هواکره، گازها و استوکیومتری (شیمی ۱)

هواکره

هواکره لایه‌ای از گازهاست که زمین را احاطه کرده — با جرمی حدود $3.5 \times 10^{15}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین تن که نسبت به زمین مثل پوست سیب نازک است.

لایه	ارتفاع	ویژگی
تروپوسفر	$0-12$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین km	۷۵٪ جرم هواکره؛ آب‌وهوا اینجا رخ می‌دهد؛ دما با ارتفاع کاهش می‌یابد
استراتوسفر	$12-50$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین km	لایهٔ اوزون؛ دما با ارتفاع افزایش می‌یابد
مزوسفر	$50-80$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین km	دما کاهش می‌یابد
ترموسفر	$80-700$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین km	دما افزایش می‌یابد

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

نکتهٔ کنکوری: همین تغییرِ روند دما (کاهش در تروپوسفر، افزایش در استراتوسفر به‌خاطر جذب فرابنفش توسط اوزون) دلیل لایه‌ای بودن هواکره است.

ترکیب هوا

گاز	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

نکته: جرم مولی میانگین هوا $\approx 29\ \text{g/mol}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است.

اکسیژن و واکنش‌هایش

اکسیدهای فلزی: فلز + اکسیژن ← اکسید فلزی. مثلاً $4\text{Al} + 3\text{O}_2 \rightarrow 2\text{Al}_2\text{O}_3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین.

نام‌گذاری ترکیبات یونی: برای فلزهایی که فقط یک نوع کاتیون می‌سازند، نام فلز + نام آنیون کافی است. برای فلزهای چندظرفیتی، بار کاتیون به‌صورت عدد رومی در پرانتز می‌آید:

فرمول	نام
$\text{FeO}$ 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)
$\text{MgO}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	اکسید منیزیم

تعیین فرمول — قانون بی‌طرفی بار: مجموع بارها باید صفر شود. روش سریع «تبادل عدد»: 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.

اکسیدهای نافلزی با پیشوندهای یونانی نام‌گذاری می‌شوند: دی، تری، تترا، پنتا، هگزا…

نکتهٔ کنکوری: پیشوند «مونو» برای عنصر اول نوشته نمی‌شود — $\text{CO}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین یعنی کربن مونواکسید، نه «مونوکربن مونواکسید».

سوختن کامل هیدروکربن:

\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}

در کمبود اکسیژن، سوختن ناقص رخ می‌دهد و $\text{CO}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین تولید می‌شود.

مونواکسید کربن — گاز خطرناک

گازی بی‌رنگ، بی‌بو و بی‌مزه است — یعنی با هیچ‌یک از حواس قابل تشخیص نیست. تمایلش به ترکیب با هموگلوبین ۲۰۰ برابر بیشتر از اکسیژن است:

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

نتیجه: رسیدن اکسیژن به بافت‌ها مختل می‌شود. منابع خانگی‌اش وسایل گرمایشی بدون تهویه، موتورهای درون‌سوز در فضای بسته و سوختن ناقص گاز شهری است.

ساختار لوویس

مراحل: الکترون‌های ظرفیت را بشمار؛ اتم مرکزی را انتخاب کن (کم‌الکترونگاتیوترین، هرگز هیدروژن)؛ پیوند یگانه بزن؛ الکترون‌های باقیمانده را اول روی اتم‌های کناری بگذار؛ و اگر اتم مرکزی به هشت‌تایی نرسید، پیوند دوگانه یا سه‌گانه بزن.

مولکول	الکترون ظرفیت	ساختار
$\text{CO}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$10$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	پیوند سه‌گانه
$\text{HCN}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$10$ 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	$16$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$\text{S}=\text{C}=\text{S}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین
$\text{CH}_2\text{O}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	$12$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	کربن با دو H یگانه و با O دوگانه

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

معادلهٔ شیمیایی و موازنه

قانون پایستگی جرم: شمار اتم‌های هر عنصر ثابت است؛ فقط نحوهٔ اتصالشان تغییر می‌کند.

قانون کلی موازنه: ضریب‌ها را تغییر می‌دهیم، نه زیروندها را.

ترتیب پیشنهادی: اول فلزها، بعد نافلزها (به‌جز H و O)، بعد هیدروژن، و در آخر اکسیژن.

نکته: ضرایب باید کوچک‌ترین اعداد طبیعی ممکن باشند؛ اگر ضریبی کسری شد، همه را در مخرج مشترک ضرب کن.

استوکیومتری

در معادلهٔ موازنه‌شده، ضریب‌ها نسبت مولی را نشان می‌دهند. از هر نسبت مولی دو عامل تبدیل می‌توان ساخت.

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

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

شرایط استاندارد و حجم مولی

\boxed{\text{STP:} \quad T = 0\ ^\circ\text{C} = 273\ \text{K}, \quad P = 1\ \text{atm}}

قانون آووگادرو: در دما و فشار یکسان، حجم‌های مساوی از گازهای گوناگون تعداد مساوی مولکول دارند.

\boxed{V_m = 22.4\ \text{L/mol} \; (\text{STP})} \qquad\qquad \boxed{n = \frac{m}{M} = \frac{V}{22.4} = \frac{N}{N_A}}

نکتهٔ کنکوری: حجم مولی فقط برای گازها در STP صادق است، نه مایعات و جامدات.

نیتروژن و آمونیاک

نیتروژن فراوان‌ترین گاز هواکره است و ساختارش پیوند سه‌گانهٔ $:\text{N} \equiv \text{N}:$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است. همین پیوند بسیار محکم، واکنش‌پذیری‌اش را ناچیز می‌کند — و دقیقاً همین بی‌اثری، کاربردهایش را می‌سازد: بسته‌بندی مواد غذایی، پر کردن تایر، و محیط بی‌اثر جوشکاری.

فرایند هابر-بوش:

\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 انجام نمی‌شود، و جداسازی آمونیاک دشوار است. راه‌حل جداسازی از مقایسهٔ نقطهٔ جوش می‌آید — $\text{NH}_3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین در $-33\ ^\circ\text{C}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین مایع می‌شود در حالی که $\text{N}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $\text{H}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین هنوز گازند.

نکتهٔ کنکوری: مخلوط هیدروژن و اکسیژن بدون کاتالیزگر یا جرقه واکنش نمی‌دهد؛ مخلوط نیتروژن و هیدروژن حتی با کاتالیزگر و جرقه در شرایط معمولی واکنش نمی‌دهد.

اوزون

اوزون ( $\text{O}_3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین) و دی‌اکسیژن ( $\text{O}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین) هر دو فقط از اتم اکسیژن ساخته شده‌اند، ولی ساختار متفاوت ← رفتار متفاوت. این بهترین نمونهٔ اصل «ساختار هر ماده تعیین‌کنندهٔ خواص آن است».

چرخهٔ اوزون در استراتوسفر:

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

ویژگی	اوزون استراتوسفری	اوزون تروپوسفری
ارتفاع	$20-50$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین km	$0-12$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین km
نقش	محافظ (جذب UV)	آلاینده (مضر برای ریه)
منشأ	طبیعی	انسانی ( $\text{NO}_x$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین + نور)

اثر گلخانه‌ای

مکانیسم: پرتوهای خورشیدی با طول موج کوتاه از هواکره عبور می‌کنند و به زمین می‌رسند؛ زمین گرم شده و پرتو فروسرخ با طول موج بلند گسیل می‌کند؛ گازهای گلخانه‌ای این پرتوها را جذب کرده و مانع خروج کامل گرما می‌شوند.

نکتهٔ مهم: 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 به‌دست انسان است.

گاز	منبع اصلی	پتانسیل گرمایش نسبی
$\text{CO}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین	سوخت 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، کودها	۲۹۸

باران اسیدی

باران طبیعی به‌خاطر $\text{CO}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین حل‌شده کمی اسیدی است؛ باران اسیدی بارشی با $\text{pH}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین کمتر از $5.6$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است.

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

2\text{NO} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{NO}_2 \quad\xrightarrow{\text{H}_2\text{O}}\quad \text{HNO}_3

پیامدها: آسیب به جنگل و محصولات کشاورزی، اسیدی شدن دریاچه‌ها و مرگ آبزیان، خوردگی سازه‌های فلزی و سنگ آهکی. راه‌حل: افزودن $\text{CaO}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین به دریاچه‌های اسیدی.

اصل «آنچه به بالا می‌رود، سرانجام پایین می‌آید»: آلاینده‌هایی که وارد هواکره می‌شوند، به‌صورت باران اسیدی برمی‌گردند.

شیمی سبز

شیمی سبز طراحی فرایندهای شیمیایی با کمترین آسیب به محیط زیست است. مهم‌ترین اصولش: پیشگیری (جلوگیری از تولید پسماند بهتر از پاکسازی آن است)، اقتصاد اتمی، سنتز کم‌خطر، و ترجیح کاتالیزگر بر معرف مصرفی.

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

گازهای نجیب

عنصر	کاربرد مهم
هلیم	MRI، سرمایش
نئون	تابلوهای نورانی
آرگون	جوشکاری، لامپ
زنون	بیهوشی، لامپ فلاش

آرگون با $0.93\%$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین فراوان‌ترین گاز نجیب هواکره است.

مطالب فراتر از کتاب

درسنامهٔ کامل این‌ها را هم پوشش می‌دهد: تقطیر هوای مایع و مراحل جداسازی گازها، استثناهای قانون هشت‌تایی ( $\text{BF}_3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، $\text{PCl}_5$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، رادیکال‌های آزاد)، درمان مسمومیت CO با اکسیژن‌درمانی پرفشار، تخریب لایهٔ اوزون توسط CFCها با مکانیسم زنجیره‌ای کلر، اهمیت تاریخی فریتس هابر، بیودیزل و تبدیل $\text{CO}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین به کربنات جامد، و ده‌ها مسئلهٔ حل‌شدهٔ استوکیومتری.