گازها، هواکره و استوکیومتری (شیمی ۱)

گاز را چطور باید دید؟

کیسهٔ چیپسی که در شهرِ ساحلی خریده‌ای، بالای کوه باد می‌کند. نه گازی به آن اضافه شده و نه گرم‌تر شده؛ تنها چیزی که عوض شده فشارِ هوای بیرون است. برای فهمیدنِ این اتفاق — و تقریباً هر چیز دیگری در این فصل — باید گاز را نه یک مادهٔ یک‌دست، بلکه انبوهی از ذراتِ در حالِ حرکت ببینیم.

مدل ذره‌ای گاز

بر پایهٔ نظریهٔ جنبشی گازها:

ذرات گاز بی‌وقفه و کاملاً تصادفی حرکت می‌کنند.
فاصلهٔ میان ذرات در مقایسه با اندازهٔ خودشان بسیار بزرگ است؛ به همین دلیل گاز شکل مشخصی ندارد و همیشه تمام حجم ظرف را پر می‌کند.
فشار چیزی نیست جز نتیجهٔ برخوردِ پیوستهٔ همین ذرات با دیوارهٔ ظرف.
بالا رفتن دما یعنی بالا رفتن میانگین انرژی جنبشی، یعنی ذراتِ تندتر.

دقت کنید «بی‌شکل بودن» و «پر کردن کاملِ ظرف» دو حرف متفاوت‌اند: اولی یعنی گاز شکل ثابتی ندارد، دومی یعنی حجمش همیشه دقیقاً برابر حجم داخلی ظرف است.

چه چیزی فشار را بالا می‌برد؟

قاعدهٔ طلایی ساده است: هر عاملی که تعداد برخورد با دیواره در واحد زمان را زیاد کند، فشار را زیاد می‌کند.

تغییر	بقیه ثابت	فشار	دلیل ذره‌ای
$n$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین بیشتر شود	$V$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $T$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	افزایش	ذرات بیشتر یعنی برخورد بیشتر
$T$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین بیشتر شود	$V$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $n$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	افزایش	برخوردها هم پرشمارتر و هم محکم‌تر
$V$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین بیشتر شود	$T$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $n$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	کاهش	مسافت میان دو برخورد طولانی‌تر می‌شود

همهٔ این مقایسه‌های کیفی را می‌توان در یک تساویِ واحد جمع کرد:

\frac{P_1 V_1}{n_1 T_1} = \frac{P_2 V_2}{n_2 T_2}

اولین قدم در هر مسئله، مشخص‌کردن «چه چیزی ثابت است» است؛ بقیه فقط جای‌گذاری است. دو نمودار کیفی هم پرتکرارند: $P$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین بر حسب $V$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین منحنی نزولی، و $V$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین بر حسب $T$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین خط صعودی.

بازگشت به کیسهٔ چیپس: فشار و ارتفاع

فشار یعنی نیرو بر واحد سطح، $P=\frac{F}{A}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین. هرچه بالاتر برویم، مولکول‌های هوا در هر واحد حجم کمتر می‌شوند — مثل کم‌شدن «تعداد مول» — پس برخورد کمتر و فشارِ کمتر. این کاهش خطی نیست، نمایی است:

P \propto e^{-h/H}, \qquad H \approx 8.5\ \text{km}

به همین دلیل کوهنوردان به کپسول اکسیژن نیاز پیدا می‌کنند و کابین هواپیما فشارگذاری می‌شود. نکتهٔ ظریف اینکه آنچه کوهنورد را اذیت می‌کند افتِ مقدارِ مطلقِ فشار جزئی اکسیژن است، نه به‌هم‌خوردنِ نسبتِ اکسیژن به نیتروژن؛ این نسبت تا ارتفاع‌های زیاد تقریباً ثابت می‌ماند.

هوایی که در آن زندگی می‌کنیم

حالا به خودِ هواکره برگردیم. هواکره نسبت به زمین باورنکردنی نازک است: جرمش حدود $3.5\times10^{15}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین تن، یعنی تقریباً یک‌میلیونیمِ جرم زمین، و ضخامتش نسبت به شعاع زمین چیزی شبیه پوستِ سیب. با همین سهمِ ناچیز، تمام آب‌وهوا و تنفسِ روی زمین ممکن شده است.

پنج لایه، و مرزهایی که اسم دارند

لایه (از پایین به بالا)	ارتفاع	نشانهٔ شاخص
تروپوسفر	۰ تا ۱۲ کیلومتر	۷۵٪ جرم هواکره؛ محل تغییرات آب‌وهوا
استراتوسفر	۱۲ تا ۵۰ کیلومتر	لایهٔ اوزون
مزوسفر	۵۰ تا ۸۰ کیلومتر	دما کاهشی
ترموسفر	۸۰ تا ۷۰۰ کیلومتر	دما افزایشی؛ ضخیم‌ترین لایه
اگزوسفر	بالای ۷۰۰ کیلومتر	مرز با فضا

مرز هر دو لایهٔ همسایه هم نام خودش را دارد: تروپوپاز (تروپوسفر/استراتوسفر)، استراتوپاز (استراتوسفر/مزوسفر) و مزوپاز (مزوسفر/ترموسفر).

آنچه اصلاً باعث «لایه‌ای شدن» هواکره می‌شود، تغییرِ روندِ دماست: در تروپوسفر دما با ارتفاع پایین می‌آید، اما در استراتوسفر به‌خاطر جذب فرابنفش توسط اوزون بالا می‌رود. شیب کاهش دما در تروپوسفر تقریباً ثابت است:

T = T_0 - 6\ ^\circ\text{C/km} \times h, \qquad T(\text{K}) = T(^\circ\text{C}) + 273

با همین رابطه می‌توان ضخامت تروپوسفر را برآورد کرد: اگر سطح زمین $14\ ^\circ\text{C}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و سقف تروپوسفر $-55\ ^\circ\text{C}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین باشد، اختلافِ ۶۹ درجه تقسیم بر شیبِ ۶ درجه بر کیلومتر می‌شود حدود ۱۲ کیلومتر. فقط اگر سؤال رابطهٔ دیگری بدهد (مثلاً $T=T_0-4\sqrt h$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین)، دیگر نمی‌توان شیب را ثابت فرض کرد.

بخشی از ترموسفر را یون‌سفر می‌نامند: تابش پرانرژی خورشید از $\text{N}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $\text{O}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین الکترون می‌کَند و یون‌هایی مثل $\text{O}_2^+$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین می‌سازد. دمای این لایه عدداً به هزاران درجه می‌رسد، اما چون چگالی گاز بسیار پایین است، این «دما» معنای متعارفش را ندارد.

ترکیب هوا

گاز	نماد	درصد حجمی
نیتروژن	$\text{N}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$78.09\%$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
اکسیژن	$\text{O}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$20.95\%$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
آرگون	$\text{Ar}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$0.93\%$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
دی‌اکسیدکربن	$\text{CO}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$0.04\%$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
بخار آب	$\text{H}_2\text{O}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	متغیر

جرم مولی میانگین هوا حدود $29\ \text{g/mol}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است. یک برداشت اشتباهِ رایج را اصلاح کنیم: فراوان‌ترین بودن با حیاتی‌ترین بودن یکی نیست. نیتروژن بیشترین سهم را دارد، اما آنچه در تنفس یاخته‌ای سوزانده می‌شود اکسیژن است. ضمناً اکسیژن فقط به شکل $\text{O}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین در جو نیست؛ در ارتفاعات بالاتر به شکل اتم آزاد $\text{O}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، یون $\text{O}_2^+$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و اوزون $\text{O}_3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین هم هست.

جداسازی گازهای هوا

وقتی هوا مخلوطی از این‌همه گاز است، چطور اکسیژنِ خالصِ بیمارستان یا نیتروژنِ صنعتی از آن بیرون می‌آید؟ پاسخ، تقطیر جزء‌به‌جزءِ هوای مایع است، در چهار مرحله:

۱. تصفیه — عبور هوا از صافی برای گرفتن گرد و غبار.
۲. حذف رطوبت — سرد کردن تا $0\ ^\circ\text{C}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین تا بخار آب به یخ تبدیل شود.
۳. مایع‌سازی — فشرده‌سازی و سرمایش تا حدود $-200\ ^\circ\text{C}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین.
۴. تقطیر — گرم کردن تدریجی، تا گازها به ترتیب نقطهٔ جوش جدا شوند.

مرحلهٔ سوم شرطِ اصلیِ کار است: تقطیر جزء‌به‌جزء تنها وقتی ممکن است که همهٔ اجزای مخلوط مایع (یا جامد) شده باشند؛ جزئی که گاز بماند اصلاً وارد ستون نمی‌شود.

گاز	نقطهٔ جوش
هلیم $\text{He}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$-269\ ^\circ\text{C}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
نیتروژن $\text{N}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$-196\ ^\circ\text{C}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
آرگون $\text{Ar}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$-186\ ^\circ\text{C}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
اکسیژن $\text{O}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$-183\ ^\circ\text{C}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین

ترتیب خروج از همین جدول خوانده می‌شود: هرچه نقطهٔ جوش پایین‌تر، زودتر جدا می‌شود — اول نیتروژن، بعد آرگون، و آخر از همه اکسیژن که تا پایان به‌صورت مایع باقی می‌ماند. و دلیل اینکه تهیهٔ اکسیژنِ صددرصد خالص دشوار است، دقیقاً همین جدول است: فاصلهٔ نقطهٔ جوش آرگون و اکسیژن تنها ۳ درجه است. قاعدهٔ کلی‌اش را به یاد بسپارید: هرچه اختلاف نقطهٔ جوش دو گاز کمتر باشد، ستون تقطیر باید بلندتر و دقیق‌تر باشد.

حساب‌وکتاب گازها: از مول تا لیتر

هر مسئلهٔ عددیِ این فصل، دیر یا زود به یک عدد می‌رسد: $22.4$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین. ببینیم این عدد از کجا می‌آید.

شرایط استاندارد (STP) یعنی:

T = 0\ ^\circ\text{C} = 273\ \text{K}, \qquad P = 1\ \text{atm}

و قانون آووگادرو می‌گوید در دما و فشار یکسان، حجم‌های مساوی از گازهای گوناگون تعداد مساوی مولکول دارند. نتیجهٔ مستقیمش این است که یک مول از هر گاز در شرایط استاندارد حجم یکسانی اشغال می‌کند:

V_m = 22.4\ \text{L/mol} \quad (\text{STP})

یک مول $\text{H}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین ( $2\ \text{g}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین)، یک مول $\text{O}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین ( $32\ \text{g}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین) و یک مول $\text{CO}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین ( $44\ \text{g}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین) هر سه $22.4$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین لیتر جا می‌گیرند — با وجود اختلاف بزرگ جرمشان. فقط یادتان باشد این عدد فقط برای گازها در STP معنا دارد، نه مایعات و جامدات.

یک نتیجهٔ پرکاربرد

چون حجم مولی همهٔ گازها یکی است، در یک مخلوط گازی (در دما و فشار یکسان) سه درصدِ به‌ظاهر متفاوت برابر می‌شوند:

\%V = \%n = \%N

یعنی همان جدول ترکیب هوا را که «درصد حجمی» نامیدیم، می‌توان بی‌هیچ تغییری درصد مولی هم خواند.

چگالی گاز و جرم مولی میانگین

از حجم مولی ثابت، چگالی هر گاز در STP مستقیماً به دست می‌آید:

\rho = \frac{M}{22.4}\ \text{g/L} \quad (\text{STP})

پس اگر چگالی گازی ناشناخته در STP برابر $1.964\ \text{g/L}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین باشد، جرم مولی‌اش $\approx44\ \text{g/mol}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است و احتمالاً $\text{CO}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است. میان‌بُر مفید دیگر: نسبت چگالی دو گاز در شرایط یکسان برابر نسبت جرم مولی‌شان است، $\frac{\rho_1}{\rho_2}=\frac{M_1}{M_2}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین.

برای مخلوط‌ها هم میانگین وزنی می‌گیریم. مثلاً مخلوط $2\ \text{mol}\ \text{N}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $3\ \text{mol}\ \text{O}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین:

M_{\text{میانگین}} = \frac{2\times28 + 3\times32}{5} = \frac{152}{5} = 30.4\ \text{g/mol}

همین روش، با نسبت‌های واقعی هوا، همان $29\ \text{g/mol}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین معروف را می‌دهد.

چهار مسیر رسیدن به مول

n = \frac{m}{M} = \frac{V}{22.4} = \frac{N}{N_A}, \qquad N_A = 6.02\times10^{23}

یک کاربرد ملموس: هر بزرگسال با ۱۲ نفسِ $0.5$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین لیتری در دقیقه، در شبانه‌روز $8640$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین لیتر هوا جابه‌جا می‌کند؛ سهم اکسیژن $\approx1810$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین لیتر یعنی حدود $80.8$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین مول.

معادلهٔ شیمیایی و موازنه

هر واکنشی که تا اینجا نوشتیم، پشتش یک قانون ساده ایستاده است: پایستگی جرم. جرم واکنش‌دهنده‌ها برابر جرم فراورده‌هاست، چون شمار اتم‌های هر عنصر ثابت می‌ماند و فقط نحوهٔ اتصالشان عوض می‌شود.

پیش از نوشتن معادله باید مطمئن شویم اصلاً تغییرِ شیمیایی رخ داده. نشانه‌های رایجش: تغییر رنگ یا بو، آزاد شدن گاز، تولید نور یا صدا، تغییر پایداری، و مهم‌تر از همه تغییرِ نوعِ مولکول‌ها. تفاوت ظریف با تغییر فیزیکی همین است: در تبخیر آب یا حل‌شدن قند، پیوندهای درون مولکول اصلاً نمی‌شکنند و فقط آرایش مولکول‌ها عوض می‌شود.

نماد	معنا
$\rightarrow$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	تولید می‌کند
$(s)$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین / $(l)$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین / $(g)$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین / $(aq)$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	جامد / مایع / گاز / محلول آبی
$\xrightarrow{\Delta}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	واکنش با گرم کردن
$\uparrow$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین / $\downarrow$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	آزاد شدن گاز / تشکیل رسوب

روی فلش فقط $\Delta$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین نمی‌نشیند؛ گاهی عدد فشار یا نام کاتالیزگر هم می‌آید، یعنی واکنش بدون آن شرط عملاً پیش نمی‌رود. این اطلاعات فقط در معادلهٔ نمادی جا دارند؛ معادلهٔ نوشتاری که مواد را با نام می‌آورد (مثل «کربن جامد + اکسیژن گاز ← دی‌اکسیدکربن گاز» به‌جای $\text{C}(s)+\text{O}_2(g)\rightarrow\text{CO}_2(g)$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین) نه شرایط را نشان می‌دهد و نه به کار موازنهٔ کمّی می‌آید.

قاعدهٔ موازنه

ضریب‌ها را تغییر می‌دهیم، نه زیروندها را. ترتیب پیشنهادی هم ثابت است: اول فلزها، بعد نافلزها (به‌جز $\text{H}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $\text{O}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین)، بعد هیدروژن، و در آخر اکسیژن.

سوختن اتانول را با همین ترتیب ببینیم. ابتدا کربن: دو $\text{CO}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین. بعد هیدروژن: شش اتم $\text{H}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین در سمت چپ یعنی سه مول آب. حالا اکسیژن: سمت راست $4+3=7$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین اتم دارد و سمت چپ $1+2x$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، پس $x=3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین:

\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}(l) + 3\text{O}_2(g) \rightarrow 2\text{CO}_2(g) + 3\text{H}_2\text{O}(g)

در معادله‌های یونی، گروه‌های چنداتمی را مثل یک واحد جابه‌جا کنید. در واکنش کلسیم با اسید فسفریک، گروه $\text{PO}_4$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین سمت راست دوبار آمده، پس دو مول $\text{H}_3\text{PO}_4$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و سه مول کلسیم لازم است و شش اتم هیدروژن، سه مول $\text{H}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین می‌سازد:

3\text{Ca}(s) + 2\text{H}_3\text{PO}_4(aq) \rightarrow \text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2(s) + 3\text{H}_2(g)

ضرایب نهایی باید کوچک‌ترین اعداد طبیعی ممکن باشند؛ اگر ضریبی کسری شد، کل معادله را در مخرج مشترک ضرب کنید. سبک‌های سؤالیِ رایج هم روی همین ضرایب بنا می‌شوند: مجموع ضرایب هر سمت و نسبتشان به هم — در معادلهٔ بالا سمت چپ ۵ و سمت راست ۴، یعنی $\frac54$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین.

استوکیومتری: از یک ماده به مادهٔ دیگر

استوکیومتری یعنی ارتباط کمّی میان مواد یک واکنش، و کل ماجرا روی یک جمله سوار است: در معادلهٔ موازنه‌شده، ضریب‌ها همان نسبت مولی‌اند.

2\text{SO}_2(g) + \text{O}_2(g) \rightarrow 2\text{SO}_3(g) \implies n_{\text{SO}_2}:n_{\text{O}_2}:n_{\text{SO}_3} = 2:1:2

از هر نسبت مولی دو عامل تبدیل می‌سازیم ( $\frac{1\ \text{mol O}_2}{2\ \text{mol SO}_2}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین یا وارونش) و هرکدام را که واحدها را درست ساده کند به کار می‌بریم. مسیر کلی حل هم همیشه همین است:

m_A \xrightarrow{\div M_A} n_A \xrightarrow{\times \frac{n_B}{n_A}} n_B \xrightarrow{\times M_B} m_B

m_A \xrightarrow{\div M_A} n_A \xrightarrow{\times \frac{n_B}{n_A}} n_B \xrightarrow{\times 22.4} V_B\ (\text{در STP})

نمونه: از اکسایش $0.5$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین مول گلوکز طبق $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\text{O}_2 \rightarrow 6\text{CO}_2 + 6\text{H}_2\text{O}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، سه مول آب ( $54$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین گرم) و سه مول $\text{CO}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین به دست می‌آید که در STP معادل $3\times22.4=67.2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین لیتر است.

وقتی واکنش‌ها زنجیره‌ای‌اند

در صنعت مادهٔ خام از چند واکنش پشت‌سرهم عبور می‌کند و باید مسیر را مرحله‌به‌مرحله دنبال کرد. برای رسیدن از گوگرد جامد به $\text{SO}_3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین:

\text{S}(s) + \text{O}_2(g) \rightarrow \text{SO}_2(g), \qquad 2\text{SO}_2(g) + \text{O}_2(g) \rightarrow 2\text{SO}_3(g)

از $6.4$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین گرم گوگرد ( $M=32$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین) داریم $0.2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین مول؛ نسبت $\text{S}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین به $\text{SO}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین یک‌به‌یک است و نسبت $\text{SO}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین به $\text{SO}_3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین هم یک‌به‌یک، پس $0.2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین مول $\text{SO}_3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین یعنی $0.2\times80=16$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین گرم. شرط اول و فراموش‌شدنیِ چنین مسائلی این است که هر دو معادله باید موازنه شده باشند؛ محاسبهٔ مولی روی معادلهٔ موازنه‌نشده همیشه غلط از آب درمی‌آید.

واکنش‌دهندهٔ محدودکننده

وقتی مقدارِ هر دو واکنش‌دهنده داده می‌شود، باید ببینیم کدام زودتر تمام می‌شود. قاعده: نسبتِ موجود را با نسبتِ لازم (از روی ضرایب) مقایسه کنید؛ ماده‌ای که نسبت موجودش کمتر از نسبت لازم است، محدودکننده است.

برای $2\text{H}_2+\text{O}_2\rightarrow2\text{H}_2\text{O}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین دو ظرف را ببینید. ظرف A با ۴ مول $\text{H}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و ۴ مول $\text{O}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین: نسبت لازم $2:1$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است اما موجود $1:1$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، پس هیدروژن محدودکننده است و ۴ مول آب می‌سازد. ظرف B با ۶ مول $\text{H}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و ۲ مول $\text{O}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین: نسبت موجود $3:1$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، پس این‌بار اکسیژن محدودکننده است و باز هم ۴ مول آب می‌دهد. درسِ ماجرا: «بیشتر داشتن» به‌تنهایی «بیشتر ساختن» نیست.

سوختن با فرمول کلی

گاهی فرمول دقیق را نمی‌دهند و باید با حروف موازنه کرد:

\text{C}_x\text{H}_y\text{O}_z + \left(x + \frac{y}{4} - \frac{z}{2}\right)\text{O}_2 \rightarrow x\text{CO}_2 + \frac{y}{2}\text{H}_2\text{O}

برای گلیسیرین ( $\text{C}_3\text{H}_8\text{O}_3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین) ضریب اکسیژن $3.5$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین می‌شود؛ چون ضریب کسری پذیرفته نیست، معادله را در ۲ ضرب می‌کنیم:

2\text{C}_3\text{H}_8\text{O}_3(l) + 7\text{O}_2(g) \rightarrow 6\text{CO}_2(g) + 8\text{H}_2\text{O}(g)

نام‌گذاری: دو دنیای متفاوت

پیش از رسیدن به ساختار مولکول‌ها، باید بتوانیم درست نامشان ببریم. و اولین تصمیم، تصمیمِ تعیین‌کننده است: آیا ترکیب یونی است یا مولکولی؟

قاعدهٔ تفکیک‌کننده: اگر حتی یک عنصر فلزی در ترکیب باشد، ترکیب یونی است و با «نام فلز + نام آنیون» نام‌گذاری می‌شود. اگر ترکیب فقط از نافلزها ساخته شده، مولکولی است و باید با پیشوندهای یونانی نام بگیرد. اشتباه گرفتنِ همین یک نکته — پیشوند یونانی برای ترکیب یونی، یا برعکس — رایج‌ترین خطای این مبحث است.

برای نمونه $\text{FeCl}_3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $\text{CuBr}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین یونی‌اند و عدد رومی می‌خواهند، $\text{MgO}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین یونی است و عدد رومی نمی‌خواهد، اما $\text{PCl}_3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $\text{N}_2\text{O}_5$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین مولکولی‌اند و با پیشوند یونانی نام می‌گیرند.

ترکیبات یونی

برای فلزهای تک‌کاتیونی نام ساده کافی است ( $\text{MgO}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین اکسید منیزیم). برای فلزهای چندظرفیتی، بار کاتیون را به‌صورت عدد رومی در پرانتز می‌آوریم: $\text{FeO}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین اکسید آهن(II)، $\text{Fe}_2\text{O}_3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین اکسید آهن(III)، $\text{Cu}_2\text{O}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین اکسید مس(I) و $\text{CuO}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین اکسید مس(II). آهن و مس تنها نمونه نیستند؛ کروم، قلع و کبالت هم چندظرفیتی‌اند. قاعدهٔ احتیاطی: هر بار با نام یک فلز واسطه روبه‌رو شدید، احتمال بدهید بیش از یک کاتیون بسازد.

فرمول را هم قانون بی‌طرفی بار می‌سازد: مجموع بارهای مثبت و منفی باید صفر شود. روش سریعش «تبادل عدد» است — برای $\text{Al}^{3+}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $\text{O}^{2-}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین به $\text{Al}_2\text{O}_3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین می‌رسیم. همین روش یک کاربرد پنهان هم دارد: بدون نوشتن فرمول کامل می‌توان نسبت شمار آنیون به کاتیون را مقایسه کرد. برای $\text{Al}_2\text{O}_3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین این نسبت $\frac32$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و برای $\text{CaCl}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین برابر $\frac21$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است، یعنی در دومی دو برابر اولی.

نمونه: در $20.4$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین گرم $\text{Al}_2\text{O}_3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین ( $M=102$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین)، تعداد مول ترکیب $0.2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است و هر مولش دو مول کاتیون دارد، پس $0.4\times6.02\times10^{23}\approx2.41\times10^{23}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین یون $\text{Al}^{3+}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین داریم.

ترکیبات مولکولی

اینجا شمار اتم‌ها با پیشوند یونانی می‌آید: مونو، دی، تری، تترا، پنتا، هگزا، هپتا، اکتا. پس $\text{SO}_3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین گوگرد تری‌اکسید و $\text{N}_2\text{O}_4$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین دی‌نیتروژن تتراکسید است.

تنها استثنای پرتکرار: پیشوند «مونو» برای عنصر اول نوشته نمی‌شود. پس $\text{CO}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین کربن مونواکسید است، نه «مونوکربن مونواکسید»؛ و $\text{SO}_3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین گوگرد تری‌اکسید است، نه «سولفور مونوتری‌اکسید».

ساختار لوویس

ساختار لوویس، نقشهٔ جای الکترون‌های ظرفیت در یک مولکول یا یون است. مسیر رسمش پنج گام دارد:

۱. مجموع الکترون‌های ظرفیت را بشمارید.
۲. اتم مرکزی را انتخاب کنید: کم‌الکترونگاتیوترین اتم، و هرگز هیدروژن.
۳. میان اتم مرکزی و هر اتم کناری یک پیوند یگانه بزنید.
۴. الکترون‌های باقی‌مانده را اول روی اتم‌های کناری کامل کنید.
۵. اگر اتم مرکزی هنوز به هشت‌تایی نرسیده، پیوند دوگانه یا سه‌گانه بسازید.

گونه	الکترون ظرفیت	ساختار
$\text{CO}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$4+6=10$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	پیوند سه‌گانهٔ $\text{C}\equiv\text{O}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
$\text{HCN}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$1+4+5=10$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$\text{H}-\text{C}\equiv\text{N}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
$\text{CS}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$4+2(6)=16$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$\text{S}=\text{C}=\text{S}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، خطی
$\text{SO}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$6+2(6)=18$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	یک دوگانه، یک یگانه، جفت آزاد روی $\text{S}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین؛ هندسهٔ خمیده
$\text{CH}_2\text{O}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$4+2(1)+6=12$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	کربن با دو H یگانه و با O دوگانه
$\text{PCl}_3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$5+3(7)=26$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	سه پیوند یگانه و یک جفت آزاد روی $\text{P}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین

هیدروژن همیشه اتم کناری است و با ۲ الکترون (یعنی یک پیوند) کامل می‌شود.

شمارش جفت‌الکترون‌ها

بسیاری از سؤال‌ها رسم کامل ساختار را نمی‌خواهند و فقط شمارش جفت‌های پیوندی و جفت‌های ناپیوندی (آزاد) را هدف می‌گیرند: $\text{CO}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین سه جفت پیوندی و دو جفت ناپیوندی دارد، $\text{CO}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین چهار و چهار، و $\text{PCl}_3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین سه در برابر ده. میان‌بُر مفید: برای اتم‌هایی که از قاعدهٔ هشت‌تایی پیروی می‌کنند، مجموع جفت‌های اطراف هر اتم همیشه ۴ است.

یون‌های چنداتمی

برای یون‌ها یک گام اضافه می‌شود: به ازای هر واحد بار منفی یک الکترون اضافه و به ازای هر واحد بار مثبت یک الکترون کم می‌کنیم. فراموش‌کردن همین گام، رایج‌ترین خطای محاسباتی این بخش است.

کربنات $\text{CO}_3^{2-}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین: $4+3(6)+2=24$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین الکترون ظرفیت؛ کربن با یک اکسیژن دوگانه و با دو اکسیژن دیگر یگانه پیوند دارد و هر اکسیژنِ یگانه یک بار منفی می‌گیرد.
نیتریت $\text{NO}_2^-$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین: $5+2(6)+1=18$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین الکترون؛ نیتروژن با یک اکسیژن دوگانه، با دیگری یگانه، و یک جفت آزاد دارد.

سبک پیشرفته‌تر، حرکت در جهت معکوس است: اگر یون $\text{XO}_4^{2-}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین مجموعاً ۳۲ الکترون ظرفیت داشته باشد، $32-24-2=6$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین الکترون برای خودِ $X$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین می‌ماند، یعنی $X$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین در گروه ۱۶ است (این یون همان سولفات است). رابطهٔ کلی:

e_X = e_{\text{کل یون}} - 6n \mp q

وقتی هشت‌تایی برقرار نیست

قاعدهٔ هشت‌تایی استثنا هم دارد: $\text{BF}_3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $\text{BeCl}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین لایهٔ ظرفیت ناقص دارند، $\text{PCl}_5$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $\text{SF}_6$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین بیش از هشت الکترون می‌پذیرند، و رادیکال‌های آزادی مثل $\text{NO}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین تعداد فردی الکترون دارند. توجه کنید ساختارهای ناقضِ هشت‌تایی خارج از محدودهٔ ارزشیابی پایانی اعلام شده‌اند.

نکتهٔ مرتبط اینکه تعداد پیوندهای یک اتم ثابت نیست و به بار فرمال آن در همان ساختار بستگی دارد: نیتروژن با سه پیوند و یک جفت آزاد ( $\text{NH}_3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین) بار فرمال صفر، با چهار پیوند و بدون جفت آزاد ( $\text{NH}_4^+$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین) بار $+1$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، و با دو پیوند و دو جفت آزاد بار $-1$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین دارد. قاعدهٔ شهودی: پیوند بیشتر و جفت آزاد کمتر یعنی بار فرمالِ مثبت‌تر.

گونه‌های هم‌الکترون

دو گونهٔ ظاهراً بی‌ربط می‌توانند الکترون ظرفیت و آرایش پیوندی یکسانی داشته باشند؛ به این‌ها هم‌الکترون می‌گویند. $\text{CO}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $\text{N}_2\text{O}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین هر دو $16$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین الکترون ظرفیت دارند، هر دو خطی‌اند و هر دو با دو پیوند دوگانه رسم می‌شوند. اما این فقط تشابه ساختاری را تضمین می‌کند نه رفتاری: $\text{CO}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین نسبتاً بی‌اثر است و $\text{N}_2\text{O}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین در پزشکی بی‌حس‌کننده است.

پنج گازی که باید بشناسید

اکسیژن و آتشی که می‌سازد

اکسیژن گازی دواتمی، بی‌رنگ و بی‌بو با واکنش‌پذیری بالاست. حضورش به هواکره محدود نیست: در سنگ‌کره به‌شکل اکسیدهای معدنی، در آب‌کره عمدتاً درون خودِ مولکول آب (نه گاز محلول) و در زیست‌کره درون مولکول‌های زیستی.

فلز + اکسیژن به اکسید فلزی می‌رسد، مثل $4\text{Al}+3\text{O}_2\rightarrow2\text{Al}_2\text{O}_3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین. نکتهٔ جانبی اینکه نوع اکسید چیزی دربارهٔ خلوصش در طبیعت نمی‌گوید: بوکسیت همیشه باید تصفیه شود، اما سیلیس ( $\text{SiO}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین) در شنِ ساحل تقریباً خالص یافت می‌شود.

سوختن یعنی ترکیب سریع یک ماده با اکسیژن، همراه با آزادشدن گرما و نور. برای هیدروکربن‌ها:

\text{C}_x\text{H}_y + \left(x+\frac{y}{4}\right)\text{O}_2 \rightarrow x\text{CO}_2 + \frac{y}{2}\text{H}_2\text{O}

مثلاً پروپان در حضور اکسیژنِ کافی $\text{C}_3\text{H}_8+5\text{O}_2\rightarrow3\text{CO}_2+4\text{H}_2\text{O}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین می‌دهد؛ اما اگر اکسیژن کم باشد، سوختن ناقص رخ می‌دهد و به‌جای $\text{CO}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، گاز $\text{CO}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین تولید می‌شود.

مونواکسید کربن: قاتل خاموش

همان فراوردهٔ سوختن ناقص، خطرناک‌ترین گاز فصل است: بی‌رنگ، بی‌بو و بی‌مزه، یعنی با هیچ‌یک از حواس قابل تشخیص نیست. تمایلش به هموگلوبین حدود ۲۰۰ برابر اکسیژن است، و بدتر اینکه اتصالش پایدار است نه برگشت‌پذیر:

\text{Hb} + \text{CO} \rightarrow \text{HbCO}\ (\text{پایدار}) \qquad \text{Hb} + \text{O}_2 \rightarrow \text{HbO}_2\ (\text{برگشت‌پذیر})

نتیجه، اختلال در اکسیژن‌رسانی به بافت‌هاست. منابع خانگی‌اش آشناست: وسایل گرمایشی بدون تهویه، موتور درون‌سوز در فضای بسته و سوختن ناقص گاز شهری. درمان هم اکسیژن‌درمانی پرفشار است که $\text{CO}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین را از هموگلوبین جدا می‌کند.

نیتروژن و معجزهٔ صنعتی هابر

نیتروژن فراوان‌ترین گاز هواکره است، اما زندگی نمی‌تواند مستقیم از آن استفاده کند. دلیلش ساختار است: پیوند سه‌گانهٔ $\text{N}\equiv\text{N}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین چنان محکم است که شکستنش انرژی زیادی می‌خواهد، پس واکنش‌پذیری‌اش ناچیز می‌ماند. همین بی‌اثری کاربردهایش را می‌سازد: بسته‌بندی مواد غذایی، پر کردن تایر، محیط بی‌اثر جوشکاری، و نیتروژن مایع در پزشکی.

راه‌حل بشر برای «رام‌کردن» نیتروژن، فرایند هابر-بوش است:

\text{N}_2(g) + 3\text{H}_2(g) \underset{\text{آهن}}{\overset{450\ ^\circ\text{C},\ 200\ \text{atm}}{\rightleftharpoons}} 2\text{NH}_3(g)

سه چالش داشت: واکنش برگشت‌پذیر است، در دما و فشار اتاق عملاً پیش نمی‌رود، و جداسازی آمونیاک از مخلوط دشوار است. توجه کنید «انجام نشدن در دما و فشار اتاق» یعنی سرعت واکنش در آن شرایط ناچیز است، نه اینکه واکنش اصلاً ممکن نباشد — گزینه‌های غلط امتحانی معمولاً همین را وارونه می‌کنند.

جداسازی از مقایسهٔ نقطهٔ جوش می‌آید: $\text{NH}_3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین در $-33$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، $\text{N}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین در $-196$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $\text{H}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین در $-253\ ^\circ\text{C}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین می‌جوشند. پس با سرد کردن تا حدود $-50\ ^\circ\text{C}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، آمونیاک زودتر مایع می‌شود چون نقطهٔ جوشش بالاتر است. این جمله را برعکس حفظ نکنید.

در عمل خط تولید بسته و پیوسته است: $\text{N}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $\text{H}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین واکنش‌نداده پس از جداسازی آمونیاک به محفظهٔ واکنش برمی‌گردند، و همین بازیافت بازده کلی را اقتصادی می‌کند. اهمیت تاریخی‌اش هم کم نیست: پیش از هابر کود نیتروژنه از گوانو تهیه می‌شد.

اوزون: یک عنصر، دو شخصیت

اوزون ( $\text{O}_3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین) و دی‌اکسیژن ( $\text{O}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین) هر دو فقط از اتم اکسیژن‌اند اما ساختار متفاوتی دارند؛ به چنین جفت‌هایی دگرشکل (آلوتروپ) می‌گویند — مثل گرافیت و الماس. اوزون ساختاری خمیده دارد: یک پیوند دوگانه، یک یگانه و یک جفت آزاد روی اتم مرکزی. همین خمیدگی اوزون را قطبی می‌کند در حالی که $\text{O}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین خطی و ناقطبی است؛ قطبیت به‌همراه پیوند ضعیف‌تر، دلیل واکنش‌پذیری بیشترش است. نقطهٔ جوشش هم بالاتر است: $-112$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین در برابر $-183\ ^\circ\text{C}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین.

در استراتوسفر، اوزون در یک تعادل پویا زندگی می‌کند:

\text{O}_3 \xrightarrow{h\nu(\text{UV})} \text{O}_2 + \text{O}, \qquad \text{O} + \text{O}_2 \rightarrow \text{O}_3

سرعت تخریب و تولید تقریباً برابر است، پس غلظت کلی اوزون تقریباً ثابت می‌ماند و در این رفت‌وبرگشت، پرتو فرابنفشِ مضر جذب می‌شود. مشکل وقتی شروع می‌شود که CFCها از یخچال و اسپری به استراتوسفر برسند: نور اتم کلر آزاد می‌کند و هر اتم کلر در چرخه‌ای کاتالیزی هزاران مولکول اوزون را نابود می‌کند. آن‌گاه تخریب از تولید جلو می‌زند و «حفرهٔ اوزون» شکل می‌گیرد.

اما همین اوزون در تروپوسفر نقشی معکوس دارد — آنجا آلاینده است و از واکنش $\text{NO}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین با نور خورشید ساخته می‌شود:

ویژگی	اوزون استراتوسفری	اوزون تروپوسفری
ارتفاع	۲۰ تا ۵۰ کیلومتر	۰ تا ۱۲ کیلومتر
نقش	محافظ (جذب UV)	آلاینده (مضر برای شش)
منشأ	طبیعی	انسانی ( $\text{NO}_x$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین + نور)
توزیع	نسبتاً یکنواخت	نامنظم و وابسته به ترافیک و نور همان روز

همان واکنش‌پذیری بالا، اوزون را به گندزدای مؤثری برای تصفیهٔ آب آشامیدنی هم تبدیل کرده است. درسِ کلی بخش در یک جمله: ساختار هر ماده تعیین‌کنندهٔ خواص آن است.

گازهای نجیب

عنصر	کاربرد شاخص
هلیم $\text{He}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	سرمایش آهنرباهای فوق‌رسانای MRI
نئون $\text{Ne}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	تابلوهای نورانی
آرگون $\text{Ar}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	جوشکاری، لامپ
زنون $\text{Xe}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	بیهوشی، لامپ فلاش

آرگون با $0.93\%$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین فراوان‌ترین گاز نجیبِ هواکره است و در جوشکاری محیطی بی‌اثر می‌سازد تا فلز اکسید نشود. یک باور اشتباه را هم اصلاح کنیم: منبع صنعتی اصلی هلیم هوا نیست، بلکه تقطیر گاز طبیعی است؛ و کاربرد هلیم مایع در MRI فقط سرمایشِ آهنرباهای فوق‌رساناست، نه چیزی هسته‌ای.

زمینی که گرم‌تر می‌شود

اثر گلخانه‌ای

سازوکار سه گام دارد: پرتوهای کوتاه‌موجِ خورشید (مرئی و فرابنفش) تقریباً بی‌مانع از هواکره می‌گذرند؛ زمینِ گرم‌شده انرژی را به‌صورت تابش بلندموجِ فروسرخ پس می‌فرستد؛ و گازهای گلخانه‌ای همین تابش را جذب می‌کنند و نمی‌گذارند گرما کامل خارج شود.

نکتهٔ کلیدی که زیاد اشتباه گرفته می‌شود: جاذب اصلی این تابش، $\text{H}_2\text{O}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $\text{CO}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین هستند، نه $\text{N}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $\text{O}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین — با اینکه این دو بیشترین سهم حجمی هوا را دارند. فراوانی یک گاز هیچ تضمینی برای گلخانه‌ای بودنش نیست.

نکتهٔ دوم اینکه اثر گلخانه‌ای ذاتاً مفید است؛ بدون آن میانگین دمای زمین به $-18\ ^\circ\text{C}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین می‌رسید. مشکل از تشدید آن با فعالیت انسانی است.

گاز	منبع اصلی	پتانسیل گرمایش نسبت به $\text{CO}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
$\text{CO}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	سوخت‌های فسیلی	۱
$\text{CH}_4$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	دام‌داری، گاز طبیعی	۲۵
$\text{N}_2\text{O}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	کشاورزی و کودها	۲۹۸
$\text{CFC}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	یخچال، اسپری	هزاران برابر

جالب اینکه $\text{CO}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین با پایین‌ترین پتانسیلِ جدول همچنان اصلی‌ترین عامل گرمایش است، فقط به‌خاطر حجم عظیم انتشارش. پیامدها: ذوب یخچال‌ها و بالا آمدن سطح دریاها، خشکسالی، و پیش‌بینی افزایش $1.8$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین تا $4\ ^\circ\text{C}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین دما تا سال ۲۱۰۰.

ردپای کربن: همان آمار جهانی، در مقیاس خانه

ردپای کربن یعنی کل گازهای گلخانه‌ایِ منتشرشده توسط یک فرد، خانوار یا فعالیت در یک بازهٔ زمانی، معمولاً بر حسب معادلِ جرم $\text{CO}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین. برای یک خانوار سه منبع اصلی دارد: برق، گاز طبیعی و رانندگی.

برای خانواری با $300\ \text{kWh}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین برق، $180\ \text{m}^3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین گاز و $900\ \text{km}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین رانندگی در ماه، با ضرایب تقریبی $0.5$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، $2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $0.2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین کیلوگرم $\text{CO}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین بر هر واحد:

150 + 360 + 180 = 690\ \text{kg CO}_2 \ \text{در ماه} \implies \approx 8.28\ \text{تن در سال}

هر درخت بالغ سالانه حدود $22$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین کیلوگرم $\text{CO}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین جذب می‌کند، پس جبران این ردپا $\frac{8280}{22}\approx376$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین اصله درخت می‌خواهد — برای یک خانواده در یک سال. همین عدد نشان می‌دهد چرا کاهشِ تولیدِ ردپا مؤثرتر از جبران آن است.

باران اسیدی

یک قاعدهٔ کلی، کل این بخش را توضیح می‌دهد: اکسیدهای فلزی در آب رفتار بازی دارند و اکسیدهای نافلزی رفتار اسیدی. پس سوختن موادی مثل گوگرد یا اکسایش نیتروژنِ هوا، به اسید ختم می‌شود.

باران طبیعی هم به‌خاطر $\text{CO}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین حل‌شده کمی اسیدی است؛ اما باران اسیدی به بارشی با $\text{pH}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین کمتر از $5.6$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین گفته می‌شود. دو مسیر اصلی دارد:

\text{S} \xrightarrow{\text{O}_2} \text{SO}_2 \xrightarrow{\text{O}_2} \text{SO}_3 \xrightarrow{\text{H}_2\text{O}} \text{H}_2\text{SO}_4

2\text{NO} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{NO}_2, \qquad 3\text{NO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{HNO}_3 + \text{NO}

پیامدها: آسیب به جنگل و کشاورزی، اسیدی شدن دریاچه‌ها و مرگ آبزیان، و خوردگی سازه‌های فلزی و سنگ آهکی. راه‌حل از همان قاعدهٔ اول می‌آید: افزودن اکسید کلسیم که در آب باز می‌سازد، $\text{CaO}+\text{H}_2\text{O}\rightarrow\text{Ca(OH)}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین — البته با احتیاط، چون زیاده‌روی آب و خاک را بیش از حد بازی می‌کند. هدف رساندن $\text{pH}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین به بازهٔ مناسب است، نه خنثی‌سازی به هر قیمت.

شیمی سبز

شیمی سبز یعنی طراحی فرایند شیمیایی با کمترین آسیب به محیط زیست. اصول اصلی‌اش: پیشگیری (جلوگیری از تولید پسماند بهتر از پاکسازی آن است)، اقتصاد اتمی (بیشترین اتم‌های مواد اولیه باید وارد فراوردهٔ مطلوب شوند)، سنتز کم‌خطر و ترجیح کاتالیزگر بر معرف مصرف‌شدنی.

\text{درصد اقتصاد اتمی} = \frac{M_{\text{فراوردهٔ مطلوب}}}{M_{\text{همهٔ فراورده‌ها}}} \times 100

نمونهٔ کلاسیکش ایبوبروفن است: روش قدیمی شش مرحله با بازده کمتر از ۴۰ درصد، در برابر روش سبز با سه مرحله و بازده ۹۹ درصد.

همهٔ این‌ها زیر چتر توسعهٔ پایدار جمع می‌شوند، یعنی دیدنِ هم‌زمانِ سه هزینه: اقتصادی، زیست‌محیطی و اجتماعی (سلامت کارگران و نسل‌های آینده). فرایندی که فقط ارزان است، پایدار نیست.

چند راهکار عملی هم مطرح‌اند: CCS که $\text{CO}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین نیروگاه‌ها را فشرده و به سازندهای زیرزمینی تزریق می‌کند (گاز همچنان گاز می‌ماند، فقط محبوس)؛ معدنی‌سازی که در آن $\text{CO}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین واقعاً وارد واکنش می‌شود و جامد پایدار می‌سازد، مثل $\text{CO}_2+\text{CaO}\rightarrow\text{CaCO}_3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین؛ بیودیزل که برخلاف سوخت‌های فسیلی اکسیژن هم در ساختارش دارد و زیست‌تخریب‌پذیر است؛ و بیوپلاستیک‌ها از نشاسته یا سلولز، که هنوز از پلاستیک نفتی گران‌ترند.

در مقایسهٔ گرمای سوختن به‌ازای هر گرم، هیدروژن ( $\approx141\ \text{kJ/g}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین) از گاز طبیعی، بنزین ( $\approx48\ \text{kJ/g}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین) و زغال‌سنگ جلوتر است و فراورده‌اش فقط آب است؛ با این همه تولید، ذخیره‌سازی و حمل‌ونقلش هنوز به‌صرفه نیست.

فرمول‌های کلیدی فصل

موضوع	رابطه
مول از سه راه	$n = \frac{m}{M} = \frac{V}{22.4} = \frac{N}{N_A}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
حجم مولی در STP	$V = n \times 22.4$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
چگالی گاز در STP	$\rho = \frac{M}{22.4}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
رابطهٔ ترکیبی گاز	$\frac{P_1V_1}{n_1T_1} = \frac{P_2V_2}{n_2T_2}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
تبدیل دما و دمای تروپوسفر	$T(\text{K}) = T(^\circ\text{C}) + 273$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $T = T_0 - 6h$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
نسبت مولی و مخلوط گازها	$\frac{n_A}{a} = \frac{n_B}{b}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $\%V = \%n = \%N$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
جرم مولی میانگین	$M_{\text{میانگین}} = \frac{\sum n_i M_i}{n_{\text{کل}}}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین

خلاصه‌ی درسنامه