X بستن تبلیغات
X بستن تبلیغات
header
متن مورد نظر

علم شیمی

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

شیمی مطالعه ساختار خواص ترکیبات و تغییر شکل مواد است. این علم مربوط می‌شود به عناصر شیمیایی و ترکیبات شیمیایی که شامل اتمها، مولکولها و فعل و انفعالات بین آنها است. جدول تناوبی را هم مشاهده کنید

نگاه اجمالی
تئوری اتمی پایه و اساس علم شیمی است. این تئوری بیان می‌دارد که تمام مواد از واحدهای بسیار کوچکی به نام اتم تشکیل شده‌اند. یکی از اصول و قوانینی که در مطرح شدن شیمی به عنوان یک علم تاثیر بسزائی داشته، اصل بقای جرم است. این قانون بیان می‌کند که در طول انجام یک واکنش شیمیایی معمولی، مقدار ماده نیز تغییر نمی‌کند. (امروزه فیزیک مدرن ثابت کرده که در واقع این انرژی است که بدون تغییر می‌ماند و همچنین انرژی و جرم با یکدیگر رابطه دارند.
این مطلب به طور ساده به این معنی است که اگر ده هزار اتم داشته باشیم و مقدار زیادی واکنش شیمیایی انجام پذیرد، در پایان ما همچنان بطور دقیق ده هزار اتم خواهیم داشت. اگر انرژی از دست رفته یا بدست آمده را مد نظر قرار دهیم، مقدار جرم نیز تغییر نمی‌کند. شیمی فعل و انفعالات اتم‌ها را به تنهایی یا در بیشتر موارد به همراه سایر اتم‌ها و به صورت یون یا مولکول (ترکیب) مورد مطالعه قرار می‌دهد.
این اتم‌ها اغلب با اتم‌های دیگر فعل و انفعالاتی را انجام می‌دهند. (به عنوان مثال زمانیکه آتش چوب را می‌سوزاند ترکیبی است از اتم‌های اکسیژن موجود در هوا و اتم‌های کربن و هیدروژن درون چوب). گاهی اوقات نیز نور بر آنها تاثیر می‌گذارد. (یک عکس بر اثر تغییراتی که نور بر روی مواد شیمیایی فیلم ایجاد می‌کند، شکل می‌گیرد.

شیمی مطالعه ساختار خواص ترکیبات و تغییر شکل مواد است. این علم مربوط می‌شود به عناصر شیمیایی و ترکیبات شیمیایی که شامل اتمها، مولکولها و فعل و انفعالات بین آنها است. جدول تناوبی را هم مشاهده کنید

نگاه اجمالی
تئوری اتمی پایه و اساس علم شیمی است. این تئوری بیان می‌دارد که تمام مواد از واحدهای بسیار کوچکی به نام اتم تشکیل شده‌اند. یکی از اصول و قوانینی که در مطرح شدن شیمی به عنوان یک علم تاثیر بسزائی داشته، اصل بقای جرم است. این قانون بیان می‌کند که در طول انجام یک واکنش شیمیایی معمولی، مقدار ماده نیز تغییر نمی‌کند. (امروزه فیزیک مدرن ثابت کرده که در واقع این انرژی است که بدون تغییر می‌ماند و همچنین انرژی و جرم با یکدیگر رابطه دارند.
این مطلب به طور ساده به این معنی است که اگر ده هزار اتم داشته باشیم و مقدار زیادی واکنش شیمیایی انجام پذیرد، در پایان ما همچنان بطور دقیق ده هزار اتم خواهیم داشت. اگر انرژی از دست رفته یا بدست آمده را مد نظر قرار دهیم، مقدار جرم نیز تغییر نمی‌کند. شیمی فعل و انفعالات اتم‌ها را به تنهایی یا در بیشتر موارد به همراه سایر اتم‌ها و به صورت یون یا مولکول (ترکیب) مورد مطالعه قرار می‌دهد.
این اتم‌ها اغلب با اتم‌های دیگر فعل و انفعالاتی را انجام می‌دهند. (به عنوان مثال زمانیکه آتش چوب را می‌سوزاند ترکیبی است از اتم‌های اکسیژن موجود در هوا و اتم‌های کربن و هیدروژن درون چوب). گاهی اوقات نیز نور بر آنها تاثیر می‌گذارد. (یک عکس بر اثر تغییراتی که نور بر روی مواد شیمیایی فیلم ایجاد می‌کند، شکل می‌گیرد.)
یکی از کشفیات ابتدایی و جالب این بود که اتم‌ها تقربیا همیشه به نسبت مساوی با یکدیگر ترکیب می‌شوند. شن سیلیسی دارای ساختمانی است که نسبت اتم‌های سیلیکون به اکسیژن در آن یک به دو است. امروزه ثابت شده است که استثناهایی در زمینه قانون نسبت های معین موجود دارد.
یکی دیگر از کشفیات کلیدی شیمی این بود که زمانیکه یک واکنش شیمیایی رخ می دهد، مقداری انرژی که بدست می آید یا از دست می رود همواره یکسان است . این امر ما را به مفاهیم مهمی مانند تعادل ، ترمودینامیک و دینامیک می رساند.
شیمی فیزیک بر پایه فیزیک پیشرفته (مدرن) بنا شده است. اصولاً می توان تمام سیستم های شیمیایی را با استفاده از تئوری مکانیک کوانتوم شرح داد. این تئوری از لحاظ ریاضی پیچیده بوده و عمیقاً شهودی است.به هر حال در عمل و بطور واقعی تنها بررسی سیستم های ساده شیمیایی قابل بررسی با مفاهیم مکانیکی کوانتوم امکان پذیر است و در اکثر مواقع باید از تقریب استفاده کرد.(مانند تئوری کاری دانسیته ). بنابر این درک کامل مکانیک کوانتوم برای تمامی مباحث شیمی کاربرد ندارد؛ زیرا نتایج مهم این تئوری (بخصوص اربیتال اتمی ) با استفاده از مفاهیم ساده تری قابل درک و بکارگیری هستند.
با اینکه در بسیاری موارد ممکن است مکانیک کوانتوم نادیده گرفته شود، مفهوم اساسی که پشت آن است یعنی کوانتومی کردن انرژی، چنین نیست. شیمی دانها برای بکارگیری کلیه روشهای طیف نمایی به اثرات و نتایح کوانتوم وابسته اند، هرچند که ممکن است بسیاری از آنها از این امر آگاه نباشند.علم فیزیک هم ممکن است مورد بی توجهی واقع شود. اما به هر حال نتیجه نهایی (مانند رزونانس مغناطیسی هسته ای ) آن مورد شرح و تفسیر قرار می گیرد.
یکی دیگر از تئوری های اصلی فیزیک مدرن که نباید نادیده گرفته شود نظریه نسبیت است. این نظریه که از لحاظ ریاضی پیچیده است، شرح کامل فیزیکی علم شیمی است. خوشبختانه مفاهیم نسبیتی تنها در برخی از محاسبات خیلی دقیق ساختمان اتم بویژه در عناصر سنگین تر کاربرد دارند و در عمل تقریباً با شیمی ارتباط ندارند.
بخشهای اصلی علم شیمی عبارتند از : شیمی تجزیه ، تعیین ترکیبات مواد و اجزای تشکیل دهند آن، شیمی آلی ، مطالعه ترکیبات کربن دار، شیمی معدنی ، که به اکثریت عناصری که در شیمی آلی روی آنها تاکیید نشده می پردازد؛ و فیزیک شیمی که پایه و اساس کلیه شاخه های دیگر را تشکیل می دهد و شامل خواش فیزیکی مواد و ابزار تئوری بررسی آنهاست.
شاخه های شیمی
شیمی آلی
شیمی تجزیه
بیو شیمی -شیمی زیست

اتم 

یک اتم کوچکترین جزء اصلی غیر قابل تقلیل یک سیستم شیمیایی می باشد این کلمه از کلمه یونانی atomos، غیر قابل تقسیم، که از a-، بمعنی غیر، و tomos، بمعنی برش، ساخته شده است. معمولا به معنای اتم های شیمیایی یعنی اساسی ترین اجزاء مولکول ها و مواد ساده می باشد. اتم ها از طریق قابل تفکیک نیستند اما باور امروزه بر این است که اتم از ذرات کوچکتری تشکیل شده است. قطر یک اتم معمولا میان ۱۰pm تا۱۰۰pm متفاوت است. مواد متنوعی که روزانه در آزمایش و تجربه با آن روبه رو هستیم، متشکل از اتم های گسسته است. وجود چنین ذراتی برای اولین بار توسط فیلسوفان یونانی مانند دموکریتوس(Democritus)، لئوسیپوس(Leucippus) و اپیکورینز(Epicureanism) ولی بدون ارائه یک راه حل واقعی برای اثبات آن، پیشنهاد شد. سپس این مفهوم مسکوت ماند تا زمانیکه در قرن ۱۸ (Rudjer Boscovich)راجر بسکوویچ آنرا احیاء نمود، و بعد از آن توسط (John Dalton)جان دالتون در شیمی بکار برده شد. راجر بوسویچ نظریه خود را بر مبنای مکانیک نیوتنی قرارداد و آنرا در سال ۱۷۵۸ تحت عنوان:

Theoria philosophiae naturalis redacta ad unicam legem virium in natura existentium

چاپ نمود.

براساس نظریه بوسویچ، اتمها نقاط بی اسکلتی هستند که بسته به فاصله آنها از یکدیگر، نیروهای جذب کننده و دفع کننده بر یکدیگر وارد می کنند. جان دالتون از نظریه اتمی برای توضیح چگونگی ترکیب گازها در نسبتهای ساده، استفاده نمود. در اثر تلاش (Amendo Avogadro)آمندو آواگادرو در قرن ۱۹، دانشمندان توانستند تفاوت میان اتم ها و مولکولها را درک نمایند. در عصر مدرن اتم ها را بصورت تجربی مشاهده شدند. در آزمایش ها نیز مشخص گردید که اتمها نیز خود از ذرات کوچکتری ساخته شده اند. در مرکز یک هسته کوچک مرکزی مثبت متشکل از ذرات هستهای ( پروتونها و نوترونها)، و بقیه اتم فقط از پوسته های متموج الکترون تشکیل شده است. معمولا اتم های با تعداد مساوی الکترون و پروتون، از نظر الکتریکی خنثی هستند.

اتم ها عموما بر حسب عدد اتمی که متناسب با تعداد پروتونهای آن اتم می باشد، طبقه بندی می شوند. برای مثال، اتم های کربن اتم هایی هستند که دارای شش پروتون میباشند. تمام اتمهای با عدد اتمی مشابه، دارای خصوصیات فیزیکی متوع یکسان بوده و واکنش شیمیایی یکسان از خود نشان می دهند. انواع گوناگون اتمها در جدول تناوبی لیست شده اند. اتمهای دارای عدد اتمی یکسان اما با جرم اتمی متفاوت (به علت تعداد متفاوت نوترونهای آنها) ایزوتوپ نامیده می شوند.

ساده ترین اتم، اتم هیدروژن است که عدد اتمی یک دارد و دارای یک پروتون و یک الکترون می باشد. این اتم در بررسی موضوعات علمی، خصوصا در اوایل شکل گیری نظریه کوانتوم، بسیار مورد علاقه بوده است.

واکنش شیمیایی اتم ها بطور عمده ای وابسته به اثرات متقابل میان الکترونهای آن می باشد. خصوصا الکترونهایی که در خارجی ترین لایه اتمی قرار دارند بنام الکترونهای ظرفیتی، بیشترین اثر را در واکنشهای شیمیایی نشان می دهند. الکترونهای مرکزی (یعنی آنهایی که در لایه خارجی نیستند) نیز موثر میباشند ولی بعلت وجود بار مثبت هسته اتمی، نقش ثانوی است.

اتم ها تمایل زیادی به تکمیل لایه الکترونی خارجی خود و (یا تخلیه کامل آن) دارند، لایه خارجی هیدروژن و هلیم جای دو الکترون و در همه اتمهای دیگر طرفیت هشت الکترون را دارند. این عمل با استفاده مشترک از الکترونهای اتمهای مجاور و یا با جداکردن کامل الکترونها از اتمهای دیگر فراهم میشود. هنگامیکه الکترونها در مشارکت اتمها قرار می گیرند، یک پیوند کوالانسی میان دو اتم تشکیل می گردد. پیوندهای کوالانسی قویترین نوع پیوندهای اتمی می باشند.

هنگامیکه بوسیله اتم، یک یا چند الکترون از یک اتم دیگر جدا می گردد، یونها ایجاد می شوند. یونها اتم هایی هستند که بعلت عدم تساوی تعداد پروتو نها و الکترونها، دارای بار الکتریکی ویژه می شوند. یونهایی که الکترون(ها) را بر می دارند، آنیون (anion) نامیده شده و بار منفی دارند. اتمی که الکترون(ها) را از دست می دهد کاتیون (cation) نامیده شده و بار مثبت دارد. کاتیونها و آنیونها بعلت نیروی کولمبیک(coulombic) میان بارهای مثبت و منفی، یکدیگر را جذب می نمایند. این جذب پیوند یونی نامیده می شود و از پیوند کوالانسی ضعیفتر است.

همانطور که بیان گردید، پیوند کوالانسی در حالتی ایجاد میشود که در آن الکترونها بطور یکسان میان اتمها به اشتراک گذارده می شود، درحالیکه پیوند یونی در حالی ایجاد میگردد که الکترون ها کاملا در انحصار آنیون قرار میگیرند. بجز در موارد محدودی از حالتهای خیلی نادر، هیچکدام از این توصیف ها کاملا دقیق نیست. در بیشتر موارد پیوندهای کوالانسی، الکترونها بطور نامساوی به اشتراک گذارده میشوند، بطوریکه زمان بیشتری را صرف گردش بدور اتم های با بار الکتریکی منفیتر می کنند، که منجر به ایجاد پیوند کووالانسی با بعضی از خواص یونی می گردد. بطور مشابهی، در پیوندهای یونی الکترونها اغلب در مقاطع کوچکی از زمان بدور اتم با بار الکتریکی مثبت تر می چرخند، که باعث ایجاد بعضی از خواص کووالانسی در پیوند یونی می گردد.

 

جدول تناوبی 

 

جدول تناوبی عناصر شیمیایی نمایشی از عناصر شیمیایی است که براساس ساختار الکترونی مرتب شده است، بطوریکه بسیاری از خواص شیمیایی بصورت منظم در طول جدول تغییر نماید.

جدول اولیه بدون اطلاع از ساختار داخلی اتمها ساخته شد: اگر عناصر را بر حسب جرم اتمی آنها مرتب نمائیم، و آنگاه نمودار خواص معین دیگر آنها را بر حسب جرم اتمی رسم نمائیم، میتوان نوسان یا تناوب این خواص را بصورت تابعی از جرم اتمی مشاهده نمود. اولین کسی که توانست این نظم را مشاهده نماید، یک شیمیدان آلمانی به نام Johann Wolfgang D?einer بود. او متوجه تعدادی تثلیث از عناصر مشابه شد:

نمونه تثلیث ها

عنصر

جرم اتمی

چگالی

Cl

۳۵٫۵

۱٫۵۶ g/L

Br

۷۹٫۹

۳٫۱۲ g/L

I

۱۲۶٫۹

۴٫۹۵ g/L

 

 

 

Ca

۴۰٫۱

۱٫۵۵ g/cm3

Sr

۸۷٫۶

۲٫۶ g/cm3

Ba

۱۳۷

۳٫۵ g/cm3

و به دنبال او، شیمیدان انگلیسی John Alexander Reina Newlands متوجه گردید که عناصر از نوع مشابه در فاصله‌های هشت تایی یافت می شوند، که آنها را با نت‌های هشتگانه موسیقی شبیه نمود، هرچند که قانون نت‌های او مورد تمسخر معاصرین او قرار گرفت. سرانجام شیمیدان آلمانی Lothar Meyer و شیمیدان روسی Dmitry Ivanovich Mendeleev تقریبا بطور همزمان اولین جدول تناوبی را، با مرتب نمودن عناصر بر حسب جرمشان، توسعه دادند( ولی مندلیف تعداد کمی از عناصر را خارج از ترتیب صریح جرمی، برای تطابق بهتر با خواص همسایگانشان رسم نمود – این کار بعدها با کشف ساختار الکترونی عناصر در اواخر قرن نوزدهم و اوایل قرن بیستم توجیه گردید.)

فهرست عناصر بر اساس نام، علامت اختصاری و عدد اتمی موجود میباشد. شکل زیر جدول تناوبی عناصر شناخته شده را نمایش میدهد. هر عنصر با عدد اتمی و علامتهای شیمیایی. عناصر در یک ستون (\”گروه\”) از لحاظ شیمیایی مشابه می باشند.

گروه

۱

۲

 

۳

۴

۵

۶

۷

۸

۹

۱۰

۱۱

۱۲

۱۳

۱۴

۱۵

۱۶

۱۷

۱۸

ردیف

 

۱

۱
H

 

۲
He

 

۲

۳
Li

۴
Be

 

 

۵
B

۶
C

۷
N

۸
O

۹
F

۱۰
Ne

 

۳

۱۱
Na

۱۲
Mg

 

 

۱۳
Al

۱۴
Si

۱۵
P

۱۶
S

۱۷
Cl

۱۸
Ar

 

۴

۱۹
K

۲۰
Ca

 

۲۱
Sc

۲۲
Ti

۲۳
V

۲۴
Cr

۲۵
Mn

۲۶
Fe

۲۷
Co

۲۸
Ni

۲۹
Cu

۳۰
Zn

۳۱
Ga

۳۲
Ge

۳۳
As

۳۴
Se

۳۵
Br

۳۶
Kr

 

۵

۳۷
Rb

۳۸
Sr

 

۳۹
Y

۴۰
Zr

۴۱
Nb

۴۲
Mo

۴۳
Tc

۴۴
Ru

۴۵
Rh

۴۶
Pd

۴۷
Ag

۴۸
Cd

۴۹
In

۵۰
Sn

۵۱
Sb

۵۲
Te

۵۳
I

۵۴
Xe

 

۶

۵۵
Cs

۵۶
Ba

*

۷۱
Lu

۷۲
Hf

۷۳
Ta

۷۴
W

۷۵
Re

۷۶
Os

۷۷
Ir

۷۸
Pt

۷۹
Au

۸۰
Hg

۸۱
Tl

۸۲
Pb

۸۳
Bi

۸۴
Po

۸۵
At

۸۶
Rn

 

۷

۸۷
 Fr 

۸۸
Ra

**

۱۰۳
Lr

۱۰۴
Rf

۱۰۵
Db

۱۰۶
Sg

۱۰۷
Bh

۱۰۸
Hs

۱۰۹
Mt

۱۱۰
Ds

۱۱۱
Uuu

۱۱۲
Uub

۱۱۳
Uut

۱۱۴
Uuq

۱۱۵
Uup

۱۱۶
Uuh

۱۱۷
Uus

۱۱۸
Uuo

 

 

* لانتانیدها

۵۷
La

۵۸
Ce

۵۹
Pr

۶۰
Nd

۶۱
Pm

۶۲
Sm

۶۳
Eu

۶۴
Gd

۶۵
Tb

۶۶
Dy

۶۷
Ho

۶۸
Er

۶۹
Tm

۷۰
Yb

 

 

 

** آکتینیدها

۸۹
Ac

۹۰
Th

۹۱
Pa

۹۲
U

۹۳
Np

۹۴
Pu

۹۵
Am

۹۶
Cm

۹۷
Bk

۹۸
Cf

۹۹
Es

۱۰۰
Fm

۱۰۱
Md

۱۰۲
No

 

 

 

 

گروههای شیمیایی جدول تناوبی

قلیائی فلزیها

قلیائی خاکیها

لانتانیدها

آکتینیدها

فلزات انتقالی

فلزات ضعیف

شبه فلزات

غیر فلزات

هالوژنها

گازهای کامل

در اینجا روشهای دیگر برای نمایش جدول ارائه شده‌اند:

جدول استاندارد – جدول جایگزین – جدول ضد – جدول بزرگ – جدول عظیم – جدول عریض – جدول توسعه یافته – جدول ساختاری – فلزات و غیر فلزات

کد رنگ برای اعداد اتمی:

  • عناصر شماره گذاری شده با رنگ آبی ، در دمای اتاق مایع هستند؛
  • عناصر شماره گذاری شده با رنگ سبز ، در دمای اتاق بصورت گاز می باشند؛
  • عناصر شماره گذاری شده با رنگ سیاه، در دمای اتاق جامد هستند.
  • عناصر شماره گذاری شده با رنگ قرمز ترکیبی بوده و بطور طبیعی یافت نمی شوند(همه در دمای اتاق جامد هستند.)
  • عناصر شماره گذاری شده با رنگ خاکستری ، هنوز کشف نشده‌اند (و بصورت کم رنگ نشان داده شده‌اند تا گروه شیمیایی را که در آن قرار می گیرند، مشخص نماید.(و می توانید دراین کلید واژه جدول تناوبی برای تشدید مغناطیسی را بیابید.

تعداد لایه الکترون در یک اتم تعیین کننده ردیفی است که در آن قرار می گیرد. هر لایه به زیرلایه های متفاوتی تقسیم میشود، که هر اندازه عدد اتمی افزایش می یابد، این لایه ها به ترتیب زیر:

 1s

 2s           2p

 3s           3p

 4s        3d 4p

 5s        4d 5p

 6s     4f 5d 6p

 7s     5f 6d 7p

 8s  5g 6f 7d 8p

 …

براساس ساختار جدول پر میشوند. از آنجائیکه الکترونهای خارجی ترین لایه، خواص شیمیایی را تعیین مینمایند، این لایه ها در میان گروهای یکسان مشابه اند.عناصر همجوار با یکدیگر در یک گروه، علیرغم اختلاف مهم در جرم، دارای خواص فیزیکی مشابه میباشند. عناصر همجوار با یکدیگر در یک ردیف دارای جرم های مشابه ولی خواص متفاوت میباشند.

برای مثال، عناصر بسیار نزدیک به نیتروژن (N) در ردیف دوم کربن(C) و اکسیژن(O) میباشند. علیرغم تشابه آنها در جرم ( که بصورت ناچیزی در واحد جرم اتمی تفاوت دارند)، دارای خواص بینهایت متفاوتی هستند، همانطور که با بررسی فرمهای دیگر میتوان ملاحظه نمود: اکسیژن دو اتمی یک کاز است که سوختن را تشدید می نماید، نیتروژن دو اتمی یک گاز است که سوختن را تشدید نمی کند، و کربن یک جامد است که میتواند سوزانده شود( بله، میتوان الماس را سوزاند!).

در مقایسه، عناصر بسیار نزدیک به کلر (Cl) در گروه یکی مانده به آخر در جدول (هالوژن‌ها) فلوئور( F) و برم( Br) میباشند. علیرغم تفاوت فاحش جرم آنها در گروه، فرمهای دیگر آنها دارای خواص بسیار مشابه میباشند: آنها بسیار خورنده ( بدین معنی که تمایل خوبی برای ترکیب با فلزات، برای تشکیل نمک هالاید فلز)؛ کلر و فلوئور گاز هستند، درحالیکه برم یک مایع با تبخیر بسیار کم میباشد؛ کلر و برم بسیار رنگی هستند.

عدد اتمی

عدد اتمی ( Z )، اصطلاحی است که در شیمی و فیزیک برای بیان تعداد پروتونهای موجود در هسته اتم به کار می‌رود.

عدد اتمی اصولا شماره محل هر اتم در جدول تناوبی می‌باشد. وقتی مندلیف، عناصر شیمیائی شناخته شده را بر اساس تشابهاتشان در شیمی مرتب کرد، متوجه شد که قرار دادن دقیق آنها بر اساس جرم اتمی، ناهماهنگیهای را بوجود می‌آورد. او متوجه شد که اگر ید و تلوریوم بر اساس جرم اتمی‌شان قرار بگیرند، ترتیبشان غلط به نظر می رسد و وقتی در جدول در جای مناسب قرار خواهند گرفت که جابجا شوند. با قرار دادن آنها بر اساس نزدیکتر بودن خواص شیمیائی، شماره آنها در جدول تناوبی، همان عدد اتمی آنها بود. به نظر می‌رسید که این عدد تقریبا با جرم اتم نسبت دارد، اما همانطور که تفاوت جرم _ خواص شیمیای نشان داد، بازتاب خاصیت دیگری به جز جرم بود.

عجیب بودن این ترتیب، بالاخره بعد از تحقیقات Henry Gwyn Jeffries Moseley در سال۱۹۱۳ تشریح شد. موسلی کشف کرد که ارتباط دقیقی بین طیف بازتاب اشعه X عناصر و محل صحیح آنها در جدول تناوبی وجود دارد. بعدا نشان داده شد که عدد اتمی مساوی بار الکتریکی هسته میباشد- به عبارت دیگر تعداد پروتونها-؛ و این بار الکتریکی است که خواص شیمیائی عناصر را بوجود می‌آورد، نه جرم اتمی.

شیمی آلی

 

Organic chemistry

شیمی آلی شیمی ترکیبات کربن است.

واژه گمراه کننده «آلی» یادگار روزهایی است که مواد شیمیایی را بسته به این که از چه منبعی به دست می‌آمدند، به دو دسته معدنی و آلی تقسیم می‌کردند.

مواد معدنی آنهایی بودند که از معادن استخراج می‌شدند و مواد آلی آنهایی که از منابع گیاهی یا حیوانی یعنی از موادی که توسط موجودات زنده تولید می‌شدند، به دست می‌آمدند.

در واقع تا حدود سال۱۸۵۰ بسیاری از شیمیدانان معتقد بودند، که منشاء مواد آلی باید موجودات زنده باشند و در نتیجه این مواد را هرگز نمی‌توان از مواد معدنی سنتز نمود.

موادی که از منابع آلی به دست می‌آیند، در یک خصوصیت مشترکند:همه آنها دارای عنصر کربن هستند.

حتی پس از آن که مشخص شد این مواد لزوماً نبایستی از منابع زنده به دست آیند و می‌توان آنها را در آزمایشگاه سنتز کرد، باز هم مناسبت داشت تا نام آلی برای توصیف آنها و موادی مشابه آنها حفظ شود. این تقسیم‌بندی بین مواد معدنی و آلی تا به امروز حفظ شده است.

امروزه اگر چه هنوز بسیاری از ترکیبات کربن به سهولت از منابع گیاهی و حیوانی به دست می‌آیند، ولیکن بسیاری از آنها نیز سنتز می‌شوند. از ترکیبات گاهی از مواد معدنی مانند کربناتها و سیانیدها سنتز می‌شوند ولی غالباً از سایر مواد آلی تهیه می‌گردند.

دو منبع بزرگ مواد آلی که از آنها مواد آلی ساده ، تأمین می‌شوند، نفت و زغال سنگ است. ( هر دو اینها از مفهوم قدیمی «آلی» بوده و محصول تجزیه گیاهان وجانوران هستند). این ترکیبات ساده به عنوان مصالح ساختمانی، در ساختن ترکیبات بزرگتر و پیچیده‌تر مصرف می‌شوند.

نفت و زغال سنگ سوختهای فسیلی هستند که در طی هزاران سال بر روی هم انباشته شده وغیر قابل جایگزینی هستند. این مواد _ بخصوص نفت _ جهت رفع نیازهای انرژی که به طور دائم در حال افزایش است، با سرعت خطرناکی مصرف می‌گردند. امروزه کمتر از ۱۰% نفت برای ساختن مواد شیمیائی مصرف می‌شود و قسمت اعظم آن برای تولید انرژی سوزانده می‌شود. خوشبختانه منابع دیگری برای ایجاد نیرو از قبیل منبع خورشیدی، گرمای زمین، باد، امواج، جذر و مد و انرژی هسته‌ای _ وجود دارد.

اما چگونه می‌توان منبع دیگری به جای مواد خالی آلی پیدا نمود؟ البته در نهایت باید به جایی که سوختهای فسیلی از آنجا ناشی می‌شوند یعنی توده زیستی برگشت نمود، اما این بار به طور مستقیم وبدون دخالت هزاران سال. توده زیستی قابل تجدید است و چنانچه به طور مناسب مصرف شود، تا زمانی که ما بر روی این سیاره بتوانیم وجود داشته باشیم آن هم باقی می‌ماند. در ضمن می‌گویند که نفت با ارزش‌تر از آن است که سوزانده شود.

چه خصوصیتی در ترکیبات کربن وجود دارد که آنها را از ترکیبات مربوط به صد و چند عنصر دیگر جدول تناوبی متمایز می‌سازد؟ لااقل قسمتی از این جواب به نظر می‌رسد که چنین باشد: تعداد بسیار زیادی از ترکیبات کربن وجود دارند که مولکولهای آنها می‌توانند بسیار بزرگ و پیچیده باشد.

تعداد ترکیباتی که دارای کربن هستند چندین برابر بیشتر از تعداد ترکیبات بدون کربن می‌باشد. این مواد آلی در خانواده‌های مختلف قرار می‌گیرند، و معمولاً در بین مواد معدنی، همتایی ندارند.

مولکولهای آلی شامل هزاران اتم شناخته شده‌اند، و ترتیب قرار گرفتن اتمها حتی در مولکولهای نسبتاً کوچک بسیار پیچیده است. یکی از مسایل اصلی در شیمی آلی، آگاهی از طرز قرار گرفتن اتمها در مولکولها و یا تعیین ساختمان ترکیبات است.

طرق زیادی برای شکستن این مولکولهای پیچیده و یا نوآرایی آنها برای ایجاد مولکولهای جدید وجود دارد؛ راههای مختلفی برای اضافه نمودن اتمهای جدید به این مولکولها و یا جایگزین نمودن اتمهای جدید به جای اتمهای قدیم وجود دارد. قسمت اعظم شیمی آلی به کنکاش در مورد این واکنشها اختصاص دارد، یعنی تشخیص این که این واکنشها کدامند، چگونه انجام می‌شوند و چگووه می‌توان از آنها برای سنتز یک ترکیب دلخواه استفاده نمود.

چه ویژگی در اتم کربن وجود دارد که می‌توان این همه ترکیب را از آن ساخت؟ جواب این سوال را آگوست ککوله در سال ۱۸۵۴ در حالی که سوار بر اتوبوسی در لندن بود، یافت.

«در یک عصر دلپذیر تابستان به و سیله آخرین اتوبوس برمی‌گشتم؛ خیابانهای شهر بر خلاف بقیه ساعات که شلوغ و پر از جنب‌جوش است، خلوت و آرام بود، در این حال من در خود فرو رفتم! اتمها در برابر چشمانم به جست و خیز مشغول بودند … من دیدم که چگونه به طور دائم دو اتم کوچکتر با یکدیگر متحد شده، تشکیل زوج می‌دهند، چگونه یک اتم بزرگتر دو اتم کوچکتر را در آغوش می‌گیرند و چگونه اتم بزرگتر سه یا چهار اتم کوچکتر را نگاه می‌دارد، در عین حال همه آنها در حال حرکت و رقص بودند. من دیدم که چگونه بزرگترها ایجاد زنجیر نمودند … قسمتی از شب را صرف نمودم تا چیزهایی را که در رؤیا دیده بودم بر روی کاغذ بیاورم». آگوست ککوله، ۱۸۹۰

اتمهای کربن می‌توانند به میزانی که برای اتم هیچ عنصر دیگری مقدور نیست، به یکدیگر متصل شوند. اتمهای کربن می‌توانند زنجیرهایی شامل هزاران اتم و یا حلقه‌هایی با اندازه‌های متفاوت ایجاد نمایند؛ زنجیرها و حلقه‌ها می‌توانند دارای شاخه و پیوندهای عرضی باشند. به اتمهای کربن این زنجیرها و حلقه‌ها، اتمهای دیگری که عمدتاً هیدروژن و همچنین فلوئور، کلر، برم، ید، اکسیژن، نیتروژن، گوگرد، فسفر و سایر اتمهای مختلف متصل می‌شود.

هر آرایش مختلف از اتمها مربوط به ترکیب متفاوتی است، و هر ترکیب یک سری خواص شیمیایی و فیزیکی خاص خود را دارد. از این رو غیرمنتظره نیست که امروزه بیشتر از ده میلیون ترکیب شناخته شده کربن وجود داشته باشد و هر سال به این تعداد نیم میلیون ترکیب جدید اضافه گردد. تعجب‌آور نیست که مطالعه این ترکیبات، رشته بخصوصی را در شیمی به خود اختصاص دهد.

شیمی آلی اهمیت فوق‌العاده زیادی در تکنولوژی دارد و در واقع، شیمی رنگدانه‌ها و دارها، کاغذ و جوهر، رنگهای نقاشی و پلاستیکها، بنزین و تایرهای لاستیکی است؛ همچنین، شیمی غذایی است که می‌خوریم و لباسی است که می‌پوشیم.

شیمی آلی شالوده زیست شناسی و پزشکی است. ساختمان موجودات زنده، به غیر از آب، عمدتاً از مواد آلی ساخته شده‌اند؛ مولکولهای مورد بحث در زیست شناسی مولکولی همان مولکولهای آلی هستند. زیست شناسی در مقیاس مولکولی همان شیمی آلی است.

شاید دور از انتظار نباشد که بگوئیم ما در عصر کربن زندگی می‌کنیم. هر روزه، روزنامه‌ها ذهن ما را متوجه ترکیبات کربن نظیر کلسترول و چربیهای اشباع نشده، هورمونها و استروئیدها، حشره کشها و فرومونها، عوامل سرطانزا و شیمی درمانی، DNA و ژنها می‌نمایند. به خاطر نفت، جنگها به راه افتاده است.

وقوع دو فاجعه بشریت را تهدید می‌کند و هر دو ناشی از تجمع ترکیبات کربن در جو است؛ یکی نازک شدن لایه ازون که عمدتاً به واسطه وجود کلروفلوئور و کربنها است و دیگری پدیده گلخانه که به خاطر حضور متان، کلروفلوئور و کربنها و سرآمد همه کربن دی‌اکسید است.

شاید به همین مناسبت بوده است که مجله Science در سال ۱۹۹۰، الماس را که یکی از فرمهای آلوتروپی کربن است به عنوان مولکول سال انتخاب کرده است. و مولکول آلوتروپ جدید الاکتشاف کربن buckminsterfullerene-C60 است که هیجان بسیاری را در دنیای شیمی ایجاد کرده است، هیجانی که از «زمان ککوله تاکنون» دیده نشده است.

 

پدیده گلخانه

 پدیده گلخانه

در خلال سالهای ۱۹۸۰، جهان از خطر گرم شدن کره زمین که در نتیجه پدیدهای به نام پدیده گلخانه میباشد،آگاهی یافت. این بار سبب اصلی این ضایعه یک محصول جانبی سمی نیست بلکه محصول اصلی سوختن هیدرو کربنها یعنی کربن دیاکسید است. در جو زمین چندین گاز وجود دارد که نقش شیشه را در یک گلخانه دارند. اینها نسبت به نور مرئی خورشید شفاف هستند و اجازه میدهند تا این نور به زمین برسد؛ اما نور زیر قرمزی که به طرف خارج از زمین نشر مییابد، توسط این گازها به تله افتاده و تبدیل به گرما میشود. «گازهای گلخانهای» اصلی ترکیبات CFC متان و سرآمد همه، کربن دیاکسید است. در حال حاضر غلظت گازهای گلخانهای به واسطه دو عامل که هر دو ناشی از تکنولوژی امروزی است. در حال افزایش است؛ یکی تولید ترکیبات CFC که قبلاً به هیچوجه در کره زمین وجود نداشتهاند و دیگری سوختن سوختهای فسیلی که با سرعتی فوقالعاده انجام شده و هنوز هم این سرعت در حال زیاد شدن است. اگر در این شیوه تغییری داده نشود گمان میرود که دمای زمین به طور مداوم افزایش یابد. این گرم شدن کره زمین باعث خواهد شد تا تغییرات شدیدی در شرایط آب و هوایی ایجاد گردد که نتایج زیانباری را به همراه خواهد داشت که از جمله| تغییر مکان بادهای موسمی است که حاصل آن ایجاد و توسعه کویرها میباشد؛ تغییر در نوع محصولات کشاورزی که مشکلات اجتماعی و قحطی را به همراه خواهد داشت ذوب شدن یخهای قطب که باعث بالا آمدن سطح آب دریاها شده و بخشهای وسیعی از زمین و بسیاری از بزرگترین و مهمترین شهرها را به زیر آب خواهد برد. حل مشکل CFC، در اصل و اگر چه نه در عمل، ساده است و آن توقف ساخت آنها است (حتی دلیل عاجل دیگری برای این عمل وجود دارد و آن مسأله از بین رفتن لایه اوزون است). به هر حال نمیتوان بدون ایجاد کربن دیاکسید، ترکیبات کربن را سوزاند و شکی نیست که روش زندگی ما به گونهای است که ناگزیر از چنین سوختنهایی هستیم. لذا واضح است که بایستی سایر منابع انرژی توسعه یابند. خواهیم دید که چرا سوختن سوختهای فسیلی بر خلاف سایر ترکیبات کربن دارای چنان اثر مضری در جو میباشد

 

 

منابع

  • A Brief History of the Development of Periodic Table
  • Chemistry: WebElements
  • Periodic Table Game
  • The Periodic Table of Comic Books at the Department of Chemistry, University of Kentucky
  • List of Periodic Table Elements that can be sorted by physical characteristics
  • Periodic table with mineral emphasis
  • Wooden Periodic table with samples
  • The Pictorial Periodic Table by Chris Heilman. Includes alternate styles: Stowe, Benfey, Zmaczynski, Giguere, Tarantola, Filling, Mendeleev

 

ارسال نظر