خوردگي فلزات ميشود و لازم است راههايي براي جلوگيري از آن انديشيد.
اصولا" اگر اتم هاي آهن با اكسيژن تماس پيدا نكند، زنگ زدن رخ نخواهد داد؛ بنابراين بايد راههايي براي جلوگيري از تماس آهن يا فلزات با اكسيژن پيدا كرد.
يكي از معمولترين راهها رنگ كردن است. تيرآهنهايي كه در ساخت خانهها بكار برده ميشود با ضدزنگ پوشانده ميشود. رنگ زدن بايد منظم و دقيق صورت گيرد و رنگ ثابت بماند، زيرا كنده شدن رنگ سبب از بين رفتن لايه محافظ و درنتيجه زنگ زدن ميگردد.
براي جلوگيري از زنگ زدگي ميتوان پوششي از پلاستيك روي آهن كشيد، آبچكان آشپزخانه نمونهاي از پوشش پلاستيكي روي آهن است.
ابزارهاي چوببري يا قسمتهايي از موتور را كه نميتوان رنگآميزي كرد، با لايه نازكي از روغن يا "گريس" ميپوشانند.
روغنكاري راهي براي جلوگيري از خوردگي فلزات و پوسيدگي آنهايك راه ممكن ديگر ، پوشاندن آهن يا فولاد با فلزي است كه با محيط اطراف واكنش نميدهد و به عبارت ديگر واكنشپذير نيست. اين پوشش ميتواند نوعي تزئين نيز باشد. برخي قسمتهاي اتومبيل از جمله سپرها به وسيله آب كروم پوشانده ميشود. پوشش فلز با روي نيز روش ديگري براي محافظت فلز ميباشد. اين كار را "رويين كردن" يا "گالوانيزه كردن" ميگويند. در شرايط معمولي، فلز روي با آب و كربن دياكسيد هوا واكنش داده، پوشش روي كربنات تشكيل ميشود كه در برابر خوردگي مقاومت بيشتري دارد. اگر پوشش روي خراش بردارد، لايه آهن زيرين زنگ خواهد زد.
قوطيهاي كنسرو را ميتوان از فولادي تهيه كرد كه پوشش نازكي از قلع داشته باشد. چنانچه پوشش قلع خراش بردارد، زنگ زدن آهن زير پوشش قلع ادامه خواهد يافت.
براي جلوگيري از خوردگي و پوسيدگي اسكلههاي آهني، مي توان در كنار هر پايه باريكههاي منيزيم را در آب فرو برد. خورده شدن فلز منيزيم كه واكنشپذيرتر از آهن است، از زنگ زدن فولاد جلوگيري ميكند. هر چند گاه قطعههاي خورده شده منيزيم را عوض ميكنند.
بعضي از خوردگيها مانند تركيبات روي كربنات مفيد هستند، براي مثال آلومينيم در معرض هوا اكسيد ميشود. اكسيد آلومينيم خود مانند يك لايه محافظ عمل كرده و از خوردگي بيشتر جلوگيري ميكند.زنگار روي مجسمهها و تنديسها و پوشش سبز روي بسياري از اشياي برنجي يا برنزي Cu2CO3(OH)2 است كه آن نيز يك پوشش محافظ ميباشد.هنگامي كه آهن در هواي مرطوب قرار مي گيرد آهن با اكسيژن هوا تركيب مي شود و لايه قهوه اي يا نارنجي رنگ بر روي آن تشكيل مي شود كه زنگ آهن يا اكسيد آهن نام دارد.
واكنش گوگرد و آهن آزمايش واكنش آهن وگوگرد از جمله واكنشهايي است كه به ايجاد يك تركيب ميانجامد. انجام دادن اين آزمايش در كلاس و مقايسهي خواص مواد اوليه (آهن و گوگرد) با آهن سولفيد حاصل، در درك مفهوم تغيير شيميايي بسيار مؤثر است. براي دستيابي به پاسخ درست، بهتر است به ازاي هر گرم گوگرد حداكثر 5/1 گرم گردآهن به كار بريد. زيرا در اين واكنش يك اتم آهن با يك اتم گوگرد تركيب ميشود عدد جرمي اتم آهن 56 و عدد جرمي اتم گوگرد 32 است . بنابراين نسبت آهن به گوگرد تقريبا" 5/1 است. جرم فرآورده اين واكنش برابر جرم آهن و گوگردي است كه واكنش دادهاند؛ بنابراين؛ اگر 56 گرم آهن و 32 گرم گوگرد تركيب شده باشد 88 گرم آهن سولفيد به دست ميآيد.
اگر فراورده واكنش فوق يعني آهن اكسيد با گاز ئيدروژن تركيب شود دو ماده جديد يعني آهن و آب پديد مي آيند.
توجه: هميشه واكنش دهنده در سمت چپ واكنش و فراورده در طرف راست واكنش قرار دارد.
برقرارري تعادل در يك معادله شيميايي
برقراري تعادل در واكنش تركيب شدن هيدروژن با كلر و تشكيل كلريدريك اسيد.
تعداد اتم ها در دو طرف واكنش هميشه مساوي است.
سوختن: نوعي تغيير شيميايي است كه طي آن يك ماده اشتعال پذير كه ممكن است يك ماده آلي مانند گاز شهري (متان) و يا يك نافلز مانند گوگرد و يا يك فلز مانند منيزيم باشد به سرعت با اكسيژن تركيب مي شود كه نتيجه آن توليد انرژي (گرما و نور) همراه با تركيبات اكسيژن دار است
سوختن و اكسايش سوختن اكسيد شدن تند است. در پيرامون ما اكسيد شدن تند كه همراه با گرما و نور است و اكسيد شدن كند كه سرد و آرام است، فراوان به چشم ميخورند. اكسيد شدن تند مثل سوختن نوار منيزيم و اكسيد شدن كند مثل زنگ زدن آهن...
آيا ميتوانيد مثالهاي ديگري ذكر كنيد.؟ هر يك چگونه روي ميدهند؟.
انرژي + بخار آب + كربن دي اكسيد ‹----------------------- اكسيژن + گاز متان
انرژي + گوگرد دي اكسيد ‹----------------------- اكسيژن + گوگرد
انرژي + منيزيم اكسيد ‹----------------------- اكسيژن + منيزيم
واكنش عنصر هاي گوناگون با اكسيژن
موضوع چگونگي سوختن نتيجه ي سوختن حل شدن در آب سديم به سرعت با شعله ي زرد مي سوزد جامد سفيد (سديم اكسيد- NaO2) حل مي شود ، محلول قليايي منيزيم به سرعت با شعله اي سفيد و درخشان مي سوزد جامد سفيد (منيزيم اكسيد MgO) به كندي حل مي شود، محلول قليايي ضعيف گوگرد با شعله اي آبي مي سوزد گاز بي رنگ (سولفور دي اكسيد S2O) حل مي شود، محلول اسيدي كربن قرمز و گداخته مي شود و مي سوزد گاز بي رنگ (كربن دي اكسيدCo2) به كندي حل مي شود، محلول اسيدي ضعيف
نگاهي به نظريه فلوژيستون بشر (Becher) شيميدان و پزشك آلماني در سال 1669 نظريهاي دربارهي سوختن ارائه داد. وي در كتاب خود (Subterranca Physica) سه اصل (عنصر) اساسي را در همه مواد نام برد كه عبارت بودند از: جوهر يا خاك ثابت (Fixed Earth)، اصل جامد بودن؛ جوهر جيوهاي (Mercurial Earth) اصل مايع بودن و جوهر آتشگير يا روغني (Inflammable or Oil Earth)، اصل آتشگيري. بر طبق اين نظريه همه مواد سوختني كم و بيش جوهر آتشگير يا روغني دارند كه هنگام سوختن، آزاد ميشود و خاكستر را كه از دو عنصر ديگر، تركيب يافته است، به جا ميگذارد. اشتال (شاگرد بشر) در سال 1703 تفسيري مشروح دربارهي كارهاي بشر نوشت و با اصلاحاتي در آن، نظريهي معروف فلوژيستون را ارائه داد. در سال 1723 كتابي به نام مباني شيمي (Fundamentals of Chemistry) در زمينهي فلوژيستون منتشر كرد.
گئورگ ارنست اشتال (G. E. Stahl) (تولد 1659 م.)، ابتدا استاد پزشكي و سپس استاد پزشكي و شيمي در هاله بود و به عنوان پزشك پادشاهي پروس به برلين دعوت شد. موقعيت برجسته و جذابيت شخصي اشتال به انتشار نظريه اوبسيار كمك كرد. او معتقد بود كه هر ماده سوختني از دو جزء خاكستر و فلوژيستون (از واژه يوناني Phlogistos يا Phlo به معناي آتشگير) تشكيل يافته است. فلوژيستون جزء بسيار سبك، بيبو، بيطعم و قابل انتقال به به ماده سوختني است. هنگامي كه مادهاي ميسوزد فلوژيستون آزاد ميشود و خاكستر كه امروزه اكسيد ناميده ميشود، به جاي ميماند. هر چه فلوژيستون موجود در يك جسم بيشتر باشد، آن جسم براي سوختن مستعدتر است. موادي مانند زغالسنگ، نفت و ... سرشار از فلوژيستون هستند. گاز سوختني نيز همان فلوژيستون است.
هنگامي كه ماده قابل سوختن در هوا ميسوزد، فلوژيستون از آن خارج ميشود و درنتيجه جرم باقيمانده كاهش مييابد، به عنوان مثال:
فلوژيستون + خاكستر
البته هيچگاه در بررسيهاي تجربي و آزمايشگاهي فلوژيستون به دست نيامد.
طرفداران اين نظريه معتقد بودند كه فلز يك ماده مركب و متشكل از فلوژيستون و اكسيد فلز است و هنگاميكه در هوا گرم ميشود، فلوژيستون از آن خارج شده و جذب هوا ميگردد و خود اكسيد فلز باقي ميماند كه يك جسم ساده و عنصر است:
اكسيد فلز
نيز ميتوان از برخي شيميدانهاي آلماني مانند فردريك فون كرل (1744 – 1816) و يوهان كريستيان ويگلب (1732 – 1800) به عنوان افرادي كه ديدگاههاي مشابه اشتال داشتند نام برد. انگليس نيز در پيشرفت اين نظريه نقش مهم و اساسي داشت و پيتر شاو (1694 – 1763) آثار اشتال را به انگليسي برگرداند.
طرفداران فلوژيستون تشكيل آب را چنين توجيه ميكردند: آب مخلوطي از فلوژيستون و هواي آتش است كه آب بر اثر تشكيل شعله از آنها جدا ميشود. از اينرو هنگامي كه مخلوط هواي اشتعالپذير (فلوژيستون) و هواي سوزان در مجاورت شعله يا جرقه قرار ميگيرد، آب خارج ميشود.
اين نظريه تا پيش از نشر نظريه لاووازيه:
- تنها وسيله توجيه واكنشهاي شيميايي و گردآوري آگاهي هاي نسبتا" سودمندي بود.
- سبب رد كامل نظريهي ارسطو و منسوخ شدن اعمال كيمياگري شد.
- سبب طرح مسائل تازهاي شد كه به انديشيدن و پژوهشهاي تازهاي نياز داشت. تماس دانشمندان و برخورد انديشهها و هماهنگي فعاليتهاي آنها را فراهم آورده، ارائه توضيحات قابل قبولي براي بسياري از پديدهها در حد اطلاعات آن زمان را امكانپذير ساخت و دگرگونيهاي نسبتا" مهمي را در شيمي به وجود آورده بود، اما:
- در برخي از موارد توجيهات نادرستي كه به ظاهر پذيرفتني و فريبنده بود، ارائه داد كه تا اندازهاي از كوشش براي يافتن پاسخهاي اساسي براي مسائل علمي مهم روز جلوگيري به عمل آورد.
- هرگز در جدا كردن فلوژيستون، توفيق حاصل نشد، بلكه هيدروژن را كه يك عنصر شيميايي است، فلوژيستون ميپنداشتند.
- بررسيهاي دقيقتري كه به ويژه توسط لاووازيه انجام گرفت، نتايجي به دست داد كه با نظريه فلوژيستون سازگاري نداشت.
- از اينرو، اين نظريه پس از حدود يك قرن، با موانع اساسي روبهرو و سرانجام مردود شناخته شده و به فراموشي سپرده شد.
بررسيهاي لاووازيه نشان ميداد كه سوختن مواد در هوا در حقيقت همان تركيب شدن عناصر موجود آنها با اكسيژن هوا است. وي معتقد بود كه هواي اصلي (اكسيژن) شامل يك ماده اصلي و يك ماده آتشگير است و هنگام سوختن مواد، ماده اصلي جذب آنها شده و سبب افزايش جرم محصولات سوختن ميشود و ماده آتش نيز به صورت گرما يا نور خارج ميشود. اين مسئله با نظريه فلوژيستون مغايرت داشت. به عقيده لاووزيه ميتوان گفت كه نظريه فلوژيستون با يافتههاي آزمايشگاهي سازگاري ندارد و بايد كنار گذاشته شود. وي در مقاله با عنوان ملاحظاتي درباره فلوژيستون گفته است: « همه اين ملاحظات تاييد كننده چيزي است كه گفتهام و ميخواهم آن را ثابت كنم. چيزي كه باز هم آنرا تكرار ميكنم. شيميدانها از فلوژيستون، اصلي ساخته و پرداختهاند كه به كلي نامفهوم و نامعين است و با هر نوع توضيحي جور درميآيد. اين اصل گاهي وزن دارد و گاهي ندارد. گاهي آتش آزاد است، گاهي آتش پيوند يافته با عنصري خاكي، گاهي از منافذ ظرفها عبور ميكند و گاهي ظرفها در برابرش نفوذناپذيرند، شفاف است و شفاف نيست، رنگي است و رنگي نيست. هنگام آن فرا رسيده است كه شيمي را به راهي منطقيتر هدايت كنيم و آنچه را كه مبتني بر واقعيت و مشاهده است را بر آنچه محصول تخيلات و فرضيهها است جدا كرد.»
مجموعه بررسيها و نظريههاي لاووازيه كه سبب رد نظريه فلوژيستون شده بود، به نظريه «آنتي فلوژيستون» مشهور شد. به اين ترتيب نظريه فلوژيستون پس از حدود يك قرن با موانع اساسي روبهرو شد و سرانجام پذيرفته نشد و به فراموشي سپرده شد.
يونان 460 سال پيش از ميلاد، آمپدوكلس
او همواره با نگاه به شعلهي يك چراغ پيه سوز در حيرت ميماند و به دنبال يافتن اين پرسش بود كه چه عاملي سبب سوختن مي شود؟ چگونه اين شعلهي زيبارا به وجود ميآيد؟
همهي مواد از چهار عنصر- خاك، هوا، آتش و آب – تشكيل شدهاند. اگر در قطعهاي از يك ماده، عنصر آتش وجود داشته باشد، در اين صورت اين ماده خواهد سوخت. در چوب عنصر آتش وجود دارد، به اين علت چوب ميسوزد. روغن هم عنصر آتش را دارد و به اين دليل ميسوزد. در سنگ، عنصر آتش وجود ندارد و از اين رو سنگها نميسوزند.
آلمان 1710 ميلادي جورج اشتال
او به هنگام خوردن شام هميشه در اين فكر بود كه چه عاملي سبب سوختن ميشود؟
فلوژستون، بله همهي اجسامي كه ميسوزندفلوژستون دارند. هنگامي كه همه ي فلوژستون موجود در ماده مصرف ميشود يا زماني كه هوا با فلوژستون آزاد شده پر ميشود سوختن متوقف ميشود، زغال فلوژستون دارد پس ميسوزد. سنگ فلوژستون ندارد پس نميسوزد.
فرانسه 1775 ميلادي آنتوان لاووازيه
اكسيژن موجود در هوا با مواد شيميايي واكنش ميدهد و ضمن تركيب شدن با آنها باعث سوخته شدن آنها ميشود.
سوختن:
تند(احتراق):با نور و گرماي شديد همراه است مانند سوختن منيزيم و يا احتراق مواد منفجره
كند(اكسايش):نور و گرماي محسوس ندارد. مانند اكسيد شدن غذا در سلول هاي بدن- زنگ زدن آهن
اكسيد شدن مس
اين گنبد مسي به رنگ سبز در آمده است زيرا مس با اكسيژن هوا تركيب شده و مس اكسيد (CUO) تشكيل شده است. مس اكسيد به آرامي با آب تركيب مي شود و مس هيدروكسيد (Cu(OH)2) را كه سبز رنگ است پديد مي آورد.
سوختن ولفرم
ولفرم يا تنگستن فلزي است كه رشته سيم داخل لامپ هاي حبابي (التهابي) را تشكيل مي دهد. اين فلز در دماي 3410oC ذوب مي شود. در داخل حباب لامپ بدون حضور اكسيژن بر اثر گرما داخل بر افروخته مي شود و نور توليد مي كند، اما تنگستن ملتهب در برابر اكسيژن به سرعت مي سوزد (با اكسيژن تركيب شده پودر سفيد رنگي پديد مي آيد).
آتش بازي
اكسيد شدن تند مواد در آتش بازي ها باعث مي شود تا انرژي پتانسيل نهفته در آنها به صورت گرما، نور و صدا آزاد شود.
بد نيست بدانيد كه گاهي بر اثر كمبود اكسيژن سوختن بصورت ناقص انجام مي شود در اين صورت علاوه بر كربن دي اكسيد و بخار آب مقداري گاز سمي كربن مونوكسيد (Co) هم تشكيل مي شود.
اگر مقدار اكسيژن باز هم كمتر شود مقداري دوده هم تشكيل مي شود . دوده شكلي از كربن است كه بصورت گرد نرمي از سوختن ناقص مواد سوختني حاصل مي شود. از اين فراورده فرعي سوختن، جهت توليد رنگ ، جوهر خودكار ، بارور كردن ابرها و نيز در صنعت لاستيك سازي استفاده مي شود
مشخصات سوخت خوب
آلايندههاي حاصل از سوخت خودروها
1- كربن مونوكسيد: مهمترين آلاينده خروجي از اگزوز اتومبيلها، كربن مونوكسيد ميباشد. اگر اين گاز وارد جريان خون شود، باعث توقف كار انتقال اكسيژن از ششها به سلولهاي بدن ميشود. ازدياد كربن مونوكسيد در خون باعث مرگ ميگردد.
2- هيدروكربنهاي سوخته نشده: بعد از كربن مونوكسيد، هيدروكربنهاي سوخته نشده بزرگترين بخش مضر گازهاي حاصل از سوختها ميباشند. آنها مولكولهاي سوخته نشدهي بنزين هستند كه به علت كمبود اكسيژن در محفظه سوخت، دستنخورده وارد هوا ميگردند. هيدروكربنها بوي بدي دارند و باعث از بين رفتن بافتهاي كبد (جگر) و ايجاد سرطان ميشوند.
3- سولفور دياكسيد: به دليل وجود گوگرد (سولفور) در سوختها پديد ميآيد. به ششها و كيسههاي هوايي آسيب ميرساند. اين گاز در آب باران حل شده و باران اسيدي را ايجاد ميكند. باران اسيدي موجب نابودي درختان، گياهان، ساختمانها و فلزات ميشود.
4- نيتروژن اكسيد: به دليل دماي بالاي هوايي كه از موتور خارج ميشود، نيتروژن با اكسيژن تركيب شده و نيتروژن اكسيد را پديد ميآورد. همانند سولفوردياكسيد، نيتروژن اكسيد نيز به دستگاه تنفسي آسيب ميرساند و باعث ايجاد باران اسيدي ميگردد.
5- دود: دود به طور اصلي حاوي ذرات كربن و سرب است (سرب از سرب تترا اتيل پديد ميآيد، تركيبي كه براي بهسوزي بنزين به سوخت خودروها افزوده ميشود). دود هر چيزي را سياه و كثيف ميكند. علاوه بر اين به ششها آسيب ميرساند. سرب ميتواند فعاليتهاي مغز، به ويژه در كودكان را مختل سازد.
گرماي سوختن سوختن يك جسم، يكي ديگر از انواع واكنشهاست. مادهي اوليهي ديگر اكسيژن است كه معمولا" از هوا گرفته ميشود. تغيير محتواي گرمايي، ، هنگام سوختن يك مول از ماده را گرماي سوختن آن ماده مينامند. در جدول گرماي سوختن، مثالهايي از گرماي سوختن عناصر و تركيبات درج شده است.
توجه كنيد كه گرماهاي سوختن، معمولا" منفي هستند. يعني، از سوختن يك ماده گرما توليد ميشود. براي مثال، از سوختن يك مول متان، CH4، kcal 8/212 گرما توليد ميشود. محصولات سوختن متان با اكسيژن اضافي،(H2O(l و (CO2(gهستند.
مواد سوختني؛ ارزش گرمايي
بسياري از مواد مندرج در جدول گرماي سوختن، اجزاي تشكيلدهندهي سوختها هستند. براي مثال، بيشتر گاز طبيعي از متان، CH4، تشكيل شده است. نفت، مخلوطي از هيدروكربنهاي مايع، بهخصوص اكتان، C8H18، است. زغالسنگ داراي هيدروكربنهاي جامد با جرم مولكولي زياد است. تركيب اين هيدروكربنها شبيه به تركيب نفتالن C10H8، است.
شايد، مهمترين خاصيت يك سوخت، ارزش گرمايي آن باشد. ارزش گرمايي يك سوخت، مقدار گرماي توليد شده از سوختن يك گرم سوخت است. در مورد مواد خالص، ارزشهاي گرمايي را ميتوان از روي گرماي سوختن آنها حساب كرد. به عنوان مثال، متان CH4 ، را در نظر بگيريد. با توجه به جدول ميدانيم كه از سوختن يك مول متان، kcal 8/212 گرما توليد ميشود. جرم مولكولي متان 0/16 = (0/1)4 + 0/12 است. يك مول متان g) 0/16) وزن دارد. بنابراين، ارزش گرمايي CH4 ، عبارت است از:
در جدول زير ارزشهاي گرمايي چندين سوخت درج شده است. بر اساس اين جدول، گاز طبيعي و نفت از سوختهاي مؤثر هستند. متاسفانه منابع نفت و گـاز به سرعت روبه اتمامنــد. شايد، بهتر باشد بيشتر از زغال سنگ كـه ارزش گرمــايي آن درحـدود 60% ارزش گرمايي گاز طبيعي است، استفاده كنيم. احتمال ديگر، استفاده از اتيل الكل يا متيل الكل به جاي نفت است. اين سوختهاي مايع ميتوانند كمكي براي بنزين و حتي جانشين آن باشند. براساس ارزش گرمايي به نظر ميرسد كه اتيل الكل سوخت بهتري باشد. از ميان مواد سوختني جدول زير، چوب بدترين سوخت است كه ارزش گرمايي آن فقط 5/4 kcal/g است. قبل از آنكه خانهتان را با بخاري چوبي گرم كنيد، بايد به اين مطلب توجه داشته باشيد. براي گرم نگه داشتن خود در يك روز زمستاني، بايد مقدار زيادي چوب بسوزانيد. از طرف ديگر، استفاده از چوب، در صورت مجاني بودن آن، باعث ميشود كه مخارج گرمايي شما به طور قابل ملاحظهاي كاهش يابد.
جدول ارزشهاي گرمايي سوختها گاز طبيعي kcal/g 6/11 نفت، به انضمام بنزين kcal/g 3/11 زغال سخت (آنتراسيت) kcal/g 3/7 زغال نرم (بيتومينوس) kcal/g 0/7 اتيل الكل(C2H5OH) kcal/g 1/7 متيل الكل(CH3OH ) kcal/g 4/5 چوب kcal/g 5/4
الاكلنگ آتشين بسازيد.
دو سر يك شمع استوانه اي را صاف كرده، سوزن خياطي بلندي را كاملا از وسط شمع عبور دهيد .
اكنون دو سر سوزن را روي دو پايه مثلا دو ليوان وارونه قرار دهيد بطوري كه شمع بين دو ليوان قرار گيرد حالا دو طرف شمع را روشن كرده به حركت شمع توجه كنيد . علت حركت شمع را تفسير كنيد.
توجه داشته باشيد كه براي وقوع تغيير شيميايي احتراق همواره سه شرط لازم است اين سه شرط را در نمودار مقابل كه به مثلث آتش معروف است مي بينيد.
بديهي است فقدان هر يك از شرايط از وقوع اين تغيير شيميايي جلوگيري مي كند بنابراين هنگام ايجاد حريق به روش هاي مختلف:يكي از اين شرايط را حذف مي كنند اين روشها عبارتنداز :
الف) دور كردن مواد سوختني از اطراف آتش (حذف سوخت) مثل بستن شير گاز
ب) دور كردن (حذف اكسيژن) مثل ريختن ماسه و يا انداختن پتو بر روي آتش
ج) سرد كردن (حذف گرما) مثل پاشيدن آب بر روي آتش
دود و تركيبات حاصل از سوختن سوختها مادهي اصلي همهي سوختهاي مختلف از پارافين شمع تا گاز شهري، هيدرات كربنهايي هستند كه از تجزيه آنها بر اثر گرما هيدروژن و كربن پديد ميآيد.
هيدروژن با اكسيژن هوا تركيب شده بخار آب را به وجود ميآورد.
كرين نيز با اكسيژن هوا تركيب شده كربندياكسيد را پديد ميآورد.
بعضي از سوخت ها از قبيل زغال سنگ و چوب داراي مواد معدني نيز هستند. اين مواد با اكسيژن تركيب نميشوند (نميسوزند) و به صورت خاكستر باقي ميمانند. خاكستر نشانگر مواد معدني است.
دود حاصل از سوختها اگر سياه باشد نشانگر كربن سوخته است. اگر اكسيژن كافي براي سوختن كربن وجود نداشته باشد و يا كربن خوب داغ نشود، بدون آن كه با اكسيژن تركيب شود و بسوزد، وارد هوا ميشود و دود سياه رنگ توليد ميكند.
دود سفيد رنگ ناشي از خاكستر نرم و مواد ديگري است كه به هنگام سوختن به گازهاي بيرنگ تبديل نشدهاند.
گاهي گاز سمي، بيبو و بيرنگ كربن مونواكسيد نيز پديد ميآيد. معمولا" اين گاز سمي هنگام احتراق ناقص پديد ميآيد. در قديم كه كرسيهاي زغالي وسيلهي توليد گرما در شب و روز سرد زمستان به شمار ميرفت. زغال در زير لحاف كرسي بدون اكسيژن كافي ميسوخت و گاز كربنمونواكسيد را به وجود ميآورد به همين دليل اين گاز را "گاز زغال" نيز مينامند.
تغيير هايي كه پس از گرم كردن در بعضي مواد رخ ميدهد
انرژي و تغييرات
تغييرات انرژي در واكنشهاي شيميايي ميدانيم نوع خاصي از انرژي، گرما ناميده ميشود. اكنون ميخواهيم جريان گرمايي كه با تغييرات فيزيكي و شيميايي است همراه است را بررسي كنيم. در اينجا به دو عامل توجه ميكنيم: 1) جهت جريان گرما 2) مقدار گرماي جابجا شده 1) روندهاي گرماده و گرماگير
براي انجام برخي واكنشها به گرما نياز داريم، يعني گرما بايد از محيط جذب شود، اين واكنشها "گرماگير" ناميده ميشوند. واكنشهاي ديگري هستند كه با آزاد شدن گرما همراه هستند. در اين نوع واكنشها، گرماي آزاد شده به محيط اطراف داده ميشود.. اين واكنشها "گرماده" ناميده ميشوند. به عنوان مثال، به تجربه ميدانيد براي جوشاندن آب يا ذوب كردن يخ، گرما بايد صرف شود. ذوب شدن و تبخير از واكنشهاي فيزيكي گرماگير هستند. بسياري از واكنشهاي شيميايي نيز گرماگير هستند.
اغلب واكنشهاي تجزيهاي در دسته واكنشهاي گرماگير جاي ميگيرند. در اين واكنشها نيز مانند ساير واكنشهاي گرماگير، در جريان انجام واكنش، گرما از محيط اطراف جذب ميشود.
واكنشهاي شيميايي گرماده نيز بسيارند. تشكيل يك تركيب از عناصر اوليهاش يا سوختن يك تركيب آلي اغلب واكنشهايي گرماده هستند. در اينجا يك نكته وجود دارد و آن اين است كه اگر يك واكنش و روند معين گرماگير باشد، روند عكس آن (كه در جهت مخالف صورت ميگيرد)، قطعا" گرماده است. به عنوان مثال تشكيل آب از عناصر اوليهاش گرماده است و تجزيه آب به H2 و O2 گرماگير ميباشد.2) تغيير در محتواي گرمايي:
دانستيم كه برخي از واكنشها به نام واكنشهاي گرماده، در جريان انجام شدن، گرما آزاد ميكنند. حال ممكن است بپرسيد كه منبع اين گرما چيست؟ و از كجا ميآيد؟ در يك واكنش گرماگير، گرماي جذب شده چه ميشود؟ با توجه به قانون بقاي انرژي، اين گرما نميتواند ناپديد شود. ميتوان به اين پرسشها به كمك كميتي به نام محتواي گرمايي(H) كه گاهي اوقات به آن "آنتالپي" ميگويند، پاسخ داد. هر سيستم هر چه باشد، داراي يك محتواي گرمايي است؛ يعني شامل مقدار معيني گرما است. محتواي گرمايي يك سيستم در جريان يك تغيير فيزيكي يا شيميايي تغيير ميكند. تغيير محتواي گرمايي، ، همان اختلاف ميان محتواي گرماي محصولات و مواد اوليه است، يعني: مواد اوليه H - محصولات H =
به عنوان مثال، اگر به نمونهاي 10cal انرژي داده شود، محتواي گرمايي آن به همين ميزان افزايش مييابد.
- اگر محتواي گرمايي محصولات بيشتر از محتواي گرمايي مواد اوليه باشد، كميتي مثبت است.
- اگر محتواي گرمايي محصولات كمتر از محتواي گرمايي مواد اوليه باشد، كميتي منفي است.
شكل نموداري اين روابط در زير آمده است:
در حالت كلي ميتوان در مورد هر روند شيميايي چنين گفت:
- در يك روند "گرماگير" گرماي جذب شده، محتواي گرمايي سيستم را افزايش ميدهد و درنتيجه محتواي گرمايي محصولات (به ميزان گرماي گرفته شده) بيشتر از محتواي گرمايي مواد اوليه ميباشد. بنابراين كميتي مثبت ميباشد.
- در يك روند "گرماده" آزاد شدن گرما، سبب كاهش محتواي گرمايي سيستم ميشود و درنتيجه محتواي گرمايي محصولات (به ميزان گرماي آزاد شده) كمتر از محتواي گرمايي مواد اوليه ميباشد. بنابراين كميتي منفي ميباشد. و به طور خلاصه:
واكنشهاي شيميايي:
همانطور كه بيان شد، واكنشهاي شيميايي دو دستهاند: گرماگير و گرماده. اكنون دو واكنش تجزيهي سنگ آهك و نيز تشكيل كربن دياكسيد را در نظر ميگيريم:
علامت مثبت در واكنش اول گوياي آن است كه واكنش گرماگير بوده و محتواي گرمايي محصولات (CaO) و (CO2) به ميزان 42/5 كيلو كالري بيشتر از محتواي گرمايي ماده اوليه (CaCO3) ميباشد.
همچنين علامت منفي در واكنش دوم نشان دهنده گرماده بودن واكنش است و معادله نشان ميدهد كه محتواي گرمايي محصول (CO2) به ميزان 1/94 كيلو كالري كمتر از مواد اوليه ميباشد، يا از سوختن يك مول كربن 1/94 كيلو كالري گرما آزاد ميشود.
- گرماي تشكيل:
يك واكنش كلي شامل تشكيل يك مادهي مركب از عناصر اوليهي آن است. براي تشكيل يك مول مادهي مركب از عناصر سازندهاش را گرماي تشكيل آن ماده مينامند و آن را با براي آن ماده نشان ميدهند. گرماهاي تشكيل معمولا" منفي هستند و به حالت فيزيكي ماده مركبِ تشكيل شده نيز بستگي دارد، به عنوان مثال گرماي لازم براي تشكيل آب مايع، منفيتر از گرماي لازم براي تشكيل بخار آب است، زيرا محتواي گرمايي آن كمتر از بخار آب است.
- گرماي سوختن:
سوختن يك جسم يكي ديگر از انواع واكنشهاست. تغيير محتواي گرمايي، ، هنگام سوختن يك مول از ماده را گرماي سوختن آن ماده ميگويند. گرماهاي سوختن معمولا" منفي هستند، يعني از سوختن يك ماده، گرما توليد ميشود. قوانيني براي بدست آوردن واكنشها با استفاده از جداول مخصوص وجود دارد و نيز در شيمي كاربردهاي فراواني براي تغيير محتواي گرمايي وجود دارد.تغييرات گرماده : تغييراتي هستند كه با از دست دادن انرژي بصورت گرما همراهند در اين گونه تغييرات انرژي واكنش دهنده ها بيشتر از انرژي فراورده هاست.
نور و گرماي حاصل از واكنش سديم با آب
فلز سديم به سرعت با آب واكنش مي دهد بر اثر اين واكنش گاز هيدروژن و محلول سديم هيدروكسيد (سود سوز آور) پديد مي آيد، در اين واكنش گرما و نور زيادي ايجاد مي شود.
تجزيه شدن، يكي از انواع واكنش هاي شيميايي
حرارت دادن جيوه اكسيد كه تركيبي جامد است سبب تجزيه آن به جيوه (مايع) و اكسيژن (گاز) كه دو عنصر مي باشند مي شود.
تركيب شدن، يكي از انواع واكنش هاي شيميايي
وقتي دو عنصر فلزي پتاسيم با عنصر فلز كلر با هم تركيب شوند ماده جديد جامدي ايجاد مي شود كه يك تركيب مي باشد و پتاسيم كلريد نام دارد.
جانشيني ساده، يكي از انواع واكنش هاي شيميايي
ليتيم كه عنصر فلز فعالي به شمار مي آيد در واكنش با آب جاي هيدروژن در مولكول آب را مي گيرد. عنصر هيدروژن كه به حالت گاز است آزاد مي باشد و تركيب ليتيم هيدروكسيد كه يك باز قوي مي باشد پديد مي آيد.
جانشيني دوگانه - مضاعف
وقتي دو محلول نقره نيترات و سديم كرومات با هم مخلوط مي شوند يك واكنش شيميايي روي مي دهد، عنصرهاي فلزي در دو تركيب جايگزين هم مي شوند و نقره كرومات جامد تشكيل مي شود كه در محلول سديم نيترات به وجود آمده رسوب مي كند.
طبقهبندي واكنشهاي شيميايي
صدها نوع واكنش شيميايي متفاوت وجود دارد كه بسياري از آنها را در تقسيمبندي واكنشها به 5 گروه كلي جاي ميگيرند. در ادامه با اين تقسيمبندي آشنا ميشويم:
1- جابجايي ساده (يگانه)
در اين نوع واكنش يك عنصر با عنصر ديگري كه در يك تركيب وجود دارد، جابجا ميشود:
در واكنش فوق عنصر كلر با برم موجود در محلول KBr جابجا ميشود. مثال ديگري كه در اين دسته قرار ميگيرد، واكنش آلومينيم با اكسيد آهن است كه سبب آزاد شدن آهن ميگردد:
2- جابجايي دوگانه (مضاعف)
در اين نوع واكنشها، بخشهاي مثبت و منفي دو مادهي مركب با يكديگر جابجا ميشوند:
مثالي ديگر از اين دسته از واكنشها در زير آمده است:
3- تجزيه
در اين نوع واكنشها، مولكولهاي مواد مركب با گرفتن انرژيهايي از قبيل نور، گرما، تكان مكانيكي يا انرژي الكتريسيته به مواد سادهتر تبديل ميشوند:
4- تركيب (سنتز)
در اين نوع از واكنشها، دو يا چند ماده ساده با هم تركيب شده و ماده جديد پيچيدهتري به وجود ميآورند. ممكن است انتظار داشته باشيم كه واكنشهاي سنتزي، متداولترين روش تهيه مواد مركب جديد باشند، اما برعكس، اين واكنشها جنبه عملي كمتري نسبت به سه روش ديگر دارند.
فرمول كلي اين واكنشها به صورت زير ميباشد:مادهي مركب
5- احتراق (سوختن)
تقريبا" تمام مواد مركب آلي و برخي مواد معدني در هوا ميسوزند. بسياري از آنها به آساني آتش ميگيرند و به اصطلاح اشتعالپذيرند.
وقتي مادهاي ميسوزد درحقيقت با اكسيژن تركيب ميشود، به همين جهت احتراق را واكنش اكسايش نيز مينامند. هيدروكربنها اصليترين گروه مواد آلي هستند كه براي توليد گرما و انرژي از آنها استفاده ميشود. محصولات احتراق يك هيدروكربن در شرايط متعارفي كربن دي اكسيد و بخار آب ميباشد. متان سادهترين هيدروكربن است كه فرمول سوختن آن در زير آمده است:
بوتان يكي ديگر از هيدروكربن ها است كه كپسول هاي گاز مايع عمدتا" از اين ماده تشكيل شده است. فرمول احتراق بوتان به صورت زير ميباشد:
واكنشهاي شيميايي عكاسي
بسیاری از تركيبات شيميايي وجود دارند كه در مقابل نور حساس هستند، يعني در برخورد با پرتوهاي نوراني دچار تغيير ميشوند. برخي از اين تركيبات به ويژه هاليدهاي نقره (مانند كلريد، برميد يا يديد) ميتوانند تصاوير را بر روي كاغذ تثبيت كنند. مجموعهي فرآيندهايي را كه بر پايهي اين گونه خواص قرار دارند را اصطلاحا" عكاسي مينامند. سابقا" براي توليد نور مصنوعي (فلش دوربين) از گرد منيزيم استفاده مي كردند و با مشتعل ساختن آن نور سفيد مورد نياز عكاسي را توليد ميكردند. ولي امروزه لامپهاي مخصوصي وجود دارد كه با باطري، خيلي راحتتر كار نوار منيزيم را انجام ميدهند و از آنجايي كه تكنولوژي زمان نور دادن به فيلم خيلي كوتاه شده است، بدون اينكه بيم تكان خوردن دوربين باشد، ميتوان سر دست عكاسي نمود و از اين رو استعمال سه پايه در عكاسي بسيار كم شده است.
براي تهيهي فيلم عكاسي، نقره برميد را (كه از واكنش نقره نيترات و پتاسيم برميد بدست آمده) پس از شستشو و خالصسازي، در ژلاتين معلق كرده، سپس امولسيون ژلاتين حاصل را ذوب كرده و به صورت صفحهي بسيار نازكي بر روي شيشههاي عكاسي يا فيلم پلاستيكي مينشانند. حساسيت فيلم به تعداد (غلظت) دانههاي نقره برميد بستگي دارد، به طوريكه هر چه دانههاي نقره برميد در امولسيون افزايش يابد، حساسيت فيلم در مقابل نور نيز افزايش مييابد.
فرآيند عكاسي 4 مرحله دارد:
1- نوردهي (عكسبرداري) 2- ظهور فيلم 3- ثبوت فيلم 4- چاپ عكس.
بر اثر نور زياد، نقره برميد تجزيه و به برم و نقره كه سياهرنگ است، تبديل ميشود. براي ديدن اين فرآيند ميتوان يك كاغذ عكاسي نور نديده را در برابر نور قرار داد، پس از ساعتي فيلم سياه شده و ديگر قابل استفاده براي عكسبرداري نميباشد. هنگامي كه عكس برداشته ميشود، نور به كاغذ عكاسي ميخورد، اما اين نور براي تجزيهي ذرات نقره برميد كافي نيست، به طوريكه اگر فيلم مورد نظر در تاريكخانه مشاهده شود، تغيير رنگ يا عكسي روي آن ديده نميشود. ولي ذرات نور ديده مستعد براي تجزيه شدن به برم و نقره هستند و به محض قرار گرفتن در دواي ظهور، ذرات نقره برميد نور ديده تجزيه شده و نقره آزاد ميگردد، درنتيجه عكس ظاهر ميشود. از آنجاييكه در روي فيلم عكاسي، پس از ظاهر كردن، هر چه در عكس سياه بود، سفيد و هر چه سفيد بود، سياه نمايان ميشود، به آن نگاتيو يا تصوير منفي ميگويند.
چنانچه شدت برخورد نور با فيلم طوري باشد كه فقط در نقاط برخورد نقره آزاد شود و در بقيه قسمتهاي نگاتيو، هاليد نقره دست نخورده باقي بماند، اين هاليد نقره باقي مانده در لحظهاي كه فيلم در معرض نور قرار ميگيرد، تجزيه شده و موجب تار شدن و خراب شدن فيلم ميگردد. براي حل اين مشكل بايد هاليدهاي نقرهي احيا نشده توسط داروي ظهور را (كه با نور واكنش نداده و دست نخورده باقي ماندهاند) حذف كرد. به اين مرحله، مرحلهي ثبوت فيلم ميگويند. براي اين كار (در عكاسي سياه و سفيد) از يون تيوسولفات استفاده ميكنند. اين ماده با هاليدهاي نقره واكنش داده و كمپلكس بسيار پايداري بوجود ميآورد كه محلول در آب است. بعد از افزودن يون تيوسولفات (مادهي ثبوت) و درواقع بعد از اينكه عمل ثبوت كامل شد، براي حذف مقدار كمي تيوسولفات باقيمانده در امولسيون بايد فيلم را به اندازهي كافي با آب شستشو داد. در غير اينصورت يون تيوسولفات باقي مانده در فيلم تجزيه شده و با نقره واكنش ميدهد. اين عمل باعث سياه شدن و پايين آمدن كيفيت فيلم ميشود.
عمل چاپ كردن عكس در حقيقت همان برگردانيدن فيلم منفي است، زيرا در عمل چاپ قسمتهاي تيرهي فيلم منفي، روشن و قسمتهاي روشن آن تيره ميشود. فرآيند چاپ شبيه فرآيند فيلم منفي است. كاغذ چاپِ حساس در مقابل نور را بر روي فيلم منفي (شيشهي منفي) قرار ميدهند و از طرف فيلم منفي به كاغذ نور ميتابانند. پس از اين عمل، كاغذ چاپ را ظاهر و تصوير مثبت را بر روي آن تثبيت ميكنند.
يكي از اساسيترين تفاوتهاي بين ساخت فيلم منفي و كاغذ چاپ آن، اندازهي دانههاي موجود در امولسيون مربوط است. دانههاي هاليد نقرهي موجود در كاغذهاي عكاسي در مقايسه با امولسيون فيلم بسيار كوچك است. همين كوچكي باعث ميشود كه از حساسيت كاغذ عكاسي نسبت به نور كم كاسته شود كه اين امر از نظر كنترل زمان ميتواند بسيار مؤثر باشد.
فرآيند عكاسي رنگين نيز به همين صورت ميباشد، با اين تفاوت كه فيلم عكاسي رنگي از سه يا چهار لايهي حساس به سه يا چهار رنگ اصلي بر روي شيشه و يا سلولز ساخته ميشود كه هر لايه به نور با رنگ خاصي حساس است و با آن نور تجزيه ميشود و درنتيجه نگاتيو رنگي با رنگهاي مكمل رنگهاي طبيعي بوجود ميآيد. به اين ترتيب در مرحلهي چاپ، يك عكس رنگي با رنگهاي طبيعي چاپ ميشود.
واكنشهاي هستهاي
واكنشهاي هستهاي با واكنشهاي شيميايي اين تفاوت را دارند كه در واكنشهاي هستهاي، چنانچه واكنش موجب تغيير تعداد پروتونهاي هسته شود، اتمي با عدد اتميِ متفاوت به دست ميآيد، درنتيجه در اين گونه واكنشها احتمال تبديل عنصري به عنصر ديگر وجود دارد، در صورتيكه در واكنشهاي شيميايي اين امكان وجود ندارد. برخي تغييرات هستهاي، به علت ناپايداري نوكلئيدها (هستهها) به صورت طبيعي انجام ميشوند. برخي از هستهها با از دست دادن يك كوانتوم تابش گاما واپاشيده (متلاشي) مي شوند. هستههاي ناپايدار گوناگون ديگر با گسيل يك ذره بدون همراهي يا با همراهي يك كوانتوم متلاشي ميشوند و برخي با "گيراندازيِ – k" واپاشيده ميشوند. متداولترين ايزوتوپ اورانيم است. اورانيم با يك فرآيند طبيعيِ تبديل هستهاي با گسيل يك ذرهي آلفا (اتم هليم) واپاشيده ميشود و به توريم تبديل ميشود. نوكلئيد با گسيل يك ذرهي بتا (الكترون) واپاشيده مي شود و پروتكتينيم به دست مي آيد. فروپاشيهاي متوالي كه با آغاز ميشوند، به سرب كه نوكلئيدي پايدار است، ختم مي شوند. اين امكان نيز وجود دارد كه از داخليترين تراز انرژيِ هسته، يك الكترون جذب شود، اين فرآيند را گيراندازيِ -k مينامند. زيرا در گذشته داخليترين تراز انرژي را ترازِ K ميناميدند. حال يك تبديل هستهاي كه مستلزم گيراندازيِ K است را مورد توجه قرار ميدهيم. نوكلئيد پالاديم از راه گيراندازيِ-k واپاشيده ميشود. عدد اتمي آن يكي كم ميشود و عدد جرمي آن بدون تغيير باقي ميماند، اتم جديد روديم است.
اما پايداري همهي ايزوتوپهاي يك عنصر به يك اندازه نيست. ايزوتوپ پايدار ايزوتوپي است كه هستهي آن خودبخود واپاشيده نشود و هستهي ناپايدار هستهاي است كه خودبخود دچار نوعي تغيير (يكي از اين چهار تغيير: 1- واپاشي با گسيل پرتوي آلفا 2- واپاشي با گسيل ذره ي آلفا 3- واپاشي با گسيل ذره ي بتا 4- گيراندازيِ -k ) شود. قاعدههايي نيز وجود دارد كه ميتوان با آنها ميزان پايداري نوكلئيدها را با هم مقايسه و تعيين كرد.
برخي تبديلات هستهاي طبيعي نيستند، مثل استحالههاي هستهايِ مصنوعي و ساخت عناصر مصنوعي.
ارنست رادرفورد در سال 1919 راجع به تبديل ازت به اكسيژن گزارش داد. به اين شرح كه تبديل، بر اثر تابش ذرات بر ازت صورت مي گيرد (ذرات آلفا از فروپاشي طبيعيِ پلونيم به دست مي آيد). اين استحالهي مصنوعي عنصري به عنصر ديگر بود كه براي نخستين بار مشاهده شد. در سال هاي بعد هزاران فرآيند تبديل هستهاي مورد بررسي قرار گرفت. در واكنش تبديل هستهاي فرض بر اين است كه ذرهي پرتابي (در مورد مثال يك ذره ي آلفا ) ابتدا به وسيلهي هسته جذب ميشود و در آن تحليل ميرود. آنگاه پس از يك لحظه ي كوتاه محصول فرعي از هستهي نوبنياد گسيل ميشود. ) علاوه بر ذرات آلفا ذرات ديگري نيز ميتوانند به عنوان پرتابي عمل كنند، مثلا" نوترونها. با استفاده از نوترونهاي كند ميتوان ايزوتوپهاي عنصرهايي را توليد كرد كه در طبيعت يافت نميشوند. همچنين برخي از هستههاي مصنوعي مصنوعي ساخته شده در اين روش راديواكتيو هستند.
عناصر با عددهاي اتمي بزرگتر از 92 را عناصر ترانس اورانيم يا فرا اورانيم مينامند. هيچ يك از اين عنصرها در طبيعت يافت نمي شوند. اين عناصر با استفاده از بمباران نوتروني و عناصر با عددهاي اتمي بزرگتر از 100 با استفاده از بمباران بوسيلهي هستهي عناصر ديگر به وجود ميآيند. . به عنوان مثال مندليفم از بمباران انيشتينيم به وسيله ي ذرات آلفا به وجود آمده است. بازده كم در توليد و نيمه عمر بسيار كوتاه از ويژگيهاي اين عناصر است كه تاكنون توليد شده اند. اين اتم ها نيمه عمر چند ثانيه اي داشته اند، اما آخرين ايزوتوپ لورنيسم توليد شده داراي نيمه عمر 216 دقيقهاي بوده است. دانشمندان هستهاي تصور ميكنند كه عناصري با عددهاي اتمي بزرگ تا 126 را بتوان توليد كرد.
چون عناصر پرتوزا به وسيله ي تابشهايي كه گسيل ميكنند به آساني رديابي ميشوند، ميتوان از آنها به عنوان ردياب استفاده كرد. رديابها چند كاربرد عملي در شيمي دارند: در تجزيهي كمي و در تعيين مكانيزم واكنشها بسيار به كار گرفته شده اند. براي مثال استفاده از نوكلئيد پرتوزا به مطالعهي فتوسنتز كمك فراوان رسانده است. براي عمرسنجي بعضي از اجسام نيز مي توان از هستهي پرتوزاي طبيعي استفاده كرد.
با استفاده از نيمه عمر يك نوكلئيد، مي توان زمان مرگ موجودات زنده را تا حدود 20000 سال قبل سنجيد. با استفاده از روشي مشابه مي توان زمان تشكيل صخرهها را در گذشتههاي دور سنجيد.
عمرسنجي راديوكربن با استفاده از نسبت به در اجسام قديمي و نيمه عمر ، روشي است كه اغلب براي عمرسنجي اجسام قديمي ساخته شده از پارچه و چوب مورد استفاده قرار ميگيرد.
در پزشكي نيز از اين عناصر راديواكتيو براي تشخيص و درمان استفاده ميشود. به عنوان مثال، يد جسمي است كه در غدهي تيروئيد جمع ميشود، از اين رو براي تشخيص و معالجهي نارساييهاي تيروئيد از پرتوزا استفاده ميشود.
تلاشي (فيسيون) اورانيم 235
تغييرات گرماگير: تغييراتي هستند كه با گرفتن انرژي (گرما) همراهند در اين تغييرات انرژي واكنش دهنده ها كمتر از فراورده هاست
واكنش هاي گرماده و گرماگير
گرماگير (Endothermic): گرما وارد(ENTER) واكنش مي شود. دماي محيط پايين مي آيد.
گرماده (Exothermic):گرما در طول واكنش خارج (EXIT) مي شود. دماي محيط بالا مي رود.
نمودار واكنش گرما گير و گرما ده
انرژي فعال سازي
اگر خودرو ها با سرعت كم با هم تصادم كنند (انرژي كم باشد) آسيب زيادي نمي رسد اما در سرعت بالا (مقدار انرژي زياد) آسيب زياد است. تصادم ذرات ماده نيز وقتي منجر به انجام واكنش مي شود كه با انرژي كافي صورت گيرد. انرژي فعال سازي ( اكيتواسيون ) ناميده مي شود.
.
سرعت واكنش هاي شيميايي : واكنش هاي شيميايي با سرعت هاي متفاوتي انجام مي شوند.
سرعت واكنش شيميايي يعني سرعت توليد فراورده ها و يا سرعت مصرف واكنش دهنده ها به بيان ديگر سرعت واكنش شيميايي يعني «توليد فراورده يا مصرف واكنش دهنده در واحد زمان»
دو نوع ماده منفجره شيميايي وجود دارد High Explosive : يا مواد درجه بالا و Low Explosive يا مواد درجه پائين. مواد درجه بالا در صورت انفجار با سرعت زيادي تبديل به گار ميشوند و شدت انفجار آنها بسيار زياد است. اما بر عكس، مواد درجه پائين نسبتا" كند واكنش ميدهند. مثالهاي خوب ماده درجه بالا C-4 و ماده درجه پائين باروت است. مواد منفجره همچنين از نظر ميزان حساسيت با يكديگر تفاوت دارند. بعضي از اين مواد بقدري حساسند كه حتي نشستن يك پشه روي آنها باعث انفجارشان ميشود و در عوض بعضي از آنها تا 3000 درجه دما را تحمل ميكنند و منفجر نميشوند. مواد منفجره حساس را با احتياط زياد و در مقادير بسيار كم جابجا ميكنند و به همين دليل از چاشني استفاده ميكنند. چاشني (Detonator) وسيلهاي است كه به وسيله حرارت، ضربه يا شوكهاي الكتريكي منفجر ميشود وبه نوبه خود باعث انفجار مواد منفجره با حساسيت كمتر ميشود. يك بمب به صورت كلاسيك از اجزاي زير تشكيل ميشود: چاشني، ماده انفجاري ثانويه و پوشش.
چاشني به وسيله مكانيسم دلخواه از قبيل فتيله، تايمرالكتريكي يا ساعتي منفجر ميشود و خود باعث انفجار ماده اصلي ميشود، اگر ماده منفجره بدون پوشش استفاده شود، شدت انفجار و تخريب آن زياد نخواهد بود و محوطه كوچكي را تخريب ميكند، به همين دليل بمبها را بايد درون پوششهاي فلزي مثل لولههاي فلزي با قطرهاي مختلف قرار داد. ماده منفجره مقدار زيادي گاز آزاد ميكند و چون اين گاز راه فراري ندارد موجب تكهتكهشدن پوشش فلزي ميشود و قطعات تركش با سرعت بالايي به اطراف پرتاب ميشود و آسيب زيادي به اطراف ميزنند.
از پژوهشها چنين برميآيد كه چينيها نختستين ملتي بودند كه باروت را ساختند در حالي كه اروپاييان تا نيمه قرن سيزدهم از آن بيخبر بودند. فرمول باروت در كتابي كه توسط ماركوس گرائيكوس منتشر شد با نسبتهاي سهچهارم شوره (پتاسيم نيترات)، يك هشتم گوگرد و يك هشتم زغال آمده است. معادله واكنش انفجار باروت سياه را ميتوان به صورت زير نوشت:
برخي معادله واكنش انفجار باروت را در فضاي محدود به صورت زير نوشتهاند:
به هنگام انفجار دودي خارج ميشود كه مربوط به ايجاد پتاسيم سولفيد است. اگر در هواي آزاد باروت را بسوزانيم معادل واكنش چنين است:
همانگونه كه مشاهده ميفرماييد در ساخت باروت ماده اصلي نمك پتاسيم نيترات (شوره) ميباشد كه ميتوان آن را از نيتريك اسيد نيز بدست آورد.
كلا" دو نوع باروت وجود دارد، باروت سياه و باروتهاي بدون دود.
در واقع باروت سياه قدرت انفجاري كمي دارد اما حجم زيادي دود ايجاد ميكند.
اما باروت بدون دود يك ماده شيميايي است كه در موقع انفجار، تجزيه شده و در موقع سوختن گازهاي داغ توليد ميكند. اين مادهي جامد به راحتي آتش گرفته و ميسوزد.
همهي باروتهاي سياه داراي فرمول يكساني هستند و به راحتي ميتوان اين ماده را در اندازههاي مختلف تهيه نمود، دانههاي كوچكتر اين باروت سريعتر ميسوزند، بنابراين آنها را براي اسلحههاي اوليه و قابل حمل استفاده ميكردند. از اندازههاي بزرگتر اين مواد براي ساخت بمبها و سلاحهايي كه سرعت سوخت در آنها مهم نيست، استفاده ميكنند.
اما چندين فرمول مختلف براي باروتهاي بدون دود در اندازهها و شكلهاي مختلف وجود دارد.
براي ساخت گلولههاي تفنگ نيز از فلزات فشرده و پرچگالي استفاده ميكنند، فلز مورد استفاده معمولا" سرب ميباشد. در برخي موارد نيز از هستهي سربي به همراه پوشش مسي براي ساخت گلوله استفاده ميكنند. پوشش مسي سبب برد طولانيتر اين گلولهها ميشود.
نوبل مخترع سوئدي كاشف ديناميت و ديگر مواد منفجره پرقدرت بود. آلفرد برنهارد نوبل در سال 1833 در استكهلم پايتخت سوئد به دنيا آمد. پدرش كارخانهاي در سنت پترزبورگ تأسيس كرد كه موفقيت خوبي به همراه داشت و مواد انفجاري و برخي صنايع نظامي ميساخت.
درسال 1863 توانست مكانيسمي پيدا كند كه بتوان انفجار نيتروگليسرين را كنترل كند.
در سال 1963 توانست مكانيسمي پيدا كند كه بتوان انفجار نيتروگليسرين را كنترل كرد.
نيتروگليسرين مايعي بسيار خطرناك بود كه استفاده از آن هيچ قاعدهاي نداشت. طبق طرح نوبل در يك محفظه و با يك كلاهك ميشد زمان انفجارو قدرت تخريب را محاسبه كرد. ضمن اين كه او به مايع گليسرين پودر سياه يا همان باروت را نيز اضافه كرد.
البته اين تحقيقات نميتوانست جلوي خطر نيتروگليسرين را بگيرد و آلفرد خسارات جدي آن را ديد.
در سال 1864 آزمايشگاه او منفجر شد و برادر كوچكش و چند نفر از كارمندان آزمايشگاه كشته شدند. در جستوجوي يك ماده منفجره با امنيت بيشتر، نوبل در سال 1867 كشف كرد كه از مخلوط كردن نيتروگليسرين با يك ماده ديگر به نام «كيسلگوهر» ميتوان ماده منفجرهاي ساخت كه ضريب امنيت و اطمينان بالاتري براي حمل و نقل داشته باشد. نوبل اختراع خود را «ديناميت» نام نهاد كه از كلمه يوناني «ديناميس» به معناي «قدرت» گرفته شده بود.
توجه داشته باشيد كه هر چه انرژي فعال سازي (حداقل انرژي لازم براي شروع واكنش) كمتر باشد سرعت واكنش بيشتر است.
الف) دما :آب از هيدروژن و اكسيژن تشكيل شده است . اين دو گاز در دماي معمولي هرگز با هم تركيب نمي شوند اما اگر مخلوط اين دو گاز را تا حدود 700 درجه سانتيگراد حرارت دهيم بسرعت با هم تركيب مي شوند و آب پديد مي آيد
تاثير دما بر سرعت واكنشهاي شيميايي افزايش دما تقريبا" هميشه باعث افزايش سرعت واكنش ميشود. واكنشهاي پختن با افزايش دما با سرعت بيشتري انجام ميشوند. براي جلوگيري از فساد غذاها، آنها را در يخچال با دماي تقريبي 5 درجه سانتيگراد نگهداري ميكنند. براي اينكه روند فاسد شدن غذا از اين هم كندتر شود، ميتوان آن را در فريزر با دماي 15- درجه سانتيگراد قرار داد.
جانوران خونگرم دماي بدنشان را ثابت نگه ميدارند، همان كاري كه انسان انجام ميدهد. سرعت سوخت و ساز (توليد و مصرف انرژي) اين جانوران مستقل از دماي هوا است. ولي اين مسئله در حيواناتي كه خواب زمستاني دارند متفاوت است. آنها با كاهش دماي بدن خود، سرعت سوخت و ساز را تا مقدار زيادي كاهش ميدهند. چربي بدن به آهستگي مصرف ميشود و اين حيوانات ميتوانند بدون آنكه در زمستان چيزي بخورند، زنده بمانند.
براي ارزيابي تاثير دما بر سرعت واكنش غالبا" از قاعدهاي استفاده ميشود: با 10 درجه سانتيگراد افزايش دما، سرعت واكنش تقريبا" دو برابر ميشود. بنابراين اگر دماي ديگ زودپز از 100 درجه به 110 درجه سانتيگراد افزايش يابد، زمان لازم براي طبخ غذا به نصف تقليل مييابد. همچنين زمان سالم ماندن شير در يخچال 5 درجه سانتيگراد، چهار برابر زماني است كه شير در دماي 25 درجه نگهداري ميشود.
افزايش دما، حركت مولكولها را سرعت ميبخشد و درنتيجه تعداد برخوردها را افزايش ميدهد. اما اثر دما را با استفاده از انرژي فعالسازي بهتر ميتوان توضيح داد.
مي دانيم كه برخورد مولكولها مقدمهي انجام واكنش ميباشد. اما واقعيت آن است كه برخورد مولكولها با انرژي كافي منجر به انجام واكنش ميشود. شكل زير نشان ميدهد كه افزايش دما برخورد (تصادم) مولكولها را زياد كرده است:
اگر حداقل ميزان انرژي لازم براي انجام يك واكنش را انرژي فعالسازي بناميم، ميتوان گفت كه افزايش دما به ميزان كم، تعداد مولكولها با انرژي بالا (انرژي فعالسازي) را به ميزان زيادي افزايش ميدهد.
.
ب) غلظت :با افزايش غلظت برخورد مؤثر بين مولكول هاي واكنش دهنده بيشتر و واكنش سريعتر مي شود نمودار مقابل رابطه غلظت با سرعت را نشان مي دهد
.
اثر غلظت بر سرعت واكنشهاي شيميايي يكي از مسائل واضح در بحث سينتيك يا بررسي سرعت واكنشها اين است كه سرعت واكنش با غلظت مواد اوليه ارتباط مستقيم دارد، به عبارت ديگر افزايش غلظت مواد اوليه، باعث افزايش سرعت و كاهش غلظت مواد اوليه سبب كاهش سرعت واكنش مي گردد. اين مطلب، كند شدن سرعت واكنش با گذشت زمان را توجيه ميكند؛ در ابتدا غلظت مواد اوليه زياد است، درنتيجه سرعت واكنش نيز زياد ميباشد، با پيشرفت واكنش، مواد اوليه مصرف ميشوند و غلظت آنها كاهش مييابد، درنتيجه سرعت واكنش نيز كم ميشود.
براي اينكه واكنشي انجام شود، لازم است دو مولكول با يكديگر برخورد كنند. در غلظتهاي كم، مولكولها از يكديگر دور هستند، درنتيجه براي برخورد با يكديگر بايد مسير زيادي را طي كنند. بنابراين تعداد برخوردها در يك زمان معين كم است و بالطبع واكنش به آهستگي انجام ميشود.
در غلظتهاي بالاتر، مولكولها فاصله كمتري با يكديگر دارند و بنابراين برخوردهاي بين آنها افزايش يافته و درنتيجه سرعت واكنش نيز افزايش مييابد.
در واكنش
انجام واكنش مستلزم برخورد ميان مولكولهاي گازي CO , NO2 ميباشد. چنانچه غلظت CO ثابت نگه داشته شود و غلظت NO2 دو برابر شود، سرعت واكنش نيز دو برابر ميشود. همچنين درصورتيكه غلظت NO2 ثابت نگه داشته شود و غلظت CO دو برابر شود، دوباره سرعت واكنش دو برابر ميشود. پس ميتوان گفت:
(غلظت NO2) × (غلظتCO)اK= سرعت واكنش
در اين معادله K ثابت تناسب است و ثابت سرعت نيز ناميده ميشود.
تئوري تصادم مبناي موفقي را براي درك اثر غلظت بر روي سرعت واكنش ارائه ميدهد. بر مبناي اين تئوري به همان صورت كه افزايش تعداد اتومبيلها در يك جاده، احتمال تعداد تصادفات كوچك را زياد مي كند، افزايش تعداد ذرات در يك حجم معين نيز تعداد تصادم مولكولها را زياد ميكند و هر چه تصادمها فزوني يابد، سرعت واكنش نيز زيادتر ميشود.
در واكنش بين گازها ميتوان غلظت يكي از مواد واكنشدهنده را با اضافه كردن مقداري از آن ماده به مخلوط زياد كرد و در صورتيكه بخواهيم غلظت همه اجزاي گازي را در يك زمان افزايش دهيم، ميتوانيم حجم مخلوط را كم كنيم. اين عمل غلظت مواد تشكيل دهنده را بالا ميبرد و درنتيجه سرعت واكنشهايي كه در آن محيط روي ميدهند، افزايش مييابد. در واكنش ميان فلز روي (جامد) و سولفوريك اسيد (مايع) واكنش در سطح فلز روي صورت ميگيرد كه سطح مشترك بين دو فاز مي باشد. هر چه سطح بيشتري در معرض واكنش قرار گيرد، واكنش سريعتر انجام ميگيرد. افزايش مساحت باعث افزايش تعداد مولكولهاي سطحي در همان محدوده ميشود. پس هر چه سطح بيشتري در معرض واكنش قرار گيرد، غلظت بيشتر ميشود. به عبارت ديگر افزايش مساحت سطح بر سرعت واكنش ميافزايد.
افزايش فشار بر روي گاز در دماي ثابت، به كاهش حجم اشغال شده به وسيلهي مولكولها منجر ميشود و چون تعداد بيشتري مولكول در واحد حجم حضور خواهند داشت، غلظت افزايش مييابد. بنابراين افزايش فشار يك گاز نيز سبب افزايش سرعت واكنش ميگردد.
انرژي لازم براي شروع يك واكنش (انرژي فعالسازي)
يك واكنش اگر گرماده هم باشد، براي شروع به مقداري انرژي نياز دارد و به كمترين مقدار انرژي لازم براي شروع يك واكنش انرژي فعالسازي ميگويند. هنگامي كه سر يك چوب كبريت را بر روي قوطي كبريت ميكشيد بر اثر اصطكاك سر چوب كبريت گرم ميشود. اين گرما انرژي لازم براي آتش گرفتن سر كبريت را فراهم ميكند. هنگامي كه كبريت روشن شد، يك واكنش گرماده صورت ميگيرد و گرماي آزاد شده براي گرم كردن واكنشدهندهها و ادامهي واكنش كافي است.
ج) كاتاليزگر:
موادي هستند كه سرعت واكنش هاي شيميايي را افزايش مي دهند اما خود دچار تغيير شيميايي نمي شوند و در پايان واكنش دست نخورده باقي مي مانند مثلا هيدروژن پراكسيد (آب اكسيژنه) در گرما و نور به آب و گاز اكسيژن تجزيه مي شود افزودن زنگ آهن سرعت تجزيه شدن را افزايش مي دهد. اگر مقداري گرد دي اكسيد منگنز به آب اكسيژنه اضافه كنيم سرعت واكنش بحدي افزايش مي يابد كه شروع به جوشيدن مي كند و گرماي قابل ملاحظه اي ازاد مي شود.(واكنش گرماده
نقش كاتاليزور در توليد روغنهاي نباتي جامد روغنهاي نباتي در اصل به صورت مايع بدستميآيد كه به همان صورت نيز قابل مصرف ميباشد ليكن دوام آنها نسبت به روغنهاي جامد كمتر است و زودتر فاسد ميشوند. همچنين در موقع سرخ كردن غذا كه روغن به دماي بيش از صد درجه ميرسد پايداري روغنهاي جامد بيشتر است و ديرتر تجزيه ميشود به اين دليل مقدار زيادي از روغنهاي مايع را از راه تركيب شيميايي با گاز هيدروژن به صورت جامد درميآورند و روي قوطي يا حلب محتوي آنها معمولا" كلمه «هيدروژنه» نوشته ميشود.
تركيب شدن گاز هيدوژن با روغن مايع نياز به كاتاليزور دارد .اين كاتاليزور ذرات فلز نيكل است كه روي پودرهاي سيليسي مانند دياتوميت نشانده (چسبانده) شده است. پودر كاتاليزور با روغن مايع مخلوط و هيدروژن در آن دميده ميشود. پس از انجام واكنش كاتاليزور را از روغن جدا ميكنند.
براي توجه به اهميت نقش كاتاليزور بايد دانست كه در اين واكنش بايد ابتدا ملكول هيدروژن شكسته شده به هيدروژن اتمي تبديل گردد. آنگاه اتم هيدروژن خواهد توانست با ملكول روغن تركيب گردد. نقش كاتاليزور اين است كه ملكول دو اتمي هيدروژن را شكسته و هر اتم نيكل با يك اتم هيدروژن پيوندي ناپايدار تشكيل ميدهد. در مرحله بعد هيدروژن اتمي از نيكل جدا و با ملكول روغن تركيب ميگردد. ملكولهاي جديد داراي نقطه ذوب بالا بوده و در دماي محيط تقريبا" جامد ميباشند كه محتواي روغن جامد عرضه ميگردد.
انرژي فعالسازي (اكتيواسيون) و كاتاليزگرها انرژي فعالسازي، انرژي لازم براي تشكيل يك ماده حد واسط بين فرآورده و واكنشدهنده بنام «كمپلكس فعال» است. تشكيل كمپلكس فعال از مواد واكنشدهنده، فرآيندي انرژيگير است كه از اين انرژي به نام انرژي فعالسازي نام برده ميشود. بنابراين هر عاملي كه سبب شود سريعتر به انرژي فعالسازي و تشكيل كمپلكس فعال برسيم، سرعت واكنش را زياد خواهد كرد. نقش كاتاليزگرها نيز همين است و بخصوص در مورد واكنشهايي كه انرژي فعالسازي آنها زياد است و در نتيجه واكنش با سرعت كمي انجام ميشود. كاتاليزگر راهي سريعتر براي رسيدن به كمپلكس فعال و كم كردن انرژي فعالسازي ايجاد ميكند كه نتيجه آن افزايش سرعت واكنش است. براي مثال انرژي فعالسازي واكنش تجزيه N2O برابر با 250 است.
اين مقدار انرژي، انرژي فعالسازي بالايي است. از اين رو سرعت اين تجزيه بدون دخالت كاتاليزگر بسيار كم است.
در مقابل، وقتي N2O با سطح طلا در تماس قرار گيرد با سرعت بسيار بيشتري تجزيه ميشود. در اين جا طلا به عنوان يك كاتاليزگر جامد عمل ميكند. تجربه نشان ميدهد كه انرژي فعالسازي واكنش ياد شد، در مجاورت طلا در حدود 120 است. كم شدن انرژي فعالسازي واكنش در مجاورت طلا از 250 كيلوژول بر مول به 120 كيلوژول بر مول سبب صدها هزار برابر شدن سرعت تجزيه N2O ميشود.
واكنشهاي كاتاليز شده به دو دسته تقسيم ميشوند : همگن و ناهمگن.
واكنشهاي كاتاليز شدهي همگن آنهايي هستند كه واكنشدهندهها و كاتاليزگر در يك فاز قرار دارند. براي نمونه تجزيه هيدروژن پراكسيد با دخالت يونهاي آهن (II) يا آهن (III) يك واكنش كاتاليز شدهي همگن است. واكنشهاي كاتاليزشدهي ناهمگن آنهايي هستند كه واكنشدهندهها و كاتاليزگر دو فاز متفاوت را تشكيل ميدهند. براي نمونه، تجزيه گاز N2O روي طلا يك واكنش كاتاليز شدهي ناهمگن است.
نكته مهم در بررسي يك واكنش توجه به اين مطلب است كه در يك واكنش شيميايي هيچ اتمي تلف نميشود. به عبارت ديگر بعد از انجام گرفتن واكنش، از هر نوع اتم به همان تعداد كه پيش از آن وجود داشت موجود خواهد بود. در واقع اصل موازنه معادله شيميايي نيز بر همين اساس است يعني در جريان يك واكنش شيميايي، اتمها از بين نميروند و بوجود نميآيند بلكه از وضعي به وضع ديگر نوآرايي پيدا ميكنند. به اين ترتيب جرم در طول يك واكنش شيميايي ثابت باقي خواهد ماند. اين مطلب بيانگر قانون پايستگي جرم در واكنشهاي شيميايي است كه اولين بار توسط لاووازيه ارائه شد.
در اثر سوختن بنزين در موتور خودروها گازهاي آلاينده هوا از قبيل كربن مونوكسيد كه گازي سمي است، نيتروژناكسيد و هيدروكربنهاي نسوخته پديد ميآيند. كاتاليزگرهايي موسوم به "مبدلهاي كاتاليزوري"در اگزوز خودروها وجود دارند كه باعث ميشوند گازهاي فوق به گازهايي بيخطر به ترتيب، كربندياكسيد، نيتروژن، كربندياكسيد و بخار آب تبديل شوند.
به عنوان مثال نيتروژن اكسيد در سطح كاتاليزگرها به گازهاي نيتروژن و اكسيژن تجزيه ميشود و سپس مولكولهاي نيتروژن و اكسيژن را پديد ميآورند. نيتروژن و اكسيژن هر دو از گازهاي موجود در هوا ميباشد.
آنزيمها هر موجود زنده درست مانند يك كارخانهي توليد مواد شيميايي يا مواد غذايي و ... ميباشد. در داخل سلولها سوختوسازي صورت ميگيرد كه به متابوليسم معروف است. نتيجهي اين فعاليتها، توليد ساختارهاي سلولي، درهمشدن ساختارهاي مولكولي بزرگ، استفاده از انرژي مواد غذايي و دفع مواد زايد غذاها ميباشد. متابوليسم يك موجود زنده مجموع واكنشهاي شيميايي است كه در سراسر بدن موجود زنده رخ ميدهد. اين واكنشها همچون ديگر واكنشهاي شيميايي خودبخود صورت نميگيرند و نيازمند انرژي و كاتاليزگرهايي كه آنزيم ناميده ميشوند، هستند تا واكنشها به شكل مناسب و در دماي پايين صورت گيرند.
آنزيمها مولكولهاي پروتئيني پيچيدهاي هستند كه به طور كاملا" اختصاصي عمل ميكنند، يعني آنها تنها با يك مولكول (ماده) خاص واكنش ميدهند. اين ماده، زمينه يا سوبسترا خوانده ميشود كه در مقايسه با آنزيم بسيار كوچك است. با پايان يافتن واكنش، سوبسترا آزاد ميشود و آنزيم آمادهي پذيرش مولكول زمينه يا سوبستراي ديگر ميشود.
آنزيمها معمولا" پسوند "آز" دارند، به عنوان مثال آنزيم مالتاز، مالتوز (قند شير) را به دو مولكول گلوكز (قند ساده) هيدروليز ميكند.
در ابتدا تصور ميشد كه مولكول آنزيم و مولكول زمينه (سوبسترا) بايد مانند يك قفل و كليد با يكديگر جفتوجور شوند، اما پژوهشهاي جديد نشان ميدهد كه ربايش اجزاي قطبي هر مولكول آنزيم و سوبسترا به اجزاي قطبي مولكول ديگر، ممكن است موجب اندكي تغيير شكل هر دو مولكول شود تا بتوانند با يكديگر بيشتر جفتوجور شوند. تغيير شكل سوبسترا، آن را مستعد ميسازد تا جذب مولكول ديگر شود.
معروفترين آنزيمها، آنزيمهاي گوارشي هستند كه يكي از آنها به نام پتيالين در بزاق و ديگري به نام پپسين در شيرهي معده يافت ميشود. وظيفهي مشترك اين دو آنزيم، تسريع شكستن مولكولهاي بزرگ موادي مانند نشاسته و پروتئين ميباشد.
نمودار الف تجزيه اين ماده بدون حضور كاتاليزگر و نمودار ب تجزيه اين ماده با حضور كاتاليزگر را نشان مي دهد.
د) سطح تماس:با افزايش سطح تماس سرعت واكنش زياد تر مي شود به همين علت است كه خاك اره سريعتر از تنه درخت مي سوزد و يا خوب جويدن غذا هضم آن را آسانتر مي كند
اثر سطح تماس بر سرعت واكنشهاي شيميايي سرعت واكنشهاي شيميايي جامدات معمولا" با افزايش سطح تماس، زياد ميشود. براي افروختن آتش به جاي استفاده از كندههاي بزرگ چوب و يا زغالهاي درشت، از تراشههاي چوب و خردهزغالها استفاده ميشود. آهن نميسوزد، اما با پاشيدن پودر آهن بر روي شعلهي يك چراغ الكلي ميتوان شاهد گداخته شدن ذرات بسيار كوچك (پودر آهن) بود.
افزايش سطح تماس باعث مي شود كه واكنش با اكسيژن هوا سريعتر صورت گيرد. اگر جامدي در جهت انجام واكنش، به صورت پودر درآورده شود، سرعت واكنش حتي از ميزان مورد نظر نيز بيشتر ميشود. آتشسوزيهاي وسيع ناشي از جرقهاي كوچك در يك كارخانه چوببري ناشي از بالا بودن سرعت سوختن خاكارهها ميباشد.
علت افزايش سرعت واكنش بر اثر افزايش سطح تماس بسيار ساده و روشن است. در جامدات، واكنش بايد در سطح جامد صورت گيرد، زيرا تنها ذرات موجود در سطح در معرض ماده اوليه ديگر قرار ميگيرند. ذرات (مولكولها يا يونهايي) كه در سطح ماده قرار دارند، به مراتب كمتر از كل ذراتي هستند كه در كل يك مكعب جامد وجود دارد. در مكعبي به ضلع 1 سانتيمتر، از هر 108 مولكول، تنها يك مولكول در سطح قرار ميگيرد. ساير مولكولها در داخل مكعب پنهان شدهاند و در واكنش شركت نميكنند.
چنانچه جامد به قطعات كوچك تقسيم شود، سطح تماس افزايش مييابد. به عنوان مثال اگر مكعب 1Cm3 ي به هشت مكعب تقسيم شود، هر ضلع آن 5/0 سانتيمتر خواهد بود كه سطح تماس را دو برابر ميكند. شكل زير اين موضوع را نشان ميدهد:
در اين حالت تعداد مولكولهايي كه در معرض تماس با ماده اوليه ديگر هستند، دو برابر ميشود. اگر اين روند ادامه يابد تا به ابعاد مولكولي 8-10 سانتيمتر رسيد، واكنش ميتواند بسيار سريع و فوري انجام شود. به عنوان مثال واكنش ميان سرب نيترات Pb(NO3)2 و پتاسيم يديد KI كه هر دو جامدي سفيد رنگ هستند را در نظر بگيريد. بر اثر واكنش اين دو تركيب، جامد زردرنگي به نام سرب يديد PbI2 پديد ميآيد. اگر مواد اوليه داراي بلورهاي درشت باشند، زمان زيادي طول ميكشد تا مادهي زردرنگ پديد آيد.
چنانچه مخلوط جامد در آب حل شود، يونها آزاد ميشوند و همهي يونهاي Pb+2 و -I براي انجام واكنش در دسترس قرار ميگيرند، در اينصورت واكنش به سرعت انجام ميشود.
به طور كلي واكنش بين يونهاي محلول با بار مخالف بسيار سريع انجام ميشوند:
.
فعاليت:
مقداري پر منگنات پتاسيم را روي تكه اي كاشي يا سنگ بريزيد . چند قطره گليسرين روي آن بچكانيد و چند لحظه صبر كنيد.
بار ديگر همين آزمايش را انجام دهيد اما اين بار قبل از چكاندن گليسرين ، پرمنگنات را در هاون كاملا نرم كنيد.
تفاوت نتيجه اين مرحله با مرحله قبل را تفسير كنيد.
تذكر: اين آزمايش را با احتياط و زير نظر بزرگتر ها انجام دهيد.
توضيح مفهوم انرژي و تغييرهاي فيزيكي و شيميايي تعريف كلي انرژي را ميتوان توانايي انجام كار بيان كرد كه آنرا به دو دسته كلي انرژي مكانيكي و انرژي غيرمكانيكي تقسيم ميكنند.
همان طور كه در نمودار بالا مشاهده ميشود انرژي شيميايي يكي از انواع انرژي غير مكانيكي است. البته تمامي انواع انرژي اعم از مكانيكي و غيرمكانيكي ميتوانند به كار تبديل شوند. مثلا" انرژي شيميايي موجود در مواد غذايي در داخل بدن موجب حركت عضلات و اعضاي بدن ميشود و يا از سوختن زغال يا چوب انرژي شيميايي به انرژي گرمايي تبديل ميشود زيرا فرآيند سوختن يك واكنش شيميايي است كه در آن مواد تشكيل دهنده زغال يا چوب با اكسيژن هوا تركيب شده، گرما آزاد ميكنند. به طور كلي هر نوع پيوندي ميان اتمهاي مختلف سازندهي ملكول يك جسم، نوعي انرژي به نام انرژي شيميايي دارد كه مقدار آن به نوع اتمها و نحوهي قرارگرفتن آنها در ملكول بستگي دارد. مثلا" وقتي دو اتم اكسيژن به اندازهي كافي به هم نزديك شوند بين آن دو اتم پيوند بوجود ميآيد و ملكول اكسيژن حاصل ميشود. در واقع بين دو اتم اكسيژن در ملكول اكسيژن، انرژي ذخيرهاي وجود دارد كه به آن انرژي شيميايي ميگويند. در يك واكنش شيميايي در واقع اتصال اتمها به يكديگر در واكنشدهندهها دستخوش تغيير ميشود و در نتيجه انرژي شيميايي فرآوردههاي واكنش با انرژي شيميايي واكنشدهندهها تفاوت پيدا ميكند. به عنوان مثال در واكنش كلر با گاز هيدروژن، فرآوردهي واكنش يعني كلريد هيدروژن در مقايسه با واكنشدهندهها (كلر و هيدروژن) پيوندهاي كاملا´متفاوتي دارند و از اين رو انرژي شيميايي آنها متفاوت است.
طبق قانون پايستگي انرژي، انرژي كل همواره ثابت است. بنابراين اين پرسش مطرح ميشود كه با توجه به متفاوت بودن انرژي شيميايي فرآورده با انرژي شيميايي واكنش دهنده اين اختلاف انرژي به چه صورت ظاهر ميشود؟
تجربه نشان ميدهد كه وقتي اين دو گاز با هم واكنش ميدهند گرماي زيادي حاصل ميشود. بنابراين در واكنش فوق اختلاف انرژي شيميايي ميان فرآورده و واكنشدهنده به صورت گرما ظاهر ميشود. واكنشهايي نظير اين واكنش و واكنش سوختن متان را كه طي آن انرژي گرمايي ايجاد ميشود «گرماده» ميگويند. در اين واكنشها سطح انرژي شيميايي فرآوردهها كمتر از انرژي شيميايي واكنشدهندههاست. در واكنشهايي كه سطح انرژي شيميايي فرآوردهها بيشتر از واكنشدهندهها باشد، براي انجام چنين واكنشي بايد مقداري گرما به اجزاي واكنشدهنده داده شود و لذا اين واكنشها را «گرماگير» گويند.
در حقيقت در تمامي واكنشهاي شيميايي چه گرماده و چه گرماگير براي شروع واكنش نياز به انرژي اوليه است كه به اين انرژي اوليه، انرژي فعال سازي يا انرژي اكتيواسيون ميگويند.
قانون پايستگي جرم:
لاوازيه در سال 1782 به اين نتيجه رسيد كه وقتي ماده اي به ماده ديگر تبديل مي شود وزن كلي آن تغيير نمي كند . به عبارت ديگر در يك تغيير شيميايي همواره مجموع جرم واكنش دهنده ها برابر مجموع جرم فراورده هاست يعني جرم ثابت باقي مي ماند.مثلا از سوختن چوب در هوا، موادي مانند كربن، دود، خاكستر، بخار آب و ... پديد مي آيد جرم كربن، دود ، خاكستر ، بخار آب و هواي مصرف شده برابر جرم چوب اوليه خواهد بود.
و يا اگر 4 گرم آهن و 7 گرم گوگرد را با هم حرارت دهيم حتما 11 گرم آهن سولفيد حاصل مي شود
نمايشي از قانون پايستگي جرم
پايستگي جرم در واكنش هاي شيميايي
جرم مواد اوليه (قبل از واكنش) با جرم فراورده هاي واكنش (محصولات بعد از واكنش) با هم مساوي است.
مقدار جرم در واكنش هاي شيميايي
اگر نسبت مواد اوليه به محصولات واكنش مشخص باشد با داشتن مقدار مواد موجود در هر يك از دو طرف يك معادله شيميايي مقدار مواد ديگر قابل محاسبه مي باشد (استوكيومتري).
.
پايستگي جرم در واكنش جانشيني ساده
در اين واكنش منيزيم (Mg) جاي مس (Cu) را در مس اكسيد مي گيرد.
جرم واكنش دهنده ها و فراورده ها مساوي است.
