ردپای گاز ها در زندگی

هواکره زمین یک مخلوط همگن از گازهای مختلف است که به دلیل نیروی گرانش زمین در اطراف سیاره ما نگه داشته شده است. برخلاف تصور عمومی، هواکره ساختاری یکنواخت ندارد و بر اساس روند تغییرات دما به پنج لایه اصلی تقسیم می‌شود. پایین‌ترین لایه که محل زندگی ما و وقوع پدیده‌های آب و هوایی است، تروپوسفر نام دارد. این لایه حدود ۷۵ درصد از جرم (نه حجم) کل هواکره را در خود جای داده است.

در لایه تروپوسفر، با افزایش ارتفاع از سطح زمین، دما به ازای هر کیلومتر حدود ۶ درجه سلسیوس کاهش می‌یابد و در انتهای این لایه به حدود ۵۵- درجه سلسیوس می‌رسد. برخلاف روند دما که در لایه‌های مختلف متفاوت است (مثلاً در استراتوسفر با افزایش ارتفاع، دما زیاد می‌شود)، فشار هوا در تمام لایه‌ها با افزایش ارتفاع به صورت غیرخطی کاهش می‌یابد. علت این کاهش، رقیق شدن هوا و کم شدن شمار ذرات سازنده آن در ارتفاعات بالاست.

در ارتفاعات بسیار بالا (بالای ۷۵-۱۰۰ کیلومتر)، علاوه بر اتم‌ها و مولکول‌های خنثی، به دلیل برخورد پرتوهای پرانرژی خورشید، یون‌های مثبت مانند کاتیون هلیم (He⁺) نیز یافت می‌شوند که باعث افزایش تنوع گونه‌های شیمیایی در آن نواحی می‌گردد.

هوای پاک و خشک ترکیبی از گازهای مختلف است که نسبت آن‌ها از حدود ۲۰۰ میلیون سال پیش تاکنون تقریباً ثابت مانده است. این ثبات را می‌توان از بررسی هوای محبوس در بلورهای یخ قطبی و سنگ‌های آتشفشانی دریافت. اجزای اصلی به ترتیب فراوانی حجمی عبارتند از: نیتروژن (۷۸٪)، اکسیژن (۲۱٪)، آرگون (۰/۹٪) و کربن دی‌اکسید (۰/۰۴٪).

برای تهیه گازهای خالص در صنعت، از روش تقطیر جزء به جزء هوای مایع استفاده می‌شود. مراحل این فرایند به شرح زیر است:

1. عبور از صافی برای جدا کردن گرد و غبار.
2. اعمال فشار و کاهش دما برای مایع کردن هوا.
3. خروج رطوبت و کربن دی‌اکسید (کربن دی‌اکسید در دمای ۷۸- درجه به صورت جامد جدا می‌شود).
4. ورود هوای مایع به ستون تقطیر.

نکته مهم این است که هلیم به دلیل نقطه جوش بسیار پایین (۲۶۹- درجه)، در دمای هوای مایع (۲۰۰- درجه) هنوز گاز است و در هوای مایع حضور ندارد. همچنین به علت نزدیک بودن نقطه جوش آرگون و اکسیژن، تهیه اکسیژن با خلوص ۱۰۰٪ به این روش بسیار دشوار است.

گازهای نجیب عناصر گروه ۱۸ جدول تناوبی هستند که به دلیل آرایش الکترونی پایدار، واکنش‌پذیری بسیار ناچیزی دارند. هلیم سبک‌ترین گاز نجیب است؛ این گاز بی‌رنگ، بی‌بو و بی‌مزه است و غلظت آن در لایه‌های زیرین پوسته زمین (به دلیل واکنش‌های هسته‌ای) بیشتر از میانگین هواکره است. هلیم در بالن‌های هواشناسی و تبلیغاتی، و به صورت مایع برای خنک کردن قطعات الکترونیکی در دستگاه‌های MRI کاربرد حیاتی دارد.

آرگون نیز یکی دیگر از گازهای نجیب مهم است که با درصد حجمی حدود ۰/۹٪ در هوا یافت می‌شود. آرگون علی‌رغم فراوانی کم، در صنایعی چون جوشکاری و برشکاری فلزات به عنوان محیط بی‌اثر برای جلوگیری از اکسید شدن فلز داغ استفاده می‌شود. همچنین در ساخت لامپ‌های رشته‌ای برای جلوگیری از سوختن فیلامان کاربرد دارد.

نکته کنکوری مهم این است که گازهای نجیب همگی تک‌اتمی هستند. آرگون با عدد اتمی ۱۸، شماره گروهی برابر با عدد اتمی خود دارد. هلیم، آرگون و نئون همگی گازهایی بی‌رنگ و بی‌بو هستند که در زندگی مدرن نقش حیاتی ایفا می‌کنند، هرچند آرگون مانند نیتروژن و اکسیژن در فرآیندهای زیستی تنفس نقشی ندارد.

سوختن یک واکنش شیمیایی سریع است که در آن ماده با اکسیژن ترکیب شده و بخشی از انرژی شیمیایی آن به صورت نور و گرما آزاد می‌شود. کیفیت سوختن به شدت به مقدار اکسیژن در دسترس وابسته است. در سوختن کامل هیدروکربن‌ها (اکسیژن کافی)، شعله آبی رنگ است و تنها کربن دی‌اکسید و آب تولید می‌شوند. اما در سوختن ناقص (کمبود اکسیژن)، شعله زرد رنگ است و علاوه بر فرآورده‌های قبلی، گاز سمی کربن مونوکسید (CO) و گاهی کربن (دوده) نیز تولید می‌شود.

گاز کربن مونوکسید (CO) بسیار سمی، بی‌رنگ و بی‌بو است. چگالی آن از هوا کمتر است و قابلیت انتشار بالایی دارد. خطر اصلی CO در میل ترکیبی بسیار شدید آن با هموگلوبین خون است؛ هموگلوبین بیش از ۲۰۰ برابر تمایل بیشتری به پیوند با CO نسبت به اکسیژن دارد. این اتصال مانع اکسیژن‌رسانی به بافت‌ها شده و منجر به مسمومیت، فلج شدن سامانه عصبی و در نهایت مرگ می‌شود.

سوختن سوخت‌های فسیلی (مثل زغال سنگ) آلاینده‌های دیگری مانند اکسیدهای گوگرد (SO_۲) و نیتروژن را نیز وارد هوا می‌کند که از عوامل اصلی آلودگی محیط زیست هستند.

خورشید پرتوهای الکترومغناطیسی با طول موج کوتاه (انرژی بالا) گسیل می‌کند. بخش عمده‌ای (حدود ۷۰٪) از این پرتوها توسط سطح زمین جذب شده و باعث گرم شدن آن می‌شود. زمین پس از گرم شدن، انرژی را به صورت پرتوهای فروسرخ با طول موج بلندتر (بیش از ۷۰۰ نانومتر) به فضا باز می‌گرداند. گازهای گلخانه‌ای مانند کربن دی‌اکسید (CO_۲)، متان (CH_۴) و بخار آب (H_۲O)، مانند یک پتوی حرارتی عمل کرده و بخشی از این گرمای خروجی را جذب و دوباره به سمت زمین بازتاب می‌کنند.

امروزه به دلیل فعالیت‌های انسانی، غلظت این گازها افزایش یافته که منجر به گرمایش جهانی شده است. آثار این پدیده عبارتند از: ذوب شدن یخ‌های قطبی، کاهش مساحت برف در نیمکره شمالی، بالا آمدن سطح آب‌های آزاد و جابجایی فصل‌ها (مثلاً شروع زودتر بهار). ردپای کربن دی‌اکسید معیاری است که نشان می‌دهد هر فعالیت یا تولید محصول، چه مقداری CO_۲ وارد هواکره می‌کند. کاشت درختان یکی از راه‌های مؤثر کاهش این ردپا است، زیرا یک درخت تنومند سالانه حدود ۵۰ کیلوگرم CO_۲ جذب می‌کند.

در نام‌گذاری ترکیبات مولکولی، از پیشوندهای عددی یونانی برای نشان دادن تعداد اتم‌های هر عنصر استفاده می‌شود. قواعد کلیدی عبارتند از:

1. برای عنصر اول (سمت چپ)، اگر فقط یک اتم باشد، پیشوند مونو به کار نمی‌رود.
2. پسوند «ید» به انتهای نام عنصر دوم اضافه می‌شود.

در ساختار لوویس، اتم‌ها با به اشتراک گذاشتن الکترون‌های لایه ظرفیت خود سعی می‌کنند به قاعده هشت‌تایی (اکتت) برسند. اتم کربن در تمام ترکیبات خود حداکثر ۴ پیوند تشکیل می‌دهد. کربن مونوکسید (CO) ساختار جالبی دارد؛ بین کربن و اکسیژن پیوند سه‌گانه برقرار است و هر کدام یک جفت الکترون ناپیوندی دارند (مجموعاً ۲ جفت ناپیوندی در مولکول).

تعداد جفت الکترون‌های ناپیوندی در مولکول‌ها تعیین‌کننده بسیاری از خواص فیزیکی و شیمیایی است. برای مثال در CO_۲ نسبت شمار الکترون‌های ناپیوندی (۸ عدد) به شمار جفت الکترون‌های پیوندی (۴ جفت) برابر با ۲ است. در مولکول متان (CH_۴)، کربن به اکتت می‌رسد اما هیدروژن تنها به آرایش دوتایی پایدار (مشابه هلیم) دست می‌یابد.

یک واکنش شیمیایی را می‌توان به دو صورت نشان داد: معادله نوشتاری که فقط نام مواد را بیان می‌کند و معادله نمادی که با استفاده از فرمول‌های شیمیایی، اطلاعات دقیق‌تری ارائه می‌دهد. در معادله نمادی، علاوه بر فرمول مواد، حالت فیزیکی آن‌ها با نمادهایی چون (s) جامد، (l) مایع، (g) گاز و (aq) محلول آبی نمایش داده می‌شود. همچنین شرایط واکنش مانند دما، فشار یا کاتالیزگر (مانند Pt یا Pd) بالای پیکان نوشته می‌شود.

برای رعایت این قانون، معادلات را موازنه می‌کنیم. در یک معادله موازنه شده، شمار اتم‌های هر عنصر در دو طرف برابر است، اما لزوماً تعداد کل مول‌های مواد در دو طرف برابر نیست. برای مثال در واکنش تولید آب:

۲H_۲(g) + O_۲(g) → ۲H_۲O(l)

مجموع ضرایب واکنش‌دهنده‌ها (۳) با ضرایب فرآورده‌ها (۲) برابر نیست، اما تعداد اتم‌های هیدروژن (۴) و اکسیژن (۲) در هر دو طرف یکسان است. نماد Δ بالای پیکان نشان‌دهنده نیاز واکنش به گرما (گرماگیر بودن) است.

اکسیدها بر اساس واکنش با آب به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند: اکسیدهای فلزی که معمولاً خاصیت بازی دارند و اکسیدهای نافلزی که خاصیت اسیدی دارند. آهک (کلسیم اکسید با فرمول CaO) یک اکسید فلزی است که با انحلال در آب، یون‌های هیدروکسید (OH^-) تولید کرده و pH محیط را افزایش می‌دهد. کشاورزان از آهک برای کاهش اسیدیته خاک و افزایش بهره‌وری محصولات استفاده می‌کنند.

از طرف دیگر، اکسیدهای نافلزی مانند CO_۲ و SO_۳ در واکنش با آب، اسید تولید کرده (مانند اسید کربنیک و اسید سولفوریک) و pH آب را کاهش می‌دهند. افزایش گازهای گلخانه‌ای مانند کربن دی‌اکسید باعث اسیدی شدن آب اقیانوس‌ها می‌شود که این پدیده به اسکلت آهکی موجودات دریایی نظیر مرجان‌ها و کیسه‌تنان آسیب جدی وارد می‌کند.

در صنعت، برای تهیه اسید سولفوریک، ابتدا گوگرد را می‌سوزانند تا SO_۲ تولید شود. لازم به ذکر است که برخی اکسیدها مانند NO_۲ به صورت مولکولی حل شده و لزوماً طبق تعریف اسید آرنیوس رفتار نمی‌کنند، اما در نهایت بر pH محیط تأثیرگذارند.

گازها رفتار فیزیکی متفاوتی نسبت به مایعات و جامدات دارند. یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های گازها، تراکم‌پذیری بالای آن‌هاست. هنگامی که در دمای ثابت، فشار یک گاز افزایش می‌یابد، حجم آن کاهش پیدا کرده و فاصله بین مولکول‌ها کم می‌شود. برخلاف گازها، مایعات تقریباً تراکم‌ناپذیرند. چگالی یک گاز با فشار رابطه مستقیم (با افزایش فشار، چگالی زیاد می‌شود) و با دما رابطه عکس (با افزایش دما، چگالی کم می‌شود) دارد.

طبق قانون آووگادرو، در شرایط دما و فشار یکسان، حجم گاز تنها به تعداد ذرات (مول‌ها) بستگی دارد و نه نوع گاز. برای تبدیل دمای سلسیوس به کلوین، باید از فرمول T(K) = t(°C) + ۲۷۳ استفاده کرد. در تمامی محاسبات مربوط به قوانین گازها، استفاده از دمای کلوین ضروری است.

ذرات گاز به دلیل انرژی گرمایی دائم در حال جنبش نامنظم و کاتوره‌ای هستند. این جنبش باعث پخش شدن سریع گاز در محیط می‌شود، به خصوص گازهایی با جرم مولی کمتر که سرعت انتشار بیشتری دارند.

اکسیژن (O_۲) فراوان‌ترین نافلز در پوسته زمین و دومین گاز فراوان هواکره (۲۱٪ حجمی) است. این عنصر به قدری واکنش‌پذیر است که با اغلب عناصر واکنش می‌دهد، اما به دلیل چرخه‌های طبیعی مانند فتوسنتز، همواره به صورت گاز آزاد در طبیعت یافت می‌شود. اکسیژن در لایه‌های مختلف هواکره به صورت ناهمگون توزیع شده است (غلظت آن با افزایش ارتفاع کاهش می‌یابد).

اکسیژن عنصر حیاتی است که در ساختار تمام مولکول‌های زیستی اصلی شامل کربوهیدرات‌ها، چربی‌ها و پروتئین‌ها یافت می‌شود. در هواکره، اکسیژن می‌تواند به شکل مولکول اوزون (O_۳)، اتم اکسیژن (O) یا حتی کاتیون‌های اکسیژن در لایه‌های فوقانی حضور داشته باشد.

فعالیت‌های طبیعی زمین مانند آتشفشان‌ها نیز بر ترکیب هواکره تأثیرگذارند. آتشفشان‌ها با آزاد کردن مقادیر زیادی گاز (مانند CO_۲ و بخار آب) و مواد شیمیایی جامد به صورت گرد و غبار، بر اقلیم جهانی اثر می‌گذارند. همچنین تجزیه طبیعی لاشه جانوران و گیاهان، راه دیگری برای ورود ترکیبات کربن‌دار به هواکره از طریق واکنش‌های شیمیایی است.

ساختار ذره‌های تشکیل‌دهنده مواد، ویژگی‌های متمایزی به آن‌ها می‌بخشد. در ترکیبات یونی، تعادل بار الکتریکی بسیار مهم است. برای مثال در آلومینیم اکسید (Al_۲O_۳)، تعداد یون‌های مثبت (۲ عدد Al^۳+) و منفی (۳ عدد O^۲-) برابر نیست، اما ترکیب از نظر الکتریکی خنثی است زیرا مجموع بارهای مثبت (۶+) و منفی (۶-) یکدیگر را خنثی می‌کنند.

گاهی تعداد اتم‌ها یا یون‌ها در ترکیبات مختلف با هم برابر می‌شود. مثلاً تعداد اتم‌های اکسیژن در یک مول سیلیس (SiO_۲) با تعداد یون‌های فلزی در یک مول آلومینیم اکسید (Al_۲O_۳) هر دو برابر با ۲ است. این شباهت‌های عددی در استوکیومتری بسیار پرکاربرد هستند.

در مورد یون‌های چنداتمی نیز تعداد پیوندهای کووالانسی حائز اهمیت است. در ترکیب آمونیوم کربنات، تعداد پیوندهای کووالانسی در کاتیون آمونیوم (NH_۴⁺) و آنیون کربنات (CO_۳^۲-) با هم برابر است. شناخت دقیق فرمول‌های شیمیایی نظیر آمونیوم سولفات که در هر واحد فرمولی آن مجموعاً ۱۵ اتم (۲ نیتروژن، ۸ هیدروژن، ۱ گوگرد و ۴ اکسیژن) وجود دارد، برای حل مسائل جرمی ضروری است.