درسنامه کامل شیمی (1) فصل 2 ردِّ پای گازها در زندگی

زمنی در فضا همانند گویی فیروزه ای درون هاله ای از گازها با شکوه فراوان در چرخش است؛ هاله ای که سرشار از هوای پاک است؛ گرمای خورشید را در خود نگه می دارد؛ ساکنان زمین را از پرتوهای خطرناک کیهانی محافظت و آب را در سرتاسر سیارۀ ما توزیع می کند. بدین ترتیب زمین با چرخش خود، زندگی را دوام می بخشد. تداوم زندگی سالم و پایدار در این سیاره در گروِ رفتار منطقی ما با ساکنان آن است؛ رفتاری که هماهنگ و سازگار با طبیعت باشد و نظم آن را برهم نزند در میان سیاره های سامانۀ خورشیدی، تنها زمین، اتمسفری دارد که امکان زندگی را روی آن فراهم می کند. این اتمسفر، مخلوطی از گازهای گوناگون است که تا فاصله ٥٠٠ کیلومتری از سطح زمین امتداد یافته است به طوری که می توان گفت ما در کف اقیانوسی از مولکول های گازی زندگی می کنیم. جاذبۀ زمین این گازها را پیرامون خود نگه می دارد و مانع از خروج آنها از اتمسفر می شود. از سوی دیگر، انرژی گرمایی مولکول ها سبب می شود تا پیوسته آنها درحال جنبش باشند و در سرتاسر هواکره توزیع شوند. اگر زمین را به سیب تشبیه کنیم، ضخامت هواکره نسبت به زمین به نازکی پوست سیب می ماند.

اغلب گازها نامرئی هستند، به طوری که ما هوا را نمی توانیم ببینیم و به طور معمول وجود آن را در پیرامون خود حس نمی کنیم، مگر روزهایی که باد می وزد یا در مکان هایی که هوا به خوبی در جریان است. میان گازهای هوا، واکنش های شیمیایی گوناگونی رخ می دهد که اغلب آنها برای ساکنان این سیاره سودمند هستند، اما برخی از این واکنش ها مفید نبوده و فراورده هایی تولید می کنند که دلخواه و مطلوب ساکنان سیارۀ خاکی نیست.

فشار هر گاز ناشی از برخورد ذره های سازنده ی گازها بر دیواره های ظرف آن است. هواکره به علت داشتن گازهای مختلف فشار دارد و این فشار در همه ی جهت ها بر بدن ما و به میزان یکسان وارد می شود. هر چه تعداد ذره های سازنده گاز در فضای مشخص افزایش یابد تعداد برخورد آن ها با دیواره ها بیش تر شده و فشار افزایش می یابد یعنی فشار یک گاز در حجم و دمای ثابت با مقدار گاز رابطه مستقیم دارد و در هواکره با افزایش ارتفاع غلظت گازها کم شده و هواکره رقیق تر می شود در نتیجه فشار در هواکره با فاصله گرفتن از سطح زمین به تدریج کاهش می یابد. لازم به ذکر است که فشار تمام لایه های هواکره با افزایش ارتفاع کم می شود.

هوا معجونی ارزشمند

سه لایه اول یعنی تا ارتفاع 80 کیلومتری از سطح زمین از گازهای نیتروژن، اکسیژن و کربن دی اکسید تشکیل شده اند و اوزون هم در لایه ی استراتوسفر و هم در لایه ی تروپوسفر وجود دارد. بخار آب فقط در لایه ی تروپوسفر وجود دارد و بسیاری از پدیده های جوی مانند ابر، باران، برف و ... در این لایه اتفاق می افتد و به ندرت در شرایط ویژه در استراتوسفر ابر تشکیل می شود. در لایه چهارم (مزوسفر) علاوه بر گازهای \({N_2}\)  و \({O_2}\)  اتم اکسیژن و یون های مثبت، \({H^ + },H{e^ + },{O^ + },O_2^ + ,N_2^ + \)  وجود دارند زیرا پرتوهای خورشید مولکول ها و اتم های موجود در این لایه را بمباران می کند و باعث تبدیل این ذره ها به یون مثبت و الکترون می شود. در لایه چهارم (تروموسفر) بر خلاف سه لایه دیگر (تروپوسفر، استراتوسفر و مزوسفر) اختلاط ذره های گازی به خوبی صورت می گیرد و توزیع و قرار گیری ذره های گازی در ارتفاع های مختلف بر حسب جرم مولکولی آن ها است یعنی ذره های سنگین تر در ارتفاع های پایین تر و ذره های سبک تر در ارتفاع های بالاتر قرار می گیرند. درصد حجمی گازهای تشکیل دهنده هواکره در جدول زیر آمده است.

بخش عمدۀ هواكره را دو گاز نیتروژن و اكسیژن تشكیل می دهد. گاز آرگون در میان اجزای هواكره در رتبۀ سوم قرار دارد؛ بنابراین می توان هوا را منبعی غنی برای تهیۀ این گازها دانست. در صنعت، این گازها را از تقطیر جزءبه جزء هوای مایع تهیه می كنند.

در این فرایند، نخست هوا را از صافی هایی عبور می دهند تا گرد و غبار آن گرفته شود؛ سپس با استفاده از فشار، دمای هوا را پیوسته كاهش می دهند. با كاهش دمای هوا تا) \({0^0}C\)  صفر درجۀ سلسیوس(، رطوبت هوا به صورت یخ از آن جدا می شود). در دمای \( - {78^0}C\)  ، گاز كربن دی اكسید هوا نیز به حالت جامد در می آید. با سرد کردن بیشتر تا دمای \( - {200^0}C\) ، مخلوط بسیار سردی از چند مایع پدید می آید كه به آن هوای مایع می گویند. در پایان، با عبور هوای مایع از یك ستون تقطیر، گازهای سازنده جداسازی و در ظرف های جدا ذخیره می شوند.

نقطه جوش بعضی از عناصر

هلیم به عنوان سبک ترین گاز نجیب، بی رنگ و بی بو است که کاربردهای فراوانی در زندگی دارد. (از هلیم، افزون بر پر کردن بالن های هواشناسی، تفریحی و تبلیغاتی در جوشکاری، کپسول غواصی و مهمتر از همه، برای خنک کردن قطعات الکترونیکی در دستگاههای تصویربرداری مانند MRI استفاده می شود.)

هلیم در کرۀ زمین به مقدار خیلی کم یافت می شود؛ به طوری که مقدار ناچیزی از آن در هوا و مقدار بیشتری در لایه های زیرین پوستۀ زمین وجود دارد؛ از این رو، منابع زمینی آن از هواکره سرشارتر و برای تولید هلیم در مقیاس صنعتی مناسب ترند. هلیم از واکنش های هسته ای در ژرفای زمین تولید می شود. این گاز پس از نفوذ به لایه های زمین، وارد میدان های گازی می شود. یافته های تجربی نشان می دهد که حدود 7 درصد حجمی از مخلوط گاز طبیعی را هلیم تشکیل می دهد. البته مقدار هلیم در میدان های گازی گوناگون، متفاوت است.

جداسازی هلیم از گاز طبیعی به دانش و فناوری پیشرفته ای نیاز دارد. و چون متخصصان ایرانی تاکنون موفق به جداسازی و تهیه آن نشده اند، کشور ما مجبور است همچنان گاز هلیم را از سایر کشور ها وارد کند.

ویژگی های گاز اکسیژن

1. اکسیژن در گروه 16 و تناوب دوم قرار دارد.
2. اکسیژن بعد از نیتروژن فراوان ترین گاز موجود در هواکره است.
3. اکسیژن در هواکره عمدتاً به صورت مولکول های دو اتمی \({O_2}\)  ، در آب کره به صورت مولکول های آب و در سنگ کره (پوسته زمین) به صورت ترکیب با عنصرهای دیگر می باشد.
4. اکسیژن در ساختارهای همه مولکول های زیستی مانند کربوهیدرات ها، چربی ها و پروتئین ها وجود دارد.
5. اکسیژن بسیار واکنش پذیر است و با اکثر عنصرها و مواد واکنش می دهد.
6. اکسیژن یکی از مهم ترین گازهای تشکیل دهنده ی هواکره می باشد که زندگی روی کره ی زمین به وجود آن گره خورده است.
7. با افزایش ارتفاع از سطح زمین فشار گاز هیدروژن همانند سایر گازهای هواکره کم می شود ولی درصد حجمی آن تغییر نمی کند.
8. بخش قابل توجهی از واکنش های شیمیایی که روزانه پیرامون انجام می شود به دلیل وجود گاز اکسیژن در هواکره است، مانند فاسد شدن مواد غذایی، پوسیدن چوب، فرسایش سنگ و خاک، زنگ زدن وسایل آهنی و سوختن مواد سوختی و ..
9. آزاد سازی انرژی شیمیایی ذخیره شده در مواد غذایی مانند چربی ها و مواد قندی در سوخت و سازهای سلولی به کمک اکسیژن انجام می شود تا انرژی برای فعالیت های بدن فراهم شود.

اكسیژن در سنگ کره به شکل اکسیدهای گوناگون نیز یافت می شود. برای نمونه فلز آلومینیم به شکل بوکسیت (\(A{l_2}{O_3}\)  به همراه ناخالصی) و سیلیسیم به شکل سیلیس (\(Si{O_2}\) ) در طبیعت وجود دارد. افزون بر فلزهایی مانند طلا و پلاتین که به حالت آزاد در طبیعت یافت می شوند، فلزهایی نیز وجود دارند که با بیش از یک نوع اکسید در طبیعت شناخته شده اند. آهن نمونه ای از آنهاست. این فلز در ترکیب با اکسیژن دو نوع اکسید با فرمولهای شیمیاییFeo ، \(F{e_2}{O_3}\)  تولید می کند. واکنش عنصرها با اکسیژن، تنها به فلزها محدود نمی شود بلكه نافلزها نیز با آن واكنش می دهند و به اكسید نافلزها تبدیل می شوند. در واقع اكسیدهای نافلزی، دستۀ دیگری از تركیب های شیمیایی هستند كه از واكنش نافلزها با اكسیژن تولید می شوند. تركیبهایی مانند \(N{O_2},S{O_3},S{O_2},C{O_2}\) ، نمونه هایی از اكسیدهای نافلزی هستند. با توجه به اینكه هر زیروند در فرمول شیمیایی، نمایانگر شمار اتم های آن عنصر در تركیب است، شیمی دان ها برای بیان شمار هر یك از اتم ها، پیشوندهای معرفی شده در جدول روبه رو را به كار می برند. برای نمونه، به فرمول و نام شیمیایی تركیب زیر توجه كنید:

\({N_2}{O_4}\)

دی نیتروژن تترا اکسید

نام شیمیایی این ماده، الگویی برای نامگذاری این نوع تركیب ها است. بدین ترتیب كه نخست، شمار و نام عنصری گفته می شود كه در سمت چپ فرمول شیمیایی نوشته شده است. سپس شمار و نام عنصر دوم با پسوند (ید) بیان می شود.

اكسیژن، گازی واكنش پذیر است و با اغلب عنصرها و مواد واكنش می دهد؛ به طوری که شیمیدان ها از این ویژگی برای تهیه بسیاری از مواد بهره می گیرند، برای نمونه در صنعت برای تهیه سولفوریک اسید، نخست گوگرد را در واکنش با اکسیژن به \(S{O_2}\)  تبدیل می کنند. واکنشی که به سوختن گوگرد معروف است. جالب است بدانید که برخی عنصرهای فلزی و نافلزی دیگر نیز می توانند با اکسیژن بسوزند و به اکسیدهای فلزی و نافلزی تبدیل شوند. سوختن، واكنشی شیمیایی است که در آن، یک ماده با اکسیژن به سرعت واکنش می دهد و بخشی از انرژی شیمیایی آن به صورت گرما و نور آزاد می شود. افزون بر برخی عنصرها؛ دیگر مواد از جمله سوخت های فسیلی نیز در شرایط مناسب می سوزند. برای نمونه، زغال سنگ در حضور اکسیژن می سوزد و افزون بر تولید گازهای \(S{O_2}\)  ،  \(C{O_2}\) و بخار آب، مقدار زیادی انرژی آزاد می كند.

نور و گرما + کربن دی اکسید + گوگرد دی اکسید + بخار آب → اکسیژن + زغال سنگ

نوع فراورده ها در واكنش سوختن سوخت های فسیلی، به مقدار اكسیژن در دسترس بستگی دارد؛ به طوری كه اگر اكسیژن كافی باشد، سوختن كامل انجام می شود و گاز كربن دی اكسید و بخار آب تولید می گردد. اما اگر مقدار اكسیژن كم باشد، گاز كربن مونوكسید به همراه دیگر فراورده ها تولید خواهد شد؛ در این حالت گفته می شود سوختن ناقص است. كربن مونوكسید، گازی بی رنگ، بی بو و بسیار سمی است. چگالی این گاز كمتر از هوا و قابلیت انتشار آن در محیط بسیار زیاد است؛ به طوری كه به سرعت در همۀ فضای اتاق پخش می شود. از آنجا که میل تركیبی هموگلوبین خون با این گاز بسیار زیاد و بیش از 2۰۰ برابر اكسیژن است، مولكول های آن پس از اتصال به هموگلوبین از رسیدن اكسیژن به بافت های بدن جلوگیری می كنند. این ویژگی باعث مسمومیت می شود و سامانۀ عصبی را فلج می كند به طوری که قدرت هرگونه اقدامی را از فرد مسموم می گیرد و بدین ترتیب باعث مرگ می شود.

اكسیدهای فلزی و نافلزی، به دلیل تنوع رفتار، كاربردهای فراوانی در زندگی دارند. برای نمونه برخی كشاورزان كلسیم اكسید (آهك) را به عنوان اكسید فلزی برای افزایش بهره وری در كشاورزی به خاک می افزایند؛ زیرا افزودن این نوع مواد به خاک سبب می شود تا مقدار و نوع مواد معدنی در دسترس گیاه تغییر كند. همچنین از كلسیم اكسید برای كنترل میزان اسیدی بودن آب دریاچه ها استفاده می شود.

اکسیدهای فلزی را اکسید بازی و اکسیدهای نافلزی را اکسید اسیدی می نامند زیرا اکسیدهای نافلزی در آب تولید باز می کنند و PH محلول حاصل بزرگ تر از 7 می باشد و اکسیدهای نافلزی در آب تولید اسید می کنند و PH محلول حاصل کم تر از 7 می باشد.

همه اکسیدهای نافلزی با یک مولکول آب ترکیب می شوند و اسید مربوطه را تولید می کنند به جزء اکسیدهای فسفر که با شش مولکول آب ترکیب می شوند و اسید مربوطه را تولید می کنند.

تغییر شیمیایی می تواند با تغییر رنگ، مزه، بو یا آزاد سازی گاز، تشکیل رسوب و گاهی ایجاد نور و صدا همراه باشد. در هر تغییر شیمیایی مانند سوخنت مواد، فساد موادغذایی و... از یك یا چند مادۀ شیمیایی، ماده (مواد) تازه ای تولید می شود. هر تغییر شیمیایی میتواند شامل یک یا چند واکنش شیمیایی باشد كه هر یك از آنها را با یك معادله نشان می دهند. در این معادله، واكنش دهنده ها در سمت چپ و فراورده ها در سمت راست نوشته می شوند؛ برای مثال، سوختن كربن را به صورت زیر نمایش می دهند:

كربن دی اكسید → اكسیژن + كربن

\(C(s) + {O_2}(g) \to C{O_2}(g)\)

معادلۀ نخست، نوشتاری و معادلۀ دوم، نمادی نامیده می شود. معادلۀ نمادی، افزون بر نمایش فرمول شیمیایی واكنش دهنده ها و فراورده ها می تواند حالت فیزیکی آنها و اطلاعاتی دربارۀ شرایط واكنش نیز ارائه کند؛ برای نمونه، معادلۀ شیمیایی زیر بیان می كند كه این واكنش در حضور كاتالیزگر پلاتین انجام می شود:

\(2{H_2}(g) + {O_2}(g) \to Pt(s) \to 2{H_2}O(l)\)

یكی از ویژگی های مهم واكنش های شیمیایی این است که همۀ آنها از قانون پایستگی جرم پیروی می كنند.

در واكنش های شیمیایی، اتمی از بین نمی رود و به وجود هم نمی آید، بلكه پس از انجام واكنش، اتم های واكنش دهنده ها به شیوه های دیگری به هم متصل می شوند و فراورده ها را به وجود می آورند. این ویژگی نشان می دهد كه جرم مواد، پیش از واكنش برابر با جرم مواد، پس از واكنش است؛ به دیگر سخن، جرم مواد شركت كننده در یك واكنش شیمیایی، ثابت است. مطابق قانون پایستگی جرم، شمار اتم های هر عنصر در یك واكنش شیمیایی ثابت است.

برای واکنش سوختن متان می توان معادله زیر را نوشت

\(C{H_4}(g) + {O_2}(g) \to C{O_2} + {H_2}O(g)\)

در این معادله، شمار اتم های كربن در واكنش دهنده ها (متان) برابر با 1 و در فراورده ها )كربن دی اكسید) نیز با 1 برابر است؛ اما شمار اتم های هیدروژن و اكسیژن در دو سوی معادله، برابر نیست. حال برای اینكه شمار اتم های این دو عنصر نیز در دو سوی معادله، برابر شود، باید به ₂Oو H₂O ضریب 2 داده شود؛ در این صورت، معادلۀ موازنه شده به دست می آید.

\(C{H_4}(g) + 2{O_2}(g) \to C{O_2}(g) + 2{H_2}O(g)\)

بر اساس یکی از ساده ترین روش های موازنه (روش وارسی) اغلب به ترکیبی که دارای بیشترین شمار اتم است؛ ضریب ١ می دهند سپس با توجه به شمار اتم های این ترکیب، ضرایبی را به دیگر مواد می دهند تا شمار اتم های هر عنصر در دو سوی معادله برابر شود. برای نمونه، معادلۀ نمادی سوختن کامل پروپان به صورت زیر است: (معادله موازنه نشده است.)

\({C_3}{H_8}(g) + {O_2}(g) \to C{O_2}(g) + {H_2}O(g)\)

برای موازنه، به C₃H₈ ضریب ١ بدهید.

\(1{C_3}{H_8}(g) + {O_2}(g) \to C{O_2}(g) + {H_2}O(g)\)

اینک شمار اتم های کربن و هیدروژن در سمت چپ مشخص شده است. حال اگر به H₂O ضریب ٤ و به ₂ COضریب ٣ بدهید، شمار اتم های C و H در دو طرف برابر می شود.

\(1{C_3}{H_8}(g) + {O_2}(g) \to 3C{O_2}(g) + 4{H_2}O(g)\)

در پایان، چون شمار اتم های اکسیژن در سمت راست، تعیین شده و برابر با 10 اتم است، اگر به اکسیژن در سمت چپ، ضریب ٥ بدهید، شمار اتم های همۀ عنصرها در دو سوی معادله برابر می شوند.

\({C_3}{H_8}(g) + 5{O_2}(g) \to 3C{O_2}(g) + 4{H_2}O(g)\)

هنگام موازنه کردن، نباید زیروندها را در فرمول شیمیایی واکنش دهنده ها و فراورده ها تغییر داد. همچنین توجه به این نکته ضروری است که هریک از ضریب ها در معادلۀ موازنه شده، باید کوچکترین عدد طبیعی ممکن باشد.

برای نمونه به روش موازنۀ معادلۀ واکنش سوختن گاز هیدروژن دقت کنید. (معادله موازنه نشده است.)

\({H_2}(g) + {O_2}(g) \to {H_2}O(g)\)

در اینجا برای موازنه به  H₂O، ضریب ١ می دهیم.

\({H_2}(g) + {O_2}(g) \to 1{H_2}O(g)\)

حال شمار اتم های H و O در سمت راست معادله مشخص شده است. اگر به ₂H ضریب ١ و به O₂ ضریب\(\frac{1}{2}\)  بدهیم، شمار اتم های هر دو عنصر در دو سوی معادله برابر می شود.

\(1{H_2}(g) + \frac{1}{2}{O_2}(g) \to 1{H_2}O(g)\)

در پایان برای از بین بردن ضریب کسری اکسیژن، همۀ ضریب ها را در عدد ٢ ضرب می کنیم. (معادله موازنه نشده است.)

\(2{H_2}(g) + {O_2}(g) \to 2{H_2}O(g)\)

سبک زندگی انسان، نوع وسایلی كه در زندگی استفاده می كند و رفتارهایی كه در شرایط مختلف محیطی انجام می دهد، روی هواكره تأثیر می گذارد برای مثال، نوع وسیله نقلیه ای كه برای رفتن به مدرسه، محل كار، سفر و ... استفاده می كنیم.

همه این کار ها به دلیل مصرف انرژی مقداری کربن دی اکسید وارد هواکره می کند و درصد گازهای هواكره را تغییر می دهد. در واقع سبک زندگی می تواند بیانگر میزان اثر گذاری هر یک از انسان ها بر كرۀ زمین و هواكره باشد. ردپا اصطلاحی است كه به این اثر نسبت داده اند. یكی از این ردپاها، ردپای كربن دی اكسید است. برای اینكه مقدار كربن دی اكسید در هواكره از مقدار طبیعی آن فراتر نرود، باید مقدار اضافی کربن دی اکسید به وسیلۀ گیاهان یا دیگر پدیده های طبیعی مصرف شود. حال هر چه مقدار كربن دی اكسید وارد شده به طبیعت زیادتر باشد، ردپای ایجاد شده سنگین تر و اثر آن ماندگارتر خواهد بود؛ زیرا زمان لازم برای تعدیل این اثر به وسیله پدیده های طبیعی طولانی تر است.

دانشمندان با استفاده از بالون های هواشناسی، ماهواره ها، كشتی های اقیانوس پیما و گویچه های شناور در دریاها كه به حسگرهای دما مجهز هستند، پیوسته دمای كرۀ زمین را در سرتاسر نقاط آن رصد می كنند. شواهد نشان می دهند كه در طول سدۀ گذشته میانگین دمای كرۀ زمین افزایش یافته است. این افزایش دما سبب شده تا شرایط آب و هوایی در نقاط گوناگون زمنی تغییر كند.

گلخانه ها، زمین های کشاورزی ویژه ای هستند که دور تا دور آنها را تا ارتفاع معینی با لایه ای از پلاستیک های شفاف می پوشانند و در آنها گیاهان و میوه های گوناگونی پرورش می دهند. در گلخانه ها در چهارفصل سال به ویژه در زمستان، فراورده های کشاورزی مانند قارچ، خیار، گوجه فرنگی، توت فرنگی و... کشت می شود.

گلخانه، گیاه یا میوه را از آسیب های ناشی از تغییر دما و آفت ها حفظ می کند.

نور خورشید هنگام گذر از هواكره با مولكول ها و دیگر ذره های آن برخورد می كند و تنها بخشی از آن به سطح زمنی می رسد. از اینرو، زمین گرم می شود و مانند یک جسم داغ از خود پرتوهای الكترومغناطیس گسیل می دارد؛ با این تفاوت كه انرژی پرتوهای گسیل شده، كمتر و طول موج آنها بلندتر است.

کرۀ زمین با لایه ای از گازها به نام هواکره احاطه شده است. ین لایه برای زمین همانند لایۀ پلاستیکی برای گلخانه است و سبب گرم شدن کرۀ زمین می شود، به طوری که اگر این لایه وجود نداشت میانگین دمای کرۀ زمین به\( - {18^0}C\)  کاهش می یافت. با این توصیف پرتوهای خورشیدی پس از برخورد به زمین دوباره با طول موج های بلندتر به هواکره بر می گردند، اما برخی گازهای موجود در هواکره مانند ₂CO، H₂O و... مانع از خروج آنها می شوند و بدین ترتیب زمین را گرم تر می کنند. هرچه مقدار این گازها در هواکره بیشتر باشد، دمای زمین بالاتر خواهد رفت.

شیمی سبز شاخه ای از شیمی است كه در آن شیمی دان ها در جستجوی فرایندها و فراورده هایی هستند كه به كمك آن ها بتوان كیفیت زندگی را با بهره گیری از منابع طبیعی افزایش داد و همزمان از طبیعت محافظت کرد. در این راستا بایستی تولید و مصرف مواد شیمیایی را كه ردپاهای سنگینی روی كرۀ زمین برجای می گذارند، كاهش داد یا متوقف كرد.

تولید سوخت سبز

سوخت سبز، سوختی است كه در ساختار خود افزون بر كربن و هیدروژن، اكسیژن نیز دارد و از پسماندهای گیاهی مانند شاخ و برگ گیاه سویا، نیشكر و دانه های روغنی به دست می آید. این مواد زیست تخریب پذیرند، ازاین رو به وسیلۀ جانداران ذره بینی به مواد ساده تر تجزیه می شوند. اتانول و روغن های گیاهی نمونه هایی از این نوع سوخت ها هستند.

تبدیل ₂COبه مواد معدنی

برای این منظور کربن دی اکسید تولید شده در نیروگاه ها و مراکز صنعتی را با منیزیم اكسید یا كلسیم اكسید واكنش می دهند.

\(C{O_2}(g) + CaO(s) \to CaC{O_3}(s)\)

\(C{O_2}(g) + MgO(s) \to MgC{O_3}(s)\)

تولید پلاستیک های سبز

پلاستیک های سبز (زیست تخریب پذیر)، پلیمرهایی هستند كه بر پایۀ مواد گیاهی مانند نشاسته ساخته می شوند و به همین دلیل در ساختار آنها اكسیژن نیز وجود دارد. این پلاستیک ها در مدت زمان نسبتاً كوتاهی تجزیه می شوند و به طبیعت باز می گردند.

دفن کردن کربن دی اکسید

کربن دی اکسید را می توان به جای رها كردن در هواكره در مكان های عمیق و امن در زیر زمین ذخیره و نگهداری كرد. سنگ های متخلخل در زیر زمین، میدان های قدیمی گاز و چاه های قدیمی نفت كه خالی از این مواد هستند، جاهای مناسبی برای دفن این گاز هستند.

عنصر اكسیژن به شكل دیگری نیز در هواكره یافت می شود كه به اوزون شهرت دارد. اوزون، گازی با مولكول های سه اتمی در لایه های بالایی هواكره )استراتوسفر) مانند پوششی كرۀ زمین را احاطه كرده، هر چند که مقدار آن در هواكره ناچیز است.

دگر شكل (آلوتروپ (به هر یک از شكل های مولکولی یا بلوری یک عنصر گفته می شود.

در مولكول اوزون سه پیوند اشتراکی وجود دارد. هنگامی كه تابش پرانرژی فرابنفش به این مولكول می رسد، پیوند اشتراکی بین دوتا از اتم های اكسیژن می شكند و مولكول اوزون به یك اتم اكسیژن و یک مولكول اكسیژن تبدیل می شود. ذره های تولید شده می توانند دوباره در واكنش با یكدیگر، مولكول اوزون را تولید كنند اما در این واكنش، مقداری انرژی به شکل تابش فروسرخ آزاد می شود. با تكرار پیوستۀ این دو واكنش، لایۀ اوزون بخش قابل توجهی از تابش فرابنفش را جذب می کند و تابش های كم انرژی تر فروسرخ را به زمین گسیل می دارد.

اوزون در لایۀ تروپوسفر نیز یافت می شود. از آنجا كه اوزون از اكسیژن واكنش پذیرتر است، این ماده، آلاینده ای سمی و خطرناك به شمار می آید به طوری كه وجود آن در هوایی كه تنفس می كنیم، سبب سوزش چشمان و آسیب دیدن ریه ها می شود. به دیگر سخن در تروپوسفر با نقش زیان بار و مضر اوزون مواجه هستیم در حالی كه در استراتوسفر، نقش مفید و محافظتی اوزون آشكار است.

گاز نیتروژن به عنوان اصلی ترین جزء به طور معمول با اكسیژن واكنش نمی دهد. تنها هنگام رعد و برق این دو گاز در هوا تركیب شده و به اكسیدهای نیتروژن تبدیل می شوند.

\({N_2}(g) + {O_2}(g) \to 2NO(g)\)

\(2NO(g) + {O_2}(g) \to 2N{O_2}(g)\)

در هوای آلودۀ شهرهای صنعتی و بزرگ، به مقدار قابل توجهی اكسیدهای نیتروژن وجود دارد. در واقع این گازها از واكنش گازهای نیتروژن و اكسیژن درون موتور خودرو در دمای بالا به وجود می آیند. از آنجا كه گاز نیتروژن دی اكسید به رنگ قهوه ای است، هوای آلوده کلان شهرها اغلب به رنگ قهوه ای روشن دیده می شود. در این هوای آلوده و در حضور نور خورشید، واکنش زیر رخ می دهد و مقداری گاز اوزون تولید می گردد. این اوزون، همان اوزون تروپوسفری است.

\(N{O_2}(g) + {O_2}(g) \to Sunlight \to NO(g) + {O_3}(g)\)

Sunlight به معنی نور خورشید می باشد.

پخش شدن بوی نان تازه، گلاب و دود اسپند در فضای خانه، نشان می دهد كه مولكول های یک مادۀ گازی در هوا منتشر شده و به یاخته های بویایی ما رسیده است. ماده به حالت گاز شكل و حجم معینی ندارد، بلكه به شكل ظرف محتوی آن درمی آید و همۀ فضای ظرف را اشغال می كند. از این رو، حجم یك نمونه گاز با حجم ظرف محتوی آن برابر است.

گاز برخلاف جامد و مایع تراكم پذیر است. به طوری كه اگر به یک نمونه گاز درون سرنگ یا سیلندری با پیستون روان، فشار وارد كنیم، گاز فشرده تر و حجم آن كمتر می شود.

حجم یك نمونه گاز به مقدار، دما و فشار آن وابسته است. بنابراین، با تغییر هر یک از این كمیت ها، حجم گاز تغییر می كند. برای یافتن رابطه بین حجم و مقدار یک نمونه گاز باید دما و فشار ثابت باشد. براساس قرارداد، شیمی دان ها دمای صفر درجۀ سلسیوس و فشار یک اتمسفر را به عنوان شرایط استاندارد (STP) در نظر گرفته اند.

برخی ویژگی های چند نمونه گاز در شرایط STP

مطابق داده های جدول در این شرایط با افزایش شمار مول های هر گاز، حجم آن افزایش می یابد. از این رو حجم یک نمونه گاز با شمار مول های آن رابطه ای مستقیم دارد. طبق این رابطه حجم یك مول گاز در STP برابر با 22/4 لیتر است؛ به دیگر سخن، حجم مولی گازها در STP برابر با 22/4 لیتر است.

واكنش گازها در صنعت، اهمیت و كاربردهای بسیاری دارد به طوری كه هر یک از فرایند های تهیۀ سولفوریك اسید و نیتریك اسید شامل چندین واكنش گازی متوالی است. یكی از این واكنش ها، تبدیل گاز گوگرد دی اكسید به گوگرد تری اكسید است.

\(2S{O_2}(g) + {O_2}(g) \to 2S{O_3}(g)\)

در معادلۀ موازنه شدۀ این واكنش، دو مول گاز گوگرد دی اكسید با یك مول گاز اكسیژن واكنش می دهد و دو مول گاز گوگرد تری اكسید تولید می شود؛ با این توصیف می توان گفت نسبت مولی اكسیژن مصرف شده به گوگرد تری اكسید تولید شده، ١ به ٢ است؛ به دیگر سخن نسبت های كمی زیر برقرار است:

\(\frac{{1mol{O_2}}}{{2molS{O_3}}},\frac{{2molS{O_3}}}{{1mol{O_2}}}\)

به هر یک از این نسبت ها یك عامل (کسر) تبدیل می گویند كه می توان با استفاده از آنها شمار مول های هر مادۀ شركت كننده در واكنش را از شمار مول های دیگری به دست آورد.

به بخشی از دانش شیمی كه به ارتباط كمی میان مواد شركت كننده (واكنش دهنده ها و فراورده ها) در هر واكنش می پردازد، استوكیومتری واكنش می گویند. دانشی كه كمک می كند تا شیمی دان ها و مهندسان در آزمایشگاه و صنعت با بهره گیری از آن، مشخص كنند كه برای تولید مقدار معینی از یک فراورده به چه مقدار از هر واكنش دهنده نیاز است.

گاز نیتروژن فراوان ترین جزء سازندۀ هوا كره بوده که در مقایسه با اكسیژن از نظر شیمیایی غیرفعال و واكنش ناپذیر است؛ برای نمونه مخلوطی از گازهای اكسیژن و هیدروژن در حضور كاتالیزگر یا جرقه در یك واكنش سریع و شدید، منفجر می شود و آب تولید می كند. اما در مخلوطی از گازهای نیتروژن و هیدروژن حتی در حضور كاتالیزگر یا جرقه، هیچ واكنشی رخ نمی دهد.

\(2{H_2}(g) + {O_2}(g) \to Catalyst \to 2{H_2}O(g)\)

Catalyst به معنی کاتالیزگر است.

\({H_2}(g) + {N_2}(g) \to Catalyst \to Nothing\)

Catalyst و Nothing به معنی کاتالیزگر و (هیچی، واکنشی رخ نداده است)، است.

از این رو گاز نیتروژن به جو بی اثر شهرت یافته و در محیط هایی كه گاز اكسیژن، عامل ایجاد تغییر شیمیایی است به جای آن از گاز نیتروژن استفاده می کنند.

هر چند گاز نیتروژن واكنش پذیری ناچیزی دارد، اما امروزه در صنعت، مواد گوناگونی از آن تهیه می كنند كه آمونیاک یكی از مهمترین آنهاست. اكنون این پرسش مطرح است كه از نیتروژن با واكنش پذیری ناچیز، چگونه شیمی دان ها آمونیاکك و تركیب های دیگر را تهیه می كنند. یافتن پاسخ این پرسش به اندازه ای اهمیت داشت كه دانشمندی به نام فریتس هابر در سال 1918 میلادی به دلیل تهیۀ آمونیاک از گازهای H₂ و ₂N، برندۀ جایزۀ نوبل شیمی شد. هابر واكنش زیر را مبنای پژوهش های خود قرار داد:

\(3{H_2}(g) + {N_2}(g) \to Op.Co \to 2N{H_3}(g)\)

Op.Co (Optimum condition) به معنی شرایط بهینه است.

بزرگترین چالش هابر، یافتن شرایط بهینه برای انجام این واكنش بود، به طوری که:

واكنش در دما و فشار اتاق انجام نمی شد.

هابر واكنش میان گازهای هیدروژن و نیتروژن را بارها در دماها و فشارهای گوناگون انجام داد تا بتواند شرایط بهینه آن را پیدا كند. سراجنام دریافت که اگر مخلوط این گازها از روی یک ورقۀ آهنی (کاتالیزگر) در دما و فشار مناسب عبور داده شود با انجام واكنش، مقدار قابل توجهی آمونیاک تولید می شود؛ اما همۀ واكنش دهنده ها به فراورده تبدیل نخواهد شد؛ زیرا این واكنش برگشت پذیر است؛ با این توصیف در ظرف واكنش مخلوطی از سه گاز هیدروژن، نیتروژن و آمونیاک وجود دارد. اكنون هابر با مشكل دیگری روبه رو بود:

چگونه می توان فراوردۀ واكنش (آمونیاک) را از مخلوط واكنش جدا کرد.

او با بررسی نقطۀ جوش این مواد، راه حلی را برای جداسازی آمونیاک پیدا کرد. طرح زیر، راه حل هابر را نشان می دهد.