درسنامه آموزشی شیمی (2) کلاس یازدهم رشته ریاضی و تجربی
دنیای واقعی واکنشها
دنیای واقعی واکنشها
دانشجویی در آزمایشگاه، واکنش زیر را سه بار در شرایط ایمن انجام داده است. او هر بار 40 گرم آهن $(III)$ اکسید را با مقدار کافی کربن در شرایط مناسب وارد واکنش نموده است. جدول زیر نتایج آزمایش های او را نشان میدهد:
| شماره آزمایش | جرم واکنش دهنده، $F{{e}_{2}}{{O}_{3}}$ (گرم) | جرم فراوردهای که دانشجو به دست آورده است (گرم) |
|---|---|---|
| 1 | 40 | 19/5 |
| 2 | 40 | 19/6 |
| 3 | 40 | 19/7 |
این در حالی است که بر اساس محاسبه، انتظار میرفت 28 گرم فراورده (فلز آهن) تولید شود. اما هر بار جرمی که این دانشجو به دست آورده از جرم مورد انتظار کمتر است. به دیگر سخن مقدار عملی واکنش (19/6 گرم فلز آهن) از مقدار نظری واکنش (28 گرم فلز آهن) کوچکتر است. برای توضیح این مسئله، میتوان چنین بیان کرد که آهن $(III)$ اکسید ناخالص است. شاید همۀ آن نیز وارد واکنش نشده یا دانشجو نتوانسته است همۀ آهن تولید شده را جداسازی و جمعآوری کند. آزمایشهایی از این دست بسیارند و نشان میدهند که باید شیمیدانها روشی برای بیان میزان خلوص مواد واکنشدهنده، میزان کارایی و بازدۀ هر واکنش را پیدا کنند تا بتوانند محاسبههای کمّی را دقیق و درست انجام دهند.
پیوند با ریاضی (صفحهٔ 23 کتاب درسی)
اگر 65 درصد از نوعی کیک را آرد تشکیل دهد، به این معناست که هر 100 گرم کیک شامل 65 گرم آرد و 35 گرم از مواد دیگر است. با توجه به این مفهوم، پاسخ پرسشهای زیر را بیابید.
1- الف) آهن در طبیعت به صورت کانۀ هماتیت یافت میشود. اگر درصد خلوص این کانه برابر با70 درصد باشد، معنی آن چیست؟
یعنی در هر 100 گرم از کانهی هماتیت، 70 گرم فلز آهن وجود دارد.
ب) رابطه ای برای درصد خلوص مواد بیابید.
2- الف) شیمیدانها برای محاسبۀ مقدار واقعی فراوردۀ تولید شده در یک واکنش از مفهومی به نام بازده درصدی استفاده میکنند، (کمیتی که کارایی یک واکنش را نشان میدهد). رابطهای برای آن بنویسید.
ب) با توجه به دادههای جدول زیر، بازده درصدی واکنش را حساب کنید.
| نماد شیمیایی ماده | مقدار ماده (گرم) |
|---|---|
| $F{{e}_{2}}{{O}_{3}}$ | 40 |
| $Fe$ (فراوردهای که دانشجو به دست آورده است) | 19/6 |
| $Fe$ (فراوردهای که انتظار داشتیم به دست آید) | 28 |
واکنشهای شیمیایی همیشه مطابق آنچه انتظار میرود پیش نمیروند، زیرا ممکن است واکنشدهندهها ناخالص باشند یا ممکن است واکنش به طور کامل انجام نشود، حتی گاهی نیز همزمان با آن واکنشهای ناخواستۀ دیگری انجام میشود. با این توصیف مقدار واقعی فراورده از مقدار مورد انتظار کمتر است. در واقع بازده درصدی واکنشهای شیمیایی از صد کمتر است.
نمونۀ حل شده
1- یکی از راههای تهیۀ سوخت سبز، استفاده از بقایای گیاهانی مانند نیشکر، سیب زمینی و ذرت است. واکنش بیهوازی تخمیر گلوکز، از جمله واکنشهایی است که در این فرایند رخ میدهد.
${{C}_{6}}{{H}_{12}}{{O}_{6}}(aq)\to 2{{C}_{2}}{{H}_{5}}OH(aq)+2C{{O}_{2}}(g)$
حساب کنید از تخمیر 1/5 تن گلوکز موجود در پسماندهای گیاهی، چند تن سوخت سبز (اتانول) تولید میشود. بازده واکنش را 80 درصد در نظر بگیرید.
پاسخ:
نخست با توجه به معادله واکنش، باید محاسبه شود چند تن فراورده مورد انتظار است.
$\begin{align}
& \text {?ton}{{C}_{2}}{{H}_{5}}OH=1/5\text {ton}{{C}_{6}}{{H}_{12}}{{O}_{6}}\times \frac{1000kg}{1\text {ton}}\times \frac{1000g}{1kg}\times \frac{1\text {mol}{{C}_{6}}{{H}_{12}}{{O}_{6}}}{180g{{C}_{6}}{{H}_{12}}{{O}_{6}}} \\
& \frac{2\text {mol}{{C}_{2}}{{H}_{5}}OH}{1\text {mol}{{C}_{6}}{{H}_{12}}{{O}_{6}}}\times \frac{46g{{C}_{2}}{{H}_{5}}OH}{1\text {mol}{{C}_{2}}{{H}_{5}}OH}\times \frac{1kg}{1000}\times \frac{1\text {ton}}{1000kg}=0/77\text {ton}{{C}_{2}}{{H}_{5}}OH \\
\end{align}$
اینک:
$80=\frac{X}{0/77}\times 100\to X=0/62\text {ton}{{C}_{2}}{{H}_{5}}OH$
2- فلز آهن طبق واکنش زیر با هیدروکلریک اسید واکنش میدهد. تیغهای فولادی به جرم 10 گرم با خلوص 95% را در مقدار کافی محلول هیدروکلریک اسید میاندازیم. حجم گاز هیدروژن تولید شده توسط دو دانش آموز در STP محاسبه شده است. کدام یک درست است؟ چرا؟
$Fe(s)+2HCl(aq)\to FeC{{l}_{2}}(aq)+{{H}_{2}}(g)$
روش 1: $?L{{H}_{2}}=10gFe\times \frac{1\text {mol}Fe}{56gFe}\times \frac{1\text {mol}{{H}_{2}}}{1\text {mol}Fe}\times \frac{22/4L{{H}_{2}}}{1\text {mol}{{H}_{2}}}$
روش2: $?L{{H}_{2}}=9/5gFe\times \frac{1\text {mol}Fe}{56gFe}\times \frac{1\text {mol}{{H}_{2}}}{1\text {mol}Fe}\times \frac{22/4L{{H}_{2}}}{1\text {mol}{{H}_{2}}}$
پاسخ: روش 2 درست است، زیرا در محاسبههای استوکیومتری باید مقدار خالص واکنشدهندهها را در نظر گرفت.
امروزه مزارع زیادی را برای تهیه سوخت سبز، روغن و خوراک دام به کشت ذرت اختصاص میدهند.
از فلز آهن مذاب تولید شده در واکنش ترمیت برای جوش دادن خطوط راه آهن استفاده میشود.
خود را بیازمایید (صفحهٔ 24 کتاب درسی)
1- یکی از واکنشهایی که در صنعت جوشکاری از آن استفاده میشود واکنش ترمیت است.
$2Al(s)+F{{e}_{2}}{{O}_{3}}(s)\to A{{l}_{2}}{{O}_{3}}(s)+2Fe(l)$
الف) مشخص کنید کدام فلز فعالتر است، آلومینیم یا آهن. چرا؟
آلومینیم، زیرا توانسته آهن را از ترکیب $F{{e}_{2}}{{O}_{3}}$ خارج کند و واکنش انجامپذیر میباشد.
ب) حساب کنید برای تولید 279 گرم آهن، چند گرم آلومینیم با خلوص 80 درصد لازم است.
$?gAl=279Fe\times \frac{1molFe}{56gFe}\times \frac{2molAl}{2molFe}\times \frac{27gAl}{1molAl}\times \frac{100}{80}=168/14gAl$
2- آهن (ΙΙΙ) اکسید به عنوان رنگ قرمز در نقاشی به کار میرود. از واکنش 10 کیلوگرم از این ماده با گاز کربن مونوکسید طبق معادلۀ زیر، 5200 گرم آهن به دست آمده است. بازده درصدی واکنش را به دست آورید.
$F{{e}_{2}}{{O}_{3}}(s)+3CO(g)\to 2Fe(s)+3C{{O}_{2}}(g)$
$?gFe=10kgF{{e}_{2}}{{O}_{3}}\times \frac{1000gF{{e}_{2}}{{O}_{3}}}{1kgF{{e}_{2}}{{O}_{3}}}\times \frac{1molF{{e}_{2}}{{O}_{3}}}{160gF{{e}_{2}}{{O}_{3}}}\times \frac{2molFe}{1molF{{e}_{2}}{{O}_{3}}}\times \frac{56gFe}{1molFe}=7000gFe$
$=\frac{5200}{7000}\times 100=74/28%$ بازده درصدی
3- یکی از روشهای بیرون کشیدن فلز از لابهلای خاک، استفاده از گیاهان است. در این روش در معدن یا خاک دارای فلز، گیاهانی را میکارند که میتوانند آن فلز را جذب کنند. سپس گیاه را برداشت میکنند، میسوزانند و از خاکستر حاصل، فلز را جداسازی میکنند. در جدول زیر، دادههایی دربارۀ این روش ارائه شده است. با توجه به آن:
| نماد شیمیایی فلز | قیمت هر کیلوگرم فلز (ریال) | بیشترین مقدار فلز در یک کیلوگرم از گیاه (گرم) | درصد فلز در سنگ معدن |
|---|---|---|---|
| $Au$ | 1200000000 | 0/1 | 0/002 |
| $Ni$ | 820000 | 38 | 2 |
| $Cu$ | 245000 | 14 | 0/5 |
| $Zn$ | 155000 | 40 | 5 |
الف) در صورتی که در پالایش طلا به کمک گیاهان، در هر هکتار بتوان 20 تن گیاه برداشت کرد. حساب کنید در هر هکتار چند گرم طلا از زمین بیرون کشیده میشود.
$?gAl=20ton\times \frac{1000kg}{1ton}\times \frac{0/11gAu}{1kg}=2000gAu$
ب) یک کیلوگرم از گیاهی که برای پالایش نیکل به کار میرود، 159 گرم خاکستر میدهد؛ درصد نیکل را در این خاکستر حساب کنید.
درصد خلوص $Ni=\frac{38}{159}\times 100=23/89%$
پ) این روش برای استخراج فلزهای روی و نیکل مقرون به صرفه نیست، در این مورد گفتوگو کنید.
با توجه به درصد بالای فلز در سنگ معدن، نسبت به مقدار استخراج شده با روش سوزاندن گیاه، از لحاظ اقتصادی استخراج از طریق کشت گیاهان مقرون به صرفه نمیباشد.
آیا میدانید
گیاه پالایی فرایندی است که در آن از گیاهان برای پالایش آبهای سطحی، خاک و هوا استفاده میشود. ریشههای عمیق، برگهای پر پشت و قدرت جذب بالا به همراه باکتریهای موجود در ریشۀ گیاهان به آنها اجازه میدهد تا آلایندههای موجود در آب را جذب، تغلیظ یا تجزیه کنند. بدیهی است یافتن گیاه مناسب برای پالایش هر آلاینده یکی از دشوارترین و مهمترین مراحل این فرایند است. درخت سپیدار، گل همیشه بهار، سنبل آبی و گل ختمی نمونههایی از گیاهان مناسب برای گیاه پالایی است.
پیوند با صنعت: گنجهای اعماق دریا
شاید این عنوان شما را به یاد جواهرات و اشیای ارزشمندی بیندازد که به دلیل غرق شدن کشتیها در بستر دریا دفن شدهاند یا شاید یادآور مرواریدهای غلتان، زیبا و رنگارنگی باشد که در دل صدفها رشد میکنند. اما این پاسخ ساده انگارانه است! زیرا بستر اقیانوسها منبعی غنی از منابع فلزی گوناگون است. منابعی که انسان به تازگی آن را کشف کرده است. به دلیل نیاز روزافزون جهان به منابع شیمیایی و کاهش میزان این منابع در سنگ کره، شیمیدانها را بر آن داشت تا در جستوجوی منابع تازه باشند. این جستوجو از رازی پرده برداشت که نشان میداد گنجی عظیم در اعماق دریاها نهفته است. این گنج در برخی مناطق محتوای سولفید چندین فلز واسطه و در برخی مناطق دیگر به صورت کلوخهها و پوستههایی غنی از فلزهایی مانند منگنز، کبالت، آهن، نیکل، مس و ... یافت میشود (شکل 11).
غلظت بیشتر گونههای فلزی موجود در کف اقیانوس نسبت به ذخایر زمینی، بهرهبرداری از این منابع را نوید میدهد. امروزه شرکتهایی از برخی کشورها طرحهای استخراج این مواد را از بستر اقیانوسها در دست دارند. پیشبینی میشود اکتشاف و بهرهبرداری از منابع شیمیایی بستر دریا به یکی از صنایع کلیدی و تأثیرگذار در روابط کشورها تبدیل شود. امید است با گسترش شرکتهای دانشبینان و تقویت دانش و فناوری، کشور ما نیز از این منابع عظیم خدادادی بهرهمند شود.
میلیونها کلوخه در ناحیهای از اقیانوس آرام در سطح بستر یا نیمه فرو رفته در بستر پراکنده شده است.
در میان تارنماها (صفحهٔ 26 کتاب درسی)
با مراجعه به منابع معتبر دربارۀ ذخایر بستر دریا (Minerals Seabed)، چگونگی تشکیل آنها و سازمان بینالمللی بستر دریا (Authority Seabed International) اطلاعاتی جمعآوری و به کلاس گزارش کنید.
میزان خلوص و عیار بالای ذخایر معدنی موجود در بستر دریا عامل اصلی در تمایل کشورها به سمت اکتشاف و استخراج مواد معدنی از دریاها بوده است. با توجه به تحقیقات انجام شده ذخایرتیتانیم، آهن و ... در بسترهای دریای خزر و عمان و خلیجفارس یافت میشود. همچنین بررسیهای انجام شده حاکی از وجود هیدراتهای گازی به شکل یخ منجمد است، که از ارزش بسیار بالایی برخوردارند. در واقع یک متر مکعب از هیدرات گازی حاوی بیش از 1064 مترمکعب گاز متان است و همین امر نشان از ارزش بالای این کانیهاست که قابلیت استفاده در صنایع پتروشیمی را دارد.
از طرفی با بررسیهای زمینشناسی، اکتشافات قابل توجهی در دریای خزر تا عمق 900 متری، خلیج فارس تا عمق 100 متری و دریای عمان تا عمق 200 متری وجود منابع در بستر دریاها را نشان میدهند.
ذخایر عظیم کوارتز در پهنههای ساحلی، منگنز، فسفات، کبالت و نیکل در مناطق عمیق دریا از منابع با ارزشی است که امروز هدر کشورهای پیشرفته مورد بهرهبرداری قرار میگیرد.
سازمان بستر آبهای بینالمللی $(ISA)$ یک سازمان مستقل بینالمللی است که بر اساس کنوانسیون ملل متحد در مورد حقوق دریاها ایجاد شده است.
وظیفه اصلی این سازمان، مدیریت منابع دریاها به خصوص معادن آن است. سازمان وظیفهی حفاظت از محیط زیست دریایی در برابر هرگونه فعالیتهای مخرب به هنگام بهرهبرداری یا اکتشاف را بر عهده دارد. از دیگر وظایف مهم سازمان اتخاذ تدابیر مناسب به منظور حفاظت از زیست بشری و محیط دریایی منطقهها کنترل فعالیتها، صدور مجوزهای لازم و توزیع منصفانهی امتیازات اقتصادی ناشی از کاوش و بهرهبرداری منابع منطقه است.
جریان فلز بین محیط زیست و جامعه
طبیعت منشأ و منبع هدایای گرانبهایی است که خداوند مهربان آن را به انسان ارزانی داشته است. انسان نیز با بهرهگیری از تواناییهای وجودی خود که آن را نیز خداوند به وی عطا کرده است، از این هدایا برای برآورده کردن نیازهای خود به شکلهای گوناگون استفاده میکند. استخراج فلز از سنگ معدن آن یکی از این روشها است. دیدید که سالانه صدها میلیون تن فلز از دل زمنی استخراج میشود. سپس از این فلزها، ابزار، وسایل و مواد گوناگونی تهیه میشود. در شیمی دهم آموختید که براساس توسعۀ پایدار باید در تولید یک ماده یا عرضه خدمات، همۀ هزینهها و ملاحظههای اقتصادی، اجتماعی و زیست محیطی را در نظر گرفت. به طوری که اگر مجموع هزینههای بهرهبرداری از یک معدن با در نظر گرفتن این ملاحظهها، کمترین مقدار ممکن باشد، در آن صورت در مسیر پیشرفت پایدار حرکت میکنیم؛ یعنی رفتارهای ما، آسیب کمتری به جامعهای که در مسیر حفظ محیط زیست است، وارد میکند و ردپای زیست محیطی ما را کاهش میدهد. با این روند در استفادۀ درست از این هدایای زمینی و نگهداری آنها برای آیندگان موفق خواهیم شد.
با هم بیندیشیم (صفحهٔ 27 کتاب درسی)
در شکل زیر فرایند استخراج فلز از طبیعت و برگشت آن به طبیعت نشان داده شده است. با گفتگو دربارهٔ آن، پاسخ پرسشهای زیر را بیابید.
الف) آیا آهنگ مصرف و استخراج فلز با آهنگ برگشت فلز به طبیعت به شکل سنگ معدن یکسان است؟ توضیح دهید.
خیر، آهنگ مصرف و استخراج فلز بسیار سریعتر از آهنگ برگشت فلز به طبیعت است. زیرا آهنگ تبدیل فلز به زنگ فلز و خوردگی و تبدیل به سنگ معدن در شرایط معمولی بسیار آهسته رخ میدهد.
ب) فلزها منابع تجدید پذیرند یا تجدید ناپذیر؟ چرا؟
تجدیدناپذیرند، زیرا آهنگ خوردگی و تبدیل به سنگ معدن آهسته بوده و هزاران سال به طول میانجامد و به طور معمول فلزات را تجدیدناپذیر میدانیم.
پ) دربارۀ شکل زیر گفتوگو و مشخص کنید کدام عبارتها درست و کدامها نادرستاند. چرا؟
- بازیافت فلزها و از جمله فلز آهن ردپای کربندیاکسید را کاهش میدهد.
درست، زیرا به هنگام تولید اولیه فلز آهن مقدار زیادی کربن به مصرف میرسد، مطابق واکنش زیر:
$2F{{e}_{2}}{{O}_{3}}(s)+3C(s)\to 3C{{O}_{2}}(g)+4Fe(s)$
- بازیافت فلزها و از جمله فلز آهن سبب کاهش سرعت گرمایش جهانی میشود.
درست، افزایش کربندیاکسید که یک گاز گلخانهای است، سبب افزایش دمای زمین میشود و با بازیافت فلزها میتوان از افزایش دمای زمین جلوگیری کرد.
- بازیافت فلزها و از جمله فلز آهن گونههای زیستی بیشتری را از بین میبرد.
نادرست، بازیافت کمک به کاهش گرمای زمین و مانع از بین رفتن معادن و کوهها میشود.
- بازیافت فلزها و از جمله فلز آهن به توسعه پایدار کشور کمک میکند.
درست، یکی از مؤلفههای مهم توسعهی پایدار، ملاحظات زیست محیطی است، با بازیافت، محیط زیست به میزان بیشتری حفاظت میشود.
جامعهای در مسیر توسعه پایدار است که اقتصاد آن شکوفا باشد، در عین حال به محیط زیست آسیب کمتری بزند و مردم به اخلاق آراسته و به خوشنامی معروف باشند. امید است با گسترش شرکتهای دانشبینان با همت جوانان خالق، متعهد و کوشای کشورمان بتوانیم در تحقق آرمانهای نظام آموزشی کشورمان پیش برویم.
امروزه پژوهشگران از ارزیابی چرخه عمر (Life Cycle Assessment) برای میزان تأثیر یک فراورده بر محیط زیست در طول عمر آن بهره میبرند؛ چرخهای با پنج مرحله حاوی تهیه مواد خام و اولیه، تولید، توزیع، مصرف و دفع (نمودار 2).
با بررسی این چرخه برای یک فراورده، میزان آب و انرژی مصرفی، ادامه فرایند براساس تأمین مواد خام و اولیه، میزان زباله و پسماند؛ همچنین هزینه حمل و نقل در هر مرحله بررسی میشود. در واقع بررسی چنین چرخهای کمک میکند تا صنایع گوناگون با بهرهگیری از دانش فنی و تخصصی سازگارتر با محیط زیست در راستای دستیابی به توسعه پایدار پیش بروند. جدول زیر نمونه سادهای از این چرخه برای کی کیسه پلاستیکی و پاکت کاغذی را نشان میدهد.
| مراحل چرخه عمر | پاکت کاغذی | کیسه پلاستیکی | |
| تهیه مواد خام و اولیه | ماده اولیه یا خام چیست؟ | درخت | نفت خام |
| پایداری تأمین ماده اولیه و خام | نسبتاً پایدار - میتوان تعداد زیادی درخت کاشت. | ناپایدار - نفت تجدیدنشدی است. | |
| تأثیر تولید ماده خام روی محیطزیست | با بریدن درختان زیستگاه جانوران زیادی تخریب میشود. | در استخراج نفت خام انرژی زیادی مصرف میشود. | |
| تأثیر حمل و نقل ماده خام روی محیطزیست | آلودگی هوا را به دنبال دارد. | سبب آلودگی هوا، خاک و آب میشود. | |
| تولید | تأثیر روی محیطزیست | در تولید کاغذ آب به مقدار زیاد و برخی مواد شیمیایی مضر برای محیطزیست مصرف میشود. | در پالایش نفت خام و واکنش پلیمری شدن انرژی زیادی مصرف میشود. |
| توزیع و مصرف | تأثیر حمل و نقل ماده خام روی محیطزیست | سبب آلودگی هوا میشود. | سبب آلودگی هوا میشود. |
| دفع | دفن کردن | تجزیه میشود اما گاز متان تولید میکند که آلاینده هواست. | تجزیه نمیشود و در زمین برای سالیان طولانی باقی میماند. |
| سوزاندن زباله | سبب انتشار گازهای گلخانهای و آلودگی هوا میشود. | سبب انتشار گازهای گلخانهای و آلودگی هوا میشود. | |
| بازیافت | حمل و نقل پسماندهای کاغذی سبب آلودگی هوا میشود. | حمل و نقل پسماندهای پلاستیکی و سوزاندن آنها انرژیبر بوده و سبب آلودگی هوا میشود. | |