مفاهیم شیمی
Chemistry Concepts
شیمی یک رشته علمی متنوع با بخش های متنوعی برای یادگیری است. این فقط برای علاقه مندان به علم نیست!
"Chemistry can be a good and bad thing. Chemistry is good when you make love with it. Chemistry is bad when you make crack with it." -Adam Sandler
«شیمی می تواند هم خوب باشد و هم بد. شیمی وقتی با آن عشق بازی می کنی خوب است. شیمی وقتی با آن کراک درست می کنی بد است.» - آدام سندلر
شیمی درسی است که می توان آن را در دوران دبیرستان یا در دانشگاه به عنوان بخشی از آموزش های تکمیلی مطالعه کرد. برخی به دلیل علاقه مندی به مفاهیم پایه و تمایل به گسترش دانش خود در این موضوع، تصمیم گرفته اند بیشتر درباره شیمی بیاموزند. در حالی که دیگران مجبور بودند در سال های پایانی دبیرستان این موضوع را مطالعه کنند.
صادقانه بگویم، تحصیل در شیمی یک سلیقه اکتسابی است. همه این رشته علمی که شامل بررسی عناصر، ترکیباتی از اتم ها، مولکول ها و یون ها است، را درک نخواهند کرد. درک ترکیب، ساختار، ویژگی ها و رفتارهای آن ها ممکن است برای یک نفر سلیقه باشد و برای دیگری بدترین کابوس.
با این حال، مطالعه مفاهیم پایه شیمی مزایای زیادی دارد، زیرا به عنوان علم مرکزی شناخته می شود، زیرا ریاضیات، فیزیک، زیست شناسی و پزشکی را ترکیب می کند. رشته شیمی بسیار گسترده است و شامل روش های مختلفی است که می توان آن ها را مطالعه کرد و موضوعات جالبی را پوشش می دهد که هر علاقه مند به علم را عمیقا جذب می کند.
بدون مقدمه بیشتر، به چند مفهوم پایه شیمی مانند واکنش های شیمیایی، عناصر، ساختار لوئیس ، جدول تناوبی و مایعات و گازها می پردازیم، فقط برای نام بردن چند مورد.
مهم نیست که به علم علاقه دارید یا نه، این مقاله هر فردی را با اصول اولیه شیمی آشنا می کند و به او توانایی می دهد اگر موضوعی در یک گفتگو مطرح شد، بتواند از خود دفاع کند!
واکنش های شیمیایی
Chemical Reactions
واکنش های شیمیایی همیشه رخ می دهند. چه در حال آشپزی باشید، چه آتش روشن کنید یا تنفس کنید، واکنش شیمیایی تحریک می شود.
در یک واکنش شیمیایی، مولکول ها یا یون ها بازآرایی شده و به ساختار جدیدی درمی آیند. هسته اتمی دست نخورده باقی می ماند و تنها الکترون ها منتقل شده و پیوندهای شیمیایی تشکیل می دهند. تعداد اتم های عناصر تغییر نمی کند و از ابتدا تا انتهای واکنش شیمیایی ثابت می ماند. این کشف آنتوان لاووازیه بود .
بسیار مهم است که توجه کنیم واکنش های شیمیایی با تغییرات فیزیکی متفاوت هستند و قابل توجه ترین تفاوت این است که در یک واکنش شیمیایی، اتم ها محصولات، مولکول ها و ترکیبات جدیدی تشکیل می دهند، در حالی که در یک تغییر فیزیکی، اتم ها همان آرایش قبلی خود را حفظ می کنند.
غیرممکن است که تغییر مولکولی یک واکنش شیمیایی را در معرض دید عموم مشاهده کرد. با این حال، نشانه هایی وجود دارد که به افراد کمک می کند تفاوت را تشخیص دهند، مانند تغییر دما، حباب ها یا تغییر رنگ.
اتم ها و مولکول هایی که با هم تعامل دارند، واکنش دهنده نامیده می شوند و اتم ها و مولکول هایی که توسط این واکنش تولید می شوند، محصول نامیده می شوند. بنابراین معادله شیمیایی به صورت زیر خواهد بود:
reactant1 واکنش دهنده ۱ + reactant2 واکنش دهنده + ... -----> ... product1 محصول1+ product2محصول 2+ ...
کسانی که شیمی خوانده اند و پایه ای از واکنش های شیمیایی دارند، می توانند معادله را به صورت خلاصه بنویسند:
a A + b B + ... -----> c C + d D + ...
- واکنش های شیمیایی را می توان به چهار نوع مختلف تقسیم کرد:
- سنتز یا ترکیب مستقیم، Synthesis or direct combination,
- تجزیه، Decomposition,
- جایگزین تکی، Single replacement,
- متاتزیس یا جابجایی دوگانه. Metathesis or double displacement.
نمونه های زیادی از واکنش های شیمیایی مختلف وجود دارد که می توان روزانه یا هفتگی مشاهده کرد. در اینجا برخی از نمونه های قابل توجه آورده شده است:
- آتش روشن کردن یا ایجاد شعله،
- پختن هر نوع کیک یا شیرینی پخته،
- جوشاندن، سرخ کردن یا هم زدن تخم مرغ،
- دیدن پوسیدگی موزها،
کباب کردن یک برگر پتی.
آنچه اکنون در نظر گرفته ایم فقط نوک کوه یخ است. درباره واکنش های شیمیایی چیزهای زیادی برای یادگیری وجود دارد.
عناصر و جدول تناوبی
Elements and the Periodic Table
جدول تناوبی برای سازماندهی عناصر در ستون های مختلف بر اساس ویژگی هایشان استفاده می شود.
عنصر شیمیایی ماده ای خالص در ساده ترین شکل خود است که دیگر نمی توان آن را تجزیه کرد.
تا کنون دانشمندان ۱۱۸ عنصر شیمیایی کشف کرده اند. ۹۴ مورد از این عناصر به طور معمول در طبیعت یافت می شوند و ۲۴ مورد باقی مانده مصنوعی و ساخته دست بشر هستند
فراوان ترین عنصر در جهان ما هیدروژن است و روی زمین آهن است. بدن انسان و رایج ترین عنصر زمین، اکسیژن است.
یک عنصر دارای یک اتم منفرد است و با تعداد پروتون هایش در هسته های اتم هایش مشخص می شود. این عدد به عنوان عدد اتمی شناخته می شود و با عدد Z نشان داده می شود.
عناصری که مخلوط نشده اند و در خالص ترین حالت خود هستند، همگی تعداد پروتون های یکسانی دارند. در حالی که آن هایی که مخلوط محسوب می شوند، پروتون ها و اتم های متفاوتی دارند.
تنها چند عنصر وجود دارد که کاملا خالص هستند و ترکیب نشده اند. این ها شامل مس، نقره، طلا و گوگرد هستند، فقط برای نام بردن چند مورد. در حالی که مثالی از عنصر مختلط، هوای جو است که ترکیبی از نیتروژن، اکسیژن و آرگون است.
نمونه هایی از عناصر مختلف را می توان در جدول تناوبی مشاهده کرد. عنصر اول که تنها یک پروتون دارد، هیدروژن است. عنصر دوم هلیوم با دو پروتون و عنصر سوم لیتیوم با سه پروتون است. عناصر و تعداد پروتون ها در جدول تناوبی ادامه می یابد تا به ۱۱۸ برسد که عنصر تازه کشف شده اوگانسون است.
جدول تناوبی رایج ترین آرایش عناصر است. عناصر بر اساس عدد اتمی، پیکربندی الکترون و خواص شیمیایی تکرارشونده سازماندهی و تقسیم می شوند. ردیف های جدول به عنوان نقطه ها و ستون ها به عنوان گروه ها شناخته می شوند.
در جدول تناوبی ۱۸ گروه یا ستون وجود دارد که برای قرار دادن عناصری با رفتارهای شیمیایی مشابه در یک مکان ایجاد شده اند. تنها هفت گروه از ۱۸ گروه نامی برای خود پذیرفته اند:
- گروه ۱: فلزات قلیایی، Group 1: Alkali metals,
- گروه ۲: فلزات خاکی قلیایی، Group 2: Alkaline earth metals,
- گروه ۱۵: نیتروژن، Group 15: nitrogens
- گروه ۱۶: اکسیژن، Group 16: oxygens,
- گروه ۱۷: هالوژن ها، Group 17: Halogens,
- گروه ۱۸: گازهای نجیب. Group 18: Noble gases.
یادگیری بیشتر درباره جدول تناوبی می تواند بسیار جالب باشد و به افراد کمک کند تا کاربرد عناصر مختلف را درک کنند.
پیوند شیمیایی و ساختار لوئیس
Chemical Bonding and the Lewis Structure
پیوندهای کووالانسی برای ساختار مولکول های آلی مانند DNA و پروتئین های ما حیاتی هستند. (منبع: pixabay)
پیوندهای شیمیایی جاذبه بین اتم ها، یون ها و مولکول ها است که امکان تشکیل ترکیبات شیمیایی را فراهم می کند. این پیوندها به دلیل اینکه برخی قوی ترند مانند پیوندهای کووالانسی، یونی و فلزی و برخی دیگر ضعیف ترند، مانند برهم کنش های دو قطبی-دوقطبی، نیروی پراکندگی لندن و پیوندهای هیدروژنی، قدرت های متفاوتی دارند.
پیوندهای قوی تر که مولکول ها را کنار هم نگه می دارند، دائمی محسوب می شوند، در حالی که پیوندهای ضعیف تر موقتی هستند و پس از مدتی از هم می پاشند. مهم نیست پیوند چقدر قوی باشد، آن ها برای شیمی بدن و خود زندگی ما ضروری اند.
دانشمندان دریافته اند که رایج ترین دلیل شکل گیری پیوندهای شیمیایی این است که اتم ها تلاش می کنند به پایدارترین سطح انرژی خود برسند.
در شیمی و زندگی، تضادها جذب هم می شوند. جاذبه الکترون های منفی بار که به دور هسته می چرخند و پروتون های مثبت بار درون هسته، کششی ایجاد می کند که پیوند شیمیایی ایجاد می کند.
انواع مختلفی از پیوندهای شیمیایی وجود دارد که قابل مشاهده هستند. در اینجا آن ها را می بینید:
- پیوندهای یونی: Ionic bonds: این پیوندها بین یون هایی با بارهای مخالف تشکیل می شوند. مثالی از این موضوع نمک سفره است. یون های سدیم با بار مثبت و یون های منفی به یکدیگر جذب شده و کلرید سدیم ایجاد می کنند.
- پیوندهای کووالانسی: Covalent bonds: اتم ها با اشتراک گذاری الکترون ها پایدارتر می شوند تا اینکه آن ها را از دست بدهند یا به دست آورند. پیوندهای کووالانسی در مولکول های موجودات زنده بسیار رایج تر از پیوندهای یونی هستند. هرچه الکترون های بیشتری بین دو اتم به اشتراک گذاشته شوند، پیوند کووالانسی قوی تر خواهد بود.
- پیوندهای کووالانسی قطبی: Polar Covalent bonds: در این نوع پیوند، الکترون ها به طور نامساوی توسط اتم ها تقسیم می شوند و زمان بیشتری را در نزدیکی یکدیگر سپری می کنند. به دلیل توزیع نابرابر الکترون ها بین اتم ها، بارها در بخش های مختلف مولکول ایجاد می شوند.
- پیوندهای کووالانسی غیرقطبی: Nonpolar Covalent bonds: این پیوندها بین دو اتم از یک عنصر یا بین اتم های عناصر مختلف که الکترون ها را به طور مساوی به اشتراک می گذارند، تشکیل می شوند.
- پیوندهای هیدروژنی: Hydrogen bonds:پیوندهای کووالانسی قطبی که هیدروژن دارند، به دلیل کشیده شدن الکترون ها به سمت عنصر دیگر، بار مثبت کمی دارند. در نتیجه این کشش، هیدروژن به هر بار منفی جذب می شود و این پیوند هیدروژنی نامیده می شود
ساختار نقطه لوئیس
Lewis Dot Structure
ساختارهای نقطه ای لوئیس پیوند بین اتم ها و مولکول ها و جفت های الکترون های تنها که ممکن است در مولکول وجود داشته باشند را نشان می دهند.
این ساختار در سال ۱۹۱۶ توسط گیلبرت ان. لوئیس در مقاله اش با عنوان «اتم و مولکول» معرفی شد. ساختار نقطه لوئیس مفهوم نمودار نقطه الکترونی را با افزودن خطوطی برای نمایش جفت های مشترک در پیوند شیمیایی گسترش داد.
این روشی سریع و آسان برای نشان دادن پیکربندی الکترون های ظرفیت اتم های جداگانه زمانی است که هیچ اتصال یا پیوند قبلی برقرار نشده است.
اسیدیته و بازیسیته
Acidity and Basicity
مواد را می توان به صورت اسید یا باز تشخیص داد. واکنش اسید-باز یک واکنش شیمیایی رایج بین یک اسید و یک باز است. می توان از آن برای تعیین pH یک ماده یا مایع استفاده کرد. بسیاری از دانشمندان نظریه های اسید-باز خود را برای محاسبه سطوح pH، تعریف صحیح مواد و مشاهده دقیق واکنش ها ایجاد کرده اند.
اسیدها و بازهای سوانته آرنیوس
Svante Arrhenius Acids and Bases
این نظریه اسیدها به سال ۱۸۸۴ بازمی گردد و یکی از رایج ترین نظریه های امروزی است. آرنیوس بیشتر وقت خود را صرف مشاهده نمک و تغییرات آن هنگام قرار دادن در آب می کرد. در این نظریه اسیدها، آب لازم است، فقط اسیدهای پروتیک مجاز هستند که برای تولید یون های هیدروژن لازم هستند، فقط اسیدهای هیدروکسید مجاز هستند، اسیدها یون های H+ را در محلول های آبی تولید می کنند و بازها یون های OH- را در مایعات تولید می کنند.
اسیدها و بازهای گیلبرت نیوتن لوئیس
Gilbert Newton Lewis Acids and Bases
این نظریه به عنوان کم سخت ترین نظریه اسیدی شناخته می شود زیرا تنها جفت های الکترون بررسی می شوند و پروتون ها حذف می شوند. مفاهیم پایه این نظریه شامل این واقعیت است که اسیدها پذیرنده جفت الکترون هستند و بازها دهنده جفت الکترون هستند.
نظریه برونستد-لوری اسیدها
Brønsted-Lowry Theory of Acids
واکنش های اسید-باز به عنوان اسیدی توصیف می شوند که پروتون آزاد می کند و باز پروتون را می پذیرد. برخی از ویژگی های این نظریه این است که اسیدها دهنده پروتون هستند، بازها پذیرنده پروتون، محلول های مبتنی بر آب قابل قبول اند، بازهای غیر از هیدروکسید برای همه قابل قبول اند و فقط اسیدهای پروتیک قابل قبول اند.
اسیدها خواص متفاوتی دارند و می توان آن ها را با طعم ترش، رفتار خورنده شان تشخیص داد، محلول های آبی جریان های الکتریکی را هدایت می کنند و با بازها واکنش می دهند تا نمک و آب ایجاد کنند. این ها تنها چند مورد از ویژگی ها هستند، اسیدها را می توان به روش های دیگر هم تعیین کرد.
بازها را می توان از اسیدها متمایز کرد اگر طعم تلخ، لغزنده یا صابونی باشد و رنگ لیتموس (رنگ سبزیجات آبی) را تغییر ندهد.
انواع مختلف اسید که به طور منظم مشاهده می شوند عبارتند از:
- اسید سیتریک، Citric acid,
- , اسید لاکتیک، Lactic acid
- سرکه، Vinegar,
- , اسید کربونیک، Carbonic acid
- اسید آسکوربیک یا ویتامینC Ascorbic acid.
برخی نمونه های رایج بازها عبارتند از:
- مواد شوینده ها،, Detergents ( اکثر پودرهای شوینده قلیایی هستند)
- , صابون ها، Soaps
- قلیا ، Lye, ( سود سوزآور که به عنوان لوله بازکن مورد استفاده قرار میگیرد)
- آمونیاک خانگی. Household ammonia.
شیمی می تواند موضوعی بسیار متنوع و جذاب برای یادگیری باشد. اگر این موضوع علمی برایتان جالب است، مهم است بدانید که مفاهیم پایه را می توانید خودتان و در راحتی خانه خود تحلیل کنید. اگر در فکر این هستید که کدام رشته علمی را باید تحقیق کنید، شیمی انتخاب درستی است!