هوا کره و گازها – شیمی دهم (۱)

سلامی دوباره بر کاربران عزیز وبلاگ بین جو (Binjo)، در این مقاله با ما همراه باشید تا فصل دوم از کتاب شیمی دهم، مبحث هوا کره را به طور کامل یاد بگیریم و با موفقیت پشت سر بگذاریم.

هوا کره

زمین، اتمسفری دارد که امکان زندگی را روی آن فراهم می‌کند. این اتمسفر، مخلوطی از گازهای گوناگون است که تا فاصله ۵۰۰ کیلومتری از سطح زمین امتداد یافته است به طوری که می‌توان گفت ما در کف اقیانوسی از مولکول‌های گازی زندگی می‌کنیم. جاذبه زمین این گازها را پیرامون خود نگه می‌دارد و مانع از خروج آن‌ها از اتمسفر می شود. از سوی دیگر، انرژی گرمایی مولکول‌ها سبب می‌شود تا پیوسته آن‌ها درحال جنبش باشند و در سرتاسر هوا کره توزیع شوند.

لایه فیروزه‌ای اطراف زمین، اتمسفر زمین یا هوا کره

بیشتر گازها به صورت نامرئی هستند به طوری که ما امکان مشاهده هوا را نداریم و به طور کلی وجود آن را در اطراف خود حس نمی‌کنیم، مگر در روزهایی که باد می‌وزد. میان گازهای هوا، واکنش‌های شیمیایی گوناگونی رخ می‌‌دهد که اغلب آن‌ها برای ساکنان این سیاره سودمند هستند، اما برخی از این واکنش‌ها مفید نبوده و فراورده هایی تولید می کنند که دلخواه و مطلوب ساکنان سیارۀ خاکی نیست.

نیتروژن، کربن دی اکسید و اکسیژن از جمله گازهای هواکره هستند که در زندگی روزانه نقش حیاتی و زیادی دارند.

اجزا هوا کره

هواکره می‌تواند منبع ارزشمندی برای تهیه برخی گازها باشد. حدود ۷۵ درصد از جرم هوا کره، در نزدیک‌ترین لایه به زمین که تروپوسفر نامیده می‌شود قرار دارد. این بخش از هوا کره، بخشی است که ما در آن زندگی می‌کنیم. پس از تروپوسفر، هواکره رفته رفته رقیق تر می‌شود.

در جدول زیر درصد حجمی گازهای تشکیل دهنده هوا خشک و پاک در لایه تروپوسفر نمایش داده شده است.

نام و درصد حجمی گازهای سازنده هوا پاک و خشک

به این نکته توجه کنید که رطوبت هوا متغیر است و میانگین بخار آب در هوا، تقریبا در حدود یک درصد است. این مقدار در مکان‌ و زمان‌های مختلف تغییر می‌کند.

با توجه به جدول بالا، بخش عمده هوا کره را دو گاز نیتروژن و اکسیژن تشکیل می‌دهد. گاز آرگون نیز در میان اجزا هوا کره در رتبه سوم قرار دارد؛ پس می‌توان هوا را منبعی غنی برای تهیه این گازها دانست. در صنعت، این گازها را از تقطیر جزء به جزء هوای مایع تهیه می‌کنند.

برج تقطیر برای جداسازی اجزا هوا

مراحل جداسازی اجزا هوا با برج تقطیر

در این فرایند، ابتدا هوا را از صافی‌هایی عبور می دهند تا گرد و غبار آن گرفته شود. سپس با استفاده از فشار، دمای هوا را به طور پیوسته کاهش می‌دهند. با کاهش دما هوا تا صفر درجه سلسیوس، رطوبت هوا به صورت یخ از آن جدا می‌‌شود. در دما ۷۸- درجه سلسیوس، گاز کربن دی اکسید هوا نیز به حالت جامد در می‌آید. با سرد کردن بیشتر تا دما ۲۰۰- درجه سلسیوس، مخلوط بسیار سردی از چند مایع پدید می‌آید که به آن هوا مایع می‌گویند. در آخر نیز، با عبور هوا مایع از یک ستون تقطیر، گازهای سازنده جداسازی و در ظرف‌هایی به صورت جداگانه ذخیره می‌شوند.

نیتروژن

گاهی اوقات مغز گردو، بادام، آفتابگردان و …  مزه و بو کهنگی می‌دهند که دلیل آن، ماندن آن‌ها در هوای آزاد به مدت طولانی است. امروزه در بسته بندی برخی مواد خوراکی از گاز نیتروژن استفاده می‌شود. علاوه بر این، گاز نیتروژن کاربردهای دیگری نیز دارد. از گاز نیتروژن در خودرو برای پر کردن تایر خودروها، در سرمایش برای انجماد مواد غذایی و برای نگهداری نمونه های بیولوژیکی در پزشکی استفاده می‌شود.

کاربردهای نیتروژن

اکسیژن

اکسیژن یکی از مهم‌ترین گازهای تشکیل دهند‌ه هوا کره است که زندگی روی زمین به وجود آن وابسته است. به طوری که بسیاری از واکنش‌های شیمیایی (مفید یا غیرمفید) مانند فرسایش سنگ و صخره، زنگ زدن، فساد مواد غذایی و … که به صورت پیوسته در اطراف ما رخ می‌دهند به دلیل تمایل زیاد اکسیژن برای انجام واکنش است (الکترونگاتیوی بالا). این عنصر در آب‌کره، در ساختار مولکول‌های آب و در زیست کره در ساختار همه مولکول‌های زیستی مانند کربوهیدرات‌ها، چربی‌ها و پروتئین‌ها یافت می‌شود. در هوا کره نیز این گاز به طور عمده به شکل مولکول‌های دو اتمی وجود دارد؛ هرچند مقدار این گاز در لایه‌های گوناگون هوا کره با هم متفاوت است.

ترکیب اکسیژن با فلزها و نافلزها

اکسیژن در سنگ کره به شکل اکسیدهای گوناگون نیز یافت می‌شود. برای نمونه فلز آلومینیم به شکل ترکیب بوکسیت (\(Al_{2}O_{3}\)) و همین طور سیلیسیم به شکل ترکیب سیلیس (\(SiO_{2}\)) در طبیعت موجود است.

علاوه بر فلزهایی مانند طلا و پلاتین که در طبیعت به حالت آزاد موجود است، فلزهایی نیز وجود دارند که با بیش از یک نوع اکسید در طبیعت مشاهده شده اند. آهن یک نمونه از این نوع فلزها ست. این فلز در ترکیب با اکسیژن دو نوع اکسید با فرمول‌های شیمیایی (\(FeO\)) و (\(Fe_{2}O_{3}\)) تولید می‌کند.

سنگ معدن که دارای هر دو نوع اکسید آهن است

واکنش عنصرها با اکسیژن، تنها به فلزها محدود نمی‌شود بلکه نافلزها نیز با اکسیژن واکنش می‌دهند و به اکسید نافلزها تبدیل می‌شوند. در واقع اکسیدهای نافلزی، دسته دیگری از ترکیب‌های شیمیایی هستند که از واکنش نافلزها با اکسیژن تولید می‌شوند. ترکیب هایی مانند \(CO_{2}\) و \(SO_{2}\) و \(SO_{3}\) و \(NO_{2}\) ، نمونه‌هایی از اکسیدهای نافلزی هستند.

اکسیدها در فراورده‌های سوختن

اکسیژن، گازی واکنش پذیر است و تقریبا با اکثر عنصرها و مواد واکنش می‌دهد؛ شیمی دان‌ها از این ویژگی برای تهیه بسیاری از مواد بهره می‌گیرند، به عنوان مثال در صنعت برای تهیه سولفوریک اسید، ابتدا گوگرد را در واکنش با اکسیژن به \(SO_{2}\) تبدیل می‌کنند. این واکنش به سوختن گوگرد شناخته می‌شود. برخی عنصرهای فلزی و نافلزی دیگر نیز می‌توانند با اکسیژن بسوزند و به اکسیدهای فلزی و یا نافلزی تبدیل شوند.

سوختن (۱) آهن، (۲) منیزیم، (۳) گوگرد و (۴) سدیم

سوختن، واکنشی شیمیایی است که در آن، یک ماده با اکسیژن به سرعت واکنش می‌دهد و بخشی از انرژی شیمیایی آن به صورت گرما و نور آزاد می‌‌شود. علاوه بر برخی عنصرها؛ مواد دیگری از جمله سوخت‌های فسیلی نیز در شرایط مناسب با اکسیژن واکنش داده و می‌سوزند.

نوع فراورده‌ها در واکنش سوختن سوخت‌های فسیلی، به مقدار اکسیژنی که در دسترس است بستگی دارد؛ به این صورت که اگر اکسیژن کافی موجود باشد، سوختن کامل انجام می‌شود و گاز کربن دی اکسید و بخار آب تولید می‌شود. اما اگر مقدار اکسیژن کم باشد، گاز کربن مونوکسید فراورده‌های دیگری تولید خواهد شد؛ در این حالت گفته می‌شود سوختن ناقص است.

برای مثال به شکل زیر توجه کنید. رنگ زرد شعله نشان دهنده کمبود اکسیژن نسبت به مقدار اکسیژن مورد نیاز برای واکنش و در نتیجه سوختن ناقص است و رنگ آبی شعله نیز نشان می‌دهد اکسیژن کافی در در واکنش شرکت دارد و وسیله گازسوز به درستی کار می‌کند.

سوختن کامل – سوختن ناقص

کربن مونوکسید، گازی بی رنگ، بی بو و بسیار سمی است که هر ساله تعدادی از انسان‌ها به دلیل مسموییت حاصل از استنشاق این گاز جان خود را از دست می‌دهند. چگالی این گاز کمتر از هوا و قابلیت انتشار آن در محیط بسیار زیاد است؛ به طوری که به سرعت در همه فضا اتاق پخش می‌شود.

از آن‌جا که میل ترکیبی هموگلوبین خون با این گاز بسیار زیاد و بیش از ۲۰۰ برابر اکسیژن است، مولکول‌های آن پس از اتصال به هموگلوبین از رسیدن اکسیژن به بافت‌های بدن جلوگیری می‌کنند. این ویژگی باعث مسمومیت می‌شود و سامانه عصبی را فلج می‌کند به طوری که قدرت هرگونه اقدامی را از فرد مسموم می‌گیرد و بدین ترتیب باعث مرگ می‌شود.

رفتار اکسیدهای فلزی و نافلزی

اکسیدهای فلزی و نافلزی، به دلیل تنوع رفتار، کاربردهای زیادی در زندگی روزانه دارند. به عنوان مثال برخی کشاورزان کلسیم اکسید (آهک) را به عنوان اکسیدفلزی برای افزایش بهره وری در کشاورزی به خاک اضافه می‌کنند؛ زیرا افزودن این نوع مواد به خاک با عث می‌شود تا مقدار و نوع مواد معدنی در دسترس گیاه تغییر کند. همچنین از کلسیم اکسید برای کنترل میزان اسیدی بودن آب دریاچه ها نیز استفاده می‌شود.

اکسیدهای فلزی را اکسیدهای بازی و اکسیدهای نافلزی را اکسیدهای اسیدی می‌نامند؛ زیرا از واکنش اغلب آن‌ها با آب به ترتیب باز و اسید تولید می‌شود.

در انتها نیز شما را به مطالعه دیگر مقاله های مباحث شیمی دعوت می‌کنیم.

مولکول – شیمی دهم (۱)

یون – شیمی دهم (۱)

عدد کوانتومی اوربیتالی – شیمی دهم (۱)