تغییرهای شیمیایی در خدمت زندگی — علوم تیزهوشان هشتم (استعداد درخشان)

تغییرهای شیمیایی در خدمت زندگی (علوم تیزهوشان هشتم)

سوختن گاز در اجاق، زنگ زدن آهن، هضم غذا، روشن شدن گوشی با باتری و پرواز موشک همه تغییر شیمیاییاند. شناخت این تغییرها و انرژی آنها کمک می‌کند سوخت مناسب انتخاب کنیم، آتش را درست خاموش کنیم و خطر کربن مونوکسید را بفهمیم.

سه نوع تغییر

تغییر فیزیکی ظاهر ماده (شکل، اندازه یا حالت) را عوض می‌کند، اما ساختار مولکولی و ماهیت ثابت می‌ماند؛ ذوب یخ و بخار شدن آب نمونه‌اند و همواره با دادن یا گرفتن انرژی همراه‌اند. در تغییر شیمیایی یک یا چند ماده به مادهٔ دیگری تبدیل می‌شوند؛ این تغییر ممکن است مثل زنگ زدن آهن بسیار کند یا مثل انفجار بسیار سریع باشد. در هیچ‌کدام اتم‌ها پدید نمی‌آیند و از بین نمی‌روند؛ در تغییر شیمیایی فقط چگونگی اتصال اتم‌ها به هم عوض می‌شود. در تغییر هسته‌ای ماهیت خود اتم‌ها عوض می‌شود و انرژی بسیار زیادی مبادله می‌شود که با هیچ تغییر شیمیایی قابل مقایسه نیست؛ قدرت بمب اتمی و انرژی خورشید از همین نوع است. تغییر شیمیایی به الکترون‌ها و پیوندها مربوط است و تغییر هسته‌ای به هستهٔ اتم. سوختن یک گرم بنزین حدود $46\,\text{kJ}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و شکافت کامل یک گرم اورانیوم-۲۳۵ حدود $8\times10^{7}\,\text{kJ}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی انرژی می‌دهد؛ یعنی حدود $1.7\times10^6$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی برابر.

نشانه‌های تغییر شیمیایی

• تغییر رنگ: زنگ زدن آهن (اما رنگ کردن یک ماده با رنگ دیگر تغییر شیمیایی نیست).
• تغییر بو و مزه: گوشتی که بیرون یخچال مانده یا میوهٔ فاسد.
• ایجاد حباب گاز: سنگ مرمر در اسید: $\text{CaCO}_3+2\text{HCl}\rightarrow\text{CaCl}_2+\text{H}_2\text{O}+\text{CO}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی.
• تشکیل رسوب یا لخته: میخ آهنی در محلول مس (II) سولفات: $\text{Fe}+\text{CuSO}_4\rightarrow\text{FeSO}_4+\text{Cu}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی؛ مس قرمز-قهوه‌ای روی میخ می‌نشیند و رنگ آبی محلول کم‌رنگ می‌شود.
• تغییر دما، نور و صدا: گرما و نور سوختن، صدای انفجار.

نشانه‌های دیگر: تغییر رسانایی یا pH، دود و دوده و کدر یا شفاف شدن محلول. هیچ نشانه‌ای به‌تنهایی قطعی نیست و همه در تغییرهای فیزیکی هم دیده می‌شوند: روی اکسید با گرما زرد و با سرما سفید می‌شود، آب جوش حباب دارد، عطر بخار می‌شود و بو می‌دهد، حل شدن برخی نمک‌ها دما را عوض می‌کند، شکر از محلول سیرشده متبلور می‌شود و سیم داغ لامپ رشته‌ای نور می‌دهد. معیار قطعی، ساخته شدن مادهٔ جدید است. پنج تغییر شیمیایی با نشانه‌ها: سوختن شمع (نور، گرما، دوده)، زنگ زدن آهن (رنگ قهوه‌ای-نارنجی)، ترش شدن شیر (بو، مزه، لخته)، جوش‌شیرین و سرکه (حباب $\text{CO}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و سرد شدن) و پختن تخم‌مرغ (تغییر رنگ و سفت شدن).

انرژی شیمیایی

ما برای گرم کردن خانه، صنعت و حتی درون بدن به انرژی حاصل از تغییرهای شیمیایی نیاز داریم. در تغییر شیمیایی انرژی از شکلی به شکل دیگر تبدیل می‌شود و بیشتر به صورت گرما و گاهی نور یا صدا ظاهر می‌شود. واکنش گرماده انرژی آزاد می‌کند و دما بالا می‌رود (سوختن، تنفس سلولی، خنثی شدن اسید و باز) و واکنش گرماگیر انرژی جذب می‌کند و دما پایین می‌آید (فتوسنتز، تجزیهٔ آب با برق، کیسهٔ سرمازای کمک‌های اولیه، جوش‌شیرین و سرکه).

سوختن و هوا

مواد سوختنی انرژی شیمیایی زیادی دارند که در واکنش با اکسیژن آزاد می‌کنند. غذا هم نوعی سوخت است: قندها در بدن با اکسیژن می‌سوزند، اما تنفس سلولی این واکنش را کنترل می‌کند تا بدن شعله‌ور نشود: $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6+6\text{O}_2\rightarrow6\text{CO}_2+6\text{H}_2\text{O}+\text{energy}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی.

هوا حدود ۷۸٪ نیتروژن، ۲۱٪ اکسیژن، ۰٫۹۳٪ آرگون و حدود ۰٫۰۴٪ کربن دی‌اکسید دارد، به همراه مقدار کمی نئون، هلیم، متان و بخار آب متغیر. مهم‌ترین تغییر ۲۰۰ سال اخیر افزایش $\text{CO}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی است: از حدود ۲۸۰ ppm پیش از انقلاب صنعتی به حدود ۴۲۰ ppm، یعنی $\frac{420-280}{280}\times100=50$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی درصد؛ متان و دی‌نیتروژن مونوکسید هم زیاد شده‌اند و نیتروژن و اکسیژن تقریباً ثابت مانده‌اند. علت: سوزاندن سوخت‌های فسیلی، قطع جنگل‌ها و صنعت و کشاورزی (متان دامداری و شالیزار). اتاقی $5\times4\times3$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی متری، $60\,\text{m}^3$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی هوا و حدود $12.6\,\text{m}^3$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی اکسیژن دارد.

انتخاب سوخت مناسب

در انتخاب سوخت باید به مقدار انرژی، قیمت، میزان دسترسی، راحتی استفاده و انبار کردن و آلودگی زیست‌محیطی توجه کرد. انرژی تقریبی هر گرم: گاز طبیعی $54.6$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، نفت $47.9$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، زغال $33.6$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و چوب $16.8$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی کیلوژول؛ هیدروژن حدود $142$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی. در غذاها: شکر $16.8$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، کره $30.2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، شکلات $22.2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، گوشت $9.4$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، پنیر $4.5$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، انگور $2.9$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و کرفس $0.6$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی کیلوژول بر گرم. گاز طبیعی برای خانه بهترین است: انرژی زیاد در هر گرم، انتقال با لوله بی‌نیاز از حمل و انبار، آلودگی کمتر از زغال و نفت، ارزانی و فراوانی در ایران و کنترل آسان با شیر گاز. چوب تجدیدپذیر ولی کم‌انرژی و دوددار است و زغال دوده و $\text{CO}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی می‌سازد. هیدروژن بیشترین انرژی را دارد و فقط آب می‌سازد، اما تولید و ذخیره‌اش دشوار و انفجاری است.

پس از خوردن قند ورزش توصیه می‌شود، چون انرژی زیاد قند اگر مصرف نشود به چربی تبدیل و ذخیره می‌شود. برای اینکه انرژی سوختن ۲۲۴ گرم زغال ($224\times33.6=7526.4\,\text{kJ}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) با کرفس تأمین شود، $\frac{7526.4}{0.6}\approx12544\,\text{g}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی یعنی حدود ۱۲٫۵ کیلوگرم کرفس لازم است. انرژی ۱۰۰ گرم گاز طبیعی ($5460\,\text{kJ}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) برابر حدود ۲۴۶ گرم شکلات است. اگر زغال کیلویی ۳۰ و چوب کیلویی ۱۰ واحد قیمت داشته باشد، هر ۱۰۰۰ کیلوژول از زغال حدود ۰٫۸۹ و از چوب ۰٫۶۰ واحد هزینه دارد؛ اما قیمت تنها معیار نیست.

اکسید شدن و سوختن

واکنش هر ماده با اکسیژن اکسید شدن و فرآوردهٔ آن اکسید نام دارد. سوختن اکسید شدن سریعی است که علاوه بر مادهٔ جدید گرما و نور محسوس تولید می‌کند؛ زنگ زدن آهن اکسید شدن بسیار کندی است که به اکسیژن و رطوبت نیاز دارد و گرمایش محسوس نیست: $4\text{Fe}+3\text{O}_2\rightarrow2\text{Fe}_2\text{O}_3$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی. طبق پایستگی جرم، ۵۶ گرم آهن با ۲۴ گرم اکسیژن ۸۰ گرم آهن (III) اکسید می‌سازد؛ به همین دلیل میخ زنگ‌زده سنگین‌تر می‌شود. منیزیم با شعله نور سفید خیره‌کننده می‌دهد: $2\text{Mg}+\text{O}_2\rightarrow2\text{MgO}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و ۲۴ گرم منیزیم با ۱۶ گرم اکسیژن ۴۰ گرم اکسید می‌سازد. بدون شعله هم منیزیم آهسته لایهٔ نازک سفید و تردی می‌گیرد؛ هر دو اکسید شدن، گرماده و با فرآوردهٔ یکسان $\text{MgO}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نماییاند، اما سوختن سریع، پرنور، نیازمند گرمای اولیه و کامل است و کدر شدن آهسته، بی‌نور، در دمای محیط و فقط سطحی است و همان لایه از ادامهٔ واکنش جلوگیری می‌کند.

سوختن کامل، ناقص و دوده

هیدروکربن‌ها فقط از کربن و هیدروژن ساخته شده‌اند (مثل بنزین و متان). با اکسیژن زیاد سوختن کامل رخ می‌دهد و $\text{CO}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و بخار آب، نور و گرما پدید می‌آید؛ با اکسیژن کمتر سوختن ناقص و تولید $\text{CO}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی؛ و با اکسیژن باز هم کمتر دوده (کربن خالص). ممکن است دو یا هر سه هم‌زمان رخ دهند. برای متان: کامل $\text{CH}_4+2\text{O}_2\rightarrow\text{CO}_2+2\text{H}_2\text{O}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، ناقص $2\text{CH}_4+3\text{O}_2\rightarrow2\text{CO}+4\text{H}_2\text{O}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و دوده $\text{CH}_4+\text{O}_2\rightarrow\text{C}+2\text{H}_2\text{O}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی. ۱۶ گرم متان (۱ مول) با ۶۴ گرم اکسیژن، ۴۴ گرم $\text{CO}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و ۳۶ گرم آب می‌دهد و $16+64=44+36=80$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی گرم، پس جرم پایسته است.

شباهت‌ها: هر سه سوخت و اکسیژن مصرف می‌کنند، بخار آب، گرما و نور می‌دهند و گرماده‌اند. تفاوت: مقدار اکسیژن و نوع فرآوردهٔ کربن‌دار ($\text{CO}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، $\text{CO}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی یا $\text{C}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی)، انرژی آزادشده (کامل بیشترین) و رنگ شعله (کامل آبی و ناقص زرد یا نارنجی). مفیدترین سوختن کامل است و خطرناک‌ترین سوختن ناقص، چون $\text{CO}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی گازی بی‌رنگ، بی‌بو و بسیار سمی است که به‌جای اکسیژن به هموگلوبین می‌چسبد و مسمومیت و مرگ می‌آورد. شعلهٔ زرد گاز یعنی ذرات داغ کربن و هوای ناکافی؛ ته قابلمه سیاه می‌شود و باید دریچهٔ هوا باز شود. برای انرژی برابر، زغال بیش از دو برابر گاز طبیعی $\text{CO}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی تولید می‌کند (حدود ۱۰۹۱ در برابر ۵۰۴ گرم به ازای هر ۱۰۰۰۰ کیلوژول)، پس گاز طبیعی پاک‌تر است.

هر شعله‌ای سوختن نیست

در «آزمایش کوه آتشفشان» آمونیوم دی‌کرومات نارنجی با نزدیک شدن شعلهٔ کبریت، بدون واکنش با اکسیژن شعله‌ور و به جامد سبز تیره و گاز تبدیل می‌شود: $(\text{NH}_4)_2\text{Cr}_2\text{O}_7\rightarrow\text{Cr}_2\text{O}_3+\text{N}_2+4\text{H}_2\text{O}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی. این تجزیه است، نه سوختن که ترکیب با اکسیژن است. این ماده سمی است و فقط معلم یا فیلم باید آن را نشان دهد. واکنش‌های دیگر با شعله بدون اکسیژن: سدیم یا پتاسیم در آب و سوختن هیدروژن در کلر ($\text{H}_2+\text{Cl}_2\rightarrow2\text{HCl}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی).

خاموش کردن آتش

مثلث آتش از مادهٔ سوختنی، اکسیژن و گرما ساخته شده و حذف هر ضلع آتش را خاموش می‌کند. حذف گرما متداول‌ترین روش است: آتش‌نشان‌ها با پاشیدن آب آتش را سرد می‌کنند. حذف مادهٔ سوختنی: در آتش‌سوزی چاه گاز جریان گاز را قطع می‌کنند و در جنگل درختان اطراف را قطع می‌کنند. حذف اکسیژن: روی روغن شعله‌ور آشپزخانه پارچهٔ خیس می‌اندازند، چون ریختن آب آن را بخار و روغن سوزان را پخش می‌کند؛ کپسول‌ها هم با کف هوا را قطع می‌کنند. کپسول آب برای چوب و کاغذ، کف، پودر خشک چندمنظوره و $\text{CO}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی برای تجهیزات برقی است.

آتش‌نشان‌ها اطراف آتش را خیس می‌کنند تا دمای مواد مجاور زیر دمای اشتعال بماند و آتش گسترش نیابد. در جنگل‌های مصنوعی نوارهای بی‌درخت (آتش‌بر) سوخت ندارند و مانع پریدن آتش می‌شوند و راه دسترسی هم هستند. پتو روی فرد در حال سوختن اکسیژن را قطع می‌کند؛ فرد نباید بدود، چون حرکت اکسیژن بیشتری به شعله می‌رساند (توقف، افتادن، غلتیدن). برای آتش برق نباید از آب استفاده کرد، چون آب معمولی رساناست و برق‌گرفتگی می‌آورد؛ ابتدا برق قطع و سپس کپسول $\text{CO}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی یا پودر به کار می‌رود. سطل شن کنار پمپ بنزین ارزان، نسوز و قطع‌کنندهٔ اکسیژن است؛ آب مناسب نیست، چون بنزین با چگالی حدود $0.74\,\text{g/cm}^3$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی روی آب شناور می‌ماند و پخش می‌شود. برای مزرعه آب‌پاشی و خط آتش‌بر، برای کارگاه رنگ و پمپ بنزین کف یا پودر و برای سیستم برق قطع برق و کپسول $\text{CO}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی مناسب‌اند.

باتری و پیل سوختی

باتری انرژی شیمیایی را برای مدت طولانی ذخیره و با سر مثبت و منفی و حرکت الکترون‌ها در مدار به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند؛ در باتری قابل شارژ، هنگام شارژ انرژی الکتریکی به شیمیایی تبدیل می‌شود. باتری گوشی $3.7\,\text{V}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و $4000\,\text{mAh}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی حدود $14.8\,\text{Wh}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی یعنی حدود $53\,\text{kJ}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی انرژی دارد؛ تقریباً به اندازهٔ یک گرم بنزین، اما بی‌صدا، بی‌سوختن و قابل شارژ. واکنش هیدروژن و اکسیژن بسیار سریع و انفجاری است و فقط آب می‌سازد: $2\text{H}_2+\text{O}_2\rightarrow2\text{H}_2\text{O}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی؛ برای همین سوخت موشک است. ۴ گرم هیدروژن با ۳۲ گرم اکسیژن ۳۶ گرم آب و حدود $568\,\text{kJ}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی انرژی می‌دهد، اما با چگالی $0.09\,\text{g/L}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی حدود ۴۴ لیتر جا می‌گیرد. پیل سوختی انرژی شیمیایی واکنش هیدروژن و اکسیژن را مستقیماً به برق تبدیل می‌کند و فقط آب و گرما خارج می‌شود. مزایای آن نسبت به باتری: تا وقتی سوخت برسد برق می‌دهد و به شارژ نیاز ندارد، فرآوردهٔ آن فقط آب است در حالی که باتری فرسوده فلزات سنگین دارد، بازده بالا دارد و برای انرژی زیاد سبک‌تر است؛ ولی تولید و ذخیرهٔ هیدروژن دشوار و گران است.

پرسش‌های پایان فصل

فیزیکی یا شیمیایی: حل شدن شکر در آب و بخار شدن الکل فیزیکی‌اند؛ فاسد شدن گوشت، آفتاب‌سوختگی پوست (پرتو فرابنفش مولکول‌های پوست را تغییر می‌دهد)، هضم غذا با آنزیم‌ها و آب‌پز کردن تخم‌مرغ (سفت شدن پروتئین‌ها) شیمیایی‌اند.

قند و زغال: وقتی قند را در لوله گرم می‌کنیم، ابتدا آرام ذوب می‌شود و بخار آب روی دیوارهٔ سرد لوله قطره می‌شود؛ این دو تغییر فیزیکی‌اند. سپس رنگ از سفید به قهوه‌ای و سیاه، بو کاراملی و مزه از شیرین به بی‌مزه تغییر می‌کند و مادهٔ جدید نامحلولی به نام زغال پدید می‌آید که دوباره به قند برنمی‌گردد؛ این‌ها نشانه‌های تغییر شیمیایی‌اند. معادلهٔ ساده‌شده: $\text{C}_{12}\text{H}_{22}\text{O}_{11}\rightarrow12\text{C}+11\text{H}_2\text{O}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی. جرم مولی ساکارز $342$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی است و از $34.2\,\text{g}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی قند (۰٫۱ مول) $14.4\,\text{g}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی زغال و $19.8\,\text{g}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی آب پدید می‌آید که جمعشان باز همان $34.2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی است.

محصولات بنزین: تفاوت محصولات به مقدار اکسیژن، دما و ناخالصی‌ها بستگی دارد؛ در موتور داغ نیتروژن هوا اکسیدهای نیتروژن و گوگرد ناخالص $\text{SO}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی می‌سازد. $\text{CO}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی بسیار بیشتر از اکسیژن به هموگلوبین می‌چسبد و سردرد، سرگیجه، بی‌هوشی و مرگ می‌آورد.

مثال‌های تمرینی

• ۳۲ گرم متان (۲ مول) در سوختن کامل $88\,\text{g}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی کربن دی‌اکسید می‌دهد.
• در ۲۰۰ لیتر هوا حدود $200\times0.21=42\,\text{L}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی اکسیژن هست.
• ۱۰ گرم شکر $10\times16.8=168\,\text{kJ}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی انرژی دارد.
• موشک‌ها از هیدروژن مایع استفاده می‌کنند، چون انرژی هر گرم آن بسیار زیاد است و فرآورده‌اش فقط آب است.

یادآوری روش حل: در هر مسئلهٔ واکنش ابتدا معادله را موازنه کن، سپس جرم مولی هر ماده را از جرم‌های اتمی ($\text{C}=12$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، $\text{H}=1$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، $\text{O}=16$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) بساز، نسبت مولی را از ضریب‌ها بخوان و در پایان با پایستگی جرم پاسخ را کنترل کن. در مسئله‌های انرژی، انرژی هر گرم را در جرم ضرب کن و برای مقایسه، یکاها را یکسان بگذار.

اشتباه‌های رایج