موازنه جرم و انرژی (Material and Energy balance)

در این قسمت به تعریف تعدای از مفاهیم و اصطلاحات موازنه جرم و انرژی می پردازیم.

تعریف: علم تعیین، شناخت و کاربرد قانون بقای جرم و انرژی در فرایند های مختلف فیزیکی و شیمیایی موازنه جرم و انرژی نام دارد.

دما: از خصوصیات مستقل ترمودینامیکی سیستم که مشخص کننده حالت ماده و معیار مقدار گرمای سیستم می باشد. واحد دما سلیسیوس، فارنهایت، کلوین و رانکلین است.

مول جزیی: تعداد مول های آن جزء به تعداد کل مول های موجود در سیستم.

جرم جزیی: تعداد جرم آن جزء به تعداد کل وزن سیستم.

واکنش شیمیایی: رابطه ای که نوع و فرمول مواد شیمیایی اولیه و ثانویه را نشان می دهد.

مواد اولیه یا واکنش گر: مواد موجود در سمت چپ واکنش شیمیایی. (Reactant)

مواد ثانویه یا محصول: مواد موجود در سمت راست واکنش شیمیایی. (Product)

نظرات بازدیدکنندگان()

شیمی معدنی (Organic chemistry)

آن بخش از علم شیمی که درباره جدول تناوبی عناصر و انواع ترکیبات آنها به جز کربن بحث می کند شیمی معدنی نامیده می شود. از این دیدگاه عناصر مذکور در جدول تناوبی منشا طبیعی دارند و به فلز و غیر فلز تقسیم بندی می شوند. گروه فلزات، خاصیت رسانایی الکتریکی، سخت بودن و چگالی بالا دارند و غیر فلزات خاصیت عایق الکتریکی، شکننده و دارای چگالی پایین هستند. در شیمی معدنی فلزات قلیایی و قلیایی خاکی و فلزات موجود در عناصر واسطه مورد بررسی قرار می گیرند. طریقه به دست آوردن، خالص سازی، کاربرد و خواص آن ها بررسی می شود. در بخش عناصر غیر فلزی عناصر مهمی چون نیتروژن، اکسیژن و گوگرد وجود دارد و ترکیبات آنها، خواص، کاربرد و روش تولید این ترکیبات مورد بررسی قرار می گیرد و گروه غیر فلزی مهمی به نام هالوژن ها که طیف وسیعی از ترکیبات با خواص گوناگون و کاربرد های فراوان هستند معرفی می شود.

از این گروه فلوئور، کرم، بروم، ید و استاتین که دارای خاصیت الکترون دوستی قوی هستند، بررسی می شوند. عناصر واسطه نیز که دارای ظرفیت متغیر، ترکیبات رنگین، کاربرد در تهیه انواع کاتالیزورها، خواص مغناطیسی و تشکیل کمپلکس ها می باشند مورد مطالعه و بررسی قرار می گیرند. یکی از بخش های مهم شیمی معدنی، شیمی استخراج فلزات از ترکیبات آنهاست که به طور طبیعی در طبیعت یافت می شوند و به آنها سنگ معدن گفته می شود که می توان به چند نمونه آن مانند آلومینیوم، آهن، قلع، روی، کروم، تیتانیوم و فولاد اشاره کرد که به دلیل نیاز روز افزون به آنها اهمیت دارند.

نظرات بازدیدکنندگان()

انرژی شبکه

از آنجا که در اینگونه فرآیندها همواره انرژی آزاد می‌شود، تمام انرژی‌های شبکه علامت منفی دارند. برعکس انرژی مورد نیاز برای جدا کردن یونهای یک مول بلور برابر انرژی شبکه با علامت مثبت است.
اهمیت انرژی شبکه با استفاده از تحلیل "بور - هابر"

اهمیت انرژی شبکه را با استفاده از روش تحلیلی که توسط ماکس بور و فرتینر هابر در سال 1917 جدا از یکدیگر تکوین یافت، می‌توان مشاهده کرد. چرخه "بور - هابر" برای تولید کلرید سدیم از عناصر مربوط مورد استفاده قرار می‌گیرد. تحلیل "بور - هابر" بر اساس قانون هس قرار دارد. قانون هس می‌گوید که تغییر آنتالپی هر نوع واکنش شیمیایی مقداری است ثابت ، خواه واکنش در یک مرحله و خواه در چند مرحله صورت گیرد.

تغییر آنتالپی تولید یک مول Nacl در یک مرحله از Naو Cl2، آنتالپی تشکیل این ترکیب است.

مراحل تشکیل Nacl

می‌توانیم تولید یک مول Nacl را از Naو Cl2در چند مرحله تصور کنیم. جمع جبری مقادیر ?H در این مراحل باید بر اساس قانون هس برابر آنتالپی تشکیل Naclکه مراحل ?H واکنش در یک مرحله است، باشد. مراحل مزبور به قرار زیر است.

1.            فلز سدیم بلورین تصعید می‌شود و به اتمهای گازی سدیم تبدیل می‌گردد. در این عمل برای هر مول سدیم 108 کیلو ژول انرژی جذب می‌شود. ( انرژی تصعید سدیم )

2.            نیم مول از مولکولهای Cl2گازی تفکیک می‌شود و به یک مول اتم Cl گازی تبدیل می‌گردد. آنتالپی تفکیک Cl2که انرژی پیوندی Cl - Cl نیز نامیده می‌شود، برابر 243Kj برای هر مول Cl2است. از آنجا که تنها نیم مول Cl2در این عمل مورد نیاز است، انرژی تفکیک نیر نصف می‌شود. ( 122+ Kj )

3.            اتمهای سدیم گازی یونیزه می‌شوند و به یونهای سدیم گازی تبدیل می‌گردند. مقدار انرژی لازم همان انرژی اولین یونش سدیم است. ( 496+ Kj )

4.            اتمهای کلر گازی الکترون می‌گیرند و به یونهای کلرید گازی تبدیل می‌شوند. تغییر آنتالپی برای هر مول CL، برابر اولین الکترون خواهی کلر است. در این فرایند انرژی آزاد می‌شود، (349 - کیلو ژول) این اولین مرحله‌ای است که در آن انرژی آزاد می‌شود. اما انرژی آزاد شده ، انرژیهای مورد نیاز مراحل پیشین را تامین نمی‌کند.

5.            در آخرین مرحله ، یونهای گازی بصورت یک مول بلور کلرید سدیم متراکم می‌شوند. تغییر آنتالپی این عمل یعنی انرژی شبکه Naclبرابر 788- کیلو ژول است که نشانه آزاد شدن انرژی است. روشن است که بیشتر انرژی آزاد شده در کل واکنش ، از این مرحله ناشی می‌شود. یعنی این مرحله است که زمینه انجام این فرآیند را از نظر انرژی مساعد می‌کند.

مورد استفاده چرخه "بور - هابر"

از چرخه‌های "بور - هابر" ، برای تحلیل فرآیندها و پی بردن به اینکه تغییر در یک مرحله چه اثری در کل فرآیند خواهد داشت، استفاده می‌کنند. این چرخه‌ها را می‌توان برای محاسبه تغییر آنتالپی یکی از مراحل یا کل فرآیند نیز بکار برد.

مقدار انرژی شبکه

بطورکلی مقدار انرژی شبکه به دو عامل بستگی دارد:

بار یونها

هنگام تشکیل بلور هر چه بار یونهای بوجود آورنده بلور بیشتر باشد، انرژی شبکه زیادتری آزاد می‌شود. زیرا هر چه قدر مطلق بارهای مثبت و منفی بزرگتر از هم باشد، به همان نسبت جاذبه بین آنها قوی‌تر و انرژی آزاد شده بیشتر است.

اندازه یونها

هر چه فاصله دو بار ناهمنام کمتر باشد، نیروی جاذبه قوی‌تر و انرژی آزاد شده بیشتر خواهد بود. لذا انرژی شبکه بلور ناشی از یونهای کوچکتر که توانایی نزدیکتر شدن دارند، بیش از انرژی شبکه بلور ناشی از یونهای بزرگتر است، به شرط اینکه بار یونهای ترکیب یکسان باشد. از آنجا که یون Na supکوچکتر از یون Cs supاست، اختلاف انرژی شبکه (NaCl (-788Kj/mol و (CsCl (- 669Kj/mol شگفت آور نیست.

نظرات بازدیدکنندگان()

انرژی‌های یونش

در تعیین انرژی‌های یونش عناصر برای بیرون کشیدن الکترون از اتم ، انرژی مصرف می‌شود، زیرا این امر متضمن فائق آمدن بر جاذبه متقابل هسته و الکترون است. پس چون سیستم ، در این فرآیند ، انرژی جذب می‌کند، انرژیهای یونش علامت مثبت دارند. مثلا می‌توان انرژی اولین یونش سدیم را به صورت زیر نمایش داد:

(Na(g) ? Na(g)⁺ + e(g

::496Kj+ = اولین یونش سدیم

واحد انرژی یونش

انرژی یونش برای هر الکترون منفرد بر حسب الکترون ولت (اتم/ev) و برای یک مول الکترون (6.02x10²³ الکترون) که از یک مول اتم (6.02x10²³ اتم) عنصر جدا شود، Kj/mol بیان می‌گردد.

ترتیب انرژی یونش در عناصر یک دوره

انرژی یونش در یک دوره از چپ به راست بتدریج افزایش می‌یابد. به آن قسمتهایی از منحنی که به عناصر دوره دوم (از
Li تا Ne) ، دوره سوم (ازNa تا Ar) و الی آخر تعلق دارد. توجه کنید که انرژی یونش به این سبب افزایش می‌یابد که اتمها بتدریج کوچکتر می‌شوند و بار مؤثر هسته بتدریج افزایش می‌یابد، در نتیجه جدا کردن الکترون بتدریج دشوارتر می‌شود.

ترتیب انرژی یونش در عناصر یک گروه

در عناصر نماینده ، بطور کلی انرژی یونش بین عناصر یک گروه از بالا به پایین کاهش می‌یابد. عناصر گروه (Cs ، Rb ، K ، Na ، Li) و عناصر گروه صفر (Rn ، Xe ، Kr، Ar، Ne ، He) بصورت مینیمم و ماکسیمم منحنی نشان داده شده‌اند. در هر گروه بتدریج از اتمی به اتم پایینتر می‌رویم ، بار هسته ، افزایش می‌یابد، اما اثر آن تا حد زیادی از طریق افزایش تعداد الکترونهای پوسته زیرین که اثر پوششی دارند، حذف می‌شود. در حالیکه اتمها بزرگتر می‌شوند، الکترونی که باید یونیده شود، در فاصله‌ای دورتر از هسته قرار می‌گیرد، در نتیجه جدا شدن الکترون آسانتر شده ، انرژی یونش کاهش می‌یابد.

انرژی یونش عناصر واسطه در یک دوره به سرعت مشابه با عناصر نماینده افزایش پیدا نمی‌کند. انرژی یونش عناصر واسطه درونی ، کم و بیش ثابت می‌ماند. در این دو دسته عناصر ، الکترون متمایز کننده به پوسته‌های درونی اضافه می‌شود. افزایش اثر پوششی حاصل ، وضعیت انرژی یونش در عناصر واسطه و واسطه درونی را توجیه می‌کند. اتم فلزات در واکنشهای شیمیایی معمولا الکترون از دست می‌دهند و به یونهای مثبت تبدیل می‌شوند. اتم غیرفلزات معمولا به این ترتیب عمل نمی‌کنند. بنابراین فلزات عناصری با انرژی یونش نسبتا کم و غیرفلزات عناصری با انرژی یونش نسبتا زیادند.

انرژی دومین یونش

بحثهای ما تاکنون مربوط به انرژی اولین یونش بوده است. انرژی دومین یونش هر عنصر انرژی لازم برای جدا کردن یک الکترون از یون +1 آن عنصر است.

(A(g) ? A(g)²⁺ + e(g

انرژی سومین یونش

انرژی سومین یونش بیان کننده انرژی مورد نیاز برای جدا کردن یک الکترون از یون +2 آن عنصر است. جدا کردن یک الکترون منفی از اتم خنثی طبعا آسانتر از جدا کردن الکترون از ذره دارای یک بار مثبت و آن هم به نوبه خود آسانتر از جدا کردن الکترون از ذره دارای دو بار مثبت است. در نتیجه انرژی سومین یونش بزرکتر از انرژی دومین یونش و آن هم بزرگتر از انرژی اولین یونش است.

انرژی چهارمین یونش و بالاتر

از آنجا که انرژی چهارمین یونش و بالاتر ، به غایت زیاد است، یونهای بالاتر از +3 بندرت در شرایط عادی وجود دارند. همانگونه که انتظار می‌رود برای هر عنصر انرژی یونش از اولین تا چهارمین زیاد می‌شود.

جهش

در تمام مراحل پس ازجدا شدن الکترونهای والانس ، افزایش انرژی مورد نیاز برای یونش بعدی بصورت جهشی است.

واکنش پذیری فلزات

واکنش پذیری فلزات در گوشه پایین سمت چپ جدول تناوبی دیده می‌شوند. واکنش پذیری ، بر حسب از دست دادن الکترون ، بتدریج که از این گوشه به طرف بالا یا به سمت راست حرکت می‌کنیم، کاهش می‌یابد.

نظرات بازدیدکنندگان()

فلز های قلیایی

نگاه کلی

عناصر گروه اول جدول تناوبی که به فلزات قلیایی معروفند، در لایه ظرفیت الکترونی دارای آرایش nS1هستند که n ، شماره دوره آنها است. آخرین عنصر به نام فرانسیم ، رادیواکتیو است که در اینجا مورد بحث قرار نمی‌گیرد. این عناصر ، فلزات نقره‌فام رنگی هستند. آنها بسیار نرم بوده و به آسانی با چاقو بریده می‌شوند. سطح درخشان آنها در معرض هوا به علت اکسیداسیون کدر می‌شود.
این عناصر بشدت واکنش‌ پذیر هستند. واکنش ‌پذیری آنها از بالا به پایین گروه یعنی از Li به Cs افزایش می‌یابد و از این لحاظ شبیه عناصر سایر گروهها هستند.

منابع فلزات قلیایی

این فلزات بدلیل واکنش‌پذیری زیاد بطور آزاد در طبیعت یافت نمی‌شوند و معمولا بصورت ترکیب با سایر عناصر هستند. منبع اصلی سدیم ، هالیت یا Nacl است که بصورت محلول در آب دریا یا بصورت رسوب در بستر دریا یافت می‌شود. پتاسیم بصورت فراوان در اکثر معادن بصورت کانی سیلویت (Kcl) یافت می‌شود و همچنین از آب دریا هم استخراج می‌گردد.
فلزات قلیایی بسیار واکنش‌پذیر هستند و آنها را نمی‌توان با جانشین کردن سایر فلزات بصورت آزاد تهیه کرد. فلزات قلیایی بصورت فلز آزاد را می‌توان از الکترولیز نمکهای مذاب آنها تهیه کرد.

خواص فیزیکی

فلزات قلیایی از چند جهت با بقیه فلزات تفاوت دارند. آنها نرم بوده و دارای نقطه ذوب و نقطه جوش پایین هستند. دانسیته پایینی دارند، بطوریکه دانسیته K و Na و Li از دانسیته آب پایین‌تر است. آنتالپی استاندارد ذوب و تبخیر کمتری دارند. به علت داشتن فقط یک الکترون در لایه ظرفیت معمولا پیوندهای فلزی ضعیفی ایجاد می‌کنند. این فلزات وقتی در معرض شعله قرار می‌گیرند، رنگ آن را تغییر می‌دهند. وقتی عنصری در مقابل شعله قرار می‌گیرد، حرارت شعله انرژی کافی برای برانگیختن الکترون لایه ظرفیت را به لایه‌های بالاتر فراهم می‌کند.
الکترون در بازگشت به حالت پایه انرژی منتشر می‌کند و این انرژی دارای طول موج منطقه مرئی است که باعث می‌شود رنگ ایجاد شده در شعله دیده شود. شعاع یونی در فلزات قلیایی خاکی در مقایسه با شعاع اتمی آنها خیلی کوچکتر است. چون اتم یک الکترون در لایه S خود دارد که عدد کوانتومی آن با عدد کوانتومی لایه داخلی متفاوت است. بنابراین این لایه نسبتا دور از هسته است.
وقتی اتم این الکترون را از دست داده و به یون تبدیل می‌شود، الکترونهای باقیمانده در تراز نزدیک نسبت به هسته قرار دارند. بعلاوه افزایش بار مؤثر هسته آنها را بیشتر بطرف هسته جذب می‌کند. بنابراین اندازه یون کاهش می‌یابد.

خواص شیمیایی

فلزات قلیایی عامل کاهنده قوی هستند. پتانسیل الکترود منفی آنها نشانگر میل شدید آنها برای از دست دادن الکترون در تبدیل به کاتیون در محلول است. آنها می‌توانند اکسیژن ، کلر ، آمونیاک و هیدروژن را احیا کنند. در اثر واکنش با اکسیژن هوا اکسید شده و تیره می‌شوند. بنابراین در زیر نفت نگهداری می‌شوند. بعلت واکنش با آب و تولید هیدروژن و هیدروکسید قلیایی نمی‌توان آنها را زیر آب نگهداری کرد.

واکنش با آب

از بالا به پایین ، به شدت واکنش با آب افزوده می‌شود. لیتیم به آرامی با آب واکنش داده و حبابهای هیدروژن آزاد می‌کند. سدیم بشدت و همراه با مشتعل شدن با آب واکنش نشان داده و با شعله نارنجی می‌سوزد. پتاسیم در اثر برخورد با آب به شدت مشتعل شده و با شعله بنفش می‌سوزد. سزیم در آب ته‌ نشین شده و به سرعت تولید هیدروژن می‌کند. آزاد کردن هیدروژن همراه با ایجاد امواج ضربه‌ای شدید است که می‌تواند باعث شکستن محفظه شیشه‌ای شود.

نظرات بازدیدکنندگان()

فلز های قلیایی خاکی

عناصر گروه دوم جدول تناوبی که به فلزات قلیایی خاکی معروفند در لایه ظرفیت الکترونی ، دارای آرایش nS² هستند. آخرین عنصر این گروه یعنی رادیوم ، رادیواکتیو است. این فلزات سطحی درخشان و رنگ نقره‌ای سفید دارند. دارای واکنش‌پذیری بالایی هستند. اما واکنش‌پذیری این گروه به اندازه فلزات قلیایی گروه I  نیست.

استخراج

فلزات قلیایی خاکی در پوسته زمین یافت می‌شوند. اما نه بصورت فلز آزاد بلکه بعلت فعالیت بالا بصورت ترکیب در کانی‌ها و سنگهای مختلف. کلسیم ، پنجمین عنصر فراوان در پوسته زمین و منیزیم هشتمین عنصر فراوان در پوسته زمین است. کانی‌های مهم منیزیم عبارتند از: کارنیت ، منیزیت و دولومیت. منیزیم از آب دریا هم استخراج می‌شود. با افزودن هیدروکسید کلسیم به آب دریا هیدروکسید منیزیم کم محلول بصورت رسوب ته‌نشین می‌شود. این رسوب بعد از تبدیل به کلرید منیزیم در سلول الکتروشیمیایی داونز الکترولیز می‌شود تا منیزیم فلزی بدست آید. منابع عمده کلسیم ، کالک ، سنگ آهک ، ژیپس ( سنگ گچ ) بی‌آب است.

   خواص فیزیکی

این فلزات سخت‌تر و چگال‌تر از فلزات گروه اول هستند. دمای ذوب بالایی دارند. این خواص آنها تا حد زیادی ناشی از وجود دو الکترون در لایه ظرفیت است که پیوندهای قوی‌تری از فلزات گروه I ایجاد می‌کنند. منیزیم ، کلسیم ، استرانسشیم و باریم از این گروه در اثر حرارت در شعله ایجاد رنگ می‌کنند.
شعاع اتمی و یونی بطور یکنواخت از بالا به پایین افزایش می‌یابد. شعاع یونی خیلی کوچکتر از شعاع اتمی است و این بعلت وجود دو الکترون در لایه S است که با از دست دادن آنها و ایجاد کاتیون M⁺² بار مؤثر هسته بر الکترون‌های تراز کامل بیشتر شده و این باعث کاهش اندازه یون می‌شود.

خواص شیمیایی

از بالا به پایین این فلزات ، الکتروپزیتیوتر می‌شوند. واکنش با اکسیژن و کلر شدید است. تمام فلزات بجز بریلیم در دمای اتاق در معرض هوا اکسید شده و رنگشان تیره می‌شود. بریلیم بعلت واکنش‌پذیری بالا در زیر نفت نگهداری می‌شود. همه فلزات این گروه بجز بریلیم آب و اسیدهای ضعیف را به هیدروژن کاهش می‌دهند.
منیزیم بکندی با آب واکنش می‌دهد مگر اینکه آب داغ باشد. ولی کلسیم بشدت در دمای اتاق با آب واکنش داده و سوسپانسیون ابری سفیدی از هیدروکسید کلسیم تولید می‌کند. کلسیم ، استرانسیم و باریم در اثر حرارت با هیدروژن ترکیب شده و آنرا به فرم هیدرید احیاء می‌کند.

فلزات این گروه در اثر گرم شدن عامل احیاء کننده قوی برای احیاء نیتروژن به فرم نیترید هستند . منیزیم در CO₂ سوخته و آنرا به کربن احیاء می‌کند. یعنی آتش منیزیم با CO₂ خاموش نمی‌شود.

اکسید

اکسید این فلزات به فرمول عمومی MO بوده و یک اکسید بازی است و از حرارت کربنات یا هیدروکسید این فلزات با آزاد کردن CO₂ تولید می‌شود. اکسید این فلزات انرژی شبکه و دمای ذوب بالایی دارند. بجز بریلیم بقیه دارای فرم پراکسید MO₂ هم هستند، چون کاتیون Be⁺² برای ایجاد پراکسید بسیار کوچک است.
اکسیدهای کلسیم ، استرانسیم ، باریم با آب واکنش داده و هیدرو اکسید تولید می‌کنند. هیدروکسید کلسیم که به آب آهک معروف است، بطور نسبی در آب محلول بوده و یک محلول بازی متوسط می‌دهد که برای شناسایی گاز CO₂ بکار می‌رود.

نظرات بازدیدکنندگان()

نمک

در شیمی، نمک از کاتیون های مثبت و آنیون های منفی تشکیل شده، به طوری که نمک نهایی خنثی بوده و هیچ گونه بار مثبت یا منفی نداشته باشد. معمولاً در انواع واکنش های شیمیایی، نمک به عنوان یک فراورده فرعی تولید می شود:

·               از واکنش اسید با اکسید فلز، نمک و آب تشکیل می شود.

·               از واکنش باز «شیمی با اسید، نمک و آب تشکیل می شود.

·               از واکنش فلز با اسید، نمک و هیدروژن تشکیل می شود.

·               از واکنش اسید با کربنات ها، نمک، آب و دی اکسید کربن تشکیل می شود.

در زندگی روزمره زمانی که صحبت از نمک می شود، منظورمان نمک آشپزخانه (کلرید سدیم) است. نمک در قدیم بسیار ارزش داشت، به طوری که به سربازان به عنوان حقوق، نمک پرداخت می کردند.

البته باید بدانید که بسیاری از انواع نمک سمی هستند و نمی توان از آنها مصرف خوراکی نمود.
خواص نمک ها

نمک ها دارای اجزای یونی می باشند که ایجاد بلور می کنند. معمولاً در آب حل می شوند (چون یون های مثبت و منفی آنها در آب از هم جدا می شوند). نمک ها نقطه ذوب بالایی دارند و درجه سختی و قابلیت تراکم آنها کم است. اگر نمک ذوب شود یا در آب حل شود، هادی جریان الکتریسیته خواهد بود.
معمولاً نام نمک را بر حسب اجزای تشکیل دهنده آن می گذارند. جزء کاتیونی که غالباً نام یون فلز است به دنبال نام اجزای آنیونی می آید. بنابراین ابتدا نام آنیون و سپس نام کاتیون می آید. معمولاً آنیون ها را بر اساس اسید اشتقاق شده از آن نام گذاری می کنند:

·               استات ها، نمک های اسید استیک هستند.

·               کربنات ها، نمک های اسید کربنیک هستند.

·               کلریدها، نمک های اسید هیدروکلرید هستند.

·               سیانیدها، نمک های اسید هیدروسیانیک می باشند.

·               نیترات ها، نمک های اسید نیتریک می باشند.

·               نیتریت ها، نمک های اسید نیترو می باشند.

·               فسفات ها، نمک های اسید فسفریک هستند.

·               سولفات ها، نمک های اسید سولفوریک هستند.

·               سیترات ها، نمک های اسید سیتریک می باشند.

نظرات بازدیدکنندگان()

نظرات بازدیدکنندگان()

توضیحات
[عناوین آرشیوشده]