جمع بندی شیمی دهم فصل دوم (رایگان و جامع)؛ حل نمونه سوال

فصل دوم شیمی دهم شامل مباحثی مانند اتمسفر و لایه‌های آن، آلودگی هوا و اثر گلخانه‌ای، کربن دی اکسید و اوزون، موازنه واکنش‌های شیمیایی و استوکیومتری گازها است. این مباحث، پایه بخش مهمی از سوالات امتحانات نهایی و کنکور را تشکیل می‌دهند. به همین دلیل، یادگیری مبحث به مبحث این مفاهیم با یک جمع بندی مناسب به شما در درک بهتر فصل دوم این کتاب کمک خواهد کرد. در این گزارش از مجله فرادرس به جمع بندی شیمی دهم فصل دوم می‌پردازیم و مسائل مهم آن را تحلیل می‌کنیم.

در ابتدای این مطلب، مباحث مربوط به هواکره و زیست‌کره را تحلیل کرده و سپس به تحلیل ساختار لوویس می‌پردازیم. پس از آن با واکنش شیمیایی و موازنه آن آشنا شده و سوخت‌های فسیلی و اثر گلخانه‌ای را می‌شناسیم. در ادامه، با واکنش برگشت‌پذیر و رفتار گازها آشنا می‌شویم و در نهایت با تولید آمونیاک و فرآیند هابر آشنا می‌شویم. با مطالعه این مطلب تا انتها می‌توانید به یک حمع بندی دقیق از شیمی دهم فصل دوم دسترسی داشته باشید.

در جمع بندی شیمی دهم فصل دوم، مسائل و مفاهیم پایه و مهم شیمی مانند اجزای تشکیل دهنده هوا و اتمسفر و نقش آن‌ها در واکنش‌های شیمیایی بیان می‌شود. علاوه بر این، پدیده‌های مهم شیمی محیط زیست مانند شیمی سبز، اثر گلخانه‌ای و واکنش سوختن در این فصل ارزیابی می‌شود.

در جمع بندی فصل دوم شیمی دهم رسم ساختار لوویس، موازنه واکنش شیمیایی، رفتار گازها و ساختار و شیمی مهم‌ترین گازهای موجود در زمین را می‌آموزید. بنابراین یادگیری این مفاهیم به صورت کاربردی بسیار اهمیت دارد. در ادامه لیست مهم‌ترین مفاهیم در جمع بندی شیمی دهم فصل دوم ارائه شده است.

در ادامه، هر یک از این مفاهیم را به ترتیب شرح خواهیم داد.

یکی از مباحث مهم جمع بندی شیمی دهم فصل دوم، اتمسفر است. هواکره یا اتمسفر، هوایی است که طراف کره زمین قرار دارد. برای مطالعه اتمسفر، دانشمندان آن را بر پایه تحولات دما با صعود ارتفاع به چهار لایه اصلی تقسیم می‌کنند. این لایه‌ها به ترتیب فاصله از سطح زمین، با نام‌های زیر شناخته می‌شوند.

هواکره، لایه‌ای از گازها و ذرات جامد معلق است که از سطح زمین تا هزاران کیلومتر بالاتر امتداد دارد. هرچه از سطح زمین دورتر می‌شویم، اتمسفر رقیق‌تر می‌شود، اما نیروی گرانش زمین همچنان آن را در اطراف زمین نگه می‌دارد. این لایه هوایی را که تنفس می‌کنیم در خود نگه می‌دارد، از زمین در برابر فضای بیرونی محافظت می‌کند و حاوی رطوبت، گازها و ذرات بسیار ریز است.

ارتفاع، فشار و دما از عوامل مهمی هستند که خصوصیت‌های هوا در لایه‌های مختلف هواکره را تعیین می‌کنند. با بیشتر شدن ارتفاع از سطح زمین، فشار و چگالی هوا کم شدن می‌یابد، در حالی که دما در لایه‌های مختلف هواکره رفتار یکسانی ندارد و ممکن است با بیشتر شدن ارتفاع افت یا صعود پیدا کند. تغییر این عوامل بر فاصله و حرکت مولکول‌های هوا و خصوصیت‌های فیزیکی هوا تأثیر می‌گذارد.

چگالی به جرم موجود در واحد حجم گفته می‌شود و بیانگر است مولکول‌های یک ماده تا چه اندازه به یکدیگر نزدیک هستند. هرچه مولکول‌ها فشرده‌تر باشند، چگالی بیشتر خواهد بود. از آنجا که هوا یک گاز است، مولکول‌های آن می‌توانند در شرایط مختلف به یکدیگر نزدیک یا از هم دور شوند. چگالی هوا در نقاط مختلف یکسان نیست و به عواملی مانند دما و ارتفاع بستگی دارد. هوای گرم نسبت به هوای سرد چگالی کمتری دارد. با بیشتر شدن دما، انرژی مولکول‌ها بیشتر می‌شود و آن‌ها با حرکت بیشتر از یکدیگر فاصله می‌گیرند.

ارتفاع به فاصله یک نقطه از سطح دریا گفته می‌شود. با بیشتر شدن ارتفاع، چگالی هوا افت می‌یابد. در ارتفاعات بالاتر، مقدار هوای موجود در بالای یک نقطه کمتر است و نیروی گرانش نیز نسبت به سطح زمین کم شدن می‌یابد. در برآیند، مولکول‌های هوا آزادی بیشتری برای پراکنده شدن دارند و چگالی هوا کم شدن پیدا می‌کند.

مولکول‌های هوا به دلیل حرکت دائمی خود با اجسام برخورد می‌کنند و به آن‌ها نیرو وارد می‌کنند. فشار هوا به نیروی واردشده از وزن هوا بر یک سطح مشخص گفته می‌شود. در سطح دریا، جو با نیرویی حدود ۱ کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع، معادل ۱۴٫۷۶ پوند بر اینچ مربع، به سطح زمین فشار وارد می‌کند. با وجود این فشار زیاد، بدن انسان تحت فشار قرار نمی‌گیرد، زیرا هوا از همه جهت به بدن فشار وارد می‌کند و فشار واردشده از طرف مولکول‌های هوا در جهات مختلف یکدیگر را متعادل می‌کنند.

فشار هوا نیز مانند چگالی با بیشتر شدن ارتفاع کم شدن می‌یابد. هرچه از سطح زمین بالاتر برویم، مقدار هوایی که در بالای سر ما قرار دارد کمتر می‌شود و در خروجی فشار واردشده نیز نزول پیدا می‌کند.

دمای هواکره در همه ارتفاعات یکسان نیست و با رشد ارتفاع، در لایه‌های مختلف جو دگرگونی‌ها متفاوتی دارد. این اصلاحات به عواملی مانند جذب انرژی خورشید، ترکیب گازهای موجود در هواکره و فرایندهای انتقال گرما بستگی دارد. در تروپوسفر، دما معمولا با صعود ارتفاع افت می‌یابد، زیرا سطح زمین بخش زیادی از انرژی خورشیدی را جذب کرده و سپس آن را به هوای نزدیک خود منتقل می‌کند. در استراتوسفر، روند تغییر دما متفاوت است و با بیشتر شدن ارتفاع، دما بیشتر شدن پیدا می‌کند. این بیشتر شدن دما عمدتا به جذب پرتو فرابنفش خورشید توسط لایه اوزون مربوط می‌شود.

در لایه‌های بالاتر هواکره نیز تحولات دما ادامه پیدا می‌کند و روند آن به خصوصیت‌های هر لایه و برهم‌کنش گازها با تابش خورشیدی وابسته است. بنابراین، تحولات دما در هواکره یکنواخت نیست و یکی از مشخصه‌های مهم برای تحلیل ساختار و رفتار لایه‌های مختلف جو به شمار می‌رود.

تروپوسفر پایین‌ترین لایه اتمسفر است و بیشتر پدیده‌های آب‌وهوایی در این ناحیه رخ می‌دهند. این لایه محل حرکت و جابه‌جایی توده‌های هوا به سمت بالا و پایین است. در بالای تروپوسفر، ناحیه‌ای باریک به نام تروپوپاز قرار دارد که تروپوسفر را از لایه بالایی جدا می‌کند.

اتمسفر از چندین گاز تشکیل شده است که چهار گاز اصلی، در مجموع ۹۹٫۹۹۸ درصد از گازهای موجود در آن را تشکیل می‌دهند. در میان گازهای تشکیل‌دهنده هوا، نیتروژن بیشترین مقدار را دارد. نیتروژن با رقیق کردن اکسیژن، از سوختن شتابان در سطح زمین جلوگیری می‌کند و موجودات زنده نیز برای ساخت پروتئین به آن نیاز دارند.

در ادامه، درصد اجزای تشکیل دهنده هوا بدون احتساب بخار آب آورده شده است.

در ادامه هوا از گازهای دیگری مانند کریپتون، هیدروژن، نیتروژن دی اکسید، کربن مونوکسید، زنون، دی نیتروژن اکسید، ید و آمونیاک با مقادیر بسیار کم نیز تشکیل شده است. مقدار دقیق هر یک از گازهای موجود در اتمسفر ممکن است از روزی به روز دیگر کمی تغییر کند. از سوی دیگر موقعیت جغرافیایی هوای پایش شده نیز بر این درصدها تاثیرگذار است. میزان بخار آب می‌تواند تا حدود ۴ درصد از حجم کل اتمسفر را تشکیل دهد.

برای درک بهتر مفاهیم مطرح شده در جمع بندی شیمی دهم فصل دوم، نیاز است ابتدا با مفاهیمی چون آرایش الکترونی، انواع واکنش شیمیایی، واکنش‌دهنده و فراورده، واکنش‌دهنده محدود کننده،کسرهای تبدیل استوکیومتری و مفهوم مول در شیمی آشنا شوید. پیشنهاد می‌کنیم برای یادگیری بهتر این مفاهیم به مجموعه فیلم آموزش دروس پایه دهم فرادرس، بخش شیمی مراجعه کنید که با زبانی ساده ولی کاربردی به شرح این مفاهیم می‌پردازد.

علاوه بر این، با مراجعه به فیلم‌های آموزش فرادرس که در ادامه آورده شده است، می‌توانید به آموزش‌های بیشتری در زمینه مفاهیم جمع بندی شیمی دهم فصل دوم دسترسی داشته باشید.

زیست‌کره یا بیوسفر، بخش‌هایی از زمین را شامل می‌شود که در آن‌ها حیات وجود دارد. دانشمندان برای توصیف بخش‌های مختلف زمین از مفهوم کره‌ها استفاده می‌کنند. لایه جامد سطح زمین لیتوسفر نام دارد. اتمسفر لایه‌ای از هواست که در بالای لیتوسفر قرار گرفته است. آب موجود در سطح زمین، زیر زمین و هوا نیز هیدروسفر یا آب‌کره را تشکیل می‌دهد.

تقطیر جزءبه‌جزء یک فرایند شیمیایی برای جداسازی اجزای یک مخلوط مایع طبق تفاوت در نقطه جوش آن‌ها است. این روش به‌ویژه زمانی کاربرد دارد که نقطه جوش مواد به یکدیگر نزدیک باشد. در این فرایند، مخلوط مایع گرم می‌شود و به بخار تبدیل می‌شود. بخار سپس درون ستونی به نام ستون تقطیر جزءبه‌جزء بالا می‌رود و در مسیر خود سرد و متراکم می‌شود.

این فرایند تبخیر و میعان چندین بار در طول ستون تکرار می‌شود. در برآیند، اجزای فرارتر بانقطه جوش پایین‌تر در قسمت بالایی ستون و اجزای کم‌فرارتر با نقطه جوش بالاتر در قسمت پایینی آن متمرکز می‌شوند. به این ترتیب، مخلوط به بخش‌های مختلف یا کسرها جداسازی می‌شود.

یکی از مهم‌ترین کاربردهای تقطیر جزءبه‌جزء درپالایش نفت است که در آن نفت خام به محصولات مختلفی مانند بنزین،نفت سفید و روغن‌های روان‌کننده جداسازی می‌شود. این روش در ادامه در آزمایشگاه‌ها برای خالص‌سازی مواد شیمیایی کاربرد دارد.

هوای مایع، همان هوای معمولی است که در دماهای بسیار پایین سرد شده و از حالت گاز به مایع تبدیل شده است. این مایع رنگی آبی‌رنگ و روشن دارد و برای جلوگیری از گرم شدن و تبخیر، در ظرف‌های عایق مانند فلاسک‌های خلأ نگهداری می‌شود. هوای مایع در تماس با گرما به‌سرعت دوباره به حالت گازی بازمی‌گردد.

یکی از کاربردهای دیگر تقطیر جزء‌به جزء، استفاده از آن برای جداسازی اجزای هوای مایع و تولید گازهای ارزشمندی مانند نیتروژن است. در این روش، هوای بسیار سرد شده، تقطیر می‌شود و گازهای مختلف بر پایه تفاوت در نقطه جوش خود جداسازی می‌شوند. علاوه بر این از هوای مایع برای سرد کردن و مایع‌کردن یا جامدکردن برخی مواد دیگر نیز استفاده می‌شود.

در ادامه، مهم‌ترین مفاهیم و نکات کنکوری مربوط به مباحث هواکره و اتمسفر که در جمع بندی شیمی دهم فصل دوم ارزیابی شد، در قابل فلش کارت آورده شده است. با کلیک بر روی هر تصویر، می‌توانید مفاهیم مروبط به آن را مشاهده کنید.

هلیم، اولین گاز از خانواده گازهای نجیب و دومین عنصر جدول تناوبی است. این گاز، با دو الکترون و آرایش الکترونی $$1s^2$$، از مهم ترین گازهای نجیب در بسیاری از صنابع، به خصوص در واکنش‌های هسته‌ای به شمار می‌رود. این عنصر در شرایط معمول گازی بی‌رنگ، بی‌بو و بی‌مزه است و به دلیل واکنش‌پذیری بسیار کم، به‌راحتی با مواد دیگر واکنش نمی‌دهد.

هلیم پایین‌ترین نقطه جوش و انجماد را در میان عناصر دارد و در فشار معمول، تنها با سرد کردن به حالت جامد درنمی‌آید و برای جامد شدن به فشار بالا نیاز دارد.

هلیوم دارای دو ایزوتوپ پایدار، هلیم-۳ و هلیم-۴، است که هلیم-۴ فراوانی بیشتری دارد. هلیم مایع، به‌ویژه هلیم-۴، در دماهای بسیار پایین می‌تواند مشخصه ابرشارگی نشان دهد. در این حالت، مایع می‌تواند تقریبا بدون مقاومت جریان پیدا کند و رفتار متفاوتی نسبت به مایعات معمولی داشته باشد.

ایزوتوپ و محاسبات مربوط به آن در فصل اول شیمی دهم مرور شده است. پیشنهاد می‌کنیم برای مرور بهتر این مفاهیم مطلب جمع‌بندی فصل اول شیمی دهم مجله فرادرس را مطالعه کنید.

به دلیل واکنش‌پذیری کم و دمای بسیار پایین هلیم مایع، این عنصر در حوزه‌های مختلف استفاده می‌شود. برخی از کاربردهای مهم این گاز در جمع بندی شیمی دهم فصل دوم را در ادامه معرفی کرده‌ایم.

گازهای نجیب از دیگر مباحث مهم جمع بندی شیمی دهم فصل دوم هستند. این گازها، گروهی از هفت عنصر شیمیایی هستند که در گروه ۱۸ جدول تناوبی قرار دارند. این عناصر شامل هلیم (He)، نئون (Ne)، آرگون (Ar)، کریپتون (Kr)، زنون (Xe)، رادون (Rn) و اوگانسون (Og) هستند. گازهای نجیب در شرایط معمول بی‌رنگ، بی‌بو، بی‌مزه و غیرقابل‌اشتعال هستند. آرایش الکترونی گازهای نجیب بجز عنصر هلیم به شکل زیر است.

$$ns^2np^6$$

این آرایش الکترونی که آرایش الکترونی هشتایی نام دارد، به دلیل پر بودن ظرفیت زیرلایه‌های آن، باعث کم‌واکنش‌پذیر شدن عناصر و پایداری آن‌ها می‌شود. این عناصر در گذشته گازهای نادر یا گازهای بی‌اثر نامیده می‌شدند، زیرا دانشمندان تصور می‌کردند این عناصر نمی‌توانند با اتم‌های دیگر ترکیبات شیمیایی تشکیل دهند. بااین‌حال، در زمان حاضره روشن شده است که برخی گازهای نجیب می‌توانند تحت شرایط خاص ترکیبات شیمیایی تشکیل دهند. واژه نجیب به دلیل واکنش‌پذیری بسیار کم این عناصر به‌کار می‌رود، مشابه فلزات نجیبی مانند طلا و پلاتین که تمایل کمی به انجام واکنش‌های شیمیایی دارند.

گازهای نجیب در جو زمین و از سوی دیگر در جهان یافت می‌شوند، اما با بیشتر شدن عدد اتمی، فراوانی آن‌ها افت می‌یابد. واکنش‌پذیری کم این عناصر باعث شده است در کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار گیرند. برخی از این کاربردها در ادامه این جمع بندی شیمی دهم فصل دوم، معرفی شده است.

اکسیژنیکی از عناصر مهم و فراوان در طبیعت است که با نماد O و عدد اتمی ۸ شناخته می‌شود. این عنصر یک نافلز و در شرایط معمول گازی بی‌رنگ، بی‌بو و بی‌مزه است. بیشتر جانداران برای تنفس به اکسیژن نیاز دارند و این عنصر در بسیاری از فرایندهای زیستی و شیمیایی نقش دارد. اکسیژن در ادامه واکنش‌پذیری زیادی دارد و با بسیاری از عناصر ترکیب می‌شود. آب با فرمول $$H_2O$$ یکی از شناخته‌شده‌ترین ترکیبات حاوی اکسیژن است.

جرم اتمی اکسیژن ۱۵٫۹۹۹۴ است. این عنصر در دمای ۲۱۸٫۴- درجه سلسیوس ذوب و در دمای ۱۸۳- درجه سلسیوس به جوش می‌آید. چگالی اکسیژن گازی در دمای صفر درجه سلسیوس و فشار یک اتمسفر حدود ۱٫۴۲۹ گرم بر لیتر است. اکسیژن در طبیعت به شکل‌های مختلفی وجود دارد که دو شکل مهم آن گاز دواتمی اکسیژن و گاز سه اتمی اوزون هستند.

برای تولید صنعتی اکسیژن، یکی از روش‌های اصلی جداسازی آن از هوای مایع با استفاده از تقطیر جزءبه‌جزء است. اکسیژن تولیدشده در صنایع مختلف کاربرد دارد. صنعت فولاد از مقدار زیادی اکسیژن برای فرایندهای تولید و حذف برخی ناخالصی‌ها استفاده می‌کند. تصفیه فاضلاب، سوزاندن پسماندها، کاربردهای پزشکی و استفاده به‌عنوان اکسیدکننده در سامانه‌های پیشران موشکی نیز از کاربردهای مهم این عنصر هستند.

اکسیژن دائما بین هواکره، آب و موجودات زنده در گردش است. گیاهان و جلبک‌ها در فرایند فتوسنتز، با استفاده از دی‌اکسید کربن و انرژی نور، اکسیژن آزاد می‌کنند. در مقابل، تنفس جانداران و بسیاری از فرایندهای احتراقی باعث مصرف اکسیژن و تولید دی‌اکسید کربن می‌شوند. این فرایندها در حفظ تعادل گازهای موجود در هواکره نقش دارند.

اکسید در شیمی به ترکیباتی گفته می‌شود که از پیوند شیمیایی فلزات و نافلزات با اکسیژن به دست می‌آید. برای مثال، ترکیباتی مانند کربن دی اکسید، منیزیم اکسید، اکسید تیتانیوم و ... همگی اکسید هستند. اکسید‌ها، از فراوان‌ترین ترکیبات شیمیایی هستند. اتم‌های واکنش‌پذیر فلزی و غیرفلزی که بتوانند با ترکیب شدن با اکسیژن پایدار شوند، اکسید تشکیل می‌دهند. یکی از این ترکیبات، اکسید آهن است که در حضور اگسیژن هوا و بخار آب، ترکیب $$Fe_2O_3$$ یا همان زنگ آهن را تشکیل می‌دهد.

اکسیدها بر پایه رفتار اسیدی و بازی خود به چهار گروه اسیدی، بازی، آمفوتری و خنثی تقسیم می‌شوند.

اکسیدهای فلزی ترکیبات جامد بلوری هستند که از کاتیون فلزی و آنیون اکسید تشکیل می‌شوند. این ترکیبات معمولا با آب واکنش می‌دهند و هیدروکسیدهای فلزی ایجاد می‌کنند و در واکنش با اسیدها، نمک و آب به وجود می‌آورند. به همین دلیل، بسیاری از اکسیدهای فلزی در دسته اکسیدهای بازی قرار می‌گیرند.

فلزات قلیایی و قلیایی خاکی می‌توانند ترکیبات مختلفی با اکسیژن تشکیل دهند. فلزات قلیایی با عدد اکسایش $$+1$$، اکسیدها، پراکسیدها و سوپراکسیدها را ایجاد می‌کنند. به‌ترتیب فرمول کلی این ترکیبات برای یک فلز قلیایی $$M$$ برابر $$M_2O$$، $$M_2O_2$$ و $$MO_2$$ است. فلزات قلیایی خاکی با عدد اکسایش $$+2$$ نیز اکسیدها و پراکسیدها را تشکیل می‌دهند که فرمول کلی آن‌ها به‌ترتیب $$MO$$ و $$MO_2$$ است. در ادامه، نام و ترکیب شیمیایی مهم‌ترین اکسیدهای فلزی آورده شده است.

از مهم‌ترین مباحث مرور شده در جمع بندی شیمی دهم فصل دوم، نام‌گذاری اکسیدها است. برای نام‌گذاری اکسیدها، مانند سایر ترکیبات یونی عمل می‌کنیم. نام یون اکسیژن به تنهایی اکسید است و این یون دو بار منفی دارد. ($$O^{2-}$$) بنابراین برای نامگذاری ترکیبات یونی شامل اکسیژن، کافی است پس از اطمینان از بار یون اکسیژن، ابتدا نام کاتیون و سپس نام اکسید را بنویسیم. برای مثال، ترکیب $$CaO$$ که شامل یون $$Ca^{2+}$$ و $$O^{2-}$$ است، کلسیم اکسید نام دارد.

پیشنهاد می‌کنیم برای آشنایی بیشتر با انواع اکسیدهای اسیدی و بازی و تفاوت‌های آن‌ها، فیلمآموزش اکسیدهای اسیدی و بازی فرادرس که لینک آن را در ادامه آورده‌ایم، مشاهده کنید.

از سوی دیگر در برخی از منابع، این ترتیب عکس شده و این ترکیبات با نام اکسید کلسیم، اکسید منیزیم، اکسید لیتیم و ... نیز شناخته می‌شوند. در ترکیبات مولکولی شامل یون غیر فلزی نیز، نانند قوانین نام گذاری سایر ترکیبات شیمیایی، ابتدا نام نافلز به صورت ساده و سپس نام اکسید می‌آید. اگر تعداد بیشتر از ۱ عدد از هر اتم داشته باشیم، تعداد آن نیز با استفاده از اعداد یونانی مشخص می‌شود.

برای مثال به نام و ترکیب شیمیایی مواد زیر دقت کنید.

برای درک بهتر نام‌گذاری ترکیبات اکسیژن دار، به سوالات زیر دقت کنید.

فرمول شیمیایی دی‌نیتروژن تری‌اکسید را بنویسید.

پاسخ

در نام ترکیب، پیشوند دی نشان‌دهنده دو اتم نیتروژن و پیشوند تری نشان‌دهنده سه اتم اکسیژن است. بنابراین فرمول ترکیب به‌صورت زیر نوشته می‌شود.

$$N_2O_3$$

نام ترکیب $$P_2O_5$$ چیست؟

پاسخ

در این ترکیب دو اتم فسفر و پنج اتم اکسیژن وجود دارد. بنابراین برای فسفر از پیشوند دی و برای اکسیژن از پیشوند پنتا استفاده می‌کنیم. نام ترکیب دی‌فسفر پنتااکسید یا به صورت خلاصه‌تر (دی فسفر پنتوکسید) است.

در ادامه، مهم‌ترین مفاهیم مربوط به اکسیژن و اکسیدها که در جمع بندی شیمی دهم فصل دوم آورده شده است، در قالب فلش‌کارت آورده‌ایم. با کلیک بر روی هر تصویر می‌توانید مفاهیم مربوط به آن را مشاهده کنید.

ساختار لوویس یک نحوه نمایش برای تعیین الکترون‌های ظرفیت اتم‌ها و نحوه تشکیل پیوند شیمیایی بین آن‌ها است. ساختار لوویس نمایش ساده‌ای از الکترون‌های لایه ظرفیت اتم‌ها در یک مولکول است. در این ساختار، الکترون‌های ظرفیت به‌صورت نقطه و الکترون‌های اشتراکی تشکیل‌دهنده پیوند به‌صورت خط بین دو اتم نشان داده می‌شوند.

هدف از رسم ساختار لوویس، نمایش آرایش مناسب الکترون‌ها در مولکول است، به‌گونه‌ای که تا حد فرصت قاعده هشت‌تایی و بارهای رسمی اتم‌ها رعایت شوند.

آرایش هشتایی آرایش الکترونی است که اتم‌های مختلف برای رسیدن به آرایش الکترونی پایدار گاز نجیب اختیار می‌کنند. اتم گازهای نجیب آرایش الکترونی $$ns^2np^6$$ دارند که شامل زیرلایه‌ای مفصلا پر است. به همین علت پایدار است.

اتم‌های فلزی و هالوژن‌ها که یون تشکیل می‌دهند، با از دست دادن یا گرفتن الکترون، می‌توانند به آرایش هشتایی گاز نجیب برسند. ترکیباتی مانند کربن که پیوندهای کووالانسی تشکیل می‌دهند، با به اشتراک گذاری الکترون‌ها و ظرفیت‌های خالی به آرایش هشتایی می‌رسند. بدین ترتیب که در رسم آرایش ساختار لوییس ترکیبات، در ایده‌آل‌ترین حالت تعداد جفت الکترون‌های پیوندی و غیرپیوندی هر اتم باید ۸ عدد باشند.

برای رسم ساختار لوویس یک مولکول یا یون، می‌توان مراحل زیر را دنبال کرد.

در ادامه این موارد را با یک مثال مرور می‌کنیم.

ابتدا تعداد کل الکترون‌های ظرفیت موجود در مولکول یا یون را محاسبه کنید. برای این کار، تعداد الکترون‌های ظرفیت هر اتم را با یکدیگر جمع کرده و در صورت وجود بار، مقدار مربوط به بار را نیز در نظر بگیرید.

برای مثال، در یون نیترات $$NO_3^-$$:

در حاصل، مجموع الکترون‌های ظرفیت برابر با ۲۴ الکترون است.

در مرحله بعد، ساختار اسکلتی مولکول را رسم کنید و همه اتم‌ها را با پیوندهای یگانه به یکدیگر متصل کنید. اتم مرکزی معمولا اتمی است که توانایی تشکیل تعداد بیشتری پیوند را دارد و در برخی موارد می‌تواند لایه ظرفیت خود را گسترش دهد.

این اتم معمولا در جدول تناوبی در موقعیت پایین‌تر یا سمت چپ‌تر قرار دارد. در $$NO_3^-$$، اتم نیتروژن در مرکز قرار می‌گیرد.

پس از رسم ساختار اسکلتی، جفت‌الکترون‌های ناپیوندی را اضافه کنید. در یون $$NO_3^-$$، از ۲۴ الکترون ظرفیت، ۶ الکترون برای تشکیل سه پیوند یگانه مصرف شده است.

سپس جفت‌الکترون‌های باقی‌مانده را روی اتم‌های انتهایی قرار دهید تا لایه ظرفیت آن‌ها دقیق شود.

اگر پس از جامع کردن لایه ظرفیت اتم‌های انتهایی هنوز الکترونی باقی مانده باشد، از آن برای مفصل کردن لایه ظرفیت اتم مرکزی استفاده می‌شود.

اگر الکترون کافی باقی نمانده باشد، می‌توان یکی از جفت‌الکترون‌های ناپیوندی اتم انتهایی را برای تشکیل یک پیوند چندگانه به کار برد. در $$NO_3^-$$، نیتروژن به دو الکترون دیگر نیاز دارد. بنابراین، یکی از جفت‌الکترون‌های ناپیوندی اکسیژن برای تشکیل پیوند دوگانه با نیتروژن استفاده می‌شود.

در این مرحله، بار رسمی همه اتم‌ها را تعیین می‌کنیم. بار رسمی از رابطه زیر به دست می‌آید.

بار رسمی = تعداد الکترون‌های ظرفیت اتم - نصف (تعداد الکترون‌های پیوندی - تعداد الکترون غیرپیوندی)

در انتخاب ساختار مناسب، معمولا ساختاری مطلوب‌تر است که تعداد بارهای رسمی آن کمتر باشد و تا حد قابلیت بار رسمی اتم‌ها صفر باشد. علاوه بر این بهتر است بار منفی روی اتم‌های الکترونگاتیوتر و بار مثبت روی اتم‌های کم‌الکترونگاتیوتر قرار گیرد.

در اتمام، ساختاری انتخاب می‌شود که در آن لایه ظرفیت اتم‌ها جامع شده و تعداد بارهای رسمی تا حد قابلیت کم باشد. یک ساختار لوویس را می‌توان به روش‌های مختلفی نمایش داد. برای مثال، جفت‌الکترون‌های پیوندی را می‌توان با یک خط یا با خود الکترون‌ها نشان داد. علاوه بر این در برخی نمایش‌ها فقط بار کلی یون نشان داده می‌شود و بار رسمی تک‌تک اتم‌ها نوشته نمی‌شود.

بنابراین، ممکن است برای یک ساختار لوویس نمایش‌های متفاوتی ببینید، اما این نمایش‌ها می‌توانند شرح یکسانی را منتقل کنند.

برای درک بهتر نحوه رسم ساختار لوویس، به مثال‌های زیر دقت کنید.

ساختار لوویس کربن دی‌اکسید را رسم کنید.

پاسخ

برای رسم این ساختار لوویس، ابتدا تعداد الکترون‌های ظرفیت هر اتم و تعداد کل الکترون‌ها را تعیین می‌کنیم. اتم کربن ۴ الکترون ظرفیت و اتم اکسیژن ۶ الکترون ظرفیت دارد. مولکول $$CO_2$$ در مجموع ۱۶ الکترون خواهد داشت. سپس اتم کمتر الکترونگاتیو کربن را در مرکز قرار داده و اتم‌های اکسیژن را اطراف آن قرار می‌دهیم.

با رسم دو پیوند دوگانه بین اتم کربن و اتم‌های اکسیژن، تمامی اتم‌ها به آرایش هشتایی می‌رسند.

واکنش سوختن از دیگر مباحث مهم جمع بندی شیمی دهم فصل دوم است. این واکنش، واکنشی است که در آن یک ماده شیمیایی با گاز اکسیژن وارد واکنش شده و انرژی قابل توجهی را به صورت نور و گرما آزاد می‌کند. واکنش‌های سوختن باید شامل گاز اکسیژن دو اتمی $$O_2$$ در سمت واکنش‌دهنده‌ها باشند. برای مثال، واکنش سوختن گاز هیدروژن، بخار آب آزاد می‌کند. این واکنش در ادامه نوشته شده است.

$$2 ‌{H_2} left( g right) + ‌{O_2} left( g right) rightarrow 2 ‌{H_2O} left( g right)nonumber$$

برخی از مواد مانند هیدروکربن‌ها، در واکنش با گاز اکسیژن، گرما و نور زیادی آزاد می‌کنند. به همین علت از آن‌ها در تولید انرژی گرمایی به مقدار قابل توجه و سپس تبدیل انرژی گرمایی به سایر فرم‌های انرژی است. هیدروکربن‌ها همواره در واکنش با اکسیژن، کربن‌دی اکسید و آب تولید می‌کنند. برای مثال، واکنش سوختن پروپان در ادامه آورده شده است.

$$ce{C_3H_8} left( g right) + 5 ce{O_2} left( g right) rightarrow 3 ce{CO_2} left( g right) + 4 ce{H_2O} left( g right)nonumber$$

در مجموع، ۶ نوع واکنش سوختن وجود دارد. این موارد در ادامه معرفی شده است.

سوختن جامع، به واکنش سوختنی گفته می‌شود که به ازای تعداد مول ماده در حال سوختن، اکسیژن کافی وجود داشته باشد. به عبارت دیگر، در این واکنش‌ها، یا تعداد مول باید دقیقا مطابق واکنش باشد، یا اینکه ماده سوختنی به عنوان محدود کننده در واکنش شرکت کرده و اکسیژن اضافی باشد.

در این شرایط، فرآورده‌های واکنش سوختن تنها کربن دی اکسید و بخار آب خواهند بود. در ادامه، مثال یک واکنش سوختن مفصل آورده‌ایم.

$$CH_4 + 2O_2 rightarrow CO_2 + 2H_2O$$

سوختن ناقص به واکنش سوختنی گفته می‌شود که در آن اکسیژن کافی به ازای ماده سوختنی وجود نداشته باشد. در چنین شرایطی علاوه بر تولید کربن دی اکسید و آب، فرآورده‌های جانبی نیز تولید می‌شوند. در سوختن ناقص هیدروکربن‌ها، طی واکنش، کربن دی اکسید، دوده، بخار آب و گرما آزاد می‌شود. در ادامه، واکنش سوختن ناقص پروپان آورده شده است.

$$2C_3H_8 + 7O_2 rightarrow 6CO + 8H_2O$$

برای درک بهتر نحوه نوشتن واکنش سوختن (احتراق) که در قسمت قبل ارزیابی شد، به مثال‌های زیر دقت کنید.

اتانول می‌jواند به عنوان سوخت چراغ‌های الکلی استفاده شود. فرمول شیمیایی اتانول به صورت $$ce{C_2H_5OH}$$ است. واکنش سوختن این ماده با مقدار کافی گاز اکسیژن را بنویسید.

پاسخ

واکنش سوختن هیدروکربن‌ها، گربن‌دیاکسید و آب تولید می‌کند. از آنجا که در صورت سوال ذکر شده با مقدار کافی گاز اگسیژن، این واکنش یک واکنش سوختن مفصل خواهد بود. واکنش سوختن اتانول را نوشته و آن را موازنه می‌کنیم.

$$ce{C_2H_5OH} left( l right) + ce{O_2} left( g right) rightarrow ce{CO_2} left( g right) + ce{H_2O} left( g right)nonumber$$

برای موازنه این واکنش، از اتانول آغاز کرده و سپس آب را موازنه کرده و به آن ضریب ۳ می‌دهیم. سپس تعداد کربن‌ها را با درج ضریب ۲ برای کربن دی اکسید موازنه می‌کنیم. در نهایت برای برابر شدن تعداد اکسیژن‌های معادله واکنش، به گاز اکسیژن ضریب ۳ می‌دهیم.

$$ce{C_2H_5OH} left( l right) + 3 ce{O_2} left( g right) rightarrow 2 ce{CO_2} left( g right) + 3 ce{H_2O} left( g right)nonumber$$

واکنش سوختن مفصل بوتان را نوشته و موازنه کنید.

پاسخ

برای نوشتن معادله واکنش سوختن هیدروکربن‌ها، باید بتوانیم فرمول شیمیایی ان ها را نیز بنویسیم. بوتان یک آلکان با ۴ اتم کربن بوده و فرمول شیمیایی آن $$C_4H_{10}$$ است. معادله واکنش سوختن جامع را نوشته و موازنه می‌کنیم.

$$C_4H_{10} + O_2 rightarrow CO_2 + H_2O$$

برای موازنه تعداد هیدروژن‌ها به آب ضریب ۵ داده و برای موازنه تعداد کربن، به کربن دی اکسید ضریب ۴ می‌دهیم.

$$C_4H_{10} + O_2 rightarrow 4CO_2 + 5H_2O$$

در نهایت برای موازنه تعداد اکسیژن‌ها، به اکسیژن ضریب $$frac{13}{2}$$ داده و در نهایت کل معادله واکنش را در عدد ۲ ضرب می‌کنیم.

$$2C_4H_{10} + 13O_2 rightarrow 8CO_2 + 10H_2O$$

کربن مونوکسید یک مولکول دو اتمی ناجورهسته متشکل از یک اتم کربن و یک اتم اکسیژن است که با یک پیوند سه‌گانه به هم متصل شده‌اند. این مولکول ساختاری خطی دارد و هر یک از اتم‌های کربن و اکسیژن، یک جفت الکترون ناپیوندی دارند.

کربن مونوکسید به شدت سمی بوده، بدون رنگ، بدون بو و قابل احتراق است. این گاز در صنایع مختلف برای تولید ترکیبات آلی و غیرآلی شیمیایی مختلف استفاده می‌شوند. کربن مونوکسید علاوه بر این در گازهای ارائه شده حاصل از احتراق داخلی موتورها و ... در اثر سوختن ناقص تولید می‌شود.

واکنش شیمیایی، یک عبارت شامل فرمول‌های شیمیایی مواد و شرایط واکنش است که نحوه انجام یک واکنش شیمیایی را نمایش می‌دهد. شیمیدانان با استفاده از واکنش شیمیایی می‌توانند درک کنند واکنش از چه واکنش‌دهنده‌هایی تشکیل شده است، چه فرآورده‌هایی تولید می‌شوند، حالت مواد چیست و واکنش در چه شرایط محیطی انجام شده است.

برای مثال، واکنش شیمیایی زیر یک نمونه از این موارد است.

$$2H_2(g)+O_2(g)xrightarrow{Delta}2H_2O(l)$$

در این واکنش، اکسیژن و هیدروژن، واکنش دهنده و آب، فرآورده هستند. حالت فیزیکی مواد با حروف (s) برای جامد، (g) برای گاز و (l) برای مایع نمایش داده می‌شود. محلول‌های آبی نیز با عبارت (aq) مشخص می‌شوند. در برخی از واکنش‌های شیمیایی دما، گرما، فشار و کاتالیزگر مورد استفاده روی فلش واکنش شیمیایی نمایش داده می‌شوند.

نحوه نوشتن واکنش شیمیایی، از مباحث مهم جمع بندی شیمی دهم فصل دوم است. برای نوشتن یک واکنش شیمیایی، باید فرمول‌های شیمیایی مواد واکنش‌دهنده در سمت چپ معادله و قبل از فلش و فرمول‌های شیمیایی فرآورده پس از فلش و در سمت راست معادله نوشته شوند. ضرایب استوکیومتری برای نمایش تعداد مول حاضر در واکنش برای هریک از این مواد است. ضرایب استوکیومتری نسبت همواره ثابتی دارند. برای مثال در واکنش قسمت قبل، همواره یک مول گاز اکسیژن با دو مول گاز هیدروژن ترکیب شده و دو مول آب تولید می‌کنند.

زیروندهای موجود در پایین و سمت راست اتم‌ها در فرمول شیمیایی ترکیبات، یک عدد ثابت است و هرگز تغییر نمیکند. برای مثال مولکول آب همواره به شکل $$H_2O$$ بوده و از دو اتم هیدروژن و یک اتم اکسیژن تشکیل شده است. نمایش زیر، یک واکنش شیمیایی دیگر را با شرایط دمایی خاص و کاتالیزگر بیانگر است.

قانون پایستگی جرم بیان می‌کند که در یک واکنش شیمیایی، مجموع جرم واکنش‌دهنده‌ها با مجموع جرم فرآورده‌ها برابر است. به عبارت دیگر، جرم در طول یک واکنش شیمیایی نه ایجاد می‌شود و نه از بین می‌رود، بلکه مقدار آن ثابت باقی می‌ماند. برای مثال، در واکنش بین نیترات نقره و کلرید سدیم، این دو ترکیب در آب حل می‌شوند و کلرید نقره و نیترات سدیم تشکیل می‌دهند.

$$AgNO_3(aq)+NaCl(aq)rightarrow AgCl(s)+NaNO_3(aq)$$

کلرید نقره در آب حل نمی‌شود و به‌صورت جامد تشکیل می‌شود، در حالی که نیترات سدیم در محلول باقی می‌ماند. اگر ۵۸٫۵ گرم کلرید سدیم با ۱۶۹٫۹ گرم نیترات نقره واکنش دهد، مجموع جرم واکنش‌دهنده‌ها برابر با ۲۲۸٫۴ گرم است. پس از واکنش، ۱۴۳٫۴ گرم کلرید نقره و ۸۵٫۰ گرم نیترات سدیم تشکیل می‌شود که مجموع جرم آن‌ها نیز ۲۲۸٫۴ گرم است. بنابراین، مجموع جرم واکنش‌دهنده‌ها و فرآورده‌ها برابر باقی می‌ماند.

موازنه واکنش شیمیایی به منظور رعایت قانون پایستگی جرم در واکنش‌های شیمیایی انجام می‌شود. با موازنه واکنش‌های شیمیایی با شمارش اتم‌های موجود و تعیین ضریب استوکیومتری مناسب برای مولکول‌ها، تعداد اتم‌های موجود در هر دو سمت معادله برابر خواهند شد. از مهم‌ترین نکاتی که باید در جمع بندی شیمی دهم فصل دوم بیاموزید، موازنه یک واکنش شیمیایی است.

برای مثال، واکنش زیر یک معادله واکنش موازنه شده است. تعداد هریک از اتم‌ها را در هر طرف واکنش بشمارید و سپس نتایج خود را با جدول زیر مقایسه کنید.

$$2Al(s)+6HCl(aq)rightarrow2AlCl_3(aq)+3H_2(g)$$

موازنه به روش وارسی یکی از ساده‌ترین و کاربردی ترین روش‌های موازنه واکنش شیمیایی است که می‌توان از آن برای موازنه بسیاری از واکنش‌های شیمیایی استفاده کرد. این روش شامل مراحلی است که در ادامه شرح داده شده است.

برای آغاز موازنه یک واکنش شیمیایی پیشنهاد می‌شود جدولی مطابق جدول زیر برای شمارش تعداد اتم‌های هر دو سمت معادله داشته باشید.

برای درک بهتر روش موازنه واکنش‌های شیمیایی به روش وارسی، به مثال‌های زیر دقت کنید.

معادله واکنش شیمیایی زیر را موازنه کنید.

$$CH_4+O_2rightarrow CO_2+H_2O$$

پاسخ

برای موازنه این واکنش ابتدا از پیچیده‌ترین ترکیب آغاز کرده و به آن ضریب ۱ می‌دهیم. در این ترکیب بوتان با ۴ اتم کربن پیچیده تر است. سپس برای موازنه تعداد هیدروژن‌ها به به آب ضریب ۲ می‌دهیم.

$$CH_4+O_2rightarrow CO_2+2H_2O$$

در ادامه برای موازنه تعداد کربن‌ها به کربن دی اکسید ضریب ۱ می‌دهیم.

$$CH_4+O_2rightarrow 1CO_2+2H_2O$$

در نهایت برای موازنه تعداد اکسیژن‌ها، به گاز اکسیژن ضریب ۲ می‌دهیم و معادله واکنش موازنه می‌شود.

$$CH_4+2O_2rightarrow CO_2+2H_2O$$

$$Zn+HClrightarrow ZnCl_2+H_2$$

پاسخ

برای موازنه این واکنش، ابتدا پیچیده‌ترین ترکیب را انتخاب کرده و به آن ضریب ۱ می‌دهیم. در این واکنش، ترکیب زینک کلرید، بیشترین تعداد اتم را دارد. برای موازنه تعداد کلر‌ها، به هیدروژن کلرید ضریب ۲ می‌دهیم.

$$Zn+2HClrightarrow ZnCl_2+H_2$$

با شمارش تمامی اتم‌ها در دو سمت معادله متوجه می‌شویم که معادله موازنه شده است.

معادله واکنش زیر را موازنه کنید.

$$Al+O_2rightarrow Al_2O_3$$

پاسخ

برای موازنه این واکنش، ابتدا پیچیده‌ترین ترکیب را یافته و به آن ضریب ۱ می‌دهیم. در این واکنش، آلومینیوم اکسید، پیچیده‌ترین ترکیب است. سپس برای موازنه تعداد آلومینیوم واکنش، به آلومینیوم در سمت واکنش‌دهنده‌ها ضریب ۲ می‌دهیم.

$$2Al+O_2rightarrow Al_2O_3$$

سپس برای موازنه تعداد اکسیژن‌ها، گاز اکسیژن ضریب $$frac{3}{2}$$ می‌گیرد. در نهایت برای از بین رفتن ضریب کسری، کل ضرایب را در عدد ۲ ضرب می کنیم.

$$4Al+3O_2rightarrow2Al_2O_3$$

سوخت‌های فسیلی، از دیگر مباحث مهم جمع بندی شیمی دهم فصل دوم هستند. این سوخت‌ها، سوخت‌هایی طبیعی، تنوینناپذیر و محدود هستند. از سوخت‌های فسیلی می‌توان به زغال‌سنگ، نفت و گاز طبیعی اشاره کرد که طی میلیون ها سال در اثر دفن شدن بقایای گیاهان و حیوانات در اعماق زمین و تحت فشار و دما تولید شده‌اند. به دلیل فشار و دمای قابل توجه لایه‌های زیرین زمین، این ترکیبات به مرور زمان تبدیل به منابعی غنی از کربن شده‌اند که برای سوزاندن و تولید انرژی منابع مهمی هستند.

این ترکیبات سوزانده می‌شوند تا برای فرایندهای مختلفی مانند تولید الکتریسیته و تولید انرژی، حرارت تولید کنند. میزان مصرف سوخت‌های فسیلی پس از انقلاب صنعتی به شدت بیشتر شدن یافته و این مصرف بیشینه مشکلاتی مانند تولید بیش از حد کربن دی‌اکسید، گرمایش زمین، تغییرا اقلیمی و آلودگی هوا را در پی داشته است.

به همین دلیل، در روز جاریه روش‌های پایدارتر تولید انرژی مانند استفاده از انرژی خورشیدی، باد، آب و انرژی هسته‌ای برای تولید انرژی و برق، مورد توجه قرار گرفته‌اند.

زغال‌سنگ، نفت، گاز طبیعی، شیل نفتی، قیر طبیعی، ماسه‌های نفتی و نفت‌های سنگین از جمله سوخت‌های فسیلی هستند. همه این مواد حاوی کربن هستند و در حاصل فرایندهای زمین‌شناسی که طی مدت‌های بسیار طولانی بر بقایای مواد آلی حاصل از فتوسنتز اثر گذاشته‌اند، تشکیل شده‌اند.

ردپای کربن به مقدار انتشار گازهای گلخانه‌ای، به‌ویژه دی‌اکسید کربن، گفته می‌شود که در برآیند فعالیت‌های یک فرد، سازمان، ساختمان یا کشور ایجاد می‌شود. این مقدار شامل انتشار مستقیم ناشی از مصرف سوخت‌های فسیلی در فعالیت‌هایی مانند تولید، گرمایش و حمل‌ونقل و علاوه بر این انتشار غیرمستقیم مربوط به تولید برق و کالاها و خدمات مصرفی است.

در محاسبه ردپای کربن، علاوه بر دی‌اکسید کربن، گازهای گلخانه‌ای دیگری مانند متان، نیتروس اکسید و کلروفلوئوروکربن‌ها نیز ممکن است در نظر گرفته شوند. ردپای کربنی معمولا مطابق مقدار انتشار گازهای گلخانه‌ای و با واحدهایی مانند تن دی‌اکسید کربن معادل در سال بیان می‌شود.

آلودگی هوا به حضور مواد شیمیایی خطرناک در هوا گفته می‌شود. برهمکنش گازها در اتمسفر زمین و در ادامه فعالیت‌های انسانی می‌تواند بر کیفیت هوای تروپوسفر نزدیک زمین و به تبع آن بر سلامت انسان‌ها اثر بگذارد. به همین دلیل، شناسایی گازهایی که در اثر فعالیت‌های انسانی و فرایندهای صنعتی وارد جو می‌شوند، برای مرور آلودگی هوا و اصلاحات جوی ضروری است.

از مهم‌ترین گازهایی که میزان آلودگی، ذرات ریز و گردو غبار و غلظت آئروسل‌های مضر را در اتمسفر بیشتر شدن می‌دهند، در ادامه معرفی شده است.

اثر گلخانه‌ای فرایندی است که طی آن گرما در نزدیکی سطح زمین، توسط موادی به نام گازهای گلخانه‌ای به دام می‌افتد. می‌توان این گازها را مانند پوششی در اطراف زمین تصور کرد که به حفظ دمای بالاتر در سطح زمین کمک می‌کنند. این مبحث از مباحث مهم جمع بندی شیمی دهم فصل دوم است.

انرژی خورشیدی که توسط سطح زمین جذب می‌شود، دوباره به‌صورت گرما به اتمسفر تابش می‌شود. هنگامی که این گرما از اتمسفر عبور می‌کند و به سمت فضا بازمی‌گردد، گازهای گلخانه‌ای بخش زیادی از آن را جذب می‌کنند. دلیل این جذب، ساختار پیچیده‌تر گازهای گلخانه‌ای نسبت به بسیاری از مولکول‌های گازی موجود در اتمسفر است. این ساختار به آن‌ها اجازه می‌دهد گرما را جذب کنند. سپس این گازها گرمای جذب‌شده را دوباره به سطح زمین، یک مولکول دیگر از گاز گلخانه‌ای یا به سمت فضا تابش می‌کنند.

گازهای گلخانه‌ای شامل دی‌اکسید کربن، متان، اوزون، اکسید نیتروژن، کلروفلوئوروکربن‌ها و بخار آب هستند. بخار آب به تحولات دما واکنش بیانگر است و می‌تواند صعود دمای اولیه را تشدید کند. به همین دلیل، رشد بخار آب در جو می‌تواند اثر عوامل ایجادکننده گرمایش را تقویت کند.

در طول قرن گذشته فعالیت‌های انسانی، به‌ویژه سوزاندن سوخت‌های فسیلی، باعث انتشار دی‌اکسید کربن و سایر گازهای گلخانه‌ای در اتمسفر شده است. این فرایند تعادل انرژی زمین را تغییر داده و موجب صعود مقدار دی‌اکسید کربن در اتمسفر و اقیانوس‌ها شده است. صعود مداوم دی‌اکسید کربن در اتمسفر باعث می‌شود گرمای بیشتری در نزدیکی سطح زمین به دام بیفتد و در خروجی دمای زمین صعود پیدا کند.

شیمی سبز و پایدار رویکردی برای طراحی و اجرای فرایندها و محصولات شیمیایی است که با هدف نزول تولید پسماند، مصرف انرژی و استفاده از مواد خطرناک انجام می‌شود. در این رویکرد، شیمیدانان و مهندسان تلاش می‌کنند با استفاده از روش‌های خلاقانه، محصولاتی تولید کنند که در کنار حفظ کارایی، آسیب کمتری به انسان و محیط زیست وارد کنند. شیمی سبز بخش مهمی از مباحث جمع بندی شیمی دهم فصل دوم را تشکیل می‌دهد.

دامنه شیمی سبز تنها به افت سمیت مواد شیمیایی محدود نمی‌شود، بلکه مواردی مانند افت مصرف انرژی، کم شدن پسماند، استفاده از مواد اولیه تنوینپذیر و پایدار و توجه به چرخه عمر محصولات را نیز دربرمی‌گیرد. برای ارزیابی میزان سبز بودن یک فرایند یا محصول نیز از شاخص‌هایی مانند موارد زیر در طول چرخه عمر استفاده می‌شود.

سوخت سبز به سوخت‌هایی گفته می‌شود که از منابع زیستی مانند مواد گیاهی و جانوری تولید می‌شوند و معمولا با عنوان سوخت زیستی نیز شناخته می‌شوند. این سوخت‌ها در مقایسه با سوخت‌های فسیلی، اثرات زیست‌محیطی کمتری دارند و به‌عنوان یکی از گزینه‌های جایگزین برای تأمین انرژی مورد توجه قرار گرفته‌اند.

برخی از سوخت‌های سبز از برق و هیدروژن تولیدشده با استفاده از منابع تتازهپذیر به دست می‌آیند و می‌توانند در افت انتشار کربن نقش داشته باشند. استفاده از این سوخت‌ها به‌ویژه در صنایع سنگین اهمیت دارد، زیرا در بخش‌هایی که استفاده مستقیم از انرژی الکتریکی توانایی‌پذیر نیست، می‌توان از آن‌ها در سامانه‌های پیشرانش و زیرساخت‌های ذخیره‌سازی موجود استفاده کرد.

اوزون با فرمول شیمیایی $$O_3$$ یکی از دگرشکل‌های اکسیژن است که مولکول آن برخلاف اکسیژن معمولی، از سه اتم اکسیژن تشکیل شده است. این گاز به رنگ آبی کم‌رنگ، دارای بوی تند و خاص و بسیار واکنش‌پذیر است و به‌دلیل خاصیت اکسیدکنندگی قوی، حتی در غلظت‌های کم می‌تواند برای موجودات زنده تحریک‌کننده و سمی باشد.

اوزون به‌طور طبیعی در استراتوسفر تشکیل می‌شود و با جذب پرتوهای فرابنفش خورشید، از سطح زمین و جانداران در برابر بخش زیادی از این پرتوها محافظت می‌کند. واکنش تولید اوزون در استراتوسفر در شکل زیر نشان داده شده است. این واکنش با نام چرخه اوزون شناخته می‌شود.

در مقابل، اوزون موجود در سطح زمین یک آلاینده هوا محسوب می‌شود که می‌تواند در اثر واکنش‌های نوری اکسیدهای نیتروژن و هیدروکربن‌ها در جو ایجاد شود. از اوزون از سوی دیگر به‌دلیل خاصیت اکسیدکنندگی و گندزدایی قوی در تصفیه آب، حذف بو و برخی فرایندهای صنعتی استفاده می‌شود.

برای تولید صنعتی اوزون معمولا جریان الکتریکی از اکسیژن یا هوای خشک عبور داده می‌شود. اوزون تولیدشده به‌دلیل ناپایداری و واکنش‌پذیری زیاد، به‌سرعت تجزیه می‌شود و تهیه و نگهداری آن در غلظت‌های بالا نیازمند شرایط کنترل‌شده است.

لایه اوزون ناحیه‌ای از جو بالایی زمین است که تقریبا در ارتفاع ۱۵ تا ۳۵ کیلومتری سطح زمین قرار دارد و در مقایسه با سایر بخش‌های جو، غلظت بیشتری از مولکول‌های اوزون در آن وجود دارد. حدود ۹۰ درصد اوزون موجود در جو در استراتوسفر قرار گرفته است. این لایه نقش مهمی در حفاظت از موجودات زنده دارد، زیرا بخش عمده‌ای از پرتوهای فرابنفش خورشید را جذب می‌کند. لایه اوزون تقریبا مانع رسیدن پرتوهای خورشیدی با طول موج کمتر از ۲۹۰ نانومتر به سطح زمین می‌شود. این پرتوها در صورت رسیدن به سطح زمین می‌توانند به سلول‌ها و بافت‌های موجودات زنده آسیب وارد کنند.

بیشترین غلظت اوزون در نقاط مختلف زمین در ارتفاع یکسانی قرار ندارد. در عرض‌های جغرافیایی میانی، بیشترین غلظت اوزون معمولا در ارتفاع ۲۰ تا ۲۵ کیلومتری مشاهده می‌شود. در مناطق استوایی، این ارتفاع به حدود ۲۶ تا ۲۸ کیلومتر می‌رسد، در حالی که در مناطق نزدیک به قطب‌ها، بیشترین غلظت اوزون در ارتفاع پایین‌تری قرار دارد. این تفاوت تا حد زیادی به جابه‌جایی هوا در عرض‌های جغرافیایی میانی و بالا و در ادامه ارتفاع متفاوت تروپوپاز مربوط می‌شود. واکنش تولید اوزون در استراتوسفر به شکل زیر است.

$$3O_2 xrightarrow{text{UV}} 2O_3$$

بخش کوچکی از اوزون در تروپوسفر، یعنی نزدیک‌ترین لایه جو به سطح زمین، وجود دارد. برخلاف اوزون استراتوسفری که از سطح زمین در برابر پرتوهای فرابنفش محافظت می‌کند، اوزون تروپوسفری یک آلاینده هوا محسوب می‌شود. این نوع اوزون معمولا در اثر واکنش‌های فتوشیمیایی میان آلاینده‌هایی مانند اکسیدهای نیتروژن و ترکیبات آلی فرار در حضور نور شدید خورشید تشکیل می‌شود.

اوزون تروپوسفری یکی از اجزای اصلی مه‌دود فتوشیمیایی است و غلظت آن در مناطق شهری و حومه شهرها، به‌ویژه در روزهای گرم و آفتابی، صعود می‌یابد. صعود غلظت این آلاینده می‌تواند باعث تحریک چشم‌ها و دستگاه تنفسی شود و کیفیت هوا را کم شدن دهد. واکنش تولید اوزون تروپوسفری را در ادامه آورده‌ایم.

$$NO_2 + O_2 xrightarrow{text{UV}} NO + O_3$$

واکنش برگشت‌پذیر واکنشی است که در آن تبدیل واکنش‌دهنده‌ها به فرآورده‌ها و تبدیل فرآورده‌ها به واکنش‌دهنده‌ها به‌طور هم‌زمان انجام می‌شود. به‌طور کلی، در این نوع واکنش، مواد A و B می‌توانند با یکدیگر واکنش دهند و مواد C و D را تشکیل دهند. در واکنش معکوس نیز C و D می‌توانند با یکدیگر واکنش دهند و دوباره A و B را ایجاد کنند. این مبحث مهم در جمع بندی شیمی دهم فصل دوم، پایه درک تعادل شیمیایی است.

بنابراین، واکنش برگشت‌پذیر می‌تواند هم در جهت رفت و هم در جهت برگشت پیش برود.

بسیاری از واکنش‌های شیمیایی برخلاف تصور، به‌طور جامع پیش نمی‌روند و همه واکنش‌دهنده‌ها به فرآورده تبدیل نمی‌شوند. واکنش برگشت‌پذیر واکنشی است که در آن تبدیل واکنش‌دهنده‌ها به فرآورده‌ها و تبدیل هم‌زمان فرآورده‌ها به واکنش‌دهنده‌ها انجام می‌شود.

برای مثال، گاز هیدروژن و بخار ید می‌توانند با یکدیگر واکنش دهند و هیدروژن یدید تشکیل دهند. در واکنش معکوس، هیدروژن یدید دوباره به هیدروژن و ید تجزیه می‌شود. این دو واکنش را می‌توان با یک پیکان دوطرفه نشان داد.

$$H_2+I_2rightleftharpoons2HI$$

پیکان دوطرفه بیانگر است که واکنش در هر دو جهت انجام می‌شود.

اگر هیدروژن و ید در یک ظرف بسته با یکدیگر مخلوط شوند، ابتدا فقط واکنش رفت انجام می‌شود، زیرا هنوز هیدروژن یدیدی وجود ندارد که در واکنش برگشت شرکت کند. با تشکیل تدریجی هیدروژن یدید، واکنش برگشت نیز آغاز می‌شود. با گذشت زمان، سرعت واکنش رفت کم شدن و سرعت واکنش برگشت صعود می‌یابد. در نهایت، سرعت واکنش رفت با سرعت واکنش برگشت برابر می‌شود و سامانه به حالت تعادل می‌رسد.

رفتار مولکول‌های گاز به قابلیت‌ها و قوانینی بستگی دارد که بر آن‌ها حاکم هستند. توزیع مولکول‌ها در گاز با توزیع مولکول‌ها در مایعات و جامدات تفاوت زیادی دارد. پنج قابلیت و پنج قانون گاز، رفتار مولکول‌های گاز را تعیین می‌کنند. این قوانین در ادامه نام برده شده‌اند.

این قوانین را به صورت خلاصه در ادامه این جمع بندی شیمی دهم فصل دوم، تبیین داده‌ایم.

در حجم ثابت، فشار مقدار مشخصی از گاز با دمای مطلق رابطه مستقیم دارد. بنابراین با رشد فشار، دمای گاز نیز صعود می‌یابد. این رابطه با قانون گی‌لوساک (Gay-Lussac's law) بیان می‌شود.

$$frac{P_1}{T_1}=frac{P_2}{T_2}$$

نکته: دما باید حتما بر حسب کلوین باشد.

در فشار ثابت، حجم مقدار مشخصی از گاز با دمای آن رابطه مستقیم دارد. بنابراین با رشد دمای گاز، حجم آن بیشتر شدن می‌یابد. این رابطه با قانون شارل (Charles's law) بیان می‌شود.

$$frac{V_1}{T_1}=frac{V_2}{T_2}$$

نکته: دما باید بر حسب کلوین باشد.

دما و فشار گاز بر رفتار ذرات و در خروجی بر حجم گاز تأثیر می‌گذارند. به همین دلیل، برای مقایسه نتایج آزمایش‌های مربوط به قانون آووگادرو، شرایط دما و فشار مشخصی در نظر گرفته شد. شرایطی که با عنوان دما و فشار استاندارد (STP) شناخته می‌شوند، شامل دمای ۲۷۳ کلوین و فشار ۱ اتمسفر هستند. در این شرایط، آشکار شد که یک مول از هر گاز، صرف‌نظر از نوع آن، حجمی برابر با ۲۲٫۴ لیتر اشغال می‌کند.

این مقدار به‌عنوان حجم مولی استاندارد گاز در شرایط STP شناخته می‌شود. در شرایط STP، دما و فشار برابر با مقادیر زیر هستند.

بنابراین، برای محاسبه حجم گاز در STP می‌توان از رابطه زیر استفاده کرد.

$$V=nV_m$$

با جایگذاری حجم مولی استاندارد به رابطه زیر خواهیم رسید.

$$V=ntimes22.4 L$$

و برای محاسبه تعداد مول از روی حجم گاز می‌توانیم از رابطه زیر استفاده کنیم.

$$n=frac{V}{22.4 L/mol}$$

در دما و فشار ثابت، حجم گاز با مقدار گاز یا تعداد مول‌های آن رابطه مستقیم دارد. قانون آووگادرو بیان می‌کند که اگر فشار، دما و حجم ثابت و در شرایط استاندارد باشند، هر مول از گاز دقیقا حجمی برابر با ۲۲٫۴ لیتر دارد. از این رابطه می‌توان در استوکیومتری بسیاری از واکنش‌های شامل مواد گازی استفاده کرد. این قانون یکی از مباحث مهم جمع بندی شیمی دهم فصل دوم است.

استوکیومتری گازها به سوالات استوکیومتری اشاره دارد که در آن حجم گازها داده شده یا خواسته می‌شود. در اینگونه سوالات می‌توان از فرمول‌های ارائه شده در قسمت قبل برای به دست آوردن حجم یا مول گاز استفاده کرد. برای مثال، فرض کنید بخواهیم تعداد مول‌های گاز کلر مولکولی را در ۷۵٫۰ لیتر از این گاز در شرایط STP محاسبه کنیم.

عبارت «در شرایط STP» مشخص می‌کند که یک مول گاز کلر، ۲۲٫۴ لیتر حجم خواهد داشت.

$$1 mol Cl_2 = 22.4 L Cl_2$$

سپس می‌توان از این برابری به‌عنوان ضریب تبدیل استفاده کرد تا واحد داده‌شده، یعنی لیتر گاز کلر، حذف شود و مقدار موردنظر بر حسب مول به دست آید.

$$75.0;L;Cl_2timesfrac{1;mol;Cl_2}{22.4;L;Cl_2}=3.35;mol;Cl_2$$

برای درک بهتر اینگونه مسائل، به مثال زیر دقت کنید.

معادله شیمیایی موازنه‌شده زیر را در نظر بگیرید.

چند میلی‌لیتر گاز تری‌هیدرید نیتروژن، $$NH_3$$، در شرایط STP تولید می‌شود، اگر $$0.17 mol$$ سیانامید کلسیم، $$CaCN_2$$، در این واکنش مصرف شود؟

$$CaCN_2(s)+3H_2O(l)rightarrow CaCO_3(s)+2NH_3(g)$$

پاسخ

ابتدا از ضرایب استوکیومتری واکنش استفاده می‌کنیم. به ازای مصرف هر ۱ مول سیانامید کلسیم، ۲ مول آمونیاک تولید می‌شود. در شرایط STP، حجم یک مول گاز برابر با ۲۲٫۴ لیتر است.

$$0.17 mol CaCN_2timesfrac{2 mol NH_3}{1 mol CaCN_2}=0.34 mol NH_3$$

$$0.34 mol NH_3timesfrac{22.4 L}{1 mol}=7.616 L$$

سپس لیتر را به میلی‌لیتر تبدیل می‌کنیم.

$$7.616 Ltimesfrac{1000 mL}{1 L}=7616 mL$$

$$Vapprox7.6times10^3 mL$$

در ادامه، مهم‌ترین مفاهیم تحلیل شده درباره رفتار گازها در جمع بندی شیمی دهم فصل دوم در قالب فلش کارت آورده شده است. با کلیک بر روی هر تصویر می‌توانید مفاهیم مربوط به آن را مشاهده کنید.

تولید صنعتی آمونیاک عمدتا با استفاده از فرایند هابر-بوش انجام می‌شود. در این فرایند، نیتروژن از هوا تامین و هیدروژن نیز معمولا از منابعی مانند گاز طبیعی تولید می‌شود. سپس نیتروژن و هیدروژن در حضور کاتالیزگر آهن و تحت دما و فشار بالا با یکدیگر واکنش می‌دهند و آمونیاک تشکیل می‌شود.

$$N_2+3H_2rightleftharpoons2NH_3$$

در فرایند صنعتی، گازهای واکنش‌دهنده پس از آماده‌سازی وارد راکتور می‌شوند. بخشی از آن‌ها به آمونیاک تبدیل می‌شود و گازهای واکنش‌نداده دوباره به چرخه تولید بازگردانده می‌شوند. این بازیافت باعث بیشتر شدن بازده کلی فرایند می‌شود. آمونیاک تولیدشده بیشتر برای ساخت کودهای نیتروژنه به کار می‌رود. از آن از سوی دیگر در تولید اسید نیتریک، مواد منفجره، پلاستیک‌ها و برخی مواد شیمیایی صنعتی استفاده می‌شود. در روش‌های نوینتر، هیدروژن موردنیاز می‌تواند از الکترولیز آب و با استفاده از انرژی‌های تبه‌روزپذیر تولید شود. این روش‌ها با هدف افت وابستگی تولید آمونیاک به سوخت‌های فسیلی و افت انتشار کربن مورد توجه قرار گرفته‌اند.

فرایند هابرُ از دیگر مباحث مهم جمع بندی شیمی دهم فصل دوم است. این فرایند، که با نام فرایند هابر-بوش نیز شناخته می‌شود، روش اصلی صنعتی برای تولید آمونیاک است. در این فرایند، نیتروژن موجود در هوا با هیدروژن واکنش می‌دهد و در حضور آهن به‌عنوان کاتالیزگر، آمونیاک تولید می‌شود.

این واکنش گرمازا است، اما از نظر آنتروپی نامطلوب است، زیرا چهار مول گاز واکنش‌دهنده به دو مول گاز فرآورده تبدیل می‌شوند. برای انجام واکنش، به دلیل موانع سینتیکی بالا، از دما و فشار بالا استفاده می‌شود. فرایند هابر در صورت ترکیب با فرایند ریفرمینگ با بخار می‌تواند با استفاده از آب، گاز طبیعی و نیتروژن موجود در هوا، آمونیاک تولید کند.

 

برای درک بهتر آنچه در این گزارش جمع بندی شیمی دهم فصل دوم مجله فرادرس آموختید، به سوالات زیر پاسخ دهید. پس از پاسخدهی به تمامی سوالات می‌توانید با کلیک بر روی گزینه دریافت حاصل آزمون، تعداد پاخ‌های صحیح خود را مشاهده کنید.

۱. از بین معادله واکنش‌های شیمیایی زیر، کدام‌یک به درستی موازنه شده است؟

$$2C_3H_8+O_2rightarrow CO_2+H_2O$$

$$C_3H_8+3O_2rightarrow3CO_2+4H_2O$$

$$C_3H_8+4O_2rightarrow3CO_2+4H_2O$$

$$C_3H_8+5O_2rightarrow3CO_2+4H_2O$$

شرح پاسخ

سوالات متداول

جمع بندی شیمی دهم فصل دوم (رایگان و جامع) + حل نمونه سوال چیست؟

در این مطلب اطلاعات، جزئیات و نکات مرتبط با جمع بندی شیمی دهم فصل دوم (رایگان و جامع) + حل نمونه سوال بررسی شده است.

آخرین اطلاعات درباره type چیست؟

جدیدترین اطلاعات و تغییرات مربوط به type در این گزارش ارائه شده است.

مهم‌ترین نکات درباره واکنش چیست؟

جزئیات مهم و نکات قابل توجه درباره واکنش در متن مقاله بررسی شده است.