درسنامه کامل شیمی یازدهم فصل 1 قدر هدایای زمینی را بدانیم

مواد در زندگی ما نقشی شگرف و مؤثر دارند به طوری كه صنایع گوناگون مانند غذا، پوشاک، حمل و نقل، ساختمان، ارتباطات و هر بخش از زندگی ما كم و بیش تحت تأثیر مواد قرار دارند. اغراق نیست اگر رشد و گسترش تمدن بشری را در گرو كشف و شناخت مواد جدید بدانیم. بررسی تمدن ها از گذشته تاكنون نشان می دهد كه توسعه جوامع انسانی به توانمندی افرادی هوشمند گره خورده است. انسان های پیشین فقط از برخی مواد طبیعی مانند چوب، سنگ، خاک، پشم و پوست بهره می بردند، اما با گذشت زمان توانستند موادی مانند سفال را تولید و برخی فلزها را نیز استخراج كنند كه خواص مناسب تری داشتند. با گسترش دانش تجربی، شیمی دان ها به رابطه میان خواص مواد با عنصرهای سازندۀ آنها پی بردند. آنها همچنین دریافتند كه گرما دادن به مواد و افزودن آنها به یكدیگر سبب تغییر و گاهی بهبود خواص می شود. با این روند، آنها به توانایی انتخاب مناسب ترین ماده برای یک كاربرد معین دست یافتند تا جایی كه می توانند موادی نو با ویژگی های منحصر به فرد و دلخواه طراحی كنند. امروزه با رشد و توسعه فناوری، هزاران ماده تهیه و تولید شده كه زندگی مدرن و پیچیده امروزی را ممكن كرده است.

نمودار زیر برآورد میزان تولید یا مصرف نسبی برخی مواد را در جهان نشان می دهد.

با توجه به نمودار:

الف) در سال 2015 به تقریب چند میلیارد تن فلز در جهان استخراج و مصرف شده است؟

حدود 7 میلیارد تن

ب) پیشبینی می شود كه در سال 2030 به تقریب در مجموع چند میلیارد تن از این مواد استخراج و مصرف شوند؟ بیش از 71 میلیارد تن برای هر سه منبع و برای فلزها حدود 12 میلیارد تن مصرف مواد معدنی بیش از سوخت های فسیلی و سوخت فسیلی بیش تر از فلزات است.

زندگی روزانۀ ما به منابع شیمیایی وابسته است. صبحانۀ امروز خود را در نظر بگیرید، چای خود را با استکانی شیشه ای نوشیده اید که از شن و ماسه ساخته شده است، در ظرفی که از خاک چینی ساخته شده است، غذا خورده اید و برای هم زدن چای از قاشقی استفاده كرده اید كه از فولاد زنگ نزن ساخته شده است. فولادی كه پس از طی مراحل طولانی از سنگ معدن به دست می آید. همچنین برای طعم دادن به غذای خود، نمک به دست آمده از خشكی و دریا را روی آن پاشیده اید؛ سبزیجات و میوه هایی را خورده اید كه با استفاده از کودهای پتاسیم، نیتروژن و فسفردار رشد كرده اند. از سوی دیگر، سوختی را که با استفاده از آن خانه را گرم یا باک خودرو را پر می كنید، از دل زمین بیرون كشیده اند. با پیشرفت صنعت، شهرها و روستاها گسترش یافتند و سطح رفاه در جامعه بالاتر رفت؛ با این روند میزان مصرف منابع گوناگون نیز افزایش یافت.

تأمین این نیازها به همراه تولید انواع دستگاه ها و ابزارآلات صنعتی، نظامی، كشاورزی و دارویی، سبب شده است تا تقاضای جهانی برای استفاده از هدایای زمینی افزایش یابد، به گونه ای كه سالانه حجم انبوهی از منابع شیمیایی بهره برداری می شود. زمین انباری از ذخایر ارزشمند است كه بی هیچ منتی به ما هدیه شده است، هرچند که این منابع به طور یكسان توزیع نشده اند.

با کمی اندیشیدن این پرسش ها مطرح می شود که این هدایای زمینی به چه شكلی استفاده می شوند؟ آیا آنها به همان شكل مصرف می شوند یا آنها را به عنصرهای سازنده تبدیل می کنند، سپس به كار می برند؟ چگونه می توان تشخیص داد كه در یک نمونه سنگ معدن، كدام عنصرها وجود دارد و به چه میزانی قابل استخراج است؟ روش های استخراج و تهیۀ یک عنصر چیست؟ استخراج یک مادۀ شیمیایی چه آثاری روی محیط زیست برجای می گذارد؟ آیا مصرف مواد به صورت خام مقرون به صرفه است یا فراوری شده؟ بهره برداری از هدایای زمینی بر چرخه های طبیعی چه اثری دارد؟ شیوه های حفظ و نگهداری این منابع ارزشمند برای آیندگان چیست؟ علم شیمی و شیمی دان ها چه نقشی در استفاده از این منابع مبتنی بر توسعۀ پایدار دارند؟

شیمی دان ها برای یافتن پاسخ این پرسش ها، در پی كشف الگوها و روندهای موجود در رفتار مواد و عنصرها هستند.

شیمی دان ها با مشاهدۀ مواد و انجام آزمایش های گوناگون، آنها را دقیق بررسی می کنند. هدف همۀ این بررسی ها، یافتن اطلاعات بیشتر و دقیق تر دربارۀ ویژگی ها و خواص مواد است. اما برقراری ارتباط میان این داده ها و اطلاعات، همچنین یافتن الگوها و روندها گامی مهمتر و مؤثرتر در پیشرفت علم به شمار می آید زیرا بر اساس این روندها، الگوها و روابط می توان به رمز و راز هستی پی برد. علم شیمی را می توان مطالعۀ هدف دار، منظم و هوشمندانۀ رفتار عنصرها و مواد برای یافتن روندها و الگوهای رفتار فیزیكی و شیمیایی آنها دانست. جدول دوره ای عنصرها، نمایشی بی نظیر از چیدمان عنصرها بوده و همانند یك نقشه راه برای شیمی دانهاست كه به آنها كمک می كند حجم انبوهی از مشاهده ها را سازماندهی و تجزیه و تحلیل كنند تا الگوهای پنهان در رفتار عنصرها را آشکار نمایند.

در شیمی سال دهم آموختید كه عنصرها در جدول دورهای بر اساس بنیادی ترین ویژگی آنها یعنی عدد اتمی (Z)، چیده شده اند. در این جدول، عنصرهایی كه آرایش الکترونی لایۀ ظرفیت اتم آنها مشابه است، در یک گروه جای گرفته اند. این جدول شامل 7 دوره و 18 گروه است. همچنین دریافتید تعیین موقعیت (دوره و گروه) یک عنصر در جدول دوره ای، كمك شایانی به پیشبینی خواص و رفتار آن خواهد كرد. بررسی ها نشان می دهند كه عنصرهای جدول دوره ای را بر اساس رفتار آنها می توان در سه دسته شامل فلز، نافلز و شبه فلز جای داد. با برخی رفتار فلزها آشنا هستید. با بررسی این رفتارها میتوان ضمن دسته بندی عنصرها، به روندها و الگوهای موجود در خواص آنها پی برد.

سه دسته عنصر فلزی و نافلزی و عنصرهای که در برخی خواص به هر دو دسته شبیه هستند دیده می شود.

 بیشتر عنصرهای جدول دوره ای را فلزها تشكیل می دهند كه به طور عمده در سمت چپ و مركز جدول قراردارند. اما نافلزها در سمت راست و بالای جدول چیده شده اند. شبه فلزها همانند مرزی بین فلزها و نافلزها قرار دارند. خواص فیزیكی شبه فلزها بیشتر به فلزها شبیه بوده در حالی كه رفتار شیمیایی آنها همانند نافلزها است. دیدید كه خصلت فلزی در یک دوره از چپ به راست كاهش می یابد و در یك گروه از بالا به پایین افزایش می یابد. این روند در دیگر گروه ها و دوره ها نیز مشاهده می شود. به دیگر سخن خواص فیزیكی و شیمیایی عنصرها به صورت دوره ای تكرار می شود كه به قانون دورهای عنصرها معروف است.

جدول ارائه شده توسط شارل ژانت (Charles janet)

می دانید كه همۀ 118 عنصر جدول دورهای شناسایی و توسط آیوپاک تأیید شده است، به طوری كه هیچ خانه ای در جدول خالی نیست. بنابراین چنین به نظر می رسد كه جست و جو برای كشف عنصرهای طبیعی به پایان رسیده و تنها راه افزایش شمار عنصرها، تهیه و تولید آنها به صورت ساختگی است. شاید شما نیز گزارش هایی دربارۀ ساخت و شناسایی عنصر شمارۀ 120 یا 121 در آزمایشگاه های تحقیقاتی و مدرن شنیده باشید. شناسایی عنصرها با عدد اتمی بیشتر از 118، سبب خواهد شد تا طبقه بندی تازه ای از عنصرها ارائه شود زیرا در جدول دوره ای امروزی، جایی برای آنها پیشبینی نشده است.

شارل ژانت شیمی دان فرانسوی در سال 1927 با کنار هم چیدن عنصرهای شناخته شده در زمان خود، الگویی ارائه کرد كه بر اساس آن می توان عنصرهای با عدد اتمی بزرگتر از 118  را نیز طبقه بندی كرد.

رفتارهای فیزیكی فلزها شامل داشتن جلا، رسانایی الكتریكی و گرمایی، خاصیت چكش خواری، شكل پذیری (مانند قابلیت ورقه و مفتول شدن) و... است. در حالی كه رفتار شیمیایی فلزها به میزان توانایی اتم آنها به از دست دادن الكترون وابسته است. هر چه اتم فلزی در شرایط معین آسان تر الكترون از دست بدهد، خصلت فلزی بیشتری دارد و فعالیت شیمیایی آن بیشتر است. روندهای تناوبی در جدول بر اساس كمیت های وابسته به اتم قابل توضیح است. یكی از این كمیت ها، شعاع اتمی است. در شیمی دهم آموختید كه مطابق مدل کوانتومی، اتم را مانند كره ای در نظر می گیرند كه الكترون ها پیرامون هسته و در لایه های الكترونی در حال حركت اند. بنابراین می توان برای هر اتم شعاعی در نظر گرفت و آن را اندازه گیری كرد. بدیهی است که شعاع اتم های مختلف، یكسان نیست و هرچه شعاع یک اتم بزرگتر باشد، اندازۀ آن اتم نیز بزرگتر است.

آیا میان شعاع اتم ها و خصلت فلزی یا نافلزی آنها رابطه ای هست؟ اكنون با انجام دادن فعالیت صفحه بعد به رابطه بین خصلت فلزی و نافلزی با شعاع اتم پی می برید.

الف) با توجه به جایگاه عنصرهای لیتیم، سدیم و پتاسیم (فلزهای قلیایی) در جدول دوره ای، پیشبینی كنید در واكنش با گاز كلر، اتم های كدام یک آسان تر الكترون از دست خواهد داد؟ چرا؟

پتاسیم، زیرا در گروه پایین تر است و خصلت فلزی یعنی تمایل به از دست دادن الکترون بیشتری دارد و در نتیجه آسان تر الکترون می دهد.

ب) تصویر بالا واكنش این فلزها با گاز كلر را در شرایط یکسان نشان می دهد. آیا داده های این تصویر پیشبینی شما را تأیید می كند؟

بله . در تصویر، (شدت واکنش) بر اساس شدت نور برای پتاسیم بیشتر است .

ج) به نظر شما آیا جملۀ (هرچه شعاع اتمی یک فلز بزرگ تر باشد، آسان تر الكترون از دست می دهد) درست است؟ چرا؟

بله شعاع اتمی پتاسیم بزرگ تر از سدیم و لیتیم است و طبق تصویر بالا واکنش پذیری آن نیز بیشتر است. بنابراین با بزرگتر شدن اندازه اتم ، خاصیت فلزی بیشتر و تمایل به از دست دادن الکترون بیشتر می شود. با بزرگتر شدن اتم جاذبه هسته بر روی الکترون کم تر می شود.

با توجه به جدول زیر، پیشبینی كنید اتم كدام یک از فلزهای گروه دوم (فلزهای قلیایی خاکی) جدول دوره ای در واكنش با نافلزها، آسان تر به كاتیون \({M^{2 + }}\) تبدیل می شود. چرا؟

(استرانسیم) چون شعاع اتمی بزرگتری دارد پس تمایل به از دست دادن الکترون بیشتر است.

یكی دیگر از روندهای تناوبی، روند تغییر شعاع اتمی عنصرهای جدول دوره ای است. در یک گروه، از بالا به پایین شعاع اتمی افزایش می یابد، زیرا تعداد لایه های الكترونی بیشتر می شود. در حالی كه در یک دوره، شعاع اتمی عنصرها از چپ به راست كاهش می یابد؛ زیرا در یک دوره، تعداد لایه های الكترونی ثابت می ماند در حالی كه تعداد پروتون های هسته افزایش می یابد. با افزایش تعداد پروتون ها، نیروی جاذبه ای كه هسته به الكترون ها وارد می كند افزایش یافته و بدین ترتیب شعاع اتم كاهش می یابد.

نمودار تغییر شعاع اتمی در دوره سوم جدول دوره ای

نافلزها در واكنش های شیمیایی برخلاف فلزها متایل دارند با گرفتن الكترون به آنیون تبدیل شوند. برای مثال نافلزهای گروه 17 (هالوژن ها) با گرفتن یک الكترون به آنیون با یک بار منفی (یون هالید) تبدیل می شوند.

الف) پیش بینی کنید در شرایط یکسان کدام هالوژن واکنش پذیر تر است؟چرا؟

فلوئور F زیرا اندازه اتم کوچکتری دارد و تمایل آن برای گرفتن الکترون بیشتر است.

ب) توضیح دهید خصلت نافلزی با شعاع اتمی چه رابطه ای دارد؟

رابطه وارونه؛ هرچه شعاع اتمی نافلز کمتر باشد خصلت نافلزی آن یعنی تمایل به گرفتن الکترون، بیشتر است.

اگرچه همۀ فلزها در حالت های کلی رفتارهای مشابهی دارند، اما تفاوت های قابل توجهی میان آنها وجود دارد، به طوری كه هر فلز رفتارهای ویژۀ خود را دارد. برای نمونه، فلز سدیم نرم است و با چاقو بریده شده و به سرعت در هوا تیره می شود اما آهن فلزی محكم است و از آن برای ساخت در و پنجرۀ فلزی استفاده می شود. این فلز با اكسیژن در هوای مرطوب به كندی واكنش می دهد و به زنگ آهن تبدیل می شود. این در حالی است كه طلا در گذر زمان جالی فلزی خود را حفظ می كند و همچنان خوش رنگ و درخشان باقی می ماند. فلزهای دستۀ d نیز رفتاری شبیه فلزهای دستۀ s و p دارند. آنها نیز رسانای جریان الكتریكی و گرما هستند، چكش خوارند و قابلیت ورقه شدن دارند.

فلزهای دستۀ d، دسته ای از عنصرهای جدول دورهای هستند كه زیر لایۀ d اتم آنها در حال پر شدن است. در شكل زیر نخستین سری از این فلزها كه در دورۀ چهارم جدول جای دارند، نشان داده شده است.

اغلب این فلزها در طبیعت به شکل ترکیب های یونی همچون اکسیدها، کربنات ها و... یافت می شوند. برای نمونه آهن، دو اکسید طبیعی با فرمول های \(FeO\) و \(F{e_2}{O_3}\) دارد.

فلزهای دستۀ d  به هنگام تشکیل كاتیون، الکترون های بیرونی ترین زیر لایه خود را از دست می دهند. پس آرایش یون های \(F{e^{2 + }}\) و \(F{e^{3 + }}\) به صورت زیر خواهد بود:

\(Fe:\left[ {Ar} \right],3{d^6},4{s^2} \to - 2e \to F{e^{2 + }}:\left[ {Ar} \right],3{d^6}\)

\(F{e^{2 + }}:\left[ {Ar} \right],3{d^6} \to - e \to F{e^{3 + }}:\left[ {Ar} \right],3{d^5}\)

همان گونه كه می بینید آرایش الكترونی یون های \(F{e^{2 + }}\) و \(F{e^{3 + }}\) همانند آرایش الكترونی هیچ گاز نجیبی نیست. بررسی ها نشان می دهد که اتم اغلب فلزهای واسطه با تشکیل کاتیون به آرایش گاز نجیب دست نمی یابند؛ در حالی كه كاتیون حاصل از فلزهای اصلی اغلب به آرایش پایدار گاز نجیب می رسند، مانند:

\({}_3Li:\left[ {{}_2He} \right],2{s^1} \to {}_3L{i^ + }:\left[ {{}_2He} \right]\)

\({}_{30}Zn:\left[ {{}_{18}Ar} \right],3{d^{10}},4{s^2} \to {}_{30}Z{n^{2 + }}:\left[ {{}_{18}Ar} \right],3{d^{10}}\)

طلا فلزی ارزشمند و گرانبها است كه افزون بر ویژگی های مشترک فلزها، ویژگی های منحصر به فردی نیز دارد. فلز طلا به اندازه ای چكش خوار و نرم است كه چند گرم از آن را می توان با چكش كاری به صفحه ای با مساحت چند متر مربع تبدیل كرد. به همین دلیل ساخت برگه ها و رشته سیم های بسیار نازك (نخ طلا) به راحتی امكان پذیر است. رسانایی الكتریكی بالای طلا و حفظ این رسانایی در شرایط دمایی گوناگون، همچنین واكنش ندادن آن با گازهای موجود در هواكره و مواد موجود در بدن انسان همراه با بازتاب زیاد پرتوهای خورشیدی از جمله ویژگی های خاص طلاست كه سبب شده كاربردهای این فلز گسترش یافته و تقاضای جهانی آن روز به روز افزایش یابد هر چند طلا در طبیعت به شكل فلزی و عنصری خود نیز یافت می شود، اما مقدار آن در معادن طلا بسیار كم است. به طوری كه برای استخراج مقدار كمی از آن باید از حجم انبوهی خاک معدن استفاده کرد. به همین دلیل پسماند بسیار زیادی تولید می شود.

یافته ها نشان می دهد كه اغلب عنصرها در طبیعت به شكل تركیب یافت می شوند، هرچند برخی نافلزها مانند اكسیژن، نیتروژن، گوگرد و... به شكل آزاد در طبیعت وجود دارند و وجود نمونه هایی از فلزهای نقره، مس، پلاتین نیز در طبیعت گزارش شده است. البته در میان فلزها، تنها طلا به شكل كلوخه ها یا رگه های زرد لا به لای خاک یافت می شود؛ آهن فلزی است كه در سطح جهان بیشترین مصرف سالانه را در بین صنایع گوناگون دارد. در كشور ما نیز مصرف آهن بسیار زیاد است. همانطور كه می دانید آهن اغلب در طبیعت به شكل اكسید یافت می شود.

شیمی دان ها با بررسی دقیق مواد، رفتار آنها را می شناسند تا پاسخ اینگونه پرسش ها را بیابند. یكی از حوزه های پركاربرد و اقتصادی علم شیمی، یافتن راه های گوناگون و مناسب برای استخراج و تولید عنصرها از طبیعت است.

 واكنش پذیری هر عنصر به معنای تمایل اتم آن به انجام واكنش شیمیایی است. هرچه واكنش پذیری اتم های عنصری بیشتر باشد، در شرایط یكسان تمایل آن برای تبدیل شدن به تركیب بیشتر است. هرچه فلز فعال تر باشد، میل بیشتری به ایجاد تركیب دارد و تركیب هایش پایدارتر از خودش است. به دیگر سخن هرچه واكنش پذیری فلزی بیشتر باشد، استخراج آن فلز دشوارتر است. فلزها از جمله هدایای زمینی هستند كه اغلب در طبیعت به شكل سنگ معدن یافت می شوند. در كشور ما فولاد مباركه، مس سرچشمه، آلومینیم اراک و منیزیم خراسان جنوبی از جمله مجتمع های صنعتی هستند  كه برای استخراج فلزها بنا شده اند. اكنون می خواهیم بررسی كنیم چگونه می توان فلز \(Fe\) را از \(F{e_2}{O_3}\) استخراج كرد. برای انجام این كار می توان از واکنش \(F{e_2}{O_3}\) با فلز سدیم یا عنصر كربن بهره برد. از آنجا كه دسترسی به كربن آسان تر است و صرفه اقتصادی بیشتری دارد، در فولاد مباركه مانند همۀ شركت های فولاد جهان، برای استخراج آهن از كربن استفاده می شود. معادلۀ واكنشی كه منجر به تولید آهن می شود، به صورت زیر است:

\(2F{e_2}{O_3}(s) + 3C(s) \to \Delta \to 4Fe(s) + 3C{O_2}(g)\)

در شیمی دهم با روش محاسبۀ مقدار فراورده از مقدار مشخصی واكنش دهنده آشنا شدید. بر اساس همان روابط می توان حساب كرد كه به ازای مصرف مقدار معینی  \(F{e_2}{O_3}\)تولید چه مقدار فلز آهن انتظار می رود.

شیمی دان ها باید روشی برای بیان میزان خلوص مواد واکنش دهنده، میزان كارایی و بازدۀ هر واكنش را پیدا كنند تا بتوانند محاسبه های كمی را دقیق و درست اجنام دهند. شیمی دان ها برای محاسبۀ مقدار واقعی فراوردۀ تولید شده در یک واكنش از مفهومی به نام بازده درصدی استفاده می کنند (كمیتی كه كارایی یک واكنش را نشان می دهد(.

واکنش های شیمیایی همیشه مطابق آنچه انتظار می رود پیش نمی روند، زیرا ممکن است واکنش دهنده ها ناخالص باشند یا ممكن است واکنش به طور کامل انجام نشود، حتی گاهی نیز همزمان با آن، واکنش های ناخواستۀ دیگری اجنام می شود. با این توصیف مقدار واقعی فراورده از مقدار مورد انتظار كمتر است. در واقع بازده درصدی واكنش های شیمیایی از صد كمتر است.

گنج های اعماق دریا

بستر اقیانوس ها منبعی غنی از منابع فلزی گوناگون است. منابعی که انسان به تازگی آن را کشف کرده است. به دلیل نیاز روزافزون جهان به منابع شیمیایی و کاهش میزان این منابع در سنگ کره، شیمیدان ها را بر آن داشت تا در جست و جوی منابع تازه باشند. این جست و جو از رازی پرده برداشت که نشان می داد گنجی عظیم در اعماق دریاها نهفته است. این گنج در برخی مناطق محتوی سولفید چندین فلز واسطه و در برخی مناطق دیگر به صورت کلوخه ها و پوسته هایی غنی از فلزهایی مانند منگنز، کبالت، آهن،نیکل، مس و ... یافت می شود غلظت بیشتر گونه های فلزی موجود در کف اقیانوس نسبت به ذخایر زمینی، بهره برداری از این منابع را نوید می دهد.

طبیعت منشأ و منبع هدایای گران بهایی است كه خداوند مهربان آن را به انسان ارزانی داشته است. انسان نیز با بهره گیری از توانایی های وجودی خود كه آن را نیز خداوند به وی عطا كرده است، از این هدایا برای برآورده كردن نیازهای خود به شكل های گوناگون استفاده می كند. استخراج فلز از سنگ معدن آن یكی از این روش ها است. دیدید كه سالانه صدها میلیون تن فلز از دل زمنی استخراج می شود. سپس از این فلزها، ابزار، وسایل و مواد گوناگونی تهیه می شود. در شیمی دهم آموختید كه براساس توسعۀ پایدار باید در تولید یک ماده یا عرضه خدمات، همۀ هزینه ها و ملاحظه های اقتصادی، اجتماعی و زیست محیطی را در نظر گرفت. به طوری كه اگر مجموع هزینه های بهره برداری از یك معدن با در نظر گرفتن این ملاحظه ها، كمترین مقدار ممكن باشد، در آن صورت در مسیر پیشرفت پایدار حركت می كنیم؛ یعنی رفتارهای ما، آسیب كمتری به جامعه ای که در مسیر حفظ محیط زیست است، وارد می كند و ردپای زیست محیطی ما را كاهش می دهد. با این روند در استفادۀ درست از این هدایای زمینی و نگهداری آنها برای آیندگان موفق خواهیم شد.

ارزيابی چرخه عمر اصطلاحی است كه برای ارزيابی میزان تأثير يک فراورده بر روی محيط زيست در مدت طول عمر آن به كار می رود. اين ارزيابی شامل ارزيابی از چهار مرحله استخراج و توليد مواد خام برای توليد يک فراورده، توزیع، مصرف و دفع آن است. ارزيابی چرخه عمر شامل بررسی و ارزيابی ميزان آب و انرژی مصرفی، پايدار بودن فرایند تأمین مواد خام، ميزان زباله و پسماند ايجاد شده و سهم حمل و نقل در همه مراحل است.

ارزيابی چرخه عمر حاصل تلاش برای يافتن شاخص هایی است که کمک می کنند صنايع گوناگون در مسير بهره گيری از دانش فنی و تخصصی سازگارتر با محيط زيست حرکت کنند و رفتار و عملکرد خود را در مسير رسيدن به توسعه پايدار اصلاح کنند.

در اواخر سدۀ 18 میلادی شیمی دان ها با ماده ای روبه رو شدند كه رفتار آن به مواد شناخته شده تا آن زمان شبیه نبود؛ ماده ای كه بعدها نفت خام نامیده شد. این ماده یكی از سوخت های فسیلی است كه به شكل مایع غلیظ سیاه رنگ یا قهوه ای متمایل به سبز از دل زمین بیرون كشیده می شود.

امروزه نفت خام در دنیای كنونی دو نقش اساسی ایفا می كند. نقش نخست آن، منبع تأمین انرژی بوده و در نقش دوم، مادۀ اولیه برای تهیۀ بسیاری از مواد و كالاهایی است كه در صنایع گوناگون از آنها استفاده می شود.

موارد مصرف طلای سیاه

پژوهش ها و یافته های تجربی نشان می دهد كه نفت خام، مخلوطی از هزاران تركیب شیمیایی است كه بخش عمدۀ آن را هیدروكربن های گوناگون تشكیل می دهند. تركیب هایی كه شامل هیدروژن و كربن هستند. از آنجا كه عنصر اصلی سازندۀ نفت خام كربن است، برای پی بردن به ویژگی ها و خواص مواد سازندۀ نفت خام ، نخست باید با رفتارها و ویژگی های اتم كربن آشنا شد.

عنصر كربن در خانۀ شمارۀ 6 جدول دوره ای جای داشته و اتم آن در لایۀ ظرفیت خود چهار الكترون دارد. این اتم رفتارهای منحصر به فردی دارد كه آن را از اتم دیگر عنصرهای جدول متمایز می سازد. به طوریكه تركیب های شناخته شده از اتم كربن، از مجموع تركیب های شناخته شده از دیگر عنصرهای جدول دورهای بیشتر است.

این رفتار كربن مشابه رفتار دیگر نافلزها (نیتروژن، فسفر، گوگرد و ...) است. برای مثال اتم نیتروژن  \({}_7N\) سه پیوند اشتراکی تشكیل می دهد تا به آرایش هشت تایی برسد. اما تعداد تركیب های شناخته شده از آن محدود است.

اتم كربن افزون بر تشكیل پیوند اشتراکی یگانه، توانایی تشكیل پیوندهای اشتراکی دوگانه و سه گانه را با خود و برخی اتم های دیگر دارد.

كربن همچنین توانایی تشكیل زنجیر و حلقه های كربنی را دارد، به دیگر سخن اتم های كربن می توانند با پیوند اشتراکی به یكدیگر متصل شوند و زنجیرها و حلقه هایی در اندازه های گوناگون بسازند.

نفت خام مخلوطی شامل شمار زیادی از انواع هیدروكربن ها است. پنج نوع از هیدروكربن ها نشان داده شده است. در برخی از آنها، بین اتم های كربن فقط پیوندهای یگانه وجود دارد، درحالی كه برخی دیگر دارای یک پیوند سه گانه یا دارای یک یا چند پیوند دوگانه هستند. با توجه به ساختار متفاوت این هیدروكربن ها انتظار می رود كه رفتار آنها نیز با هم تفاوت داشته باشد.

البته اتم كربن می تواند با اتم عنصرهای هیدروژن، اكسیژن، نیتروژن و ... به شیوه های گوناگون متصل شده و مولکول شمار زیادی از مواد مانند كربوهیدرات ها، چربی ها، آمینواسیدها، آنزیم ها، پروتئین ها و... را بسازد. این ویژگی های كربن سبب شده تا از این عنصر تركیب های گوناگون و بسیار زیادی پدید آید. افزون بر این، اتم های كربن می توانند با یكدیگر به روش های گوناگون متصل شده و دگر شكل های متفاوتی مانند گرافیت، الماس و... ایجاد كنند.

آلكان ها دسته ای از هیدروكربن ها هستند كه در آنها هر اتم كربن با چهار پیوند یگانه به اتم های كناری متصل شده است. متان (\(C{H_4}\)) ساده ترین و نخستین عضو خانوادۀ آلكان هاست. اعضای دیگر این خانواده شامل مولكول هایی است كه شمار اتم های كربن آنها از دو تا ده ها كربن متغیر است. اتم های كربن در ساختار آلكان ها می توانند پشت سرهم و همانند یک زنجیر به هم متصل شده باشند(شکل الف). هر چند كه برخی از آنها به شكل شاخۀ جانبی به زجنیر متصل می شوند (شکل ب). با این توصیف در هر آلكان راست زنجیر هر اتم كربن به یک یا دو اتم كربن دیگر متصل است، درحالی كه در آلكان شاخه دار، برخی كربن ها به سه یا چهار اتم كربن دیگر متصل اند.

الف) دو نمونه آلكان راست زنجیر و ب) دو نمونه آلكان شاخه دار

هر یک از ساختارهای نشان داده شده در شكل، فرمول ساختاری آلكان مورد نظر را نشان می دهد. فرمولی كه در آن تعداد و چگونگی اتصال اتم های كربن و هیدروژن نمایش داده می شود. البته در نمایشی ساده تر، فرمول پیوند ــ خط را به كار می برند. در این فرمول، پیوند بین اتم های کربن را با خط تیره نشان می دهند اما اتم های کربن و هیدروژن نشان داده نمی شوند. برای نمونه:

شمار اتم های كربن نقش مهمی در رفتار هیدروكربن ها دارد. به طوری كه با تغییر تعداد اتم های كربن، اندازه و جرم مولكول های هیدروكربن تغییر می یابد و در پی آن نیروی بین مولكولی، نقطۀ جوش و... تغییر می كنند.

آلكان ها به دلیل ناقطبی بودن در آب نامحلول اند. این ویژگی سبب می شود تا بتوان از آنها برای حفاظت از فلزها استفاده كرد. به طوری كه قرار دادن فلزها در آلكان های مایع یا اندود كردن سطح فلزها و وسایل فلزی با آنها، مانع از رسیدن آب به سطح فلز می شود و از خوردگی فلز جلوگیری می كند. ویژگی مهم و برجستۀ آلكان ها این است كه در ساختار آنها هر اتم كربن با چهار پیوند اشتراکی به چهار اتم دیگر متصل بوده و به اصطلاح سیرشده هستند. از این رو آلكان ها متایل چندانی به انجام واكنش های شیمیایی ندارند. این ویژگی سبب می شود تا میزان سمی بودن آنها كمتر شده و استنشاق آنها بر شش ها و بدن تأثیر چندانی نداشته باشد و تنها سبب كاهش مقدار اكسیژن در هوای دم می شوند. با وجود این هیچ گاه برای برداشتن بنزین از باک خودرو یا بشكه از مکیدن شیلنگ استفاده نكنید، زیرا بخارهای بنزین وارد شش ها شده و از انتقال گازهای تنفسی در شش ها جلوگیری می كند و نفس كشیدن دشوار می شود. اگر میزان بخارهای وارد شده به شش ها زیاد باشد، ممكن است سبب مرگ فرد شود. بنابراین هنگام كاركردن با این مواد باید نكات امینی را جدی بگیرید و رعایت كنید.

تجربه نشان می دهد كه گشتاور دو قطبی مولكول های سازندۀ چربی ها حدودصفر است. با توجه به آن:

الف) چرا افرادی كه با گریس كار می كنند دستشان را با بنزین یا نفت (مخلوطی از هیدروكربن ها) می شویند؟

زیرا گریس و بنزین و نفت از دسته آلکان ها هستند و گشتاور دوقطبی صفر و مولکول های ناقطبی دارند بنابراین طبق قاعده شبیه، شبیه را حل می کند، بنزین بعنوان حلال می تواند گریس را حل کند.

ب) توضیح دهید چرا پس از شستن دست با بنزین، پوست خشک می شود؟

چون بنزین بعنوان حلال، چربی روی پوست را در خود حل می کند .

پ) شستن پوست یا تماس آن با آلکان های مایع در دراز مدت به بافت های پوست آسیب می رساند. چرا؟

حل شدن چربی پوست در حلال های ناقطبی و خشک شدن مداوم پوست ، سبب ترک خوردگی پوست می شود و به بافت های پوست آسیب می رساند.

نام گذاری آلکان

نام آلكان هایی مانند متان (\(C{H_4}\) )، اتان (\({C_2}{H_6}\) )، آشنا هستید. همانطور كه می بینید نام آلكان ها به پسوند (آن) ختم می شود. جدول زیر نام و فرمول مولكولی ده آلكان راست زنجیر را نشان می دهد.

مطابق جدول بر اساس قواعد آیوپاک برای نامیدن آلكان راست زنجیر كافی است شمار اتم های كربن را با پیشوند معادل بیان كرده و پسوند (آن) را بیفزایید. توجه كنید كه در چهار عضو نخست آلكان ها، پیشوندی كه شمار اتم های كربن را معلوم كند، وجود ندارد و نام آنها براساس این روش انتخاب نشده است.

اما نامگذاری آلكان های شاخه دار كمی پیچیده تر است. از این رو آیوپاک قواعد بیشتری را برای نامیدن آلكان ها بنا نهاده است. در این قواعد چگونگی یافتن نوع و نام شاخه فرعی و جهت شماره گذاری زنجیر اصلی مشخص شده است.

 برای نام گذاری آلكان ها باید نخست نام زنجیر اصلی را براساس نام آلكان راست زنجیر نوشته سپس نام شاخۀ فرعی را به صورت آلكیل پیش از نام زنجیر اصلی بنویسید. البته باید محل شاخۀ فرعی را با شمارۀ كربنی كه به آن متصل است، نیز پیش از نام شاخۀ فرعی مشخص كنید. برای نمونه، 4ـ متیل نونان، آلكانی با زنجیر اصلی نه كربنی را نشان می دهد كه به كربن شمارۀ 4 آن یك شاخۀ فرعی متیل متصل است.

این هیدروكربن ها در ساختار خود یک پیوند دوگانۀ كربن ــ كربن (C=C) دارند. برای نامگذاری آلكن های راست زنجیر، كافی است پسوند (آن) را در نام آلكان راست زنجیر بردارید و به جای آن پسوند (ــ ن) قرار دهید؛ سپس محل پیوند دوگانه را با شماره نخستین كربنی كه به پیوند دوگانه متصل است، مشخص كنید.

اتن نخستین عضو خانوادۀ آلكن هاست. این ماده در بیشتر گیاهان وجود دارد. موز و گوجه فرنگی رسیده گاز اتن آزاد می كنند. اتن آزاد شده از یک موز یا گوجه فرنگی رسیده به نوبه خود موجب رسیدن سریع تر میوه های نارس می شود. به همین دلیل در كشاورزی، از گاز اتن به عنوان (عمل آورنده) استفاده می شود.

رفتار آلكن ها همانند همۀ مواد به ساختار آنها وابسته است. وجود پیوند دوگانه در آلكن ها سبب شده است تا رفتار آنها با آلكان ها تفاوت زیادی پیدا كند. به گونه ای كه آلكن ها برخلاف آلكان ها، واكنش پذیری بیشتری دارند و در واكنش های گوناگونی شركت می كنند. واكنش پذیری زیاد آلكن ها به این دلیل است كه در ساختار آنها دو اتم كربن به سه اتم دیگر متصل بوده و از این رو (سیر نشده) هستند؛ این درحالی است که اتم كربن متایل دارد تا از حداكثر امكان خود برای تشكیل پیوندهای یگانه استفاده كند و چهار پیوند یگانه تشكیل دهد. گاز اتن سنگ بنای صنایع پتروشیمی است؛ زیرا در این صنایع با استفاده از اتن حجم انبوهی از مواد گوناگون تولید می شود. برای نمونه با واردكردن گاز اتن در مخلوط آب و اسید در شرایط مناسب، اتانول را در مقیاس صنعتی تولید می كنند. معادلۀ زیر، واكنش شیمیایی انجام شده را نشان می دهد.

از مقایسۀ مولكول اتانول با مولكول اتن، در می یابید كه یكی از پیوندها میان اتم های كربن ــ كربن در مولكول اتن شكسته شده و به یكی از آن ها، اتم H و به دیگری، گروه OH متصل شده است. به دیگر سخن مولكول آب به اتم های كربن پیوند دوگانه افزوده شده و فراوردۀ سیرشده ای تولید شده است.

از دیگر واكنش های گاز اتن، تركیب شدن آن با برم مایع است. به طوری كه هر گاه گاز اتن را در محلولی از برم وارد كنیم، رنگ قرمز محلول از بین می رود. این تغییر رنگ، نشانه انجام واكنش شیمیایی زیر است:

در این واكنش نیز، مولكول برم به پیوند دوگانۀ كربن ــ كربن در مولكول اتن افزوده می شود، و فراورده ای سیرشده پدید آمده است. همۀ آلكن ها در این واكنش شركت می كنند به گونه ای كه این واكنش یكی از روش های شناسایی آنها از هیدروكربن های سیرشده است.

پلیمری شدن دستۀ دیگری از واكنش آلكن هاست كه با استفاده از آن می توان انواع لاستیک ها، پلاستیک ها، الیاف و پلیمرهای سودمند را تهیه كرد.

آلکین ها

آیا واژۀ جوش کاربیدی را شنیده اید؟ در این جوشکاری از سوختن گاز اتین، دمای لازم برای جوش دادن قطعه های فلزی تأمین می شود. اتین هیدروکربنی است که در ساختار خود یک پیوند سه گانۀ کربن ــ کربن دارد.

به هیدروکربن های سیر نشده با یک پیوند سه گانۀ کربن ــ کربن، آلکین گفته می شود. برای نامگذاری آنها به جای پسوند (آن) در نام آلکان هم کربن، پسوند (ین) قرار می گیرد. اتین با فرمول مولکولی \({C_2}{H_2}\) ، ساده ترین آلکین و پروپین دومین عضو خانوادۀ آلکین ها است. از نام پروپین چنین برمی آید که هر مولکول آن سه کربن داشته و یک پیوند سه گانه میان دو کربن آن وجود دارد.

ترکیب های آلی بسیاری شناخته شده است که در آن ها اتم های کربن طوری به یکدیگر متصل شده اند که ساختاری حلقوی به وجود آورده اند. سیکلوهگزان از آن جمله است. این نام نشان می دهد که این ماده، هیدروکربن سیر شده ای است که حلقه ای از شش اتم کربن دارد.

بنزن، هیدروکربنی سیرنشده با فرمول ساختاری زیر، سرگروه خانوادۀ مهمی از هیدروکربن ها به نام آروماتیک است. نفتالن نیز از جملۀ این ترکیب هاست. نفتالن مدت ها به عنوان ضدبید برای نگهداری فرش و لباس کاربرد داشته است.

نفت خام مخلوطی از هیدروكربن های گوناگون، برخی نمک ها، اسیدها، آب و... است. البته مقدار نمک و اسید در نفت خام كم بوده و در نواحی گوناگون متغیر است. آلكان ها بخش عمدۀ هیدروكربن های موجود در نفت خام را تشكیل می دهند و به دلیل واكنش پذیری كم اغلب به عنوان سوخت به كار می روند، به طوری كه بیش از 90 درصد نفت خام صرف سوزاندن و تأمین انرژی می شود و تنها مقدار كمی از آن به عنوان خوراک پتروشیمی در تولید مواد پتروشیمیایی به كار می رود.

پس از جدا كردن نمك ها، اسیدها و آب، نفت خام را پالایش می كنند. درواقع با استفاده از تقطیر جزء به جزء، هیدروكربن های آن را به صورت مخلوط هایی با نقطۀجوش نزدیک به هم جدا می كنند. برای این كار، نفت خام را درون محفظه ای بزرگ گرما می دهند و آن را به برج تقطیر هدایت می كنند. برجی كه در آن از پایین به بالا دما كاهش می یابد. هنگامی كه نفت خام داغ به قسمت پایین برج وارد می شود، مولكول های سبک تر و فرارتر مواد پتروشیمیایی، از مایع بیرون آمده و به سوی بالای برج حركت می كنند. به تدریج كه این مولكول ها بالاتر می روند، سرد شده و به مایع تبدیل می شوند و در سینی هایی كه در فاصله های گوناگون برج قرار دارند وارد شده و از برج خارج می شوند. بدین ترتیب مخلوط هایی با نقطۀ جوش نزدیک به هم از نفت خام جداسازی می شوند. دستیابی به دانش و فناوری پالایش نفت خام، سبب ایجاد تحولی بزرگ در صنعت حمل و نقل، پتروشیمی و دیگر صنایع شد. پالایش نفت خام، از سویی سوخت ارزان و مناسب را در اختیار صنایع قرار می داد و از سوی دیگر، منجر به تولید انرژی الكتریكی ارزان قیمت می شد. همۀ این روند سبب شد تا ارزش و اهمیت طلای سیاه روز به روز بیشتر شود تا جایی كه استفاده و شناخت بیشتر آن، چهرۀ زندگی را آشكارا تغییر داد. این هدیۀ الهی در سدۀ گذشته كانون توجه و تحولات اجتماعی، سیاسی و اقتصادی در سطح جهان بود. اما استخراج و مصرف بی حساب این منبع خدادادی سبب شده تا این اندوخته رو به پایان باشد.

مقدار نفت خام تولید شده (خط سیاه) و برآورد شده (خطهای آبی، قرمز و سبز) خط آبی كمترین، خط سبز بیشترین و خط قرمز میانگین برآورد.

زغال سنگ یكی از سوخت های فسیلی است. برآوردها نشان می دهد كه طول عمر ذخایر زغال سنگ به 500 سال می رسد. از این رو زغال سنگ می تواند به عنوان سوخت، جایگزین نفت شود. اما جایگزینی نفت با زغال سنگ سبب ورود مقدار بیشتری از انواع آلاینده ها به هواكره شده و تشدید اثر گلخانه ای می شود.

بنابراین باید به دنبال راه های بهبود كارایی زغال سنگ مانند موارد زیر باشیم.

شست و شوی زغال سنگ به منظور حذف گوگرد و ناخالصی های دیگر به دام انداختن گاز گوگرد دی اكسید خارج شده از نیروگاه ها با عبور گازهای خروجی از روی كلسیم اكسید

\(S{O_2}(g) + CaO(s) \to CaS{O_3}(s)\)

یكی از مشكلات زغال سنگ، شرایط دشوار استخراج آن است. به گونه ای كه در سده اخیر بیش از 500000 نفر در سطح جهان در اثر انفجار یا فروریختن معدن جان خود را از دست داده اند. این انفجارها اغلب به دلیل جتمع گاز متان آزاد شده از زغال سنگ در معدن رخ می دهد. متان گازی سبک، بی بو و بی رنگ است و هرگاه مقدار آن در هوای معدن به بیش از 5 درصد برسد، احتمال انفجار وجود دارد. البته با افزایش درصد متان تا مقدار معیین، همچنان احتمال انفجار وجود خواهد داشت. بنابراین ضروری است استانداردها و اصول ایمنی در معدن به طور دقیق رعایت و مقدار گاز متان در هوای معدن پیوسته اندازه گیری و کنترل شود. البته یكی از راه های كاهش متان در هوای معدن استفاده از تهویه مناسب و قوی است.

حمل و نقل هوایی سریع ترین حالت حمل و نقل بوده و مزایای آن مانند عدم نیاز به جاده سازی و تعمیرات آن، مسافرت آسان، خدمات رسانی خوب در مواقع اضطراری حتی در نقاط دوردست و ... است. اما به دلیل هزینۀ بسیار زیاد آن، برخی شرکت ها مانند پست و همچنین شمار محدودی از افراد جامعه می توانند از آن استفاده کنند. با وجود این مسئله، این صنعت روبه گسترش است و رقابت زیادی بین شرکت های هواپیمایی گوناگون در ساخت و بهره گیری از هواپیما وجود دارد. این روند اهمیت سوخت هواپیما را نشان می دهد. سوخت هواپیما از پالایش نفت خام در برج های تقطیر پالایشگاه ها تولید می شود. این سوخت به طور عمده از نفت سفید که مخلوطی از آلکان هاست تهیه می شود. امروزه تولید سوخت هواپیما یکی از صنایع مهم و ارزآور است که به دانش فنی بالایی نیز احتیاج دارد. از این رو شرکت های دانش بنیان می توانند با ورود به این عرصه کارآفرینی کرده و در شکوفایی اقتصاد کشور قدم های مؤثری را بردارند. یکی از مسائل مهم در تأمین سوخت، انتقال آن به مراکز توزیع و استفاده آن است که در حدود 66 درصد آن از طریق خطوط لوله و بقیه با استفاده از راه آهن، نفتکش جاده پیما و کشتی های نفتی انجام می شود.