ردپای گاز ها در زندگی + آب، آهنگ زندگی

اکسیژن در طبیعت به دو شکل مولکولی یا دگرشکل (آلوتروپ) یافت می‌شود: اکسیژن دواتمی (O_۲) و اوزون (O_۳). اوزون دگرشکل سنگین‌تر و واکنش‌پذیرتر اکسیژن است که پایداری کمتری نسبت به O_۲ دارد. جرم مولی اوزون (۴۸ گرم بر مول) دقیقاً ۱.۵ برابر جرم مولی اکسیژن (۳۲ گرم بر مول) است.

ویژگی‌های فیزیکی و ساختاری

ساختار لوویس اوزون دارای یک پیوند دوگانه و یک پیوند یگانه بین اتم‌های اکسیژن است. جالب است بدانید که هم جرم مولی و هم مجموع تعداد جفت الکترون‌های پیوندی و ناپیوندی در اوزون، ۱.۵ برابر اکسیژن می‌باشد. نسبت جفت الکترون‌های پیوندی به ناپیوندی در هر دو مولکول برابر با ۰.۵ است، اما اختلاف شمار این جفت الکترون‌ها در اوزون (۳) بیشتر از اکسیژن (۲) است.

نقطه جوش اوزون به دلیل جرم بیشتر و قطبیت، بالاتر از اکسیژن است؛ بنابراین در صورت سرد کردن مخلوطی از این دو گاز، اوزون زودتر و اکسیژن دیرتر به حالت مایع در می‌آیند.

توزیع اوزون در هواکره ناهمگون است. این مولکول در دو لایه متفاوت جو نقش‌های کاملاً متضادی ایفا می‌کند.

اوزون استراتوسفری (سپر محافظ)

در لایه استراتوسفر، اوزون مانند یک صافی عمل کرده و بخش عمده پرتوهای خطرناک فرابنفش (UV) خورشید را جذب می‌کند. در این فرایند، با برخورد پرتو UV، تنها یک پیوند اشتراکی در اوزون می‌شکند و به O_۲ و اتم O تبدیل می‌شود. این واکنش برگشت‌پذیر است و با بازسازی اوزون، پرتوهای فروسرخ (با انرژی کمتر و طول موج بلندتر) آزاد می‌شوند. به همین دلیل غلظت اوزون در این لایه در یک تعادل پویا تقریباً ثابت می‌ماند.

اوزون تروپوسفری (آلاینده سمی)

برخلاف لایه بالا، اوزون در لایه تروپوسفر (نزدیک سطح زمین) یک آلاینده سمی و خطرناک است که باعث سوزش چشم و آسیب به ریه می‌شود. این اوزون از واکنش نیتروژن دی‌اکسید (NO_۲) با اکسیژن در حضور نور خورشید تولید می‌شود. گاز NO_۲ خود محصول واکنش NO با اکسیژن است و NO نیز در دماهای بالا (رعد و برق یا موتور خودرو) از N_۲ و O_۲ هوا تشکیل می‌شود. تولید اوزون تروپوسفری تنها در روز (حضور نور خورشید) ممکن است.

شیمی سبز رویکردی نوین برای طراحی محصولات و فرایندهایی است که آسیب به محیط زیست را به حداقل می‌رساند. یکی از اهداف اصلی آن، مبارزه با گرمایش زمین از طریق کاهش انتشار کربن دی‌اکسید (CO_۲) و دستیابی به توسعه پایدار است.

راهکارهای مدیریت CO_۲

برای کاهش اثرات گلخانه‌ای، CO_۲ را می‌توان به جای رهاسازی در هواکره، در مکان‌های عمیق و امن زیر زمین مانند چاه‌های نفت و گاز خالی یا سنگ‌های متخلخل ذخیره کرد. همچنین می‌توان CO_۲ را با واکنش دادن با اکسیدهای فلزی بازی (مانند MgO و CaO) به مواد معدنی جامد (مانند منیزیم کربنات و کلسیم کربنات) تبدیل کرد.

سوخت‌ها و پلاستیک‌های سبز

تولید سوخت‌های سبز (مانند اتانول و روغن‌های گیاهی) و پلاستیک‌های سبز از پسماندهای گیاهی (مانند نشاسته ذرت) از راهکارهای دیگر است. این مواد در ساختار خود علاوه بر کربن و هیدروژن، اکسیژن نیز دارند که باعث احتراق کامل‌تر و زیست‌تخریب‌پذیری آن‌ها توسط جانداران ذره‌بینی می‌شود.

گازها برخلاف جامدات و مایعات، حجم معینی ندارند و تمام فضای ظرف را اشغال می‌کنند. رفتار فیزیکی گازها با چهار کمیت مقدار (مول)، دما، فشار و حجم توصیف می‌شود.

قوانین حاکم بر گازها

۱. قانون بویل: در دمای ثابت، حجم گاز با فشار رابطه معکوس دارد. با افزایش فشار، فاصله بین مولکول‌ها کاهش یافته و حجم کل کم می‌شود.
۲. قانون شارل: در فشار ثابت، حجم گاز با دمای مطلق (کلوین) رابطه مستقیم دارد. کاهش شدید دما منجر به کاهش شدید حجم می‌شود (مانند انقباض بادکنک در نیتروژن مایع).
۳. قانون آووگادرو: در دما و فشار یکسان، حجم‌های برابر از گازهای مختلف، تعداد مول‌های یکسانی دارند. به عبارت دیگر، حجم یک مول از هر گازی در شرایط یکسان، مقدار ثابتی است که به آن حجم مولی می‌گویند.

شرایط استاندارد (STP)

شیمیدان‌ها دمای ۰ °C (۲۷۳ کلوین) و فشار ۱ atm را شرایط استاندارد (STP) می‌نامند. در این شرایط، حجم دقیقاً یک مول از هر گازی برابر با ۲۲.۴ لیتر است. توجه کنید که در جرم‌های یکسان از گازهای مختلف، به دلیل تفاوت جرم مولی، تعداد مول‌ها و در نتیجه حجم آن‌ها متفاوت خواهد بود.

ترکیبات یونی از کنار هم قرار گرفتن کاتیون‌ها (یون‌های مثبت) و آنیون‌ها (یون‌های منفی) ایجاد می‌شوند. در یک ترکیب یونی، مجموع بارهای الکتریکی باید صفر باشد تا ترکیب به‌صورت خنثی باقی بماند.

فرمول‌نویسی و نام‌گذاری

برای نوشتن فرمول، نسبت یون‌ها باید طوری انتخاب شود که بار کل خنثی شود. برای مثال در کلسیم کلرید، کاتیون Ca^۲+ و آنیون Cl^- با نسبت ۱ به ۲ ترکیب شده و CaCl_۲ را می‌سازند. در نام‌گذاری، اگر فلز تنها یک ظرفیت داشته باشد (مانند روی Zn^۲+ یا آلومینیوم Al^۳+)، ذکر عدد رومی لازم نیست؛ اما برای فلزاتی مانند آهن (Fe^۲+ و Fe^۳+)، حتماً باید عدد اکسایش ذکر شود (مانند آهن (III) برمید برای FeBr_۳).

یون‌های چنداتمی مهم

یون‌هایی مانند آمونیوم (NH_۴⁺)، سولفات (SO_۴^۲-)، نیترات (NO_۳^-)، کربنات (CO_۳^۲-) و فسفات (PO_۴^۳-) از چندین اتم تشکیل شده‌اند که با پیوند کووالانسی به هم وصل شده‌اند. آمونیوم سولفات با فرمول (NH_۴)_۲SO_۴ نمونه‌ای است که در هر واحد فرمولی آن، ۱۵ اتم وجود دارد و نسبت کاتیون به آنیون در آن ۲ به ۱ است.

زمین از فضا آبی دیده می‌شود؛ زیرا ۷۵ درصد از سطح آن را آب پوشانده است. آب‌کره (هیدروسفر) شامل اقیانوس‌ها، دریاها، رودخانه‌ها و کوه‌های یخ است. اقیانوس‌ها ۹۷.۲ درصد کل آب‌کره را تشکیل می‌دهند در‌ حالی که بزرگترین منبع آب غیر اقیانوسی، کوه‌های یخ (۲.۱۵ درصد) هستند، نه آب‌های زیرزمینی.

ویژگی‌های شیمیایی آب دریا

آب دریا یک مخلوط همگن (محلول) است که در آن آب حلال بوده و یون‌های مختلف حل‌شونده هستند. فراوان‌ترین آنیون در آب دریا یون کلرید (Cl^-) و فراوان‌ترین کاتیون یون سدیم (Na⁺) است. ترتیب فراوانی کاتیون‌ها در آب دریا به صورت Na⁺ > Ca^۲+ > Mg^۲+ > K⁺ است.

انواع مخلوط‌ها و شناسایی یون‌ها

مخلوط‌ها بر اساس اندازه ذرات به سه دسته تقسیم می‌شوند: محلول‌ها (همگن و پایدار)، کلوئیدها (ناهمگن، پایدار و پخش‌کننده نور) و سوسپانسیون‌ها (ناهمگن، ناپایدار و ته‌نشین‌شونده). برای شناسایی یون‌ها در آب، از واکنش‌های رسوبی استفاده می‌شود؛ مثلاً افزودن نقره نیترات به یون کلرید، رسوب سفید نقره کلرید (AgCl) ایجاد می‌کند.

بیان دقیق مقدار حل‌شونده در مقدار معینی از محلول، غلظت نامیده می‌شود. بسته به کاربرد در پزشکی، صنعت یا کشاورزی، روش‌های مختلفی برای بیان غلظت وجود دارد.

۱. درصد جرمی (w/w%)

این واحد بیانگر جرم حل‌شونده (به گرم) در ۱۰۰ گرم محلول است. از این واحد به‌طور گسترده در صنعت و پزشکی استفاده می‌شود. برای مثال، سرم فیزیولوژی محلول ۰.۹ درصد جرمی سدیم کلرید در آب است.

۲. قسمت در میلیون (ppm)

برای بیان غلظت محلول‌های بسیار رقیق (مانند آلاینده‌های هوا یا یون‌های آب آشامیدنی) از واحد ppm استفاده می‌شود که نشان‌دهنده جرم حل‌شونده در یک میلیون جرم محلول است. برای تبدیل ppm به درصد جرمی، کافی است مقدار ppm را بر ۱۰^۴ تقسیم کنید.

۳. غلظت مولی (مولار)

پرکاربردترین واحد غلظت در محاسبات شیمیایی است که رابطه میان مول حل‌شونده و حجم محلول (لیتر) را نشان می‌دهد. از آنجا که مول مبنای اصلی واکنش‌های شیمیایی است، این روش دقت محاسباتی بالاتری دارد.

تبدیل مواد خام به فرآورده‌های ارزشمند از اهداف اصلی صنایع شیمیایی است. دو فرایند بسیار مهم در این زمینه، فرایند هابر و استخراج منیزیم از آب دریا هستند.

فرایند هابر (تولید آمونیاک)

فریتس هابر واکنش تولید آمونیاک از گازهای نیتروژن و هیدروژن را تحت شرایط بهینه (دما و فشار مناسب) و با استفاده از کاتالیزگر آهن طراحی کرد. آهن (_۲۶Fe) در لایه سوم خود دارای ۱۴ الکترون است. در این فرایند برگشت‌پذیر، برای جداسازی آمونیاک، مخلوط را تا پایین‌تر از نقطه جوش آمونیاک سرد می‌کنند؛ آمونیاک مایع شده و گازهای باقی‌مانده (N_۲ و H_۲) برای افزایش بازده مجدداً به محفظه واکنش برمی‌گردند.

استخراج فلز منیزیم

منیزیم یکی از فلزات فراوان در آب دریاست. استخراج آن در چند مرحله انجام می‌شود:

1. واکنش یون‌های منیزیم با یون هیدروکسید و تشکیل رسوب منیزیم هیدروکسید (Mg(OH)_۲).
2. واکنش رسوب با HCl و تولید محلول منیزیم کلرید.
3. تبدیل محلول به منیزیم کلرید مذاب.
4. عبور جریان برق از مذاب (برقکافت) برای جذب فلز منیزیم.

خورشید منبع اصلی انرژی زمین است. انرژی تابیده شده از خورشید با طول موج کوتاه و انرژی بالا به سمت زمین می‌آید. بخش کوچکی از این پرتوها توسط هواکره جذب شده، اما بخش عمده‌ای از آن مستقیماً توسط سطح زمین جذب می‌شود.

اثر گلخانه‌ای و بازتابش

زمین پس از گرم شدن، انرژی جذب شده را به صورت پرتوهای فروسرخ بازتاب می‌دهد. این پرتوهای بازتابی نسبت به نور تابشی خورشید، طول موج بلندتر و انرژی کمتری دارند. گازهای گلخانه‌ای مانند کربن دی‌اکسید (CO_۲) و بخار آب، این پرتوهای فروسرخ را جذب کرده و مانع خروج کامل آن‌ها از جو می‌شوند که باعث گرم ماندن زمین می‌گردد.

پویایی زمین و هواکره

زمین از دیدگاه شیمیایی بسیار پویا است؛ بخش‌های مختلف (هواکره، سنگ‌کره و آب‌کره) به‌طور مداوم با یکدیگر برهم‌کنش‌های فیزیکی و شیمیایی دارند. برای مثال، فعالیت‌های آتشفشانی یا سوختن پیروپلیمرها بر ترکیب شیمیایی هواکره و سنگ‌کره تأثیر می‌گذارند.