شیمی
بخش 1 ـ مایعی کمیاب در عین فراوانی
مقدمه
سطح كرهي زمين از آب پوشيده شده است . از اينرو هنگامي كه از فضا به زمين مينگريم، عموماً آن را كرهاي به رنگ آبي ميبينيم . وجود مقادير زياد آب در زمين سبب شده است كه سيارهي ما در منظومهي خورشيدي ، تنها سيارهي مناسب براي زندگي جان داران باشد.
سه چهارم سطح کرهي زمين را آب پوشانده است
منابع آب در طبيعت
پراكندگي منابع ناچيز آب شيرين در سراسر زميني يکنواخت نيست؛ عوامل مؤثر بر آن عبارت است از: موقعيت جغرافيايي، شرايط آب و هوايي و ميزان بارش
بيشتر نقاط ايران جزو مناطق خشك و نيمه خشك (كم بارش ) ميباشند.
تجديدپذيري طبيعي منابع آب
آب موجود در طبيعت به نسبت تقريباً ثابتي در ميان منابع آب توزيع ميشود. اين توزيع متناسب، با به چرخش درآمدن آب در ميان اين منابع انجام ميگيرد. چرخهي آب نامي است که به اين فرآيند دادهاند
تجدیدپذیری آب در طبیعت
همهي آب موجود در طبيعت به نسبت تقريباً ثابتي بين منابع آب تـوزيع ميشودکه به اين فرآيند ، چرخهي طبيعي آب ميگويند.
چرخهي طبيعي آب
چرخهي آب در طبيعت
مصرف آشكار و نهان آب
تحقيقات آماري در بسياري از كشورهاي پيشرفته نشان ميدهد كه ميانگين مصرف آشكار آب براي هر نفر در روز حدود ليتر و مصرف نهان آب ، براي هر نفر در روز حدود ليتر است .
مصرف آشكار آب مانند: آشاميدن ، شست و شوي لباس و ظرفها، حمام كردن ، آبياري گلها و …
مصرف نهان آب مانند: آبياري كشتزارها و تهيه و توليد مواد غذايي ، تأمين انرژي ، توليد فرآوردههاي صنعتي ، امور بازرگاني و خدمات مروري بر آموختههاي گذشته
ماده
هر چيزي كه جرم دارد و فضا اشغال ميكند، ماده نام دارد.
اتم
همهي مواد از اتم تشكيل شدهاند.
اتم ، داراي يك هسته است كه درون آن ذره هاي داراي بار مثبت (پروتونها) و ذرههاي بدون بار (نوترونها) وجود دارند.
اتم هيدروژن سبك ، يک پروتون دارد و نوترون ندارد.
الكترونها ذرههايي با بار الكتريكي منفي ميباشند و در فضاي اطراف هستهي اتم در حال حركتاند.
اتمها از نظر الكتريكي خنثي هستند، زيرا تعداد الكترونها و پروتونها، در نتيجه تعداد بارهاي منفي و مثبت آن ها در يك اتم با هم برابر است يون
اتم ميتواند يك يا چند الكترون از دست بدهد و به يون مثبت (كاتيون ) تبديل شود، يا يك يا چند الكترون بگيرد و يون منفي (آنيون ) ايجاد كند. مانند، و…
مولكول
وقتي دو يا چند اتم به نسبت معين با يكديگر پيوند دهند، مولكول بهوجود ميآيد.
مولكول ، كوچكترين ذرهي هر ماده است كه ويژگيهاي آن ماده را دارد. مانند مولكولهاي ، ، ، ، ، و …
مادهي خالص
مادهاي است كه مولكولهاي يکسان دارد. مادهي خالص ممكن است عنصر يا مركب باشد.
عنصر
ماده اي است كه ذرههاي سازندهي آن ، اتم يا مولكولهايي هستند كه از يك نوع اتم ساخته شدهاند. مانند: كه از دو اتم اكسيژن ياكه از سه اتم اكسيژن تشكيل شده است . تقريباً عنصر در طبيعت يافت ميشود.
تركيب
مادهاي است كه مولكولهاي آن از اتمهاي متفاوت تشكيل شده است . مانند: آب كه از مولكولهاي، متان كه از مولكولهاي و آمونياك كه از مولكولهاي تشكيل شده است .
نماد شيميايي
براي نشان دادن عنصرها، اتمها و ترکيبها از نمادهاي شيميايي استفاده ميشود.
نمادهاي شيميايي معمولاً يك يا دو حرف لاتين را دربر دارند. نمادهاي سه حرفي هم وجود دارد كه براي عنصرهايي كه به تازگي كشف شدهاند، بهكار ميروند.
نمادهاي يك حرفي با حرف بزرگ نوشته ميشوند. در مواردي كه حرف اول نام دو عنصر يکسان باشد، از حرف اول و يكي ديگر از حرفهاي نام آنها استفاده ميشود. در نمادهاي شيميايي دو حرفي ، حرف اول را بزرگ و حرف دوم را كوچك مينويسند.
فرمول شيميايي
نماد شيميايي ، عنصرهاي سازنده و تعداد اتمهاي هر عنصر را در يك مولكول يا واحد سازندهي آن ماده مشخص ميكند. هر فرمول شيميايي نمايانگر يک ترکيب شيميايي است.
مثلاً فرمول شيميايي متان نشان ميدهد كه از عنصرهاي كربن و هيدروژن ساخته شده است و شامل يك اتم كربن و چهار اتم هيدروژن ميباشدواكنش شيميايي
شامل شكسته شدن پيوندهاي شيميايي و تشكيل پيوندهاي جديد است .
در واكنشهاي شيميايي ، آرايش اتمها در مولكولهاي مواد اوليه (واكنشدهندهها) تغيير ميكند و مواد جديدي (فرآوردهها) بهدست ميآيد.
خواص فرآوردهها با واکنشدهندهها متفاوت است.
پيوندهاي شيميايي
پيوند كووالانسي
نيرويي قوي است كه ، اتمهاي سازندهي يك مولكول را كنار يك ديگر نگه ميدارد.
ظرفيت
تعداد پيوندهايي است كه يك اتم ، ميتواند با اتمهاي ديگر تشكيل دهد.
اتم هيدروژن يک ظرفيتي بوده و با يک هيدورژن ديگر پيوند کوالانسي برقرارميکند.
پيوند كووالانسي را بهصورت يك خط بين نمادهاي شيميايي دو اتم درگير در پيوند نشان ميدهند. مانند
ـ مولکول آمونياک
ـ مولکول متان
پيوند يوني
پيوند شيميايي بسيار محكمي است كه در تركيبهاي يوني بين كاتيونها و آنيونها كه بارهاي ناهمنام دارند، ايجاد ميشود
پیوند یونی
در تركيبهاي يوني مجموع بارهاي مثبت و منفي برابر بوده و تركيب يوني از نظر الكتريكي خنثي است .
معادلهي شيميايي
آنچه در يك واكنش شيميايي روي ميدهد را بهطور خلاصه بيان ميكند.
مانند معادلهي سوختن متان كه ، بخار آب ، گاز كربن دي اكسيد و گرما توليد ميكند.
معادلهي شيميايي موازنه شده ، معادلهاي است كه تعداد كل اتمهاي هر عنصر در دو طرف معادله (واكنشدهندهها و فرآوردهها) يکسان باشند. چنين معادلهاي ، از قانون پايستگي جرم تبعيت ميكند
قانون پایستگی جرم
واکنشهاي شيميايي از قانون پايستگي جرم تبعيت ميکنند. به طور مثال 5 مول روي با 5 مول گوگرد، 5 مول روي سولفيد ميدهد. آب مايعي با ويژگيهاي باورنكردني
آب تنها مادهاي است كه در طبيعت به هر سه حالت جامد، مايع و گاز يافت ميشود.
برخي ويژگي هاي غيرعادي آب عبارتاند از
تغيير غيرعادي حجم آب بر اثر تغيير دما
زياد بودن ظرفيت گرمايي ويژه
بالا بودن گرماي تبخير
زياد بودن كشش سطحي آب
1ـ تغيير غيرعادي حجم آب بر اثر تغيير دما: اغلب مواد در اثر سرما منقبض شده كاهش حجم پيدا ميكنند، اما هنگامي كه آب بر اثر سرما به يخ تبديل ميشود، انبساط مييابد. اين افزايش حجم غير عادي در يخ ، موجب ميشود كه چگالي يخ كمتر از آب بوده و يخ روي آب شناور بماند. (به نسبت جرم به حجم يك ماده ، چگالي يا جرم حجمي ميگويند.)
(چگالي )
اين پديده موجب ميشود كه در زمستان ها با يخ زدن سطح آب درياچهها، لايهي عايقي از يخ بهوجود آيد كه از يخ زدن لايههاي زيرين جلوگيري ميكند. در اين شرايط ماهيها و آبزيان ديگر ميتوانند در مناطق گرمتر زيرين به زندگي خود ادامه دهند.
2ـ زياد بودن ظرفيت گرمايي ويژه : ظرفيت گرمايي ويژه ، مقدار گرمايي است كه دماي از يك جسم را افزايش ميدهد.
اين ويژگي غيرعادي آب موجب ميشود كه مقادير زياد آب موجود در سطح زمين ، مانند يك ترموستات يا دماپاي غولآسا عمل كرده و تغييرات دماي زمين را كه بر اثر تابش نور خورشيد بر آن بهوجود ميآيد، متعادل سازد. ظرفيت گرمايي ويژهي آب برابر ميباشد.
3ـ بالا بودن گرماي تبخير: براي تبديل مقدار كمي آب به بخار، گرماي زيادي لازم است . اين خاصيت نيز براي ما بسيار اهميت دارد. براي نمونه ، وجود يك حوض بزرگ با چند فواره در يك پارك ، هواي آنجا را خنكتر از جاهاي ديگر ميكند.
وجود درياچهها و اقيانوسها آب و هواي محلي را كه نزديك آن ها است معتدل ميكند. گرماي اضافي بدن ما نيز با تبخير مقدار كمي آب بدن از طريق منافذ پوست (عرق كردن ) كاسته ميشود.
4ـ زياد بودن كشش سطحي آب : زياد بودن كشش سطحي آب ، موجب ميشود اجسام سبك بر روي آن شناور بمانند. سطح آب زير پاي حشرهها فرو مي رود، اما پاره نميشود.
ساختار خمیدهی آب
چنانچه آب ساختاري خطي مانند ميداشت ، مولكولي ناقطبي به شمار ميرفت . اما تجربه نشان ميدهد كه باريكهي آب ، جذب ميلهي پلاستيكي داراي بار ميشود؛ بنابراين مولكولهاي آب قطبي ميباشند. ثابت شده است كه اتم اكسيژن ، داراي جزئي بار منفي بوده و اتمهاي هيدروژن ، قطب مثبت مولكول آب را تشكيل ميدهند كه جزئي بار مثبت دارند. بنابراين مولكول آب ساختاري خميده خواهد داشت . به عبارت ديگر، دو اتم هيدروژن آن نسبت به اتم اکسيژن در يک راستا و بهصورت قرار نگرفتهاند. بلکه بهصورت ميباشد.
مولکول آب يا هر مولکول ديگري که دوقطبي است، يعنی يک قطب مثبت و يک قطب منفي دارد، مولکول قطبي ناميده ميشود ولي در مجموع از نظر الکتريکي خنثي است زيرا تعداد الکترونها و پروتونها در يک اتم يا مولکول همواره برابر است.
آب يک مولکول قطبي است که داراي يک سر منفي و دو سر مثبت ميباشد . اکسيژن داراي جزيي بارمنفي و هيدروژن داري جزيي بار مثبت ميباشد.
توجیه ويژگيهاي غيرعادي آب
ساختار خميدهي مولكول آب و قطبي بودن آن ، حاكي از وجود نيروهاي جاذبهي قوي بين مولكولهاي آب است . وجود اين نيروهاي جاذبهي بين مولكولي سبب ميشود كه آب مايعي با خواص ويژه باشد.
پيوند هيدروژني بين مولکولهاي آب باعث ميشود که گرماي تبخير آب بسيارزياد وحدود1-J.g2260باشد.
1ـ زياد بودن ظرفيت گرمايي ويژه : هر چه جاذبههاي بين مولكولي قويتر باشد، گرماي بيشتري براي افزايش جنب و جوش مولكولها و بالا بردن دماي آن ماده مصرف ميشود. (ظرفيت گرمايي ويژهي يك جسم ، مقدار گرمايي است كه به يك گرم از آن ماده داده ميشود تا دماي آن افزايش يابد). اين عامل اثر زيادي در دماي كرهي زمين دارد و فايدهي آن اين است كه تفاوت دماي روز و شب در كرهي زمين را قابل تحمل كرده است ، زيرا در روز آب بهتدريج اين گرما را ميگيرد و در شب نيز بهتدريج از دست ميدهد. در نتيجه دماي سطح كره ي زمين تغييرات چنداني نميكند
ظرفیت گرمایی ویژهی آب
2ـ گرماي تبخير بالا: براي تبديل مقدار كمي آب به بخار، گرماي زيادي لازم است . خنک شدن بدن بر اثر تعرق، شرايط خاص آب و هوايي كنار درياها و اقيانوسها و خنك بودن هوا در تابستان كنار حوضهاي بزرگ آب يا فوارهها، گرماي تبخير بالاي آب را نشان ميدهند. براي اينكه يك گرم آب از حالت مايع به بخار تبديل شود حدود گرما لازم است . اين امر خود باعث ادامهي زندگي جانداران شده است ، زيرا هم گياهان و هم جانوران با عمل تعرّق (عرق كردن )، دماي بدن خود را متعادل ميكنند، تعرق و تبخير از سطح پوست ، مقدار گرمايي را كه در اثر سوختن غذا و بهخصوص در هنگام فعاليت زياد ايجاد شده است ، بهصورت محسوس از بدن به محيط اطراف منتقل ميكند. تعرق ، بدن را بهصورت نامحسوس با لايهي نازكي از بخار آب ميپوشاند و پوست را در برابر تغيير دماي محيط محفوظ نگه ميدارد. همچنين آب به حالت مايع ، تا حدي سبب تنظيم دماي آب و هواي زمين ميشود، «هواكره» نيز گرماي تعادلي را براي زمين نگه ميدارد و بخار آب را از اقيانوسها به خشكي ميبرد.
3ـ زياد بودن كشش سطحي آب : مولكولي كه درون مايع قرار دارد از هر سمت از طرف مولكولهاي اطراف خود بهطور يکسان جذب ميشود از اينرو چنين مولكولي در راستاي خاصي كشيده يا دفع نميشود. اما مولكولهاي سطح مايع تنها از طرف مولكولهاي مجاور و زيرين خود جذب ميشوند. اين امر سبب ميشود كه مولكولهاي سطح مايع به طرف داخل كشيده شوند و در نقش يك پوسته عمل كنند. هر اندازه نيروهاي جاذبهي بين مولكولي قويتر باشند، كشش سطحي مايع نيز بيشتر است . زياد بودن كشش سطحي آب موجب ميشود اجسام سبك روي آن شناور باشند.
4ـ تغيير غيرعادي حجم آب : آب در، كمترين حجم و بيشترين چگالي را دارد. (چگالي ، جرم واحد حجم ماده است ). در وقتي آب يخ ميبندد هر مولكول آب با مولكول آب ديگر آرايش چهاروجهي منتظم ايجاد ميكند و وجود فضاهاي ضلعي توخالي بين مولكولهاي آب باعث افزايش حجم آب ميشود.
به هنگام يخ زدن ، هر مولکول آب با 4 مولکول از اطراف، پيوند هيدروژني تشکيل ميدهد. بین مولکولها فضاي توخالی 6گوشه پديد ميآيد که باعث افزايش حجم هنگام يخ زدن ميشود
توجیه برخی ویژگیهای غیر عادی آب
تشکيل پيوند هيدروژني و بهوجود آمدن فضاي توخالي 6گوشه
در زمستانها سطح درياچهها يخ ميبندد و مانند لايهاي عايق از يخ زدن لايههاي زيرين جلوگيري ميكند و آبزيان ميتوانند در مناطق گرمتر زيرين (دماي آن از پايينتر نميرود) به زندگي خود ادامه دهند. آبي كه كمترين حجم و بيشترين چگالي را دارد لايهي زيرين را تشكيل ميدهد.
چگالي آب در
چگالي يخ در
بنابراين يخ روي آب شناور ميماند. همين عامل باعث شناور شدن يخهاي قطبي روي آب ميشود. بهجز آب ، برخي عنصرها نيز اين خاصيت را دارند
بيشتر بدانيد
يكي از راههاي تأمين آب ، ايجاد باران مصنوعي است . براي اين عمل ، مواد سردكننده مانند يخ خشك (كربن دياكسيد جامد) را با هواپيما در بالاي ابرها پخش ميكنند كه باعث تجمع آب ابرها ميشود و سپس بهصورت باران به زمين ميآيد.
البته براي ايجاد باران مصنوعي وجود ذرههاي بخار آب در هوا و شرايط جوّي و هواشناسي مناسب ، ضروري است .
اگر نشتي يا چكّهي شير آب ، يك فنجان را به مدت دقيقه پر كند، در مدت يك سال حدود ليتر آب هدر ميرود. شما بايد در مدت يك سال روزي ليوان آب بنوشيد تا به اين حجم آب دست يابيد. با اين مقدار آب ميتوان بار استحمام كرد، همچنين براي پر كردن يك استخر هم كافي است .
پربارانترين منطقهي جهان با متوسط بارش سالانه ي ميليمتر (متر) در ايالت آسام هند قرار دارد.
متوسط بارش سالانه در جهان ، آسيا و ايران به ترتيب ، برابر با ، و ميليمتر است .
رشت با متوسط بارش سالانهي ميليمتر و يزد با متوسط بارش سالانهي ميليمتر، به ترتيب پربارانترين و كمبارانترين شهرهاي ايران هستند.
متوسط بارش سالانه در شهرهاي بندري چابهار و لنگه به ترتيب برابر و ميليمتر است .
حدود جرم بدن برخي از جانوران بيمهره ي دريايي را آب تشكيل ميدهد.
حدود خون ، سلولهاي عصبي ، ماهيچهها و پوست ما را آب تشكيل داده است .
نخستين بار در سال ميلادي دانشمندي انگليسي به نام هنري كاونديش ، آب را از سوزاندن هيدروژن در هوا تهيه كرد. دو سال بعد لاووازيه با قاطعيت اعلام كرد كه آب عنصر نيست . بلكه تركيبي از دو عنصر گازي شكل است .
لاووزايه براي عنصرهاي سازندهي آب ، نامهاي اكسيژن و هيدروژن را پيشنهاد كرد.
جرم كل نمكهاي موجود در درياها و اقيانوس ها، حدود ميليارد تن ، تخمين زده شده است .
بيشترين درصد جرمي نمكهاي موجود در آب دريا به سديم كلريد ( گرم در هر ليتر آب دريا) مربوط است .
معرفي کتاب
1ـ هم گام با شيمی ـ اميدوار، سليماني و شعاعي ـ انتشارات مبتکران
