درسنامه آموزشی شیمی (2) کلاس یازدهم رشته ریاضی و تجربی با پاسخ 2-6 سرعت فرایندهای شیمیایی
با تغییر محتوای انرژی مواد شرکت کننده از جمله سوختها و مواد غذایی در واکنشها آشنا شدید. اما از دیگر ویژگیهای مهم یک واکنش، آهنگ انجام آن است؛ کمیتی که در تهیه و نگهداری مواد غذایی سالم نقش کلیدی و تعیین کننده دارد.
غذای سالم
همۀ خوراکیها و غذاها تاریخ مصرف دارند. آیا تاکنون اندیشیدهاید که تاریخ مصرف مواد چه معنایی دارد؟ تاریخ مصرف مواد غذایی نشان میدهد که چه مدتی سالم میماند و قابل مصرف است. انسان همواره در طول تاریخ در جستوجوی روشهایی بوده که بتواند مادۀ غذایی را برای مدتهای طولانیتری سالم نگه دارد و ذخیره کند. شکل 10 برخی روشهای نگهداری آنها را نشان میدهد.

تجربه نشان میدهد که محیط سرد، خشک و تاریک برای نگهداری انواع مواد غذایی مناسب تر از محیط گرم، روشن و مرطوب است. نگهداری اغلب مواد غذایی در سرد خانهها تأییدی بر این تجربه است. در واقع عوامل محیطی مانند رطوبت، اکسیژن، نور و دما در چگونگی و زمان نگهداری غذا مؤثرند. در محیط مرطوب، میکروبها شروع به رشد و تکثیر نموده تا جایی که مادۀ غذایی کپک زده و سرانجام فاسد میشود. اما در محیط خشک امکان رشد این جانداران ذره بینی وجود ندارد، از این رو میتوان خشکبار را آسانتر و به مدت طولانیتری در این محیط نگهداری کرد. نیاکان ما نیز بر همین اساس بسیاری از میوهها را در فصل برداشت خشک میکردند تا آنها را برای مصرف در فصلهای دیگر ذخیره کنند. در شیمی دهم آموختید که اکسیژن گازی واکنش پذیر است و تمایل زیادی برای انجام واکنش با دیگر مواد دارد. بر اساس این ویژگی، مواد غذایی در هوای آزاد و در معرض اکسیژن، سریع تر فاسد میشوند. وجود پوست و پوشش میوهها و خشکبار یک عامل طبیعی برای افزایش زمان ماندگاری است زیرا مانع از ورود اکسیژن و جانداران ذره بینی به درون آنها میشود. این ویژگی نشان میدهد که حذف اکسیژن از محیط نگهداری مواد غذایی و خوراکیها سبب افزایش زمان ماندگاری و بهبود کیفیت آنها خواهد شد. آیا میدانید برای حذف اکسیژن از این محیطها چه باید کرد؟
خود را بیازمایید (صفحهٔ ۷۷ کتاب درسی)
1 هر یک از موارد زیر نقش چه عاملی را در سرعت واکنش نشان میدهد؛ توضیح دهید.
الف) برای نگهداری طولانی مدت فراوردههای گوشتی و پروتئینی، آنها را به حالت منجمد ذخیره میکنند.
عامل دما، با کاهش دما سرعت واکنشهای شیمیایی کاهش یافته و در برخی موارد متوقف میشود.
ب) روغنهای مایع که در ظرف مات و کدر بسته بندی شدهاند، زمان ماندگاری بیشتری دارند.
عامل نور، نور (انرژی) سبب شکسته شدن برخی از پیوندها شده و باعث تغییر شیمیایی ماده میشود.
پ) قاووت گردی مغذی و تهیه شده از مغز آفتاب گردان، پسته و ... است. این سوغات کرمان زودتر از مغز این خوراکیها فاسد میشود.
عامل سطح تماس، این مادهی غذایی از گرد مواد ذکر شده تهیه و آماده میشود. هر چه سطح تماس مواد با اکسیژن موجود در هوا بیشتر باشد، سرعت تخریب و فساد مادهی غذایی بیشتر خواهد بود.
پیشرفت علوم تجربی سبب شده تا برای افزایش زمان ماندگاری مواد غذایی و بهبود کیفیت آنها از روشهای گوناگونی مانند تهیۀ کنسرو، بسته بندی نوین، افزودن نگهدارندهها و ... استفاده شود. در این راستا یخچالهای صنعتی، سردخانهها و... تکمیل کننده این فرایند هستند. اکنون باید به این پرسش پاسخ داد که نقش دانش شیمی در نگهداری مواد غذایی چیست؟ چرا افزایش دما سبب کاهش زمان ماندگاری اغلب مواد غذایی میشود؟ اکسیژن چه رفتاری با مواد غذایی دارد؟ چرا مواد غذایی را باید در محلی تاریک و دور از تابش مستقیم نور خورشید نگه داشت؟ پاسخ به این پرسشها را میتوان در رفتار مواد با یکدیگر و اثر عوامل گوناگون روی رفتار آنها جستوجو کرد. در واقع سینتیک شیمیایی به عنوان شاخهای از علم شیمی افزون بر بررسی آهنگ تغییر شیمیایی در واکنشها، عوامل مؤثر بر این آهنگ را نیز بررسی میکند. با آشنایی و درک چنین مفاهیمی میتوان روشهای گوناگون نگهداری سالم مواد غذایی را یافت و آنها را گسترش داد.
برای نگهداری سالم برخی خوراکیها، آنها را با خالی کردن هوای درون ظرف بسته بندی میکنند (چرا؟).
آهنگ واکنش
تهیه و تولید سریعتر یا کندتر یک فراوردۀ صنعتی، دارویی یا غذایی بر کیفیت و زمان ماندگاری آن نقش تعیین کنندهای دارد. آهنگ واکنش بیانی از زمان ماندگاری مواد است، کمیتی که نشان میدهد هر تغییر شیمیایی در چه گسترهای از زمان رخ میدهد. هر چه گسترۀ زمان انجام آنها کوچکتر باشد، آهنگ انجام تندتر است و واکنش سریعتر انجام میشود (شکل ۱۱).

این شکل فرایندهایی را نشان میدهد که تفاوت آهنگ انجام آنها آشکار بوده و مقایسهٔ آنها به صورت کیفی آسان است. شیمیدانها آهنگ واکنش را در گستره معینی از زمان با نام سرعت واکنش بیان میکنند. توجه کنید که گسترۀ زمان انجام واکنشها از چند صدم ثانیه تا چند سده را در برمیگیرد (شکل ۱۲).

بررسیها نشان میدهد که زمان انجام واکنشها به عوامل گوناگونی وابسته است. به گونهای که برای کاهش یا افزایش سرعت انجام واکنشها میتوان عواملی مانند دما، غلظت، نوع مواد واکنش دهنده، کاتالیزگر و سطح تماس واکنش دهندهها را تغییر داد.
کاوش کنید (صفحهٔ ۷۹ کتاب درسی)
«دربارۀ عوامل مؤثر بر سرعت واکنش کاوش کنید»
مواد و ابزار لازم: عینک ایمنی، قرص جوشان، آب، قوطی فیلم عکاسی، استوانهٔ مدرج، هاون چینی، دماسنج و زمان سنج.
نکات ایمنی: به دلیل پرتاب شدن قوطی فیلم عکاسی، آزمایش را در فاصلهٔ مناسبی از خود و هم کلاسیها انجام دهید.
آزمایش 1
الف) درون قوطی فیلم عکاسی 5mL آب با دمای 20{}^\circ C بریزید.
ب) به آن \frac{1}{2} قرص جوشان بیفزایید و بلافاصله درپوش آن را محکم ببندید سپس آن را وارونه روی زمین قرار دهید.
پ) زمان لازم برای پرتاب شدن قوطی را با استفاده از زمان سنج اندازه گیری و در جدول داده شده یادداشت کنید.
ت) همین آزمایش را با \frac{1}{4} قرص جوشان تکرار و زمان را یادداشت کنید.
از مشاهدههای خود چه نتیجهای میگیرید؟
با کاهش مقدار قرص جوشان (مقدار ماده اولیه)، زمان پرتاب شدن قوطی افزایش پیدا میکند.
آزمایش 2
الف) این بار درون قوطی فیلم عکاسی 5mL آب با دمای40{}^\circ C بریزید.
ب) به آن \frac{1}{2} قرص جوشان بیفزایید و بلافاصله درپوش آن را محکم ببندید سپس آن را وارونه روی زمین قرار دهید.
ب) زمان پرتاب شدن قوطی را اندازه گیری و در جدول صفحه بعد یادداشت کنید.
ت) این آزمایش را در دمای 5{}^\circ C تکرار و نتیجه را درجدول بنویسید.
از مشاهدههای خود چه نتیجهای میگیرید.
در دمای بالاتر، گاز با سرعت بیشتر تولید شده و قوطی در زمان کمتری پرتاب میشود. بنابراین واکنش در دمای بالاتر سریعتر انجام میشود.
آزمایش | مقدار قرص جوشان | شکل قرص جوشان | دمای آب | زمان پرتاب شدن قوطی (ثانیه) | |
---|---|---|---|---|---|
۱- الف | \frac{1}{2} | ![]() |
20{}^\circ C | 30 | |
۱- ب | \frac{1}{4} | ![]() |
20{}^\circ C | 45 | |
۲- الف | \frac{1}{2} | ![]() |
40{}^\circ C | 20 | |
۲- ب | \frac{1}{2} | ![]() |
5{}^\circ C | 40 | |
۳ | \frac{1}{2} | ![]() |
20{}^\circ C | 15 |
آزمایش 3
الف) نیمی از قرص را به خوبی در هاون چینی بسائید.
ب) آن را به درون قوطی فیلم عکاسی محتوی 5mL آب با دمای 20{}^\circ C بیفزایید و بلافاصله درپوش آن را محکم ببندید سپس آن را وارونه روی زمین قرار دهید.
پ) زمان پرتاب شدن قوطی را اندازه گیری و در جدول بالا یادداشت کنید.
از مشاهدههای خود چه نتیجه ای میگیرید؟
اگر قرص جوشان را پودر کنیم، سرعت واکنش و تولید گاز افزایش مییابد.
یافتههای خود را از این آزمایشها جمع بندی کنید و در چند سطر بنویسید.
عوامل مؤثر برسرعت واکنش: 1) مقدار مادهی اولیه 2) دما 3) سطح تماس فعال واکنشدهندهها
انجام آزمایشهای بالا نشان داد که با افزایش دما، افزایش مقدار واکنش دهندهها و افزایش سطح تماس میتوان سرعت انجام واکنشها را افزایش داد. همچنین از پیش میدانید که واکنش سوختن قند آغشته به خاک باغچه سریعتر است زیرا در خاک باغچه کاتالیزگر مناسب برای این واکنش وجود دارد. البته باید توجه داشت که مواد واکنش دهنده گوناگون با سرعتهای متفاوتی در واکنش شرکت میکنند (در فصل اول با واکن شپذیری متفاوت فلزها آشنا شدید).
خود را بیازمایید (صفحهٔ ۸۱ کتاب درسی)
در هر یک از موارد زیر با توجه به شکل، علت اختلاف در سرعت واکنش را توضیح دهید.
الف) فلزهای قلیایی سدیم و پتاسیم در شرایط یکسان با آب سرد به شدت واکنش میدهند، اما سرعت واکنشها متفاوت است.
هر دوی این فلزها، در گروه 1 جدول تناوبی جای دارند. اما واکنشپذیری پتاسیم نسبت به سدیم بیشتر است. زیرا در یک گروه از فلزها، از بالا به پایین فعالیت شیمیایی فلزها افزایش مییابد. بنابراین، پتاسیم با عدد اتمی 19 که در جایگاه پایینتری نسبت به سدیم با عدد اتمی 11 قرار دارد، فعالیت شیمیایی بیشتری دارد.
ب) شعلهٔ آتش، گردِ آهن موجود در کپسول چینی را داغ و سرخ میکند؛ در حالی که پاشیدن و پخش کردن گردِ آهن بر روی شعله، سبب سوختن آن میشود.
عامل مؤثر در این مورد اثر سطح تماس میباشد، با پاشیدن گرد فلز آهن روی شعله آتش، فضای بین ذرهها بیشتر شده و سطح تماس مادهی فعال افزایش مییابد، بنابراین سرعت سوختن ماده نیز افزایش مییابد.
پ) محلول بنفش رنگ پتاسیم پرمنگنات با یک اسید آلی در دمای اتاق به کندی واکنش میدهد، اما با گرم شدن، محلول به سرعت بی رنگ میشود.
اثر دما روی سرعت واکنش، با گرم شدن محلول و افزایش دما، سرعت واکنش افزایش مییابد.
ت) الیاف آهن داغ و سرخ شده در هوا نمیسوزد، در حالی که همان مقدار الیاف آهن داغ و سرخ شده در یک ارلن پر از اکسیژن میسوزد.
اثر غلظت روی سرعت واکنشهای شیمیایی، هرچه غلظت اولیهی واکنش دهندهها بیشتر باشد، سرعت واکنش بیشتر خواهد بود.
ث) محلول هیدروژن پراکسید در دمای اتاق به کندی تجزیه شده و گاز اکسیژن تولید میکند، در حالی که افزودن دو قطره از محلول پتاسیم یدید، سرعت واکنش را به طور چشمگیری افزایش میدهد.
افزودن کاتالیزگر به مواد واکنشدهنده کاتالیزگر ماده است که بدون آن که خود به مصرف برسد، سبب افزایش سرعت واکنشهای شیمیایی میشود.
پیوند با صنعت
با آغاز قرن بیستم، گرایش مردم به شهرنشینی به ویژه در کشورهای صنعتی، باعث پدید آمدن شهرهای بزرگتر شد. شهرهایی که در آنها تهیه و تولید غذا به روش سنتی، دیگر پاسخ گوی نیازها نبود. در چنین شرایطی ذخیره سازی و صادرات غذا به عنوان صنعتی نو خودنمایی کرد. صنعتی که با بهره گیری از فناوریهای گوناگون از جمله بسته بندی، کنسرو سازی، انجماد و ... به سرعت در سرتاسرجهان گسترش یافت. اما هنوز شرکتهای صنایع غذایی با چالشهایی در نگهداری و ماندگاری غذا روبه رو هستند. افزون بر این فناوریها، استفاده از مواد شیمیایی با ویژگیهای خاص به عنوان افزودنیها سبب افزایش زمان ماندگاری و کیفیت مواد غذایی شد. افزودنیها، مواد شیمیایی مانند نگهدارنده، رنگ دهنده، طعم دهنده و ... هستند که به صورت هدفمند به مواد خوراکی یا غذاها افزوده میشوند. برای نمونه نگهدارندهها، سرعت واکنشهای شیمیایی که منجر به فساد مادۀ غذایی میشود را کاهش میدهند. یکی از این مواد، بنزوئیک اسید است که در تمشک و توت فرنگی وجود دارد (شکل ۱۳).

این ترکیب آلی عضوی از خانواده کربوکسیلیک اسیدهاست. خانوادهای که در ساختار هر عضو آن یک یا چند گروه عاملی کربوکسیل (-COOH) وجود دارد. آشناترین عضو آن، اتانوییک (استیک) اسید با فرمول C{{H}_{3}}COOH است.
پیوند با ریاضی (صفحهٔ ۸۳ کتاب درسی)
یک تکه زغال چوب به شکل مکعب با طول ضلع 2cm در نظر بگیرید. حجم این تکه زغال برابر با 8c{{m}^{3}}، در حالی که مساحت جانبی آن برابر با 24c{{m}^{2}} است (چرا؟).
V\begin{matrix}
{} \\
\end{matrix}={{a}^{3}}\to V={{2}^{3}}=8c{{m}^{3}} حجم یک مکعب به ضلع a
S\begin{matrix}
{} \\
\end{matrix}=6{{a}^{2}}\to S=6\times {{(2)}^{2}}=24c{{m}^{2}}\text{ }\!\!~\!\!\text{ } مساحت یک مکعب به ضلع a
1- کدام کمیت (حجم یا مساحت جانبی)، سطح تماس این تکه زغال را با شعله هنگام سوختن نشان میدهد؟ توضیح دهید.
دهید. مساحت جانبی، زیرا سطح بیرونی یک ماده، واکنشپذیر میباشد و سطحهای درونی، پنهان بوده و فاقد واکنشپذیری مستقیم با مواد است.
2- اگر این مکعب از وسط یک ضلع برش بخورد و به دو مکعب مستطیل تقسیم شود، حساب کنید حجم زغال و سطح تماس آن چه تغییری میکند؟
حجم کل زغال ثابت میماند، اما سطح تماس افزایش مییابد:
(1\times 2)\times 4+(2\times 2)\times 2=16 :سطح تماس هر مکعب مستطیل
\to 16\times 2=32 دو مکعب داریم
3- بر اساس تحلیل خود از پرسشهای بالا، علت تفاوت در سرعت واکنش سوختن تکۀ زغال با گرد آن را توضیح دهید.
گرد زغال دارای سطح تماس بیشتری است. بنابراین دارای واکنشپذیری شیمیایی بیشتری است.
اینک میپذیرید که واکنشهای شیمیایی در طبیعت، صنعت و آزمایشگاه با سرعتهای متفاوتی انجام میشوند. برخی از این واکنشها مانند گوارش، تنفس، تهیۀ داروها و تولید فراوردههای صنعتی مفید و ضروری هستند اما برخی دیگر مانند خوردگی وسایل آهنی، تولید آلایندهها، زرد و پوسیده شدن کاغذ کتاب، زیان بار و ناخواستهاند. شیمیدانها از یک سو در پی یافتن راههایی برای کاهش سرعت یا توقف واکنشهای ناخواستهاند و از سوی دیگر به دنبال سرعت بخشیدن به واکنشهایی هستند که بتوانند فراوردههای گوناگونی با صرفۀ اقتصادی تولید کنند. برای دستیابی به چنین اهدافی باید دربارهٔ شرایط و چگونگی انجام واکنشهای شیمیایی و عوامل مؤثر بر سرعت آنها آگاهی داشته باشند. سینتیک شیمیایی شاخهای از شیمی است که این آگاهی را در اختیار ما میگذارد.
سرعت واکنش از دیدگاه کمّی
اما سرعت واکنش در پژوهشهای علمی، فناوریهای نو، تولید فراوردههای دارویی و ... آنچنان اهمیت دارد که باید با دقت اندازه گیری و گزارش شود. به دیگر سخن مقایسۀ دقیق میان سرعت واکنشها هنگامی از صحت و اعتبار علمی برخوردار است که به شکل کمّی بیان شود. از آنجا که در یک واکنش شیمیایی با گذشت زمان، واکنشدهندهها مصرف و فراوردهها تولید میشوند، میتوان آهنگ مصرف واکنشدهندهها و تولید فراودهها را در بازهای از زمان اندازه گیری کرد (شکل ۱۴).

در این واکنش با گذشت زمان به تدریج از شدّت رنگ محلول کاسته شده تا اینکه در پایان واکنش، محلول تا مرز بی رنگ شدن پیش رفته است. این ویژگی بیانگر آن است که مقدار رنگ غذا کاهش مییابد و مقدار آن تقریباً به صفر میرسد.
خود را بیازمایید (صفحهٔ ۸۵ کتاب درسی)
1- بر اساس شکل 14، آهنگ مصرف رنگ غذا را برحسب مول بر دقیقه (mol{{\min }^{-1}}) حساب کنید.
\overline{R}=\frac{\Delta n}{\Delta t}\Rightarrow \overline{R}=\frac{0/05mol}{5\min }=0/01mol.{{\min }^{-1}}
2- دانش آموزی درون یک محلول محتوی 0/03 مول (II) سولفات، تیغهای از جنس روی قرار داده است. شکل زیر پیشرفت واکنش Zn(s) با CuS{{O}_{4}}(aq) را در این آزمایش نشان میدهد، با توجه به آن به پرسشها پاسخ دهید.
آ) واکنشپذیری فلز روی را با مس مقایسه کنید.
واکنشپذیری فلز روی از مس بیشتر است، زیرا با قرار دادن فلز روی درون محلول آبی مس (II) سولفات، این واکنش انجام شده است.
Zn(s)+CuS{{O}_{4}}(aq)\to Cu(S)+ZnS{{O}_{4}}(aq)
ب) با گذشت زمان مقدار C{{u}^{2+}}(aq) و Cu(s) چه تغییری میکند؟ چرا؟
با گذشت زمان، از مقدار یونC{{u}^{2+}}(aq) درون محلول کاسته شده و به مقدار Cu(s) اضافه میشود. زیرا رنگ آبی محلول حاوی C{{u}^{2+}}، بیرنگ شده است.
پ) اگر شمار مولهای مصرف شده از هر واکنشدهنده در واحد زمان بیانگر سرعت مصرف آن باشد، سرعت مصرف C{{u}^{2+}}(aq) را برحسب mol{{\min }^{-1}} حساب کنید.
\overline{R}=\frac{\Delta n}{\Delta t}\begin{matrix} {} \\ \end{matrix};\begin{matrix} {} \\ \end{matrix}\overline{R}=\frac{0/03mol}{2hour}=\frac{0/03mol}{2\times 60\min }=2/5\times {{10}^{-4}}mol.{{\min }^{-1}}
تجربه نشان میدهد که سرعت متوسط مصرف یا تولید مواد شرکت کننده را میتوان با اندازه گیری کمیتهایی مانند جرم، فشار و ... تعیین کرد.
با هم بیندیشیم (صفحهٔ ۸۵ کتاب درسی)
واکنش کلسیم کربنات را با محلول هیدروکلریک اسید در دما و فشار اتاق مطابق شکل زیر در نظر بگیرید.
CaC{{O}_{3}}(s)+2HCl(aq)\to CaC{{l}_{2}}(aq)+C{{O}_{2}}(g)+{{H}_{2}}O(l)
جدول زیر، جرم مخلوط این واکنش را برحسب زمان برای این آزمایش نشان میدهد. با توجه به دادههای جدول، به پرسشهای مطرح شده پاسخ دهید:
زمان (ثانیه) | 0 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
جرم مخلوط واکنش (گرم) | 65/98 | 65/32 | 64/88 | 64/66 | 64/55 | 64/50 | 64/50 |
جرم کربن دیاکسید (گرم) | 0 | 0/66 | 1/10 | 1/32 | 1/43 | 1/48 | 1/48 |
الف) چرا با گذشت زمان از جرم مخلوط واکنش کاسته میشوند؟ زیرا مقداری از ماده به گاز کربندیاکسید تبدیل شده و از مخلوط واکنش خارج شده است.
ب) جدول را کامل کنید.
پ) با گذشت زمان جرم گاز آزاد شده چه تغییری میکند؟ چرا؟
ابتدا جرم گاز تولید شده افزایش مییابد، تا زمانی که مقدار گاز تولید شده به حد ثابتی میرسد و پیشرفتی ندارد. در این جا واکنش به پایان رسیده است.
ت) در چه زمانی واکنش به پایان میرسد؟ چرا؟
زمان 50 ثانیه، زیرا از این زمان به بعد، مقدار جرم گاز کربن دیاکسید به حد ثابتی رسیده است.
ث) جدول زیر را کامل کنید.(1molC{{O}_{2}}=44g)
زمان (s) | (mol) ،n(C{{O}_{2}}) | (mol) ،\Delta n(C{{O}_{2}}) | (mol{{s}^{-1}}) ،\bar{R}(C{{O}_{2}})=\frac{\Delta n(C{{O}_{2}})}{\Delta t} |
---|---|---|---|
0 | 0 | ||
10 | 1/50\times {{10}^{-2}} | 1/50\times {{10}^{-2}} | 1/50\times {{10}^{-3}} |
20 | 2/50\times {{10}^{-2}} | 1/00\times {{10}^{-2}} | 1/00\times {{10}^{-3}} |
30 | 3/00\times {{10}^{-2}} | 5/00\times {{10}^{-3}} | 5\times {{10}^{-4}} |
40 | 3/25\times {{10}^{-2}} | 25\times {{10}^{-4}} | 25\times {{10}^{-5}} |
50 | 3/26\times {{10}^{-2}} | 11\times {{10}^{-4}} | 11\times {{10}^{-5}} |
ج) نمودار مول زمان را برای گاز C{{O}_{2}} بر روی کاغذ میلی متری زیر رسم کنید.
چ) سرعت متوسط تولید C{{O}_{2}} گذشت زمان چه تغییری میکند؟ چرا؟
کاهش مییابد، زیرا مقدار گاز تولید شدهی کربن دیاکسید به مرور زمان کاهش مییابد. از روی نمودار نیز میتوان به این موضوع پی برد که شیب منحنی به مرور زمان کاهش مییابد.
ح) آزمایش نشان میدهد که نمودار مول زمان برای هر سه فراورده در واکنش کلسیم کربنات با محلول هیدروکلریک اسید از هر لحاظ یکسان است. چرا؟
زیرا ضرایب مولی هر سه فراورده یکسان است، بنابراین مقدار مول تولید شده هر سه فراورده در بازهی زمانی مشخص یکسان خواهد بود.
سرعت متوسط و شیب نمودار مول - زمان
با چگونگی محاسبۀ سرعت متوسط تولید فراورده در یک واکنش شیمیایی آشنا شدید. نمودار 8، نمودار مول زمان را برای کلسیم کلرید تولید شده در واکنش کلسیم کربنات با محلول هیدروکلریک اسید نشان میدهد.

در نمودار 8، نقطهٔ A نشان میدهد که در زمان {{t}_{1}}=10s مولهای کلسیم کلرید برابر با {{n}_{1}}=0/015mol و نقطهٔ B نشان میدهد که در زمان {{t}_{2}}=20s، مولهای این ماده برابر با {{n}_{1}}=0/025mol است. از این رو:
\Delta n(CaC{{l}_{2}})={{n}_{2}}-{{n}_{1}}=0/025mol-0/015mol=0/010mol
این مقدار، تغییر مولهای کلسیم کلرید را در گسترۀ زمانی 10 تا 20 ثانیه (\Delta t={{t}_{2}}-{{t}_{1}}=20s-10s=10s) نشان میدهد. نسبت، شیب خط AB در نمودار مول - زمان است. این نسبت علامت مثبت دارد و سرعت متوسط تولید کلسیم کلرید را در بازۀ زمانی 10 تا 20 ثانیه مشخص میکند.
نمودار 8 همچنین نشان میدهد هر چه واکنش به پایان آن نزدیکتر میشود، شیب نمودار مول - زمان کندتر شده تا اینکه از ثانیۀ 50 به بعد برابر با صفر میشود. از این رو، میتوان نتیجه گرفت این واکنش با گذشت 50 ثانیه به پایان رسیده است و پس از آن دیگر فراوردهای تولید نمیشود.
خود را بیازمایید (صفحهٔ ۸۸ کتاب درسی)
1- در واکنش CaC{{O}_{3}}(s) با HCl(aq)، چه رابطهای بین سرعت متوسط مصرف این دو ماده وجود دارد؟ این رابطه را بنویسید.
با توجه به ضرایب مولی مواد واکنش دهنده کلسیمکربنات و هیدروکلریک اسید، سرعت مصرف HCl، دو برابر سرعت مصرف کلسیم کربنات است. زیرا ضریب مولی HCl دو بوده و ضریب مولی کلسیمکربنات، یک میباشد، که دو برابر آن است.
\overline{R}(HCl)=2\overline{R}(CaC{{O}_{3}})
2- یکی از آلایندههای هوا که باعث تولید باران اسیدی میشود، گاز گوگرد تری اکسید است که مطابق واکنش زیر تولید میشود: 2S{{O}_{2}}(g)+{{O}_{2}}(g)\to 2S{{O}_{3}}(g)
اگر در شرایط معین \bar{R}({{O}_{2}})=0/01mol{{s}^{-1}} باشد، \overline{R}(S{{O}_{3}}) و \overline{R}(S{{O}_{2}}) را برحسب mol{{\min }^{-1}} حساب کنید.
\overline{R}({{O}_{2}})=0/01\frac{mol}{s}\times \frac{60s}{1\min }=0/6mol.{{\min }^{-1}}
\overline{R}(S{{O}_{2}})=2\overline{R}({{O}_{2}})\to \overline{R}(S{{O}_{2}})=2\times 0/6=1/2mol.{{\min }^{-1}}
سرعت مصرف S{{O}_{2}} و S{{O}_{3}} با یکدیگر برابر است. زیرا ضریبهای مولی این دو ماده با هم برابرند.
\overline{R}(S{{O}_{3}})=\overline{R}(S{{O}_{2}})=1/2mol.{{\min }^{-1}}
3- با توجه به نمودار زیر که تغییر مولهای نوعی رنگ غذا در واکنش با یک محلول سفیدکننده را نشان میدهد، به پرسشهای مطرح شده پاسخ دهید.
الف) مولهای واکنشدهنده (رنگ غذا) با گذشت زمان چه تغییری میکند؟ چرا؟
کاهش مییابد تا این که مقدار آن به صفر میرسد. زیرا نمودار یک منحنی نزولی را نشان میدهد.
ب) شیب نمودار مول زمان چه علامتی دارد؟ چرا؟ منفی، زیرا نمودار روند نزولی دارد.
پ) توضیح دهید چرا علامت منفی در رابطۀ زیر نوشته میشود.
زیرا مقدار واکنشدهندهها با زمان کاهش مییابد و مقدار \Delta n منفی است، بنابراین با ضرب در علامت منفی به یک عدد مثبت تبدیل میشود. زیرا سرعت واکنش همواره عددی مثبت است.
ت) سرعت متوسط مصرف رنگ غذا را برحسب مول بر دقیقه حساب کنید.
واکنش در زمان t=300s به اتمام میرسد. زیرا در این موقعیت منحنی به یک خط راست تبدیل میشود. از آنجا که زمان واکنش بر حسب ثانیه میباشد، و سؤال بر حسب mol.{{\min }^{-1}} خواسته است، بنابراین باید ثانیه را به دقیقه تبدیل نمود.
300s\div 60=5\min \begin{matrix} {} & {} & {} \\ \end{matrix}\frac{-(0-0/05mol)}{5\min }=0/01mol.{{\min }^{-1}}
خوراکیهای طبیعی رنگین، بازدارندههایی مفید و مؤثر
یافتهها و شواهد تجربی نشان میدهد که برنامۀ غذایی محتوی سبزیجات و میوههای گوناگون، نقش بازدارندگی مؤثری در برابر سرطانها و پیری زودرس دارند. این یافتهها دانشمندان و شیمیدانها را بر آن داشت تا بررسی کنند چه موادی در سبزیجات و میوهها این مهم را به عهده دارند. نتیجۀ پژوهشهای علمی نشان داد که این خوراکیها محتوی ترکیبهای آلی سیرنشدهای به نام ریز مغذیها هستند، ترکیبهایی که در حفظ سلامت بافتها و اندام دخالت دارند، هر چند نقش کامل این مواد هنوز به طور دقیق مشخص نشده است اما برخی از آنها به عنوان بازدارنده از انجام واکنش نامطلوب و ناخواسته به دلیل حضور رادیکالها جلوگیری میکنند. رادیکال، گونۀ پرانرژی و ناپایداری است که در ساختار خود، الکترون جفت نشده دارد، در واقع محتوی اتمهایی است که از قاعدۀ هشتتایی پیروی نمیکنند. بدیهی است که رادیکالها واکنشپذیری بالایی دارند. در بدن ما به دلیل انجام واکنشهای متنوع و پیچیده، رادیکالهایی به وجود میآیند که اگر به وسیلۀ باز دارندهها جذب نشوند، میتوانند با انجام واکنشهای سریع به بافتهای بدن آسیب برسانند. با این توصیف مصرف خوراکیهای محتوی بازدارندهها سبب خواهد شد که رادیکالها به دام بیفتند تا با کاهش مقدار آنها از سرعت واکنشهای ناخواسته کاسته شود (شکل 15).

در میان تارنماها (صفحهٔ ۸۹ کتاب درسی)
با مراجعه به منابع علمی معتبر دربارۀ ساختار و نقش بازدارندههایی مانند فلاوونوئید، آنتوسیانین، بتاکاروتن و ... در میوهها و سبزیجات محتوی آنها اطلاعاتی جمع آوری و در کلاس ارائه کنید.
فلاوونوئیدها: این مواد رنگی در بیشتر گیاهان وجود دارد. در طبیعت بسیار پراکنده بوده و صدها نوع (حدود 800 نوع) از آنها تاکنون شناسایی و مشخص شدهاند و این تعداد به سرعت روبهافزایش است. هستهی ساختمانی آنها از بنزوپیرن تشکیل شده است. اساساً در ساختمان آنها اسکلت فلاویلیوم وجود دارد و بر حسب اختلاف در اکسیداسیون حلقه مرکزی به گروههای آنتوسیانینها، فلاونها، فلاونولها و فلاوانولها تقسیم میشوند. در محدودهی طیف مرئی در ابتدا رنگ زرد را نشان میدهند سپس رنگهای نارنجی، قرمز و بنفش را نمایان میکنند.
یکی از ساختارهای موجود به قرار زیر است:
آنتوسیانین: آنتوسیانین از واژههای یونانی anthos به معنی گل و ky'aneos به معنی آبی، مشتق شده است. آنتوسیانینها جزو پرکاربردترین رنگدانههای گیاهی در صنعت غذا است. آنتوسیانینها ترکیبات محلول در آب بوده و به گروه از فلاوونوئیدهای پلیفنول تعلق دارند که مسئول رنگ قرمز، ارغوانی و آبی در اندامهای گیاهی مانند میوه، گل و برگ هستند. جایی که یک گروه قند مانند گلوکز، گالاکتوز، رامنوز، زایلوز یا آرابینوز در اتصال با یک آگالیکون حضور داشته باشد، آنتوسیانین به صورت طبیعی به شکل گلیکوزید در میآید. یا به عبارت دیگر این رنگدانههای طبیعی گلیکوزیدهایی هستند که یک قند، معمولاً گلوکز به کربن شماره 3 آنها متصل است.
حدوداً 17 آنتوسیانین در طبیعت یافت میشوند اما فقط 6 تای آنها به وفور گسترش یافتهاند. سیانیدین (cy)، دلفینیدین (dp)، پتونیدین (pt)، پئونیدین (peo)، پلارگونیدین (pl) و مالویدین (mv).
بتاکاروتن: بتاکاروتن رنگدانههای قرمز پرتقالی هستند که در گیاهان و میوهها به خصوص هویج و سبزیجات رنگی یافت میشوند. کلمهی بتاکاروتن از کلمهی یونانی بتا و کاروت لاتین تشکیل شده است. H.Wachenroder در سال 1831 بتاکاروتن را از ریشه هویج به صورت کریستالی استخراج و آن را کاروتن نامید. فرمول شیمیایی بتاکاروتن {{C}_{40}}{{H}_{56}} میباشد در سال 1907 کشف شد. بدن انسان بتاکاروتن را به ویتامین A یا رتینول تبدیل میکند و از این رو از آن به عنوان پیشساز ویتامین A یاد میشود. ما به این ویتامین برای سلامت پوست، غشای موکوسی، سیستم ایمنی و بینایی بهتر نیازمندیم. بتاکاروتن خودبهخود یک ماده حیاتی برای بدن نیست ولی ویتامین A لازم و ضروری است. ویتامین A اگر به مقدار زیاد مصرف شود، سمی است.بتاکاروتن مانند کاروتنوئیدهای دیگر یک آنتیاکسیدان است و از اکسیدشدن مولکولها جلوگیری کرده و از ایجاد رادیکالهای آزاد پیشگیری میکند. یکی از ساختارهای بتاکاروتن به شکل زیر میباشد:
خود را بیازمایید (صفحهٔ ۹۰ کتاب درسی)
در نمودار داده شده، منحنی A نشان دهندۀ تغییر مولهای یکی از مواد فراورده در واکنش فرضی است. با دلیل مشخص کنید کدام منحنی B) یا (C نشاندهندۀ افزودن بازدارنده و کدام یک نشان دهندۀ افزودن کاتالیزگر به سامانۀ واکنش است؟
منحنی B، افزودن کاتالیزگر را نشان میدهد، زیرا شیب بیشتری دارد و واکنش با سرعت بیشتری انجام میشود. منحنی C، افزودن بازدارنده را نشان میدهد، زیرا این منحنی شیب کمتری دارد.
سرعت واکنش
دریافتید که شیب نمودار مول زمان برای هر یک از شرکت کنندهها در واکنش، متناسب با ضریب استوکیومتری آن است. به طوری که اگر ضریب استوکیومتری شرکت کنندهها یکسان نباشد، سرعت متوسط آنها متفاوت خواهد بود. شیمیدانها برای درک آسان پیشرفت واکنش در واحد زمان، از یک مفهوم کاربردی به نام سرعت واکنش استفاده میکنند.
با هم بیندیشیم (صفحهٔ ۹۰ کتاب درسی)
1- سرعت متوسط تولید گاز آمونیاک در شرایط معینی بر اساس معادله واکنش زیر در گسترۀ زمانی معینی برابر با 4\times {{10}^{2}}mol{{s}^{-1}} است. {{N}_{2}}(g)+3{{H}_{2}}(g)\to 2N{{H}_{3}}(g)
الف) سرعت متوسط مصرف {{N}_{2}}(g) و {{H}_{2}}(g) را در این گسترۀ زمانی حساب کنید.
\overline{R}({{H}_{2}}) \begin{matrix} \frac{\overline{R}(N{{H}_{3}})}{2}=\frac{\overline{R}({{H}_{2}})}{3} \\ \frac{4\times {{10}^{-2}}}{2}=\frac{\overline{R}({{H}_{2}})}{3} \\ \overline{R}({{H}_{2}})=6\times {{10}^{-2}}mol.{{s}^{-1}} \\ \end{matrix} |
\overline{R}({{N}_{2}}) \begin{matrix} \frac{\overline{R}(N{{H}_{3}})}{2}=\frac{\overline{R}({{N}_{2}})}{1} \\ \frac{4\times {{10}^{-2}}}{2}=\frac{\overline{R}({{N}_{2}})}{1} \\ \overline{R}({{N}_{2}})=2\times {{10}^{-2}}mol.{{s}^{-1}} \\ \end{matrix} |
ب) سرعت متوسط تولید یا مصرف هر شرکتکننده را به ضریب استوکیومتری آن تقسیم کنید. از حاصل این تقسیمها چه نتیجهای میگیرید؟
\frac{\overline{R}(N{{H}_{3}})}{2}=\frac{4\times {{10}^{-2}}}{2}=2\times {{10}^{-2}} ، \frac{\overline{R}({{N}_{2}})}{(1)}=\frac{2\times {{10}^{-2}}}{1}=2\times {{10}^{-2}} ، \frac{\overline{R}({{H}_{2}})}{3}=\frac{6\times {{10}^{-2}}}{3}=2\times {{10}^{-2}}
نتیجه: همانطور که دیده میشود، سرعت متوسط برای هر سه ماده یکسان است. بنابراین در این واکنش معین، سرعت کلی واکنش همواره عددی ثابت میباشد.
پ) حاصل تقسیم در قسمت ب، سرعت واکنش نام دارد. برای این واکنش با استفاده از سرعت متوسط تولید یا مصرف مواد شرکت کننده، رابطۀ سرعت واکنش را بنویسید.
R=\frac{\overline{R}(N{{H}_{3}})}{2}=\frac{\overline{R}({{H}_{2}})}{3}=\frac{\overline{R}({{N}_{2}})}{1}
ت) ارتباط معادلۀ شیمیایی موازنه شده واکنش را با رابطۀ صفحه بعد توضیح دهید.
از تقسیم کردن سرعت متوسط مواد شرکت کننده در واکنش بر ضریب آنها در معادلهی موازنه شده، سرعت واکنش به دست میآید.
ث) سرعت متوسط کدام ماده با سرعت واکنش برابر است؟ توضیح دهید.
نیتروژن، هرگاه مادهای دارای ضریب مولی 1 باشد (در معادله موازنه شده)، سرعت متوسط آن با سرعت واکنش برابر میشود.
=+\frac{\Delta n(N{{H}_{3}})}{2\Delta t}=-\frac{\Delta n({{H}_{2}})}{3\Delta t}=-\frac{\Delta n({{N}_{2}})}{\Delta t} (واکنش) \overline{R}
2- قند موجود در جوانه گندم (مالتوز) مطابق واکنش زیر به گلوکز تبدیل میشود.
{{C}_{12}}{{H}_{22}}{{O}_{11}}(aq)+{{H}_{2}}O(l)\to 2{{C}_{6}}{{H}_{12}}{{O}_{6}}(aq)
این واکنش در دمای ثابت و شرایط معین بررسی شده و جدول زیر، دادههای تجربی آن را نشان میدهد. با توجه به آن و نمودار داده شده، به پرسشهای زیر پاسخ دهید.
زمان (دقیقه) | غلظت مولی (mol{{L}^{-1}}) | 0 | 1 | 3 | 7 | 14 |
---|---|---|---|---|---|---|
\left[ {{C}_{6}}{{H}_{12}}{{O}_{6}} \right] | 0 | 0/01 | 0/02 | 0/03 | 0/04 | |
\left[ {{C}_{12}}{{H}_{22}}{{O}_{11}} \right] | 0/10 | 0/095 | 0/09 | 0/085 | 0/08 |
الف) در سه دقیقۀ نخست، (گلوکز) \overline{R} و (مالتوز) \overline{R} را برحسب mol{{L}^{-1}}{{s}^{-1}} حساب کنید.
از آنجا که واحد بر حسب ثانیه خواسته شده است، باید دقیقه را به ثانیه تبدیل نمود: t=3\times 60=180s
\overline{R}({{C}_{12}}{{H}_{22}}{{O}_{11}})=-\frac{(0/09-0/10)}{180s}=\frac{0/01}{180}=5/5\times {{10}^{-5}}mol{{L}^{-1}}{{S}^{-1}} مالتوز
\overline{R}({{C}_{6}}{{H}_{12}}{{O}_{6}})=-\frac{0/02-0}{180s}=\frac{0/02}{180}=1/1\times {{10}^{-4}}mol{{L}^{-1}}{{S}^{-1}} گلوکز
ب) سرعت واکنش را در هفت دقیقه نخست و هفت دقیقه دوم حساب کنید. کدام یک بیشتر است؟ چرا؟
1st7\min :\begin{matrix}
{} & {} \\
\end{matrix}\overline{R}({{C}_{12}}{{H}_{22}}{{O}_{11}})=-\frac{(0/085-0/10)}{7-0}=\frac{0/015}{7}=0/00214mol.{{\min }^{-1}}{{L}^{-1}}
2st7\min :\begin{matrix}
{} & {} \\
\end{matrix}\overline{R}({{C}_{12}}{{H}_{22}}{{O}_{11}})=-\frac{(0/085-0/085)}{14-7}=\frac{0/005}{7}=0/00714mol.{{\min }^{-1}}{{L}^{-1}}
سرعت واکنش در هفت دقیقهی نخست بیشتر از هفت دقیقه دوم است. زیرا در هفت دقیقهی اول غلظت مواد واکنشدهنده نسبت به هفت دقیقه دوم بیشتر است و واکنش با سرعت بیشتری پیش میرود.
پ) هر یک از منحنیهای a و b مربوط به کدام ماده شرکت کننده است؟ توضیح دهید. منحنی a: مالتوز و منحنی b: گلوکز