واکنش شیمیایی

چگونگی انجام یک واکنش شیمیایی

برای اینکه واکنش شیمیایی رخ دهد، باید پیوندهای بین اتمها و مولکولها شکسته شوند و به نحو دیگری تشکیل شوند. از آنجا که این پیوندها معمولا قوی هستند، اغلب برای شروع یک واکنش انرژی لازم است. این انرژی معمولا به شکل گرما است. مواد جدید (محصولات واکنش) خواص متفاوت با مواد اولیه (واکنش دهنده ها) دارند. واکنشهای شیمیایی فقط در آزمایشگاه رخ نمی‌دهند. این واکنشها دائما در اطراف ما در حال وقوع اند، مانند زنگ زدن اتومبیلها و پخته شدن غذا.

انواع واکنشهای شیمیایی

بعضی از واکنشهای شیمیایی بسیار سریع، یعنی ظرف چند ثانیه رخ می‌دهند. بعضی دیگر از واکنشها بسیار کند هستند و تا هزاران سال به طول می‌انجامند (فساد یک جسد مومیایی شده باستانی نمونه ای از واکنشهای بسیار کند است).

نحوه انجام واکنش

برای اینکه یک واکنش شیمیایی رخ دهد، باید مواد واکنش‌دهنده با هم تماس یابند تا محصولات جدیدی را تشکیل دهند. هر چیزی که تماس بین ذرات واکنش‌دهنده را افزایش دهد، سرعت واکنش را زیاد می‌کند. این کار را به چند طریق می‌توان انجام داد:

1. با افزایش غلظت واکنش‌دهنده‌ها ، بطوری که ذرات بیشتری وجود داشته باشد. به این ترتیب ذرات به دفعات بیشتری به هم برخورد می‌کنند و بنابر این سریعتر واکنش می‌کنند و محصولات واکنش را تشکیل می‌دهند.
   
   
2. با افزایش فشار درون ظرف واکنش ، بطوری که ذرات به هم فشرده شوند و در نتیجه بیشتر به هم برخورد کنند.
   
   
3. با افزایش دمایی که واکنش در آن رخ می‌دهد. این کار به ذرات انرژی بیشتری می‌دهد، در نتیجه سریعتر حرکت می‌کنند و به دفعات بیشتری برخورد می‌کنند.
   
   
4. با افزایش مساحت رویه واکنش‌دهنده‌ها با شکستن فیزیکی آنها. این کار فرصت بیشتری را برای تماس و واکنش به واکنش‌دهنده‌ها می‌دهد.

استفاده از کاتالیزور

راه دیگری برای تغییر سرعت یک واکنش استفاده از کاتالیزور است. کاتالیزور ماده ای است که سرعت یک واکنش را تغییر می‌دهد، اما خود آن در پایان واکنش از نظر شیمیایی بدون تغییر می‌ماند. کاتالیزگرها معمولا واکنش را سریعتر می‌کنند. این مواد این کار را با فراهم کردن مسیر دیگری برای واکنش انجام می‌دهند، مسیری که نیاز به انرژی کمتری دارد.

به دلیل پائین آمدن «سد» انرژی ذرات بیشتری واکنش می‌کنند و واکنش سریعتر انجام می‌شود. کاتالیزگرها در تولید صنعتی مواد مختلف، مانند بنزین ، مارگارین ، آمونیاک اهمیت زیادی دارند. اکثر کاتالیزگرهای صنعتی فلز هستند و به شکل دانه های فلزاند. بعضی از کاتالیزگرها برای کند کردن واکنشها به کار می‌روند و بازدارنده نامیده می‌شوند.

اکسایش و کاهش

اکسایش و کاهش فرایندهایی هستند که در بعضی واکنشهای شیمیایی رخ می‌دهند: وقتی که اکسیژن به ماده ای اضافه می‌شود، وقتی که ماده ای هیدروژن از دست می‌دهد و وقتی که ماده ای الکترون از دست می‌دهد.

کاهش ، عکس اکسایش است. این فرایند در سه حالت رخ می‌دهد: وقتی که ماده ای اکسیژن از دست می‌دهد، وقتی که ماده ای هیدروژن بدست می‌آورد و وقتی که مادهای الکترون بدست می آورد.

به عنوان مثال وقتی که منیزیم در هوا سوزانده می‌شود، این فلز با به دست آوردن اکسیژن و اکسیده شدن تبدیل به خاکستر می‌شود. این خاکستر اکسید منیزیم است.

واکنش های اکسایش و کاهش

اکسایش و کاهش همیشه همراه با هم در یک واکنش رخ می‌دهند.در این صورت، واکنش را واکنش اکسایش- کاهش می‌نامند. بعضی از واکنشهای اکسایش- کاهش در صنعت مفید است. مثلا استخراج آهن از سنگ معدن آن با ترکیب کردن سنگ معدن با منواکسید کربن در کوره بلند آهن انجام می‌شود. در این واکنش سنگ معدن آهن اکسیژن از دست می‌دهد و آهن تشکیل می‌شود و منواکسید کربن ، اکسیژن بدست می‌آورد و تبدیل به دی‌اکسید کربن می‌شود.

آنیون و کاتیون

نیروی پیش برنده یک واکنش یونی ، جاذبه الکتروستاتیکی متقابل یون‌های ناهمنام است. این جاذبه باعث آزاد شدن انرژی شبکه می‌شود. انرژی شبکه، عامل مهمی در تعیین تعداد بار منفی یا مثبتی است که اتم‌ها به هنگام تشکیل یک بلور یونی می‌پذیرند.

نامگذاری ترکیبات یونی

نامگذاری ترکیبات یونی بر قواعدی چند استوار است. ابتدا از کاتیون (یون مثبت) ترکیب نام برده می‌شود و آنیون (یون منفی) پس از آن ذکر می‌شود.

کاتیون

بیشتر کاتیونها ، یونهای تک اتمی‌اند که توسط فلزات بوجود می‌آیند. اگر فلز تنها یک نوع کاتیون ایجاد کند، نام یون ، همانند فلز مربوط است. ⁺Na یون سدیم است. یعنی فلز سدیمی که ابتدا بصورت گازی در آمده است و از سدیم یک الکترون با اعمال انرژی یونش گرفته شده است. ²⁺Mg یون منیزیم است. ³⁺Al ، یون آلومینیوم است.

برخی از فلزات بیش از یک نوع کاتیون بوجود می‌آورند. در اینگونه موارد ، با نشان دادن تعداد بار کاتیونها در نامشان آنها را متمایز می‌کنیم. بار این نوع کاتیونها بصورت ارقام لاتین بعد از نام فارسی عنصر قرار داده می‌شود. ⁺Cu ، یون مس (I) و ²⁺Cu ، یون مس (II) است. در روشی قدیمی‌تر برای متمایز کردن دو نوع یون بوجود آمده از یک فلز ، پسوندی به نام فلز افزوده می‌شود. در این روش ، هرگاه نماد فلزی از لاتین مشتق شده باشد، از نام لاتین فلز استفاده می‌شود.

پسوند "- و" برای یون دارای بار مثبت کمتر و پسوند "- یک" برای یون با بار مثبت بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرد. ⁺Cu ، یون کوپرو و ²⁺Cu یون کوپریک است. ⁺Fe ، یون فرو و ²⁺Fe یون فریک است.

توجه کنید که در روش بالا تعداد بارها بروشنی بیان نمی‌شود و نیز این روش برای فلزاتی که بیش از دو نوع کاتیون تولید می‌کنند، قابل استفاده نیست.

آنیون

آنیونهای تک‌اتمی از اتم فلزات به وجود می‌آیند. نام آنها از طریق حذف بخش آخر نام عنصر و افزودن پسوند "- ید" به باقیمانده به دست می‌آید. ^-Cl یون کلرید است. ^2-O ، یون اکسید است. ^3-N یون نیترید است. اما ، تمام آنیونهایی که نامشان به "ید" ختم می‌شود تک اتمی نیستند. بلکه معدودی آنیونهای چند اتمی نیز نامشان با این پسوند ختم می‌شود. مثلا ^-CN یون سیانید است. ^-OH یون هیدروکسید است. ^2-O₂ یون پروکسید است.

آنیونهای چند اتمی بسیاری شناخته شده‌اند. بعنوان مثال ^2-O₂ یون پراکسید ، Cr₂O₇^-2 یون کرومات ، SO₃^-2 یون سولفیت و ^3-AsO₄ یون آرسنات است.

یون چند اتمی

این یون ، یونی است که از چند اتم که با یکدگیر پیوند کووالانسی دارند، بوجود می‌آید. کایتونهای چند اتمی معدودند و دو نوع نمونه متداول عبارت اند از :

• ⁺NH₄ یون آمونیوم و ²⁺Hg₂ یون جیوه (I) یا یون مرکورو.
  
  
• یون ²⁺Hg₂ یون جیوه I نامیده شده است. زیرا می‌توان آن را متشکل از دو یون ⁺Hg (که با یکدیگر پیوند کووالانسی دارند) در نظر گرفت.

نام ترکیبات یونی

نام ترکیبات یونی ، متشکل از نام کاتیون و پس از آن ، نام آنیون (بصورت لغتی جداگانه) است.

• Fe₂O₃: آهن (II) اکسید یا فریک اسید.
• PbCO₃: سرب (II) کربنات یا پلمبوکربنات.
• NH₄)₂S): آمونیوم سولفید
• Mg(NO₃)₂: منیزیم نیترات
• Cu(CN)₂: مس (II) سیانید یا کوپریک سیانید.

بررسی خواص اسیدها

خواص عمومی اسیدها

• محلول آبی آنها یونهای پروتون آزاد می‌کند.
• موادی هستند که از نظر مزه ترشند.
• کاغذ تورنسل را سرخ رنگ می‌کنند.
• با برخی فلزات مانند آهن و روی ترکیب شده گاز هیدروژن می‌دهند.
• با قلیاها (بازها) واکنش نموده و املاح را تشکیل می‌دهند.
• با کربنات کلسیم (مثلا به صورت سنگ مرمر) بشدت واکنش دارند، بطوریکه کف می‌کنند و گاز کربنیک آزاد می‌نمایند.

نظریه آرنیوس درباره اسیدها

زمانیکه مفاهیم یونیزاسیون ترکیبات شیمیایی در محلولهای آبی روشن گردید، مفهوم اسید بطور قابل ملاحظه‌ای تغییر پیدا کرد. مطابق تعریف آرنیوس ، اسید ماده ایست که در آب یونیزه می‌شود و یون ⁺H₃O که گاهی بصورت ⁺H نیز نشان داده می‌شود، تولید می‌کند.

(HCl -----> H⁺ + Cl^-(aq

آرنیوس قدرت اسیدی را نیز بر همین اساس تفسیر کرد و گفت که اسید قوی ، در محلولهای آبی تقریبا، بطور کامل یونیزه می‌شود. در صورتیکه که میزان تفکیک اسید ضعیف کمتر است. توجه کنید که مفهوم آرنیوس بر یون‌های آب استوار است. بر اساس تعریف آرنیوس می‌توان نقش اکسیدهای اسیدی را نیز تفسیر کرد.

اکسیدهای اسیدی

اکسیدهای بسیاری از غیرفلزات با آب واکنش داده و اسید تولید می‌کنند، در نتیجه این مواد را اکسیدهای اسیدی یا ایندرید اسید می‌نامند.

N₂O₅(s) + H₂O → H⁺ + NO₃^-aq

مفهوم آرنیوس ، به علت تاکید آن بر آب و واکنشهای محلول‌های آبی ، با محدودیت رو‌به‌روست.

مهمترین اسیدهای قوی

مولکولهای این اسیدها و در محلولهای آبی رقیق کاملا یونیزه است. اسیدهای قوی متعارف عبارتند از: اسید کلریدریک ، یدیدریک ، نیتریک ، سولفوریک ، پرکلریک است.

مهمترین اسیدهای ضعیف

یونیزاسیون این اسیدها در آب کامل نمی‌باشد و هرگز به 100% نمی‌رسد. مثال متعارف آنها ، اسید استیک ، اسید کربنیک ، اسیدفلوریدریک ، اسید نیترو و تا حدودی اسید فسفریک است.

برخی از کاربردهای اسیدها

اسید سولفوریک

یکی از اسیدهای معدنی قوی با فرمول H₂SO₄ ، مایعی روغنی‌شکل و بی‌رنگ است. یک متاع سودمند صنعتی است که از آن در حد وسیعی در پالایش نفت و در کارخانجات تولید کننده کودها ، رنگها ، رنگدانه‌ها ، رنگینه‌ها و مواد منفجره استفاده می‌شود.

اسید استیک

یک اسید آلی بصورت مایعی تند و بی رنگ با فرمول CH₃COOH ، که اساس ترشی سرکه نیز می‌باشد. قسمت اعظم اسیداستیک تولیدی دنیا ، مصرف واکنش با الکلها به منظور تولید استرهایی می‌گردد که از آنها بعنوان بهترین حلال‌ها در رنگ و جلا استفاده می‌شود. همچنین در کارخانجات داروسازی، عمل آوردن لاستیک طبیعی و تهیه چرم مصنوعی و به عنوان حلال برای بسیاری از ترکیبات آلی از اسید استیک استفاده می‌شود.

اسید نیتریک

یک اسید قوی معدنی با فرمول HNO₃ می‌باشد که این اسید در کارخانجات تولید کودهای نیترات و فسفات آمونیوم ، مواد منفجره نیترو ، پلاستیکها ، رنگینه‌ها و لاکها کاربر دارد.

اسید سولفونیک

این اسیدها با فرمول عمومی HSO₃R که R می‌تواند متان یا بنزن و ... باشد، محلول در آب ، غیر فرار و جاذب الرطوبه‌اند و به عنوان عوامل امولسیون کننده ، مواد افزودنی و روغنهای روان ‌کننده و به عنوان جلوگیری از خوردگی و زنگ زدگی استفاده می‌گردد.

اسید کلریدریک

یکی از اسیدهای معدنی قوی با فرمول HCl ، که مایعی بی‌رنگ یا اندکی زردرنگ ، بسیار خورنده و غیر آتشگیر است. این اسید در آب ، الکل ، بنزن حل می‌شود و در اسیدی کردن (فعال کردن) چاههای نفت ، پاک کردن رسوبات دیگهای بخار ، صنایع غذایی ، تمیز کردن فلزات و ... استفاده می‌شود.

نظریه لوییس

در سال 1923، "لوییس" درباره رفتار اسید و باز تعریفی را بر حسب دادن زوج الکترون و پذیرفتن آن پیشنهاد کرد. تعریف لوییس به خاطر سادگی و کارآیی وسیعش شاید بیش از تمام تعاریف دیگر بخصوص در زمینه واکنشهای آلی موارد استفاده قرار گرفته باشد.

برهمکنشهای لوییس در حلال قطبی

آنچه اکنون بیشترین توجه را به خود معطوف ساخته است، کوششهایی است که برای ارزیابی و ارتباط دادن صورت اسید و بازها صورت می‌گیرد. بسیاری از اینها در فاز گاز و تعداد بیشتری در حلالهای بی‌پروتون و ناقطبی اندازه گیری شده‌اند، به این امید که در آنها ، اثرهای حلال به حداقل برسد.

چندین روش برای سنجش قدرت اسید و باز وجود دارد. متداول این است که میزان بر همکنش یک اسید و یک باز را با آنتالپی واکنش آنها برابر بگیرند. در برخی موارد این آنتالپی با گرماسنجی مستقیم اندازه گیری شده است، یعنی برای یک فرایند آدیاباتیک در فشار ثابت ، H∆ برابر q است. این آنتالپی واکنش از اندازه گیری ثابت تعادل واکنش اسید و باز در یک گستره دمایی بدست می‌آید. اگر lnK نسبت به T \ یک رسم شود، شیب آن برابر با H/R خواهد شد.

از این رو ، روشهای تجربی گوناگونی برای اندازه‌گیری ثابت تعادل توسط روشهای طیف نور سنجی ابداع گردیده‌اند. هر جذبی که بین یکی از واکنش دهندگان (خواه اسید یا باز) و محصول افزایشی اسید- باز متفاوت باشد، یک منبع اطلاعاتی بالقوه برای مقدار ثابت تعادل است، زیرا غلظت دو گونه از سه گونه ای را که در تعادل دخالت دارند، بطور مستقیم و غلظت گونه سوم را بطور غیر مستقیم از اطلاعات مربوط به استوکیومتری واکنش بدست می‌دهد.

مثلا واکنش ترکیبات آلی کربونیل‌دار و ید را که بطور وسیع مطالعه شده‌اند، در نظر بگیرید. فرکانس جذب زیر قرمز کربونیل در محصولات افزایشی نسبت به ترکیب کربونیل آزاد جابجا می‌شود.

روشهای دیگر اندازه گیری آنتالپی واکنشهای اسید- باز

روشهای دیگر اندازه گیری آنتالپی واکنشهای اسید- باز ، مستلزم اندازه‌گیری بعضی از خواص فیزیکی است که به قدرت برهکنش آن دو بستگی داشته باشد. عموما چنین روشهایی باید با یکی از اندازه‌گیریهای نوع قبل مقایسه و درجه‌بندی می‌شوند، ولی به محض انجام این امر ، اغلب می‌توان این روشها را در مورد واکنشهایی که اندازه‌گیری‌هایشان با دیگر وسایل مشکل است، بسط داد.

یک نمونه از این کار ، مطالعه فنل به عنوان یک اسید لوییس است. فنل با بازهای لوییس بخصوص آنهایی که یک اتم دهنده با بار منفی بزرگ دارند، پیوند هیدروژنی قوی تشکیل می‌دهد. تشکیل پیوند از درون ، چگالی الکترون گروه O-H- فنل و نیز فرکانس کششی هیدروژن را در طیف زیر قرمز تغییر می‌دهد. همین که فرکانسهای یک دسته از محصولات افزایشی شناخته شده فنل- باز برای درجه بندی بکار برده شوند، تخمین مستقیم آنتالپی تشکیل محصولات افزایشی بازهایی که گروههای عاملی مشابه دارند، از روی طیف IR میسر می‌گردد.

 

اصول برهم کنشهای اسید- باز لوییس

"دراگو" و همکارانش ، چند راه را برای بیان آنتالپی واکنشها بر حسب پارامترهای سهیم اسیدها و بازها پیشنهاد کرده‌اند:

H∆=E_AE_B + C_AC_B-

که در آنها ، H∆ آنتالپی تشکیل محصولات افزایشی اسید- باز لوییس است، C_A و E_A پارامترهای ویژه اسید و C_B و E_B پارامترهای ویژه بازند. پارامترهای E را به‌عنوان استعداد گونه‌ها برای برهمکنش الکتروستاتیکی (یونی یا دو قطبی- دو قطبی) تفسیر کرده‌اند و پارامترهای C استعداد آنها برای تشکیبل پیوند کووالانسی هستند.

از این معادله انتظار داریم، اسیدهایی که بطور الکتروستاتیکی خوب پیوند تشکیل می‌دهند (E_A بزرگ دارند) ، پایدارترین محصولات افزایشی خود را با بازهایی بسازند که پیوند الکتروستاتیک تشکیل می‌دهند (چون در آن صورت ، حاصلضرب E_AE_B بزرگ خواهد بود). بر عکس ، اسیدهایی که بطور کووالانسی خوب پیوند تشکیل می‌دهند، معمولا پایدارترین محصولات افزایشی خود را با بازهایی بسازند که بطور کووالانسی خوب پیوند تشکیل می‌دهند.

کار این معادله در پیش‌بینی آنتالپی واکنش بسیاری از اسیدها و بازها رضایت بخش است و در واقع وقتی با اسیدها و بازهای خنثی سروکار داریم، این یک معادله برتر است.

چای دو رنگ

خوب امروز می خوام براتون یه چیزی بگم که زیاد هم به شیمی ربطی نداره اما به ربط هم به فیزیک نیست! خوب وقتی که تو کلاس فیزیک بودیم در مورد چسبندگی ملکول ها صحبت شد. اومدیم و رسیدم به چای دو رنگ . چایی که پایینش آب و بالاش چایی هست

مواد لازم:

آب داغ - شکر - چای دم کشیده - قاشق چای خوری.

طریقه درست کردن:

ابتدا آب داغ رو داخل لیوان می ریزید بعدش توش به مقدار لازم شکر می کنید و بعد با یک قاشق چای خوری اون رو بهم می زنید وقتی که آب دوباره ساکن شد قاشق چای خوری رو به سطح آب می آورید اما مواظب باشید که با آب برخورد نکنه بعدش چای رو آرام اضافه می کنید البته این رو به یاد داشته باشید که وقتی چای رو ریختید قاشق را بالا بیارید . بعدش هم محلول ما ساخته می شه. که واقعا جالب هست. خواستم که عکسش رو بذارم. که هنوز توی گوشی هست!