درسنامه آموزشی شیمی (1) کلاس دهم رشته ریاضی و تجربی
فصل سوم: آب کره
سیاره ما با جوی سرشار از اکسیژن و سطحی پوشیده از آب فراوان همانند سفینهای مجهز و بسیار بزرگ است. سفینهای که میلیاردها مسافر خود را با منابع عظیم آب و آذوقه که در سرتاسر آن گسترده شده است، رایگان به سفر آفاق میبرد. این مروارید آبی در سامانۀ خورشیدی، امنترین جا برای زندگی ما و دیگر جانداران و نیز پهناورترین زیستگاه برای آبزیان به شمار میرود. در این سیارۀ آبی رنگ، یکی از زیباترین جلوههای آفرینش، آب است. آبی که با گذر از هر راهی در زمین از روی هزاران هزار سنگ و سنگریزه بیهیچ مِنّتی همراهانی را با خود تا دور دست میبرد و در گذر پر پیچ و خم خود به هر جا، حتی درون یاختههای موجودات زنده نیز راه مییابد.
با اینکه آب در جایجای گیتی، نماد زندگی است، اما، امروزه این واژه یک زنگ خطر و بیدار باش برای اصلاح رفتار ما در راستای حفظ و مصرف بهینه از منابع آن است.
زمین در فضا به رنگ آبی دیده میشود؛ زیرا نزدیک به 75 درصد سطح آن را آب پوشانده است؛ به گونهای که جرم کل آبهای روی کرۀ زمین در حدود $1/5\times {{10}^{18}}$ تن برآورد میشود (شکل 1). بخش عمدهٔ این آب در اقیانوسها و دریاها توزیع شده است، به گونهای که اگر کرهٔ زمین را مسطح در نظر بگیریم، آب، همۀ سطح آن را تا ارتفاع 2 کیلومتر میپوشاند.
آیا میدانید
چرخۀ آب سالانه $4/2\times {{10}^{14}}$ تن آب را در سراسر کرۀ زمین جابهجا میکند.
آب اقیانوسها و دریاها مخلوطی همگن است که اغلب مزهای شور دارد، زیرا مقدار قابل توجهی از نمکهای گوناگون در آن حل شده است. برآوردها نشان میدهند که $5 \times 10^{16}$ تن نمک در آب اقیانوسها و دریاها وجود دارد و سالانه میلیاردها تن مواد گوناگون از سنگ کره نیز وارد آبکره میشوند. از آنجا که جرم کل مواد حل شده در آبهای کره زمین تقریباً ثابت است، پس باید همین مقدار ماده نیز از آب دریاها و اقیانوسها خارج شوند.
کرۀ زمین را میتوان سامانهای بزرگ در نظر گرفت که شامل چهار بخش هواکره، آبکره، سنگکره و زیستکره است (شکل 2).
درون این سامانه و بین این چهار بخش، پیوسته مواد گوناگونی مبادله میشود؛ برای نمونه سالانه حجم عظیمی از آب دریاها بخار و وارد هواکره میشود و به صورت بارش در آبکره یا سنگکره فرود میآید. جانداران آبزی سالانه میلیاردها تن کربندیاکسید را وارد هواکره و مقدار بسیار زیادی از گاز اکسیژن محلول در آب را مصرف میکنند. فعالیتهای آتشفشانی سبب میشود گازهای گوناگون و مواد شیمیایی جامد به صورت گرد و غبار وارد هواکره شوند. لاشۀ جانوران و گیاهان بر اثر واکنشهای شیمیایی تجزیه شده و به صورت مولکولهای کوچکتری وارد آبکره، هواکره یا سنگکره میشوند. همچنین جانداران سالانه مقدار بسیار زیادی از ترکیبهای کربندار را وارد بخشهای گوناگون کرۀ زمین میکنند.
خود را بیازمایید (صفحهٔ 87 کتاب درسی)
1- در مورد مواد موجود در آب دریا به پرسشهای زیر پاسخ دهید:
آ) چند نمونه از این مواد را نام ببرید.
1- آ) انواع نمکها مانند کلریدها، برمیدها، نیتراتها، کربناتها و... یونهای سدیم و منیزیم وکلسیم و... و گازهای اکسیژن و نیتروژن، کربن دیاکسید.
ب) این مواد از کجا میآیند؟ توضیح دهید.
ب) منشأ نمکها و املاح موجود درآب دریا: بستر و مسیری که آبها از آن میگذرند مواد شیمیایی مختلف را در خود حل میکنند (فرسایش زمین) گاز $O_2$، $CO_2$ و $N_2$ از هوا کره و همچنین اکسیژن از طریق فتوسنتز گیاهان دریایی هم تولید میشود.
2- این عبارت را که «زمین از دیدگاه شیمیایی پویاست» توضیح دهید.
وجود چرخههای گوناگون مواد مانند چرخهی آب، چرخهی نیتروژن و چرخه کربن و... نشانه پویایی است و مواد گوناگون میان بخشهای مختلف کره زمین (هوا کره، آب کره، زیست کره) جابهجا میشوند.
3- در جدول زیر نام، نماد شیمیایی و مقدار برخی یونهای حل شده در آب دریا نشان داده شده است.
| نام یون | کلرید | سدیم | سولفات | منیزیم | کلسیم | پتاسیم | کربنات | برمید |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| نماد یون | $Cl^{-}$ | $Na^{+}$ | $SO_{4}^{2-}$ | $Mg^{2+}$ | $Ca^{2+}$ | $K^{+}$ | $CO_{3}^{2-}$ | $Br^{-}$ |
| میلی گرم یون در یک کیلوگرم آب دریا | 19000 | 10500 | 2655 | 1350 | 400 | 380 | 140 | 65 |
آ) کاتیون عنصرهای کدام گروههای جدول دورهای در آب دریا وجود دارند؟
گروههای 1 و 2
ب) مقدار کدام آنیون در آب دریا از دیگر آنیونها بیشتر است؟
یون کلر $C^{-}$
پ) مقدار کدام کاتیون در آب دریا از دیگر کاتیونها بیشتر است؟
$Na^{+}$ (یون سدیم)
ت) وجود انواع یونها در آب دریا به دلیل انحلال نمکهای گوناگون در آن است. نام و فرمول چند ترکیب شیمیایی دوتایی را بنویسید که انحلال آنها باعث ورود یونهای کلرید و سدیم در آب دریا میشود.
$NaBr, MgCl_2, CaCl_2, NaCl, ...$
4- اگرچه 75 درصد سطح زمین را آب پوشانده است، اما 50 درصد جمعیت جهان از کمآبی رنج میبرند و 66 درصد از مردم جهان تا سال 2025 با کمبود آب روبهرو خواهند شد. با توجه به شکل زیر دلیل کمبود آب برای مردم جهان را توضیح دهید.
با توجه به شکل مقدار بسیار کمی از آبهای سطح زمین شیرین هستند و بیشتر آبها شورند (اقیانوسها 97/2٪) بنابراین توزیع آبها یکسان نیست.
بیشتر آبهای روی زمین شور است و نمیتوان از آنها در کشاورزی، مصارف خانگی و صنعتی استفاده کرد؛ از اینرو تهیۀ آب شیرین و آشامیدنی، همچنین آب قابل استفاده در کشاورزی، صنعت و دیگر حوزهها یکی از چالشهای اساسی در سطح جهان است. از سوی دیگر اقیانوسها، دریاها، دریاچهها و... منابع ارزشمندی برای تهیه و استخراج مواد شیمیایی گوناگون، تولید فراوردههای پروتئینی، مواد و وسایل تزیینی، تهیۀ داروهای گوناگون و... هستند. بنابراین ضروری است با افزایش دانش شیمی خود بتوان پاسخ پرسشهای زیر را یافت:
خواص فیزیکی و شیمیایی آب چیست؟ چرا برخی نمکها در آب دریا حل میشوند اما، برخی دیگر حل نمیشوند؟ آیا مواد شیمیایی موجود در آب دریا با یکدیگر، آبزیان و جانداران دریایی واکنش میدهند؟ مواد حل شده در آب دریا از کجا میآیند؟ کدام ویژگی آب سبب شده است تا زندگی در آبکره در زمستان و با وجود یخ زدن آب ادامه یابد؟ امید است با آموزش شیمی، شهروندانی آگاه و مسئولیت پذیرند تربیت شوند که با تکیه بر دانش، از منابع خدادادی به طور مناسب بهرهبرداری و استفاده منوده و در عین حال از ایجاد ردپاهای سنگین و بزرگ بر روی بخشهای گوناگون کرهٔ زمین جلوگیری نمایند.
آب باران در هوای پاک تقریباً خالص است، زیرا هنگام تشکیل برف و باران، تقریباً همۀ مواد حل شده در آب از آن جدا میشود. این فرایند، الگویی برای تهیۀ آب خالص است. فرایندی که تقطیر و فراوردۀ آن آب مقطر نام دارد.
همراهان ناپیدای آب
دریاها مخلوطی همگن از انواع یونها و مولکولها در آب هستند. نوع و مقدار مواد حل شده در دریاها با یکدیگر تفاوت دارند، زیرا آبهایی که به دریاها میریزند در مسیر خود از زمینهایی گذر میکنند که مواد شیمیایی گوناگون دارند.
اغلب چشمهها، قناتها و رودخانهها، آبی زلال و شفاف دارند که شیرین، گوارا و آشامیدنی است (شکل 3). آیا این آبها خالصاند یا ناخالص؟ آیا آبهای معدنی که از رشته کوههای البرز و زاگرس تهیه میشوند، ناخالصی دارند؟
کاوش کنید: وجود برخی یونها در آب (صفحهٔ 89 کتاب درسی)
ابزار، وسایل و مواد مورد نیاز: چند لولۀ آزمایش، قطره چکان، قاشقک، آب مقطر، نقره نیترات، سدیم فسفات، سدیم کلرید، سدیم سولفات، باریم کلرید و کلسیم کلرید.
آزمایش 1:
آ) یک لولۀ آزمایش بردارید و تا یک سوم حجم آن آب مقطر بریزید. سپس با استفاده از قاشقک چند بلور کوچک سدیم کلرید به آن بیفزایید. لولۀ آزمایش را تکان دهید. مشاهدۀ خود را بنویسید.
سدیم کلرید در آب حل میشود.
ب) لولۀ آزمایش دیگری بردارید و تا یک سوم حجم آن آب مقطر بریزید. سپس با استفاده از قاشقک چند بلور نقره نیترات به آن بیفزایید. لولۀ آزمایش را تکان دهید. مشاهدۀ خود را بنویسید.
نقره نیترات در آب حل میشود.
پ) اکنون با استفاده از قطره چکان، چند قطره از محلول نقره نیترات تهیه شده را درون محلول سدیم کلرید بریزید. مشاهدۀ خود را بنویسید. از این آزمایش چه نتیجهای میگیرید؟
ماده نامحلول (رسوب) سفید رنگ تشکیل میشود.
نتیجه: یکی از راههای شناسایی یون کلرید، استفاده از محلول نقره نیترات (یون نقره) است.
ت) با توجه به شکل زیر، معادلۀ شیمیایی واکنش را بنویسید و آن را موازنه کنید.
$NaCl(aq)+AgN{{O}_{3}}(aq)\to AgCl(s)+NaN{{O}_{3}}(aq)$
آزمایش 2:
آ) آزمایش 1 را با سدیم فسفات ($Na_3PO_4$) و کلسیم کلرید تکرار کنید. مشاهدۀ خود را بنویسید.
سدیم فسفات و کلسیم کلرید هر دو در آب حل میشوند. با مخلوط کردن این دو محلول ماده نامحلولی تشکیل میشود.
نتیجه: یکی از راههای شناسایی یون کلسیم، استفاده از آنیون فسفات است.
ب) هرگاه بدانید که کلسیم فسفات، $C{{a}_{3}}{{(P{{O}_{4}})}_{2}}$ و سدیم کلرید فراوردههای واکنش هستند، معادلۀ شیمیایی واکنش انجام شده را بنویسید و موازنه کنید.
سدیم کلرید + کلسیم فسفات → سدیم فسفات + کلسیم کلرید
$3CaCl_2(aq)+2Na_3PO_4(aq) \to Ca_3(PO_4)_2(s)+6NaCl(aq)$
رسوب سفید
آزمایش 3:
دانش آموزی برای شناسایی یون باریم در محلول آبی، آزمایشی طراحی کرده است. شکل زیر نمایی از آن را نشان میدهد.
آ) این آزمایش را انجام دهید.
ب) معادلۀ شیمیایی واکنش انجام شده را بنویسید و موازنه کنید.
یک سوم لولهی آزمایش را آب مقطر ریخته و مقداری باریم کلرید به آن میافزاییم و لوله آزمایش را تکان میدهیم تا حل شود. در لولهی دیگری مقداری سدیم سولفات ریخته را به آب اضافه کرده و مشاهده میکنیم که حل میشود. سپس این دو محلول را با هم مخلوط میکنیم رسوب سفید رنگ باریم سولفات تشکیل میشود.
$BaCl_2(aq)+Na_2SO_4(aq) \to Ba_3SO_4(s)+6NaCl(aq)$
رسوب سفید
آزمایش 4:
از یک منبع آب آشامیدنی (آب شیر، آب معدنی، آب چشمه یا آب قنات) دو نمونه تهیه کنید، سپس با انجام آزمایش، وجود یونهای کلرید و کلسیم را در آنها بررسی کنید.
شناسایی یون کلرید ← با نقره نیترات
شناسایی یون کلسیم ← با سدیم فسفات
رسوب سفید نقره کلرید از واکنش محلول نقره نیترات با محلول سدیم کلرید تشکیل میشود.
آب آشامیدنی، مخلوطی زلال و همگن بوده، حاوی مقدار کمی از یونهای گوناگون است (شکل 4). برخی از این یونها به طور طبیعی در آب حل شده است و برخی دیگر در مراکز تأمین آب آشامیدنی سالم به آن افزوده میشود. برای نمونه به آب آشامیدنی، مقدار بسیار کمی یون فلوئورید میافزایند، زیرا وجود این یون سبب حفظ سلامت دندانها میشود.
برخی از یونهای موجود در آب آشامیدنی، مانند $C{{a}^{2+}}$، $C{{l}^{-}}$، $N{{a}^{+}}$ و ${{F}^{-}}$ تک اتمی هستند، درحالی که برخی دیگر مانند یون نیترات $(NO_{3}^{-})$ و یون سولفات $(SO_{4}^{2-})$ از چند اتم تشکیل شدهاند. این یونها را یونهای چند اتمی مینامند. پتاسیم سولفات ترکیبی یونی است که هر واحد آن شامل دو یون تک اتمی پتاسیم و یک یون چند اتمی سولفات است (شکل 5).
برای نوشتن فرمول شیمیایی این ترکیبها، نخست نماد کاتیون را سمت چپ و فرمول شیمیایی آنیون را در سمت راست مینویسند. با توجه به اینکه یک ترکیب یونی خنثی است، تعداد کاتیونها و آنیونها را مشخص میکنند و به صورت زیروند در سمت راست هر یون قرار میدهند (شکل 6).
خود را بیازمایید (صفحهٔ 92 کتاب درسی)
1- جدول زیر را کامل کنید
| $OH^-$ یون هیدروکسید |
$CO_{3}^{2-}$ یون کربنات |
$SO_{4}^{2-}$ یون سولفات |
$NO_{3}^{-}$ یون نیترات |
$Cl^-$ یون کلرید |
آنیون / کاتیون |
|---|---|---|---|---|---|
| $ LiOH$ | $L{{i}_{2}}C{{O}_{3}}$ | $L{{i}_{2}}S{{O}_{4}}$ | $LiN{{O}_{3}}$ | $ LiCl$ | $Li^{+}$ یون لیتیم |
| لیتیم هیدروکسید | لیتیم کربنات | لیتیم سولفات | لیتیم نیترات | لیتیم کلرید | |
| $Mg(OH)_2$ | $MgC{{O}_{3}}$ | $MgS{{O}_{4}}$ | $Mg{{(N{{O}_{3}})}_{2}}$ | $MgC{{l}_{2}}$ | $Mg^{2+}$ یون منیزم |
| منیزم هیدروکسید | منیزیم کربنات | منیزیم سولفات | منیزیم نیترات | منیزیم کلرید | |
| $Fe(OH)_2$ | $FeC{{O}_{3}}$ | $FeS{{O}_{4}}$ | $Fe{{(N{{O}_{3}})}_{2}}$ | $FeC{{l}_{2}}$ | $Fe^{2+}$ یون آهن (II) |
| آهن $(II)$ هیدروکسید | آهن $(II)$ کربنات | آهن $(II)$ سولفات | آهن $(II)$ نیترات | آهن $(II)$ کلرید | |
| $Al(OH)_3$ | $A{{l}_{2}}{{(C{{O}_{3}})}_{3}}$ | $A{{l}_{2}}{{(S{{O}_{4}})}_{3}}$ | $Al{{(N{{O}_{3}})}_{3}}$ | $AlC{{l}_{3}}$ | $Al^{3+}$ یون آلومینیم |
| آلومینیم هیدروکسید | آلومینیم کربنات | آلومینیم سولفات | آلومینیم نیترات | آلومینیم کلرید | |
| $NH_4OH$ | ${{(N{{H}_{4}})}_{2}}C{{O}_{3}}$ | ${{(N{{H}_{4}})}_{2}}S{{O}_{4}}$ | $N{{H}_{4}}N{{O}_{3}}$ | $N{{H}_{4}}Cl$ | $(NH_{4}^{+})$ یون آمونیوم |
| آمونیوم هیدروکسید | آمونیوم کربنات | آمونیوم سولفات | آمونیوم نیترات | آمونیوم کلرید |
2- گیاهان برای رشد مناسب، افزون بر $CO_2$ و ${{H}_{2}}O$ به عنصرهایی مانند $N ،P ،S$ و ... نیاز دارند. آمونیوم سولفات یکی از کودهای شیمیایی است که دو عنصر نیتروژن و گوگرد را در اختیار گیاه قرار میدهد.
آ) از انحلال هر واحد آمونیوم سولفات در آب، چند یون تولید میشود؟ توضیح دهید.
از انحلال هر واحد آمونیم سولفات $(NH_4)_2 SO_4$ با توجه به فرمول آن 3 یون تولید میشود. (دو کاتیون و یک آنیون)
توجه: طبق نظر مولفان دانش آموزان دراین مرحله معادلهی تفکیک یونی را نمیدانند و باید پاسخ سؤال را با توجه به فرمول نویسی و طرح صفحه $98$ و $99$ داده شود.
ب) ساختار لوویس یونهای آمونیوم و سولفات را رسم کنید.
