شیمی )3( و آزمایشگاه AMIR GHASEMI

Transkriptio

1

2 شیمی )3( و آزمایشگاه

3

4 من در اینجا به جوانان عزیز کشورمان به این سرمایه ها و ذخیره های عظیم الهی و به این گل های معطر و نوشکفته جهان اسالم سفارش می کنم که قدر و قیمت لحظات شیرین زندگی خود را بدانید و خودتان را برای یک مبارزه علمی و عملی بزرگ تا رسیدن به اهداف عالی انقالب اسالمی آماده کنید. امام خمینی )رحمة الل ه علیه(

5

6 بخش 1 فهرست واکنش های شیمیایی و استوکیومتری 1 بخش 2 ترمودینامیک شیمیایی بخش 3 محلول ها

7

8 بخش 1 واکنش های شیمیایی و استوکیومتری گندم مانند همۀ گیاهان برای رشد به منابع معدنی نیز نیاز دارد. افزودن منابع معدنی به صورت کودهای شیمیایی سبب افزایش مقدار و کیفیت محصول می شود. اگر با دقت به اطراف خود بنگرمی درمییابیم که شیمی هر حلظه و هرجا در اطراف ما جریان دارد. شیمی کانون متام تالشهایی است که منجر به تولید مواد جدید از جمله داروهای ضد سرطان سوختهای دوستدار محیط زیست مواد هوشمند و انواع لوازم الکترونیکی )مانند LED و تلفن های همراه( سفینه های فضایی و می شود. پیشرفت و گسترششیمیمیتواندسبب رشدوشکوفاییعلوم دیگرمانند اقتصاد پزشکی کشاورزی نظامی زیستمحیطی و شود. در هزارۀ سوم میالدی یکی از مهمترین مشکالت پیش روی کشورهای جهان تأمنی غذاست. گندم مهمترین مادۀ غذایی است که اغلب کشورها تالش میکنند تا در تولید آن به خودکفایی برسند. از این رو کشاورزان برای تولید گندم بیشتر و مرغوبتر ساالنه از مقدار در برخی از کشورها آمونیاک مایع را به عنوان کود شیمیایی به طور مستقیم به خاک تزریق می کنند. مخففشدهعبارتLight LED Emitting Diode به معنای دیود نشردهندۀ نور است. زیادی کود شیمیایی و انواع آفتکش استفاده میکنند. 1

9 در کشور ما نیز برای رسیدن ب ه خودکفایی در تولید گندم برنامه های مناس بی اجرا میشود. در س ال 1٣٩٠ کشاورزان ایرانی تقریبا 14 میلیون تن گندم تولید کردند. سرب )II( نیترات پتاسیم کرومات با مخلوط کردن این دو محلول رسوب زرد رنگی )سرب ) II (کرومات( ایجاد می شود. تشکیل این رسوب رنگی از وقوع یک واکنش شیمیایی خبر می دهد. منادهای بهکار رفته برای منایش حالت فیزیکی مواد در معادلههای شیمیایی مناد معنا حال این پرسش ها مطرح می شوند : چگونه فرمول شیمیایی یک آفت کش و یک کود شیمیایی به دست می آید برای تولید مقدار زیادی از یک آفت کش در کارخانه )مقیاس صنعتی( چه مقدار از مواد اولیه باید با هم واکنش بدهند به ازای هر هکتار از زمنی کشاورزی به چند کیلو گرم کود شیمیایی نیاز است یادگیری واکنش های شیمیایی و استوکیومتری به شما کمک می کند تا پاسخ این پرسش ها و پرسش های دیگری که ذهن شما را مشغول کرده است پیدا کنید. واکنش شیمیایی و شیوه های منایش آن در سال های پیش با تغییرهای فیزیکی و شیمیایی و ویژگی های آنها آشنا شدید. برای منونه ذوب شدن تبخیر و میعان را از جمله تغییرهای فیزیکی و زنگ زدن آهن سوخنت کاغذ ترش شدن شیر هضم غذا و تنفس را از جمله تغییرهای شیمیایی دسته بندی کردید. همچننی واکنش شیمیایی را توصیفی برای یک تغییر شیمیایی دانستید و آن را فرایندی تعریف کردید که طی آن یک یا چند مادۀ شیمیایی )عنصر/ ترکیب( بر هم تأثیر می گذارند و مواد شیمیایی تازه ای تولید می کنند. در ضمن آموختید که واکنش های شیمیایی با مبادلۀ انرژی نیز همراه اند. واکنش سوختن کامل متان را در نظر بگیرید. این واکنش به تولید کربن دی اکسید آب و آزاد کردن مقدار قابل توجهی انرژی می انجامد. این واکنش شیمیایی را می توان با یک معادلۀ نوشتاری به صورت زیر توصیف کرد: میدهد انرژی + کربن دیاکسید + آب اکسیژن + متان واکنشدهندهها فراوردهها این معادله نام واکنش دهنده ها )سمت چپ( و فراورده های )سمت راست( واکنش را مشخص می کند و اطالعات بیشتری در اختیار نمی گذارد. اگر برای نوشتن معادلۀ یک واکنش از نمادها و فرمول های شیمیایی مواد شرکت کننده استفاده شود در این صورت معادله ای به دست می آید که به آن معادلۀ نمادی می گویند. در این معادله حالت فیزیکی هر مادۀ شرکت کننده نیز باید مشخص شود. CH 4 )g( + O 2 )g( H 2 O)g( + CO 2 )g( )s( جامد )l( مایع )g( گاز )aq( محلول آبی یک معادلۀ نمادی چه اطالعاتی در اختیار ما می گذارد 2

10 خود را بیازمایید در هر مورد معادلۀ نمادی واکنش معرفی شده را بنویسید. آ(محلولسدیمنیترات+ رسوبنقرهسیانید محلولنقرهنیترات+ محلولسدیمسیانید ب(محلولپتاسیمنیترات+ رسوبکلسیمفسفات محلولکلسیمنیترات+ محلولپتاسیمفسفات نام سیانید فرمول شیمیایی CN پ( گاز اکسیژن + منگنز )IV( اکسید جامد + پتاسیم منگنات جامد پتاسیم پرمنگنات جامد ت ) از واکنش گاز هیدروژن با گاز کلر گاز هیدروژن کلرید تولید می شود. ث( فلز آلومینیم و گرد آهن )III( اکسید با یک دیگر واکنش می دهند و نمک جامد آلومینیم اکسید و آهن مذاب تولید می کنند. ج( پتاسیم کلرات جامد در اثر گرما به پتاسیمکلرید جامد و گاز اکسیژن تجزیه میشود. موازنه کردن معادلۀ یک واکنش شیمیایی فکر کنید 1 به شکلهای زیر با دقت نگاه کنید و دربارۀ قانون پایستگی جرم در واکنشهای شیمیایی در کالس به گفت و گو بپردازید. آ( فلز آهن با گوگرد واکنش میدهد و به آهن )II( سولفید تبدیل میشود. Fe(s) S(s) FeS(s) نیترات ٣ NO فسفات کلرات پرمنگنات منگنات ٣ 4 PO ClO ٣ MnO MnO میدانید که در واکنشهای شیمیایی نه اتمی به وجود میآید و نه اتمی از بین میرود بلکه پس از انجام واکنش همان اتمها به شیوههای دیگری به هم متصل میشوند. یک معادلۀ شیمیایی افزون بر بنابراین میتوان نتیجه گرفت که همۀ واکنشهای شیمیایی از قانون پایستگی ماده یا قانون نمایشفرمولشیمیاییوحالت فیزیکی واکنشدهندهها و پایستگی جرم پیروی میکنند. فراوردهها اطالعاتی دربارۀ شرای ط الزم برای ان جام واکنش نیز در اختیار میگذارد. درحالی که اطالع اتی مانند چگونگی و ت رتیب مخلوط کردن واکنشدهندهها و نکتههای ایمنی را درب رن دارد. برای دستیابی به این موارد باید به شرح عملی اجرای آن واکنش شیمیایی مراجعه کرد. شرح عملی بسیاری از واکنش های شیمیایی در منابع ع لمی معتبر یافت می شود. ٣

11 ب( میخ آهنی در مجاورت هوای مرطوب به آرامی زنگ می زند. میخ زنگ زده میخ آهنی معنای برخی عبارتها یا منادهای مورد استفاده در معادلههای شیمیایی مناد معنا تولید میکند یا میدهد واکنش دهندهها براثر گرم شدن واکنش میکنند. واکنش در فشار 2٠atm 20 امتسفر اجنام میشود. واکنش در دمای ٠٠ C د ر جۀ سلسیوس انجام میشود. برای اجنام شدن واکنش از پاالدمی pd )Pd( بهعنوان یک کاتالیزگر استفاده میشود. برای موازنه معادلههای شیمیایی روشهایگوناگونی وجود دارد. 2 دو دانش آموز با استفاده از قطعه های پالستیکی دو دست سازه به شکل های زیر درست کرده اند. دربارۀ جرم این دو دست سازه در کالس گفت و گو کنید و شرط برابری جرم آن ها را بنویسید. همان طورکه مشاهده کردید در صورت برابری تعداد قطعه های هر رنگ در دو دست سازه جرم آن دو برابر خواهد شد. به همین ترتیب می توان نتیجه گرفت که برای رسیدن به یک معادلۀ شیمیایی موازنه شده باید تعداد اتم های هر عنصر در دو سوی معادله یکسان باشد. برای این منظور به هریک از واکنش دهنده ها و فراورده ها ضریبی نسبت می دهند. براساس یکی از ساده ترین روش های موازنه )روش وار سی( معموال به ترکیبی که دارای بیشترین تعداد اتم است ضریب 1 می دهند سپس با توجه به تعداد اتم های این ترکیب ضرایبی را به مواد دیگر می دهند تا تعداد اتم های هر عنصر در دو سوی معادله برابر شود. برای نمونه معادلۀ سوختن کامل پروپان به صورت زیر است: )معادلۀ موازنه نشده( C ٣ H 8 )g( + O 2 )g( CO 2 )g( + H 2 O)g( 4

12 برای موازنه به C ٣ H 8 ضریب 1 بدهید. 1C ٣ H 8 )g( + O 2 )g( CO 2 )g( + H 2 O)g( اینک تعداد اتمهای کربن و هیدروژن در سمت چپ مشخص شده است. حال اگر به H 2 O ضریب ٤ و به CO 2 ضریب ٣ بدهید. تعداد اتمهای C و H در دو طرف برابر میشود. 1C ٣ H 8 )g( + O 2 )g( ٣CO 2 )g( + 4H 2 O)g( در پایان چون تعداد اتم های اکسیژن در سمت راست تعیین شده و برابر با ١٠ اتم است اگر به اکسیژن در سمت چپ ضریب ٥ بدهید تعداد اتم های همۀ عنصرها در دو سوی معادله برابر می شوند. C ٣ H 8 )g(+5o 2 )g( ٣CO 2 )g( + 4H 2 O)g( در معادلههای شیمیایی موازنه شده ضریب 1 نوشته نمیشود. همانطورکه مشاهده کردید هنگام موازنهکردن یک معادلۀ شیمیایی نباید زیروندهای موجود در فرمول شیمیایی واکنش دهندهها و فراوردهها را تغییر داد. همچنین توجه به این نکته ضروری است که هریک از ضریبهای بهکار رفته در معادلۀ موازنه شده باید کوچکترین عدد صحیح )غیرکسری( ممکن باشند. یک معادلۀ شیمیایی موازنه برای نمونه به روش موازنۀ معادلۀ سوختن گاز هیدروژن دقت کنید. شده به دو صورت خوانده میشود. برای نمونه: O)g( H 2 )g( +O 2 )g( H 2 )معادلۀ موازنه نشده( 1 دو مول گاز هیدروژن با یکمولگازاکسیژنواکنش در اینجا برای موازنه به H 2 O ضریب 1 میدهیم. H 2 )g( +O 2 )g( 1H 2 O)g( میدهد و دو مول بخار آب تولید میکند. حال تعداد اتمهای H و O در سمت راست معادله مشخص شده است. اگر به H 2 ضریب 1 وبه O 2 ضریب 1 بدهیم تعداداتمهایهردوعنصردردوسویمعادلهبرابرمیشود. ٢ H (g) O 2(g) H2O(g) 2 در پایان برای از بینبردن ضریب کسری اکسیژن همۀ ضریبها را در عدد 2 ضرب می کنیم درنتیجه: )معادلۀ موازنه شده( O)g( 2H 2 )g( + O 2 )g( 2H 2 خود را بیازمایید معادلۀ واکنشهای زیر را موازنه کنید. )g( )s( KNO 2 )s( + O 2 ٣ KNO آ ) O)l( )PO 4 ( 2 )aq(+h 2 ٣ Ca)OH( 2 )aq( + H ٣ PO 4 )aq( Ca ب ) O)g( C 2 H 5 OH )l( + O 2 )g( CO 2 )g(+h 2 پ ) اغلب برای آغاز یک واکنش به مقداری انرژی نیاز است. به حداقل انرژی الزم برای شروع یک واکنش شیمیایی انرژی فعالسازیمیگویند. دادن گرما تابش نور ایجاد جرقه تخلیۀ الکتریکی یا واردآوردن یک شوک مانند زدنضربهیاافزایشناگهانی فشار این انرژی را تأمین میکند. 2 دو مولکول هیدروژن با یک مولکول اکسیژن واکنش میدهد و دو مولکول آب تولید میکند. در یک معادلۀ شیمیایی ت عداد ی ونهای چندات می مانند ٣ PO 4 ٣ NO و را به صورت یک گونۀ شیمیایی جدا در دو سوی معادله شمارش و موازنه کنید. ٣- ت ) )g( ٣ N 2 )g( + H 2 )g( NH 5

13 واکنش سوخنت نوار منیزمی با آزاد شدن نور و گرماى زیادى همراه است.گفتنی است که Mg به آرامی و بدون شعله نیز با اکسیژن هوا ترکیب میشود. در این واکنش نیز MgO سفیدرنگ تولید میشود. همانطورکه میدانید به این نوع واکنش اکسایش میگویند. )تشکیل آرام الیۀ ترد و سفید رنگ روى سطح براق نوار منیزیم شاهدی بر این مدعاست.( انواع واکنش های شیمیایی تاکنون واکنشهای شیمیایی بسیاری شناخته شده است که مطالعۀ همۀ آنها غیرممکن بهنظر میرسد. بهعلت شباهتی که میان بسیاری از واکنشهای شیمیایی مشاهده میشود میتوان آنها را در دستههای کوچکتری طبقهبندی کرد و به این ترتیب مطالعۀ آنهاراممکنساخت. دستهبندیپنجگانۀزیررایجترینشیوۀطبقهبندیواکنشهای شیمیایی است شکل 1. سنتز یا ترکیب جابه جایی یگانه سوخنت واکنشهای شیمیایی جتزیه جابه جایی دوگانه شکل 1 دسته بندی پنجگانۀ واکنش های شیمیایی توجه داشته باشید که برخی واکنشها را نمیتوان تنها به یکی از این دستهها متعلق دانست زیرا ممکن است ویژگیهای بیش از یک دسته را داشته باشد. واکنش سوختن: میدانید که سوختن به واکنشی میگویند که در آن یک ماده مثال یک ترکیب آلی مانند گاز اتین )استیلن( یک نافلز مانند گوگرد یا یک فلز واکنشپذیر مانند منیزیم بهسرعت و شدت با اکسیژن ترکیب میشود و افزون بر آزادکردن مقدار زیادی انرژی بهصورت نور و گرما اغلب ترکیبهای اکسیژندار را بهوجود میآورد. 2C2H 2(g) + 5O 2(g) 4CO 2(g) + 2H2O(g) نور و گرما + انرژی ترکیب های اکسیژن دار اتنی نور و گرما + (g) S(s) + O 2(g) SO 2 در سال آینده با این دسته از واکنشها بیشتر آشنا خواهید شد. 6 نافلز نور و گرما + MgO(s) 2Mg(s) + O (g) 2 2 فلز همچنین میدانید که واکنش همۀ مواد با اکسیژن به شدت و سرعت سوختن نیست. چنین واکنشهایی را اکسایش میگویند. زنگزدن آهن نوعی واکنش اکسایش است. 4Fe(s) + ٣O (g) 2 Fe O (s) 2 2 ٣

14 اطالعات جمع آوری کنید هنگامی که فلزهای قلیایی برای مدتی در معرض هوا قرار بگیرند مخلوط پیچیدهای از ترکیبهای شیمیایی روی سطح آنها تشکیل میشود. دربارۀ نام و ویژگیهای اجزای این مخلوط و چگونگی تشکیل آنها تحقیق کنید و نتیجه را در کالس ارائه دهید. واکنش سنتز یا ترکیب واکنشی است که در آن چند ماده بر هم اثر کرده فراورده )ها(ی تازه ای با ساختار پیچیدهتر تولید میکنند. در زیر یک نمونه از این واکنشها را مشاهده میکنید شکل 2. شکل ٢ بر اثر واکنش Cl)s( )g( + HCl)g( NH 4 ٣ NH بخار NH ٣ و بخار HCl گ رد سفید رنگ NH 4 Cl تولید میشود. این واکنش منونهای از واکنشهای ترکیب است. واکنش بسپارش )پلیمرشدن( مجموعهای از واکنشهای سنتزی است که طی آن هزارها مولکول کوچک با یکدیگر ترکیب شده درشتمولکولهایی به نام بسپار )پلیمر( تولید میشود. تولید پلیت ن )پلیاتیلن( پلیپروپن و پلیتترافلوئوراتن )تفلون( از جمله مهمترین واکنشهای بسپارش )پلیمرشدن( در صنعت است. H H H H n C= C C C H CH3 H n CH 3 پروپن )g( n C ٣H 6 پلیپروپن )s( )C ٣ H 6 ( n به ساختار پلیاتن و پلیپروپن توجه کنید. پلیاتن پلی پروپن واکنش تجزیه به واکنشیتجزیهمیگویندکه در آنیک مادهبه مواد سادهتریتبدیل میشود.تجزیۀ کربناتها در اثر گرما نمونهای از این واکنشهاست. در این واکنش گاز کربندیاکسید آزاد میشود. از پلی پروپن برای تولید ریسمان استفاده می شود. 7 ٣ 2 CaCO (s) CaO(s) + CO (g)

15 1 2 واکنش جتزیۀ آمونیوم دیکرومات واکنشهای جابهجایی را جانشینی یا جایگزینی نیز مینامند. 8 ترکیبهایی مانند نیتراتها و کلراتها نیز در اثر گرما تجزیه میشوند. گاز اکسیژن فراوردۀ مهم این دسته از واکنشهاست. آزمایش کنید ٣ 2 2KClO (s) 2KCl(s) + ٣ O (g) ٣ 2 2 2NaNO (s) 2NaNO (s) + O (g) هدف: تجزیۀ آمونیوم دیکرومات وسایل مورد نیاز: بشر لولۀ آزمایش همزن شیشهای شیشه ساعت توری نسوز و کبریت مواد مورد نیاز: آمونیوم دیکرومات جامدی بلوری و نارنجی رنگ به فرمول )NH 4 ( 2 Cr 2 O 7 روش کار: 5g آمونیوم دیکرومات را روی توری نسوز یا درون یک تشتک شیشهای بریزید. سپس توری را روی یک کاغذA4 قرار دهید. برای شروع واکنش کبریت را روشن کنید و بهمدت چند ثانیه بهطورمستقیم روی آمونیوم دیکرومات بگیرید. به محض شروع واکنش شعلۀ کبریت را دور کنید. مشاهدههای خود را یادداشت کرده فعالیتهای زیر را انجام دهید. 1( درهنگامپیشرفتواکنش یک بشر 250mL را بهطور وارونه چند سانتیمتر باالتر از مخلوط آزمایش نگه دارید. چه مشاهده میکنید چه نتیجهای از این مشاهده میگیرید 2( بعد از پایان واکنش جامد باقیمانده را وزن کنید و اختالف جرم مادۀ اولیه و فراورده را حساب کنید. علت این اختالف را توضیح دهید. ٣( به کمک معلم خود واکنش تجزیۀ آمونیوم دیکرومات را نوشته موازنه کنید. 4( ویژگیهایظاهریوحلشوندگی واکنشدهندهو فراوردهرا در آبمقایسهکنید. برای این کار مقداری از واکنش دهنده یا فراورده را در یک لولۀ آزمایش بریزید و سپس روی آن کمی آب مقطر اضافه کنید. از این آزمایش چه نتیجه ای می گیرید خود را بیازمایید 1 در هر مورد معادلۀ واکنش داده شده را موازنه کنید. آ( 3 2 CdCO (s) CdO(s) + CO (g) ب( ٣ 2 CH OH(g) CO(g) + H (g)

16 ٩ پ( 2 4 ٣ 2 ٣ ٣ Al (SO ) (s) Al O (s) + SO (g) 2 در هر مورد معادلۀ واکنش داده شده را کامل و موازنه کنید. Ca(s) + O 2 (g)...(s) آ( ZnCO ٣ (s) ZnO(s) +...(g) ب( F F پ( n C= C (g)... (s) F F واکنشجابهجایییگانه: هنگامی که یک قطعه ورقۀ آلومینیمی درون محلولی ازمس )II( سولفات قرار میگیرد تشکیل فلز سرخ فام مس بر سطح ورقۀ آلومینیمی بهخوبی قابل مشاهده است. در ضمن مقداری ازمس تولیدشدهنیزبهته ظرف فرو خواهد ریخت شکل ٣. ( یون سولفات مولکول آب( شکل ٣ واکنش آلومینیم با محلول مس )II( سولفات به نظر میآید که در این واکنش فلز آلومینیم جای مس موجود در مس )II( سولفات را گرفته و آن را بهصورت فلز مس آزاد کرده است. 2Al(s) + ٣CuSO (aq) Al (SO ) (aq) + ٣ Cu(s) ٣ با نگاهی به معادلۀ این واکنش می توان دریافت که تنها یک جابه جایی رخ داده است. جابه جایی یگانه نامی است که به این دسته از واکنش ها داده اند. معادله های شیمیایی زیر نمونه های دیگری از واکنش های جابه جایی یگانه اند. Cl (g) + 2KBr(aq) 2 KCl(aq) + Br (aq) 2 2 Zn(s) + 2AgNO (aq) Zn(NO ) (aq) + 2 Ag(s) ٣ ٣ 2 پس از گذشت چند دقیقه گاز کلر تولید شده در ارلن سمت چپ با محلول KBr در ارلن سمت راست واکنش میدهد.

17 بریلیم تنها عنصر قلیایی واکنش فلزهای قلیایی و قلیایی خاکی با آب به تولید گاز هیدروژن میانجامد. این خاکی است که با آب یا بخار آب داغ واکنش نمیدهد و واکنشها نیز از جملۀ واکنشهای جابهجایی یگانه بهشمار میآیند. پایینتر از 6 C در هوا نیز اکسایش نمییابد. شکل ٤ یک و ا کنش جابهجایی دوگانه تشکیل رس وب سفید رنگ ن قره کلرید )AgCl(s)( در اثر مخلوط کردن محلولهای نقره نیترات )aq(( ٣ )AgNO و سدمی کلرید.)NaCl)aq(( 2K(s) + 2H O(l) H (g) + 2 KOH(aq) 2 2 Ba(s) + 2H O(l) H (g) + Ba(OH) (aq) واکنشجابهجایی دوگانه:اگر محلولی از نقره نیترات بر روی محلولی از سدیمکلرید ریخته شود رسوب سفیدرنگ نقرهکلرید بهسرعت تشکیل میشود شکل 4. معادلۀ این واکنش به شرح زیر است: AgNO (aq) + NaCl(aq) AgCl(s) + NaNO (aq) ٣ ٣ شیمیدانها اینگونه واکنشها راجابهجایی دوگانه میخوانند. دلیل این نامگذاری چیست معادلههای شیمیایی زیر نمونههای دیگری از واکنشهای جابهجایی دوگانهاند. Pb(NO ) (aq) + 2KI(aq) PbI (s) + 2 KNO (aq) ٣ 2 2 ٣ Ba(OH) (aq) + 2HNO (aq) Ba(NO ) (aq) + 2H O(l) خود را بیازمایید 2 ٣ ٣ 2 2 NaOH(aq) + HCl(aq) H O(l) + NaCl(aq) 2 در هر مورد معادلۀ واکنش داده شده را کامل و موازنه کنید. Br 2(l) + NaI(aq) I 2 (s) +... آ ) Zn(s) + CuCl 2 (aq) Cu(s) +... ب( Al(s) + HBr(aq) پ( Fe(NO ) (aq) + NaOH(aq) Fe(OH) (s) +... ت( ٣ ٣ ٣ ZnBr (aq) + AgNO (aq) AgBr(s) +... ث( 2 ٣ آزمایش کنید هدف: شناسایی یون های +2 Pb +٣ Fe و + Ag در محلول نمک های آنها در آب وسایل مورد نیاز: قاشقک چند لولۀ آزمایش و قطره چکان مواد مورد نیاز: محلول های رقیقی از سرب )II( نیترات آهن )III( کلرید 1٠

18 پتاسیم یدید سدیم هیدروکسید نقره نیترات و پتاسیم کرومات برای تهیۀ این محلول ها کافی است مقدار اندکی )به اندازۀ نوک یک قاشقک( از هریک از این مواد جامد برداشته در یک لولۀ آزمایش بریزید. سپس در لولۀ آزمایش تا نیمه آب مقطر ریخته به هم بزنید. روش کار: آ( شناسایی یون +٢ Pb 2mL از محلول سرب )II( نیترات را در یک لولۀ آزمایش بریزید سپس قطره قطره محلول پتاسیم یدید به آن اضافه کرده مشاهده های خود را یادداشت کنید. معادلۀ شیمیایی واکنش را کامل و موازنه کنید. 11 محلول + رسوب محلول پتاسیم یدید + محلول سرب )II( نیترات. )aq(+ )aq( )s( + )aq( ب( شناسایی یون +٣ Fe مطابق روش باال محلول سدیم هیدروکسید را به محلول آهن )III( کلرید اضافه کرده مشاهده های خود را یادداشت کنید. معادلۀ واکنش را کامل و موازنه کنید. محلول + رسوب محلول سدیم هیدروکسید + محلول آهن )III( کلرید. )aq( + )aq( )s( +.)aq( پ( شناسایی یون + Ag محلول پتاسیم کرومات را قطره قطره به محلول نقره نیترات اضافه کرده مشاهده های خود را یادداشت کنید. معادلۀ واکنش را کامل و موازنه کنید. محلول + رسوب محلول پتاسیم کرومات + محلول نقره نیترات AgNO ٣ )aq(+k 2 CrO 4 )aq( (s)+ (aq) توجه: پس از انجام هر مرحله قطره چکان را با آب مقطر بشویید )چرا (. در مصرف مواد صرفه جویی کنید و به توصیۀ مربی آزمایشگاه برای دور ریختن محلول ها دقت کنید. استوکیومتری روابط کم ی در واکنش های شیمیایی استوکیومتری بخشی از شیمی است که با نسبت مقدار عنصرها در ترکیب ها و نیز ارتباط کمی میان مقادیر مواد شرکت کننده در واکنش های شیمیایی )واکنش دهنده ها و فراورده ها( سروکار دارد. با استفاده از روابط استوکیومتری می توان بین مقدار مواد واکنش دهنده و مقدار فراورده ها یک ارتباط کم ی برقرار کرد. در محاسبه های استوکیومتری واکنش محلول سرب )II( نیترات با محلول پتاسیم یدید واکنش محلول آهن )III( کلرید با محلول سدمی هیدروکسید واکنش محلول نقره نیترات با محلول پتاسیم کرومات استوکیومتری )stoichiometry( واژهای یونانی است ک ه از ترکیب دو واژۀ استویکیون )stoicheion( به معنای عنصر و مترون) metron ( بهمعنایسنجشگرفتهشدهاست.

19 تنها از معادلۀ موازنهشدۀ واکنش استفاده میشود زیرا معادلۀ شیمیایی افزون بر نمایش فرمول شیمیایی واکنشدهندهها و فراوردهها نسبتی معین را مشخص میکنند که مواد یادشده متناسب با آن در واکنش مصرف یا تولید میشوند. روابط مولی مولی در محاسبه های استوکیومتری مفهوم مول در بحث استوکیومتری را میتوان همارز واحد پول در یک کشور دانست. همانطورکه تنها با پول رایج یک کشور میتوان در آنجا به خرید و فروش اقدام کرد در بحث استوکیومتری و محاسبه های مربوط به آن نیز رایج است. بنابراین آشنایی با مول و شیوه های تبدیل یکاهای دیگر به مول و برعکس در این مبحث مول اهمیت زیادی دارد. عدد ٣ /6 را عدد یادآوری مفهوم مول آووگادرو میگویند و آنرا با در کتاب شیمی 1 با مفهوم مول آشنا شدید. آموختید که یک مول به مجموعهای N A نمایش میدهند. ثابت آووگادرو براب ر شامل 10 6/022 2٣ ذره )اتم مولکول یا یون( گفته میشود. 10 6/022 است. همچنین ضمن آشنایی با مفهوم اتم گرم )جرم یک مول اتم برحسبگرم( و مولکول 2٣ mol -1 گرم )جرم یک مول از مولکولهای یک ماده برحسب گرم( و شیوۀ محاسبۀ آن آموختید که شیمیدانها به جای این دو مفهوم عمومیتر جرم مولی را بهکار میبرند و آن را برحسب گرم بر مول ( 1- )g.mol بیان میکنند. از شیمی 2 نیز به یاد دارید که وجود ایزوتوپهای مختلف و تفاوت در فراوانی آنها سبب شد که برای نمونههای طبیعی عنصرها از جرم اتمی میانگین آنها استفاده شود. بنابراین جرم مولی عنصرها یا ترکیبها را بهآسانی میتوان از دادههای تجربی موجود در جدول تناوبی عنصرها به دست آورد شکل 5. S Fe NaCl K ٢ Cr ٢ O ٧ C ۱۲ H ۲۲ O ۱۱ شکل ٥ مقدار 1 مول از مواد شیمیایی مختلف 12

20 خود را بیازمایید درترکیبهاییونی مولکول در هر مورد با استفاده از جدول تناوبی عنصرها جرم مولی گونههای زیر را معینکنید. وجود ندارد به همین دلیل به جای واژۀ مولکول گرم آ( آمونیاک NH ٣ از واژۀ جرم مولی برای آنها ب( اوره ( 2 2 CO )NH پ( آمونیوم هیدروژن فسفات )NH 4 ( 2 HPO 4 تبدیل تعداد مول ها به جرم و برعکس جرم جرم از جمله کمیتهایی است که بهآسانی و در آزمایشگاه قابل سنجش است. از اینرو یافتن توانایی تبدیل جرم به تعداد مولها و برعکس یعنی تبدیل تعداد مولها به جرم مهارت مهمی در مبحث استوکیومتری است. برای این تبدیل از جرم مولی استفاده میشود شکل 6. 1 جرم مولی )g( نمونۀ حل شده جرم مولی 1 شکل 6 تبدیل تعداد مول ها و جرم به یکد یگر جرم ٣/50mol مس چند گرم است پاسخ: 1 فهرست دادههای مسئله را بنویسید. * تعداد مولهای مس: ٣/50mol 6٣ / 55gCu * جرم مولی مس: ١-6٣/55g.mol یعنی 1molCu 2 با یافتن ضریب تبدیل مناسب محاسبه را انجام دهید. تعداد مول ها )mo ( = استفاده می شود. = / 50 / gcu ٣ = gcu molcu 6٣ 55 / gcu 1 molcu = ضریب تبدیل مس یک فلز سکه زنی است. 1٣

21 آسپرین به طور طبیعی در پوست درخت بید یافت می شود به طوری که مصرف محلولی از گرد پوست درخت بید سبب کاهش تب و لرز در بیماران مبتال به ماالریا می شود. این موضوع شیمی دان ها را تشویق کرد تا در پی یافتن فرمول مولکولی آسپرین باشند. از این رو آنها با انجام واکنش های شیمیایی بر روی پوست درخت بید و با استفاده از استوکیومتری موفق شدند فرمول مولکولی آسپرین را کشف کنند. سپس با دانستن فرمول مولکولی آسپرین توانستند آن را در آزمایشگاه از واکنش سالیسیلیک اسید با استیک انیدرید تولید کنند. مردم سراسر جهان ساالنه ٥ قرص آسپرین برای کاهش تب التهاب تپش های قلب و سکته مصرف می کنند. درنتیجه شرکت های دارویی به شدت با یکدیگر رقابت می کنند تا روش های تولید آسپرین و داروهای دیگر را اصالح کنند و با افزایش مقدار فراورده قیمت تمام شدۀ داروها را کاهش دهند. 14 خود را بیازمایید 1 5g/8٣ مس چند مول است 2 ٩g/128 کربن دی اکسید چند مول است تجزیۀ عنصری و استوکیومتری فرمولی چگونه می توان فرمول مولکولی یک مادۀ شیمیایی را به دست آورد در شیمی 2 آموختید که فرمول مولکولی هر ترکیب نشان دهندۀ نوع و تعداد اتم های تشکیل دهندۀ آن است. برای نمونه در آسپرین با فرمول مولکولی C: ٩ H 8 O 4 C آسپرین C ٩ H 8 O 4 تعداد امتها در یک مولکول H O شکل ٧ مدل مولکولی آسپرین و نسبت امت های سازنده آن در هر مولکول ٩ اتم کربن 8 اتم هیدروژن و 4 اتم اکسیژن وجود داردشکل 7. درنتیجه هر مول آسپرین ٩ مول C 8 مول H و 4 مول O دارد. به بیان دیگر اتم های Hو C O به نسبت مولی 8 ٩ و 4 وجود دارند. آسپرین بنابراین با دانستن نسبت های مولی عنصرهای سازنده در یک ماده می توان فرمول مولکولی آن را حدس زد. برای نمونه در فرمالدهید به ازای یک مول اتم کربن 2 مول اتم هیدروژن و یک مول اتم اکسیژن وجود دارد. فرمول مولکولی فرمالدهید چیست به نظر شما آیا با دانستن نسبت مولی عنصرهای یک ترکیب همواره می توان فرمول مولکولی آن را حدس زد برای نمونه در یک هیدروکربن به ازای یک مول اتم کربن

22 دومول اتم هیدروژن وجود دارد. فرمول شیمیایی این هیدروکربن را حدس بزنید. آیا فرمول به دست آمده می تواند فرمول مولکولی هیدروکربن باشد )چرا ( در برخی موارد دانستن نسبت مولی عنصرهای تشکیل دهندۀ یک ماده برای تعیین فرمول مولکولی آن کافی نیست و تنها فرمول تجربی آن را نشان می دهد. همان طورکه می دانید فرمول تجربی ساده ترین نسبت مولی عنصرهای سازندۀ یک ترکیب را مشخص می کند برای نمونه فرمول تجربی CH 2 نشان می دهد که در مولکول های این هیدروکربن همواره تعداد اتم های هیدروژن دو برابر اتم های کربن است بنابراین فرمولی مولکولی آن کدام یک از فرمول های زیر است 15 C ٣ H 6, C 10 H 20, C 4 H 8, C ٥ H 10 برای یافتن پاسخ این پرسش باید جرم مولی هیدروکربن مشخص باشد. حال فرض کنید که جرم مولی این هیدروکربن برابر با 70 گرم بر مول باشد در آن صورت با توجه به آنچه در شیمی 2 آموختید می توان نوشت: n )جرم فرمول تجربی( = جرم فرمول مولکولی 7 = )12+2( n n =5 n )فرمول تجربی( = فرمول مولکولی )CH 2 ( 5 = C 5 H 10 = فرمول مولکولی اما این پرسش که»فرمول تجربی را چگونه می توان به دست آورد «بی پاسخ مانده است. فرمول تجربی هر ترکیب شیمیایی از تجزیۀ عنصری آن با انجام محاسبه های استوکیومتری به دست می آید. به طوری که می توان نوع عنصرهای سازنده و درصد جرمی آنها را به دست آورد. سپس با استفاده از این داده ها فرمول تجربی و فرمول مولکولی آن را تعیین کرد. نمونۀ حل شده تجزیۀ عنصری 1 پروپانول نشان می دهد که این ترکیب آلی از %60/0 کربن )C( 4/%1٣ هیدروژن )H( و %26/6 اکسیژن )O( تشکیل شده است. فرمول تجربی آن را به دست آورید. پاسخ: درصد جرمی عنصرهای سازنده نشان می دهد که در هر 100 گرم از 1 پروپانول 60 گرم کربن 1٣/4 گرم هیدروژن و 26/6 گرم اکسیژن وجود دارد در ترکیب های یونی فرمول تجربی با فرمول شیمیایی ترکیب یکسان است. شیمی دان ها جرم اتم ها و مولکول ها را با استفاده از دستگاه طیف سنج جرمی به دست می آورند. تجزیۀ عنصری روشی است که طی آن نوع عنصرهای ت ش کیل دهنده و درص د جرمی هریک از آنها در ترکیب شیمیایی یاد شده تعیین می شود. الکلهادستهایازترکیبهای آلی هستند که یک یا تعداد بیشتری گروه عاملی هیدروکسیل )-OH( روی زجنیر کربنی خود دارند. برخی الکلها مانند متانول یکگروهOH - دارندوبرخی مانند اتیلن گلیکول )1 2 اتاندیا ل( و گلیسرین )1 2 ٣ پروپان تریا ل( بهترتیب دو و سه گروه عاملی هیدروکسیلدارند. CH ٣OH متانول CH ٣CH 2OH اتانول گلیسرین CH 2 OH اتیلن گلیکول 2 CH OH CH 2 CH CH 2 OH OH OH متانول به الکل چوب معروف است و از گرم کردن چوب در غیاب اکسیژن تا دمای C 4٠٠ بهدست میآید. در حالیکه اتانول الکل میوه نام دارد و در اثر تخمیر قندها وکربوهیدراتهایموجوددر میوهها توسط آنزیمها تولید میش ود.

23 الكل های راست زجنیر هم كر بن ر ا با مشخص كردن شمارۀ امت كربنی مشخص می كنند كه گروه هیدروكسیل به آن متصل شده است. در فرمول شیمیایی زیروند 1 نوشته نمی شود. هنگام انجام محاسبه برای یافتنسادهتریننسبتمولی عنصرها عددهای نهایی بهدست آمده را میتوانید حداکثر تا تقریب یک دهم گرد کنید. برای نمونه 5/ 9 5 4/91 5 بنابراین: 1molC molc=60/0 gc = 5/0 molc 12/ 0gC 1molH molh=13/4 gh = 13/4 molh 1/ 0gH 1molO molo=26/6 go = 1/7 molo 16/ 0gO حال برای یافتن ساده ترین نسبت مولی عنصرها تعداد مول هر عنصر را به تعداد مول عنصری که مقدار آن از همه کمتر است تقسیم می کنیم. خود را بیازمایید 5 / 0molC C : = 2/ 9molC 1/ 7 13 / 4molH H : = 7/ 9molH C3H8O 1/ 7 1/ 7molO O : = 1molO 1/ CH3CHCH3 OH CH3CH2CH2 OH ١ پروپانول و ٢ پروپانول 1 یک ترکیب یونی که برای تولید شیشه های لوازم الکترونیکی به کار می رود شامل %56/5 پتاسیم %8/9 کربن و ٦/%34 اکسیژن است. فرمول تجربی این ترکیب را به دست آورید. 2 مادۀ معطر و خوش طعم موجود در آناناس دارای ٦٢/١% کربن ١٠/٣% هیدروژن و %27/6 اکسیژن است. اگر جرم مولی آن برابر 116 گرم برمول باشد فرمول مولکولی آن را به دست آورید. 3 تجزیۀ عنصری نمونه ای از یک مادۀ شیمیایی نشان داد که در این نمونه g 12/4 کلسیم و 6/4 g فسفر وجود دارد. فرمول تجربی مادۀ شیمیایی موجود در این نمونه چیست 16

24 بیشتر بدانید برای تأمنی غذای جمعیت رو به فزونی جهان كشاورزان ناگزیرند فراوردههای بیشتر و مغذیتری را تولید كنند. آنها هر سال صدها میلیون ت ن كود شیمیایی را به خاك میافزایند تا فراوردههای با كیفیت باالتری بهدست آورند. گیاهان برای رشد مناسب افزون بر كربن دیاكسید و آب به شش عنصر دیگر نیز نیاز دارند. این شش عنصر عبارتاند از S Ca K P N و.Mg كودهای نیتروژن دار دارای منك های نیترات )تركیب های دارای یون 3 NO ( منك های آمونیوم )تركیب های دارای یون + 4 NH ) و تركیب های دیگر است. گیاهان می توانند نیتروژن را به طور مستقیم به صورت نیترات از خاك جذب كنند اما آمونیاک ( 3 )NH و منك های آمونیوم ابتدا باید به وسیلۀ باكتری های خاك به نیترات ها تبدیل شوند. آمونیاك مادۀ اولیۀ كودهای نیتروژن دار است كه از واكنش بنی هیدروژن و نیتروژن بهدست میآید. 3H 2 (g)+n 2 (g) 2NH 3 (g) همچننی آمونیاك را میتوان براساس واكنشهای زیر به آمونیوم نیترات ( 3 )NH 4 NO آمونیوم سولفات ( 4 ))NH 4 ( 2 SO یا آمونیوم دیهیدروژن فسفات ( 4 ))NH 4 (H 2 PO تبدیل كرد: NH 3 (aq)+hno 3 (aq) NH 4 NO 3 (aq) 2NH 3 (aq)+h 2 SO 4 (aq) (NH 4 ) 2 SO 4 (aq) NH 3 (aq)+h 3 PO 4 (aq) (NH 4 )H 2 PO 4 (aq) از واكنش دو مرحلهای زیر نیز بهعنوان روش دیگری برای تهیۀ آمونیوم سولفات استفاده میشود: مرحلۀ یك 2NH 3 (aq)+co 2 (aq)+ H 2 O(l) (NH 4 ) 2 CO 3 (aq) مرحلۀ دو (s) (NH 4 ) 2 CO 3 (aq)+caso 4 (aq) (NH 4 ) 2 SO 4 (aq)+ CaCO 3 برتری این روش نسبت به روش های دیگر آن است كه مواد اولیۀ آن )گچ كربن دی اكسید و آب( از سولفوریك اسید ارزانترند. جدول زیر درصد جرمی نیتروژن را در برخی از كودهای شیمیایی متداول نشان میدهد. درصد جرمی نیتروژن در پنج كود شیمیایی رایج N% فرمول شیمیایی نام 82/ /2 12/2 46/7 NH 3 NH 4 NO3 )NH 4 ( 2 SO 4 )NH 4 (H 2 PO 4 )NH 2 ( 2 CO آمونیاك آمونیوم نیترات آمونیوم سولفات آمونیوم دی هیدروژن فسفات اوره 17 برای انتخاب یك كود از میان چند كود شیمیایی چند عامل مؤثر است: )1( قیمت مواد اولیۀ الزم برای تهیۀ كود

25 )2( آسانی انبار كردن حمل و نقل و بهكارگیری )3( درصد جرمی عنصر موردنظر )4( مناسب بودن تركیب از نظر انحاللپذیری در آب یا آسانی جذب آن بهوسیلۀ گیاهان. با توجه به همۀ این عوامل بهنظر شما كدام یك از این كودها مهمترین كود شیمیایی نیتروژندار در جهان بهشمار میآید در اینباره حتقیق كنید. استوكیومتری واكنش یك معادلۀ موازنهشده رابطۀ كمی بین شمار ذرههای واكنشدهنده )ها( و فراورده )ها( را نشان میدهد. واكنش سوختن كامل گاز متان را در نظر بگیرید: CH 4 (g) + 2O 2 (g) CO 2 (g)+2h 2 O(g) این معادله نشان میدهد كه برای سوختن كامل هر مولكول متان به دو مولكول اكسیژن نیاز است. طی این واكنش یك مولكول كربن دیاكسید و دو مولكول آب نیز تولید میشود. به همین ترتیب میتوان گفت بهازای هر مول متان به دو مول اكسیژن نیاز است و دراثر انجام واكنش یك مول كربن دیاكسید و دو مول آب تولید میشود. خود را بیازمایید با توجه به معادلۀ واكنش سوختنكامل متان جدو ل نسبتهای مولی زیر را كامل كنید: 2 = نسبت مولی اكسیژن به متان mol O 2 =2 1mol CH4 = نسبت مولی كربن دیاكسید به متان = نسبت مولی آب به كربن دیاكسید = نسبت مولی متان به آب با استفاده از نسبت های مولی می توان تعداد مول فراورده )ها(ی به دست آمده از واكنش یا تعداد مول واكنش دهنده )ها(ی مورد نیاز را به دست آورد. نمونۀ حل شده فلز روی با هیدروكلریك اسید به صورت زیر واكنش می دهد. Zn(s) + 2HCl(aq) ZnCl 2 (aq) + H 2 (g) آ( از واكنش 0/2 mol فلز روی با هیدروكلریك اسید چند مول گاز هیدروژن تولید میشود ب( برای تولید 0/3 mol روی كلرید به چند مول هیدروكلریك اسید نیاز است 18

26 پاسخ: مرحلۀ 1 : بهدستآوردن نسبتهای مولی از روی معادلۀ موازنهشدۀ واكنش 1mol H2 = نسبت مولی گاز هیدروژن به فلز روی 1mol Zn 2mol HCl =نسبت مولی هیدروكلریك اسید به روی كلرید 1mol ZnCl 2 مرحلۀ 2 : به دست آوردن تعداد مول های مادۀ خواسته شده از روی تعداد مول مادۀ داده شده با استفاده از نسبت های مولی به دست آمده پاسخ قسمت آ: پاسخ قسمت ب: خود را بیازمایید 1mol H2? mol H 2 = 0/ 2mol Zn = 0 / 2mol H 1mol Zn 2 تعداد مول مادۀ نسبت مولی تعداد مول مادۀ داده شده خواستهشده 2mol HCl? mol HCl = 0/ 3mol ZnCl2 = 0 / 6mol HCl 1mol ZnCl 2 تعداد مول مادۀ تعداد مول مادۀ نسبت مولی داده شده خواستهشده آ( با توجه به شکل زیر معادلۀ واکنش شیمیایی انجام شده را بنویسید و موازنه کنید. Mg ٢+ Cl - Na + واکنش دهنده ها ٣- PO 4 19 فراورده ها

27 ب( از واکنش 0/5 مول سدیم فسفات با منیزیم کلرید کافی چند مول منیزیم فسفات جامد تولید می شود روابط جرمی جرمی در محاسبه های استوكیومتری همانگونه كه میدانید جرم مولی میانگین هر تركیب از جمع جرم اتمی میانگین اتمهای تشكیلدهندۀ آن بهدست میآید. برای مثال جرم مولی میانگین آب و كربندیاكسید به ترتیب 18/0 و 44/0 گرم بر مول است. برای محاسبۀ مقدار جرم فراورده )ها(ی حاصل از یك واكنش یا جرم مورد نیاز از واكنشدهنده)ها( برای تولید جرم مشخصی از یك فراورده میتوان از روابط استوكیومتری استفاده كرد. در چنین مواردی معادلۀ شیمیایی موازنهشدۀ واكنش مبنای محاسبههای كم ی قرار میگیرد. استوكیومتری واكنشها برحسب مول تفسیر میشود بنابراین ابتدا باید با استفاده از جرم مولی جرم مادۀ داده شده را به مول تبدیل كرد. سپس با استفاده از نسبت های مولی تعداد مول مادۀ داده شده را به تعداد مول مادۀ خواسته شده تبدیل كرد. سرانجام میتوان با استفاده از جرم مولی مادۀ خواسته شده مقدار جرم آنرا محاسبه كرد. شكل 8 روند حل بسیاری از مسائل استوكیومتری را نشان میدهد. جرم مادۀ خواسته شده جرم مولی ( مادۀ خواسته شده( 1mol مولهای مادۀ خواسته شده نسبت مولی ( از معادلۀ موازنه شده بهدست میآید.( جرم مادۀ داده شده ( مادۀ دادهشده( 1mol جرم مولی مولهای مادۀ داده شده شكل 8 بسیاری از مسائل استوكیومتری تبدیل جرم به مول و برعكس و استفاده از نسبت مولی در واكنشهای شیمیایی را در بر میگیرد. نمونۀ حل شده از واكنش 17/0 g نقره نیترات با مقدار کافی محلول سدیم كلرید چند گرم نقره كلرید بهدست میآید 1 نوشتن معادلۀ موازنهشده AgNO 3 (aq)+nacl(aq) AgCl(s)+NaNO 3 (aq) 2 محاسبۀ تعداد مول های مادۀ داده شده )نقره نیترات( با استفاده از جرم مولی آن 20

28 نقره نیترات 1mol جرم نقره نیترات )g( = تعداد مول نقره نیترات جرم مولی نقره نیترات )g(?mol AgNO 3 = 17 / 0g AgNO 1mol AgNO 170g AgNO 3 3 =0/100mol AgNO 3 3 محاسبۀ تعداد مول های مادۀ خواسته شده )نقره كلرید( با استفاده از نسب مولی به دست آمده از معادلۀ موازنه شده نسبت مولی تعداد مول نقره نیترات = تعداد مول نقره كلرید? mol AgCl = 0/ 100 mol AgNO 1mol AgCl =0/100mol AgCl 1mol AgNO 3 4 تبدیل تعداد مول مادۀ خواسته شده )نقره كلرید( به جرم با استفاده از جرم مولی آن جرم مولی نقره كلرید )g( تعداد مول نقره كلرید = جرم نقره كلرید )g( نقره كلرید 1mol 143 / 5g AgCl?g AgCl=0/100mol AgCl =14/4 g AgCl 1mol AgCl همانگونه كه مالحظه كردید در هر گام با استفاده از یك ضریب تبدیل مناسب یك عدد با یكای معین به عدد دیگری با یكای معین تبدیل میشود. بهعبارتی در هر گام با یك تبدیل عددی ابعادی روبه رو هستیم و به این ترتیب یك گام به حل نهایی )عددی با یكای دلخواه( نزدیك می شویم. خود را بیازمایید آ( 1 کدام یک از گزینه های زیر جرم آب تولید شده از واکنش 3/2 مول گاز اکسیژن با هیدروژن سولفید کافی را به درستی نشان میدهد 2H 2 S(g)+٣O 2 (g) 2H 2 O(g)+2SO 2 (g) 18gH2O 3/2 molo 2 2mol H O 2 حفظ کردن واکنشهای شیمیایی و اطالعات داده شده در صورت پرسشها جزء هدفهای کتاب درسی نیست و طرح سؤال از این موارد مجاز نیست. 32g O 2 3/2 molo 2 1mol O 2 18gH2O 32gO 2 ب( 21 2molHO gho 3/2 molo molO 1mol H O 2 2 پ(

29 32g O2 2mol H2O 3/2 molo 2 1mol O 3mol O 2 2 ت( 2 متیل سالیسیالت به عنوان طعمدهنده در مواد غذایی و دارویی استفاده میشود. این ماده از واكنش متانول با سالیسیلیك اسید بهدست میآید: O C OH O C H C C C OH H C C C H H + CH 3 OH HCl سالیسیلیک اسید متانول متیل سالیسیالت g/mol( 138/1 =جرم مولی( g/mol( 152/2= جرم مولی( H H C C C C H OC C C H 3 OH H + H 2 O چند گرم سالیسیلیك اسید برای تولید 325/0 g متیل سالیسیالت الزم است 3 شکل زیر واکنش بین محلولهای سدیم سولفات و باریم کلرید را نشان میدهد. آ( معادلۀ واکنش شیمیایی را بنویسید و موازنه کنید. SO 2 4 Ba 2+ Na + Cl - ب( از واکنش 104/1 گرم از باریم کلرید با مقدار اضافی از سدیم سولفات چند گرم باریم سولفات رسوب می دهد 22

30 درصد خلوص مواد در شکل زیر دو نمونه گندم برداشت شده از زمینهای کشاورزی را مشاهده میکنید. بهنظر شما برای تهیۀ مقدار معین و یکسانی از آرد گندم از کدام نمونه باید مقدار بیشتری برداریم چرا آ( گندم خالص همان طور که مشاهده می کنید یکی از این نمونه ها دارای ناخالصی است. در صنعت و آزمایشگاه نیز اغلب واکنش دهنده ها ناخالص اند. به بیان دیگر افزون بر مادۀ شیمیایی مورد نظر برخی ترکیب های دیگر نیز در آنها وجود دارند. برای نمونه سدیم کلرید )نمک خوراکی( در طبیعت به صورت کانۀ هالیت یافت می شود. به طوری که در هر 200 گرم از این نمونه 195 گرم سدیم کلرید وجود دارد. 5 گرم باقی مانده برای این کانه ناخالصی به شمار می رود شکل 10. به نظر شما درصد خلوص برای این هالیت چند است آ( کانۀ هالیت شكل ٩ شكل ١٠ ب( گندم ناخالص ب( نمک خوراکی کان ۀ هالیت یک ن مون ه ناخالص از سدیم کلرید است. شیمی دان ها برای بیان میزان خلوص یک نمونه از درصد خلوص استفاده می کنند. بنابراین در حین کار در آزمایشگاه و صنعت برای تأمین مقدار معینی از یک مادۀ 23 خالص همواره باید مقدار بیشتری ازمادۀ ناخالص در دسترس را به کار برد.

31 با استفاده از رابطۀ درصد خلوص و محاسبات کم ی می توان مقادیر موردنیاز از مادۀ ناخالص را به دست آورد. جرم مادۀ خالص 100 = درصد خلوص جرم نمونۀ ناخالص 24 نمونۀ حل شده یكی از روش های تولید گاز كلر در آزمایشگاه واكنش دادن هیدروكلریك اسید با منگنز )IV( اكسید طبق معادلۀ زیر است. MnO 2 (s) + 4HCl(aq) MnCl 2 (aq)+cl 2 (g)+2h 2 O(l) برای تهیۀ 20/0 g گاز كلر به چند گرم نمونۀ ناخالص منگنز )IV( اكسید با خلوص %90 نیاز است فرض كنید كه این ناخالصی ها بی اثرند و در واكنش شركت نمی كنند. پاسخ: ابتدا باید جرم منگنز )IV( اكسید خالص مورد نیاز را محاسبه كرد. سپس با استفاده از درصد خلوص جرم منگنز )IV( اكسید ناخالص را به دست آورد.?molCl 2 = 20/ 0g Cl 2?molMnO 2 = 0/ 282molCl 2 1mol Cl2 70/ 9g Cl 2 1mol MnO 1mol Cl = 0/ 282mol MnO 2 جرم MnO 2 خالصموردنیاز 24 / 5 g MnO 2 =جرم MnO 2 ناخالصموردنیاز = 0/282mol Cl = 0/282mol MnO 2 86/ 9g MnO 1mol MnO = 24/5g MnO 2 نمونۀناخالص 100g نمونۀناخالص 27/2g = 90g MnO روابط حجمی گازها در محاسبه های استوكیومتری محاسبه های حجمی در گازها بر پایۀ كارهای ژوزف لویی گی لوساك شیمی دان ژوزف گی لوساك ( 185 )1778 و فیزیك دان فرانسوی بنا شده است. نتایج آزمایش های او به معرفی قانون نسبت های تركیبی منجر شد. برطبق این قانون: در دما و فشار ثابت گازها با نسبت های حجمی معینی با هم واكنش می دهند. این نسبت ها به طور مستقیم با نسبت ضریب های آنها در معادلۀ موازنه شدۀ واكنش متناسب است. برای مثال واكنش سوختن کامل متان را درنظر بگیرید. CH 4 (g)+ 2O 2 (g) CO 2 (g) +2H 2 O(g) اگر همۀ مواد شركت كننده در واكنش در حالت گازی و در فشار و دمای یكسانی قرار

32 داشته باشند می توان گفت كه یك حجم گاز CH 4 با دو حجم گاز O 2 واكنش می دهد و یك حجم گاز CO 2 و دو حجم گاز H 2 O تشكیل می شود شكل 11. از بررسی معادلۀ تصویری نمایش داده شده در شكل 11 می توان چنین نتیجه گرفت كه: در فشار و دمای یکسان یك مول از گازهای مختلف حجم ثابت و برابری دارند. این همان نتیجه ای است كه نخستن بار آووگادرو در سال 1811 به آن دست یافت. فرضیه ای كه بعدها به قانون آووگادرو معروف شد. همان گونه كه می دانید حجم گازها تابعی از فشار و دمای آنها است. از این رو معموال حجم گازها را در دمای )273K( 0 C و فشار 1 اتمسفر )760mmHg( بیان می كنند. در این شرایط كه به شرایط استاندارد )STP( معروف است هر مول گاز حجمی برابر 22/4L را اشغال می كند. این مقدار را حجم مولی گازها در شرایط STP می نامند شكل 12. گاز كربن دی اكسید گاز اكسیژن شکل ١2 حجم مولی چند گاز در شرایط استاندارد گاز هیدروژن در حل بعضی مسائل استوكیومتری مربوط به گازها می توان با استفاده از قانون نسبت های حجمی ضریب تبدیل حجمی حجمی مناسب را از روی معادلۀ موازنه شدۀ واكنش پیدا كرد. نمونۀ حل شده حجم اكسیژن مورد نیاز و نیز حجم های CO 2 و H 2 O تولید شده در هنگام سوختن شكل 11 معادلۀ حجمی ت ركیب شدن متان و اكس یژن. هر مكعبL 1 از آن گاز را نشان می دهد. STP کوتاه ش دۀ 25 Standard Temperatuer and Pressure است. 2C H (g) + 7O (g) 4CO (g) + 6 H O(g) كامل 1/50 L گاز اتان ( 6 )C 2 H را محاسبه كنید. پاسخ: 1/ = حجم O 2 مورد نیاز 50LC H 2 6 7LO2 2LC H 2 6 4L CO 1/ = حجم CO 2 تولید شده 50LC 2 H 6 2LC H = 5/25L O = 3/00L CO 2 6LHO = حجم H 2 O تولید شده 2 1/ 50LC 2 H 6 = 4/50L H 2 O 2LC H 2 6

33 خود را بیازمایید می كند: گازهای نیتروژن با هیدروژن طبق معادلۀ زیر واكنش می دهد و گاز آمونیاك تولید N 2 (g)+ 3H 2 (g) 2NH 3 (g) در دما و فشار ثابت برای واكنش كامل 10/0 L نیتروژن به چند لیتر هیدروژن نیاز است در این شرایط چند لیتر گاز آمونیاك به دست می آید در حل برخی دیگر از مسائل استوكیومتری گازها می توان با استفاده از حجم مولی ضرایب تبدیل مولی حجمی مناسب را به دست آورد و از روی آن مقدار مادۀ مورد نظر را محاسبه كرد. نمونۀ حل شده بدن انسان در هر شبانه روز به طور متوسط 445g گلوكز مصرف می كند. در این مدت هر انسان به طور متوسط در شرایط استاندارد به چند لیتر گاز اكسیژن برای اكسایش گلوكز نیاز دارد C 6 H 12 O 6 (aq)+ 6O 2 (g) 6CO 2 (g) +6H 2 O(l) پاسخ: ابتدا تعداد مول های گلوكز را از روی جرم مولی آن ( 1- g.mol 180/0( حساب می كنیم:?mol C 6 H 12 O 6 = 445 gch 6 12O6 1mol C6H12O6 180/ 0gCH O = 2/47mol C 6 H 12 O 6 حال با استفاده از ضرایب معادلۀ موازنه شدۀ واكنش و حجم مولی گازها ( 1- L.mol 22/4( حجم گاز اكسیژن مورد نیاز را حساب می كنیم. 2/ 47 mol C6H12O6 =حجم O 2 موردنیاز 6mol O2 1mol C H O / 4LO 1mol O 2 2 =332L O 2 خود را بیازمایید در شرایط استاندارد چند لیتر گاز H 2 از واكنش 4/80 g منیزمی با مقدار اضافی هیدروكلریك اسید تولید می شود Mg(s)+ 2HCl(aq) MgCl 2 (aq) +H 2 (g) 26

34

35 یك فضانورد در حال تعویض قوطی های تصفیۀ هوای فضا پیما است. هر فضانورد در شبانهروز بهطور متوسط 20/0 مول CO 2 تولید میكند. آ( اگر از واكنش اول برای تصفیۀ هوا استفاده شود و در این واكنش همۀ كربندیاكسید تولید شده بهمصرف برسد مقدار اكسیژن تولید شده در یك شبانهروز چند لیتر خواهد بود )چگالی اكسیژن را 1- g.l 1/4 درنظر بگیرید.( ب( بهنظر شما استفاده از كدام واكنش برای تصفیۀ هوای درون فضاپیما مناسبتر است این موضوع را در كالس به بحث بگذارید. 2 در واکنش آلومینیم با آهن )III( اکسید آهن مذاب تولید میشود. از آهن مذاب تولید شده برای جوشکاری استفاده می کنند. حساب کنید برای تولید 279 گرم آهن چند گرم آلومینیم با درصد خلوص ٨٠ درصد الزم است تا با مقدار کافی از آهن )III( اکسید واکنش بدهد واكنش دهندۀ محدود كننده Fe 2 O 3 (s) + 2Al(s) Al 2 O 3 (s) + 2Fe(l) همانطور که میدانید برای تولید هر دوچرخه به یک عدد بدنه و دو حلقه چرخ نیاز از واکنش ت رمیت ب رای جوشدادن خطوط راهآهن است. حال اگر 8 حلقه چرخ و 5 عدد بدنه در اختیار داشته باشید چند عدد دوچرخه استفاده میشود. میتوانید بسازید شکل 13 شکل 13 برای تولید دوچرخه تعداد بدنه ها کمتر است یا چرخ ها برای ساخنت دوچرخۀ پنجم به دو حلقه چرخ دیگر نیاز دارمی. به بیان دیگر در این مثال تعداد دوچرخه های تولید شده به تعداد بدنه های موجود بستگی ندارد بلکه به تعداد چرخ ها بستگی دارد. 28

36 در واکنش های شیمیایی نیز چننی است. برای منونه در واکنش سوخنت هیدروژن همواره 2 مول گاز هیدروژن با ١ مول گاز اکسیژن به طور کامل ترکیب می شود. 29 2H 2 (g) + O 2 (g) 2H 2 O(g) حال اگر در یک آزمایش 2 مول هیدروژن را با 2 مول اکسیژن واکنش دهیم انتظار دارید که کدام یک از واکنش دهنده ها به طورکامل مصرف شوند به واکنش دهنده ای که به طور کامل مصرف می شود واکنش دهندۀ محدودکننده می گویند بنابراین در آزمایش باال گاز H 2 محدودکننده است. هر چند نسبت های مولی مواد در واکنش های شیمیایی از قانون پایستگی جرم به دست می آید اما در آزمایشگاه و صنعت می توانیم به طور اختیاری مقدار یکی از واکنش دهنده ها را کمتر از مقدار استوکیومتری آن به کار ببرمی تا از مصرف کامل آن اطمینان حاصل کنیم. انتخاب محدود کننده در صنعت به عوامل متعددی مانند قیمت سهولت کاربرد و... بستگی دارد. برای منونه برای تولید 400 مول آهن از سنگ معدن آن می توان 200 مول Fe 2 O 3 را با 300 مول C واکنش داد. 2Fe 2 O 3 (s) + 3C(s) 4Fe(l) + 3CO 2 (g) اما از آن جا که کربن ارزان تر است و جداسازی متام آهن از سنگ معدن آن اهمیت فراوانی دارد مقدار کربن را بیشتر از 300 مول )برای منونه 330 مول( به کار می برند. از این رو در این واکنش Fe 2 O 3 محدودکننده است و متام آن مصرف می شود. فکر کنید 1 آمونیاک را می توان از واکنش گاز H 2 با گاز N 2 به صورت زیر به دست آورد: هرگاه مقداری از این دو گاز را مطابق شکل روبه رو در یک ظرف دربسته بریزمی و اجازه بدهیم با یکدیگر واکنش دهند: آ( تعداد مولکول های فراورده را تعینی و شکل سمت راست را کامل کنید. ب( کدام واکنش دهنده محدودکننده است N 2 (g) + 3H 2 (g) = N, = H 2NH 3 (g) مقدار فراوردۀ تولید شده به مقدار محدودکننده بستگی دارد.

37 2 شکل های زیر واکنش گ رد فلز روی با محلول هیدروکلریک اسید را در دو آزمایش متفاوت نشان می دهد )دما 25 C است(. Zn(s) + 2HCl(aq) ZnCl 2 (aq) + H 2 (g) آزمایش اول: آزمایش دوم: آ( با بررسی شکل ها و بدون محاسبه توضیح دهید چرا حجم گاز تولید شده در دو آزمایش برابر است پایان واکنش افزودن گ رد روی به محلول افزودن گ رد روی به محلول 6/5 گرم گ رد روی ب( با محاسبۀ تعداد مول های روی و با استفاده از ضرایب استوکیومتری مشخص کنید که در آزمایش دوم کدام واکنش دهنده محدودکننده است )١( 13 گرم گ رد روی )2( آغاز واکنش محلول دارای 2/ مول HCl است محلول دارای 2/ مول HCl است برای تشخیص واكنش دهندۀ محدودکننده در مسائل می توان به شیوه های گوناگونی عمل كرد. یكی از این روش هایی را كه طی دو مرحله به اجرا درمی آید با هم بررسی می كنیم. گام نخست: جرم یا حجم واكنش دهنده ها را به تعداد مول آنها تبدیل کنید. 30

38 گام دوم: تعداد مول هر یک از واکنش دهنده ها را به ضریب استوکیومتری آن تقسیم کنید. سپس هر واکنش دهنده ای که این»نسبت«برای آن عدد کوچک تری باشد محدود کننده است. نمونۀ حل شده برای تولید آمونیاك 25/0kg نیتروژن و 5/00kg هیدروژن با یکدیگر مخلوط شده واكنش می دهند. در این فرایند آ( واكنش دهندۀ محدودكننده كدام است ب( چه مقدار N 2 (g) +3H 2 (g) 2NH 3 (g) آمونیاك به دست می آید پاسخ: آ( گام نخست: تبدیل جرم واكنش دهنده ها به مول 10 gn = 25 / 0kg N2 تعداد مولهای نیتروژن 1kg N 2 3 = 8/ mol N 2 5 / 00kg H تعداد مولهای هیدروژن = 2 =2/ mol H gh 1kg H 2 2 1mol N2 28 / 0gN 2 1mol H2 2/ 02gH گام دوم: انتخاب واكنش دهندۀ محدودكننده 8 / mol : 2 N مول ماده = 8/ mol ضریب ماده 2/ mol H 2 : =8/ mol 2 بنابراین H 2 محدود کننده است. گام سوم: اكنون مقدار آمونیاك را با استفاده از واكنش دهندۀ محدودكننده یعنی = 2/ جرم آمونیاك 3 mol H2 1kg NH g NH 3 = 28/2 kg NH 3 2 mol NH 3 mol H H 2 محاسبه می كنیم. 17 / 03 g NH 1mol NH

39 خود را بیازمایید ١ متانول OH( )CH 3 بهعنوان یك حالل و واكنشدهندۀ مناسب برای تولید بسیاری از مواد شیمیایی در صنعت شناخته میشود. به تازگی نیز در برخی كشورها بهعنوان یك سوخت متیز برای خودروها كاربرد یافته است. متانول را میتوان از واكنش كربن مونواكسید و هیدروژن بهدست آورد: CO(g) +2H 2 (g) CH 3 OH(l) از واكنش كامل 356g CO با 65 gh 2 چند گرم متانول بهدست میآید 2 سیلیسیم خالصی را كه در تراشههای الكترونیكی و نیز در سلولهای خورشیدی بهكار میبرند از واكنش سیلیسیم تتراكلرید مایع و منیزمی خالص طبق واكنش زیر تهیه میكنند: SiCl 4 (l) +2Mg(s) Si(s)+ 2MgCl 2 (s) چند گرم سیلیسیم خالص از واكنش كامل 225 g SiCl 4 و 225 g Mg بهدست میآید بازده واكنش های شیمیایی در بسیاری از واكنشهای شیمیایی كه برای تهیۀ مواد شیمیایی بهكار میروند مقدار فراوردههای بهدست آمده كمتر از مقدار محاسبه شده است. مقدار فراوردههای مورد انتظار از محاسبههای استوكیومتری مقدارنظری واكنش است درحالی كه مقدار عملی یعنی مقدار فراوردهای كه در عمل تولید میشود اغلب کمتر از مقدار نظری است. بازده درصدی یك واكنش نسبت این دو مقدار است و بهصورت زیر تعریف میشود: مقدار عملی 100 = بازده درصدی واكنش مقدار نظری شیمی دان ها همواره درجهت افزایش بازده درصدی فرایندهای صنعتی و آزمایشگاهی تالش می كنند با این حال بازده اغلب واكنش ها کمتر از صددرصد است. بازده درصدی واكنش را می توان با استفاده از روش گام به گام زیر به دست آورد: 1 تعینی واكنشدهندۀ محدودكننده 2 محاسبۀ مقدار نظری )بیشترین مقدار ممكن فراورده ) با استفاده از مقدار واكنشدهندۀ محدودكننده. 3 محاسبۀ بازده درصدی واكنش با استفاده از رابطۀ باال. 32

40 نمونۀ حل شده 35/5 g از گرد فلز روی خالص با مقدار اضافی گاز كلر واكنش میدهد. پس از پایان واكنش 65/2 g رویكلرید بهدست میآید. بازده درصدی این واكنش را حساب كنید. Zn(s) +Cl 2 (g) ZnCl 2 (s) 1 پیدا كردن واكنش دهندۀ محدودكننده گاز كلر به مقدار اضافی وجود دارد پس فلز روی واكنش دهندۀ محدودكننده است. 2 محاسبۀ مقدار نظری واكنش از روی مقدار واكنش دهندۀ محدودكننده mol Zn? mol Zn = 35 / 5 g Zn 1 65 / 38 g Zn 1mol ZnCl? mol ZnCl 2 = 0/ 543 mol Zn 1mol Zn = 0/543 mol ZnCl 2 0/ 543 mol ZnCl مقدار نظری واکنش = 2 =74/0 g ZnCl 2 = 0/543 mol Zn 2 136/ 28g ZnCl 1mol ZnCl محاسبۀ بازده درصدی واكنش 65 / 2g ZnCl2 مقدار عملی واكنش = 100 = بازدهدرصدیواكنش 100=%88/1 74 / 0g ZnCl2 مقدار نظری واكنش خود را بیازمایید 1 برای تولید روی سولفید از واكنش دادن روی و گوگرد طبق معادلۀ زیر استفاده میكنند. Zn(s) + S(s) ZnS(s) در یك آزمایش 36/0 g روی را با 30/0 گوگرد g واكنش دادهاند و مقدار 42/5 g روی سولفید بهدست آوردهاند. بازده درصدی این واكنش را حساب كنید. 2 گاز متان را میتوان از واكنش زغالسنگ با بخار آب بسیار داغ تهیه كرد C(s) + 2 H O(g) CH (g) + CO (g) درصورتی كه بازده درصدی واكنش %85/0 باشد چند كیلوگرم متان از واكنش 2/00kg زغالسنگ با مقدار اضافی بخار آب بهوجود میآید 33

41 اتر به دسته ای از تركیب های آلی گفته می شود كه در ساختار آنها یك امت اكسیژن به دو امت كربن متصل شده است. 34 دی اتیل اتر بیشتر بدانید در برخی از شاخه های شیمی برای مثال شیمی جتزیه تنها واكنش هایی سودمندند كه بازده آنها %100 باشد. در شاخه های دیگر به ندرت می توان به بازده %100 در یك واكنش دست یافت از این رو بهبود بازده درصدی یك واكنش اهمیت زیادی پیدا می كند. محاسبۀ بازده همواره در واكنش های سنتزی بویژه در سنتز مواد آلی بسیار مهم است. به عنوان مثال واكنش تولید دی اتیل اتر از اتانول را درنظر بگیرید. این واكنش كه یك واكنش تراكمی است )چرا ( درحضور سولفوریك اسید غلیظ به عنوان كاتالیزگر اجنام می شود. H2SO CH CH OH CH CH OCH CH H O اتانول دیاتیلاتر آب نوشنت این واكنش روی كاغذ آسان اما اجنام آن در آزمایشگاه با تنگناهای زیادی همراه است. یكی از مهم ترین تنگناها این است كه همواره طی واكنش مقداری اتانول به ا تن تبدیل می شود. CH 3 CH 2 OH CH 2 =CH 2 +H 2 O آب ا تن اتانول H H H H C O C H H دی متیل اتر گروه عاملی اتر دی اتیل اتر شناخته شده ترین اتر است. این مایع فر ار و آتش گیر در گذشته به عنوان بی هوش كننده كاربرد گسترده ای داشت اما به دلیل آثار نامطلوب آن روی مجاری تنفسی و احتمال آتش گیری و انفجار امروزه به ندرت از آن استفاده می شود. CH 3CH 2-O-CH 2CH 3 بدیهی است مولكول های اتانولی كه به ا تن تبدیل شده اند دیگر منی توانند به دی اتیل اتر تبدیل شوند از این رو بازده تولید دی اتیل اتر كاهش می یابد. افزون بر مشكلی كه به آن اشاره شد تنگناهای عملی نیز وجود دارد. به عنوان مثال دی اتیل اتر خالص را از طریق تقطیر مخلوط واكنش تهیه می كنند اما همواره مقداری دی اتیل اتر در ظرف تقطیر باقی می ماند. همچننی مقداری اتانول ممكن است همراه با اتر تبخیر شود. حتی در بهترین شرایط دست یافنت به بازده بیشتر از 80 تا 85 درصد دشوار است. اغلب شیمی دان ها ناچارند به بازدۀ 50 درصد یا حتی کمتر از آن بسنده كنند. از این رو دانشمندان شیمی آلی در صدد یافنت واكنش هایی با بازده باال هستند یا تالش می كنند با بهینه كردن شرایط واكنش بازده واكنش های شناخته شده را افزایش دهند. تالش در این مسیر زمینه ساز حتول های چشمگیری در دانش شیمی و كاربردهای آن در صنعت بوده است. استوكیومتری و زندگی در این بخش با برخی كاربردهای استوكیومتری آشنا شدید. در اینجا به چند كاربرد دیگر استوكیومتری به ویژه در صنایع خودروسازی اشاره می كنیم. طراحان خودرو از استوكیومتری برای افزایش امینی و بازده موتورها و كاهش آلودگی محیط زیست استفاده می كنند. درواقع افزایش امینی ناشی از كاربرد كیسه های هوا در خودروها و بازده باالی ناشی از بهسوزی سوخت آن هم با کمترین اثرهای تخریبی روی محیط زیست به رعایت اصول استوكیومتری وابسته است.

42 كیسه های هوا كیسه های هوا یكی از تازه ترین دستاوردهای صنایع خودروسازی است كه در جهت افزایش امینی سرنشینان طراحی و تولید شده است. همان گونه كه در شكل ١4 نشان داده شده است هنگام برخورد شدید خودرو كیسه هایی كه در قسمت جلوی خودرو تعبیه شده اند به سرعت از گاز پر می شوند و از برخورد سرنشینان به شیشه و قسمت جلویی اتاق جلوگیری به عمل می آورند. كارآیی این مجموعه به تولید گاز كافی در کمترین زمان ممكن بستگی دارد. شكل 14 باد شدن سریع كیسه های هوا هنگام برخورد شدید خودرو ناشی از اجنام یك واكنش سریع شیمیایی است كه طی آن حجم زیاد ولی كنترل شده ای از گاز نیتروژن تولید می شود. تولید گاز در این كیسه ها به علت اجنام سریع یك واكنش شیمیایی است. حسگرهایی در قسمت جلوی خودرو تعبیه شده اند كه در هنگام برخورد شدید فعال می شوند و باعث منفجر شدن یك كالهك انفجاری كوچك می شوند. این انفجار انرژی موردنیاز برای آغاز واكنشی را فراهم می آورد كه مولد گاز نام دارد. گازی كه به سرعت كیسه ها را پر می كند گاز نیتروژن ( 2 N( است. این گاز از واكنش جتزیه ای زیر فراهم می شود: هشدار متأسفانه در یك بررسی كه در آن بیش از 1 مورد گزارش تصادف ارائه شده بود نه تنها كیسۀ هوا از تلفات جانی جلوگیری نكرده بلكه علت اصلی مرگ نیز بوده است. بیشتر این قربانیان نوزادان یا كودكان خردسال بودهاند ازاینرو كارشناسان توصیه میكنند كه از نشاندن كودكان زیر 12 سال روی صند لی جلو ی خو د ر و ها به ویژه خودروهایی كه مجهز به كیسۀ هوا هستند خودداری شود. همچننی باز شدن كیسۀ هوا در برخی موارد موجب زخمی شدن یا حتی مرگ رانندگانی ش ده كه فاصلۀ آنها تا فرمان خودرو بسیار كم بوده است. حداقل این فاصله باید 25 سانتیمتر باشد. رعایت این فاصله برای رانندگان بلندقد آسان است اما رانندگان كوتاه قد برای آن كه پایشان به پدال گاز ترمز و كالچ برسد ناچارند كه بیش از اندازه خود را به فرمان خودرو نزدیك كنند. برای حل این مشكالت به تازگی نسل جدیدی از كیسه های هوا به بازار آمده است كه به آن هوشمند گفته می شود. سرعت بازشدن این كیسه ها برحسب شدت تصادف قد و وزن راننده و فاصلۀ سر راننده تا فرمان خودرو تغییر میكند. 35 2NaN 3 (s) 2Na(s) + ٣N 2 (g) این واكنش به تنهایی منی تواند باعث پرشدن ناگهانی كیسه ها شود. به عالوه در این واكنش سدمی فلزی نیز تولید می شود كه مادۀ فعال)واكنش پذیر( و خطرناكی است. برای حل این مشكل از واكنش بسیار سریع آهن )III( اكسید با سدمی فلزی استفاده می شود. گرما+( O(s)+2Fe(s 6Na(s)+Fe 2 O 3 (s) 3Na 2 این واکنش دما را بهطورناگهانی تا بیش از یكصد درجه باال میبرد و باعث انبساط سریع گاز درون كیسهها میشود (چرا ). سدمی اکسید حاصل در اثر مجاورت با کربن دی اكسید و رطوبت هوا به سدمی هیدروژن كربنات كه ماده ای بی خطر است تبدیل می شود. Na 2 O(s)+2CO 2 (g)+h 2 O(g) 2NaHCO 3 (s)

43 CH 3 CH 3 H 3 C C CH 2 CH CH 3 ایزواوكتان 3 CH حجم گاز مورد نیاز برای پر كردن كیسۀ هوا با حجم مشخص به چگالی گاز وابسته است كه آن هم به دما بستگی دارد. برای محاسبۀ مقدار گاز مورد نیاز برای پر كردن كیسههای هوا طراحان این كیسهها باید با استوكیومتری واكنشها و تغییر انرژی آنها )كه باعث تغییر دما و بنابراین تغییر چگالی گازها میشود( بهخوبی آشنا باشند. خود را بیازمایید فرض كنید برای پر شدن مناسب یك كیسۀ هوا به 65/1 لیتر گاز N 2 نیاز است. برای تولید این مقدار گاز N 2 دستگاه مولد گاز به چند گرم (s) NaN 3 نیاز دارد چگالی گاز N 2 در دمای واكنش بهطور تقریبی 1- g.l 0/916 است. افزایش كارآیی موتورها بهسوزی موتور خودرو بهرعایت اصول استوكیومتری بستگی دارد. وقتی رانندگان برای افزایش سرعت پا را بر پدال گاز میفشارند سرعت جریان سوخت به موتور بیشتر میشود و بنابراین مقدار انرژی آزاد شده از سوخنت بنزین افزایش مییابد. معادلۀ نوشتاری زیر تولید انرژی در فرایند سوخنت كامل بنزین را نشان میدهد: انرژی + آب + كربندیاكسید اكسیژن هوا + بنزین در واقع این معادلۀ نوشتاری واكنشدهندهها را بهخوبی مشخص منیكند زیرا بنزین یك مادۀ شیمیایی ساده نیست و مخلوطی از چند هیدروكربن متفاوت با 5 تا 12 امت كربن است. بهطور میانگنی میتوان بنزین مورد استفاده در خودروها را ایزواوكتان خالص )با 8 امت كربن( درنظر گرفت و معادلۀ منادی سوخنت بنزین را برای آن بهصورت زیر نوشت: 2C 8 H 18 (g)+25o 2 (g) 16CO 2 (g)+18h 2 O(g)+10900kJ دو واكنشدهنده باید در یك نسبت نزدیك به نسبتهای مولی معادلۀموازنه شدۀ واكنش با هم مخلوط شوند. فراموش نكنید كه تنها حدود 20 درصد از حجم هوا را اكسیژن تشكیل می دهد و بنابراین راه مناسب بهسوزی موتور تنظیم عملی نسبت هوا به سوخت است. اگر هریك از واكنش دهنده ها به مقداری بیشتر از نسبت استوكیومتری استفاده شود موتور كارآیی خوبی نخواهد داشت و حتی ممكن است خاموش شود. كاركرد نادرست موتور خودرو كه به واسطۀ سوخنت ناقص بنزین به وقوع میپیوندد نه تنها باعث كاهش توان خودرو میشود بلكه مصرف سوخت را باال میبرد و این خود افزایش آلودگی هوا را درپی خواهد داشت. 36

44 فکر کنید نسبت مولی سوخت به اكسیژن در موتور خودرویی كه با سرعت معمولی حركت می كند به جای نسبت استوكیومتری 1 به 12/5 در نسبت 1 به 16 نگهداری می شود. این درحالی است كه هنگام روشن كردن موتور این نسبت 1 به 12 و در هنگامی كه موتور درجا كار می كند این نسبت 1 به 9 است. در هر حالت واكنش دهندۀ محدود كننده كدام است بیشتر بدانید ا ب انگ ا ابوموسی جابربن حیان کیمیاگر برجستۀ مسلمان در سال ١٠٠ هجری شمسی )٧٢١ میالدی( در شهر طوس از توابع خراسان دیده به جهان گشود. مدت کوتاهی پس از تولد جابر پدرش که خود یک داروساز شناخته شدۀ عرب و مسلمان پیرو اهل بیت )ع( بود به دلیل نقشی که در طرح براندازی حکومت اموی داشت دستگیر شد و به شهادت رسید. پیشۀ پدر و مطالعۀ یادداشت های به جای مانده از او نقش مهمی در عالقه مند شدن جابر به داروسازی و کیمیاگری داشت. با این حال با شوق فراوان به یادگیری علوم دیگر نیز می پرداخت. اشتیاق فراگیری قرآن مجید و بهره مند شدن از محضر پرفیض حضرت امام جعفر صادق )ع( سبب شد که به شهر کوفه کوچ کند. هجرتی که بی تردید موجبات شکوفایی استعدادهای نهفتۀ جابر را فراهم آورد. شهرت جابر بیشتر به دلیل سهمی است که در پیشرفت دانش شیمی داشته است. او همواره بر اجرای هدفمند و نظام دار فعالیت های جتربی تأکید داشت و تالش بسیاری برای خرافه زدایی از کیمیاگری و تبدیل آن به یک علم جتربی کرد. نوآوری انواع گوناگونی از وسایل آزمایشگاهی از جمله ن به نام وی ثبت شده است. کشف مواد شیمیایی متعددی مانند هیدروکلریک اسید نیتریک اسید تهیۀ تیزاب )مخلوطی از دو اسید یاد شده که از جمله اندک موادی است که طال را در خود حل می کند( سیتریک اسید )جوهر لیمو( و استیک اسید )جوهر سرکه( همچننی معرفی فرایندهای تبلور و تقطیر که هر دو سنگ بنای شیمی امروزی به شمار می آیند همگی از نتایج تالش خستگی ناپذیر این شیمی دان سرشناس است. وی یافته های زیادی دربارۀ روش های استخراج و خالص سازی طال جلوگیری از زنگ زدن آهن حکاکی روی طال رنگرزی و من ناپذیر کردن پارچه ها و جتزیۀ مواد شیمیایی ارائه داد. همچننی بذر دسته بندی امروزی عنصرها به فلز و نافلز را می توان در دست نوشته های وی یافت. جابر کتاب ها و رساله های بسیاری نوشت که سال ها بعد توجه کیمیاگران اروپایی را به خود جلب کرد. اروپایی ها تعدادی از این کتاب ها را به زبان التنی ترجمه کردند و سال ها از آنها به عنوان منابع علمی معتبر استفاده می کردند. به گفتۀ بسیاری از غربی ها محتوای کتاب های جابر تأثیر ژرفی بر دیدگاه کیمیاگران اروپایی گذاشت و سال ها بعد مبدأ حتوالت شگرفی در دانش شیمی شد. اگرچه ب ا ) هجری شمسی( 930( 864- میالدی( شیمی دان ریاضی دان فیلسوف ستاره شناس و پزشك ایرانی وی تركیب های شیمیایی متعددی را تهیه كرد كه از آن میان می توان به اتانول اشاره كرد. با مراجعه به شبكۀ جهانی وب دربارۀ این شخصیت برجستۀ ایرانی اسالمی اطالعات جمع آوری كرده نتیجه را به صورت روزنامۀ دیواری در كالس ارائه دهید. این نقاشی توسط اروپایی های سده پانزدهم میالدی کشیده شده است. 37

45 جابربن حیان در سال ١٩٤ هجری شمسی )٨١٥ میالدی( نزدیک به هزار و دویست سال پیش در شهر کوفه در عراق چشم از جهان فرو بست ولی نام و دستاوردهای این چهرۀ گران سنگ تاریخ متدن اسالمی هرگز از یادها نرفت. انبیق وسیلۀ ساده ای که جابر به منظور تقطیر مواد طراحی کرد. این ظرف برای گرم کردن مخلوط ها و جمع آوری و هدایت بخارهای حاصل به کار می رفت. 38

46 بخش 2 ترمودینامیک شیمیایی انرژی گرمایی و قابلیت آن برای تبدیل شدن به انرژی مكانیكی پویایی به ارمغان آورده است. سوخنت نفت و زغالسنگ با آزاد شدن مقدار زیادی انرژی بهصورت گرما همراه است كه از این گرما میتوان برای گرم كردن خانه پخنت غذا یا به حركت درآوردن وسایل نقلیه استفاده كرد. شاید این گفته كه:»یك لوكوموتیو بخار با سوزاندن چهارده گرم زغالسنگ می تواند دو ت ن بار را 1600 متر جابه جا كند!«تأكید كند كه همواره برای اجنام هر كاری به یك منبع انرژی نیاز دارمی اما مهمتر از آن یادآوری این نكته است كه هر تغییر فیزیكی یا شیمیایی كه چننی نتیجهای را در پی دارد منیتواند بدون مبادلۀ انرژی میان مواد روی داده باشد. مطالعۀ كمی و كیفی انرژی گرمایی مبادله شده طی واكنشهای شیمیایی تغییر آن و تأثیری كه بر حالت ماده دارد موضوعهایی هستند كه در شاخهای از شیمی بررسی میشوند كه ترموشیمی یا گرماشیمی نامیده شده است. 39

47 حركت های نامنظم ذره های سازندۀ یک ماده را حركت های گرمایی می گویند. منایش حركت چرخشی و ارتعاشی در یك مولكول سه امتی )مولكول آب( 40 انرژی و ذره های سازندۀ ماده می دانید كه هر جسم در حال حركت دارای انرژی جنبشی است. از آجنا كه ذره های سازندۀ ماده یعنی امت ها مولكول ها یا یون ها نیز پیوسته در حركت اند پس همۀ آنها دارای انرژی جنبشی هستند. این گفته به این معناست كه همۀ مواد انرژی دارند. در واقع انرژی آنها مجموع انرژی ذره های سازندۀ آنهاست. همچننی می دانید كه گرما صورتی از انرژی است. هنگامی كه یك جسم گرم می شود مقدار انرژی آن جسم افزایش می یابد. در واقع طی این فرایند انرژی جذب شده در میان ذره های سازندۀ آن جسم توزیع می شود. پس می توان انتظار داشت كه ذره های یادشده با سرعتی بیشتر از پیش به حركت خود ادامه دهند شكل 1. دمای باالتر گرما دمای پاینی تر شكل 1 ذره های تشكیل دهندۀ ماده پیوسته و به طور نامنظم در حركت اند. در اثر گرم شدن دمای جسم افزایش می یابد و بر سرعت حركت ذره های سازندۀ آن افزوده می شود. اگر دما را معیاری از میزان گرمی یك جسم تعریف كنیم در این صورت با گرم شدن یك جسم دمای آن نیز باال می رود. به بیان دیگر دانسنت دمای یك جسم اطالعات سودمندی دربارۀ انرژی جنبشی و سرعت حركت ذره های سازندۀ آن جسم در اختیار ما می گذارد. بنابراین اختالف دمای میان دو جسم ما را از اختالف در انرژی جنبشی ذره های تشكیل دهندۀ آن دو آگاه می سازد. اكنون این پرسش به ذهن خطور می كند كه این انرژی جنبشی در ذره های سازندۀ یك ماده صرف چه می شود آیا حركت از جایی به جای دیگر )حركت انتقالی( تنها حركت چرخش ارتعاش ممكن برای ذره های ماده است اگر دو گلولۀ آهنی سبك را به فنری متصل كرده آنها را به سمت باال پرتاب كنید مجموعۀ یادشده حركت های متفاوتی را از خود نشان خواهد داد. این مجموعه از یك نقطه به نقطۀ دیگری جابه جا می شود یعنی دارای حركت انتقالی است. به دور خود می چرخد پس حركت چرخشی هم دارد. همچون فنر كشیده و جمع می شود یا به عبارتی به نوسان درمی آید پس می توان گفت كه مجموعه دارای حركت ارتعاشی نیز هست. این الگو نشان می دهد که ذره های تشكیل دهندۀ ماده می توانند حركت های انتقالی چرخشی و ارتعاشی

48 داشته باشند. مشاهده های جتربی وجود چننی حركت هایی را در ذره های سازندۀ ماده به اثبات رسانده است. همۀ این حركت ها به انرژی نیاز دارند. بنابراین با افزایش دمای یك جسم انرژی جذب شده توسط ذره ها میان همۀ این حركت ها توزیع می شود تا به این ترتیب هزینۀ اجرای آنها تأمنی شود. جتربه نشان می دهد كه توزیع انرژی میان همۀ ذره های ماده یكسان نیست)چرا ( از این رو همواره میانگنی انرژی همۀ آنها اندازه گیری می شود. آیا انرژی ماده به مقدار آن بستگی دارد دو لیوان آب را در نظر بگیرید. یكی دارای 100mL و دیگری دارای 200mL آب است. دمای آب درون هر دو لیوان نیز یكسان و برابر با 25 C است. آیا برای افزایش دمای آب هر دو ظرف تا C ٥٠ به انرژی یكسانی نیاز است با كمك مفهومی به نام ظرفیت گرمایی می توان به این پرسش پاسخ داد. می دانید كه ظرفیت گرمایی یك جسم گرمای مورد نیاز برای افزایش دمای آن به اندازۀ یك درجۀ سلسیوس است. بنابراین هرچه مقدار ماده بیشتر باشد گرمای بیشتری نیز برای افزایش دمای آن به این اندازه الزم است. به دلیل وابستگی ظرفیت گرمایی یك جسم به جرم آن می توان با استفاده از ظرفیت گرمایی ویژه این وابستگی را از بنی برد. ظرفیت گرمایی ویژه مقدار گرمایی است كه برای افزایش دمای یك گرم از جسم به اندازۀ یك درجۀ سلسیوس الزم است. ظرفیت گرمایی ویژۀ یك جسم را می توان به صورت زیر نیز بیان كرد. مقدار گرمای مبادلهشده ظرفیت گرمایی = = ظرفیتگرماییویژه تغییر دما جرم جسم جرم جسم در این رابطه اگر تغییر دما برابر با یك درجۀ سلسیوس باشد و جرم جسم نیز یك گرم در نظر گرفته شود در این صورت ظرفیت گرمایی ویژۀ جسم با مقدار گرمای مبادله شده برابر خواهد بود. اگر مقدار گرمای مبادله شده را با q ظرفیت گرمایی ویژه را با c جرم جسم را با m و اختالف دما را با T نشان دهیم آنگاه خواهیم داشت: 41 q c = m. T در شیمی یكای ظرفیت گرمایی ویژه ژول بر گرم بر درجۀ سلسیوس ) 1- C (J.g 1-. است. در جدول 1 ظرفیت گرمایی ویژۀ برخی مواد داده شده است. ژول و كالری یكاهای رایج انرژی اند. ژول یكای انرژی در سیستم SI است و به افتخار جیمز ژول فیزیك دان انگلیسی به این نام خوانده می شود. ژول یكای كوچكی است از این رو برای گزارش مقادیر انرژی از كیلوژول )kj( كه معادل هزار ژول است استفاده می شود. 1kJ=1 J هر تپش قلب انسان به حدود ١J انرژی نیاز دارد. یك كالری مقدار گرمای الزم برای افزایش دمای یك گرم آب خالص به اندازۀ یك درجۀ سلسیوس است. 1cal=4/184J = مقدار گرمای مبادله شده تغییر دما ظرفیت گرمایی دلتا یك حرف یونانی است و برای نشان دادن تغییر یك متغیر مو ر د استفاده قرار می گیرد. به عنوان مثال x به معنی x 2 -x 1 است.

49 ارزش غذایی مواد غذایی برحسب كالری سنجیده میشود. ولی كارشناسان علوم تغذیه از نوعی كالری استفاده میكنند كه آن را كالری رژمی غذایی) Cal ( می نامند كه حرف C در آن بزرگ است. این یكا معادل 1 كالری یا یك كیلوكالری است. اگر دما برحسب كلوین بیان شود واحد ظرفیت گرمایی ویژه ژول بر گرم بر كلوین ( -1.K )J.g -1 است. در شیمی بیشتر از ظرفیت گرمایی مولی استفاده میشود. ظرفیت گرمایی مولی مقدار گرمای الزم برای افزایش دمای یك مول از ماده به اندازۀ یك درجۀ سلسیوس ( C 1( است. یكای ظرفیت گرمایی مولی ژول بر مول بر درجۀ سلسیوس ( 1- C )J.mol 1-. است. جدول 1 ظرفیت گرمایی ویژۀ برخی مواد در دمای اتاق )C 25( حالت فیزیكی ماده بنابراین وقتی كه میگوییم 1 گرم موز 7 كالری جامد آب )یخ( ارزش غذایی دارد به سدمی كلرید ای ن معنی است كه وقتی 1 گرم موز مصرف كربن )گرافیت( میشود 7 Cal یا 7 kcal آهن انرژی برای بدن فراهم میكند. آب اتانول ارزش غذایی 1 از g برخی مواد غذایی )Cal( آب )بخار( 360 برجن اكسیژن 140 تخممرغ 250 نان 50 سیب 70 سیبزمینی نمونۀ حل شده جامد جامد جامد مایع مایع گاز گاز ظرفیت گرمایی ویژه )J.g -1. C -1 ( ظرفیت گرمایی مولی )J.mol -1. C -1 ( 37/4 49/7 8/65 25/19 75/38 113/33 36/8 29/34 2/ 76 /85 /72 /451 4/184 2/46 2/ 43 / گرم آلومینیم به 239 J انرژی نیاز دارد تا دمای آن به اندازۀ 5 C افزایش پیدا كند ظرفیت گرمایی ویژۀ این فلز را محاسبه كنید. پاسخ: می دانید كه ظرفیت گرمایی ویژه مقدار گرمایی است كه برای افزایش دمای یك گرم از یك جسم به اندازۀ 1 C الزم است. از آجنا كه دادن 239J انرژی دمای 53g آلومینیم 239J 1 را به اندازۀ 5 C افزایش میدهد مقدار گرمایی معادل = 4 / 51 J.g ) ( الزم 53g است تا دمای ١g آلومینیم را 5 C افزایش دهد. بهاین ترتیب گرمای الزم برای افزایش 1Cal=1 cal=1kcal دمای ١g آلومینیم به اندازۀ 1 C برابر خواهد بود با: 1 4 / 51J.g ( ) = 0/ 902 J.g. C 5 C

50 به عبارت دیگر: ظرفیت گرمایی ویژۀ آلومینیم 239J = = 0/ 902J.g. C 53g 5 C خود را بیازمایید ١ با توجه به داده های جدول ١ رابطه میان جرم مولی ظرفیت گرمایی ویژه و ظرفیت گرمایی مولی مواد را بیابید. 2 اگر افزایش دمای 75g سرب به مقدار 10 C به 96J گرما نیاز داشته باشد ظرفیت گرمایی ویژه و ظرفیت گرمایی مولی سرب را محاسبه كنید. 3 برای كاهش دمای ٢٥0 g اتانول از دمای 25 C به دمای 3 C چه مقدار گرما باید از آن گرفته شود اطالعات جمع آوری کنید ظرفیت گرمایی ویژۀ آب در سه حالت جامد مایع و گاز با هم تفاوت دارد. آیا میتوان نتیجه گرفت كه حالت فیزیكی هم بر مقدار ظرفیت گرمایی ویژۀ یك ماده مؤثر است این وابستگی را چگونه میتوان توجیه كرد با مراجعه به منابع علمی معتبر ضمن ارائۀ چند منونۀ دیگر پاسخ این پرسشها را بیابید و نتیجه را در كالس ارائه كنید. بیشتر بدانید هزاران سال است كه در كشورهای شرق آسیا مراسم شگفتانگیز راه رفنت روی زغال گداخته برگزار میشود. افرادی روی زغال داغ راه میروند بدون آن كه دچار سوختگی شوند. چگونه این كار امكانپذیر است آیا این افراد قدرت فراطبیعی دارند یا این كه علم جتربی توجیهی برای آن ندارد پاسخ این پرسشها را میتوان با بررسی ظرفیت گرمایی پوست كف پا و زغال گداخته یافت. چون بافت بدن انسان بهطور عمده از آب تشكیل شده است از اینرو پوست كف پا ظرفیت گرمایی ویژۀ نسبتا باالیی دارد. بنابراین برای آن كه دمای پاها بهطور قابل مالحظهای تغییر كند باید مقدار زیادی انرژی از زغال به این اندامها منتقل شود. چون مدت زمان متاس پاها با زغال گداخته نسبتا كوتاه است فرصت چندانی برای انتقال انرژی بهپاها وجود ندارد بهطوری كه دمای كف پاها آنچنان افزایش منییابند كه آسیبی ببینند. از سوی دیگر اگر چه دمای سطح زغال زیاد است اما الیۀ گداختۀ سطح آن بسیار نازك است. از اینرو مقدار انرژی موجود برای گرم كردن پاها كمتر از آن است كه انتظار میرود زیرا اگرچه دمای

51 مراسم راه رفنت روی زغال گداخته. هندوهای جزایر فیجی در حال برگزاری این مراسم دیده میشوند. این الیۀ گداختۀ بسیار نازك زیاد است اما جرم آن به اندازهای ناچیز است كه گرمای قابل مالحظهای برای مبادله در اختیار ندارد. عامل سومی كه به این افراد كمك میكند تا بتوانند روی زغال گداخته راه بروند پدیدهای است كه نخستنی بار یك فیزیكدان آملانی به نام یوهان لیدن فراست به آن پیبرد. اثر لیدن فراست به پدیدهای گفته میشود كه بهقطرههای آب اجازه میدهد روی یك جسم داغ )مانند یك ماهیتابۀ داغ( برای مدت نسبتا طوالنی بلغزند بدون آنكه تبخیر شوند. علت این پدیده آن است كه ناحیهای از قطره كه در متاس با سطح داغ قرار دارد تبخیر میشود و الیهای از گاز )بخار( بهوجود میآید. این الیه مانع از انتقال گرما به بقیۀ قطره می شود و به قطره امكان می دهد تا برای مدت بیشتری روی سطح داغ باقی مباند. قطره های عرق پای این افراد نیز همنی اثر را دارد. افزون بر این چون این مراسم معموال در شب اجرا میشود چمن مرطوبی كه در اطراف بستر زغال وجود دارد پای شخص را منناك كرده رطوبت الزم برای پدیدۀ لیدن فراست را فراهم میكند. بنابراین اگرچه راه رفنت روی آتش كار شگفتآوری به نظر میرسد اما دالیل علمی محكمی وجود دارد كه امكان اجنام این كار را توجیه میكند. البته مترین كافی و بستر مناسب زغال نیز ضروری است. ضمن آن كه نباید از حتلیلهای روانشناسانۀ چننی اقدامی نیز چشمپوشی كرد. ترمودینامیك چیست تا اینجا آموختید كه ماده انرژی دارد و این انرژی میان همۀ ذرههای سازندهاش آن هم بهطور غیریكنواخت توزیع شده است. همچننی آموختید كه هر ماده میتواند به مقادیر معنی و قابلاندازهگیری انرژی جذب كند یا ازدست بدهد و در یك كالم انرژی مبادله كند. این ویژگیهای ماده و بسیاری دیگر از ایندست در شاخهای از علم جتربی مطالعه میشود كه ترمودینامیك نامیده شده است. گسترۀ ترمودینامیك آنقدر وسیع است که افزون بر مطالعۀ تبدیل شكلهای مختلف انرژی و راههای انتقال آن به پرسشهای کلیتری از جمله دلیل اجنامشدن یا نشدن فرایندهای فیزیکی و شیمیایی در شرایط معنی پاسخ میدهد. ترمودینامیك نیز مانند هر شاخۀ علمی دیگری الفبای ویژۀ خود را دارد. پس الزم است پیش از ورود به این مبحث با برخی مفاهیم اولیۀ ترمودینامیك آشنا شوید. سامانه و محیط پیرامون آن در ترمودینامیك بخشی از جهان را انتخاب و تغییر انرژی آن را مطالعه می كنند. به بخشی از جهان كه برای مطالعه انتخاب میشود سامانه یا سیستم میگویند. هنگامیكه سامانه مشخص شد هر چیز دیگری كه در پیرامون آن باشد محیط نامیده میشود. در شكل 2 یك سامانه و محیط پیرامون آن را میبینید. در این شكل اگر سامانه محتویات بالون حجمی )محلول زرد( باشد وسایل دیگر و همچننی بقیۀ قسمتهای آزمایشگاه محیط پیرامون سامانه 44

52 را تشكیل می دهند. در حقیقت بقیۀ جهان هستی محیط پیرامون سامانه است ولی در عمل كافی است كه فقط بخشی از جهان كه با سامانه بر هم کنش دارد محیط درنظر گرفته شود. منایش انتقال انرژی از سامانه به محیط منا یش ا نتقا ل انرژی از محیط به سامانه سامانه محیط مرز ( آ ) ( ب( شكل 2 سامانه و محیط پیرامون آن آ( وقتی كه محتویات بالون )محلول زرد( را به عنوان سامانه در نظر بگیرمی دیوارۀ بالون مرز سامانه و آزمایشگاه محیط پیرامون آن به شمار میآید. ب( منایش دقیقتر اجزای سامانۀ یاد شده. انواع سامانه ها سامانه ها را براساس نوع مبادله ای كه با محیط پیرامون خود دارند به سه دسته طبقه بندی می كنند. در این مبادله سامانه و محیط می توانند انرژی ماده یا هر دو را بنی هم تبادل كنند. سامانه ای كه هم انرژی و هم ماده با محیط مبادله می كند سامانۀ باز نامیده می شود. به سامانه ای كه در آن امكان مبادلۀ ماده وجود ندارد و تنها به مبادلۀ انرژی اكتفا می شود سامانۀ بسته می گویند. سامانه ای كه مبادلۀ ماده و انرژی ندارد سامانۀ منزوی )ایزوله( نامیده شده است. فکر کنید 1 با توجه به تعریف انواع سامانه ها در هر مورد نوع سامانه را تعینی كنید. آ ) دماسنج ب( یک لیوان شیر پ( کتری در حال جوش دیواره ای كه سامانه را از محیط پیرامون آن جدا می كند مرز سامانه نامیده می شود. این مرز ممكن است حقیقی یا مجازی باشد. 45

53 2 آب جوش یا چایی كه در یك فالسك نگهداری می شود یك سامانۀ منزوی به شمار می رود. آیا می توان ادعا كرد كه این سامانه واقعا منزوی است توضیح دهید. خواص سامانه برای توصیف یك سامانه باید برخی از خواص مانند حجم فشار دمای سامانه و را اندازهگیری كرد. این خواص که حالت ترمودینامیکی سامانه را توصیف میکنند خواص ترمودینامیكی نام دارند. این خواص به دو دستۀ خواص مقداری و خواص شدتی دسته بندی می شوند. فکر کنید 200mL از یك محلول سرخرنگ با غلظت ١-2mol.L در یك بشر موجود است )سامانۀ اولیه(. تصور کنید این محلول را به دو بخش با حجمهای 50 و 150 میلیلیتر تقسیم کنیم. جرم حجم دما غلظت رنگ چگالی و ظرفیت گرمایی محلول یاد شده در این دو بخش در مقایسه با سامانه اولیه چه تفاوتی كرده است كدام خاصیت برای این دو بخش با همنی خاصیت در سامانۀ اولیه برابر نیست اگر خواصی را كه مقدار آنها به مقدار ماده وابسته است خواص مقداری و خواصی منایش ب رخی از خواص شدتی و مقداری سامانه را كه مقدار آنها به مقدار ماده بستگی ندارد خواص شدتی بنامیم از میان خاصیتهای بیان شده كدام خاصیت سامانۀ اولیه شدتی و كدام مقداری خواهد بود انتقال انرژی بنی سامانه و محیط اگر یك سامانه را شامل شمار بسیار زیادی ذره در نظر بگیرمی در این صورت چون هر ذرۀ موجود در این سامانه دارای انرژی جنبشی و پتانسیل است مجموع این انرژیها برای همۀ ذره های تشكیل دهندۀ سامانه انرژی درونی آن سامانه نامیده می شود. هنگامی كه در یك سامانۀ شیمیایی )مثال بالون موجود در شكل 2( واكنش دهنده ها به فراورده ها تبدیل می شوند انرژی درونی آن سامانه تغییر می كند. اگر این تغییر انرژی را با E نشان دهیم برای محاسبۀ آن باید اختالف بنی انرژی درونی سامانه را پیش و پس از وقوع تغییر اندازهگیری مناییم: واکنش دهنده ها E- فراورده ها E= آغازی - E پایانی E = E آغازی E نشان دهندۀ انرژی پیش از تغییر است. پایانی E نشان دهندۀ انرژی پس از تغییر و 46

54 حالت پایانی حالت آغازی آغازی E پایانی E 47 انرژی از محیط گرفته می شود. )ب( آغازی < E پایانیE حالت آغازی انرژی سامانه افزایش می یابد. انرژی )آ( شكل 3 منودار تغییر انرژی در یك سامانه. این منودارها انتقال انرژی را بنی یك سامانه و محیط پیرامون آن نشان میدهد. پایانی E )انرژی فراورده ها( معموال تغییر انرژی سامانه را با منوداری منایش می دهند كه در آن آغازی E )انرژی واكنش دهنده ها( خطوط افقی هستند و انرژی روی محور عمودی قرار دارد. و منونه ای از این منودارها در شكل 3 نشان داده شده است. شكل 3. آ سامانه ای را نشان می دهد كه در آن با انتقال انرژی از سامانه به محیط انرژی درونی سامانه كاهش می یابد. در این شرایط E سامانه منفی است. شكل 3. ب سامانه ای را نشان می دهد كه انرژی درونی آن در حال افزایش است یعنی از محیط پیرامون به سامانه انرژی وارد می شود و عالمت تغییر انرژی درونی سامانه مثبت است. در سامانۀ 3. آ سطح انرژی فراورده ها از سطح انرژی واكنش دهنده ها پاینی تر است. در حالی كه در سامانۀ 3. ب سطح انرژی فراورده ها از سطح انرژی واكنش دهنده ها باالتر است. فرض كنید كه یك سامانه شامل منونه ای آب داغ درون یك ظرف سربسته باشد در این صورت گرما از آب به محیط پیرامون منتقل می شود و انرژی سامانه كاهش می یابد شكل 4. آ( در این حالت تغییر انرژی درونی سامانه فقط ناشی از مبادلۀ گرماست و این مبادلۀ انرژی تا زمانی ادامه می یابد كه دمای آب با دمای محیط پیرامون آن برابر شود. چون در این مورد انرژی سامانه كاهش پیدا می كند یعنی سامانه بخشی از انرژی خود را از دست داده است پس عالمت تغییر انرژی درونی آن منفی است. شكل 4. ب منودار انرژی را برای سامانۀ دیگری نشان می دهد. عالمت تغییر انرژی درونی را در این سامانه توجیه كنید. شكل 4 سامانۀ بسته ای كه فقط با محیط مبادلۀ گرما دارد. آ( آب گرم )سامانۀ بسته( انرژی را به صورت گرما به محیط پیرامون منتقل می كند تا زمانی كه دمای آن با دمای محیط پیرامون یكسان شود. ب ) یخ از محیط پیرامون انرژی جذب می كند تا زمانی كه دمای سامانه با دمای محیط پیرامون یكسان شود. انرژی به محیط داده می شود. پایانی E آغازی < E E > پایانی E E < آغازی E گرما از محیط گرفته میشود. )ب( محیط محیط حالت پایانی انرژی سامانه كاهش می یابد. دمای اتاق H 2 O سامانه )آ( انرژی داغ H 2 O دمای اتاق H 2 O یخ H 2 O سامانه انرژی به صورت گرما جذب می شود. گرما به محیط داده می شود. سامانه T محیط < T پایانی E محیط محیط سامانه =سامانه T محیط T آغازی E سامانه انرژی به صورت گرما از دست می رود. انرژی سامانه T محیط T< E < پایانی E آغازی E انرژی E > =سامانه T محیط T

55 بهطور خالصه اگر گرما از سامانه به محیط پیرامون منتقل شود عالمت گرما منفی و اگر گرما از محیط پیرامون به سامانه منتقل شود عالمت گرما مثبت است.اگر انرژی درونی سامانه كاهش پیدا كند عالمت آن منفی و اگر انرژی درونی سامانه افزایش یابد عالمت آن مثبت است. انرژی درونی و قانون اول ترمودینامیك سامانه ای مانند یک لیوان محتوی ٥0mL آب خالص را با دمای ٢٥ C در نظر بگیرید. برای افزایش دمای آن تا 3٥ C می توان از روش های گوناگونی استفاده کرد. برای منونه در یک روش با استفاده از شعلۀ اجاق گاز دمای آن را بهطور مستقیم ازC ٢٥ بهC 3٥ میرسانیم. در روش دیگر نخست با به همزدن دمای آنرا از ٢٥ C به 27 C میرسانیم و سپس با یک گرمکن الکتریکی از ٢7 C به 3٥ C افزایش میدهیم. بنابراین در هر مسیر انرژی آغازی و پایانی سامانه تفاوتی منیكند و میزان تغییر انرژی سامانه در هر دو مسیر یكسان است. این مثال نشان می دهد که تغییر انرژی درونی یك سامانه به مسیر اجنام فرایند بستگی ندارد و فقط به حالت آغازی و پایانی سامانه وابسته است. از این رو انرژی درونی را تابع حالت میگویند. به این معنا كه اگر برای اجنام فرایندی مسیرهای متفاوتی وجود داشته باشد تغییر انرژی درونی سامانه در متام مسیرها یكسان است. واكنش سوخنت کامل پروپان را درنظر بگیرید. فرض كنید كه این واكنش در سیلندری با یك پیستون روان اجنام میشود شكل 5. انرژی درونی آغازی را نیز همارز با انرژی درونی واكنشدهندهها فرض كنید. با توجه به معادلۀ موازنهشدۀ زیر طی این واكنش از 6 مول واكنشدهنده 7 مول فراورده بهدست میآید. ضمنآن كه مقدار قابلتوجهی گرما نیزآزاد میشود. C3H 8(g) + 5O 2(g) 3CO 2(g) + 4H2O(g) + گرما تغییر حجم 2 1 V=V ٢ -V 1 1 پیش از اجنام واكنش 2 پس از اجنام واكنش شكل 5 فشار درون سیلندر به د لیل ا فز ا یش حجم فراوردههای گازی واكنش پروپان و اكسیژن بیش از فشار محیط است. بنابراین گازهای درون سیلندر روی محیط كار اجنام میدهند. بهخاطر داشته باشید كه این واكنش در فشار ثابت اجنام میشود. ٧ مول گاز ٦ مول گاز همان گونه كه مشاهده می شود حجم فراورده ها بیش از حجم واكنش دهنده هاست. (0<V ) این افزایش حجم سبب می شود كه پیستون به سمت باال حركت كند. درواقع پیستون كه پیش از این نیز فشار هوا را در برابر خود داشت اكنون با انرژی بیشتری مولكول های هوا را به عقب می راند و درواقع روی آنها كار اجنام می دهد. به دیگر سخن مقداری از انرژی واكنش بهصورت انرژی مكانیكی منایان شده است. همانطوری كه دیدید در این مثال تغییر انرژی درونی همارز با گرمای مبادله شده با محیط نیست زیرا مقداری از این گرما به كار تبدیل شده است. اگر تغییر انرژی درونی را با E گرمای مبادله شده را با q و كار اجنام شده ناشی از تغییر حجم را با w نشان دهیم 48

56 در این صورت خواهیم داشت: E = q + w این رابطه قانون اول ترمودینامیك را معرفی میكند. این قانون در واقع همان قانون پایستگی انرژی است. طبق این قانون انرژی نه بهوجود میآید و نه از بنی میرود بلكه از شكلی به شكل دیگری درمی آید. گاهی ممكن است كه طی یك واكنش شیمیایی تغییر حجمی ایجاد نشود یعنی 0=V باشد در این صورت 0=w است. واكنش سوخنت کامل متان را در سیلندری با پیستون روان درنظر بگیرید: CH 4(g) + 2O 2(g) CO 2(g) + 2H2O(g) ٣ مول گاز ٣ مول گاز 3 مول از واكنشدهندهها 3 مول فراورده تولید میكند پس 0=V است. در اینجا كار ناشی از تغییر حجم صفر خواهد بود. در این حالت E q= است. به عبارت دیگر هنگامی كه یك واكنش شیمیایی با تغییر حجم همراه نیست یا در ظرفی با حجم ثابت اجنام میگیرد مقدار تغییر انرژی درونی تنها ناشی از انتقال گرما خواهد بود. فکر کنید واكنش زیر را درنظر بگیرید. گرما + OH(g) CO(g) + 2H (g) CH 2 3 فرضكنیدكهاینواكنشدرسیلندریبایكپیستونروان )واكنشدرفشارثابت(اجنام میگیرد. در این صورت عالمت تغییر انرژی درونی )ΔE( را برای این واكنش پیشبینی کنید. واكنشهای شیمیایی به دو روش اجنام میشود: واكنش در حجم ثابت و واكنش در فشار ثابت آ( واكنش در حجم ثابت (0= V ( در چننی حالتی در اثر تغییر حجم كاری اجنام منیشود )0=w( و تغییر انرژی درونی سیستم فقط ناشی از مبادلۀ گرما است. بنابراین میتوان نوشت: q v گرمای مبادله شده برای واكنش در حجم ثابت تغییر انرژی درونی E = ب( واكنش در فشار ثابت (0 V ( این واكنش در ظرفی سرباز یا هر ظرف دیگری مقدار w می تواند منفی یا مثبت باشد. عالمت آن هنگا می منفی ا ست كه سامانه روی محیط كار اجنام دهد.ولیدرشرایطمعكوس كه محیط روی سامانه كار اجنام میدهد عالمت w مثبت است. اجنام میشود كه با تغییر حجم فشار را ثابت نگه میدارد. در این حالت كار اجنام میشود 49

57 برای واكنشهای ی كه تنها از مواد جامد و مایع تشكیل شدهاند ΔV بس یار ناچیز اس ت. از این رو ب رای این واكنش ها مقدار ΔE را تقریبا با ΔH برابر درنظر می گیرند. برای یک واکنش معموال به جای تغییر آنتالپی واژۀ آنتالپی را به کار می برند. یك دستگاه سازندۀ برف (0 w). پس در این حالت تغییر انرژی درونی با اجنام كار و مبادلۀ گرما همراه است. اگر گرمای منتقل شده در فشار ثابت را با q p نشان دهیم در آنصورت: اجنام واكنش E= q+ w qp = E w در فشار ثابت چون بیشتر واكنشهای شیمیایی در فشار ثابت اجنام میشود برای چننی واكنشهاییگرمای مبادله شده در فشار ثابت ( p q( را با مناد H نشان میدهند و آن را گرمای واكنش یا آنتالپی واكنش مینامند. بیشتر بدانید q p = H پدیدههای زیادی در زندگی روزانه وجود دارد كه آنها را میتوان به كمك قانون اول ترمودینامیك توجیه كرد. تولید برف ساختگی برای پیستهای اسكی از جملۀ این پدیدههاست. چگونه میتوان برای رفع نیاز اسكیبازان در روزهای آفتابی به این اندازه برف تهیه كرد راز تهیۀ برف ساختگی در معادلۀ E = q w+ نهفته است. دستگاه سازندۀ برف دارای هوای فشرده و بخار آب با فشار 20 امتسفر است. چون تفاوت فشار بنی مخزن دستگاه و هوای بیرون زیاد است وقتی مخلوط در هوا پاشیده میشود به سرعت انبساط مییابد بهطوری كه تقریبا هیچ تبادل گرمایی بنی سامانه )هوا و آب( و محیط اطراف صورت منیگیرد یعنی 0= q است. )در ترمودینامیك چننی فرایندی را فرایند بیدررو مینامند.( از اینرو میتوان نوشت: E = q +w =w چون این سامانه روی محیط كار اجنام می دهد مقدار w منفی است و انرژی آن كاهش مییابد. انرژی جنبشی بخشی از كل انرژی این سامانه است. چون انرژی جنبشی متوسط یك گاز با دمای آن نسبت مستقیم دارد بنابراین تغییر انرژی متناسب با تغییر دما خواهد بود. بنابراین : E T E = C T در این رابطه C ثابت تناسب است. چون E منفی است T نیز باید منفی باشد. این اثر كه اثر سرد كردن نامیده شده است موجب كاهش انرژی جنبشی مولكولهای آب و تشكیل برف میشود. اگر چه برای تهیۀ برف تنها به آب نیاز است اما حضور هوا كه آن نیز در اثر انبساط سرد می شود به كاهش دمای بخار آب كمك شایانی می كند. آنتالپی یك تابع حالت است. همانطوری كه گفته شد برای بررسی تغییر انرژی در واكنشهای شیمیایی كه اغلب در فشار ثابت روی میدهند از كمیت ترمودینامیكی دیگری به نام آنتالپی )H( استفاده میشود. در واقع آنتالپی را میتوان تغییر انرژی یك سامانه در فشار ثابت تعریف 50

58 كرد. در این شرایط مبادلۀ انرژی با اجنام كار توسط سامانه روی محیط پیرامون یا برعكس همراه است. بنابراین اغلب میزان تغییر آنتالپی با تغییر انرژی درونی تفاوت داشته كمتر یا بیشتر از آن است. آنتالپی هم مانند انرژی درونی یك تابع حالت است و مقدار تغییر آن فقط به حالت های آغازی و پایانی فرایند بستگی دارد. برای یك فرایند تغییر آنتالپی ( H ( به صورت زیر است: آنتالپی سامانه در آغاز فرایند- آنتالپی سامانه در پایان فرایند =H آغاز ی پایانی H=H - H اگرسامانۀموردنظریكواكنششیمیاییباشد درآنصورت پایانی H آنتالپیفراوردهها و آغازی H آنتالپی واكنشدهندههاست و H آنتالپی واكنش نامیده میشود یعنی: واکنش دهنده ها H واكنش = H فراورده ها - H به عنوان منونه واكنش زیر را در نظر بگیرید: CH 4 (g)+2o 2 (g) CO 2 (g) + 2H 2 O(g) این واكنش یك واكنش سوخنت است و گرما آزاد میكند. همانطور كه میدانید به این نوع واكنشها گرماده میگویند. ΔH برای چننی واكنشهایی منفی است. به عبارت دیگر آنتالپی فراوردهها ( پایانی H( از آنتالپی واكنشدهندهها ( آغازی H( كمتر است شكل 6. گرما آزاد می شود. CH 4 (g) + 2O 2 (g) آغازیH CO 2 (g) + 2H 2 O(g) شكل 6 منودار تغییر آنتالپی در واكنش سوخنت كامل متان از سوخنت یك مول متان 808 كیلو ژول گرما آزاد میشود. چون گرما آزاد شده قدرمطلق H یک فرایند بزرگی آن را نشان میدهد در حالی که ع المت آن نشاندهندۀگرماده وگرماگیر بودن فرایند است. است پس عالمت ΔH برای این واكنش منفی است kJ.mol = واكنش H. در یك واكنش گرماده گرما آزاد میشود و آنتالپی سامانه كاهش مییابد. < 0 H :H > H در واكنشهای گرماده آغازی پایانی 51 H 0 > پایانیH آنتالپی

59 از حل كردن حدود 2g كلسیم كلریدخشك در 5mL آب 3 C به اندازهای گرما آزاد میشود كه می تواند دمای محلول را تا حدود 1 باال ببرد. آزمایش کنید هدف: مشاهدۀ گرمای آزاد شده در اثر حل شدن كلسیم كلرید بیآب در آب وسایل موردنیاز: دماسنج یك بشر 100mL میلۀ همزن قاشقك ترازو شیشۀ ساعت گیره و پایه مقداری نخ مواد موردنیاز: كلسیم كلرید بیآب آب مقطر روش كار 1 50mL آب مقطر در یك بشر 100mL بریزید. 2 شیشۀ ساعت را روی ترازو قرار دهید و جرم آن را اندازه بگیرید. سپس با كمك قاشقك 10gكلسیم كلرید بیآب توزین كنید. 3 با كمك مقداری نخ دماسنج را به گیرۀ متصل شده به پایه آویزان كنید و سپس بشر دارای آب را زیر آن قرار دهید. دماسنج طوری در آب قرار گیرد كه مخزن آن به طور كامل درون آب مقطر باشد. در ضمن دماسنج نباید هیچ متاسی با بدنۀ بشر داشته باشد. 4 همۀ كلسیم كلرید را به كمك قاشقك و به آرامی در آب درون بشر بریزید و سپس با كمك همزن شیشهای آن را به هم بزنید. 5 مشاهدههای خود را یادداشت كنید و نتایج آزمایش خود را در كالس ارائه دهید. پرسش به نظر شما چه عواملی میتوانند در اندازهگیری میزان تغییر دمای محلول حاصل خطا ایجاد كنند چه پیشنهادهایی برای رفع آنها دارید ذوب شدن یخ و تبدیل آن به آب از جمله فرایندهای گرماگیر است یعنی برای ذوب كردن یخ به گرما نیاز است. به عبارت دیگر برای ذوب كردن یخ باید محیط به سامانه گرما آغازی H( پایانی H( از آنتالپی واكنشدهندهها ( بدهد. در چننی فرایندهایی آنتالپی فراوردهها ( بزرگتر است و بنابراین عالمتH مثبت خواهد بود. شكل 7 منودار آنتالپی را برای ذوب شدن یخ نشان می دهد. H 2 O ( l) پایانیH C آنتالپی گرما وارد سامانه میشود. 0< H H 2 O ( s) H آغازی شكل 7 منودار آنتالپی برای ذوب شدن یخ مثالی از یك فرایند گرماگیر 52

60 برای ذوب كردن یك مول یخ 6/0 كیلوژول گرما الزم است. چون این فرایند گرماگیر است پس عالمت H باید مثبت باشد 53 H +6kJ.mol-1 = ذوب در یك فرایند گرماگیر گرما جذب می شود و آنتالپی سامانه افزایش می یابد. آزمایش کنید پایانی : H در واكنش های گرماگیر آغازی < H H >0 حل شدن آمونیوم نیترات در آب گرماگیر است. 5mL آب 20 C را در یك لولۀ آزمایش بریزید و 1/5g آمونیوم نیترات خشك را در آن حل كنید. با اندازه گیری دمای آب مشاهده های خود را یادداشت كنید و نتایج آزمایش را در كالس ارائه دهید. فکر کنید نیتروگلیسرین از جمله مواد منفجرۀ بسیار حساسی است كه در اثر اندكی گرما یا وارد شدن ضربه طی واكنشی گرماده جتزیه می شود. در این واكنش به ازای هر مول نیتروگلیسرین 1- kj.mol 10 5/72 3 گرما آزاد می شود. تغییر آنتالپی این واكنش چقدر است آیا در اثر اجنام شدن این واكنش در فشار ثابت كاری اجنام می شود پاسخ خود را توضیح دهید. حالت استاندارد 4C 3 H 5 (NO 3 ) 3 (l) 12CO 2 (g) +1٠H 2 O(g)+O 2 (g)+6n 2 (g) مقدار تغییر آنتالپی ( H ( برای یك واكنش مقدار گرمایی است كه در تبدیل واكنش دهنده)ها( به فراورده )ها( در فشار ثابت مبادله می شود. به عنوان منونه در واكنش سوخنت کامل پروپان یك مول گاز پروپان با 5 مول گاز اكسیژن تركیب می شود و 3 مول گاز CO 2 و 4 مول بخار آب تولید می شود. در این واكنش 2056kJ گرما هم آزاد می شود. باید توجه داشته باشید كه مقدار گرمای آزاد شده در یك واكنش به مقدار واكنش دهنده ها هم بستگی دارد بنابراین واكنش 0/5 مول گاز پروپان با 2/5 مول گاز O 2 مقدار 0/5molگرما 2056kJ.mol 1- =1028kJ آزاد می كند. C 3 H 8 (g) +5O 2 (g) 3CO 2 (g)+4h 2 O(g) توجه كنید كه واكنش دهنده ها و فراورده ها باید در دمای یكسانی باشند و حالت فیزیكی آنها به صورت جامد )s( مایع )l( گاز )g( و محلول آبی )aq( مشخص باشد. آلفرد نوبل دانشمند سوئدی ) ( از ترکیب کردن خاک دیاتومه و نیتروگلیسرین مادۀ منفجره ای به نام دینامیت ساخت. جالب است بدانید نیتروگلیسرین افزون بر خا صیت ا نفجا ر ی کا ر بر د دارویی نیز دارد. به طوری که پزشکان برای بیماران قلبی قرص زیرزبانی نیتروگلیسرین تجویز می کنند. این ماده سبب گشاد شدن رگ ها می شود.

61 آنتالپی یک واکنش کمیتی مقداری است. در صورتی كه در واكنش سوخنت کامل پروپان بخار آب تولید شود آنتالپی واكنش -2056kJ است. ولی اگر آب به حالت مایع تولید شود تغییر آنتالپی واكنش برابر با -2220kJ خواهد بود. )چرا ( C 3 H 8 (g) +5O 2 (g) 3CO 2 (g) +4H 2 O(g) H = -2056kJ برای یک ماده در حالت محلول حالت استاندارد ترمودینامیكی غلظت 1 مول بر C 3 H 8 (g) +5O 2 (g) 3CO 2 (g) +4H 2 O(l) H = -2220kJ 54 این نكته نشان می دهد كه در هنگام محاسبۀ آنتالپی افزون بر مشخص بودن دما و فشار باید حالت فیزیكی واكنش دهنده ها و فراورده ها هم مشخص باشد. برای این كه اندازه گیری گرمای همۀ واكنش ها در شرایط یكسانی اجنام گیرند شرایط ویژه ای به نام «حالت استاندارد ترمودینامیكی» تعریف شده است. حالت استاندارد ترمودینامیكی پایدارترین شكل مادۀ خالص در فشار یك امتسفر و دمایی مشخص )معموال دمای اتاق 25( C تعریف می شود. برای منونه حالت استاندارد نیتروژن اكسیژن و كربن در دمای اتاق به ترتیب (g) O 2 (g) N 2 و )گرافیت C s) است. در واقع از میان د گرشكل های مختلف یك عنصر پایدارترین آنها مالك اندازه گیری قرار می گیرد. برای مشخص كردن شرایط استاندارد عالمت را باالی مناد كمیتی قرار می دهند كه در آن شرایط اندازه گیری می شود. برای مثال H نشان دهندۀ آنتالپی استاندارد است یعنی متام مواد شركت كننده در واكنش در حالت استاندارد خود و در دمای اتاق )یا هر دمای مشخص دیگری( در نظر گرفته شده اند. برخی از تغییر آنتالپی های مهم 1 آنتالپی استاندارد تشكیل ( تشکیل H (: به واكنشی كه طی آن یك مول ماده از عنصرهای سازنده اش تشكیل می شود واكنش تشكیل آن ماده می گویند. اگر در این واكنش همۀ مواد شركت كننده در واكنش در حالت استاندارد خود قرار داشته باشند تغییر آنتالپی این واكنش را آنتالپی استاندارد تشكیل آن ماده ( تشکیل H ( می گویند. برای منونه به معادلۀ تشكیل متان توجه كنید: C (s + (گرافیت 2H 2 (g) CH 4 (g) H تشکیل =-75kJ لیتر ( -1 )١mol.L درنظر گرفته می شود. از میان دو د گرشكل مهم كربن یعنی املاس و گرافیت گرافیت به عنوان حالت استان دارد انتخاب شده است زیرا گرافیت پایدارتر از املاس است. بنابراین: =0 ])گرافیت s (كربن ] H تشكیل H ] s (كربن 1/9kJ.mol-1 =])املاس تشكیل بنابراین آنتالپی استاندارد تشكیل متان kJ.mol است. آنتالپی استاندارد تشكیل برخی مواد در جدول 2 آمده است. مطابق قرارداد آنتالپی استاندارد تشكیل عنصرها صفر درنظر گرفته می شود. به بیان دقیق تر آنتالپی استاندارد تشكیل )تشکیل H ( پایدارترین د گرشكل یك عنصر در حالت استاندارد صفر در نظر گرفته شده است.

62 جدول 2 جدول آنتالپی استاندارد تشكیل برخی مواد در C ٢٥ H تشکیل )kj.mol -1 ( H تشکیل )kj.mol -1 ( ماده فرمول شیمیایی ماده فرمول شیمیایی H 2 O(l) 227 C ٢ H ٢ (g) اتنی آب 55 آمونیاك (g) - 46 NH 3 نیتروژندیاكسید (g) 34 NO 2 كربن دی اكسید اتانول متان فکر کنید CO 2 (g) اتن 52 C 2 H 4 (g) -278 C ٢ H 5 OH(l) سدمی كلرید NaCl(s) - 75 CH 4 (g) هیدروژن کلرید -92 HCl(g) چرا آنتالپی استاندارد تشكیل بسیاری از مواد منفی است 2 آنتالپیاستانداردسوخنت ( سوخنت H (: هنگامیكه یك مول از مادهای در مقدار كافی گاز اكسیژن خالص بسوزد گرمای واكنش یاد شده آنتالپی استاندارد سوخنت آن ماده نامیده میشود. وقتی یك مول كربن یعنی 12/0 گرم كربن بهطور كامل در اكسیژن بسوزد گاز کربن دیاکسید به همراه 394 kj گرما تولید میشود. فکر کنید پس می توان نوشت: C (s گرافیت ) + O 2 (g) CO 2 (g)+394kj H سوخنت [C (s = )] گرافیت -394kJ.mol -١ در جدول 3 آنتالپی استاندارد سوخنت چند تركیب آلی آمده است. جدول 3 آنتالپی استاندارد سوخنت چند تركیب آلی بر حسب 1- kj.mol فرمول مولکولی سوختن H فرمول مولکولی سوختن H C 2 H 2 (g) CH 3 OH(l) C 2 H 5 OH(l) CH 4 (g) C 2 H 6 (g) C 2 H 4 (g) با توجه به آنتالپی استاندارد سوخنت اتان ( 6 )C 2 H اتن ( 4 )C 2 H و اتنی ( 2 )C 2 H جدول 3 انتظار دارید كه شعلۀ حاصل از سوخنت كدام یك داغتر باشد چرا پاسخ خود را با نوشنت معادلۀ موازنه شدۀ سوخنت هر یك از آنها توضیح دهید.

63 3 آنتالپی استاندارد تبخیر) H (: هنگامی كه یك مول از مادهای در دمای تبخیر جوش خود تبخیر شود تغییر آنتالپی مربوط به این فرایند آنتالپی استاندارد تبخیر آن ماده گفته می شود. به عنوان منونه در شرایط استاندارد برای تبخیر یك مول آب 41/1 كیلو ژول گرما نیاز است. بنابراین: H 2 O(l) + 41/1kJ H 2 O(g) H تبخیر [H 2 O(l)]=41/1kJ.mol -١ 4 آنتالپی استاندارد ذوب ( ذوب H (: هنگامی كه یك مول از ماده ای جامد در دمای ذوب خود به مایع تبدیل شود تغییر آنتالپی این فرایند را آنتالپی استاندارد ذوب آن ماده می گویند. به عنوان منونه برای ذوب كردن یك مول یخ صفر درجۀ سلسیوس و تبدیل آن به آب صفر درجۀ سلسیوس 6/0kJ گرما الزم است. فکر کنید به عبارت دیگر: H 2 O(s) + 6/0kJ H 2 O(l) H ذوب [H 2 O(s)]=6/0kJ.mol -١ منودار زیر آنتالپی استاندارد تبخیر و آنتالپی استاندارد ذوب چند ماده را در مقایسه با یكدیگر نشان می دهد. به نظر شما چرا در این مواد آنتالپی استاندارد تبخیر از آنتالپی استاندارد ذوب بزرگ تر است آیا این نتیجه گیری به همۀ مواد قابل تعمیم است H 0 ( kj. mol 1 ) تبخیر H 0 H 0 29/0 30/8 38/6 41/1 58/0 ذوب 9/8 8/2 6/5 7/3 6/0 4/6 1/2 2/3 0/9 جیوه آب اتانول بنزن دی اتیل اتر متان آرگون 56

64 5 آنتالپی استاندارد تصعید) تصعید H (: هنگامی كه یك مول از مادهای تصعید شود تغییر آنتالپی این فرایند را آنتالپی استاندارد تصعید آن ماده مینامند. یخ خشك )كربندیاكسید جامد( در فشارهای معمولی بهطور مستقیم تصعید میشود و به گاز CO 2 تبدیل میشود. CO 2 (s) CO 2 (g) H تصعید =25kJ.mol -1 6 میانگنی آنتالپی پیوند: همان طور كه می دانید امت های هیدروژن در مولكول دو امتی هیدروژن( H) 2 با یك پیوند كوواالنسی قوی به هم متصل شده اند. برای شكسنت این پیوند كوواالنسی باید انرژی مصرف شود. جتربه نشان می دهد كه برای شکسنت پیوندهای موجود در یك مول (g) H 2 و تبدیل آن به دو مول امت هیدروژن گازی 436 kj انرژی الزم است. H-H(g) + 436kJ 2H(g) به 1- kj.mol 436 انرژی گسسنت پیوند یا آنتالپی پیوند H-H گفته میشود. این كمیت را بهصورت زیر نشان میدهند: H H-H = 436kJ.mol -1 مولكول متان ( 4 )CH را درنظر بگیرید آیا انرژی الزم برای شكسنت همۀ پیوندهای C-H در این تركیب یكسان است بیتردید خیر )چرا ( از اینرو واژۀ میانگنی آنتالپی پیوند برای پیوندهایی همچون C-H مناسبتر بهنظر میرسد. در جدول 4 میانگنی آنتالپی پیوند برای برخی از پیوندهای كوواالنسی داده شده است. جدول ٤ میانگنی آنتالپی پیوند برخی از پیوندهای کوواالنسی برحسب 1- kj.mol پیوند H-H آنتالپی 436 پیوند C - H آنتالپی O-O 163 N-N 348 C - C 463 O-H پیوندهای چندگانه 837 C C 612 C=C 496 O=O 944 N N 57

65 تعینی گرمای واكنش های شیمیایی تاكنون با واكنشهای شیمیایی بسیاری آشنا شدهاید واكنشهایی كه گرماده یا گرماگیرند. شاید این پرسش در ذهن شما مطرح شده باشد كه گرمای یك واكنش چگونه اندازهگیری میشود گرمای یك واكنش را میتوان بهروش مستقیم یا غیرمستقیم تعینی كرد. دماسنج مبب فوالدی اكسیژن با فشار باال شكل 8 یك گرماسنج لیوانی. از این گرماسنج برای اندازه گیری گرمای یك واكنش در فشار ثابت استفاده می شود. برای ساختن این گرماسنج كافی است دو لیوان یك بار مصرف را داخل هم قرار داد و با قطعه ای یونالیت درپوشی برای آن ساخت. دماسنج 58 هم زن هم زن اكسیژن هوا شكل 9 گرماسنج مببی كه ب رای اندازه گیری دقیق گرمای سوخنت یك ماده در حجم ثابت به كار می رود. درپوش یونالیتی لیوانیكبار مصرف آب میله های اتصال به برق سیم آتش زن پوششعایق حمام آب منونه گرماسنجی روش مستقیم اندازه گیری گرمای یک واكنش در روش مستقیم باید مقداری از واكنش دهنده ها را در شرایط مناسب برهم اثر داد و گرمای واكنش را به طور مستقیم اندازه گیری كرد. برای این منظور دستگاهی به نام گرماسنج به كار می رود. گرماسنج دستگاهی است كه برای اندازه گیری گرمای مبادله شده در یك واكنش شیمیایی به كار می رود. شما می توانید با استفاده از یك ظرف مناسب كه با محیط بیرون گرما مبادله نكند یك گرماسنج ساده بسازید. مثال می توانید از یك لیوان پالستیكی استفاده كنید. به این نوع گرماسنج گرماسنج لیوانی هم می گویند. به شكل 8 توجه كنید این شكل گرماسنج ساده ای را نشان می دهد كه برای اندازه گیری گرمای یك واكنش در فشار ثابت به كار برده می شود. این گرماسنج شامل مقدار معینی آب یا محلول یك واكنش دهنده در یك ظرف عایق بندی شده است. در این گرماسنج یك دماسنج و یك هم زن نیز قرار دارد. پیش از اجنام واكنش دمای اولیۀ آب یا محلول اندازه گیری می شود. بعد از اضافه كردن مادۀ دوم و اجنام واكنش موردنظر دمای نهایی آب هم اندازه گیری می شود و با استفاده از اختالف دمای پیش و پس از آزمایش گرمای واكنش محاسبه می شود. در شكل 9 گرماسنج دیگری نشان داده شده است كه برای اندازه گیری گرمای یك واكنش در حجم ثابت به كار برده می شود. از این نوع گرماسنج برای اندازه گیری گرمای سوخنت یك ماده استفاده می كنند. گرماسنج مببی نامی است كه به این نوع گرماسنج داده شده است. در گرماسنج مببی محفظۀ اجنام واكنش )مبب فوالدی( درون یك حمام سیم آتش زن آب قرار دارد. آب درون این حمام به منظور هم گون شدن دما به طور پیوسته در حال به هم خوردن است. پس از برقراری جریان برق و هم زمان با سوخنت منونه گرمای آزاد شده سبب گرم كردن مبب و در نتیجه گرم شدن آب و افزایش دمای حمام آب می شود. با اندازه گیری پیوستۀ دمای آب درون حمام و با استفاده از ظرفیت گرمایی اجزای سازندۀ گرماسنج شامل حمام آب میلۀ هم زن بدنه دماسنج محفظۀ احتراق و میله های اتصال كه برای هر گرماسنج مقداری ثابت است و محاسبه ای ساده می توان گرمای حاصل از واكنش سوخنت را محاسبه كرد.

66 فکر کنید با استفاده از یك گرماسنج مببی كدام كمیت قابل اندازه گیری است E )تغییر انرژی درونی( یا H )تغییر آنتالپی واكنش(. برای یك گرماسنج لیوانی چه طور روش های غیرمستقیم تعینی گرمای واكنش های شیمیایی گرمای بسیاری از واكنش های شیمیایی را منی توان به طور مستقیم تعینی كرد. چون بسیاری از واكنش ها در شرایط بسیار سختی اجنام می شوند. گاهی یك واكنش ممكن است بخشی از یك فرایند زیست شناختی پیچیده باشد و نتوان آن را به صورت یك واكنش جداگانه در آزمایشگاه اجنام داد. گرمای چننی واكنش هایی از روش های غیرمستقیم تعینی می شود. در بخش های قبلی با مفهوم تابع حالت آشنا شدید و آموختید كه آنتالپی یك تابع حالت است و تغییر آن در یک فرایند فقط به حالت آغازی و پایانی فرایند بستگی دارد بنابراین ممكن است كه یك واكنش شیمیایی را بتوان از چند مسیر مختلف اجنام داد ولی تغییر آنتالپی واكنش در همۀ مسیرها یكسان است. واكنش تولید آمونیاك را درنظر بگیرید. ٣H 2 (g) + N 2 (g) 2NH 3 (g) H = -92kJ اگر با جزئیات این واكنش بیشتر آشنا شوید خواهید دید كه واكنش به صورت نوشته شده در باال اجنام منی شود بلكه واكنش طی چند مرحله روی می دهد. در این واكنش ابتدا هیدرازین ( 4 N( 2 H تولید می شود و سپس آمونیاك به وجود می آید. مرحلۀ یك مرحلۀ دو 2H 2 (g) + N 2 (g) N 2 H 4 (g) 0 H 1 N 2 H 4 (g) + H 2 (g) 2NH 3 (g) H2 = 183kJ 0 تغییر آنتالپی تبدیل هیدرازین به آمونیاك قابل اندازه گیری است و برای آن H H2 = 183kJ بهدست آمده است. ولی اگر بخواهیم را اندازه گیری كنیم با مشكل روبه رو خواهیم شد. ولی به روش غیرمستقیم می توان گرمای واكنش تولید هیدرازین را محاسبه كرد. برای این منظور می توان از قانون هس استفاده كرد. این قانون به صورت زیر بیان می شود.»اگر معادلۀ یك واكنش را بتوان از جمع معادله های دو یا چند واكنش دیگر به دست آورد H واكنش یاد شده را می توان از جمع جبری مقادیر H همۀ واكنش های تشكیل دهندۀ آن به دست آورد«. H بنابراین مقدار 0 1 به صورت زیر به دست می آید: H = H + H 92kJ = H + ( 183kJ) H =+ 91kJ

67 مثال دیگری را درنظر بگیرید. فرض كنید كه شما می خواهید تغییر آنتالپی برای تشكیل كربن مونوكسید )CO( از عنصرهای تشكیل دهنده اش )كربن و گاز اكسیژن( را به دست آورید. 2C )s )گرافیت + O 2(g) 2CO(g) می دانید كه مقادیر آنتالپی استاندارد تشكیل برای تشكیل یك مول از مادۀ موردنظر است بنابراین با تقسیم دو طرف معادله بر عدد 2 به معادله ای دست می یابیم كه طی آن یك مول كربن مونواكسید تولید می شود. نوشنت ضرایب كسری در معادله های موازنه شده اگرچه رایج نیست ولی در این مبحث محاسبه های عددی را ساده تر می كند بنابراین: + 1 )گرافیت (s C O 2(g) CO(g) H=? 2 این واكنش را منیتوان به روش جتربی اجنام داد. )چرا ( ولی میتوان تغییر آنتالپی تبدیل كربن به (g) CO 2 و همچننی تغییر آنتالپی تبدیل CO(g) به CO 2 را به راحتی به دست آورد. آنتالپی این دو فرایند به شرح زیر است: C (s +)گرافیت O 2(g) CO ٢ (g( H = -394kJ 1 CO(g) + O 2(g) CO 2(g) H = -283kJ 2 شكل 10 را با دقت نگاه كنید. همانطور كه در این شكل دیده میشود (g) ٢ CO در دو مرحله تشكیل می شود. مرحلۀ نخست تشكیل( CO(g است. برای این مرحله مقدار جتربی H معلوم نیست. مرحلۀ دوم تبدیل( CO(g به (g) ٢ CO است كه H این مرحله به طور مستقیم اندازه گیری شده است. چون واكنش كلی )تبدیل C به )CO ٢ از جمع H = _ 394 kj )گرافیت C )s O 2 ( g) 1 CO( g) 1 O 2 2 ( g) H 1 =? AMIRآنتالپی GHASEMI O 2 ( g) H 2 = 283kJ CO 2 ( g) شكل 10 مراحل تشكیل CO 2 از كربن و اكسیژن 60

68 واكنش های این دو مرحله به دست می آید پس آنتالپی واكنش كلی هم از جمع آنتالپی های + 1 )گرافیت (s C O 2(g) CO(g) CO(g) + O 2(g) CO 2(g) 2 C ( s )گرافیت + O 2(g) CO 2 (g) H کل = H H 2 این دو مرحله به دست می آید. H 0 1 =? -394 = H (-283kJ) H 0 1 = -111kJ 0 H2 = 283kJ H = کل -394kJ نمونۀ حل شده آنتالپی استاندارد تشكیل متان (g) CH 4 را از كربن جامد )گرافیت( و گاز هیدروژن C ( s + )گرافیت 2H 2(g) CH 4 (g) محاسبه كنید. برای محاسبۀ H این واكنش می توانید از واكنش های زیر استفاده كنید. 1( C (s +)گرافیت O 2(g) CO 2 (g) H1 = 394kJ 2( H (g) O 2(g) H2O(l) H2 = 286kJ 2 0 3( CH (g) + 2O (g) CO (g) + 2 H O(l) H3 = 890kJ پاسخ: اگ ر به این واكنش ها دقت كنید متوجه می شوید كه منی توان واكنش های 2 و 1 3 را باهم جمع كرد و معادلۀ مربوط به تشكیل متان را به دست آورد. براساس معادلۀ موردنظر متان (g) CH 4 باید فراوردۀ واكنش باشد در حالی كه در معادلۀ 3 متان یك واكنش دهنده است. پس باید معادلۀ 3 را وارونه كرد. وقتی كه معادلۀ واكنشی را وارونه می كنید عالمت H آن واكنش هم تغییر می كند )چرا (. بنابراین واكنش 3 را وارونه 4 ( CO 2(g) + 2H2O(l) CH 4(g) + 2 O 2(g) H4 = 890kJ 0 می كنیم. به معادلۀ 4 دقت كنید. می بینید كه برای اجنام این واكنش 2 مول آب نیاز است در حالی كه واكنش 2 فقط برای تولید 1 مول آب نوشته شده است. برای این منظور H ضرایب استوكیومتری واكنش 2 را در دو ضرب میكنیم بنابراین 2 می شود. )چرا ( هم در دو ضرب 61 5 ( 2H (g) + O (g) 2 H O(l) H = 2 H = 572kJ

69 با این تغییرها می توان معادله های جدید 4 و 5 را با معادلۀ 1 جمع كرد تا معادلۀ واكنش كلی به دست بیاید. 1( C (s +)گرافیت O 2(g) CO ٢ (g( H ١ = -394kJ 4 ( CO 2(g) + 2H2O(l) CH 4(g) + 2 O 2(g) H4 = 890kJ 5( 2H 2(g) + O 2(g) 2 H2O(l) H5 = 572kJ? = کل 2H 2(g) CH 4 (g( H +)گرافیت (s C کل H = H + H + H = kj خود را بیازمایید 1 NO و CO دو گاز آلودهكنندۀ هوا هستند كه از اگزوز خودروها خارج میشوند. یك شیمیدان محیطزیست از طریق واكنش زیر راههای تبدیل این گازها را به گازهای 2CO(g) + 2NO(g) 2 CO (g) + N (g) H=? 2 2 كم ضررتر بررسی كرده است. با استفاده از اطالعات داده شده برای واكنشهای زیر H واكنش یاد شده را محاسبه كنید. 1( 2CO(g) + O (g) 2CO (g) H1 = 566kJ ( N 2(g) + O 2(g) 2NO(g) H =18 kj 2 گاز آبنامی است كه برای مخلوطی از H 2 و CO بهكار برده میشود. این مخلوط با عبور دادن بخار آب از روی زغال چوب در دمای 1000 C بهدست میآید: C (s )گرافیت + H2O(g) CO(g) + H 2(g) گاز آب معموال هیدروژن گاز آب جدا و خالص می شود و به عنوان مادۀ اولیه برای تولید آمونیاك به كار می رود. با استفاده از واكنش های زیر H برای واكنش تشكیل گازآب را محاسبه كنید. ١( C (s +)گرافیت O 2(g) CO ٢ (g( H1 = 394kJ ٢( 2CO(g) + O 2(g) 2CO 2(g) H2 = 566kJ ٣( ٢H 2 (g) + O 2 (g) 2H 2 O(g) 0 H2 = 490kJ ٣ سوسک مبب افکن برای دفاع از خود مخلوطی از چند ماده را به سمت دشمن 62

70 پرتاب میکند بهطوری که این مواد بهسرعت طبق معادلۀ زیر با هم واکنش میدهند و گرمای زیادی آزاد میکنند. C 6 H 6 O 2 (aq) + H 2 O 2 (aq) C 6 H 4 O 2 (aq) +2H 2 O(l) با استفاده از واکنشهای زیر H این واکنش را محاسبه کنید. ١( C 6 H 6 O 2 (aq) C 6 H 4 O 2 (aq) +H 2 (g) H =177kJ ٢( 1 H2O 2(aq) H2O(l) + O 2(g) 2 ٣( H (g) O 2(g) H2O(l) 2 H = -94/6kJ H = -286kJ آنتالپی های استاندارد تشكیل و محاسبۀ گرمای واكنش با استفاده از آنتالپی استاندارد تشكیل مواد شركتكننده در یك واكنش میتوان گرمای آن واكنش را محاسبه كرد. گرمای یك واكنش شیمیایی در دما و فشار ثابت برابر با تفاضل مجموع آنتالپی استاندارد تشكیل فراوردهها و آنتالپی استاندارد تشكیل واكنشدهندهها است یعنی: مجموع آنتالپی استاندارد - تشكیل واكنشدهندهها مجموع آنتالپی استاندارد = گرمای واكنش تشكیل فراوردهها چون در اینجا مواد شركت كننده در واكنش در حالت استاندارد خود درنظر گرفته شده اند آنتالپی یا گرمای واكنش آنتالپی یا گرمای استاندارد آن واكنش ( H ( خواهد بود. نمونۀ حل شده واكنش سوخنت کامل اتانول را درنظر بگیرید: C 2 H 5 OH(l)+3O 2 (g) 2CO 2 (g)+3h 2 O(l) آنتالپی استاندارد تشكیل واكنشدهندهها و فراوردهها بهصورت زیر است: ماده ( -1 )kj.mol تشکیل H C 2 H 5 OH(l) CO 2 (g) H 2 O(l) 63 با استفاده از این اطالعات آنتالپی استاندارد واكنش سوخنت اتانول را محاسبه كنید.

71 پاسخ: آنتالپی استاندارد واكنش از تفاضل مجموع آنتالپی استاندارد تشكیل فراوردهها و مجموع آنتالپی استاندارد تشكیل واكنشدهندهها بهدست میآید: H = واکنش ]٢ H تشکیل )CO 2 ( + 3 H تشکیل )H 2 O([ خود را بیازمایید - ]1 H تشکیل )C ٢ H 5 OH( + 3 H تشکیل )O 2 ([ = ]2 )-394( + 3 )-286([ ] )3 0([ = kj 1 با استفاده از آنتالپیهای استاندارد تشكیل داده شده آنتالپی هریک از واكنشهای زیر را محاسبه كنید. )آ( OH(l) 2H 2 (g) + CO(g) CH 3 )ب( (g) CaCO 3 (s) CaO(s) + CO 2 )پ( (s) 2Al(s)+Fe 2 O 3 (s) 2Fe(l) + Al 2 O 3 0 H تشکیل )kj.mol -1 ( / ماده آنتروپی و تعینی جهت پیشرفت واكنش های شیمیایی یكی از هدفهای ترمودینامیك تعینی جهت پیشرفت واكنشهای شیمیایی است. به عبارت دیگر تعینی جهتی كه واكنش بهطور خودبهخود پیشرفت میكند. بسیاری از تغییرهایی كه روزانه با آنها سروكار دارمی بهطور خودبهخودی اجنام میشود شكل 12. بهعنوان منونه اگر مقداری یخ را در دمای اتاق قرار دهید بعد از مدتی خودبهخود شروع به ذوب شدن میكند. برخی از تغییرهای خودبهخودی خیلی سریعاند. برای مثال هنگامی كه شما یك جسم خیلی داغ را به طور تصادفی ملس می كنید یك رشته واكنش های زیست شیمیایی بسیار سریع رخ می دهد. برخی از تغییرهای خودبه خود كندتر اجنام می شوند. برای منونه آهن به آهستگی به طور خودبه خود زنگ می زند. یكی از كمیت هایی كه می توان برای تعینی جهت خودبه خودی واكنش ها استفاده كرد تغییر انرژی آن واكنش است. به شكل 12 نگاه كنید همۀ رویدادهای نشان داده شده خودبهخودیاند. آب خودبهخود از آبشار به پاینی فرو میریزد وسایل آهنی در مجاورت هوا و رطوبت به آهستگی زنگ میزنند و سوختها میسوزند. هر یك از این رویدادها با كاهش انرژی همراه است. هنگامی كه آب از آبشار به پاینی میریزد انرژی CO(g) CH 3 OH(l) CaCO 3 (s) CaO(s) CO 2 (g) Fe(l) Fe 2 O 3 (s) Al 2 O 3 (s) 64

72 65 ریزش آب آبشارها زنگ زدن آهن سوخنت سوخت شكل 12 برخی از تغییرهای خود به خودی پتانسیل آن كاهش مییابد. وقتی كه مخلوط گاز متان و اكسیژن میسوزد یك واكنش شیمیایی رخ میدهد و انرژی مخلوط كاهش مییابد. این كاهش انرژی بهصورت گرما آزاد میشود. چون همۀ این رویدادها خودبهخودیاند نتیجه میگیرمی:»اگر در تغییری انرژی سامانه كاهش یابد آن تغییر میتواند خودبهخود باشد.«به تغییری كه در آن انرژی سامانه كاهش مییابد گرماده گفته میشود بنابراین میتوان گفت كه تغییرهای گرماده اغلب متایل دارند كه بهصورت خودبهخودی اجنام شوند. اغلب واكنشهای شیمیایی كه در آنها انرژی فراوردهها از انرژی واكنشدهندهها پاینیتر است خودبهخودیاند. چون بیشتر واكنشها در فشار ثابت اجنام میشوند میتوان گفت: واكنشهایی كه H آنها منفی است اغلب خودبهخود اجنام میشوند. آیا هر تغییر گرماده خودبهخودی و هر تغییر گرماگیر غیر خودبهخودی است اگر در واكنشی انرژی فراوردهها از انرژی واكنشدهندهها باالتر باشد آیا احتمال دارد كه این واكنش خودبهخود باشد باید توجه داشت كه انرژی سامانه فقط یكی از عوامل تعینیكنندۀ جهتپیشرفتیكواكنشاست.تغییرهایبسیاریوجوددارندكهانرژیآنهاكاهشمنییابد ولی خودبهخودی اجنام میشوند. پس بهنظر میرسد كه باید عامل دیگری غیر از انرژی در تعینی جهت چننی تغییرهایی مؤثر باشد. این عامل را با یك مثال معرفی میكنیم. یخ صفر درجه از محیط پیرامون خود گرما جذب میكند و خودبهخود ذوب میشود بدون اینكه دمای آن تغییر كند. در شكل 13 میبینید كه نظم مولكولها در آب مایع کمتر از یخ و در بخار آب این نظم کمتر از آب مایع است. به شكل ١٤ نگاه كنید. این شكل یک سامانۀ منزوی را نشان میدهد. این سامانه از دو حباب جدا از هم تشكیل شده كه میان آنها یك شیر تعبیه شده است. در حباب سمت

73 دمای پاینی تر )بی نظمی کمتر( دمای باالتر )بینظمی بیشتر( ذره های سازندۀ یك ماده در دمای باال دارای انرژی جنبشی بیشتر و بی نظمی زیاد تری هستند. آنتروپی یك سامانۀ منزوی طی یك فرایند خود به خودی افزایش می یابد. بی نظمی بیشتر به سمت افزایش حركت های تصادفی مولكول های آب چپ گاز نئون با فشار یك امتسفر وجود دارد. هنگامی كه شیر باز شود گاز خودبه خود در حباب دوم وارد شده در كل سامانه پخش می شود و فشار گاز در مجموع كاهش می یابد. علت پخش شدن امت های گاز نئون در دو حباب این است كه هر امت اكنون در یك سامانه با حجمی دو برابر حجم اولیه قرار گرفته است و در واقع فضای بیشتری در اختیار دارد. از این رو تعداد راه هایی كه امت های گاز می توانند در این فضای جدید پخش شوند افزایش می یابد و در واقع می توانند بی نظمی بیشتری پیدا كنند. از این رو امت های گاز ترجیح می دهند كه همۀ حجم سامانه را اشغال كنند. بی نظمی کمتر شكل 13 ذوب شدن یخ و تبدیل آب به بخار آب. در اینجا میزان بی نظمی چه رابطه ای با دما دارد خود به خود بی نظمی بیشتر غیرخود به خود شكل 14 دو حباب متصل به هم كه یكی از حباب های آن با گاز نئون پر شده است وضعیت دو حباب پیش و پس از باز شدن شیر بی نظمی کمتر گرچه اغلب واكنش های گرماده خودبه خود هستند ولی واكنش های گرماگیر زیادی وجود دارند كه خودبه خود اجنام می شوند. برای مثال جتزیۀ (g) N 2 O 4 به (g) NO 2 یك 66

74 واكنش گرماگیر است ولی خودبه خود اجنام می شود. N 2 O 4 (g) 2NO 2 (g) H=58kJ فکر کنید علت پیشرفت خود به خودی واكنش جتزیۀ (g) N 2 O 4 افزایش بی نظمی است. این افزایش بی نظمی را توجیه كنید. حل شدن آمونیوم نیترات ( 3 )NH 4 NO در آب را درنظر بگیرید. می دانید كه + )NH و نیترات ( 3 - )NO در آمونیوم نیترات یك جامد یونی است. یونهای آمونیوم ( 4 بلورهای آمونیوم نیترات بهطور منظم آرایش یافتهاند. وقتی كه آمونیوم نیترات در آب حل میشود نظم یونها در بلور آن از بنی میرود. این یونها در بنی مولكولهای آب پخش میشوند. یعنی بعد از حل شدن آمونیوم نیترات در آب بینظمی سامانه افزایش مییابد. بهطوركلی در واكنشها یا تغییرهای گرماگیر كه خودبهخود اجنام میشوند با اجنام واكنش یا تغییر بینظمی افزایش مییابد بنابراین میتوان افزایش بینظمی را بهعنوان عامل دیگری برای خودبهخود اجنام شدن اینگونه تغییرهای فیزیكی و شیمیایی درنظر گرفت. آنتروپیكمیتی ترمودینامیكی است كه میزان این بینظمی را بیان میكند. آنتروپی را میتوان معیاری از بینظمی یك سامانه تعریف كرد. آنتروپی را با حرف»S«نشان میدهند. بهطور كلی میتوان گفت كه هر تغییری كه باعث افزایش آنتروپی شود می تواند خودبه خود باشد. مانند انرژی درونی و آنتالپی آنتروپی هم یك تابع حالت و کمیتی مقداری است. یعنی تغییر آنتروپی نیز فقط به حالت آغازی و پایانی سامانه بستگی دارد. بنابراین تغییر آنتروپی سامانه را میتوان بهصورت زیر نوشت: آغازی - S پایانی S = S به عنوان منونه تغییر آنتروپی در یك واكنش شیمیایی به آنتروپی فراورده ها و واكنشدهندهها بستگی دارد. اگر S مثبت باشد یعنی در آن حتول یا تغییر سامانه نامنظمتر شده است )یعنی آغازی < S پایانی (. S اگر S منفی باشد در آنصورت در آن حتول یا تغییر سامانه منظمتر شده است )یعنی آغازی > S پایانی (. S بنابراین میتوان گفت كه بهطوركلی: هر تغییر شیمیایی یا فیزیكی بهطور طبیعی در جهتی پیشرفت میكند كه به سطح انرژی پاینیتر )H كوچكتر( و آنتروپی باالتر )S بزرگتر( برسد. افزایش بینظمی واكنش تبدیل NO 2 )g( به N 2 O 4 )g( مفهوم آنتروپی در س ال 1865 تو س ط ر و د و لف كالزیوس دانشمند آملانی ب رای توجیه جهت اجنام فر ا یند ها ی فیز یكی و شیمیایی ارائه شد. بسیاری از واكنش های شیمیا یی ما نند سو خنت كاغذ در شرایط معنی در یك جهت خاص خودبه خود اجنام می شوند درحالی كه در جهت عكس به طور خودبه خود پیشرفتی منی كنند. كاهش بینظمی 67

75 فکر کنید 1 مطابق معادلۀ زیر اتان را می توان از واكنش ا تنی با هیدروژن تهیه كرد. برای این واكنش S مثبت یا منفی است چرا C 2 H 2 (g)+2h 2 (g) C 2 H 6 (g) 2 شكل زیر را بادقت نگاه كنید. برای واكنش نشان داده شده S مثبت یا منفی است توضیح دهید. بیشتر بدانید ٠ و 1 ال ن و پس از اجنام واكنش و ی و حالتی را درنظر بگیرید که در آن تعداد معینی از مولکول ها درون سامانۀ گازی در دما و حجم ثابت ل ا وجود دارند. هر مولکول در این سامانه افزون بر جنبش های انتقالی جنبش های چرخشی و ارتعاشی نیز دارد. اگر برای این سامانه تغییر دما در حجم ثابت یا تغییر حجم در دمای ثابت رخ دهد هر مولکول میتواند موقعیتهای گوناگونی را نسبت به دیگر مولکولها داشته باشد. به هریک از این موقعیتهای گوناگون و قابل دسترس یک ریز حالت گفته میشود و تعداد ریز حالتها برای یک حالت از سامانه تابع قواعد آمار و احتمال است. تصور کنید در یک سامانۀ منزوی با دما و حجم ثابت دو امت متیزپذیر هلیم )ایزوتوپ 4 2 He با مناد و ایزوتوپ 3 2 He با مناد ) وجود دارند. با باز شدن شیر بنی دو حباب در این ظرف این دو امت میتوانند به شکلهای گوناگونی در این دو حباب توزیع شوند. هریک از الگوهای توزیع در این سامانه یک ریزحالت بهشمار میرود. به جدول زیر دقت کنید. ی ت ( ل ا( 1 ا ت ل ت 1 ٤ ٢ ١ ٤ = ٢ ١ ٤ جمع احتمالها = ١ 2 1 جمع ریزحالت ها = ٤ 1 و 1 2 و ٠ مطابق جدول هرچه شمار ریزحالتها )راههای توزیع ذرهها در یک سامانۀ منزوی( بیشتر باشد احتمال توزیع و دسترسی به آن حالت بیشتر است. به دیگر سخن حالتهای نامنظم احتمال وقوع و 68

76 دسترسی بیشتری از حالت های منظم دارند. این الگو نشان می دهد هرچه تعداد ریزحالت ها یا راه های توزیع ذره ها در یک سامانۀ منزوی بیشتر باشد آنتروپی سامانه بیشتر خواهد بود. همچننی هرچه تعداد ذره های موجود در سامانۀ منزوی بیشتر باشد تعداد ریز حالت ها برای انرژی درونی ثابت بیشتر و آنتروپی نیز بیشتر است. از این رو آنتروپی یک کمیت مقداری است. برای درک این مطلب به توزیع سه امت متیزپذیر نئون در یک سامانۀ منزوی با دما و حجم ثابت توجه کنید. ا ان ن ل ) اد را SE ١ ١ ٨ ٣ ٣ ٨ ٣ ٣ ٨ ٢ ١ Ne : ٢1 ١ Ne : ٢2 ١ Ne : H ١ جمع ریزحالت ها = ٨ ١ ٨ جمع احتمال ها = ١ G ٣ و ٠ ت A ٢ و ١ M ١ و ٢ I ٠ و ٣ ل ا) ا ا در این سامانه نیز حالت های ( ١ و )٢ و ( ٢ و )١ ریزحالت های بیشتری را دربر داشته از این رو احتمال IR توزیع و درنتیجه آنتروپی بیشتری دارند. نخستنی بار لودویک بولتزمن فیزیکدان اتریشی ( ١٩٠٦ ــ )١٨٤٤ این توصیف از آنتروپی نشان می دهد که باید S را وابسته به احتمال بدانیم نه وابسته به بی نظمی واژه ای که در ذهن تنها آشفتگی را تداعی می کند. پس از تالش و پژوهش های دقیق دریافت که آنتروپی ( )S با تعداد ریزحالت های ممکن برای سامانه رابطه مستقیم دارد. این رابطه بر روی سنگ قبر وی نیز حک شده است. به هنگام اظهارنظر دربارۀ خود به خودی بودن یا نبودن این واكنش ها باید به نقش هر دو A در بیشتر واكنش های شیمیایی هم آنتروپی و هم آنتالپی تغییر می كند بنابراین M پیش گویی جهت اجنام واكنش های شیمیایی عامل (آنتالپی و آنتروپی) توجه كرد. در واقع هر دوی آنها در شرایط معنی بر خودبه خود اجنام شدن یك واكنش تأثیر می گذارند و در حقیقت رقابت بنی این دو عامل است كه تعینی می كند واكنش در كدام جهت پیشرفت می كند. این دو عامل گاهی در یك جهت و گاهی در خالف جهت هم عمل می كنند. واكنش های خودبه خود H <0 : و S >0 69

77 واكنشهای غیر خودبهخود: 0< H و 0> S برای روشنشدن مطلب دو مثال را با هم بررسی میكنیم. * واكنش سوخنت اتانول را درنظر بگیرید: C 2 H 5 OH(l) +3O 2 (g) 2CO 2 (g) +3H 2 O(g) این واكنش گرماده است و آنتروپی آن هم افزایش مییابد )چرا (. پس برای این واكنش دو عامل آنتالپی و آنتروپی در یك جهت عمل میكنند و واكنش خودبهخود اجنام میشود ولی واكنش معكوس سوخنت اتانول یعنی: 2CO 2 (g) +3H 2 O(g) C 2 H 5 OH(l) +3O 2 (g) هم گرماگیر و هم با كاهش آنتروپی همراه است. چون گرماگیر بودن و كاهش آنتروپی عوامل مساعدی برای اجنام واكنش نیستند پس این واكنش خودبهخود اجنام منیشود. * واكنش سوخنت هیدروژن را درنظر بگیرید شکل ١٥. 2H 2 (g) +O 2 (g) 2H 2 O(g) مقدار آنتروپی یك سامانه در صفر مطلق برابر با صفر درنظر گرفته میشود. در قانون دوم ترمودینامیك آنتروپی به عنوان مالكی برای توضیح خودبه خود بودن فرایندهای طبیعی معرفی میشود. H 2 O 2 شكل 15 سوخنت H 2 میدانید كه این واكنش به شدت گرماده است ولی در این واكنش آنتروپی كاهش مییابد )چرا (. گرماده بودن واكنش عامل مساعدی برای خودبهخود اجنام شدن واكنش است ولی كاهش آنتروپی برخالف آن عمل می كند. پس در این واكنش دو عامل آنتالپی و آنتروپی در خالف جهت هم عمل می كنند و هر كدام كه اثر بیشتری داشته باشد واكنش را كنترل می كند. چون سوخنت هیدروژن خودبه خود اجنام می شود بنابراین در این مورد گرماده بودن واكنش یا كاهش آنتالپی بر كاهش آنتروپی غلبه می كند. انرژی آزاد گیبس چنان كه دیدید آنتروپی و آنتالپی اجنام یك حتول یا تغییر خودبه خودی را كنترل می كنند در ضمن با شیوۀ رقابت آنها نیز تا حدودی آشنا شدید. از این رو مناسب به نظر می رسد 70

78 كمیت ترمودینامیكی دیگری را تعریف كنیم كه بنی آنتالپی و آنتروپی ارتباط برقرار می كند و به كمك آن بهتر می توان دربارۀ رقابت آنها بحث كرد. كمیتی كه آنتروپی و آنتالپی را به هم ربط می دهد انرژی آزاد نامیده می شود. انرژی آزاد مقدار انرژی در دسترس برای اجنام یك فرایند تعریف می شود. ویالرد گیبس فیزیك دان آمریكایی برای انرژی آزاد معادله ای به دست آورد که به همنی دلیل و به افتخار او این انرژی را انرژی آزاد گیبس نامیده اند. انرژی آزاد گیبس را با حرف G منایش می دهند. تغییر انرژی آزاد گیبس با معادلۀ زیر تعریف می شود: دما )به کلوین( G = H - T S تغییر آنتروپی آنتالپی واکنش تغییر انرژی آزاد گیبس چنان كه از این معادله برمی آید G به دما بستگی دارد. این كه كدام یك H یا S جهت واكنش را تعینی می كند به مقدار و عالمت آنها بستگی دارد. انرژی آزاد گیبس تابع حالت است و تغییر آن فقط به حالت آغازی و پایانی هر تغییر یا حتول بستگی دارد. شود یا نه. با توجه به عالمت G می توان گفت كه آیا یك تغییر می تواند خود به خود اجنام آ( برای یك تغییر خودبه خودی 0> G است. ب( برای یك تغییر غیرخودبه خودی 0< G است. عالمت G به عالمت و مقدار H و عبارت -T S بستگی دارد. در شكل H ١٦ و عبارت -T S كه به روش های مختلف با هم تركیب شده اند نشان داده شده است. این واقعیت كه مقدار عددی عبارت -T S به دما بستگی دارد نشان می دهد كه برخی تغییرها با توجه به شرایط دمایی ممكن است خودبه خودی یا غیر خودبه خودی باشند. برای مثال در <G )غیر خودبهخودی( واكنشدهندهها ویالردگیبس 1903( )1839 G G< )خودبهخودی( واكنشدهندهها T S H T S H T S H H T S T S H T S H اگر مقدارG برای واكنشی صفر باشد در این صورت واكنش در هر دو مسیر خودبه خود خواهد بود و گفته می شود كه واكنش در تعادل است. با بحث تعادل در سال آینده آشنا خواهید شد. فراورده ها فراورده ها 71 شكل 16 حالت های مختلفی كه H و عبارت -T S می توانند بر یكدیگر اثر بگذارند. اگر برایند دو بردار به سمت پاینی باشد واكنش خود به خودی اجنام می شود. اگر برایند به سمت باال باشد واكنش غیر خود به خود خواهد بود.

79 دمای پاینی یك H نامساعد )مثبت( ممكن است از -T S مساعد )منفی( بزرگتر باشد ولی در دمای باالتر مقدار -T S افزایش یابد و بزرگتر از H شود. از اینرو یك تغییر گرماگیر كه در دمای پاینی غیرخودبهخود است میتواند در دمای باال بهطور خودبهخود اجنام شود. نمونۀ حل شده با استفاده از داده های زیر نشان دهید که واکنش سوخنت گاز هیدروژن در دمای 25 C خود به خود است. 2H 2 (g) + O 2 (g) 2H 2 O(g) H = -484kJ S = -89J.K -1 توجه کنید که در رابطۀ پاسخ: با استفاده از رابطه گیبس G واکنش را بهدست میآورمی: گیبس یکای دما کلوین )K( و یکای آنتروپی ژول بر کلوین ( -1 )J.K است. G = H -T S J 1kJ G = 484kJ ( )K 89 ) = / kj K J چون 0 < G است پس واکنش در این دما خود به خود است. خود را بیازمایید 1 جدول زیر را كامل كنید. G S ΔH منفی منفی آیا واکنش خود به خود است بله در همۀ دماها خیر در هیچ شرایطی 2 كدام یک از واكنشهای زیر در دمای اتاق در جهت نشان داده شده خود به خود است چرا 4NO(g) + 6H 2 O(g) 4NH 3 (g) + 5O 2 (g) H = +906kJ آ( S = -20J.K -1 2H 2 O 2 (aq) ٢H 2 O(l) + O 2 (g) H = -186kJ S = 140J.K -1 ب( 72

80 بخش 3 محلول ها آب دریا منونه ای از محلول هاست که ساالنه میلیون ها ت ن منک از آن استخراج می شود. در زندگی روزانۀ خود با محلولهای گوناگونی سروكار دارید. هوایی كه تنفس میكنید چای و نوشیدنیهای دیگری كه مینوشید سكهای كه در جیب خود دارید مایعهای پاككنندهای كه برای شستوشو استفاده میكنید بنزین و گازوئیلی كه بهعنوان سوختدرباكوسایطنقلیهمیریزیدوازهمهمهمترآبیكهروزانهبارهاوبارهابرایمصارف مختلفی چون شسنت پخنت و نوشیدن استفاده می كنید همگی محلول اند. محلول ها نقش مهمی در زندگی ما دارند. در این بخش با خواص و كاربرد محلول ها بیشتر آشنا می شوید. 73 محلول ها منونه ای از مواد ناخالص آموختهاید كه مواد را به دو دستۀ خالص )شامل عنصر و تركیب( و ناخالص )شامل مخلوط همگن یا محلول و مخلوط ناهمگن( طبقهبندی میكنند. در سال گذشته با ساختار و رفتار عنصرها و تركیبهای شیمیایی نیز آشنا شدید و اطالعات بسیاری دربارۀ

81 آنها به دست آوردید اما دستۀ بزرگ تری از مواد شیمیایی هستند كه با عنوان مواد ناخالص یا مخلوط شناخته می شوند. فکر کنید دانشآموزی منودار دایرهای زیر را برای دستهبندی مواد پیشنهاد داده است. شما نیز با بررسی تصویرهای داده شده نام هر یک از آنها را در مکان مناسب روی منودار بنویسید. نوشابه روغن آب ساختارهای غولآسا عنصرها ترکیب ها مولکول ها مخلوطها )مواد ناخالص( محلول ها شکر مس منک خوراکی املاس س آب 74

82 فاز چیست یك لیوان پر از آب خالص را در نظر بگیرید. آیا رنگ بو طعم و حالت فیزیكی آب در همه جای درون لیوان یكسان است خواصی مانند چگالی ضریب شكست نور ظرفیت گرمایی ویژه و نقطۀ جوش چطور اگر فضای درون این لیوان را كه با آب خالص پر شده است یك سامانه در نظر بگیرید مشاهده ها نشان می دهد كه خواص شدتی این سامانه در همه جای آن یكسان است. صرف به كار بردن واژۀ حالت برای معرفی این ویژگی ها یعنی یكسان و یكنواخت بودن تركیب شیمیایی و حالت فیزیكی مادۀ تشكیل دهندۀ این سامانه كافی نیست. از این رو به جای واژۀ حالت از واژۀ فاز استفاده می شود. برای یك مادۀ خالص اغلب این دو واژه هم معنا هستند. برای مثال آب در حالت بخار را آب در فاز بخار نیز میگویند. به این ترتیب یخ فاز جامد آب خواهد بود. اگر نیمی از آب درون لیوان را خالی كنیم در این صورت سامانه یادشده دارای دو فاز بخشی از لیوان كه با آب پر شده )یك فاز مایع( و بخشی از لیوان كه با هوا پر شده )یك فاز گاز( خواهد شد. افزودن یك قطعه یخ یا مقداری روغن مایع درون این لیوان تعداد فازها را به سه افزایش میدهد )چرا در هر مورد این فازها كداماند ( به چننی سامانهای مخلوط ناهمگن گفته میشود. در مخلوطهای ناهمگن همواره مرز میان فازها قابل تشخیص است. به مرز میان دو فاز فصل مشترك گفته میشود. اگر در مخلوطی این مرزها قابل تشخیص نباشد و مخلوط تنها یك فاز بهوجود آورد در این صورت این مخلوط یك فازی را مخلوط همگن یا محلول میگویند. فکر کنید مخلوطهای زیر تهیه شدهاند. با توجه به تعریف فاز در هر سامانه تعداد فازهای موجود را تعینی كنید. بهنظر شما كدام مخلوط ناهمگن و كدام محلول است چرا آ( مخلوط اتانول و آب ب( مخلوط روغن با آب و مقداری منك خوراكی پ( مخلوط آب روغن و جیوه ت( مخلوط آب یك قطعه یخ روغن و یك قطعه آهن بخشی از یك سامانه كه خواص شدتی در همه جای آن یكسان است فاز نامیده میشود. یخ در اثر جذب گرما ذوب و به آب مایع تبدیل میشود. در اینجا یخ یك فاز جامد را تشكیل میدهد. ولی بر اثر ذوب شدن به یك فاز مایع تبدیل میشود بنابراین در اینجاتغییرفازرخدادهاست زیرا یك فاز به فاز دیگری تبدیل شده است. هنگامی كه مادۀ خالصی تغییر فاز می دهد ماهیت شیمیایی آن تغییر منیكند بنابراین تغییر فاز یك تغییر فیزیكی است.بهطوركلیهر كدام از تبدیلهای جامد به مایع مایع به بخار بخار به جامد مایع به جامد و جامد به بخار یك تغییر فاز بهشمار میآید. 75 محلول های مایع و اجزای آنها یك محلول دست كم از دو جزء تشكیل شده است: حالل و حل شونده. جزئی كه حل شونده را در خود حل می كند و معموال درصد بیشتری از محلول را تشكیل می دهد

83 در اثر نشت نفت خام به آب دریا یک مخلوط دوفازی تشکیل میشود که آثار زیانبار زیست محیطی بهدنبال دارد. CH 3 CH 2 OH O حالل نام دارد. در محلول آب منك آب حالل و منك خوراكی حلشونده است. اغلب محلولهای موجود در طبیعت شامل یك حالل و چند حلشونده هستند. آب دریا منونهای از این نوع محلولهاست. برخی از اجزای این محلول را نام ببرید. آب فراوانترین و رایجترین حالل شناخته شده است. این حالل تركیبهای یونی و مولکولی بسیاری را در خود حل میكند. محلولهایی كه حالل آنها آب است محلول آبی نامیده میشوند. آب و محلولهای آبی نقش مهم ی در زندگی روزانه دارند. اغلب فرایندهای زیست شیمیایی از قبیل هضم جذب و سوختوساز مواد غذایی در محلول آبی اجنام می شوند. در صنایع شیمیایی تعداد زیادی از واكنش ها در محیط آبی صورت میگیرد. گرچه آب مهمترین حالل شناخته شده است اما حاللهای مهم دیگری نیز وجود دارد. هگزان اتانول و استون سه منونۀ مهم از حاللهای آلی هستند )جدول 1(. به محلول حاصل از حاللهای آلی محلول غیر آبی میگویند. CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 CH 3 CCH 3 اطالعات جمع آوری کنید جدول 1 برخی حاللهای آلی و كاربردهای آنها هگزان آلكانی با 6 امت كربن است و مولكولهایی ناقطبی دارد. این ماده حالل بسیار مناسبی برای تعداد زیادی از تركیبهای ناقطبی است. هگزان مایع بیرنگ و فراری است كه از نفت خام بهدست میآید و بهعنوان رقیقكننده )تینر( در رنگهای پوششی كاربرد دارد. اتانول پس از آب اتانول مهمترین حالل صنعتی است. این مایع بیرنگ و فرار به هر میزان با آب مخلوط میشود. از اتانول برای ضدعفونی كردن زخمها و تولید مواد دارویی آرایشی و بهداشتی نیز استفاده میشود. ا ستون حالل مناسبی برای چربیها رنگها و انواع الكهاست. این مایع بیرنگ و فرار به هر نسبت در آب حل میشود و از جمله حاللهای پركاربرد در آزمایشگاههای شیمی بهشمار میآید. در زندگی روزانه و در صنعت از حالل های آلی دیگری نیز استفاده می شود. در یك فعالیت گروهی فهرستی از این حالل ها خواص و كاربردهای آنها همچننی آثار زیان باری كه بر محیطزیست و سالمت انسان میگذارند تهیه كنید و نتیجه را در قالب یك روزنامۀ دیواری به كالس ارائه دهید. 76

84 انحالل پذیری مواد در آب نام در شیمی 1 با مفهوم انحاللپذیری آشنا شدید. میدانید كه در دمای یكسان میزان حل شدن مواد مختلف در آب متفاوت است. بیشترین مقدار از یك ماده كه در دمای معنی در 100 گرم آب حل میشود انحاللپذیری آن ماده را در آب مشخص میكند. در جدول 2 انحاللپذیری برخی از تركیبهای شیمیایی در آب در دمای 20 C داده شده است. فکر کنید جدول 2 انحالل پذیری برخی تركیب های شیمیایی در آب در 2 C متانول اتانول شكر )ساكارز( 1 هگزانول نقره كلرید هیدروژن كلرید كلسیم سولفات بارمی سولفات پتاسیم نیترات فرمول شیمیایی حل شونده انحالل پذیری 100 gh2o CH 3 OH C 2 H 5 OH C 12 H 22 O 11 C 6 H 13 OH AgCl HCl CaSO 4 BaSO 4 KNO 3 به هر نسبتی در آب حل می شود. به هر نسبتی در آب حل می شود. 2 5 /59 كمتر از / 2 63 /21 کمتر از / 3 34 با توجه به دادههای جدول 2 به پرسشهای زیر پاسخ دهید. آ( انحاللپذیری برای كدام یک از تركیبها از یك گرم حلشونده در 100 گرم آب بیشتر است ب( انحاللپذیری برای كدام یک از تركیبها از 0/01 گرم حلشونده در 100 گرم آب کمتر است پ( انحاللپذیری كدام یک از تركیبها بنی 0/01 تا 1 گرم حلشونده در 100 گرم آب است ت( اگر بخواهیم هر یك از موارد آ ب و پ را با عنوانهای نامحلول كممحلول و محلول دستهبندی كنید در این صورت كدام نام را به كدام مورد آ تا پ نسبت میدهید 77

85 چرا محلول ها به وجود می آیند به آزمایشهای نشان داده شده در شكل 1 به دقت نگاه كنید. در هر آزمایش چه تركیبهایی با هم آمیخته شده است در كدام مورد دو مادۀ آمیخته شده انحاللپذیر و در كدام مورد انحاللناپذیر هستند حالل درصنایعمختلفیچون رنگ و رزین كاربرد دارد. 78 آب یون كلرید - Cl یون لیتیم + Li CH 3 )آ( تولوئن یك هیدروكربن آروماتیك است و به مقدار زیادی در قطران زغالسنگ تولوئن یافت میشود. مایعی بیرنگ و آتشگیر است و به عنوان شكل 1 مخلوط آ( لیتیم كلرید جامد با آب )حالل( ب( لیتیم كلرید جامد با تولوئن )حالل( پ( تولوئن و آب لیتیم كلرید تولوئن آب )ب( )پ( بدون اجنام آزمایش نیز میتوان انحاللپذیری یك ماده در یك حالل و تشكیل محلولها را پیشبینی كرد. براساس آگاهی از نوع و میزان نیروهای جاذبۀ موجود بنی ذرههای تشكیلدهندۀ حل شونده و حالل پیش و پس از مجاورت با یکدیگر پیشبینی انحاللپذیر بودن یا نبودن حل شونده در حالل یاد شده امكان پذیر است. به شكل 1. آ توجه كنید. LiCl تركیبی یونی است كه در آن یون های + Li و - Cl در یك شبكۀ بلوری قرار دارند و با پیوند یونی یکدیگر را به شدت جذب می كنند. آب مولكول هایی قطبی دارد به طوری كه در یك سر جزئی بار مثبت )امت های H( و در سر دیگر جزئی بار منفی )امت O( دارند. هنگامی كه LiCl در آب حل میشود جاذبهای قوی بنی یون - Cl و سر مثبت مولكولهای آب )O )Cl -... H 2 و یون + Li با سر منفی مولكولهای آب ( + Li H( 2...O بهوجود میآید. این جاذبۀ یوندوقطبی انرژی الزم را برای جدا شدن یونهای + Li و - Cl از شبكۀ بلور فراهم میكند. بهطوركلی تركیبهای یونی متایل دارند در حاللهای قطبی حل شوند. البته میزان این انحاللپذیری برای تركیبهای

86 كلروفرم متانول یونی مختلف متفاوت است و به نوع یون های سازنده و ساختار بلوری آنها بستگی دارد. دوقطبی ـ دوقطبی به شكل.1 ب دقت كنید. تولوئن تركیبی آلی است و مولكول های ناقطبی دارد. بنی متانول آب این مولكول ها نیروهای جاذبه وان دروالس وجود دارد كه از جمله نیروهای بنی مولكولی پیوند هیدروژنی ضعیف به شمار می آیند. درحالی كه LiCl تركیبی یونی است. وقتی این دو با هم آمیخته N تولوئن به اندازه ای نیست كه بتواند می شوند نیروی جاذبه بنی یون های منك و مولكول های یون سدمی Na آب بر پیوندهای یونی در شبكۀ بلوری LiCl غلبه كند. مشاهدۀ جتربی نیز درستی این ادعا را ثابت می كند. بنابراین می توان گفت كه تركیب های یونی در مواد ناقطبی حل منی شوند. I اوكتان M فکر کنید یون ـ دوقطبی 1 ـ با توجه به شكل.1 پ آیا تولوئن در آب حل شده است این مشاهدۀ جتربی را SE توجیه كنید. دوقطبی القایی ـ دوقطبی القایی A را در خود حل می كند». هگزان استون 2 ـ نفتال ن در تولوئن حل می شود. آیا از این مشاهده می توان نتیجه گرفت كه مولكول های نفتال ن ناقطبی اند به عبارت دیگر آیا می توان نتیجه گرفت كه «شبیه شبیه هگزان دوقطبی ـ دوقطبی القایی هگزان یون كلرید یون ـ دوقطبی القایی بنی مولكولی از نوع پیوند هیدروژنی است. بنی مولكول های قطبی آب نیز پیوند هیدروژنی نیروی جاذبۀ بین مولكول آب و یك یون از نوع یون ــ دوقطبی است. این جاذبۀ بین ذره ای از جاذبۀ دوقطبی ــ دوقطبی و پیوند هیدروژنی قوی تر و از پیوند یونی (جاذبۀ یون ــ یون) ضعیف تر است. G H انحالل اتانول در آب را در نظر بگیرید. در تركیب هایی مانند اتانول نیروهای انواع برهم كنش های بنی ذره ای وجود دارد. وقتی اتانول در آب حل می شود پیوندهای هیدروژنی تازه ای بنی مولكول های اتانول و مولكول های آب به وجود می آید. میزان این نیروهای جاذبۀ بنی مولكولی به اندازه ای مولكول های آب غلبه كرده باعث انحالل اتانول در آب می شود. شكل 2 پیوندهای هیدروژنی بنی مولكول های اتانول و آب را نشان می دهد. براساس این یافتۀ جتربی (انحالل اتانول در آب) كدام پیوند هیدروژنی نشان داده شده در این شكل باید قوی تر باشد چرا H توجه کنید که برخی از مولكول ها در ساختار خود یك بخش قطبی و یك بخش انحالل پذیری چننی ترکیب هایی در آب بستگی به این دارد که کدام بخش بر دیگری غالب است. بخش قطبی (ب) O H H H H C C C C H H H H بخش ناقطبی H O H بخشقطبی ( آ ) شكل 3 آ) اتانول ب) 1 ـ بوتانول H C C H H بخش ناقطبی H H H (آ) O H ( C 2 H 5 ب) C 2 H5 O H H O H A ناقطبی دارند 1. ـ بوتانول و اتانول از این دست تركیب ها هستند شكل.3 O H O H M IR است كه بر پیوندهای هیدروژنی بنی مولكول های اتانول و پیوندهای هیدروژنی بنی H O H ( C2 H 5 پ) شكـل 2 پیونـد هیدروژنـی آ) بنی مولكول های آب ب) بنی مولكول های اتانول پ) بنی مولكول های آب و مولكول های اتانول 79

87 فکر کنید جدول زیر انحالل پذیری برخی از الکل های راست زجنیر را در آب نشان می دهد. با بررسی آن به پرسش های مطرح شده پاسخ دهید. الکل ها و اسیدهای آلی حداکثر با پنج کربن در آب محلول هستند. دهید. متانول اتانول نام الکل 1 پروپانول 1 بوتانول 1 پنتانول 1 هگزانول فرمول ساختاری الکل CH 3 OH CH 3 CH 2 OH CH 3 CH 2 CH 2 OH CH 3 (CH 2 ) 3 OH CH 3 (CH 2 ) 4 OH CH 3 (CH 2 ) 5 OH گرم حل شونده انحالل پذیری 100 gh2o به هر نسبتی در آب حل می شود. به هر نسبتی در آب حل می شود. به هر نسبتی در آب حل می شود. 8/21 2/7 /59 آ( بخش های قطبی و ناقطبی را در هر یک از الکل ها مشخص کنید. ب( انحالل پذیری الکل ها با افزایش تعداد کربن چه تغییری می کند با دلیل توضیح خود را بیازمایید در شكل زیر ساختار ویتامنی A )رتینول( و ویتامنی C )آسكوربیك اسید( نشان داده شده است. به این شكل ها با دقت نگاه كنید و سپس به پرسش های مطرح شده پاسخ دهید. CH H 3 CH 3 C C H C C H H C H C C CH 3 H H C H CH 3 C C H H C C H CH 3 C C H H C O H H O C C H O O H H O C C C H H H C H O H O باشد چرا چرا ویتامنی C ویتامنی A )رتینول( آ( بخش های قطبی هر مولكول را روی شكل نشان دهید. ب( به نظر شما كدام یك از این ویتامنی ها باید در آب و كدام یك در چربی انحالل پذیر پ( مصرف بیش از اندازۀ الزم از كدام ویتامنی برای بدن مشكلی ایجاد منی كند 80

88 81 آنتالپی انحالل + H 2 + H 3 H 1 + فرایند انحالل با مبادلۀ انرژی همراه است. تغییر آنتالپی مربوط به حل شدن یك مول انحالل H ( مینامند. حلشونده در مقدار زیادی حالل را گرمای انحالل یا آنتالپی انحالل ( انحالل یك تركیب مولكولی در آب را در نظر بگیرید. این انحالل از دید مولكولی شامل سه مرحله است شكل 4. فکر کنید 1 جدا شدن مولكول های حل شونده از یکدیگر 2 جدا شدن مولكول های آب از یکدیگر 3 پراكنده شدن همگن مولكول های حل شونده بنی مولكول های آب محلول شكل 4 مراحل سه گانۀ انحالل یك تركیب مولكولی فرضی در آب این مراحل به طور همزمان اجنام می شوند. حل شونده حالل انرژی ١ با توجه به شكل 4 به پرسشهای مطرح شده پاسخ دهید. آ( هر یك از مراحل 2 1 و 3 را روی منودار مشخص كنید و در هر مورد گرماده یا گرماگیربودن مرحلۀ یادشده را با بیان علت معلوم كنید. ب( براساس قانون هس رابطهای میان H 2 H 1 و H 3 با آنتالپی انحالل بنویسید. پ( این انحالل در مجموع گرماده یا گرماگیر است چرا ٢ جتربه نشان میدهد كه انحالل شكر )ساكارز( بهعنوان مثالی از تركیبهای مولكولی در آب فرایندی گرماگیر است.

89 آ( این مشاهده را با توجه به آنتالپی مراحل سهگانۀ یادشده توجیه كنید. ب( با توجه به گرماگیر بودن فرایند انحالل شكر در آب چرا این فرایند بهطور خودبهخودی روی میدهد انحالل H ( افزایش دما چه تأثیری بر پ( انتظار دارید كه در یك انحالل گرماگیر )0> انحاللپذیری حلشونده در آب داشته باشد چرا اكنون به فرایند انحالل یك تركیب یونی مانند NaCl در آب توجه كنید شكل 5. این انحالل نیز شامل سه مرحله است. H O H H H O Na + (aq) یونهای آب پوشیده Cl - (aq) كاتیون سدیم مولكول قطبی آب آنیون كلرید شكل 5 انحالل سدمی كلرید در آب( به تأثیر متقابل مولكولهای آب با یونهای سدمی و كلرید توجه كنید. 1 فروپاشی شبکۀ بلوری : NaCl این مرحله با صرف انرژی همراه است بنابراین گرماگیر بهشمار میآید. NaCl(s) Na + (g)+cl - (g) H 1 =+786 kj.mol -1 2 جدا شدن مولكول های آب از یکدیگر: این مرحله نیز گرماگیر است. 3 برقراری جاذبۀ قوی بنی یون ها ( + Na ) Cl - و مولكول های آب: این مرحله گرماده است و طی آن انرژی زیادی آزاد می شود. مجموع مراحل 2 و 3 را مرحلۀ آب پوشی می نامند. در این مرحله یون های + Na و - Cl به وسیلۀ مولكول های آب احاطه می شوند. مرحلۀ آب پوشی در مجموع گرماده است. مقدار آنتالپی انحالل NaCl در آب جمع جبری گرمای الزم برای فروپاشی شبكۀ بلوری NaCl و گرمای آزاد شده در اثر آب پوشی یون های + Na و - Cl است. 82

90 نمونۀ حل شده اگر انرژی الزم برای فروپاشی شبكۀ بلوری NaCl )آنتالپی شبكه شبكه H ( 786 كیلوژول برمول و مجموع انرژی آزاد شده در آبپوشی )آنتالپی آبپوشی آبپوشی H ( در برخی منابع علمی انرژی شبكۀ یك جامد یونی را یونهای + Na و - Cl 783 كیلوژول برمول باشد آنتالپی انحالل NaCl را در آب محاسبه انرژی تشكیل یك شبكۀ بلوری از یونهای سازندۀ آن كنید. پاسخ: شبكه H =NaCl = انرژی فروپاشی شبكه بلوری +786 kj.mol -1 آب پوشی H = Cl - و Na + = مجموع انرژی آب پوشی یون های -783 kj.mol -1 انحالل H شبكه H = آب پوشی H + = NaCl = آنتالپی انحالل +3 kj.mol -1 آنتروپی و انحالل همانطوركه مالحظه كردید آنتالپی انحالل سدمی كلرید 3 كیلوژول برمول است. یعنی برای انحالل یك مول NaCl در آب 3 كیلوژول گرما الزم است. با وجود گرماگیر بودن انحالل NaCl در آب خودبهخودی اجنام میشود زیرا بهجز آنتالپی باید به عامل دیگری در انحالل مواد توجه كرد. تغییر آنتروپی بر فرایند انحالل بسیار مؤثر است. با بهكارگیری قواعد زیر میتوان میزان تأثیر این عامل را پیشبینیكرد: آ( حل شدن جامد در مایع اغلب با افزایش آنتروپی همراه است. زیرا ذرههای تشكیل دهندۀ یك جامد بلوری آرایش بسیار منظمی دارند و در اثر حل شدن ذره ها از این حالت بسیار منظم خارج شده درون مایع پراكنده میشوند و ضمن جنبش دائمی آزادی عمل بیشتری پیدا میكنند. ب( حل شدن مایع در مایع نیز با افزایش آنتروپی همراه است زیرا دو مایع كه در یکدیگر حل میشوند حجم بیشتری نسبت به دو مایع جدا از یکدیگر پیدا میكنند. بنابراین در این فضای بزرگ تر آزادی عمل و جنبش ذره های دو مایع در حالت محلول بیشتر میشود. پ( حل شدن گاز در مایع با كاهش آنتروپی همراه است زیرا بنی ذرهها در حالت گازی نیروی جاذبۀ ناچیزی وجود دارد و از اینرو ذرهها آزادی عمل بیشتری دارند. تعریفمیكنند.با اینتعریف مقدار انرژی شبكۀ NaCl چهقدر است هنگامی كه گازی در یك حالل مایع حل میشود نیروی جاذبۀ بنی ذرهای افزایش مییابد و آزادی عمل آنها کمتر میشود. به عبارتی این نیروهای جاذبه از متایل آنها به بینظمی میكاهند. 83

91 خود را بیازمایید با بیان علت مشخص كنید كه فرایند انحالل در كدام مورد با افزایش آنتروپی و در كدام مورد با كاهش آنتروپی همراه است آ( اتانول در آب ب( گاز آمونیاك در آب پ( پتاسیم كلرید در آب بسته های تولید كنندۀ سرما و گرما كه در بازار به فروش می رسند. بستۀ ایجاد كنندۀ سرما دارای آمونیوم نیترات و آب و بستۀ آزاد كنندۀ گرما دارای كلسیم كلرید و آب است. 84 فکر کنید 1 انحالل پتاسیم هیدروكسید و پتاسیم نیترات در آب به ترتیب گرماده و گرماگیر است. اگر هنگام این دو انحالل هیچ گونه مبادلۀ انرژی با محیط پیرامون وجود نداشته باشد دمای محلول آنها چه تغییری می كند چرا 2 شکل روبه رو محلول ی د در تولوئن را نشان می دهد. با این که در طی فرایند انحالل دمای محلول تغییر محسوسی منی کند توضیح دهید چرا حل شدن ی د در تولوئن خود به خود اجنام می شود بیشتر بدانید اغلب ورزشكاران برای درمان آسیبدیدگیهای خود از بستههایی استفاده میكنند كه گرما یا سرما را سریعا انتقال میدهند. این بستهها كه از وسایل كمكهای اولیه بهشمار میآیند طرز کارشان بر پایۀ آنتالپی انحالل استوار است. این بستهها از یك كیسۀ پالستیكی تشكیل شدهاند كه درون آن یك بستۀ كوچك آب و یك مادۀ شیمیاییبه صورت گرد وجود دارد. ضربه زدن به كیسۀ پالستیكی موجب میشود كه بستۀ كوچك آب پاره شده مادۀ شیمیایی در آن حل شود. اگر انحالل مادۀ شیمیایی در آب گرماده باشد دمای بسته افزایش و اگر این انحالل گرماگیر باشد دمای بسته كاهش مییابد. معموال در بستههای تولیدكنندۀ گرما از کلسیم کلرید و در بستههای تولیدكنندۀ سرما از آمونیم نیترات استفاده میشود. فرایند انحاللی كه در هر مورد رخ میدهد عبارت است از: HO HO CaCl (s) Ca (aq) Cl (aq) NH NO (s) NH (aq) NO (aq) انحالل H =-83 kj انحالل H =+26 kj آزمایش ها نشان می دهد كه افزودن 40 گرم )0/36 CaCl 2 مول )CaCl 2 به 100 میلی لیتر

92 آب 20 C دمای آب را تا 90 C افزایش می دهد. از سوی دیگر هرگاه 30 گرم )0/38 NH 4 NO 3 مول )NH 4 NO 3 را به 100 میلی لیتر آب 20 C بیفزاییم دمای آب به 0 C كاهش می یابد. بسته های تولید كنندۀ سرما یا گرما در حدود 20 دقیقه كار می كنند. همچون دانشمندان 1 شكل زیر منودار انحالل پذیری چند تركیب یونی را نشان می دهد. با دقت به این منودار نگاه كنید و به پرسش های مطرح شده پاسخ دهید. آ( اگر بخواهید محلول های سیر شده ای از پتاسیم كلرید در دماهای 40 C 0 C و 80 C تهیه كنید در هر مورد چند گرم KCl را باید در 100 گرم آب حل كنید ب( جدول زیر را كامل كنید. تأثیر دما بر انحالل پذیری KNO 3 و KCl را با هم مقایسه كنید. مادۀ حل شونده انحالل پذیری در آب NaNO 3 NaCl 50 C 30 C 0 C Pb(NO ) 3 2 KNO 3 KCl KNO 3 KCl KClO K Cr O Li SO 2 4 انحالل پذیری )گرم حل شونده در 100 گرم آب( سنگ کلیه سنگ کلیه به دلیل ایجاد محلول سیر شده از برخی منک های کلسیم دار در کلیه به وجود می آید. پزشکان برای پیشگیری از این عارضه نوشیدن ٦ تا ٨ لیوان آب را در روز توصیه می کنند دما C( ) 85 نمودار انحالل پذیری برخی از تركیب های یونی در آب

93 پ( محلول سیر شدهای از پتاسیم كلرات ( 3 )KClO در دمایC 80 در اختیار دارید. اگر این محلول تا دمای 0 C سرد شود چه اتفاقی میافتد آیا در 0 C نیز محلول سیر شدهاست 2 منحنی انحاللپذیری AgNO 3 را با توجه به دادههای جدول روبهرو روی كاغذ میلیمتری رسم كنید )گرم AgNO 3 در 100 گرم آب را روی محور عمودی و دما را روی محور افقی قرار دهید(. آ( انحالل پذیری AgNO 3 را در 30 C روی منودار نشان دهید. ب( در چه دمایی انحالل پذیری AgNO گرم در 100 گرم آب است پ( انحالل پذیری AgNO 3 در آب گرماده یا گرماگیر است چرا ت( اگر در دمای 10 C مقدار 98/5 گرم AgNO 3 به 100 گرم آب افزوده شود محلول حاصل سیر شده یا سیر نشده است انحاللپذیری گازها در آب می دانید كه گازها در مایع ها حل شده محلول ایجاد می كنند. در این میان شناخت ویژگیهای محلول آبی گازهای مختلف و اثر عواملی مانند نوع گاز دما و فشار بر انحاللپذیری گازها در آب از اهمیت زیادی برخوردار است. همچون دانشمندان 1 با استفاده از دادههای جدول زیر روی یك كاغذ میلیمتری منودار انحاللپذیری )گرم حلشونده در 100g آب( سه گاز یادشده را در برابر دما )C ) رسم كنید. سپس به پرسشهای مطرحشده پاسخ دهید. انحاللپذیری سه گاز در دماهای مختلف برحسب 1/g gh 2 O در فشار 1atm 60 / 58 /15 /33 50 / 76 /19 /39 40 / 97 /24 / دما )C ( گاز /126 /169 CO 2 /3 /38 H 2 S /57 /73 Cl 2 مقدار AgNO 3 دما C( ) )g/100gh 2 O( ا کس ل )Excell( نرمافزاری است که با استفاده از آن میتوانانواعمنودارهارارسم کرد. شما هم میتوانید برای رسم منودار انحاللپذیری موادآنرابهکارببرید. آ( انحاللپذیری هر سه گاز را در 45 C تخمنی بزنید. ب( در چه دمایی انحاللپذیری گاز كلر 0/50 g در 100g آب است پ( محلولی كه شامل 0/100 كربن g دیاكسید در 100g آب است در 35 C چه حالتی سیر شده سیرنشده یا فراسیر شده دارد 86

94 ت( انحالل پذیری گاز هیدروژن سولفید را در 70 C پیش بینی كنید. ث( از این منودارها چه نتیجه ای می گیرید گاز 2 انحالل پذیری چند گاز در آب در فشار 1atmو دمای 25 C در جدول زیر داده شده است. از این داده ها چه نتیجه ای می گیرید تفاوت های مشاهده شده را توجیه كنید. انحاللپذیری )g/100 gh 2O( 87 HCl 69/5 NH 3 47/0 CO 2 0/145 O 2 0/0039 N 2 0/ منودار زیر تأثیر فشار گاز بر انحالل پذیری آنها را در آب 20 C نشان می دهد. ویلیام هنری در سال 1803 از تفسیر چننی داده هایی به یك نتیجه گیری مهم دربارۀ انحالل پذیری گازها در آب دست یافت. این نتیجه گیری را كه قانون هنریگفته می شود در یك سطر بیان كنید. 0/08 0/07 0/06 0/05 0/04 0/03 0/02 0/01 0 1/0 2/0 3/0 4/0 5/0 6/0 7/0 8/0 9/0 10/0 NO Ar O 2 CH 4 N 2 H 2 فشار گاز )atm( غلظت محلول و روش های بیان آن بیشتر واکنش های شیمیایی مانند واکنش های زیست شیمیایی که در بدن موجودات زنده رخ می دهند در فاز محلول اجنام می شوند. در آزمایشگاه و طبیعت نیز واکنش دهنده ها را در فاز محلول با یکدیگر وارد واکنش می کنند. از این رو محلول ها در زندگی ما نقش مهمی دارند. در این میان واکنش هایی که در انحالل پذیری gh2o( 1/g( هنگامی که یک غو اص در عمق آب از هوای فشردۀ درون کپسول تنفس می کند به دلیل فشار زیاد غلظت گاز نیتروژن به میزان قابل توجهی در خون او باال می رود. در این شرایط اگر غواص سریع به سطح آب بیاید نیتروژن حل شده در خون او آزاد می شود. درنتیجه حباب هایی در خون او تشکیل می شود که مانع از رسیدن اکسیژن به مغز می شود. این پدیده باعث ایجاد یک عارضۀ دردناک و گاهی کشنده می شود. امروزه در غواصی از کپسول محتوی اکسیژن و هلیم استفاده می شود. آب دریا منبع مهمی برای تهیۀ بسیاری از مواد شیمیایی است. برای منونه از هر تن آب دریا می توان تقریبا یک کیلوگرم فلز منیزمی تهیه کرد.

95 شكل 6 محلول سدمی كلرید فاز محلول آبی اجنام می شوند از اهمیت بیشتری برخوردارند. برای بررسی کم ی چننی واکنش هایی دانسنت غلظت محلول ضروری است. غلظت یک محلول مقدار حل شونده را در مقدار معینی از محلول یا حالل نشان می دهد. غلظت محلول ها را به روش های گوناگون بیان می کنند. در اینجا با برخی از آنها آشنا می شوید. درصد جرمی: آیا تا به حال به برچسب محلول شست و شوی دهان توجه كرده اید روی ظرف دارای این محلول این عبارت نوشته شده است:»محلول استریل سدمی كلرید 0/9 درصد برای شست و شو غیرقابل تزریق«شكل 6. عبارت»سدمی كلرید 0/9 درصد«نوعی بیان غلظت برای این محلول است یعنی در هر 100 گرم از این محلول 0/9 گرم سدمی كلرید وجود دارد و بقیۀ آن آب است. این نوع بیان غلظت را درصد جرمی می نامند. درصد جرمی با رابطۀ زیر نشان داده می شود: جرم حلشونده 100 = درصد جرمی جرم محلول توجه كنید كه در صورت و مخرج باید از یك نوع یكای جرم استفاده شود یعنی هر دو كمیت باید برحسب میلی گرم گرم یا كیلوگرم بیان شوند. نمونۀ حل شده 1/7 گرم سدمی كلرید در 6/8 گرم آب حل شده است. درصد جرمی NaCl را در این محلول محاسبه كنید. پاسخ: آ( فهرست داده ها ب( محاسبۀ جرم محلول 1/7= g NaCl جرم حل شونده =6/8 g H 2 O جرم حالل محلول? g NaCl = جرم محلول = 6/8 g + 1/7 g = 8/5 g جرم حل شونده + جرم حالل = جرم محلول پ( محاسبۀ درصد جرمی جرم حلشونده 100 = درصد جرمی جرم محلول 1/7 g NaCl =100 %20 = درصد جرمی محلول 8/5 g NaCl % /9 w/w درصد جرمی را با مناد w/w نشان می دهند. 88

96 خود را بيازماييد 1 1/5 g سديم هيدروكسيد NaOH در 43/5 g ا ب حل شده است. درصد جرمی NaOH را در اين محلول حساب كنيد. 2 محلول 5 جرمی سديم نيترات تهيه شده است. در 4۰ g از اين محلول چند گرم NaNO 3 وجود دارد فكر كنيد قسمت در ميليون :(ppm) يون برای محلول های بسيار رقيق جرم حل شونده ا نقدر كم است كه معمولا غلظت غلظت( ppm ) K + (aq) 38۰ Ca 2+ (aq) 4۰۰ محلول ا ن به جای درصد برحسب قسمت در ميليون (ppm) بيان میشود. جرم حلشونده ppm= 1۰ 6 جرم محلول نمايشگر ا لايندههای هوا. توجه كنيد كه در صورت و مخرج اين رابطه بايد از يك نوع يكای اندازهگيری جرم در اين نمايشگر غلظت اغلب ا لايندهها با ppm نمايش داده میشود. (گرم يا كيلوگرم) استفاده كرد. از ppm برای بيان مقادير بسيار كم كاتيونها و ا نيونها در ا ب دريا بدن جانداران بافتهای گياهی و ميزان ا لايندههای هوا (ذرههای معلق يا گازهای ا لاينده) استفاده میشود. در جدول زير مقدار برخی عنصرها در يك نمونه از ا ب دريا برحسب ppm بيان شده است. Na + (aq) 1۰6۰۰ Cl - (aq) 19۰۰۰ برای محلول های بسيار رقيق از يك حل شونده در ا ب می توان ppm را به صورت ميلی گرم حل شوندۀ موجود در يك ليتر محلول تعريف كرد چرا غلظت مولی (مولار): رايجترين شيوه برای بيان غلظت يك محلول است. غلظت مولار تعداد مولهای حل شونده در يك ليتر از محلول را نشان میدهد و با يكای 1- mol.l بيان میشود. برای نمونه محلولی كه دارای 2/۰۰ مول NaCl در 1۰/۰ ليتر محلول است 89 غلظتی برابر با 1- mol.l يا 2/ 0molNaCl mol دارد. = 0/ / L محلول L

97 دستگاه اندازه گیری قند خون این دستگاه تعداد میلی گرم های گلوکز را در 1 ml از خون نشان می دهد. غلظت گلوکز در این منونه از خون چند موالر است 90 نمونۀ حل شده برای تهیۀ 2/00 لیتر محلول سدمی كلرید 0/10 مول در لیتر چند گرم سدمی كلرید خالص نیاز است پاسخ: آزمایش کنید 0/ 10 mol NaCl = جرم NaCl محلول 1 L NaCl 58 / 44g NaCl = 11/7 g NaCl 1mol NaCl محلول 2 / 00L NaCl 1 تصویرهای زیر مراحل تهیۀ محلولی از یك مادۀ جامد را با غلظت مولی مشخص در آزمایشگاه نشان می دهد. در هر مورد بر مبنای دستور كار معرفی شده و با محاسبۀ مقدار حل شوندۀ مورد نیاز محلول های زیر را در آزمایشگاه تهیه كنید. کرد. آ( 100 ml محلول سدمی كلرید -1 mol.l 2 ب( 250 ml محلول مس )II( سولفات -1 mol.l 0/5 مراحل تهیۀ محلولی با غلظت معنی. 1 اندازهگیری جرم حلشونده 2 حل كردن حل شونده در آب 3 انتقال محلول به درون بالون حجمی و افزایش آب به آن 4 افزودن آب بیشتر و تكان دادن بالون به منظور همگن سازی محلول 5 افزودن آببه درون بالون تا رسیدن سطح آب به خط نشانه ( به حجمرساندن( ٢ برای تهیۀ محلول های رقیق می توان از رقیق کردن محلول های غلیظ تر استفاده با دقت به تصویرهای صفحۀ بعد نگاه كنید. در هر مورد بر مبنای دستور كار معرفی شده و با محاسبۀ حجم مورد نیاز از محلول غلیظ داده شده محلول های زیر را در آزمایشگاه تهیه كنید. ١

98 یک قوطی شربت غلیظ آ( 250 ml محلول 1- mol.l 0/04 پتاسیم دی كرومات از محلول 1- mol.l 0/2 آن ب( 100 ml محلول -1 mol.l 0/1 سدمی كلرید از محلول -1 mol.l 2/0 آن تهیۀ محلولی با غلظت معنی به روش رقیق كردن حجم معینی از یك محلول غلیظ 1 برداشنت حجم معینی از محلول غلیظ 2 انتقال آن حجم به درون یك بالون حجمی 3 افزودن آب و تكان دادن بالون به منظور همگنسازی محلول 4 افزودن آب به درون بالون تا رسیدن سطح آب به خط نشانه )به حجم رساندن( 5 انتقال محلول تهیه شده به ظرف مناسب برای نگهداری. محاسبه های استوكیومتری برای واكنش ها در فاز محلول وقتی حجم های مشخصی از محلول های دو واكنش دهنده با غلظت معنی به هم اضافه می شود تعداد مول مشخصی از هریك از آنها در مجاورت هم قرار می گیرد. برای محاسبۀ تعداد مول هر واكنش دهنده می توان حجم محلول )برحسب لیتر( را در غلظت آن )برحسب مول در لیتر( ضرب كرد. به عبارت دیگر با استفاده از رابطۀ حجم غلظت تعداد مول واكنش دهنده ها محاسبه می شود و با استفاده از نسبت های مولی به دست آمده از معادلۀ موازنه شدۀ واكنش تعداد مول فراورده)ها( محاسبه می شود. نمونۀ حل شده نقره برمید یكی از تركیب های به كار رفته در ساخت فیلم های عكاسی است. این تركیب شیمیایی را می توان از واكنش محلول های آبی نقره نیترات و سدمی برمید به دست آورد. AgNO 3 (aq)+nabr(aq) AgBr(s) +NaNO 3 (aq) چند میلی لیتر محلول 0/125 mol.l 1- NaBr برای واكنش با 25/0 ml از محلول 0/115 mol.l -1 AgNO 3 الزم است پاسخ: رقیق کردن شربت پرتقال. اگر یک قوطی شربت پرتقال غلیظ را با سه قوطی آب مخلوط کنیم و خوب هم بزنیم 4 قوطی شربت پرتقال رقیق به دست می آید. هم زدن سه قوطی آب 91 محلول = 25 / 0 m L AgNO 3 حجم محلول NaBr 0/ 115 mol AgNO3 محلول 1L AgNO 3

99 mol NaBr 1 1mol AgNO 3 محلول L NaBr 1 0/ 125 mol NaBr محلول =23/0 ml NaBr شیر منیزی خود را بیازمایید 1 چند میلیلیتر محلول 0/12 mol.l 1- NaOH برای واكنش كامل با 15/0 ml از محلول 0/10 mol.l 1- H 2 SO 4 طبق واكنش زیر الزم است 2NaOH(aq)+H 2 SO 4 (aq) Na 2 SO 4 (aq)+2h 2 O(l) 2 یکی از راه های کاهش غلظت اسید معده )HCl( مصرف یک ضد اسید است. شیر منیزی متداولترین ضد اسید است که منیزمی هیدروکسید سازندۀ اصلی آن است. براساس واکنش زیر: Mg (OH) 2 (s)+2hcl(aq) MgCl 2 (aq)+2h 2 O(l) برای خنثی کردن ٣٦ ml از محلول 0/32 mol.l 1- HCl چند میلی لیتر محلول Mg(OH( 2 0/48 mol.l -1 نیاز است 3 براساس واکنش زیر به چند میلیلیتر محلول 0/12 mol.l 1- HCl برای واکنش محلول هیدروکلریک اسید کامل با 21/0 ml از محلول 0/18 mol.l 1- NaClO نیاز است 2HCl(aq)+NaClO(aq) NaCl(aq)+Cl 2 (g)+ H 2 O(l) (HCl(aq)) جوهر منک و محلو ل سفید کنند ه (NaClO(aq)) یا برای از بنی بردن جرم و متیز کردن غلظت موالل: اگر یك مول پتاسیم كلرید )74/54 گرم )KCl را در یك كیلوگرم سطوح در حمام و آشپزخانه آب حل كنید محلولی با غلظت 1 موالل تهیه كردهاید. غلظت موالل مول مادۀ حل شده بهکار برده میشوند. توجه به این نکته ضروری است در یك كیلوگرم حالل )1000 گرم حالل( را بیان میكند. غلظت موالل در مطالعۀ خواص که هیچ گاه نباید آنها را كولیگاتیو محلولها به كار میرود. با این خواص در ادامۀ این بخش آشنا خواهید شد. با هم مخلوط کنید بلکه باید هر یک از این مواد را جداگانه استفاده کنید زیرا مخلوط کردن این دو منجر به تولید گاز کلر میشود. کلر گازی بسیار سمی است که تنفس آن موجب اختالل در مجاری تنفسی و حتی مرگ میشود. هنگاماستفادهازسفیدکنندهها حتما در و پنجرهها را باز کنید. محلول های الكترولیت و غیر الكترولیت محلول های آبی دارای یون جریان برق را از خود عبور می دهند. آب خالص به مقدار بسیار كم یونیده می شود و رسانایی الكتریكی ضعیفی دارد. رسانایی الكتریكی محلول تركیب هایی مانند NH 3 HCl NaCl و HF از آب خالص بیشتر است. این مواد را الكترولیت و محلول آبی آنها را محلول الكترولیت مینامند. یك مادۀ الكترولیت به طور كامل یا به مقدار كم در آب یونیده میشود. اغلب محلولهایی كه از حلكردن تركیبهای یونی یا تركیبهای مولکولی قطبی در آب بهدست میآیند الكترولیت هستند. 92

100 فکر کنید در شكل زیر رسانایی الكتریكی چند محلول آبی با هم مقایسه شده است. كدام یك از این محلولها الكترولیت و كدام یك غیرالكترولیت است علت تفاوت در رسانایی الكتریكی محلولهای الكترولیت را شرح دهید. 93 )آ( )ب( )پ( میزان رسانایی الكتریكی چند محلول پ( محلول آمونیاك در آب ب( محلول CuSO 4 در آب آ( محلول شكر )ساكاروز( در آب محلولهای آبی موادی مانند اتانول و استون رسانای جریان برق نیستند. این مواد غیرالكترولیت و محلول حاصل را محلول غیرالكترولیت مینامند. مواد غیرالكترولیت در محلول به صورت مولكولی حل میشوند و در اثر انحالل یون ایجاد منیكنند. الكترولیت ها از نظر میزان رسانایی الكتریكی به دو دستۀ قوی و ضعیف تقسیم میشوند. به الكترولیتهایی مانند NaCl )یك تركیب یونی( و HCl )یك تركیب مولکولی( كه هنگام انحالل در آب بهترتیب بهطور كامل تفكیك و یونیده میشوند الكترولیت قوی میگویند. آب Na + (aq)+cl - (aq) آب NaCl(s) HCl(g) H + (aq)+cl - (aq) الكترولیتهایی مانند HF و NH 3 هنگام انحالل در آب به طور عمده به صورت مولكولیحلشدهو تعدادكمیازآنهایونیدهمیشود.تعداد یوندرمحلولاینالكترولیتها كم است. چننی محلولهایی الكترولیت ضعیف نامیده میشوند. برای منونه در محلول 0/1 موالر HF از هر 1000 مولكول تقریبا 80 مولكول آن یونیده میشود و بقیۀ آن یعنی 920 مولكول HF به صورت یونیده نشده در محلول باقی میماند.

101 حلشوندۀغیرفر اربهمادهای گفته میشود كه در دمای اتاق فشاربخار بسیار ناچیزی داشته باشد. این گونه مواد میتوانند جامد مانند انواع منك ها یا مایع هایی با نقطه خود را بیازمایید 1 معادلۀ تفكیك یونی هر یك از تركیبهای یونی زیر را در آب بنویسید. آ( KBr ب( )NH 4 ( 2 S پ( Na 2 CO 3 ت( ( 3 3 Cr)NO 2 در میان تركیبهای زیر الكترولیتها را مشخص كنید. از میان این الكترولیتها محلول یك موالر كدامیك رسانای الكتریكی قویتری است چرا آ( متانول ب( سدمی نیترات پ( بارمی كلرید ت( آمونیاک خواص كولیگاتیو محلول ها جتربه نشان میدهد كه برای یك محلول شامل حالل و یك حلشوندۀ غیر فر ار نقطۀجوش نقطۀ اجنماد و فشار بخار برای حالل در حالت محلول و حالل خالص تفاوت میكند. این خواص كه به تعداد ذرههای حلشوندۀ غیر فر ار موجود در محلول )نه به نوع و خواص شیمیایی ذرهها( بستگی دارند خواص كولیگاتیو نامیده میشود. فشار بخار اگر در یك بشر مقداری آب بریزید و آن را برای مدتی روی میز قرار دهید مشاهده خواهید كرد كه آب به تدریج تبخیر شده سطح آب درون بشر پاینی میآید. مایعها در هر دمایی تبخیر میشوند. سرعت تبخیر سطحی هر مایع به تعداد مولكولهای موجود در سطح مایع بستگی دارد. هرچه تعداد این مولكولها بیشتر باشد سرعت تبخیر مایع بیشتر خواهد بود. اكنون با دقت به شكل 7 نگاه كنید. به نظر شما در كدام ظرف سرعت تبخیر سطحی بیشتر است چرا حالل ذرههای حلشوندۀ غیر فر ار )ب( محلول حالل خالص ( آ ) جوش باال باشند. مایع فر ار به مایعی گفته میشود كه نقطۀ جوش آن 1 باشد. کمتر از C شكل 7 تبخیر مولكولهای مایع آ( حالل خالص ب( محلول دارای مادۀ حلشوندۀ غیرفر ار مولكول های گریخته از سطح مایع با دیوارۀ داخلی بشر مولكول های هوا و سطح مایع برخورد می كند و به این ترتیب بخار ایجاد شده فشاری به اطراف خود وارد می كند. 94

102 در دمای معنی این فشار مقداری ثابت است و به آن فشار بخار مایع گفته میشود. با توجه به شكل 7 آیا میتوان نتیجه گرفت كه در دمای ثابت حل شدن یك حلشوندۀغیرفر اردر یك مایع باعث كاهش فشار بخار محلول در مقایسه با مایع )حالل( خالص میشود بهنظر شما غلظت حل شونده چه تأثیری بر این فشار خواهد داشت نقطۀ جوش محلول ها اندازه گیری نقطۀجوش محلول ها و مقایسۀ آن با نقطۀ جوش حالل خالص نشان می دهد كه برای مثال نقطۀ جوش محلول شكر در آب یا محلول آب منك بیشتر از آب خالص است. اما چرا برای پاسخ به این پرسش باید بدانید جوشیدن چه موقع روی میدهد. جوشیدن زمانی رخ میدهد كه فشار بخار مایع با فشار هوا روی سطح مایع )فشار محیط( برابر شود. آب خالص در فشار 1 امتسفر در 100 C به جوشمیآید. در واقع در این دما فشار بخار آب به 1 atm میرسد. این در حالی استكه فشار بخار محلول شكر در آب کمتر از آب خالص است. از اینرو برای رساندن فشار بخار این محلول به فشار 1 atm باید مولكولهای آب از قسمتهای زیرین محلول به سطح بیایند و سپس به مولكولهای روی سطح محلول بپیوندند. چون این مولكولها درون محلول از هر سو توسط مولكولهای دیگر جذب میشوند حترك کمتری دارند و از این رو از انرژیکمتری نیز برخوردارند. در نتیجه برای تبخیر آنها به انرژی بیشتری نیاز است. این موضوع سبب میشود كه نقطۀ جوش محلول نسبت به حالل خالص افزایش یابد. بهطور كلی نقطۀ جوش هر محلول دارای مادۀ حل شوندۀ غیر فرار از حالل خالص آن بیشتر است. فکر کنید 1 چرا در رادیاتور خودرو به جای آب خالص استفاده از مخلوط آب و ضدیخ )اتیلن گلیكول( توصیه میشود 2 نقطۀ جوش محلول ها برخالف حالل خالص ثابت نیست و با گذشت زمان افزایش می یابد. چرا اتیلنگلیکول مایعیغیرفر ار است. 95 نقطۀ اجنماد محلول ها آب خالص در دمای 0 C یخ میزند در حالیكه محلول آب منك در مقایسه با آب خالص نقطۀاجنماد پاینیتری دارد. از این خاصیت در زمستان به منظور سرعت بخشیدن به ذوبشدن یخ در پیادهروها و سطح پوشیده از برف جادهها استفاده میشود شكل 8. شكل 8 استفاده از سدمی كلریدبرایكاهشنقطۀذوب یخ به منظور ذوب كردن یخ سطح جادهها

103 به طور كلی اجنماد هر محلول آبی كه دارای حل شوندۀ غیرفرار است در دمایی پاینی تر از 0 C رخ می دهد. فکر کنید 1 كدام ترتیب پیشنهادی برای آنتروپی آب یخ و محلول منک خوراکی در آب درست است چرا آ( محلول < S یخ < S آب S ب( آب < S یخ < S محلول S پ( یخ < S آب < S محلول S ت( یخ < S محلول < S آب S 2 فرایند اجنماد آب خالص و یك محلول آبی را درنظر بگیرید. با قرار دادن عالمت = > یا < درون مربع رابطۀ دو كمیت خواسته شده )تغییر آنتروپی فرایند( را مشخص كنید. )یخ آب( S )یخ محلول( S 3 به نظر شما كدامیك از دو مایع آب خالص و محلول منک در آب با كاهش دما متایل بیشتری برای منجمد شدن دارد چرا همچون دانشمندان میدانید افزودن یك حلشوندۀ غیر فرار به یك مایع موجب افزایش نقطۀ جوش و كاهش نقطۀ اجنماد مایع یاد شده میشود. آیا میزان افزایش نقطۀ جوش و كاهش نقطۀ اجنماد برای همۀ محلولها یكسان است برای بررسی عوامل مؤثر در میزان افزایش نقطۀ جوش و كاهش نقطۀ اجنماد یك محلول نسبت به حالل خالص آن چند محلول آبی مطابق جدول زیر انتخاب و نقطۀ جوش و نقطۀ اجنماد آنها اندازهگیری شده است )فشار محیط آزمایشگاه 1atm بوده است(. مقایسۀ نقطۀ جوش و نقطۀ اجنماد چند محلول آبی سدمی كلرید شكر شكر حلشونده 0/1 0/2 0/1 غلظت موالل محلول آبی محاسبه های کمی برای خواص کولیگاتیو فقط برای ١/100 ١/ /05 دمای شروع به جوشمحلول C محلول های رقیق به کار 0/37 0/37 ١٨/0 دمای شروع به اجنمادمحلول C میرود. تعداد مول ذرههای حلشوندۀ موجود كلسیم كلرید 0/1 پتاسیم نیترات 0/1 100/١5-0/55 96 آ( ردیف آخر این جدول را كامل كنید.

104 ب( دو مقایسۀ زیر را اجنام دهید. از این مقایسهها چه نتیجهای میگیرید 1. نقطۀ جوش محلول 0/1 موالل و 0/2 موالل شكر 2. نقطۀ جوش محلول 0/1 موالل سدمی كلرید و محلول 0/2 موالل شكر پ( آیا با این اطالعات میتوانید نقطۀ جوش محلول یك موالل پتاسیم نیترات را پیش بینی كنید ت( میزان كاهش نقطۀ اجنماد محلول های سدمی كلرید كلسیم كلرید و محلول 0/1 موالل شكر نسبت به آب خالص چگونه است از این مقایسه چه نتیجه ای می گیرید ث( آیا با اطالعات به دست آمده می توانید نقطۀ اجنماد محلول 0/1 موالل پتاسیم نیترات را پیش بینی كنید كلوییدها در سال 1861 توماسگراهام واژهای را معرفی كرد كه امروزه از دید علمی و فناوری كلویید از واژۀیونانی Kolla به معنای چسب گرفته شده اهمیت زیادی یافته است. رنگهای پوششی سرامیكها مواد آرایشی پاككنندهها است. موادغذایی و بسیاری دیگر كه زندگی روزانۀ ما به شدت به وجود آنها وابسته شده است اهمیت این واژه یعنیكلویید را پیوسته به ما یادآور میشود شكل شكل 9 منونه هایی از كلویید س س مایونز رنگ های پوششی كف سنگ پا افشانه ها و چسب ها

105 )ب( كلوییدها كه مخلوطهایی ناهمگن بهشمار میآیند برخالف محلولها كه شفافاند ظاهری كدر یا مات دارند. ذرههای تشكیلدهندۀ آنها بهاندازۀكافی درشت است كه بتوانند نور مرئی را پخش كنند. بهطوری كه مسیر عبور نور از میانكلوییدها قابل دیدن است شكل 10. آ( بیتردید این پدیده را كه اثرتیندال گفته میشود بارها در زندگی روزانه جتربه كردهاید شكل 10.ب. جان تیندال 1893( )182 فیزیكدان بریتانیایی شكل 1 اثر تیندال آ( مقایسۀ پخش نور در محلول و كلویید. ب( منونهای از مشاهدۀ اثر تیندال در زندگی روزانه پرتوهای خورشید در هوای مهآلود یا آلوده به غبار مانندمحلولها ذرههایسازندۀیككلوییدپسازمدتیماندگاریتهنشنیمنیشود. حتی با صافی نیز منیتوان آنها را جدا كرد. این ویژگیهای ظاهری سبب میشود كه بتوان كلویید را پلی میان محلول و سوسپانسیون درنظر گرفت جدول ٢. جدول ٢ مقایسۀ برخی ویژگیهای كلوییدها با محلولها و سوسپانسیونها حداقل اجزای نوع مخلوط تشكیلدهنده حالل محلول و حل شونده فاز پخشكننده كلویید و فاز پخش شونده فاز پخش كننده سوسپانسیون و فاز پخش شونده تعداد ذره های سازنده یون ها یا مولكول ها اندازۀ ذره ها )nm( <1 فازها مولكولهای بزرگ یا تودههایمولكولی تودههایمولكولی بزرگ یا ذرههای بسیار كوچك ماده <100 آب منك منونه حالل: آب حل شونده: منك خوراكی فاز پخش كننده: آب شیر فاز پخش شونده: قطره های خاكشیر GHASEMI چربی فاز پخش كننده: آب AMIR فاز پخش شونده: دانه های خاكشیر )آ( ذره هایی كه از گردهم آیی چند مولكول پدید می آیند. 98

106 همانند محلول ها كلوییدها نیز به سه حالت جامد مایع و گاز یافت می شوند جدول ٣. جدول ٣ انواع گوناگون كلویید فاز پخش شونده فاز پخش كننده نام منونه ها 99 كف صابون كف مایع گاز سنگ پا یونالیت كف جامد جامد مایع جامد آزمایش کنید گاز مایع جامد گاز مایع جامد آیروسول مایع امولسیون ژل آیروسول جامد سول سول جامد مه شیر كره مایونز ژله ژل موی سر دود غبار رنگ های روغنی سنگ های گران بهایی مانند یاقوت لعل و فیروزه مایونز یك امولسیون خوراكی اگر مخلوطی از روغن و سركه را به هم بزنید درخواهید یافت كه نگهداشنت مخلوط این دو مایع در كنار هم غیرممكن است. ما به این دو مایع مخلوطنشدنی میگوییم. با توقف همزدن قطرههای بسیار كوچك روغن به هم میپیوندند و بزرگ میشوند و سراجنام به شكل یك الیۀ جداگانه درمیآیند. به هر حال اگر شما مادۀ سومی را به این دو مایع اضافه كنید كه آنها را پس از بههم خوردن در كنار هم پایدار نگه دارد میتوانید از گردهمایی قطرههای روغن جلوگیری كنید. مادۀ سوم را یك عامل امولسیونكننده مینامند و مخلوط سه ماده یك امولسیون )كلویید مایع در مایع( نامیده میشود. در مایونز این سه ماده عبارتاند از: روغن مایع سركه و زردۀ تخم مرغ كه نقش عامل امولسیونكننده را دارد. در این آزمایش اثر زردۀ تخممرغ را در تهیۀ مایونز بررسی میكنید. موادووسایلموردنیاز:دو زردۀ تخممرغ سركه منك خوراکی روغن مایع فنجان كوچك كاسۀكوچك مخلوطكن دستی یا الكتریكی و ذرهبنی دستی. روش كار توجه: این فعالیت را میتوان در كالس درس یا خانه اجنام داد ml سركه در یك فنجان كوچك بریزید. AMIRمایونز GHASEMI

107 2 20 ml روغن به فنجان اضافه كنید. 3 دو مایع درون فنجان را بهمنظور مخلوط كردن آنها به شدت به هم بزنید. 4 پس از توقف بههم زدن مشاهده خواهید كرد كه دو مایع باز هم جدا از یكدیگر قرار میگیرند. 5 یك زردۀ تخممرغ مقداری منك و 10 سركه ml در یك كاسۀ متیز بریزید. 6 مخلوط را تا هنگامی كه چسبناك شود هم بزنید. 7 در مدت بههم زدن محتویات فنجان را به آرامی به كاسه اضافه كنید. 8 به هم زدن را ادامه دهید تا امولسیون پایدار شود. 9 برای دیدن جزئیات بیشتر از ذرهبنی دستی استفاده كنید. آنچه كه روی میدهد لسیتنی در زردۀ تخممرغ به عنوان عامل امولسیون كننده عمل میكند. مولكولهای لسیتنی الیهای در اطراف قطرههای روغن تشكیل میدهند كه مانع از جمعشدن آنها و تشكیل قطره های بزرگ تر می شود. لسیتنی و مولكول های امولسیون كنندۀ دیگر دارای نواحی آبگریز هستند كه به روغن كه آن هم آب گریز است میچسبند. سر دیگر یك مولكول امولسیون كننده معموال آبدوست است و با آب برهمكنش میكند. به این ترتیب عامل امولسیونكننده پلی بنی مولكولهای آب و روغن تشكیل میدهد. ویژگی های دیگر كلویید ذرههای كلویید پیوسته در جنب وجوشاند اگر یك قطره شیر را با میكروسكوپ نوری به دقت نگاه كنید ذرههای تشكیلدهندۀ آن را در حال جنبوجوش دائمی میبینید. ذرههای كلوییدی هنگامی كه به هم میرسند در برخورد با یكدیگر تغییر جهت میدهند. به این حركت دائمی و نامنظم ذرههای كلوییدیحركت براونی میگویند شكل 11. رابرت براون ) ( گیاه پزشك انگلیسی شكل 11 حركت براونی ذره های كلوییدی. به نظر شما عامل ایجاد این حركت چیست 100

108 ذرههای كلوییدی بار الكتریكی دارند! بررسیهای جتربی نشان داده است كه ذرههایكلوییدی میتوانند ذرههای باردار مانند یونها را در سطح خود جذب كنند و به نوعی بار الكتریكی دست یابند. این بار الكتریكی میتواند مثبت یا منفی باشد. پایداری كلوییدها )تهنشنی نشدن فاز پخش شونده( را بهوجود این بار الكتریكی نسبت می دهند. فکر کنید 1 2 با دقت به شكل زیر نگاه كنید و به پرسشهای مطرح شده پاسخ دهید. یك ذرۀكلوییدی یك ذرۀكلوییدی الكترولیت به كلوییدها سبب خلته شدن آنها میشود. 1 ذرههای یك كلویید همگی بار الكتریكی همنام دارند ولی مقدار بار الكتریكی آنها میتواند متفاوت باشد. چرا 2 علت پایداری كلوییدها را توضیح دهید 3 با افزایش الكترولیت به یك كلویید ذرههای كلوییدی تهنشنی میشوند این فرایند را خلته شدن میگویند. این پدیده را توجیه كنید. 4 شیر یك كلویید است. افزودن چه موادی به شیر سبب انعقاد آن میشود چرا بیشتر بدانید مطالعۀ حركت ذره های كلوییدی باردار در میدان الكتریكی زمینۀ خوبی برای پژوهش های زیستشناختی روی پروتئنیهاست. ر دستگاهی است كه به این منظور بهكار میرود. درواقع با این دستگاه میتوان با تنظیم ph محیط پروتئنیها را جداسازی و خالصسازی كرده مورد مطالعه قرار داد. خلته شدن كلوییدها افزودنمقداریازیكمحلول یكی از راههای پایدار كردن كلوییدها كاهش غلظت یونهای حاصل از الكترولیتها در آنهاست. فرایند جداكردن یونها از یك كلویید دیالیز نام دارد. این كار معموال به كمك غشاهای مناسبی اجنام میشود. امروزه از روش دیالیز بهطور گسترده برای تصفیۀ خون افراد مبتال به نارسایی كلیه استفاده میشود. 101

109 این بیمار درحال تصفیۀخون خود با دستگاه دستگاه الكتروفورز دیالیز است. برخی آالیندههای محیط زیست از نوع ذرههای كلوییدی هستند. برای پاالیش هوای آلوده به این ذرهها از ر د د ت استفاده میشود. در این دستگاه آالیندههایی مانند دود و گردو غبار در یك میدان الكتریكی قوی قرار میگیرند و چون بار الكتریكی دارند جذب صفحههای باردار این دستگاه می شوند. پس از خنثی شدن بار الكتریكی این ذره ها به پاینی سقوط می كنند. خروج گازهای عاری از دود و غبار الكترود مثبت جریان مستقیم با ولتاژ باال زمنی الكترود منفی آالیندههای رسوب داده شده )خروجی دستگاه( رسوبدهندۀ كوترل صابون و نقش امولسیون كنندگی آن هوای آلوده ( پر از دود و غبار ) چرك لباس و پوست بدن بیشتر از جنس چربی است. چربی و آب در حالت عادی در یکدیگر حل منیشوند. به همنی دلیل آب منیتواند همۀ چركها را از تن یا لباس جدا كند. برای برداشنت بهتر چركها باید امولسیون پایداری از چركها در آب ایجاد كرد. این كار به كمك پاككنندهها اجنام میشود. صابون یكی از رایجترین پاككنندههاست. صابون 102

110 منك سدمی آمونیوم یا پتاسیم اسیدهای چرب محسوب می شوند. جزء آنیونی صابون دو بخش دارد شکل 12. یك بخش زجنیر هیدروكربنی آب گریز است و سر ناقطبی صابون را تشكیل می دهد. این بخش مولكول در حالل های ناقطبی حل می شود. بخش دیگر صابون سر قطبی و آب دوست آن است. این بخش مولكول در حالل های قطبی مانند آب حل می شود. فکر کنید بخش باردار بخش ناقطبی شكل 12 ساختار مولكول های صابون با دقت به شكل زیر نگاه كنید. هنگامی كه دست های خود را با صابون می شوییم در واقع یك امولسیون از قطره های روغن پخش شده در آب ایجاد می كنیم كه این امولسیون به كمك صابون پایدار می شود. اگر این گفته را بپذیرید تشكیل كف )كلویید گاز در مایع( هنگام شست وشوی دست با صابون را شرح دهید. آب روغن بخش ناقطبی صاب ون كه در روغن حل می شود. بخش باردار صابون كه در آب حل می شود. همان طوری كه می دانید اسیدهای آلی گروه عاملی كربوكسیل O دارند. ( C OH) اسیدهای چرب دسته ای از اسیدهای آلی دراز ز جنیر هستند كه د ر روغن های گیاهی یا در چربی جانوران یافت می شوند. این تركیب ها دارای یك زجنیر هیدروكربنی سیر شده یا سیر نشدۀ بزرگ هستند که عموما 14 تا 18 کربن دارند. صابون جامد منك سدمی اسید چرب و صابون مایع منك پتاسیم یا آمونیوم اسید چرب است. پاك كننده های غیرصابونی در سال 1930 با پیشرفت علم شیمی پاك كننده های غیرصابونی به بازار عرضه 103 شدند. در این پاككنندهها به جای گروه كربوكسیالت ( CO2 ) در صابون گروههای دیگری از جمله گروه سولفونات) SO3 ) قرار گرفته است. سدمی دو دسیلبنزن سولفونات منونه ای از پاك كننده های غیرصابونی است شكل 13. در این پاك كننده ها چربی ها به

111 زجنیر آلكیل می چسبند و گروه سولفونات كه انتهای باردار پاك كننده را تشكیل می دهد سبب پخش شدن چربی ها در آب می شود. بیشتر بدانید ا اب ی می دانید آب سخت غلظت باالیی از یون های +2 Ca و +2 Mg دارد. وقتی صابون به این نوع آب وارد شود یون های +2 Mg و +2 Ca جاذبۀ قوی با جز ء آنیونی صابون برقرار می كنند و به این ترتیب صابون نامحلولی تشكیل می دهند. 2R-COO - Na + (aq)+mg 2+ (aq) (R-COO) 2 Mg(s)+2Na + (aq) )صابون محلول در آب) (صابون نامحلول در آب( - CO صابون - SO به جای گروه كربوكسیالت 2 در پاككنندههای غیرصابونی از گروه سولفونات 3 استفاده شده است. گروه سولفونات برخالف گروه كربوكسیالت با یون های +2 Ca و +2 Mg تركیب هایی انحالل پذیر می دهد. به همنی دلیل پاك كننده های غیرصابونی در آب سخت به خوبی كف می كنند. بیشتر بدانید شكل 13 ساختار سدمی دو دسیل بنزن سولفونات بدون شاخۀ فرعی ی علم جمع آوری پردازش و برقراری ارتباط میان داده های مربوط به تركیب و ساختار ماده است. به بیان دیگر شیمی جتزیه آمیزه ای از علم و هنر است كه نوع و مقدار یك ماده را تعینی می كند. كارشناس های شیمی جتزیه به كمك شگرد هایی نظیر منونه برداری جداسازی غلیظ سازی و به جتزیه و حتلیل كم ی و كیفی مواد می پردازند. آنها با استفاده از ابزار و وسایلی كه در اختیار دارند و به كمك دانش شیمی رایانه و آمار مسائل گوناگونی را حل می كنند كه به نوعی به علم شیمی مربوط اند. برای مثال فعالیت این افراد در زمینۀ تأیید سالمتی و كیفیت مواد غذایی دارویی بهداشتی و آب و فرایند تولید این مواد كمك زیادی به تولید كنندگان می كند. همچننی آنها در تشخیص بیماری ها به پزشكان یاری می رسانند. كارشناس های شیمی جتزیه فرصت های شغلی مختلفی در زمینه های پژوهشی صنعت آموزش مشاغل دولتی بازرگانی و نیروی انتظامی دارند. 104

112 واژه نامه فرایندی است كه طی آن یك یا چند مادۀ شیمیایی بر هم اثر 2 chemical reaction واكنش شیمیایی میگذارند و مواد شیمیایی تازهای ایجاد میكنند. یك معادلۀ شیمیایی كه در آن نام واكنشدهنده )ها( و 2 word equation معادلۀ نوشتاری فراورده )ها( نوشته میشود. یكمعادلۀشیمیاییكهدرآنفرمولشیمیاییواكنشدهنده )ها( ٢ symbol equation معادلۀ منادی و فراورده )ها( نوشته میشود. رابطهای است كه به ك مك آن ف رمول شیمیایی و نسبت 3 chemical equation معادلۀ شیمیایی واكنشدهنده )ها( و فراورده )ها( در یك واكنش شیمیایی منایشدادهمیشودومانندمعادلههایریاضیازچپبهراست نوشته میشود. مادۀآغازی یا اولیۀ واكنش ٢ reactant واكنشدهنده محصول واكنش مادۀپایانی یا نهایی واكنش ٢ product فراورده دانش مطالعۀ روابط كمی در واكنشهای شیمیایی ١١ stoichiometry استوكیومتری واكنشدهندهای كه مقدار فراوردۀ واكنش را تعینی میكند. واكنشگرمحدودكنندهreactant ٢٨ limiting برابر كردن تعداد امتها در دو سوی یك معادلۀ شیمیایی 3 balancing موازنهكردن یكی از حالتهای جامد مایع یا گاز كه ماده مشاهده میشود. ٢ physical state حالت فیزیكی روشیبرایموازنهكردنمعادلههایشیمیاییازطریقشمارش ٤ inspection method روش وارسی نوبتی امتها در دو سوی معادله واكنش تركیب )سنتز( واكنشی كه در آن چند ماده با هم تركیب شده فراوردۀ تازهای ٧ combination (synthesis) reaction تولید میشود. واكنشی كه در آن یك ماده به مواد سادهتری تبدیل میشود. ٧ واكنش جتزیه decomposition reaction 105

113 به واكنشی كه در آن یك ماده به سرعت با اكسیژن تركیب 6 combustion واكنش سوخنت میشود و طی آن مقداری انرژی به صورت نور و گرما آزاد میشود. واكنش جابهجایی یگانه واكنشی كه در آن یك عنصر جانشنی عنصر یا یون موجود ٩ single replacement reaction در یك تركیب میشود. واكنش جابهجایی دوگانه ١٠ double replacement reaction واكنشی كه در آن جای دو عنصر یا یون در دو تركیب با یکدیگر عوض میشود. به واکنش تركیبشدن ماده با اكسیژن میگویند. ٦ oxidation reaetion واكنش اكسایش مجموعهای از واكنشهای سنتزی كه طی آن هزارها مولكول ٧ polymerization پلیمرشدن كوچك با یکدیگر تركیب میشوند و درشت مولكولهایی به نام پلیمر یا بسپار تولید میكنند. تركیبی كه از اتصال تعداد زیادی مولكول اتیلن ایجاد شده ٧ polyethylene پلیاتیلن باشد. به مجموعهای از ذرهها كه شامل /022 ذره )امت ١٢ mol مول مولكول یا یون( گفته میشود. مادهای كه برای افزایش میزان و باال بردن كیفیت فراوردههای ١٧ fertilizer كود شیمیایی كشاورزی به خاك افزوده میشود. مایعی بیرنگ كه از سالسیلیك اسید ساخته میشود و در ٢٢ methyl salicylate متیل سالیسیالت داروهای مسكن به كار میرود. قانون نسبتهای تركیبی)قانون گیلوساك( گازها با نسبتهای سادۀ حجمی با یکدیگر تركیب میشوند. 24 Gay-Lussac s Law حجمهای مساوی از همۀ گازها در شرایط یكسان دما و فشار ٢٥ Avogadro s Law قانون آووگادرو تعداد مولكولهای مساوی دارند. غلظت مولی ٨٩ molar concentration به تعداد مول های حل شوندۀ موجود در یك لیتر محلول غلظت مولی آن ماده می گویند. محلول ٧٣ solution مخلوطی همگن كه دارای یك فاز باشد. فرایند افزایش حالل به یك محلول به جهت كاهش غلظت آن ٩١ dilution رقیق كردن واكنشدهندهای است كه پس از پایان واكنش هنوز مقداری از ٢٩ excess reactant واكنشدهندۀاضافی آن باقیمانده است. مقدار فراوردۀ مورد انتظار كه از محاسبات استوكیومتری به ٣٢ theortical yield مقدار نظری دست می آید. 106

114 مقدار فراورده ای كه در عمل تولید میشود. ٣٢ actual yield مقدار عملی به نسبت مقدار عملی فراوردۀ یك واكنش به مقدار نظری آن ٣٢ percent yield بازده درصدی گفته میشود. این كمیت به صورت درصد بیان میشود. تشكیل مولكولهای بزرگ از انواع ك وچكتر آنها از طریق ٣٤ واكنشتراكمی condensation reaction حذف یك یا چند مولكول ساده كیسۀ هوا ٣٥ air bag كیسه هایی كه در جلوی برخی خودروها تعبیه شده است و در هنگام برخورد خودرو با مانع به سرعت از گاز پر می شود. سوخنت ناقص ٣٦ incomplete combustion نوعی سوخنت كه در آن به جای كربن دی اكسید كربن مونواكسید یا دوده تولید میشود. شاخهای ازعلمشیمیكهبهمطالعۀكمیوكیفی انرژیگرمایی 39 thermochemistry گرماشیمی مبادله شده در واكنشهای شیمیایی میپردازد. انرژیای كه بر اثر اختالف دما از یك جسم به جسم دیگر منتقل 40 heat گرما میشود. به حركت ذره به دور خود حركت چرخشی میگویند. 40 rotational motion حركت چرخشی به حركت رفت و برگشت بخشهای مختلف یك مولكول یا یون 40 vibrational motion حركت ارتعاشی نسبت به یکدیگر حركت ارتعاشی میگویند. مقدار گرمای مورد نیاز برای افزایش دمای جسم به اندازۀ یك 41 heat capacity ظرفیت گرمایی درجۀ سلسیوس مقدار گرمای مورد نیاز برای افزایش دمای یك گرم ماده به ظرفیت گرمایی ویژهcapacity 41 specific heat اندازۀ یك درجۀسلسیوس مقدار گرمای الزم برای افزایش دمای یك مول از ماده به اندازۀ ظرفیت گرمایی مولیcapacity 42 molar heat یك درجۀسلسیوس بخشی از جهان كه برای مطالعه انتخاب میشود. 44 system سامانه یا سیستم هر چیزی كه در پیرامون سامانه باشد محیط نامیده میشود. 44 surroundings محیط سامانهای كه با محیط مبادلۀ انرژی دارد ولی مبادلۀ ماده ندارد. 45 closed system سامانه بسته سامانهای كه هم انرژی و هم ماده با محیط مبادله میكند. 45 open system سامانه باز سامانهای كه انرژی و ماده با محیط مبادله منیكند. 45 isolated system سامانه ایزوله دیوارهای كه سامانه را از محیط پیرامون آن جدا میكند. 45 boundary system مرز سامانه خواص ترمودینامیكی خواص قابل اندازه گیری كه به كمك آنها میتوان یك سامانه 46 thermodynamical properties را توصیف كرد. خواصی كه مقدار آنها به مقدار ماده وابسته است. 46 extensive properties خواص مقداری 107 خواص شدنی 46 intensive poperties خواصی كه مقدار آنها به مقدار ماده بستگی ندارد.

115 بهمجموعانرژیجنبشیو پتانسیلهمۀ ذرههایتشكیلدهنده 46 internal energy انرژی درونی یك سامانه گفته میشود. قانون اول ترمودینامیك طبق این قانون انرژی نه به وجود میآید و نه از بنی میرود بلكه 48 first law thermodynamics از شكلی به شكل دیگر در میآید. تابعی كه به مسیر اجنام فرایند بستگی ندارد و فقط به حالت 48 state function تابع حالت آغازی و پایانی وابسته است. آنتالپی واكنش 50 enthalpy change به تغییر انرژی یك سامانه در فشار ثابت آنتالپی واكنش گفته میشود. حالت استاندارد ترمودینامیكی پایدارترینشكلمادۀخالصدرفشاریكامتسفرودمایمشخص 53 standard state )معموال )25 C آنتالپی استاندارد تشكیل به تغییرات آنتالپی در هنگام تشكیل یك مول ماده از عنصرهای 54 standard molar enthalpy of formation سازندۀ آن در حالت استاندارد گفته میشود. دانش مطالعۀ تبدیل شكلهای مختلف انرژی و راههای انتقال 44 thermodynamics ترمودینامیك آن آنتالپی استاندارد سوخنت گرمای آزاد شده در هنگام سوخنت یك مول از ماده در مقدار 55 standard molar enthalpy of combustion كافی اكسیژن آنتالپی استاندارد تبخیر گرمای مصرف شده در هنگام تبدیل یك مول مایع به بخار در 56 standard molar enthalpy of vaporization دمای جوش آن ماده آنتالپی استاندارد ذوب تغییر آنتالپی در هنگام تبدیل یك مول جامد به مایع در دمای ٥٦ standard molar enthalpy of fusion آنتالپی استاندارد تصعید ذوب آن جسم ٥٧ standard molar enthalpy of sublimation تغییر آنتالپی در هنگام تصعید شدن یك مول ماده مقدار انرژی مصرف شده در هنگام شكسنت یك مول پیوند بنی میانگنی آنتالپی پیوندenergy ٥٧ average bond دو امت و تبدیل آنها به امتهای جدا از یکدیگر روشهای اندازهگیری گرمای آزادشده یا جذبشده در 58 calorimetry گرماسنجی فرایندهای فیزیكی یا شیمیایی 108

116 وسیلهای كه از آن برای اندازهگیری گرمای یك واكنش در فشار گرماسنج لیوانیcalorimeter ٥٨ coffee-cup ثابت استفاده میشود. وسیلهای كه از آن برای اندازهگیری گرمای یك واكنش در حجم ٥٨ bomb calorimeter گرماسنج مببی ثابت استفاده میشود. قانون هس H ٥٩ Hess s law یك واكنش چند مرحله ای از جمع جبری مقادیر H همۀ واكنش های تشكیل دهندۀ آن به دست می آید. گاز آب ٦٢ Water - gas به مخلوطی از گازهای H 2 و CO گفته می شود. فرایند گرماده 51 exothermic process فرایندی كه در آن گرما آزاد می شود و آنتالپی سامانه كاهش مییابد. فرایندی كه در آن گرما جذب میشود و آنتالپی سامانه افزایش 52 فرایند گرماگیر endothermic process مییابد. معیاری برای بیان میزان بینظمی یك سامانه است. ٦٤ entropy آنتروپی كمیتیترمودینامیكیكهآنتروپیوآنتالپیرابههمربطمیدهد. ٦٩ free energy انرژی آزاد به مقدار انرژی در دسترس برای اجنام یك فرایند گفته میشود. ٦٩ Gibbs free energy انرژی آزاد گیبس مخلوط همگن )محلول( مخلوطی است كه تنها یك فاز تشكیل میدهد. 74 mixture) solution (homogeneous مخلوطی است كه بیش از یك فاز داشته باشد. 74 مخلوط ناهمگنmixture heterogeneous بخشی از ماده كه حالت فیزیكی و تركیب شیمیایی در همۀ 75 phase فاز نقاط آن یكسان است. جزئی كه حلشونده را در خود حل میكند و معموال درصد 75 solvent حالل بیشتری از محلول را تشكیل میدهد. جزئی كه در حالل حل میشود. 75 solute حلشونده محلولی كه حالل آن آب است. 76 aqueous solution محلول آبی محلولی كه حالل آن یك حاللی آلی است. 76 محلول غیر آبیsolution non-aqueous انحالل پذیری 77 solubility بیشترین مقدار ماده برحسب گرم كه در دمای مشخص در 100 گرم آب حل میشود. ویتامنی ث جامد سفیدرنگ متبلوری كه بهخوبی در آب حل 80 ascorbic acid آسكوربیكاسید میشود. تغییر آنتالپی مربوط به حلشدن یك مول حلشونده در مقدار 81 enthalpy solution آنتالپی انحالل زیادی حالل احاطهشدن ذرهها توسط مولكولهای آب را آبپوشی گویند. 82 hydration آبپوشی موادی كه 0/01 تا 1 گرم در 100 گرم آب در دمای مشخص حل 77 slightly soluble مواد كممحلول 109 می شود.

117 موادی كه کمتر از 0/01 گرم در 100 گرم آب در دمای مشخص 77 insoluble مواد نامحلول حل میشود. انحاللپذیری گازها با فشار گاز رابطۀ مستقیم دارد. 87 Henry s law قانون هنری به جرم مادۀحلشده در 100 گرم محلول گفته میشود. 88 weight(mass)percent درصد جرمی تعداد مولكول گرمهای مادۀحلشده در 1000 گرم حالل 92 molality غلظت موالل ماد های كه در حالت مذاب یا محلول رسانای الكتریكی است. 92 electrolyte الكترولیت محلولی از یك اسید قلیا یا منك كه مولكولهای آن به یون 92 محلول الكترولیتsolution electrolyte جتزیه می شود. ماد های كه در حالت مذاب یا محلول در آب رسانای جریان برق 92 non-electrolyte غیرالكترولیت نیست. خواصی از محلولها كه میزان آن تنها به تعداد ذرههای موجود 94 خواص كولیگاتیوproperties colligative در محلول بستگی دارد. فشاری كه بخار یك مایع روی سطح آن مایع وارد میكند. 94 vapor pressure فشار بخار دمایی كه در آن فشار بخار مایع با فشار هواكره برابر شود. 95 bolling point نقطۀجوش در فشار معنی هر مایع در دمای معینی آغاز به اجنماد میكند 95 freezing point نقطۀاجنماد كه آن را دمای اجنماد آن مایع میگویند. حالتی از مخلوط است كه در آن ذرههایی به قطر 1 تا colloild كلویید نانومتر در یك فاز پیوسته )فاز پخشكننده( پراكنده شدهاند. پراكندگی نور بهوسیلۀ ذرههای ماده به هنگام عبور نور از میان 98 Tyndall effect اثر تیندال آن نوعیمخلوطكهیكیازاجزایآنپسازمدتیتهنشنیمیشود. 98 Suspension سوسپانسیون كلوییدی كه از پراكنده شدن یك مایع در مایع دیگر ایجاد 99 emulsion امولسیون میشود. حركت سریع و تصادفی ذرههای كلوییدی كه به كمك نور 100 brownian motion حركت براونی تابانیده شده بر زمینهای تاریك قابل مشاهده است. خلته شدن flocculation یا 101 coagulation جتمع ذره های معلق یك كلویید و ایجاد ذره هایی درشت تر با جرم بیشتر كه موجب ته نشنی شدن ذره ها و از بنی رفنت كلویید می شود. روشی برای جداسازی ذرههای كلوییدی باردار در یك میدان 101 electrophoresis الكتروفورز الكتریكی روشی برای جداسازی یونها یا مولكولهای موجود در یك 101 dialysis دیالیز محلول به كمك غشای نیمهتراوا 110

118 رسوبدهندۀكوترل دستگاهی صنعتی كه با ایجاد یك میدان الكتریكی قوی باعث 102 Cottrell precipitator تهنشنی شدن گرد و غبار موجود در هوای خروجی كارخانه میشود. صابون 102 soap به منك سدمی پتاسیم و آمونیوم اسیدهای چرب گفته می شود. پاك كنندۀغیر صابونی)مواد مؤثر سطحی( (surfactant) 103 detergent تركیب هایی كه كشش سطحی آب را كاهش می دهند و به ایجاد كلویید چربی در آب كمك می كنند. 111

119 آکتنیدها هالوژن ها عدد امتی مناد شیمیایی نام جرم امتی میانگنی جامد مایع گاز عنصرهای واسطه فلزها شبه فلزها نا فلزها فلزهای قلیایی فلزهای قلیایی خاکی النتانیدها عنصرهای گروه اصلی عنصرهای گروه اصلی جدول تناوبی عنصرها گازهای جنیب 112