واکنشپذیری: رازی برای تغییر مواد در جهان پیرامون ما
واکنشپذیری چیست و چرا مهم است؟
هر تغییری که در آن ماهیت ماده عوض شود و ماده جدیدی با خواص جدید تشکیل شود، یک واکنش شیمیایی است. اما همه مواد به یک اندازه تمایل ندارند دست به این تغییر بزنند. این تمایل یا آمادگی برای شرکت در واکنش را واکنشپذیری مینامیم. مثلاً پتاسیم5 آنقدر واکنشپذیر است که در تماس با آب مشتعل میشود، درحالی که طلا حتی در معرض هوا و رطوبت هم سالها بدون تغییر باقی میماند؛ یعنی واکنشپذیری بسیار پایینی دارد.
عوامل کلیدی تعیین کننده میزان واکنشپذیری
واکنشپذیری یک ماده تصادفی نیست. چند عامل اصلی، سرنوشت شیمیایی یک اتم یا مولکول را رقم میزنند:
- آرایش الکترونی و رسیدن به هشتتای پایدار (قاعده اکتت6): اتمها دوست دارند لایه آخر خود را با ۸ الکترون (یا در برخی موارد ۲ الکترون) پر کنند تا پایدار شوند. هرچه راحتتر بتوانند این کار را انجام دهند (مثلاً با از دست دادن یا گرفتن الکترون)، واکنشپذیرتر هستند. فلزات قلیایی مانند سدیم7 (Na) فقط یک الکترون در لایه آخر دارند که به راحتی از دست میدهند؛ به همین دلیل بسیار واکنشپذیرند.
- انرژی پیوند: در یک مولکول، پیوند بین اتمها مانند چسبی قوی عمل میکند. هرچه این پیوند قویتر باشد، شکستن آن و شروع یک واکنش جدید سختتر است و در نتیجه ماده کمواکنشپذیرتر میشود. گاز نجیب نیون8 به دلیل پیوندهای بسیار پایدارش تقریباً هیچ واکنشی نمیدهد.
- انرژی فعالسازی: برای شروع بیشتر واکنشها، نیاز به یک سرمایه اولیه انرژی داریم که به آن انرژی فعالسازی میگویند. این انرژی مانند مانعی است که باید بر آن غلبه کرد. موادی که برای شروع واکنش به انرژی فعالسازی کمتری نیاز دارند، معمولاً واکنشپذیرتر هستند.
| عنصر | نوع | واکنش با اکسیژن هوا | واکنش با آب | سطح واکنشپذیری |
|---|---|---|---|---|
| پتاسیم (K) | فلز قلیایی | خیلی سریع (سوختن) | انفجاری، تولید آتش | بسیار زیاد |
| منیزیم (Mg) | فلز قلیایی خاکی | سریع (با حرارت شعله ور میشود) | کند با آب جوش | زیاد |
| آهن (Fe) | فلز واسطه | کند (زنگ زدن طی ماهها) | تقریباً هیچ (جز در شرایط خاص) | متوسط |
| طلا (Au) | فلز واسطه | هیچ | هیچ | بسیار کم |
واکنشپذیری در آشپزخانه و زندگی روزمره
واکنشپذیری فقط یک مفهوم کتابی نیست، بلکه در اطراف ما در جریان است. در پخت کیک، جوش شیرین (بیکربنات سدیم، $NaHCO_3$) در اثر حرارت یا در مجاورت مواد اسیدی (مانند ماست) تجزیه میشود و گاز دیاکسید کربن ($CO_2$) تولید میکند. این گاز سبب پف کردن و ترد شدن کیک میشود. این یک واکنش شیمیایی است که به دلیل واکنشپذیری جوش شیرین در شرایط خاص رخ میدهد.
باتری قلمی یک کارخانه کوچک شیمیایی است. درون آن، مواد شیمیایی با واکنشپذیری بالا (مانند روی9) قرار دارند که با از دست دادن الکترون، انرژی الکتریکی تولید میکنند. اگر این مواد واکنشپذیر نبودند، باتریها کار نمیکردند. از طرف دیگر، زنگ زدن آهن یک مثال آشنا از واکنش ناخواسته است. آهن با اکسیژن و رطوبت هوا وارد واکنش شده و اکسید آهن ($Fe_2O_3 . xH_2O$) که همان زنگآهن است، تشکیل میدهد. برای جلوگیری از این واکنش، سطح آهن را با رنگ یا فلزاتی با واکنشپذیری کمتر مانند روی میپوشانند (گالوانیزه کردن).
پرسشهای متداول و اشتباهات رایج
طلا در شرایط معمول (هوا، آب، اسیدهای ضعیف) واکنش نمیدهد که به دلیل پایداری بسیار بالای آرایش الکترونی و انرژی پیوند آن است. به همین خاطر به آن و فلزاتی مانند پلاتین، "فلزات نجیب" میگویند. اما این به معنای مطلق بودن نیست. طلا در تیزاب سلطانی (مخلوط اسید نیتریک و هیدروکلریک) حل میشود. پس واکنشپذیری آن صفر مطلق نیست، بلکه به شدت کم است.
واکنشپذیری یک خاصیت شیمیایی است. زیرا برای اندازهگیری یا مشاهده آن، باید ماده در معرض یک ماده دیگر قرار گیرد و تغییر شیمیایی (تشکیل ماده جدید) رخ دهد. خاصیت فیزیکی مانند رنگ یا چگالی را میتوان بدون ایجاد تغییر در هویت ماده مشاهده کرد.
سدیم فلزی بسیار واکنشپذیر است و با اکسیژن هوا و رطوبت آن به سرعت واکنش داده و اکسید یا هیدروکسید تشکیل میدهد. نفت یک محیط خنثی و بدون اکسیژن و رطوبت است. با قرار دادن سدیم در نفت، آن را از تماس با عوامل واکنشدهنده (هوا و رطوبت) دور نگه میدارند تا دچار تغییر شیمیایی نشود.
پاورقی
1 واکنشپذیری (Reactivity)
2 آرایش الکترونی (Electron Configuration)
3 پیوند (Chemical Bond)
4 انرژی فعالسازی (Activation Energy)
5 پتاسیم (Potassium)
6 قاعده اکتت (Octet Rule)
7 سدیم (Sodium)
8 نیون (Neon)
9 روی (Zinc)
10 کاتالیزور (Catalyst): مادهای که سرعت یک واکنش شیمیایی را افزایش میدهد، بدون آنکه خود مصرف شود.
