درسنامه آموزشی شیمی (1) کلاس دهم رشته ریاضی و تجربی
فصل دوم: چه بر سر هواکره میآوریم؟
چه بر سر هواکره می آوریم؟
سبک زندگی انسان، نوع وسایلی که در زندگی استفاده میکند و رفتارهایی که در شرایط مختلف محیطی انجام میدهد، روی هواکره تأثیر میگذارد؛ برای مثال، نوع وسیله نقلیهای که برای رفتن به مدرسه، محل کار، سفر و... استفاده میکنیم، غذایی که میخوریم، وسایل گرمایشی و حتی مدت زمانی که موهای خود را با سشوار خشک میکنیم به دلیل مصرف انرژی الکتریکی، مقداری کربن دیاکسید وارد هواکره میکند و درصد گازهای هواکره را تغییر میدهد. در واقع سبک زندگی میتواند بیانگر میزان اثرگذاری هر یک از انسانها روی کرۀ زمین و هواکره باشد.
ردپا اصطلاحی است که به این اثر نسبت دادهاند. یکی از این ردپاها، ردپای کربن دیاکسید است. برای اینکه مقدار کربن دیاکسید در هواکره از مقدار طبیعی آن فراتر نرود، باید مقدار اضافی کربن دیاکسید به وسیلۀ گیاهان یا دیگر پدیدههای طبیعی مصرف شود. حال هرچه مقدار کربن دیاکسید وارد شده به طبیعت زیادتر باشد، ردپای ایجاد شده سنگینتر و اثر آن ماندگارتر خواهد بود؛ زیرا زمان لازم برای تعدیل این اثر به وسیله پدیدههای طبیعی طولانیتر است.
با هم بیندیشیم (صفحهٔ 66 کتاب درسی)
در جدول زیر روش به دست آوردن مقدار کربن دیاکسید وارد شده به هواکره برحسب برق مصرفی نشان داده شده است. با این فرض که برق خانگی شما را میتوان به روشهای گوناگون تأمین کرد (y میزان برق مصرفی خانۀ شما را نشان میدهد که از روی قبض برق میتوانید آن را مشخص کنید.) فرض کنید مصرف برق سالانه در خانه شما 4800 کیلووات ساعت است.
| ستون 6 | ستون 4 | ستون 3 | ستون 2 | ستون 1 |
|---|---|---|---|---|
| تعداد درخت لازم برای پاکسازی هواکره | مقدار کربن دیاکسید تولید شده در یکسال (کیلوگرم) | مقدار کربن دیاکسید تولید شده در یک سال (کیلوگرم) | منبع تولید برق | برق مصرفی در یک سال (کیلو وات ساعت) |
| 86/4 | 360 | $0/9\times y=4320$ | زغال سنگ | $y=4800$ |
| 67/2 | 280 | $0/7\times y=3360$ | نفت خام | |
| 34/56 | 144 | $0/36\times y=1728$ | گاز طبیعی | |
| 0/96 | 4 | $0/01\times y=48$ | باد | |
| 2/88 | 12 | $0/03\times y=144$ | گرمای زمین | |
| 4/8 | 20 | $0/05\times y=240$ | انرژی خورشید |
آ) ستونهای یک، سه و چهار جدول را کامل کنید.
ب) استفاده از کدام منبع برای تولید برق، کربن دیاکسید بیشتری تولید خواهد کرد؟
زغال سنگ
پ) چرا میزان کربن دیاکسید ایجاد شده از منابع گوناگون انرژی با هم تفاوت دارد؟ توضیح دهید.
زیرا منابع تولید انرژی برق متفاوت است، برخی از سوختهای فسیلی و برخی از انرژیهای پاک (مانند باد، خورشید و...) تأمین میشوند.
ت) حساب کنید که چند درخت تنومند نیاز است تا کربن دیاکسید وارد شده به هواکره در اثر برق مصرفی خانۀ شما، مصرف و هوا پاک سازی شود.
با توجه به اینکه در کشور ما بیشتر برق تولیدی از طریق نیروگاههایی با سوخت گاز طبیعی تولید میشود، بنابراین 23 درخت با میانگین قطر 29 تا 34 سانتیمتر نیاز است.
دانشمندان با استفاده از بالونهای هواشناسی، ماهوارهها، کشتیهای اقیانوسپیما و گویچههای شناور در دریاها که به حسگرهای دما مجهز هستند، پیوسته دمای کرۀ زمین را در سرتاسر نقاط آن رصد میکنند. شواهد نشان میدهند که در طول سدۀ گذشته میانگین دمای کرۀ زمین افزایش یافته است. این افزایش سبب شده تا شرایط آبوهوایی در نقاط گوناگون زمین تغییر کند. اکنون میپرسید چه عواملی سبب ایجاد این تغییر میشود؛ آیا گازهای موجود در هواکره میتوانند در آن نقش دارند؟ آیا رفتار و سبک زندگی ما سبب این تغییرها شده یا پدیدههای طبیعی عامل آن هستند؟
با هم بیندیشیم (صفحهٔ 67 کتاب درسی)
آمارها نشان میدهند که سالانه میلیاردها تن کربن دیاکسید به هواکره وارد میشود بهطوری که مقدار این گاز در سدۀ اخیر در هواکره به میزان قابل توجهی افزایش یافته است. نمودارهای زیر تغییر مقدار میانگین کربن دیاکسید در هواکره، میزان بالا آمدن سطح آب دریاها، تغییر میانگین دمای کرۀ زمین و میانگین مساحت برف در نیمکرۀ شمالی را نشان میدهند.
آ) توضیح دهید بین نمودار (1) با نمودارهای (2)، (3) و (4) چه ارتباطی وجود دارد؟
با افزایش غلظت $C{{O}_{2}}$ در هواکره که یکی از گازهای گلخانهای است. میانگین جهانی دمای سطح زمین افزایش مییابد. و در نتیجه ذوب یخ و برف زودتر شروع میشود و سطح آبها بالاتر میآید.
ب) شواهد نشان میدهند که فصل بهار در نیمکرۀ شمالی زمین، نسبت به 50 سال گذشته در حدود یک هفته زودتر آغاز میشود. علت را توضیح دهید.
با توجه به افزایش فعالیتهای صنعتی و افزایش تولید کربن دی اکسید یخچالهای قطبی ذوب شدهاند، سطح آبها افزایش یافته، خشکیها به زیر آب رفتهاند. بنابراین کرهی زمین گرم شده و فصل زمستان کوتاهتر شده است.
بویهها تجهیزات شناوری هستند که به منظور تشخیص مسیرهای ایمن دریایی، تعیین دمای آب، سرعت و جهت وزش باد و... در مسیرهای آبی قرار داده میشوند. آنها دادههای ثبت شده را از طریق ارتباطات ماهوارهای به مراکز هواشناسی ارسال میکنند.
اثر گلخانهای
آیا میدانید گلخانه و کشت گلخانهای چیست؟ گلخانه برای چه هدفی و چگونه ساخته میشود؟ گلخانهها، زمینهای کشاورزی ویژهای هستند که دور تا دور آنها را تا ارتفاع معینی با لایهای از پلاستیکهای شفاف میپوشانند و در آنها گیاهان و میوههای گوناگونی پرورش میدهند. در گلخانهها در چهارفصل سال به ویژه در زمستان، فراوردههای کشاورزی مانند قارچ، خیار، گوجهفرنگی، توتفرنگی و… کشت میشود (نمودار 1).
نور خورشید هنگام گذر از هواکره با مولکولها و دیگر ذرههای آن برخورد میکند و تنها بخشی از آن به سطح زمین میرسد. از این رو، زمین گرم میشود و مانند یک جسم داغ از خود پرتوهای الکترومغناطیس گسیل میدارد؛ با این تفاوت که انرژی پرتوهای گسیل شده، کمتر و طول موج آنها بلندتر است (شکل 18). اکنون میتوانید توضیح دهید چگونه لایۀ پلاستیکی سبب گرم شدن گلخانه میشود. همانطور که دریافتید کرۀ زمین با لایهای از گازها به نام هواکره احاطه شده است.
این لایه برای زمین همانند لایۀ پلاستیکی برای گلخانه است و سبب گرم شدن کرۀ زمین میشود، بهطوری که اگر این لایه وجود نداشت میانگین دمای کرۀ زمین به $-18^°C$ کاهش مییافت.
با این توصیف پرتوهای خورشیدی پس از برخورد به زمین دوباره با طول موجهای بلندتر به هواکره برمیگردند، اما برخی گازهای موجود در هواکره مانند $H_2O$ ، $CO_2$ و... مانع از خروج آنها میشوند و بدین ترتیب زمین را گرمتر میکنند. هرچه مقدار این گازها در هواکره بیشتر باشد، دمای زمین بالاتر خواهد رفت.
شیمی سبز، راهی برای محافظت از هوا کره
شیمی سبز شاخهای از شیمی است که در آن شیمیدانها در جستجوی فرایندها و فراوردههایی هستند که به کمک آنها بتوان کیفیت زندگی را با بهرهگیری از منابع طبیعی افزایش داد و همزمان از طبیعت محافظت کرد. در این راستا بایستی تولید و مصرف مواد شیمیایی را که ردپاهای سنگین روی کرۀ زمین برجای میگذارند، کاهش داد یا متوقف کرد.
تولید سوخت سبز
سوخت سبز، سوختی است که در ساختار خود افزون بر کربن و هیدروژن، اکسیژن نیز دارد و از پسماندهای گیاهی مانند شاخ و برگ گیاه سویا، نیشکر و دانههای روغنی به دست میآید. این مواد زیست تخریبپذیرند، از این رو به وسیلۀ جانداران ذرهبینی به مواد سادهتر تجزیه میشوند.
اتانول و روغنهای گیاهی نمونههایی از این نوع سوختها هستند.
تبدیل $CO_2$ به مواد معدنی
برای این منظور کربن دیاکسید تولید شده در نیروگاهها و مراکز صنعتی را با منیزیم اکسید یا کلسیم اکسید واکنش میدهند.
$\begin{matrix}
C{{O}_{2}}(g)+CaO(s)\xrightarrow{{}}CaC{{O}_{3}}(s) \\
C{{O}_{2}}(g)+MgO(s)\xrightarrow{{}}MgC{{O}_{3}}(s) \\
\end{matrix}$
تولید پلاستیکهای سبز
پلاستیکهای سبز (زیست تخریبپذیر)، پلیمرهایی هستند که بر پایۀ مواد گیاهی مانند نشاسته ساخته میشوند و به همین دلیل در ساختار آنها اکسیژن نیز وجود دارد. این پلاستیکها در مدت زمان نسبتاً کوتاهی تجزیه میشوند و به طبیعت باز میگردند.
دفن کردن کربن دیاکسید
کربن دیاکسید را میتوان به جای رها کردن در هواکره در مکانهای عمیق و امن در زیر زمین ذخیره و نگهداری کرد. سنگهای متخلخل در زیر زمین، میدانهای قدمیی گاز و چاههای قدیمی نفت که خالی از این مواد هستند، جاهای مناسبی برای دفن این گاز هستند.
راههای پیشنهادی گوناگون محافظت از هواکره. هر یک از راههای پیشنهادی چه مزایا، معایب و مشکلاتی دارند؟
در میان تارنماها (صفحهٔ 72 کتاب درسی)
با مراجعه به منابع علمی معتبر مانند تارنمای انجمن شیمی ایران و دیگر کشورها دربارۀ 12 اصل شیمی سبز، اطلاعاتی جمعآوری و نتیجه را به کلاس گزارش کنید.
اصل 1- پیشگیری از تولید فرآوردههای بیهوده
اصل 2- اقتصاد دائم، افزایش بهرهوری از اتم.
اصل 3- طراحی فرآیندهای شیمیایی کم آسیبتر
اصل 4- طراحی مواد و فرآوردههای شیمیایی سالمتر
اصل 5- بهرهگیری از حلالها و شرایط واکنشی سالمتر
اصل 6- افزایش بازده انرژی
اصل 7- بهرهگیری از مواد اولیه قابل بازگردانی
اصل 8- پرهیز از محصولات شیمیایی و استفاده از جایگزینها
اصل 9- بهره گیری از کاتالیزورها
اصل 10- طراحی برای تهیه مواد زیست تخریب پذیر
اصل 11- تخمین زمان واقعی یک واکنش برای پیشگیری از آلودگی
اصل 12- کاهش احتمالی حوادث ناگوار مانند آلودگی هوا
با هم بیندیشیم (صفحهٔ 72 کتاب درسی)
با توجه به تصویر زیر:
آ) چرا برخی از کشورها در پی تولید پلاستیکهای زیست تخریب پذیرند در حالی که قیمت تمام شدۀ تولید پلاستیکها با پایۀ نفتی در کارخانه بسیار کم است؟
زیرا پلاستیکها برای تخریب شدن زمان زیاد و تخریب خاک را به همراه دارند. بنابراین از نگاه زیست محیطی تولید پلاستیکهای زیست تخریبپذیر در گذر زمان به صرفهتر است.
ب) توضیح دهید چرا طراحان و متخصصان در شرکتهای بزرگ تولید خودرو و هواپیما، هزینههای هنگفتی صرف میکنند تا موتورهایی با انتشار کمترین مقدار $CO_{2}$ بسازند؟
گاز کربن دیاکسید یکی از گازهای گلخانهای بوده که افزایش این آلاینده در کرهی زمین سبب گرم شدن زمین و در پی آن مشکلات جدی زیست محیطی و نامساعد کردن شرایط زندگی برای آیندگان میشود.
اوزون، دگر شکلی از اکسیژن در هواکره
بررسیها نشان میدهد که عنصر اکسیژن به شکل دیگری نیز در هواکره یافت میشود که به اوزون شهرت دارد. اوزون، گازی با مولکولهای سه اتمی در لایههای بالایی هواکره (استراتوسفر) مانند پوششی کرۀ زمین را احاطه کرده، هر چند که مقدار آن در هواکره ناچیز است (شکل 19).
خود را بیازمایید (صفحهٔ 74 کتاب درسی)
با توجه به دگر شکلهای اکسیژن به پرسشهای زیر پاسخ دهید.
آ) ساختار لوویس هر یک را رسم کنید.
اکسیژن دارای دو دگر شکل مختلف است: ${{O}_{2}}$ و ${{O}_{3}}$
و برای مولکول${{O}_{2}}$ داریم:
ب) با توجه به شکل و جدول زیر خواص فیزیکی آنها را مقایسه کنید.
نقطه جوش اکسیژن کمتر از اوزون است. زیرا مولکول ${{O}_{2}}$ ناقطبی ولی مولکول ${{O}_{3}}$ قطبی و جاذبهی بین مولکولی در ${{O}_{3}}$ بیشتر است. همچنین علت دیگر نیز بالاتر بودن جرم مولی در ${{O}_{3}}$ است.
| نام دگر شکل | فرمول شیمیایی | جرم مولی | نقطه جوش $({}^\circ C)$ |
|---|---|---|---|
| اکسیژن | $O_2$ | 32 | 183- |
| اوزون | $O_3$ | 48 | 112- |
پ) در صنعت از گاز اوزون برای گندزدایی میوهها، سبزیجات و از بین بردن جانداران ذرهبینی درون آب استفاده میشود. آیا از این موضوع میتوان نتیجه گرفت که اوزون از اکسیژن واکنشپذیرتر است؟ چرا؟
بله، زیرا این مولکول به علت داشتن سطح انرژی بالاتر و ناپایدارتر بودن با سهولت بیشتری با موجودات ذرهبینی واکنش داده و این مواد را از بین میبرد.
ت) توضیح دهید آیا تفاوت رفتار این دو ماده را میتوان به این موضوع نسبت داد که: «ساختار هر ماده، تعیین کنندۀ خواص و رفتار آن است.»
بله، زیرا مولکول ${{O}_{2}}$ ناقطبی و متقارن ولی مولکول ${{O}_{3}}$ دارای ساختار خمیده، نامتقارن و در نتیجه قطبی است.
همان طور که دیدید در مولکول اوزون سه پیوند اشتراکی وجود دارد. هنگامی که تابش پر انرژی فرابنفش به این مولکول میرسد، پیوند اشتراکی بین دوتا از اتمهای اکسیژن میشکند و مولکول اوزون به یک اتم اکسیژن و یک مولکول اکسیژن تبدیل میشود.
ذرههای تولید شده میتوانند دوباره در واکنش با یکدیگر، مولکول اوزون را تولید کنند، اما در این واکنش، مقداری انرژی به صورت تابش فروسرخ آزاد میشود.
با تکرار پیوستۀ این دو واکنش، لایۀ اوزون بخش قابل توجهی از تابش فرابنفش را جذب میکند و تابشهای کم انرژیتر فروسرخ را به زمین گسیل میدارد.
در باتریهای قابل شارژ، واکنشهای شیمیایی برگشت پذیر رخ میدهد.
با هم بیندیشیم (صفحهٔ 74 کتاب درسی)
مجموعه واکنشهای لایۀ اوزون را میتوان با معادلۀ زیر نمایش داد:
$2{{O}_{3}}(g)\underset{(2)}{\mathop{\overset{(1)}{\mathop{\rightleftarrows }}\,}}\,3{{O}_{2}}(g)$
آ) شیمیدانها به واکنش در جهت (1)، واکنش رفت و به واکنش در جهت (2)، واکنش برگشت میگویند. اگر در لایۀ اوزون تنها واکنش (1) یا (2) انجام شود، چه فاجعهای رخ میدهد؟ توضیح دهید.
اگر فقط واکنش (1) انجام شود، منجر به تخریب لایهی اوزون میشود. (این لایه مانند سپری عمل کرده که از امواج مضر و خطرناک فرابنفش به زمین جلوگیری میکند.) و اگر فقط واکنش (2) انجام شود، میزان اکسیژن کاهش یافته و امکان تنفس در این لایه وجود نخواهد داشت.
ب) واکنش تبدیل اوزون به اکسیژن برگشتپذیر است. با این توصیف، واکنش برگشتپذیر و برگشتناپذیر را تعریف و چند مثال از آنها را در زندگی بیان کنید.
واکنش برگشت ناپذیر: واکنشی است که یک طرفه بوده و محصولات نمیتوانند به واکنش دهنده تبدیل شوند، مانند واکنش سوختن هیدروکربن.
واکنش برگشتپذیر: واکنشی است که دو طرفه بوده و با نماد $(\rightleftarrows )$ نشان داده میشود. به طوری که فرآوردهها میتوانند به واکنشدهندهها تبدیل شوند. مثال: واکنش تبدیل آب به بخار و بر عکس که از نوع تعادل فیزیکی است و همینطور واکنش تجزیهی نمکهای آبدار، که مثال دیگری از این واکنشها است.
پ) با توجه به برگشت پذیری واکنش تبدیل اوزون به اکسیژن، نقش محافظتی و ثابت ماندن مقدار اوزون را در لایۀ استراتوسفر توضیح دهید.
اوزون در واکنش برگشت خود به ${{O}_{2}}$ و $O$ تبدیل میشود. اکسیژن تک اتمی بسیار واکنشپذیر است که میتواند با برخی از گازها به سرعت واکنش دهد. بنابراین میبایست از تولید گازهایی مانند $CFC$ که منجر به تخریب ${{O}_{3}}$ میشوند جلوگیری به عمل آورد.
جالب است بدانید که اوزون در لایۀ تروپوسفر نیز یافت میشود. از آنجا که اوزون از اکسیژن واکنشپذیرتر است، این ماده، آلایندهای سمی و خطرناک به شمار میآید به طوری که وجود آن در هوایی که تنفس میکنیم، سبب سوزش چشمان و آسیب دیدن ریهها میشود. به دیگر سخن در تروپوسفر با نقش زیانبار و مضر اوزون مواجه هستیم در حالی که در استراتوسفر، نقش مفید و محافظتی اوزون آشکار است. اکنون این پرسش مطرح است که اوزون تروپوسفری از کجا میآید؟
گاز نیتروژن به عنوان اصلیترین جزءِ سازندۀ هواکره، واکنشپذیری بسیار کمی دارد و در طبیعت تنها هنگام رعد و برق با گاز اکسیژن ترکیب شده و به اکسیدهای نیتروژن تبدیل میشوند (شکل 20).
$\begin{matrix}
N{{2}_{{}}}(g)+{{O}_{2}}(g)\xrightarrow{{}}2NO(g) \\
2NO(g)+{{O}_{2}}(g)\xrightarrow{{}}2N{{O}_{2}}(g) \\
\end{matrix}$
از سوی دیگر در هوای آلودۀ شهرهای صنعتی و بزرگ، به مقدار قابل توجهی اکسیدهای نیتروژن وجود دارد. در واقع این گازها از واکنش میان گازهای نیتروژن و اکسیژن درون موتور خودرو در دمای بالا به وجود میآیند. از آنجا که گاز نیتروژن دیاکسید به رنگ قهوهای است، هوای آلوده کلان شهرها اغلب به رنگ قهوهای روشن دیده میشود (شکل 21).
در این هوای آلوده و در حضور نور خورشید، واکنش زیر رخ میدهد و مقداری گاز اوزون تولید میگردد. این اوزون، همان اوزون تروپوسفری است.
$N{O_2}(g) + {O_2}(g)\xrightarrow{{{\text{Sunlight}}}}NO(g) + {O_3}(g)$
برای شناخت بهتر هواکره و یافتن راهحلهای مناسب برای محافظت از آن باید رفتار و ویژگیهای ذرههای سازندۀ هواکره و واکنش میان آنها را به خوبی مطالعه کرد.