درسنامه آموزشی شیمی (2) کلاس یازدهم رشته ریاضی و تجربی
هدایای زمینی
زمین، خانۀ ماست. نه! زمین، تنها خانۀ ماست. در آن زاده میشویم و زندگی میکنیم. زمین سرشار از نعمتها و هدایای پیدا و ناپیدای گوناگونی است که هر یک اندازۀ معینی دارد. هدایایی که انسان با شناخت و بهرهگیری از آنها توانسته است با ساختن ابزار و دستگاههایی به همۀ نقاط کرۀ زمین از قطب شمال تا جنوب، اعماق دریاها و اقیانوسها دست یابد و فضای دوردست و بیکران را نیز کشف کند. توانایی انسان در بیرون کشیدن موادی مانند نفت و فلزها به او این امکان را داده است تا سرپناهی ایمن و گرم برای زندگی خود فراهم سازد. دانش شیمی به ما کمک میکند تا ساختار دقیق این هدایا را شناسایی کنیم، به رفتار آنها پی ببریم و بهرهبرداری درست از آنها را بیاموزیم. باشد که دریابیم زمین، امانت خداست و دوستی با آن را باور کنیم.
مواد در زندگی ما نقشی شگرف و مؤثر دارند بهطوری که صنایع گوناگون مانند غذا، پوشاک، حمل و نقل، ساختمان، ارتباطات و هر بخش از زندگی ما کم و بیش تحت تأثیر مواد قرار دارند. اغراق نیست اگر رشد و گسترش تمدن بشری را در گروِ کشف و شناخت مواد جدید بدانیم. بررسی تمدنها از گذشته تاکنون نشان میدهد که توسعه جوامع انسانی به توانمندی افرادی هوشمند گره خورده است. آنان که توانستهاند برای رفع نیازهای خود و جامعه، موادی تولید کنند یا با دستکاری مواد، خواص آنها را تغییر دهند. انسانهای پیشین فقط از برخی مواد طبیعی مانند چوب، سنگ، خاک، پشم و پوست بهره میبردند، اما با گذشت زمان توانستند موادی مانند سفال را تولید و برخی فلزها را نیز استخراج کنند که خواص مناسبتری داشتند.
با گسترش دانش تجربی، شیمیدانها به رابطه میان خواص مواد با عنصرهای سازندۀ آنها پی بردند. آنها همچنین دریافتند که گرما دادن به مواد و افزودن آنها به یکدیگر سبب تغییر و گاهی بهبود خواص میشود. با این روند، آنها به توانایی انتخاب مناسبترین ماده برای یک کاربرد معین دست یافتند تا جایی که میتوانند موادی نو با ویژگیهای منحصر به فرد و دلخواه طراحی کنند. امروزه با رشد و توسعه فناوری، هزاران ماده تهیه و تولید شده که زندگی مدرن و پیچیده امروزی را ممکن کرده است (شکل 1).
خود را بیازمایید (صفحهٔ 3 کتاب درسی)
1- شکل زیر فرایند کلی تولید دوچرخه را نشان میدهد.
الف) دربارۀ این فرایند گفتوگو کنید.
دوچرخه به طور عمده از دو قسمت بدنۀ فلزی و لاستیکها تشکیل شده است. برای تولید بدنۀ فلزی، ابتدا سنگ معدن آهن و دیگر فلزات از معادن، فرآیند استخراج صورت میگیرد. در کارخانه با فرآوری این سنگهای ارزشمند فلزدار، به فلزهای مورد نظر و در برخی از موارد ساخت آلیاژهای مورد نظر در ساخت بدنۀ فلزی استفاده میشود.
به منظور ساخت لاستیکها، مراحل طی شده شامل: استخراج نفت از درون چاه، حمل نفت خام با لولههای نفتی یا ماشینهای حامل سوخت به پالایشگاه، پالایش نفت خام به مواد سادهتر در برج تقطیر و در نهایت حلقههای لاستیک در کارخانههای خاص مربوط ساخته میشود.
ب) آیا در فرایند تولید ورقههای فولادی و تایر دوچرخه، موادی دور ریخته میشوند؟ بله
پ) با گذشت زمان چه اتفاقی برای قطعههای دوچرخه میافتد؟
پس از گذر چند سال، بدنۀ فلزی در مجاورت رطوبت موجود در هوا، زنگ زده و پوسیده میشود. لاستیکها نیز بر اثر استفاده سائیده و پوسیده شده و غیرقابل استفاده میگردد.
2- شکل زیر نمایی از چرخۀ مواد را نشان میدهد. با توجه به آن به پرسشها پاسخ دهید:
الف) آیا جملۀ «همۀ مواد طبیعی و ساختگی از کرۀ زمین به دست میآیند» درست است؟ توضیح دهید.
بله، خاستگاه همۀ مواد از کرۀ زمین میباشد. مواد اولیه از سه بخش هواکره، آبکره و مهمتر از همه سنگکره به دست میآیند.
ب) موادی که از طبیعت به دست میآوریم، به چه شکلی به طبیعت باز میگردند؟
این مواد به مواد سادهتر تجزیه میشوند. برخی از این مواد برای محیط زیست و خاک نه تنها مضر نمیباشند، بلکه مفید هستند و به کود گیاهی تبدیل میشوند. اما برخی دیگر از مواد که از نفت به دست میآیند به سختی تجزیه میشوند و برای خاک مضر بوده و سبب از بین رفتن حاصلخیزی آن میشوند.
پ) آیا به تقریب جرم کل مواد در کرۀ زمین ثابت میماند؟ چرا؟
بله، زیرا مطابق قانون پایستگی ماده، در واکنشهای شیمیایی (به جز واکنشهای هستهای)، جرم کل مواد در قبل و بعد از انجام فرآیند ثابت باقی میماند.
ت) برخی بر این باورند که: «هر چه میزان بهرهبرداری از منابع یک کشور بیشتر باشد، آن کشور توسعه یافتهتر است.» این دیدگاه را در کلاس نقد کنید.
این دیدگاه دارای جنبههای مثبت و منفی میباشد:
جنبه مثبت وقتی اتفاق میافتد که مواد خام اولیه را به مواد با ارزشتر تبدیل کنند و به فروش برسانند که منجر به ورود ثروت به کشور میشود.
جنبه منفی هم از این جهت است که منابع اولیه هم روزی به اتمام میرسند و بهتر است که جایگزینهای مناسب و پربازده برای منابع خام اولیه در نظر گرفته شود.
3- نمودار زیر برآورد میزان تولید و مصرف نسبی برخی مواد را در جهان نشان میدهد.
با توجه به نمودار:
الف) در سال 2015 به تقریب چند میلیارد تن فلز در جهان استخراج و مصرف شده است؟
به تقریب حدود 7 میلیارد تن
ب) پیشبینی میشود که در سال 2030 به تقریب در مجموع چند میلیارد تن از این مواد استخراج و مصرف شوند؟
به تقریب و در مجموع حدود 72 میلیارد تن از مجموع این مواد (سوختهای فسیلی، فلزها و مواد معدنی) استخراج و مصرف خواهد شد.
پ) دربارۀ این جمله که: «زمین منبع عظیمی از هدایای ارزشمند و ضروری برای زندگی است» گفتوگو کنید.
بشر به منظور ادامهی حیات و زندگی، به ناچار از مواد اولیه موجود در زمین بهره گرفته تا با فرآوری آنها به مواد مناسبتر، در زمینههای مورد نیاز خویش از آنها استفاده نماید. بنابراین زمین منبع ارزشمندی از هدایای گوناگون خدادادی است.
دریافتید که زندگی روزانۀ ما به منابع شیمیایی وابسته است. صبحانۀ امروز خود را در نظر بگیرید، چای خود را با استکانی شیشهای نوشیدهاید که از شن و ماسه ساخته شده است، در ظرفی که از خاک چینی ساخته شده است، غذا خوردهاید و برای هم زدن چای از قاشقی استفاده کردهاید که از فولاد زنگنزن ساخته شده است. فولادی که پس از طی مراحل طولانی از سنگ معدن به دست میآید. همچنین برای طعم دادن به غذای خود، نمک به دست آمده از خشکی و دریا را روی آن پاشیدهاید؛ سبزیجات و میوههایی را خوردهاید که با استفاده از کودهای پتاسیم، نیتروژن و فسفردار رشد کردهاند. از سوی دیگر، سوختی را که با استفاده از آن خانه را گرم یا باک خودرو را پر میکنید، از دل زمین بیرون کشیدهاند.
با پیشرفت صنعت، شهرها و روستاها گسترش یافتند و سطح رفاه در جامعه بالاتر رفت. با این روند میزان مصرف منابع گوناگون نیز افزایش یافت، به گونهای که امروزه همۀ افراد جامعه در پی استفاده از تلفن همراه، خودروی شخصی و انواع وسایل الکترونیکی هستند. تأمین این نیازها به همراه تولید انواع دستگاهها و ابزارآلات صنعتی، نظامی، کشاورزی و دارویی، سبب شده است تا تقاضای جهانی برای استفاده از هدایای زمینی افزایش یابد، به گونهای که سالانه حجم انبوهی از منابع شیمیایی بهرهبرداری میشود. با این توصیف باید باور کنیم که زمین انباری از ذخایر ارزشمند است که بیهیچ منتی به ما هدیه شده است (شکل 2)، هرچند که این منابع به طور یکسان توزیع نشدهاند.
برآورد مقدار برخی منابع فلزی در جهان
در میان تارنماها (صفحهٔ 5 کتاب درسی)
با مراجعه به منابع اینترنتی معتبر دربارۀ میزان مصرف منابع شیمیایی گوناگون در جهان اطلاعاتی را جمع آوری کنید و به کلاس گزارش دهید.
هزاران سال است که انسان از مواد طبیعی گوناگون مانند چوب، سنگ، برخی از فلزها، پوست جانوران، پشم و ابریشم استفاده میکند. اما در صد سال گذشته با رشد چشمگیر جمعیت و گسترش و پیشرفت دانش و تکنولوژی، میزان بهرهوری از منابع طبیعی به بالاترین سطح خود رسیده است. بسیاری از منابع به طور یکنواخت در سراسر جهان توزیع نشدهاند و هیچ رابطهای هم میان این منابع و وسعت یک سرزمین و جمعیت آن وجود ندارد. به عنوان مثال کشور آفریقای جنوبی که تنها 0/8 درصد جمعیت و مساحت کره زمین را تشکیل میدهد، 68% کروم، 51% طلا، 34% الماس موجود در جهان را در خود جای داده است. یکنواخت نبودن پراکندگی منابع معدنی در جهان، عامل پیدایش تجارت جهانی است. زیرا کشورهایی که برخی منابع را ندارند آنها را از کشورهای دارای این منابع خریداری میکنند. بنابراین بین کشورهای مختلف صادرات و واردت انواع صورت میگیرد. بخش عمدهای از منابع شیمیایی مورد نیاز انسان از پوسته زمین تأمین میشود.
میزان تولید مواد شیمیایی در سال 2016 به روند صعودی خود ادامه داده است و به میزان 1/3 درصد رشد کرده است. روند بهبود رکود اقتصادی سال 2008 باعث افزایش تقاضا برای اتومبیل، مواد شیمیایی ساختمانی و تجهیزات تجاری شده است. همچنین با افزایش دسترسی مردم به تسهیلات ارزان قیمت، تقاضا برای انواع خودروهای سبک نیز افزایش یافته است. بنابراین، مواد شیمیایی پایه، لاستیک مصنوعی و مواد شیمیایی تخصصی، درصدر فهرست محصولات پرفروش قرار میگیرند. شرکتهای تولید کننده مواد شیمیایی ممکن است با کاهش قیمت برخی از محصولات مواجه شوند، «اما حتی با وجود پایین بودن قیمت نفت، صنعت تولید مواد شیمیایی هنوز هم جایگاه رقابتی قابل قبولی خواهد داشت، زیرا هزینه خوراک یعنی گاز طبیعی نیز به میزان قابل توجهی کاهش یافته است.» قیمت پایین محصولات کشاورزی نیز مانند نفت و گاز تقاضا برای محصولات شیمیایی کشاورزی را کاهش داده است، اما پیشبینی میشود که با افزایش قیمت محصولات کشاورزی این بخش از تقاضا نیز رشد کند.
| سال | 2014 | 2015 | 2016 |
|---|---|---|---|
| تولید ناخالص داخلی | 14 | 1/9 | 2/0 |
| تولید | 2/1 | 2/0 | 2/0 |
| تولید مواد شیمیایی (شامل محصولات دارویی) | 4/1 | 3/0 | 2/0 |
| تولید مواد شیمیایی (به جز محصولات دارویی) | 0/6 | 0/5 | 1/0 |
| محصولات دارویی | 8/6 | 5/0 | 3/5 |
اکنون این پرسش مطرح میشود که این هدایای زمینی به چه شکلی استفاده میشوند؟ آیا آنها به همان شکل مصرف میشوند یا آنها را به عنصرهای سازنده تبدیل میکنند، سپس به کار میبرند؟ چگونه میتوان تشخیص داد که در یک نمونه سنگ معدن، کدام عنصرها وجود دارد و به چه میزانی قابل استخراج است؟ روشهای استخراج و تهیۀ یک عنصر چیست؟ استخراج یک مادۀ شیمیایی چه آثاری روی محیط زیست برجای میگذارد؟ آیا مصرف مواد به صورت خام مقرون بهصرفه است یا فراوری شده؟ بهرهبرداری از هدایای زمینی بر چرخههای طبیعی چه اثری دارد؟ شیوههای حفظ و نگهداری این منابع ارزشمند برای آیندگان چیست؟ علم شیمی و شیمیدانها چه نقشی در استفاده از این منابع مبتنی بر توسعۀ پایدار دارند؟ شیمیدانها برای یافتن پاسخ این پرسشها، در پی کشف الگوها و روندهای موجود در رفتار مواد و عنصرها هستند.