ردِّ پای گازها در زندگی
اگر ضخامت هواکره را با شعاع زمین مقایسه کنیم، این لایهٔ گازی حتی از پوست یک سیب هم نازکتر به نظر میرسد؛ با این حال همین لایهٔ نازک، تفاوت زمین با یک سیارهٔ بیجان را رقم میزند. هواکره حدود تن جرم دارد، هرچند این عدد در برابر جرم کل زمین ناچیز است ().
لایههای هواکره
از سطح زمین تا فضا پنج لایه قابل تشخیص است: تروپوسفر (۰ تا ۱۲ کیلومتر، محل رخدادن آبوهوا و ۷۵٪ جرم هواکره)، استراتوسفر (۱۲ تا ۵۰ کیلومتر، خانهٔ لایهٔ اوزون)، مزوسفر، ترموسفر و اگزوسفر. نکتهٔ کلیدی این است که روند دما در هر لایه متفاوت است: در تروپوسفر با افزایش ارتفاع دما کم میشود ()، اما در استراتوسفر به دلیل جذب پرتوهای فرابنفش توسط اوزون، روند برعکس میشود و دما بالا میرود — همین تغییرِ جهت، دلیل لایهایبودن هواکره است.
از نظر ترکیب، هوا عمدتاً از نیتروژن (، ) و اکسیژن (، ) ساخته شده و آرگون، دیاکسیدکربن و بخار آب سهم کوچکتری دارند.
از هوای مایع تا گازهای خالص
برای جداسازی گازهای هوا، ابتدا هوا تصفیه و رطوبتش گرفته میشود، سپس با فشردهسازی تا مایع میشود. با گرمکردن تدریجی این مایع، هر گاز در نقطهٔ جوش خودش جدا میشود: نخست نیتروژن ()، سپس آرگون () و در پایان اکسیژن (). چون نقطهٔ جوش آرگون و اکسیژن بسیار به هم نزدیک است، تهیهٔ اکسیژن ۱۰۰٪ خالص کار دشواری است.
اکسیژن، اکسیدها و یک گاز خطرناک
اکسیژن با اغلب فلزها و نافلزها واکنش میدهد و اکسید تشکیل میدهد؛ برخی فلزها (مثل آهن) بسته به شرایط بیش از یک نوع کاتیون و در نتیجه بیش از یک اکسید میسازند که با عدد رومی در پرانتز از هم متمایز میشوند — اکسید آهن(II) در برابر اکسید آهن(III). برای اکسیدهای نافلزی، پیشوندهای یونانی (دی، تری، تترا...) تعداد اتمها را نشان میدهند؛ فقط پیشوند «مونو» برای عنصر اول نوشته نمیشود، مثل که کربن مونواکسید خوانده میشود نه مونوکربن مونواکسید.
در میان محصولات سوختن ناقص، مونواکسیدکربن () خطرناکترین است: گازی بیرنگ، بیبو، بیمزه و کاملاً غیرقابل تشخیص با حواس که تمایلش به ترکیب با هموگلوبین ۲۰۰ برابر بیشتر از اکسیژن است و رساندن اکسیژن به بافتها را مختل میکند. منابع خانگی آن وسایل گرمایشی بدون تهویه و موتور خودرو در پارکینگ بستهاند. مسمومیت با با اکسیژندرمانی پرفشار درمان میشود، چون فشار بالای اکسیژن میتواند این گاز را از هموگلوبین جدا کند.
ساختار لوویس مولکولهای پیشرفته
برای رسم ساختار لوویس یک مولکول، ابتدا شمار الکترونهای ظرفیت محاسبه میشود، سپس کمالکترونگاتیوترین اتم (هرگز هیدروژن) بهعنوان اتم مرکزی انتخاب میشود و در پایان، اگر اتم مرکزی هنوز به هشتتایی نرسیده باشد، پیوند دوگانه یا سهگانه اضافه میشود. برای نمونه در بین کربن و اکسیژن پیوند سهگانه () تشکیل میشود و در ، اتم مرکزی گوگرد یک پیوند دوگانه و یک پیوند یگانه دارد که هندسهٔ خمیدهٔ مولکول را رقم میزند. البته قانون هشتتایی همیشه رعایت نمیشود: مولکولهایی مانند کمتر از هشت الکترون و ترکیباتی مانند یا بیشتر از هشت الکترون دور اتم مرکزی دارند؛ طبق اعلام سازمان سنجش، این استثناها از محدودهٔ ارزشیابی پایانی خارجاند و طرح پرسش از آنها ممنوع است.
معادله، موازنه و استوکیومتری
طبق قانون پایستگی جرم، جرم واکنشدهندهها با جرم فراوردهها برابر است، چون شمار اتمهای هر عنصر در یک واکنش شیمیایی ثابت میماند و فقط نحوهٔ اتصال آنها تغییر میکند. هنگام موازنهٔ معادله فقط ضریبها تغییر میکنند، نه زیروندها. استوکیومتری، شاخهای از شیمی است که همین ضریبها را به نسبت مولی واقعی بین مواد وصل میکند؛ مسیر استاندارد حل مسئله از جرم به مول و از مول به مول یا حجم میرود: . برای نمونه، تولید هر مول از واکنش به دقیقاً مول نیاز دارد — نسبتی که مستقیماً از ضرایب معادلهٔ موازنهشده خوانده میشود. در شرایط استاندارد (STP: و )، طبق قانون آووگادرو هر مول از هر گاز حجمی برابر با لیتر دارد — رابطهای که فقط برای گازها صادق است، نه مایعات و جامدات. برای نمونه، هر فرد بالغ روزانه حدود لیتر هوا تنفس میکند که از آن نزدیک به لیتر اکسیژن است — معادل تقریباً مول در شبانهروز؛ همین محاسبهٔ ساده نشان میدهد چرا سهم اکسیژن هوا برای بدن انسان اهمیت حیاتی دارد. جالب اینکه با وجود جرم مولی متفاوت گازها، حجم یک مول از هر کدام در STP برابر است:
| گاز | جرم مولی () | حجم یک مول در STP |
|---|---|---|
نیتروژن، آمونیاک و فرایند هابر
نیتروژن فراوانترین گاز هواکره است اما به دلیل پیوند سهگانهٔ بسیار محکم ()، واکنشپذیری بسیار کمی دارد. برای شکستن این پایداری و تولید آمونیاک، فرایند هابر-بوش در دمای بالا، فشار بالا و با کاتالیزگر آهن انجام میشود. پیش از این فرایند، کود نیتروژندار از گوانو (فضولات پرندگان) تهیه میشد؛ امروزه تخمین زده میشود نیمی از نیتروژنِ پروتئینِ بدن انسانها از همین فرایند صنعتی میآید.
اوزون: هم محافظ، هم آلاینده
اوزون () بسته به جایی که قرار دارد، دو چهرهٔ کاملاً متفاوت دارد. در استراتوسفر، چرخهٔ پیوستهٔ تجزیه و بازتولید اوزون پرتوهای فرابنفش مضر را جذب میکند و از سطح زمین محافظت میکند؛ ترکیبات که از یخچالها و اسپریها وارد جو میشوند این لایه را تخریب میکنند و یک اتم کلر میتواند هزاران مولکول اوزون را از بین ببرد. اما همان مولکول در تروپوسفر شهرهای آلوده از واکنش نور با تولید میشود و آلایندهٔ مضر برای ریه شناخته میشود — نمونهٔ روشنی از اینکه ساختار یک ماده، رفتار آن را تعیین میکند.
اثر گلخانهای و باران اسیدی
اثر گلخانهای ذاتاً پدیدهٔ مفیدی است؛ بدون آن، دمای متوسط زمین به میرسید. مشکل اصلی، تشدید این اثر توسط ، متان و سایر گازهای گلخانهای ناشی از فعالیت انسان است — و اگرچه متان پتانسیل گرمایشی بیشتری نسبت به دارد، حجم بسیار زیاد انتشار آن را به عامل اصلی گرمایش زمین تبدیل کرده است. بهطور مشابه، آلایندههای گوگردی و نیتروژنی که از دودکش کارخانهها بالا میروند سرانجام به شکل باران اسیدی () به زمین برمیگردند و به جنگل، دریاچه و سازههای فلزی آسیب میزنند؛ افزودن اکسید کلسیم به دریاچههای اسیدی یکی از راهحلهای جبرانی است. طبق اصل «آنچه به بالا میرود، سرانجام باید پایین بیاید»، آلایندههایی که از دودکش صنایع وارد هواکره میشوند دیر یا زود به شکل بارش اسیدی به زمین بازمیگردند.
| گاز گلخانهای | منبع اصلی | پتانسیل گرمایش نسبت به |
|---|---|---|
| سوختهای فسیلی | ۱ | |
| دامداری، گاز طبیعی | ۲۵ | |
| کشاورزی، کودها | ۲۹۸ | |
| یخچال، اسپری | هزاران برابر |
شیمی سبز و گازهای نجیب
شیمی سبز با اصولی مثل پیشگیری از پسماند و افزایش اقتصاد اتمی، به دنبال کاهش آسیب فرایندهای شیمیایی به محیط زیست است. اقتصاد اتمی یعنی نسبت جرم مولی فراوردهٔ مطلوب به جرم مولی همهٔ فراوردههای واکنش، ضربدر صد؛ نمونهٔ معروف آن سنتز ایبوبروفن است: روش قدیمی در ۶ مرحله و با بازدهی کمتر از ۴۰٪ پسماند زیادی تولید میکرد، اما روش سبز تنها در ۳ مرحله و با بازدهی ۹۹٪ انجام میشود و تقریباً تمام پسماندها بازیافت میشوند. سوخت زیستی و ذخیرهٔ به شکل کربناتهای جامد نیز از نمونههای دیگر شیمی سبزند.
در کنار این گازهای واکنشپذیر، گازهای نجیب به دلیل بیاثری شیمیاییشان کاربردهای خاص خود را دارند و آرگون با سهم فراوانترین گاز نجیب هواکره است:
| عنصر | کاربرد مهم |
|---|---|
| هلیم | اشیاء شناور، دستگاه MRI، سرمایش |
| نئون | تابلوهای نورانی |
| آرگون | جوشکاری، لامپ |
| زنون | بیهوشی، لامپ فلاش |
آرگون در جوشکاری محیطی بیاثر ایجاد میکند که مانع اکسایش فلز جوششده و ورود نیتروژن و اکسیژن هوا به ناحیهٔ جوش میشود. سرانجام، با افزایش ارتفاع از سطح زمین، فشار هوا و فشار جزئی اکسیژن بهطور نمایی کاهش مییابد؛ به همین دلیل کوهنوردان در ارتفاعات از کپسول اکسیژن استفاده میکنند و کابین هواپیماها فشارگذاری میشود.