آنتالپی و سرعت واکنش (شیمی ۲ — تجربی)

سه زبانی که این فصل به تو یاد می‌دهد

یک لقمه غذا بستهٔ کوچکی از انرژی شیمیایی است، و برای فهمیدن آنچه بر سرش می‌آید به سه زبان نیاز داری: زبان انرژی (چه مقدار گرما جابه‌جا می‌شود؟)، زبان سرعت (با چه آهنگی؟) و زبان ساختار (مولکول‌ها از چه اجزایی ساخته شده‌اند؟).

بخش یک: زبان انرژی

دما و گرما یکی نیستند

دما معیاری از میانگین انرژی جنبشی و میانگین تندی ذرات سازندهٔ ماده است ($E_k=\frac{1}{2}mv^2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی)؛ دمای بالاتر یعنی ذرات به‌طور میانگین تندتر حرکت می‌کنند. یکای آن در SI کلوین است:

گرما ($Q$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) اما اصلاً ویژگی ماده نیست؛ انرژی‌ای است که در حال انتقال است و هم به جرم و هم به نوع ماده بستگی دارد. به همین دلیل جملهٔ «گرمای این لیوان چای چقدر است» از نظر علمی نادرست است و باید گفت «گرمای مبادله‌شده در این فرایند». یکای گرما ژول است و رابطه‌اش با کالری: $1\ \text{cal}=4.18\ \text{J}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی.

در دمای ثابت، جنبش و بی‌نظمی ذرات در گاز از مایع و در مایع از جامد بیشتر است؛ همین ترتیب ساده، علامت گرمای تغییر حالت‌ها را پیش‌بینی می‌کند.

گرمای ویژه

اینکه با دادن گرما دمای ماده چقدر بالا برود، به جرم و جنس آن بستگی دارد:

که $Q$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی گرمای جذب یا آزادشده بر حسب ژول، $m$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی جرم بر حسب گرم، $\Delta\theta=\theta_2-\theta_1$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی تغییر دما و $c$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی گرمای ویژه است، یعنی گرمایی که دمای ۱ گرم ماده را ۱ درجهٔ سلسیوس بالا می‌برد.

گرمای ویژهٔ آب از همهٔ جامدها و مایع‌های رایج بیشتر است و همین یک عدد، دو پدیدهٔ بزرگ را توضیح می‌دهد: دریاها آب‌وهوا را تعدیل می‌کنند، و بدن جانداران که ۶۰ تا ۷۰ درصدش آب است در برابر نوسان دمای محیط مقاوم می‌ماند. برای یک جسم مشخص می‌توان ظرفیت گرمایی کل $C=mc$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و ظرفیت گرمایی مولی $C_m=Mc$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی را هم تعریف کرد.

وقتی دما ثابت می‌ماند: تغییر حالت فیزیکی

معادلهٔ $Q=mc\Delta\theta$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی یک فرض پنهان دارد: ماده در همان حالت فیزیکی می‌ماند. اما آب جوشان هرچقدر هم گرما بگیرد روی $100\ ^\circ\text{C}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی می‌ایستد، چون در طول تغییر حالت، تمام گرمای ورودی صرف جدا کردن ذرات از هم می‌شود نه تندتر کردنشان.

قاعدهٔ کلی ساده است: هر مسیری که ذرات را دورتر و بی‌نظم‌تر کند گرماگیر است، و هر مسیری که آن‌ها را نزدیک‌تر و منظم‌تر کند گرماده.

برای این تغییرها دیگر از گرمای ویژه استفاده نمی‌کنیم، بلکه از آنتالپی مولی تبخیر (یا تصعید) که گرمای لازم برای تبخیر یک مول مایع در نقطهٔ جوش و بدون تغییر دماست:

برای آب $\Delta H_{\text{تبخیر}}\approx40.7\ \text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی؛ تبخیر کامل $36$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی گرم آب $81.4\ \text{kJ}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی می‌خواهد، حدود ۵۴۰ برابر گرمایی که فقط یک درجه گرمش می‌کند. به همین دلیل عرق‌کردن یکی از مؤثرترین راه‌های بدن برای دفع گرماست: مقدار کمی آب، گرمای زیادی با خود می‌برد.

آنتالپی تبخیر آب به‌ازای هر گرم ($\approx2260\ \text{J/g}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) نزدیک سه برابر اتانول ($\approx841\ \text{J/g}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) است. علتش پیوند هیدروژنی است: مولکول‌های آب با پیوندهای هیدروژنی متعدد و قوی به هم چسبیده‌اند و جداکردنشان انرژی بیشتری می‌خواهد؛ اتانول هم پیوند هیدروژنی دارد، اما بخش هیدروکربنی بزرگش آن را به‌طور میانگین ضعیف‌تر می‌کند.

سامانه، محیط و علامت‌ها

سامانه همان بخشی است که داریم بررسی می‌کنیم و محیط پیرامون هر چیز بیرون از آن که با سامانه انرژی مبادله می‌کند. دو حالت ممکن است:

• فرایند گرماده: گرما از سامانه به محیط می‌رود، $Q_{\text{سامانه}}<0$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و دمای محیط بالا می‌رود.
• فرایند گرماگیر: گرما از محیط به سامانه می‌رود، $Q_{\text{سامانه}}>0$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و دمای محیط پایین می‌آید.

و در هر مبادله‌ای، آنچه یکی از دست می‌دهد دقیقاً همان است که دیگری می‌گیرد:

آنتالپی

در هر نمونه ماده دو انرژی کنار هم‌اند: جنبشی، وابسته به دما، و پتانسیل (شیمیایی)، وابسته به نوع پیوندها و ساختار مولکول. آنتالپی ($H$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) محتوای انرژی کل سامانه در دما و فشار ثابت است ($H=E_{\text{داخلی}}+PV$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی)، و در فشار ثابت تغییرش دقیقاً برابر گرمای مبادله‌شده است:

پس واکنش گرماده $\Delta H<0$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و واکنش گرماگیر $\Delta H>0$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی دارد. راه سریع تشخیص از روی معادلهٔ ترموشیمیایی: اگر گرما در سمت راست معادله نوشته شده باشد واکنش گرماده است، و اگر در سمت چپ باشد گرماگیر.

پایداری و آلوتروپ‌ها

مقایسهٔ سوختن دو آلوتروپ کربن، مفهوم پایداری را ملموس می‌کند: سوختن گرافیت $-393.5$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و سوختن الماس $-395.4\ \text{kJ}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی آنتالپی دارد. الماس انرژی بیشتری آزاد می‌کند، پس انرژی پتانسیل بیشتری داشته و ناپایدارتر است؛ گرافیت پایدارتر است. نکتهٔ ظریف اینکه الماس از نظر ترمودینامیکی باید به گرافیت تبدیل شود، اما سرعت این تبدیل چنان کند است که در مقیاس عمر انسان عملاً صفر است — یعنی الماس ناپایدار ترمودینامیکی ولی پایدار سینتیکی است.

آلوتروپی منحصر به کربن نیست: گوگرد دو شکل ارتورومبیک و مونوکلینیک دارد، و اکسیژن به دو شکل $\text{O}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و ازون $\text{O}_3$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی. تبدیل اکسیژن به ازون گرماگیر است ($\Delta H\approx+286\ \text{kJ}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی)، و به همین دلیل ازون در جو بالا فقط زیر تابش پرانرژی فرابنفش ساخته می‌شود.

حالت فیزیکی، مقدار $\Delta H$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی را هم عوض می‌کند

حالت فیزیکی مواد فقط علامت $\Delta H$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی را تعیین نمی‌کند، بلکه روی مقدار عددی آن هم اثر می‌گذارد. سوختن متان با فراوردهٔ آب مایع $-890\ \text{kJ/mol}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و با فراوردهٔ بخار آب $-802\ \text{kJ/mol}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی است. دلیل اختلاف روشن است: تولید آب مایع یک مرحلهٔ گرمادهٔ اضافه دارد، یعنی میعان دو مول بخار آب ($2\times44\approx88\ \text{kJ}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) — و همین دقیقاً اختلاف آن دو عدد است. قاعدهٔ کلی: وقتی دو معادلهٔ ترموشیمیایی فقط در حالت فیزیکی یک ماده فرق کنند، $\Delta H$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی آن‌ها به‌اندازهٔ آنتالپی همان تغییر حالت با هم تفاوت دارد.

آنتالپی پیوند

هر پیوند مثل یک فنر است: برای بازکردنش باید انرژی بدهی و هنگام بسته‌شدن همان انرژی را پس می‌دهد. آنتالپی پیوند گرمای لازم برای شکستن یک مول از یک نوع پیوند در فاز گازی است؛ مثلاً $\Delta H(\text{H-H})=+436\ \text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی.

شکستن پیوند همیشه گرماگیر است ($\Delta H>0$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) و تشکیل پیوند همیشه گرماده ($\Delta H<0$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی).

برای نمونه در واکنش $\text{H}_2+\text{Cl}_2\rightarrow2\text{HCl}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی یک مول $\text{H-H}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و یک مول $\text{Cl-Cl}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی شکسته و دو مول $\text{H-Cl}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی تشکیل می‌شود:

حتی بدون محاسبه هم می‌شود علامت را حدس زد: اگر پیوندهای تشکیل‌شده در مجموع قوی‌تر یا پرشمارتر از پیوندهای شکسته باشند، واکنش گرماده است. توجه کن که برای مولکول‌های چنداتمی مانند $\text{CH}_4$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی از میانگین آنتالپی پیوند استفاده می‌شود، چون چهار پیوند $\text{C-H}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی دقیقاً هم‌انرژی نیستند.

آنتالپی سوختن و ارزش سوختی

آنتالپی سوختن ($\Delta H_c^\circ$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) آنتالپی واکنشی است که در آن یک مول ماده در اکسیژن کافی به‌طور کامل می‌سوزد، در شرایط مرجع $25\ ^\circ\text{C}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و $1\ \text{atm}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی؛ و همیشه منفی است.

برای مواد غذایی همین مفهوم به شکل ارزش سوختی بیان می‌شود، یعنی انرژی آزادشده از سوختن ۱ گرم ماده: کربوهیدرات و پروتئین هرکدام $17\ \text{kJ/g}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و چربی $38\ \text{kJ/g}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی. چربی بیش از دو برابر بقیه انرژی دارد و به همین دلیل بدن آن را برای ذخیره‌سازی انتخاب می‌کند: کمترین وزن با بیشترین انرژی. ارزش سوختی پروتئین در بدن و آزمایشگاه یکسان نیست، چون در بدن نیتروژن به‌صورت اوره دفع می‌شود.

ردیف گلوکز نکتهٔ زیبایی دارد: سوختن گلوکز دقیقاً واکنش معکوس فتوسنتز است، پس $\Delta H$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی فتوسنتز $+2803\ \text{kJ/mol}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی می‌شود. گیاه انرژی نور را در پیوندهای گلوکز ذخیره می‌کند و بدن ما با شکستن همان پیوندها آزادش می‌کند.

آنتالپی انحلال: کمپرس سرمازا و گرمازا

نوع سومی از آنتالپی، گرمای آزاد یا جذب‌شده هنگام حل‌شدن یک ماده در حلال است. کمپرس‌های فوری ورزشی روی همین اصل کار می‌کنند: با فشاردادن کیسه، ظرف آب داخلش می‌شکند و انحلال آغاز می‌شود.

• کمپرس سرمازا حاوی آمونیوم‌نیترات ($\text{NH}_4\text{NO}_3$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) است که انحلالش گرماگیر است؛ گرما را از پوست می‌گیرد و تورم و درد را کم می‌کند.
• کمپرس گرمازا حاوی کلسیم‌کلرید ($\text{CaCl}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) است که انحلالش گرماده است و برای گرم‌کردن عضلهٔ منقبض به کار می‌رود.

هر دو کیسه سازوکار یکسانی دارند و تنها تفاوتشان علامت آنتالپی انحلال نمک داخلشان است. نمونهٔ سنتی همین ایده یخچال صحرایی است: آب از منافذ کوزهٔ سفالی بیرون می‌زند و تبخیر می‌شود، و چون تبخیر گرماگیر است دمای داخل را چند درجه پایین‌تر از هوای بیرون نگه می‌دارد — همان اصل عرق‌کردن بدن و کولر آبی.

قانون هس

گاهی اندازه‌گیری مستقیم $\Delta H$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی ممکن نیست، چون واکنش خیلی کند یا خطرناک است. قانون هس راه دور می‌زند:

اگر معادلهٔ یک واکنش از جمع چند معادلهٔ دیگر ساخته شود، $\Delta H$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی آن هم برابر جمع جبری $\Delta H$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی همان معادله‌هاست.

سه قاعدهٔ کار با آن: وارون‌کردن واکنش علامت $\Delta H$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی را عوض می‌کند؛ ضرب واکنش در $n$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، مقدار $\Delta H$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی را هم در $n$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی ضرب می‌کند؛ و جمع واکنش‌ها به جمع جبری $\Delta H$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نماییها می‌انجامد.

نمونهٔ کلاسیک، آنتالپی تشکیل متان از گرافیت و هیدروژن است که مستقیم قابل اندازه‌گیری نیست. با سه واکنش سوختن شناخته‌شده (سوختن کربن $-393.5$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، سوختن هیدروژن $-286$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی که در ۲ ضرب می‌شود، و سوختن متان $-890$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی که وارون می‌شود) به‌دست می‌آید:

جالب اینکه یکی از پله‌های محاسبه می‌تواند به‌جای واکنش شیمیایی، یک تغییر حالت باشد؛ مثلاً برای ساختن $\text{CO}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی جامد از کربن و اکسیژن، آنتالپی سوختن کربن با وارون تصعید $\text{CO}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی جمع می‌شود و نتیجه منفی‌تر از سوختن معمولی درمی‌آید.

راهبرد عملی: واکنشی که ماده‌اش فقط در هدف آمده مستقیم بیاور، واکنشی را که ماده‌اش در هدف فراورده ولی در آن واکنش‌دهنده است وارون کن، و آخر ضرایب را تنظیم کن.

گرماسنج و لایه‌های اضافهٔ محاسبه

اندازه‌گیری عملی این گرماها با گرماسنج انجام می‌شود. در گرماسنج لیوانی، فرض اصلی این است که گرمای واکنش، دمای محلول را تغییر می‌دهد:

و معمولاً $c_{\text{محلول}}\approx c_{\text{آب}}=4.18$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی فرض می‌شود؛ گرمای به‌دست‌آمده را بر تعداد مول واکنش‌کرده تقسیم می‌کنیم تا $\Delta H$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی بر حسب هر مول به‌دست آید. اما این فرض همیشه درست نیست: اگر حلال آب نباشد باید گرمای ویژهٔ خود همان حلال را گذاشت؛ با اتانول ($c=2.44$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) همان تغییر دما تقریباً نصف گرما را نشان می‌دهد. سه لایهٔ اضافهٔ دیگر هم در سؤال‌های ترکیبی ظاهر می‌شوند: بازده درصدی ($Q_{\text{واقعی}}=\text{بازده}\times Q_{\text{نظری}}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی)، درصد خلوص (اول جرم مؤثر را حساب کن: $m_{\text{مؤثر}}=m_{\text{کل}}\times$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی خلوص)، و واکنش‌دهندهٔ محدودکننده که گرما را فقط بر پایهٔ مول همان ماده باید حساب کرد.

بخش دو: زبان سرعت

سینتیک شیمیایی چهار هدف دارد: اندازه‌گیری آهنگ پیشرفت واکنش، شناسایی عوامل مؤثر بر آن، یافتن راه کندکردن واکنش‌های ناخواسته مثل فساد غذا، و بررسی مکانیسم واکنش.

تعریف سرعت و نقش ضرایب استوکیومتری

سرعت، تغییر مقدار ماده در واحد زمان است: $R=\dfrac{\Delta n}{\Delta t}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، با یکای $\text{mol}\cdot\text{s}^{-1}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی یا $\text{mol}\cdot\text{min}^{-1}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی. برای فراورده‌ها $\Delta n>0$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و برای واکنش‌دهنده‌ها $\Delta n<0$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی. برای واکنش $a\text{A}+b\text{B}\rightarrow c\text{C}+d\text{D}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی:

تمایز کلیدی اینجاست: سرعت واکنش عددی است مشترک میان همهٔ شرکت‌کنندگان، ولی آهنگ مصرف یا تولید هر ماده به ضریب استوکیومتری خودش وابسته است. مثلاً در $\text{N}_2+3\text{H}_2\rightarrow2\text{NH}_3$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی اگر آمونیاک با آهنگ $4\times10^{-2}\ \text{mol}\cdot\text{s}^{-1}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی تولید شود، هیدروژن با $6\times10^{-2}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی مصرف می‌شود، نیتروژن با $2\times10^{-2}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، و سرعت خود واکنش $2\times10^{-2}\ \text{mol}\cdot\text{s}^{-1}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی است. دام همیشگی این است که معادله موازنه‌نشده باشد؛ پیش از استفاده از ضرایب حتماً معادله را ببند.

نمودار مول-زمان، سرعت متوسط و لحظه‌ای

روی نمودار مول-زمان، شیب برای فراورده مثبت و برای واکنش‌دهنده منفی است و اندازهٔ شیب همان سرعت؛ شیب در آغاز بیشترین مقدار را دارد، کم‌کم افت می‌کند و در پایان واکنش صفر می‌شود.

آنچه از $\Delta n/\Delta t$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی به‌دست می‌آید همیشه سرعت متوسط بین دو لحظه است. برای سرعت لحظه‌ای باید خط مماس بر منحنی را در همان لحظه رسم کرد و شیبش را گرفت؛ هرچه بازهٔ زمانی کوچک‌تر باشد، سرعت متوسط به سرعت لحظه‌ای نزدیک‌تر می‌شود.

نیم‌عمر

نیم‌عمر ($t_{1/2}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) مدت‌زمانی است که غلظت یک واکنش‌دهنده به نصف مقدار اولیه‌اش برسد. اگر نیم‌عمر ثابت فرض شود:

که $n$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی تعداد نیم‌عمرهای سپری‌شده است. مثلاً با غلظت اولیهٔ $0.80\ \text{mol/L}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و نیم‌عمر ۲۰ دقیقه، پس از ۶۰ دقیقه (سه نیم‌عمر) غلظت به $0.10\ \text{mol/L}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی می‌رسد.

چطور سرعت را در عمل اندازه می‌گیرند

در آزمایشگاه معمولاً نمی‌شود مستقیم «تعداد مول باقی‌مانده» را در هر لحظه خواند؛ به‌جایش کمیت‌های ساده‌تر را اندازه می‌گیرند و به مول تبدیل می‌کنند:

• کاهش جرم ظرف باز: اگر واکنش گازی تولید کند که از ظرف بیرون می‌رود، افت جرم روی ترازو همان جرم گاز خروجی است؛ تقسیم بر جرم مولی، تعداد مول را می‌دهد.
• کاهش جرم فلز غوطه‌ور: وقتی تیغه‌ای فلزی در محلول حل می‌شود، افت جرمش را به مول تبدیل می‌کنیم.
• حجم یا فشار گاز: در شرایط استاندارد $n=V/22.4$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی؛ و در دما و حجم ثابت، فشار مستقیماً با تعداد مول‌های گازی متناسب است.
• درصد پیشرفت: وقتی سؤال می‌گوید «۲۵ درصد تجزیه شده»، باید مقدار واکنش‌کرده را از روی مقدار اولیه بازسازی کرد.
• نمودارهای گسستهٔ مولکولی: تعداد ذره‌ها را در هر تصویر بشمار و به مول تبدیل کن؛ بیشتر خطاها در شمارش رخ می‌دهد نه در فرمول.

وقتی چند منحنی روی یک نمودار مقایسه می‌شوند، قاعده این است: هر عاملی که سرعت را زیاد کند، منحنی‌اش شیب اولیهٔ تندتری دارد و زودتر به حالت تخت می‌رسد.

عوامل مؤثر بر سرعت

دما: قاعدهٔ تجربی می‌گوید هر ۱۰ درجه افزایش دما سرعت را حدود ۲ تا ۳ برابر می‌کند؛ بیان کمّی‌اش معادلهٔ آرنیوس است:

که $k$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی ثابت سرعت، $E_a$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی انرژی فعال‌سازی و $R=8.314\ \text{J}\cdot\text{mol}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی است.

غلظت: ذرات بیشتر در واحد حجم یعنی برخورد بیشتر. برای واکنش‌دهنده‌های گازی، افزایش فشار در حجم ثابت هم‌ارز افزایش غلظت است.

سطح تماس: پودر سنگ آهک بسیار سریع‌تر از تکهٔ کامل با اسید واکنش می‌دهد؛ مقدار ماده عوض نمی‌شود، فقط نسبت سطح به حجم بالا می‌رود: بریدن یک مکعب به ضلع $a$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی به هشت مکعب کوچک‌تر، سطح کل را از $6a^2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی به $12a^2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی می‌رساند بی‌آنکه حجم تغییر کند.

کاتالیزگر: ماده‌ای که سرعت را بالا می‌برد اما خودش مصرف نمی‌شود؛ همگن اگر در فاز واکنش‌دهنده‌ها باشد (مانند $\text{KI}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی در تجزیهٔ آب اکسیژنه) و ناهمگن اگر در فازی متفاوت (مانند $\text{Fe}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی در فرایند هابر یا $\text{Pt}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی در اگزوز خودرو). آنزیم‌ها کاتالیزگرهای زیستی بدن‌اند و در مقابل بازدارنده سرعت را کم می‌کند، مثل آنتی‌اکسیدان‌های افزوده به غذا.

نکتهٔ مهمی که زیاد از آن سؤال می‌شود: کاتالیزگر و بازدارنده مقدار نهایی فراورده را تغییر نمی‌دهند و فقط زمان رسیدن به آن را کوتاه یا بلند می‌کنند. اما اگر به‌جای آن‌ها غلظت یا مقدار اولیهٔ واکنش‌دهنده را عوض کنی، هم سرعت و هم ارتفاع نهایی نمودار تغییر می‌کند، چون مادهٔ بیشتری برای واکنش موجود است.

انرژی فعال‌سازی

$E_a$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی کمترین انرژی‌ای است که یک برخورد باید داشته باشد تا به واکنش بینجامد — همان سد انرژی میان واکنش‌دهنده‌ها و فراورده‌ها. رابطهٔ رفت و برگشت:

پس در واکنش گرماده ($\Delta H<0$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) انرژی فعال‌سازی برگشت از رفت بزرگ‌تر است و در واکنش گرماگیر برعکس. کاتالیزگر فقط ارتفاع همین سد را پایین می‌آورد تا کسر بیشتری از ذرات از آن عبور کنند؛ $\Delta H$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی واکنش را ذره‌ای تغییر نمی‌دهد، چون سطح انرژی واکنش‌دهنده‌ها و فراورده‌ها ثابت می‌ماند.

بخش سه: زبان ساختار

گروه عاملی آرایش ویژه‌ای از اتم‌هاست که خواص شیمیایی مشخصی به مولکول می‌دهد.

الکل‌ها ترکیب‌هایی‌اند که گروه $\text{-OH}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی در آن‌ها به کربن سیرشده متصل است؛ اما کلسترول یک الکل سیرنشده به‌شمار می‌رود، چون در ساختارش پیوند دوگانهٔ $\text{C=C}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی هم دارد. اسید کربوکسیلیک در واقع کربونیل و هیدروکسیل را روی یک کربن جمع کرده و همین به آن خاصیت اسیدی می‌دهد، و استر از واکنش اسید کربوکسیلیک با الکل ساخته می‌شود:

تفاوت الکل و اتر در ظاهر کوچک ولی در رفتار بزرگ است: الکل به‌خاطر هیدروژن گروه $\text{OH}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی پیوند هیدروژنی بین‌مولکولی می‌سازد اما اتر نمی‌سازد، پس در جرم مولی مشابه، نقطهٔ جوش الکل بالاتر است.

ایزومری ساختاری

دو ترکیب می‌توانند فرمول مولکولی کاملاً یکسان داشته باشند اما گروه عاملی و ساختارشان متفاوت باشد؛ به این پدیده ایزومری ساختاری می‌گویند.

اتانول و دی‌متیل‌اتر هر دو از دو کربن، شش هیدروژن و یک اکسیژن ساخته شده‌اند، اما در یکی اکسیژن دستگیرهٔ $\text{OH}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی است و در دیگری پلی میان دو کربن — و همین باعث می‌شود اولی در دمای اتاق مایع و دومی گازی فرّار باشد. قاعدهٔ عملی: هرجا دو ترکیب هم‌فرمول با خواص متفاوت دیدی، پاسخ در گروه عاملی‌شان است.

رادیکال آزاد و آنتی‌اکسیدان

رادیکال گونه‌ای است که الکترون جفت‌نشده دارد؛ از قاعدهٔ هشت‌تایی پیروی نمی‌کند، بسیار واکنش‌پذیر و ناپایدار است و در بدن آسیب ایجاد می‌کند. $\text{NO}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و $\text{NO}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی نمونه‌های شناخته‌شده‌اند؛ تشکیل $\text{NO}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی از نیتروژن و اکسیژن هوا گرماگیر است و عملاً فقط در دمای بسیار بالا مثل داخل موتور خودرو رخ می‌دهد.

آنتی‌اکسیدان‌ها رادیکال‌های آزاد را جذب می‌کنند: لیکوپن (گوجه‌فرنگی، هندوانه)، بتاکاروتن (هویج)، فلاوونوئیدها و آنتوسیانین‌ها.

نگهداری مواد غذایی

فساد غذا نتیجهٔ پنج عامل است: دمای بالا (تندشدن واکنش‌های فساد)، رطوبت (محیط رشد میکروب)، نور (کاتالیز فتوشیمیایی)، اکسیژن (اکسایش چربی‌ها و ویتامین‌ها) و میکروارگانیسم‌ها. هر روش نگهداری، یکی از همین‌ها را هدف می‌گیرد:

خشک‌کردن در دمای پایین بهتر است، چون گرمای زیاد ارزش غذایی را کم می‌کند. هر ردیف این جدول کاربرد مستقیم یکی از عوامل مؤثر بر سرعت است: سرما همان اثر دماست، بسته‌بندی خلأ حذف یک واکنش‌دهنده، و نگهدارنده چیزی جز بازدارنده نیست.

ردپای غذا

ردپای غذا مجموع منابعی است که از مزرعه تا سفره مصرف می‌شود: آب و انرژی، نیروی انسانی، زمین، گازهای گلخانه‌ای و پسماند. سالانه حدود ۳۰ درصد مواد غذایی تولیدشدهٔ جهان — نزدیک ۱.۳ میلیارد تن — به زباله تبدیل می‌شود.

چهار الگوی کاهش آن هرکدام یکی از اصول شیمی سبز را دنبال می‌کنند: خرید به‌اندازهٔ نیاز (کاهش پسماند)، کاهش مصرف گوشت و لبنیات، استفاده از غذاهای بومی و فصلی (کوتاه‌شدن مسیر حمل‌ونقل) و کاهش غذاهای فراوری‌شده.

جدول فرمول‌های کلیدی فصل