فرمول های شیمی دوازدهم در یک نگاه – رشته تجربی و ریاضی

۵۰ بازدید
آخرین به‌روزرسانی: ۱۴ بهمن ۱۴۰۳
زمان مطالعه: ۵۰ دقیقه
دانلود PDF مقاله
فرمول های شیمی دوازدهم در یک نگاه – رشته تجربی و ریاضیفرمول های شیمی دوازدهم در یک نگاه – رشته تجربی و ریاضی

فرمول های شیمی دوازدهم از مهم‌ترین مباحث پایه شیمی در دوره متوسطه هستند و یادگیری آن‌ها می‌تواند به یادگیری مفاهیم پیچیده‌تر شیمی و حل مسائل کنکور کمک کند. در کتاب شیمی دوازدهم مباحثی مانند ساختار صابون‌ها، اسید و باز آرنیوس، درجه یونش، مسائل ترمودینامیکی و استوکیومتری و ... بررسی می‌شود. در این مطلب از مجله فرادرس به بررسی و توضیح فرمول های شیمی دوازدهم می‌پردازیم.

فهرست مطالب این نوشته
997696

در ابتدای این مطلب به فرمول های شیمی دوازدهم فصل اول مانند فرمول برخی از قندها و صابون‌ها و ثابت تعادل می‌پردازیم. سپس به سراغ فرمول های شیمی دوازدهم فصل دوم می‌رویم و مواردی مانند واکنش‌های اکسایش کاهش و سلول‌های الکتروشیمیایی را بررسی می‌کنیم. در فرمول های شیمی دوازدهم فصل سوم الکترونگاتیوی و قطبیت مواد را بررسی می‌کنیم و در نهایت در بررسی فرمول های شیمی دوازدهم فصل چهارم به ترمودینامیک و برخی واکنش‌های آلی می‌پردازیم. با مطالعه این مطلب تا انتها می‌توانید فرمول های شیمی دوازدهم را به شکلی کامل بیاموزید.

فرمول های شیمی دوازدهم فصل اول

فرمول های شیمی دوازدهم فصل اول در جدول زیر خلاصه شده‌اند.

مبحث مورد نظرفرمول
فرمول همگانی قندهاCn(H2O)n\text{C}_n(\text{H}_2\text{O})_n
گروه عاملی هیدروکسیل(OH-)
فرمول شیمیایی گلوکزC6H12O6\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6
فرمول شیمیایی فروکتوزC6H12O6\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6
فرمول شیمیایی ساکارزC12H22O11\text{C}_{12}\text{H}_{22}\text{O}_{11}
فرمول شیمیایی مالتوزC12H22O11\text{C}_{12}\text{H}_{22}\text{O}_{11}
فرمول شیمیایی اتیلن گلیکولC2H6O2\text{C}_2\text{H}_6\text{O}_2
فرمول شیمیایی بنزینC8H18\text{C}_8\text{H}_{18}
فرمول شیمیایی اورهCH4N2O\text{CH}_4\text{N}_2\text{O}
فرمول شیمیایی روغن زیتونC18H34O2\text{C}_{18}\text{H}_{34}\text{O}_2
فرمول شیمیایی وازلینC25H52\text{C}_{25}\text{H}_{52}
فرمول همگانی صابون جامدRCOONa\text{RCOONa}
فرمول همگانی پاک کننده غیر صابونیCnH2n+1C6H4SO3Na\text{C}_n\text{H}_{2n+1}-\text{C}_6\text{H}_4-\text{SO}_3\text{Na}
فرمول همگانی اسید چربCnH2nO2\text{C}_n\text{H}_{2n}\text{O}_2
واکنش صابون و منیزیم کلریدRCOOH+MgCl2Mg(RCOO)2+2HCl\text{RCOOH} + \text{MgCl}_2 \rightarrow \text{Mg(RCOO)}_2 + 2\text{HCl}
واکنش صابون و کلسیم کلریدRCOOH+CaCl2Ca(RCOO)2+2HCl\text{RCOOH} + \text{CaCl}_2 \rightarrow \text{Ca(RCOO)}_2 + 2\text{HCl}
رنگ کاغذ لیتموسدر محلول اسیدی از آبی به قرمز

در محلول بازی از قرمز به آبی

اسید و باز آرنیوساسید آرنیوس در آب یون H+\text H^+ آزاد می‌کند.

باز آرنیوس در آب یون هیدروکسید منفی آزاد می‌کند.

فرمول شیمیایی یون هیدرونیومH3O+\text{H}_3\text{O}^+
واکنش گوگرد تری اکسید و آبSO3+H2OH2SO4\text{SO}_3 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{H}_2\text{SO}_4
واکنش کلسیم اکسید و آبCaO+H2OCa(OH)2\text{CaO} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Ca(OH)}_2
واکنش کربن دی اکسید و آبCO2+H2OH2CO3\text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{H}_2\text{CO}_3
واکنش سدیم اکسید و آبNa2O+H2O2NaOH\text{Na}_2\text{O} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{NaOH}
فرآیند یونشABA++BAB \rightarrow A^+ + B^-
درجه یونشتعداد کل مولکول‌های حل شده ÷ تعداد مولکول‌های یونیزه شده = درجه یونش
ثابت تعادلKeq=[C]c[D]d[A]a[B]bK_\text{eq} = \frac{[\text{C}]^c [\text{D}]^d}{[\text{A}]^a [\text{B}]^b}
ثابت تفکیک اسیدKa=[H+][A][HA]K_a = \frac{[\text{H}^+][\text{A}^-]}{[\text{HA}]}
فرمول محاسبه pHpH=log[H+]\text{pH} = -\log [\text{H}^+]

در ادامه به اختصار به توضیح و بررسی هریک از فرمول های شیمی دوازدهم فصل اول می‌پردازیم.

ساختار قندها

کلمه قند در شیمی و زیست شناسی به هیدروکربن‌هایی گفته می‌شود که داری فرمول شیمیایی Cn(H2O)n\text{C}_n(\text{H}_2\text{O})_n هستند. این قند‌ها که می‌توانند به اشکال مختلفی وجود داشته باشند، از پرکاربردترین هیدروکربن‌های موجود در زندگی هستند.

در ادامه، ساختار برخی از این قندها را بررسی خواهیم کرد.

گلوکز

گلوکز با فرمول شیمیایی C6H12O6\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 یکی از قند‌هایی است که در بسیاری از مواد غذایی وجود دارد. این قند به وسیله فرآیند فتوسنتز در گیاهان تولید می‌شود. این مولکول با داشتن گروه‌های هیدروکسیل، مولکولی قطبی است. شکل این مولکول به شکل زیر است.

ساختار یک مولکول شیمیایی - فرمول های شیمی دوازدهم
مولکول گلوکز

فروکتوز

فروکتوز از ۵ گروه هیدروکسیل و یک گروه کربونیل تشکیل شده است و ساختاری حلقه‌ای دارد. فروکتوز ایزومر ساختاری مولکول گلوکز است و از اتم کربن، ۱۲ اتم هیدروژن و ۶ اتم اکسیژن تشکیل شده است. این قند در ساختار بسیاری از میوه‌ها یافت می‌شود. این قند همچنین در مواد غذایی مانند عسل، نیشکر، ذرت و ... نیز یافت می‌شود. ساختار مولکول فروکتوز به شکل زیر است.

ساختار یک مولکول شیمیایی
مولکول فروکتوز

این مولکول نیز با داشتن گروه‌های هیدروکسیل، یک مولکول قطبی به شمار می‌رود..

ساکارز

شکر یا ساکارز یکی از پرکاربرد‌ترین انواع قند است که در مصارف خانگی و صنعتی بسیاری مورد استفاده قرار می‌گیرد. فرمول شیمیایی ساکارز به شکل C12H22O11\text{C}_{12}\text{H}_{22}\text{O}_{11} است. این ترکیب شیمیایی شامل گروه‌های هیدروکسیل در ساختار خود است و قطبی است. شکل مولکول این ماده مانند تصویر زیر است.

یک مولکول شیمیایی
مولکول ساکارز

مالتوز

مالتوز با فرمول شیمیایی C12H22O11\text{C}_{12}\text{H}_{22}\text{O}_{11} یکی دیگر از قندهای موجود در طبیعت است. این قند که ساختاری کریستالی، بدون بو و شیرین دارد در موادی مانند شکر یافت می‌شود. ساختار مولکولی این ماده به شکل زیر است.

ساختار یک مولکول شیمیایی
مولکول مالتوز

مالتوز از گروه‌های هیدروکسیل و اتر تشکیل شده و قطبی است.

گروه عاملی هیدروکسیل

یکی از مهم‌ترین فرمول های شیمی دوازدهم فرمول گروه هیدروکسیل است. گروه عاملی هیدروکسیل، یک گروه مولکولی متشکل از یک اتم اکسیژن و یک مولکول هیدروژن است که با تصال به زنجیره‌های هیدروکربنی، به آن‌ها خواص تازه‌ای میبخشد. گروه عاملی هیدروکسیل با عبارت (OH-) مشخص می‌شود. هنگامی که یک گروه هیدروکسیل به یک اتم متصل می‌شود، خواص مولکول‌های الکلی را به آن می‌بخشد. افزوده شدن گروه هیدروکسیل به یک زنجیره هیدروکربنی، باعث افزایش واکنش‌پذیری آن نیز می‌شود.

وجود گروه هیدروکسیل روی یک مولکول آلی باعث افزایش میزان حلالیت آن در آب می‌شود. زیرا آب یک حلال قطبی است و گروه هیدروکسیل، به قطبیت مولکول می‌افزاید. برای مثال، اتانول با فرمول شیمیایی (C2H6O\text{C}_2\text{H}_6\text{O}) یک مولکول ساده با گروه عاملی هیدروکسیل است که به دلیل وجود این گروه عاملی، در دمای اتاق به شکل مایع یافت می‌شود و به راحتی در آب حل می‌شود. در تصویر زیر، حضور گروه‌های هیدروکسیل را در مولکول گلوکز مشاهده می‌کنید.

یک ساختار شیمیایی با دایره‌های قرمز
گروه‌های هیدروکسیل در مولکول گلوکز

اتم اکسیژن در گروه هیدروکسیل به یک اتم کربن دیگر در زنجیره کربنی متصل می‌شود. این پیوند یک پیوند کووالانسی است. اتم هیدروژن در گروه هیدروکسیل با یک پیوند کووالانسی قطبی به اکسیژن متصل است. به دلیل اختلاف الکترونگاتیوی بین اتم‌های اکسیژن و هیدروژن در گروه عاملی هیدروکسیل، ترکیب این گروه عاملی، یک ترکیب قطبی است و به ماده‌ای که به آن متصل است، خواص قطبی می‌بخشد.

گروه عاملی هیدروکسیل در موادی مانند فنول، پروپانول، متانول و اتیلن گلیکول وجود دارد.

مولکول قطبی

مولکول قطبی مولکولی است که یک سمت آن کمی مثبت و سمت دیگر آن کمی منفی است. یک مولکول دو اتمی که از یک پیوند کووالانسی قطبی تشکیل شده باشد، یک مولکول قطبی محسوب می‌شود. دو سمت انتهایی مولکول که کمی بار مثبت یا منفی دارند، قطب‌های مولکول نامیده می‌شوند و به مولکولی که دو قطبی داشته باشد، مولکول دوقطبی گفته می‌شود.

برای مثال، مولکول هیدروژن فلوئورید، یک مولکول دو قطبی است که سر هیدروژن آن کمی مثبت و سر فلوئور آن کمی منفی است. مولکول‌های قطبی بر اثر اختلاف الکترونگاتیوی بین اتم‌های شرکت‌کننده در پیوند به وجود می‌آیند. این مولکول‌ها در یک میدان الکتریکی به شکلی جهت‌گیری می‌کند که قطبی منفی آن‌ها به سر مثبت میدان و قطب مثبت آن‌ها به سر منفی میدان جذب می‌شود.

چند دایره با قطبهای مثبت و منفی در دو مستطیل
مواد قطبی در حضور میدان الکتریکی

مشخص کردن بخش قطبی و غیر قطبی مولکول

برای مولکول‌هایی با بیش از دو اتم متفاوت، باید شکل مولکول برای برسی قطبیت آن در نظر گرفته شود. برای مثال، مولکول‌های کربن دی اکسید و آب هر دو مولکول‌هایی سه‌اتمی هستند. اما مولکول آب قطبی و مولکول کربن دی اکسید غیر قطبی است. این اختلاف به علت شکل مولکول و موقعیت جفت الکترون‌های غیر پیوندی در مولکول آب اتفاق می‌افتد. شکل این مولکول‌ها را در تصویر زیر مشاهده می‌کنید.

دو ساختار شیمیایی با فلش‌های آبی و قرمز
بررسی قطین مولکول آب و کربن دی اکسید

همانطور که مشاهده می‌کنید، به دلیل شکل خمیده مولکول آب، برآیند دوقطبی‌ها از سر مثبت به سر منفی برای مولکول آب به سمت اتم هیدروژن است. اما مولکول کربن دی اکسید، ساختاری خطی دارد و برآیند دوقطبی‌ها از سر مثبت به منفی پیوند‌ها، همدیگر را خنثی می‌کنند و در نهایت گفته می‌شود که مولکول کربن دی اکسید مولکولی غیر قطبی است. یک روش کلی برای بررسی نوع پیوند بین اتم‌ها وجود دارد که از مقایسه الکترونگاتیوی اتم‌ها در پیوند و به دست آوردن اختلاف آن‌ها به دست می‌آید. این روش تخمین نوع پیوند به شکل زیر است.

مقدار اختلاف الکترونگاتیوینوع پیوند
کمتز از ۰٫۴کاملا کووالانسی غیر قطبی
بین ۰٫۴ تا ۱٫۸کووالانسی قطبی
بیشتر از ۱٫۸کاملا یونی

بنابراین اگر در یک مولکول دو اتمی، اختلاف الکترونگاتیوی بین دو اتمی بین ۰٫۴ تا ۱٫۸ باشد، می‌توانیم بگوییم آن پیوند قطبی است. برای مثال، در مولکول سدیم کلرید که الکترونگاتیوی اتم کلر برابر با ۳ و الکترونگاتیوی اتم سدیم برابر با ۰٫۹ است، اختلاف الکترونگاتیوی برابر با ۲٫۱ است و می‌توانیم بگوییم مولکول کاملا یونی است.

برای درک بهتر مفهوم مولکول قطبی، قطبیت برخی از اتم‌ها را بر اساس شکل یا اختلاف الکترونگاتیوی پیوندهای آن‌ها بررسی می‌کنیم.

چند مولکول شیمیایی با اتم های دایره ای رنگی و فلش
بررسی قطبیت چند مولکول از روی شکل آن‌ها

قطبیت اتیلن گلیکول

اتیلن گلیکول که با نام ضد یخ نیز شناخته می‌شود، با فرمول شیمیایی C2H6O2\text{C}_2\text{H}_6\text{O}_2 نمایش داده می‌شود. این ماده با قطبیتی حدود ۰٫۷۹ حلالی قطبی به شمار می‌رود. قطبیت این ماده به علت وجود گروه‌های هیدروکسیل در ساختار آن است. ساختار این مولکول به شکل زیر است.

یک ساختار شیمیایی
مولکول اتیلن گلیکول

قطبیت نمک

نمک خوراکی یا سدیم کلرید از ترکیب دو اتم سدیم و کلر به دست آمده است. این مولکول شیمیایی در واقع از ترکیب دو یون سدیم مثبت و کلر منفی به دست می‌آید و پیوند بین این اتم‌ها از نوع یونی است. این پیوند‌ها به نمک خاصیت قطبیت زیادی می‌بخشند و به همین علت سدیم کلرید به راحتی در آب حل می‌شود. این نمک در دمای ۲۵ درجه سانتی‌گراد به اندازه ۳۶ گرم در آب حل می‌شود.

قطبیت بنزین

بنزین یا اوکتان با فرمول شیمیایی CH3(CH2)6CH3CH_3(CH_2)_6CH_3 یک آلکان راست زنجیر است. این ماده که تنها از پیوند‌های یگانه بین اتم‌های هیدروژن و کربن تشکیل شده است و تقریبا از تعداد زیادی اتم کربن تشکیل شده است، غیر قطبی است. ساختار این مولکول تقریبا متقارن است و اختلاف الکترونگاتیوی بین اتم‌های کربن و هیدروژن زیاد نیست و پیوند بین آن‌ها از نوع کووالانسی غیر قطبی به شمار می‌آید به همین علت گفته می‌شود که بنزین یک ترکیب غیر قطبی است. ترکیبات غیر قطبی در حلال‌های غیر قطبی آلی مانند اتر و تینر حل می‌شوند.

اوره

اوره مولکولی با فرمول شیمیایی CO(NH2)2\text{CO(NH}_2\text{)}_2 است که دارای دو گروه عاملی آمین و یک گروه عاملی کربونیل است. هر دو این گروه‌ها گروه‌هایی قطبی هستند و به مولکول اوره خواص قطبی میبخشند. شکل ساختار مولکول اوره به شکل زیر است. مولکول اوره در آب حل می‌شود.

ساختار یک مولکول شیمیایی

روغن زیتون

روغن زیتون یک مولکول هیدروکربن بلند زنجیر است که فرمول شیمیایی آن به شکل C57H104O6\text{C}_{57}\text{H}_{104}\text{O}_6 است. با ۵۷ مولکول کربن و ۱۰۴ مولکول هیدروژن، اثر الکترونگاتیوی ۶ اتم اکسیژن روی قطبیت کلی مولکول زیاد نیست و به همین علت روغن زیتون یک ماده غیرقطبی به حساب می‌آید. این ماده به علت قطبی نبودن در آب حل نمی‌شود.

وازلین

وازلین یک مولکول هیدروکربن با ۲۵ اتم کربن است. این مولکول که تنها از اتم‌های کربن و هیدروژن تشکیل شده است و هیدروکربنی بلند زنجییر است، یک مولکول غیرقطبی به حساب می‌آید. این مولکول در حلال‌های قطبی مانند آب حل نمی‌شود و تنها در روغن‌ها و حلال‌های غیرقطبی حل می‌شود. شکل مولکول وازلین به شکل زیر است.

یک مولکول شیمیایی خطی

حلال قطبی

حلال مایعی است که ماده حل شونده را در خود حل می‌کند و یک محلول را تشکیل می‌دهد. در یک محلول، حلال به آن قسمتی گفته می‌شود که قسمت بیشتر از محلول را تشکیل می‌دهد. حلال‌ها می‌توانند قطبی یا غیر قطبی باشند. حلال‌های قطبی، ممان‌های دو قطبی بزرگی دارند و اختلاف الکترونگاتیوی اتم‌های درگیر در پیوندهای آن‌ها نسبتا زیاد است.

این حلال‌ها معمولا از اتم‌هایی مانند اکسیژن و هیدروژن تشکیل شده‌اند مانند آب، الکل، استون و ... . حلال‌های غیر قطبی، موادی هستند که از اتم‌هایی با اختلاف الکترونگاتیوی کم تشکیل شده‌اند مانند کربن و هیدروژن. برای مثال، برخی از هیدروکربن‌های بلند زنجیر مانند گازوئیل، از حلال‌های غیر قطبی هستند.

اسید چرب

یکی دیگر از مهم‌ترین فرمول های شیمی دوازدهم، فرمول اسیدهای چرب است. اسیدهای چرب، هیدروکربن‌هایی به فرم کربوکسیلیک اسید با زنجیره کربنی طولانی هستند. طول زنجیره هیدروکربنی اسید‌های چرب ممکن است بین ۱۰ تا ۳۰ عدد کربن باشد. رایج‌ترین تعداد کربن در اسید‌های چرب بین ۱۲ تا ۱۸ اتم کربن است.

زنجیره هیدروکربنی آلکانی با پیوندهای یگانه در ساختار اسید چرب غیر قطبی است و سر گروه کربوکسیل آن قطبی است و در اسید‌های چرب با زنجیره کربنی کوتاه، سر اسیدی مولکول به زنجیره کربنی غلبه کرده و مولکولی قطبی میسازد. در حالی‌ که اسید‌های چرب با زنجیره کربنی طولانی، سر هیدروکربنی غیر قطبی قوی‌تر بوده و مولکول را غیرقطبی می‌سازد.

عملکرد صابون

تمامی صابون‌ها از ترکیب چربی‌ها و روغن‌ها با ترکیبات بازی (قلیایی) تشکیل شده‌اند. در واقع ترکیب شیمیایی صابون‌ها از نمک سدیم یا پتاسیم اسید‌های چرب بلند زنجیر تشکیل شده است که از ترکیب و هیدرولیز چربی‌ها با مواد قلیایی به دست می‌آیند. پیشنهاد می‌کنیم برای آموزش بیشتر درباره روش عملکرد صابون‌ها و پاک کننده‌ها، فیلم آموزش پاک‌کننده‌ها در شیمی پایه دوازدهم فرادرس که لینک آن در ادامه آورده شده است را مشاهده کنید.

صابون‌ها به عنوان تمیز کننده عمل می‌کنند. این خاصیت صابون‌ها به دلیل وجود دو سر مولکول‌های صابونی است که ساختاری متفاوت دارند. یک سر صابون‌ها با گروه کربوسیلات خاصیت یونی دارند و به آب متصل می‌شود. سر دیگر مولکول صابون، زنجیره بلند هیدروکربنی است که غیرقطبی است و از آب دوری می‌کند (آب‌گریز است) و در روغن حل می‌شود. نهایتا برآیند اثر این دو سر مولکول صابون باعث می‌شود که این مواد هم به آب و هم به روغن جذب شوند و به عنوان شوینده مورد استفاده قرار گیرند.

هنگامی که مولکول‌های صابون در آب پخش می‌شوند، زنجیره‌های هیدروکربنی بلند، به شکل خوشه‌ای به یکدیگر نزدیک شده و مرکز یک توپ آب دوست را تشکیل می‌دهند و سرهای یونی صابون، سطح بیرونی این توپ را تشکیل می‌دهند. این خوشه‌های کروی که با نام «میسل» شناخته می‌شوند می‌توانند قطرات روغن و آلودگی را گیر انداخته و به همراه آب از سطح مواد مختلف دور کنند.

آب دوست و آب‌ گریز

در شکل زیر می‌توانید سر آب دوست و آب‌گریز یک مولکول صابون را مشاهده کنید. روغن و گریس به سر آب‌گریز صابون یعنی زنجیره هیدروکربنی بلند متصل شده ویک کره کوچک از مولکول‌های صابون که از سر آب‌گریز به روغن متصل شده‌اند، آن را در بر می‌گیرند. سپس، به دلیلی آب دوست بودن سر دیگر مولکول‌های صابون و آب دوست بودن سطح بیرونی این کره‌های کوچک تشکیل شده، مولکول‌های روغن قابل انحلال در آب می‌شوند. در نتیجه می‌توان این ذرات را از آب به وسیله صابون‌ها زدود.

کره های قرمز و دم‌های طلایی - یک مولکول شیمیایی و آب و روغن

پاک کننده غیر صابونی

پاک‌کننده‌های غیرصابونی (دترجنت) به عنوان جایگزین صابون استفاده می‌شوند. باوجود کاربردی بودن صابون‌ها، این مواد محدودیت‌هایی نیز دارند. برای مثال اگر میزان سختی آب زیاد باشد، به دلیل بالا بودن غلظت یون‌های فلزی، ترکیبات سدیم کربوکسیلات به ترکیبات انحلال‌ناپذیر نمک منیزیم و کلسیم تبدیل می‌شوند و باعث به وجود آمدن لکه بر روی لباس‌ها یا سطوح مختلف می‌شوند.

شیمی‌دان‌ها برای حل این مشکل اقدام به سنتز شوینده‌هایی کردند که از ترکیبات هیدروکربنی بلند زنجیر با گروه آلکیل بنزن و سولفونات هستند. این ترکیبات مانند صابون‌ها عمل می‌کنند . سر آلکیل بنزن این شوینده‌ها روغن و آلودگی را جذب می‌کند و سر یونی سولفونات به آب جذب می‌شود. این ترکیبات با یون‌های فلزی ترکیب نشده و ترکیبات انحلال پذیر را تشکیل نمی‌دهند . شکل یک پاک‌کننده غیر صابونی را در زیر مشاهده می‌کنید.

یک مولکول شیمیایی

تشخیص خاصیت اسیدی و بازی با کاغذ pH

کاغذ pH برای تشخیص بازی یا اسیدی بودن یک محلول مورد استفاده قرار می‌گیرد. این کار به وسیله تماس ماده‌ای که اسیدی یا بازی بودن آن بررسی می‌شود با کاغذ پی اچ انجام می‌شود. تشخیص اسیدی یا بازی بودن ماده با تغییر رنگ کاغذ مورد ارزیابی قرار می‌گیرد.

کاغذ لیتموس یا تورنسول یک وسیله برای سنجش اسیدی یا بازی بودن محلول‌های مختلف است که در دو رنگ ارائه می‌شود و مشاهده تغییر رنگ‌های این کاغذ مشخص می‌کند که محلول یا ماده مورد آزمایش اسیدی است یا بازی. این دو رنگ و تغییر رنگ آن‌ها به شکل زیر است.

کاغذ لیتموس آبی

این کاغذ در شرایط اسیدی، به قرمز تغییر رنگ می‌دهد. محدوده تغییر PH برای این کاغذ زیر ۴٫۵ است. یعنی کاغذ لیتموس آبی در محیط‌های اسیدی با pH پایین‌تر از ۴٫۵ به قرمز تغییر رنگ می‌دهد. کاغذ لیتموس آبی در صورت قرار گرفتن در محیط‌های بازی یا خنثی تغییر رنگ نمی‌دهد و آبی باقی‌میماند. این تغییر رنگ‌ها در تصویر زین نشان داده شده‌اند.

دو کاغذ قرمز در یک ظرف که یکی از آن ها آبی شده است.
کاغذ لیتموس قرمز در محیط اسیدی و کاغذ لیتموس آبی در محیط اسیدی

کاغذ لیتموس قرمز

این کاغذ در شرایط قلیایی (بازی) به آبی تغییر رنگ می‌دهد. محدوده تغییر pH برای این کاغذ، بالای ۸٫۳ است. یعنی این کاغذ در محیط‌های بازی با pH بالاتر از ۸٫۳ به آبی تغییر رنگ می‌دهد. این کاغذ در صورت قرار گرفتن در محیط اسیدی یا خنثی تغییر رنگ نمی‌دهد.

دو کاغذ آبی در یک ظرف که یکی از آن‌ها قرمز شده است
کاغذ لیتموس آبی در محیط بازی و کاغذ لیتموس قرمز در محیط بازی

یکی از محدودیت‌های کاغذ لیتموس این است که نمی‌تواند مقدار دقیق pH را مشخص کند. به همین علت، در آزمایشگاه‌ها بیشتر از شناساگر جهانی استفاده می‌شود. شناساگر جهانی نیز از جنس کاغذ است و با قرار گرفتن در محلول‌های اسیدی و بازی تغییر رنگ می‌دهد. تغییر رنگ این شناساگر در تصویر زیر مشخص شده است. با قرار دادن این کاغذ‌ها در محیط آزمایش مورد نظر و سپس مقایسه آن با کاغذ راهنمای شناساگر، می‌تواند محدوده pH آن را با تخمین خوبی حدس زد.

یک کاغذ زرد و قرمز که کتار یک کاغذ راهنمای رنگی قرار گرفته است.
تشخیص pH با شناساگر جهانی

اسید و باز آرنیوس

یکی دیگر از مهم‌ترین فرمول های شیمی دوازدهم، اسید و باز آرنیوس است. طبق نظریه آرنیوس، اسید آرنیوس ماده‌ای است که غلظت یون هیدروژن مثبت را در محلول آبی افزایش می‌دهد. برای مثال، اسید کلریدریک که از یون‌های کلر منفی و هیدروژن مثبت تشکیل شده است، در صورت حل شدن در آب، غلظت یون‌های هیدروژن آب را افزایش می‌دهد و رنگ کاغذ پی اچ را به اسیدی تغییر می‌دهد. بنابراین، هیدروکلریک اسید، یک اسید آرنیوس به شمار می‌رود زیرا در صورت حل شدن در آب، یون (H+\text H^+) آزاد می‌کند. معادله تفکیک این اسید به شکل زیر است.

HCl(aq)H+(aq)+Cl(aq){\text{H}}\text{Cl}(aq)\rightarrow{\text{H}^+}(aq)+\text{Cl}^-(aq)

باز آرنیوس، ماده‌ای است که در صورت انحلال در آب، غلظت یون‌های هیدروکسید را در آن افزایش می‌دهد. یکی از مثال‌های باز آرنیوس، سدیم هیدروکسید است که از یون‌های سدیم مثبت و هیدروکسید منفی تشکیل شده است و در صورت انحلال در آب، غلظت یون هیدروکسید را در آب افزایش می‌دهد. معادله تفکیک این ماده در آب به شکل زیر است.

NaOH(aq)Na+(aq)+OH(aq)\text{Na} {\text{OH}}(aq)\rightarrow\text{Na}^+(aq)+{\text{OH}^-}(aq)

باز‌های آرنیوس رایج معمولا از هیدروکسیدهای فلزات قلیایی و قلیایی خاکی مانند لیتیوم هیدروکسید و باریم هیدروکسید تشکیل شده‌اند.

ایراد نظریه اسید و باز آرنیوس

نظریه اسید و باز آرنیوس یک محدودیت کلی دارد و آن این است که اسید و باز آرنیوس تنها در محلول‌های آبی تعریف میشوند. واکنش‌هایی که مانند اسید و باز آرنیوس یون هیدروژن مثبت یا هیدروکسید منفی تولید می‌کنند در محیط‌های غیر آبی نیز می‌توانند انجام شوند.

به همین علت، شیمی‌دانان نظریه اسید و باز لوری- برونستد را ترجیح می‌دهند که تعریف کامل‌تری از اسید و باز ازائه می‌دهد. طبق تعریف لوری برونستد، اسید ماده‌ای است که بتواند یون H+\text H^+ را آزاد کند و باز لوری برونستد ماده‌ای است که بتواند این یون را دریافت کند. برای مثال، آمونیاک یک باز لوری برونستد و اسید نیتریک یک اسید لوری برونستد است.

معاله واکنش‌های این مواد با آب به شکل زیر است.

HNO3(aq)+H2O(l)H3O+(aq)+NO3(aq)\blueD{\text{H}}\text{NO}_3(aq)+\text{H}_2\text{O}(l)\rightarrow\blueD{\text{H}}_3\text{O}^+(aq)+\text{NO}_3^-(aq)

NH3(aq)+H2O(l)NH4+(aq)+OH(aq)\text{NH}_3(aq)+\blueD{\text{H}}_2\text{O}(l)\rightleftharpoons\text{N}\blueD{\text{H}}_4^+(aq)+\text{OH}^-(aq)

تعریف لوری برونستد از اسید و باز به این شکل، تعریف کامل‌تری بود که بیشتر اسید‌ها و بازها را در محیط‌های آبی و غیر آبی توجیه می‌کرد. همچنین، طبق این تعریف، اسید و باز مزدوج نیز معرفی شدند. اسید مزدوج ماده‌ای است که از دریافت یون H+\text H^+ توسط یک باز لوری برونستد به دست می‌آید و باز مزدوج ماده‌ای است ک با از دست دادن یون H+\text H^+ توسط اسید لوری برونستد به دست می‌آید. پیشهاد می‌کنیم برای آشنایی بیشتر با اسید و باز و انواع آن‌ها و واکنش‌های آن‌ها، مطلب «اسید و باز چیست» را از مجله فرادرس مطالعه کنید. لینک این مقاله در ادامه آورده شده است.

واکنش اسید و باز آرنیوس

هنگامی که یک اسید آرنیوس با یک باز آرنیوس واکنش می‌دهد، فرآورده آن‌ها معمولا آب و نمک حاصل از ترکیب اسید و باز است. به این واکنش‌ها، واکنش خنثی شدن یا واکنش اسید-باز گفته می‌شود. برای مثال، واکنش اسید آرنیوس HF را با باز آرنیوس LiOH در نظر بگیرید. معادله تفکیک این اسید و باز در آب به شکل زیر خواهد بود.

HF(aq)H+(aq)+F(aq)\greenD{\text{H}}\text{F}(aq) \rightleftharpoons \greenD{\text{H}^+}(aq)+\text{F}^-(aq)

LiOH(aq)Li+(aq)+OH(aq)\text{Li}\redD{\text{OH}}(aq) \rightarrow \text{Li}^+(aq)+\redD{\text{OH}^-}(aq)

هنگامی که این اسید و باز در یک محلول با یکدیگر ترکیب شوند، از ترکیب یون‌ها هیدرونیوم و هیدروکسید، آب به دست می‌آید و دو یون باقی مانده (آنیون و کاتیون)، نمک حاصل را تشکیل می‌دهند. برای مواد بالا، معادله واکنش ترکیب اسید و باز به شکل زیر نوشته می‌شود.

HF(aq)+LiOH(aq)H2O(l)+LiF(aq)\greenD{\text{H}}\text{F}(aq) + \text{Li}\redD{\text{OH}}(aq) \rightarrow \text{H}_2 \text O(l)+\text{LiF}(aq)

یون هیدرونیوم

یکی دیگر از مهم‌ترین فرمول های شیمی دوازدهم، فرمول یون هیدرونیوم است. در صورت آزاد شدن یون هیدروژن مثبت (H+\text H^+) درون آب، این یون‌ها با مولکول آب ترکیب شده و یون هیدرونیوم را تشکیل می‌دهند. معادله این واکنش به شکل زیر است.

H+(aq)+H2O(l)H3O+(aq)\text{H}^+(aq)+\text{H}_2\text{O}(l)\rightarrow\greenD{\text{H}_3\text{O}^+}(aq)

با وجود اینکه معمولا معادله تفکیک اسید‌ها در آب با آزاد شدن یون H+\text H^+ در آب نشان داده می‌شود، در واقعیت یون H+\text H^+ آزاد در آب وجود نخواهد داشت و تمامی یون‌های H+\text H^+ به یون هیدرونیوم تبدیل می‌شوند.

رسانایی الکتریکی

رسانایی الکتریکی بر اساس حرکت الکترون‌ها به وجود می‌آید. فلزات رسانایی الکتریکی بالایی دارند زیرا الکترون‌ها می‌توانند آزادانه در سطح مواد فلزی حرکت کنند. از سوی دیگر، آب مقطر رسانایی الکتریکی ضعیفی دارد زیرا الکترون‌ها نمی‌توانند به راحتی به همراه مولکول‌های آب حرکت کنند. موادی که به خوبی یونیزه می‌شوند، رسانایی الکتریکی بالایی دارند.

این مواد که با حل شدن در آب یه یون‌های سازنده‌شان تفکیک می‌شوند، الکترولیت نام دارند. اسید‌ها و باز‌های قوی و نمک‌های آن‌ها، الکترولیت‌های قوی هستند زیرا به شکل کاملی در آب یونیزه می‌شوند. موادی که جریان الکتریکی را به خوبی از خود عبور نمی‌دهند و در آب یونیزه نمی‌شوند، غیر الکترولیت نام دارند.

رسانای یونی

رسانای یونی به موادی گفته می‌شود که می‌توانند جریان الکتریکی را به وسیله حرکت یون‌های خود برقرار سازند. برای مثال، الکترولیت‌های قوی که به شکلی کامل تفکیک می‌شوند، می‌توانند به وسیله حرکت یون‌های خود درون محلول، بار الکتریکی را عبور دهند. همچنین، برخی از مواد جامد نیز می‌توانند بسته به فرم و ساختار کریستالی خود، رسانای یونی باشند. برای مثال، برخی از سرامیک‌ها مانند بتا آلومینا یک رسانای یونی است.

محلول الکترولیت

محلول‌هایی که در اثر حل شدن مواد الکترولیت در آب به وجود می‌آیند، محلول الکترولیت نام دارند. مواد الکترولیت موادی هستند که در صورت انحلال در آب به شکلی کامل به یون‌های سازنده شان تفکیک می‌شوند. برای مثال، اسید‌های قوی مانند هیدروکلریک اسید، از نوع الکترولیت قوی هستند. معادله واکنش تفکیک اسید کلریدریک در آب به شکل زیر است.

HClH++Cl\text{HCl} \rightarrow \text{H}^+ + \text{Cl}^-

در حالت کلی محلول‌های الکترولیت به سه دسته‌بندی الکترولیت قوی، الکترولیت ضعیف و غیرالکترولیت تقسیم می‌شوند.

الکترولیت‌های قوی در صورت انحلال در آب به شکلی کامل تفکیک می‌شوند. موادی مانند سدیم کلرید، اسید نیتریک، اسید پرکلریک و کلسیم کلرید از نوع الکترویت قوی هستند.

الکترولیت‌های ضعیف به شکلی کامل در آب تفکیک نمی‌شوند و همواره تعادلی بین ماده تفکیک شده و تفکیک نشده در محلول‌های الکترولیت وجود دارد. برای مثال موادی مانند آمونیاک، کربنیک اسید، استیک اسید و .. از نوع اکترولیت ضعیف هستند.

موادی که در صورت انحلال در آب به مقدار ناچیزی تفکیک می‌شوند یا تفکیک نمی‌شوند، غیر الکترولیت‌ها نام دارند. این مواد در صورت انحلال در آب نمی‌توانند جریان الکتریسیسته را ازخود عبور دهند.

اسید تک پروتون دار

اسیدهای تک پروتن دار (اسید تک ظرفیتی) اسید‌هایی هستند که در صورت انحلال در آب تنها یک عدد یون هیدروژن مثبت آزاد می‌کنند. یون هیدروژن که از اتم هیدروژن به دست می‌آید با عنوان «پروتون» نیز خطاب می‌شود. اسید‌هایی مانند اسید کلریدریک، اسید نیتریک و استیک اسید، از نوع اسید تک پروتونه هستند.

از سوی دیگر، اسید‌هایی که در صورت انحلال در آب و تفکیک شدن بتوانند بیش از یک یون هیدروژن مثبت آزاد کنند، اسیدهای چند پروتونه یا اسید چند ظرفیتی نامیده می‌شوند. اسید‌هایی مانند سولفوریک اسید، کربنیک لسید و فسفریک اسید از نوع چند پروتونه هستند. اسید‌های چند ظرفیتی به ترتیب پروتون‌های خود را از دست می‌دهند. سرعت آزاد شدن هیدروژن اول با باقی هیدروژن‌ها از اسید‌های چند ظرفیتی برابر نیست.

فرآیند یونش

فرآیند یونیزاسیون یا یونش به فرآیندی گفته می‌شود که در آن یک مولکول یا اتم خنثی به یون‌های سازنده‌اش تبدیل شود. این فرآیند می‌تواند در اثر انحلال ترکیب یونی در آب یا انرژی دادن به اتم‌های خنثی رخ دهد. در شیمی، فرآیند یونیزاسیون یا یونش بیشتر برای بیان تفکیک ترکیبات یونی در آب و تولید یون‌های سازنده‌شان استفاده می‌شود. یادگیری نوشتن واکنش‌های تفکیک در شناخت انواع ترکیبات یونی و اسید و باز و تشخیص الکترولیت‌های قوی و ضعیف بسیار با اهمیت است. برای نوشتن معادله تفکیک مواد باید به شکلی ضربدری، زیروند آنیون را برابر ضریب استوکیومتری کاتیون و زیروند کاتیون را برابر ضریب استوکیومتری آنیون قرار دهیم. برای مثال، به واکنش‌های زیر دقت کنید.

NaCl (s) -> Na+ (aq) + Cl (aq)\text{NaCl (s) -> Na}^+ \text{ (aq) + Cl}^- \text{ (aq)}

Ca(NO3)2 (s) -> Ca2+ (aq) + 2 NO3 (aq)\text{Ca(NO}_3\text{)}_2 \text{ (s) -> Ca}^{2+} \text{ (aq) + 2 NO}_3^- \text{ (aq)}

(NH4)3PO4 (s) -> 3 NH4+ (aq) + PO43 (aq)\text{(NH}_4\text{)}_3\text{PO}_4 \text{ (s) -> 3 NH}_4^+ \text{ (aq) + PO}_4^{3-} \text{ (aq)}

درجه یونش

یکی از فرمول های مهم شیمی دوازدهم، فرمول درجه یونش است. درجه یونش یا درجه تفکیک اسید به نسبت تعداد یون‌های تفکیک شده از مولکول الکترولیت به تعداد کل مولکول‌ها گفته می‌شود. این پارامتر می‌تواند به عنوان یک پرامتر بدون واحد یا به عنوان درصد بیان شود. درجه یونش با حرف یونانی (α\alpha) نمایش داده می‌شود.

الکترولیت‌های ضعیف که به شکلی کامل در آب تفکیک نمی‌شوند، درجه یونش کم و الکترولیت‌های قوی که به شکلی کامل تفکیک می‌شوند، درجه یونش بالایی دارند. درجه یونش برای الکترولیت‌های قوی بالای ۳۰ درصد و برای الکترولیت‌های ضعیف کمتر از ۳۰ درصد است.

مواردی می‌توانند بر روی مقدار درجه یونش تاثیر بگذارند. برخی از این موارد در ادامه نام برده شده‌اند.

  • هرچه میزان ثابت دی‌الکتریک حلال بیشتر باشد، درجه یونش بالاتر خواهد بود.
  • میزان درجه یونش به شکلی عکس با غلظت محلول و وزن آن در رابطه است.
  • میزان درجه یونش با افزایش دما افزایش می‌یابد.

ثابت تعادل

ثابت تعادل یک واکنش شیمیایی رابطه بین مواد واکنش‌دهنده و فرآورده را در زمان تعادل واکنش شیمیایی مشخص می‌کند. برای مثال، ثابت تعادل غلظت یک واکنش شیمیایی به عنوان نسبت غلظت مواد فرآورده به غلظت مواد واکنش‌دهنده در نقطه تعادل بیان می‌شود. هریک از این غلظت‌ها نیز به توان ضرایب استوکیومتری آن‌ها می‌رسند. فرمول ثابت تعادل برای یک واکنش شیمیایی به فرم زیر، در ادامه نوشته شده است.

aA+bBcC+dDaA + bB \leftrightarrow cC + dD

Keq=[C]c[D]d[A]a[B]bK_\text{eq} = \frac{[\text{C}]^c [\text{D}]^d}{[\text{A}]^a [\text{B}]^b}

در معادله بالا، عبارات براکت «[ ]» برای نشان دادن غلظت مواد به کار می‌رود و حروف کوچک نوشته شده در نماد غلظت‌ها، در واقع همان ضرایب استوکیومتری آن‌ها است. میزان غلظت مواد در معادله فرمول ثابت تعادل معمولا بر حسب مولاریته یا مول بر لیتر بیان می‌شود.

مقدار ثابت تعادل تنها برای واکنش‌های برگشت‌پذیر و تعادلی بیان می‌شود. واکنش برگشت پذیر واکنشی است که در آن پس از مدتی از شروع واکنش و تولید فرآورده‌ها، این مواد با یکدیگر ترکیب شده و دوباره واکنش‌دهنده‌ها را تولید می‌کنند. بیشتر واکنش‌های برگشت‌پذیر پس از طی شدن مدت زمانی مشخص از شروع واکنش، به تعادل می‌رسند. مفهوم تعادل این است که در لحظه‌ای، سرعت واکنش رفت و سرعت واکنش برگشت با یکدیگر برابر می‌شود. یعنی با همان سرعتی که واکنش‌دهنده‌ها مواد فرآورده را تولید می‌کنند، با همان سرعت هم مواد فرآورده مواد واکنش‌دهنده را تولید می‌کنند.

میزان بزرگی ثابت تعادل می‌تواند اطلاعاتی را درباره غلظت مواد واکنش‌دهنده و فرآورده در تعادل به ما بدهد. این اطلاعات به شرح زیرند.

  • اگر میزان ثابت تعادل بزرگ‌تر از ۱۰۰۰ باشد،‌غلظت مواد فرآورده در تعادل بیشتر است.
  • اگر میزان ثابت تعادل کمتر از ۰٫۰۰۱ باشد، بیشتر غلظت مواد در نقطه تعادل از واکنش‌دهنده‌ها تشکیل شده است.
  • اگر میزان ثابت تعادل بین ۰٫۰۰۱ تا ۱۰۰۰ باشد، میزان متعادلی از غلظت واکنش‌دهنده‌ها و فرآورده‌ها در تعادل زیاد است.

مثال ثابت تعادل

واکنش زیر را در نظر بگیرید.

2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)2\text{SO}_2(g) + \text O_2(g) \rightleftharpoons 2\text{SO}_3(g)

این واکنش در دمای معینی در تعادل قرار دارد و غلظت مواد در نقطه تعادل به شکل زیر است.

[SO2]=0.90M[O2]=0.35M[SO3]=1.1M\begin{aligned}[\text{SO}_2] &= 0.90 \,\text{M} \\ [\text{O}_2] &= 0.35 \,\text{M} \\ [\text{SO}_3] &= 1.1 \,\text{M}\end{aligned}

فرمول ثابت تعادل را برای این واکنش بنویسید و مقدار آن را با غلظت‌های داده شده محاسبه کنید.

پاسخ

فرمول ثابت تعادل برای این واکنش به شکل زیر نوشته می‌شود.

Kc=[SO3]2[SO2]2[O2]K_\text c = \dfrac{[\text{SO}_3]^2}{[\text{SO}_2]^2[\text O_2]}

با جایگذاری مقادیر داده شده در این فرمول، مقدار ثابت تعادل به دست می‌آید.

Kc=[SO3]2[SO2]2[O2]=[1.1]2[0.90]2[0.35]=4.3\begin{aligned} K_\text c &= \dfrac{[\text{SO}_3]^2}{[\text{SO}_2]^2[\text O_2]} \\\\&= \dfrac{[1.1]^2}{[0.90]^2[0.35]} \\\\ &= 4.3 \end{aligned}

ثابت یونش اسید

در قسمت‌های قبلی اشاره کردیم که اسید‌های ضعیف و قوی به مقدار زیاد و کم در آب تفکیک می‌شوند. برای سنجش قدرت اسید ضعیف، عبارتی به نام ثابت یونش اسید یا ثابت تفکیک اسید بیان می‌شود که در ادامه توضیح داده خواهد شد. برای یک اسید ضعیف HA که به صورت جزئی در آب تفکیک می‌شود، واکنش تفکیک به شکل زیر است.

HA (aq) -> H+ (aq) + A (aq)\text{HA (aq) -> H}^+ \text{ (aq) + A}^- \text{ (aq)}

فرمول محاسبه ثابت تفکیک اسید طبق واکنش بالا، به شکل زیر نوشته می‌شود.

Ka=[H+][A][HA]K_\text{a} = \frac{\left[ \text{H}^+ \right] \left[ \text{A}^- \right]}{\left[ \text{HA} \right]}

میزان ثابت تفکیک اسید بیانگر نسبت غلظت یون‌های تفکیک شده اسید به غلظت کل اسید است. به همین علت، میزان ثابت تفکیک اسید بیانگر میزان قدرت اسید است. اسید‌های ضعیف‌تر، میزان ثابت تفکیک بالاتری دارند و اسید‌های قوی‌تر میزان ثابت تفکیک اسید کمتری دارند. به دلیل اینکه اسید‌های قوی به شکلی کامل یونیزه و تفکیک می‌شوند، غلظت اسید در معادله بالا برای آن‌ها تقریبا برابر با صفر می‌شود و میزان ثابت تفکیک اسید به بی‌نهایت میل می‌کند. به همین علت، ثابت یونش اسید تنها برای اسید‌های ضعیف بررسی می‌شود.

فرمول pH

میزان ph یک محلول معیاری برای سنجش اسیدی یا بازی بودن آن است. یک یاز روش‌های محاسبه pH محلول‌ها استفاده از غلظت یون هیدرونیوم و با استفاده از فرمول ثابت تفکیک اسید است.

آب قابلیت این را دارد که خود به خود یونیزه شود و به یون‌های هیدروکسید و هیدرونیوم تفکیک شود. در آب خالص و خنثی، در دمای ۲۵ درجه سانتی گراد، غلظت یون‌های هیدرونیوم و هیدروکسید با یکدیگر برابر است. بنابر اندازه‌گیری‌های انجام شده، میزان ثابت تفکیک آب برابر با 101410^{-14} است. میزان ثابت تفکیک آب به شکل زیر نوشته می‌شود.

Kw=[H3O+][OH]=1.0×1014K_w = [H_{3}O^+][OH^-] = 1.0 \times 10^{-14}

عبارت pH یا (potential of hydrogen ion) به پتانسیل یون هیدروژن اشاره دارد و با لگاریتم منفی گرفتن از غلظت یون هیدرونیوم یا هیدروژن به دست می‌آید.

pH=log[H3O+]pH = -\log[H_{3}O^+]

به همین صورت عبارت pOH به پتانسیل یون هیدروکسید اشاره دارد و با لگاریتم منفی گرفتن از غلظت یون هیدروکسید به دست می‌آید.

pOH=log[OH]pOH = -\log[OH^-]

از آنجا که میزان ثابت تفکیک آب برابر با 101410^{-14} است، می‌توان نتیجه گرفت که جمع مقادیر pH و pOH برابر ۱۴ است.

Kw=[H3O+][OH]=1.0×1014K_w = [H_{3}O^+][OH^-] = 1.0 \times 10^{-14}

pKw=pH+pOH=14pK_w = pH + pOH = 14

مثال محاسبه pH

با توجه به فرمول‌های ارائه شده در قسمت قبل، می‌توانیم با استفاده از غلظت اسید یا باز یا یون‌های تفکیک شده آن‌ها، میزان pH اسید یا باز را محاسبه کنیم. برای مثال، به سوال زیر دقت کنید.

مثال ۱

میزان pH اسید قوی HBr را با غلظت ۰٫۵۵ مولار محاسبه کنید.

پاسخ

از آنجا که گفته شده این اسید، یک اسید قوی است، غلظت ارائه شده برابر با غلظت یون هیدرونیوم در آب است. بنابراین، pH اسید به روش زیر به دست می‌آید.

[H3O+]=5.5×102M[\text{H}_3\text{O}^+] = 5.5 \times 10^{-2} \, \text{M}
pH=log(5.5×102)=1.26\text{pH} = -\log(5.5 \times 10^{-2}) = 1.26

یادگیری فرمول های شیمی دوازدهم با فرادرس

برخی از مهم‌ترین مباحث پایه شیمی در فرمول های شیمی دوازدهم بررسی می‌شوند. یادگیری این فرمول‌ها و حل مسئله به وسیله آن‌ها قدمی مهم در یادگیری مباحث پیچیده است. برای یادگیری این فرمول‌ها باید با مسائل مختلفی مانند استوکیومتری واکنش‌ها و واکنش‌های آلی آشنا شوید. پیشنهاد می‌کنیم برای یادگیری بهتر این فرمول‌ها به مجموعه فیلم آموزش دروس پایه دوازدهم بخش شیمی مراجعه کنید که با زبانی ساده به بررسی این مباحث می‌پردازد.

آموزش شیمی یادزهم فرادرس
برای مراجعه به مجموعه فیلم آموزش پایه یازدهم، بخش شیمی، روی عکس کلیک کنید.

همچنین با مشاهده فیلم‌های آموزش فرادرس که لینک آن‌ها در ادامه آورده شده است، می‌توانید به آموزش‌های بیشتری در زمینه فرمول های شیمی دوازدهم دسترسی داشته باشید.

فرمول های شیمی دوازدهم فصل دوم

فرمول های شیمی دوازدهم فصل دوم در جدول زیر ارائه شده‌اند.

مبحث مربوطهفرمول
واکنش کاهشواکنش گرفتن الکترون
واکنش اکسایشواکنش از دست دادن الکترون
اکسایش رویZn (s)Zn2+(aq)+2e\text{Zn (s)} \rightarrow \text{Zn}^{2+} \, \text{(aq)} + 2e^-
کاهش اکسیژنO2(g)+4e2O2\text{O}_2 \, (g) + 4e^- \rightarrow 2\text{O}^{2-}
واکنش آلومینیوم و مس2Al (s)+3Cu2+(aq)2Al3+(aq)+3Cu (s)2\text{Al (s)} + 3\text{Cu}^{2+} \, (aq) \rightarrow 2\text{Al}^{3+} \, (aq) + 3\text{Cu (s)}
واکنش مس و منگنزCu2+(aq)+Mn (s)Cu (s)+Mn2+(aq)\text{Cu}^{2+} \, (aq) + \text{Mn (s)} \rightarrow \text{Cu (s)} + \text{Mn}^{2+} \, (aq)
واکنش روی و وانادیومZn (s)+2V3+(aq)Zn2+(aq)+2V2+(aq)\text{Zn (s)} + 2\text{V}^{3+} \, (aq) \rightarrow \text{Zn}^{2+} \, (aq) + 2\text{V}^{2+} \, (aq)
واکنش آهن و یون مسFe (s)+Cu2+(aq)Fe2+(aq)+Cu (s)\text{Fe (s)} + \text{Cu}^{2+} \, (aq) \rightarrow \text{Fe}^{2+} \, (aq) + \text{Cu (s)}
واکنش روی و یون مسZn (s)+Cu2+(aq)Zn2+(aq)+Cu (s)\text{Zn (s)} + \text{Cu}^{2+} \, (aq) \rightarrow \text{Zn}^{2+} \, (aq) + \text{Cu (s)}
سلول گالوانیسلول الکتروشیمیایی که در آن الکتریسیته از واکنش‌های شیمیایی تولید می‌شود.
آند و کاتد در سلول گالوانیکاتد: کاهش و مثبت/ آند: اکسایش و منفی
فرمول نیروی الکتروموتوریEcell=EcathodeEanodeE_{\text{cell}} = E_{\text{cathode}} - E_{\text{anode}}
پتانسیل استاندارد نیم سلولپتانسیل سلول با غلظت محلول ۱ مولار و در دمای ۲۵ درجه سانتی‌گراد
واکنش نیم سلول استاندارد هیدروژن (SHE)2H(aq)++2eH2(g)2H^+_{(aq)} + 2e^- \rightleftharpoons H_2(g)
واکنش سلول سوختی هیدروژن اکسیژن2H2+O22H2O\mathrm{2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O}
ساختار الکترون نقطه مولکول هیدروژن
یک ساختار لوییس
ساتختار الکترون نقطه مولکول اگسیژن
یک ساختار لوییس
ساختار الکترون نقطه مولکول آب
یک ساختار لوییس
واکنش متان و اکسیژنCH4(g)+2  O2(g)CO2(g)+2  H2O(g)\mathrm{CH_4} (g) + \mathrm{2\;O_2} (g) \rightarrow \mathrm{CO_2} (g) + \mathrm{2\;H_2O} (g)
واکنش‌های برقکافت آب2H2O(l)O2(g)+4H+(aq)+4e2H2O(l)+2eH2(g)+2OH(aq)2H2O(l)O2(g)+2H2(g)\begin{array}{lll}& 2\mathrm{H_2O(l)} \rightarrow \mathrm{O_2(g)} + 4\mathrm{H^+(aq)} + 4\mathrm{e^-} &\: \\ & 2\mathrm{H_2O(l)} + 2\mathrm{e^-} \rightarrow \mathrm{H_2(g)} + 2\mathrm{OH^-(aq)} & \\ \hline & 2\mathrm{H_2O(l)} \rightarrow \mathrm{O_2(g)} + 2\mathrm{H_2(g)} & \: \end{array}
برقکافت سدیم کلرید2Na+(l)+2e2Na(l)2Cl(l)Cl2(g)+2e2Na+(l)+2Cl(l)2Na(l)+Cl2(g)\begin{array}{ll} & 2\mathrm{Na^+(l)} + 2\mathrm{e^-} \rightarrow 2\mathrm{Na(l)} \\& 2\mathrm{Cl^-(l)} \rightarrow \mathrm{Cl_2(g)} + 2\mathrm{e^-} \\\hline & 2\mathrm{Na^+(l)} + 2\mathrm{Cl^-(l)} \rightarrow 2\mathrm{Na(l)} + \mathrm{Cl_2(g)}\end{array}
واکنش زنگ زدن آهن4Fe+3O2+6H2O4Fe(OH)34Fe(OH)32Fe2O3H2O\begin{array}{ll} & 4\mathrm{Fe} + 3\mathrm{O_2} + 6\mathrm{H_2O} \rightarrow 4\mathrm{Fe(OH)_3} \\ & 4\mathrm{Fe(OH)_3} \rightarrow 2\mathrm{Fe_2O_3 \cdot H_2O} \,\end{array}
آهن گالوانیزهZnZn2++2e\mathrm{Zn} \rightarrow \mathrm{Zn^{2+}} + 2\mathrm{e^-} \\
واکنش فرآیند هال2Al2O3(s)+3C(s)4Al(l)+3CO2(g)\mathrm{2Al_2O_3(s) + 3C(s) \rightarrow 4Al(l) + 3CO_2(g)}

در ادامه مباحث مربوط به فرمول های شیمی دوازدهم فصل دوم را به اختصار توضیح می‌دهیم.

اکسایش و کاهش

واکنش‌های اکسایش و کاهش، واکنش‌هایی هستند که شامل انتقال الکترون از یک اتم به اتمی دیگر باشند. این واکنش‌ها که با نام واکنش اکسایش-کاهش (ردوکس) شناخته می‌شوند، از مهم‌ترین واکنش‌های مربوط به مباحث الکتروشیمی هستند. در شیمی واکنش اکسایش به واکنشی گفته می‌شود که شامل از دست دادن الکترون باشد و واکنش کاهش واکنشی است که شامل گرفتن الکترون باشد.

برای به خاطر سپردن این واکنش‌ها بهتر است حرف «الف» از دست دادن را نشانه‌ای برای «اکسایش» در نظر داشته باشید. در واکنش‌های شیمیایی بین یک فلز و نافلز، الکترون‌ها همواره از اتم فلز به اتم نافلز منتقل می‌شوند. برای مثال، هنگامی که فلز روی در حضور اتم گوگرد حرارت داده می‌شود، دو الکترون ظرفیت اتم روی به اتم گوگرد منتقل شده و یون روی و گوگرد تشکیل می‌دهند. به عبارت دیگر، فلز روی اکسایش یافته و نافلز گوگرد کاهش می‌یابد.

انتقال الکترون در این فرآیند به شکل زیر انجام می‌شود.

یک واکنش شیمیایی
واکنش تولید یون‌های روی و قلع

نیم واکنش اکسایش و کاهش

واکنش‌های انتقال الکترون بین اتم‌های مختلف یا همان واکنش‌های اکسایش و کاهش می‌توانند به وسیله دو نیم واکنش جداگانه نوشته شوند تا روند انتقال الکترون در آن‌ها به خوبی نشان داده شود. در این نیم واکنش‌ها، یک نیم واکنش برای اکسایش به همراه تعداد الکترون‌های منتقل شده و یون اولیه نوشته می‌شود و یک نیم واکنش برای واکنش کاهش به همراه یون تولید شده و تعداد الکترون‌های دریافت شده نوشته می‌شود.

قابل توجه است که هر دو نیم واکنش اکسایش و کاهش به شکلی همزمان اتفاق می‌افتند . در نهایت، یون‌های موجود در این واکنش‌ها با پیوند یونی به یکدیگر متصل شده و یک ترکیب یونی را می‌سازند. برای مثال، نیم واکنش‌های اکسایش و کاهش واکنش قسمت قبل بین روی و گوگرد، به شکل زیر نوشته می‌شوند.

Oxidation:ZnZn2++2eReduction:S+2eS2\begin{aligned} &\text{Oxidation:} \: \: \text{Zn} \rightarrow \text{Zn}^{2+} + 2 \, \text{e}^- \\&\text{Reduction:} \: \: \text{S} + 2 \, \text{e}^- \rightarrow \text{S}^{2-} \end{aligned}

واکنش‌های اکسایش و کاهش با عنوان‌های عامل کاهنده و عامل اکسنده نیز شناخته می‌شوند. در واکنش بالا، فلز روی با از دست دادن الکترون، اکسید می‌شود. این واکنش به تنهایی نمی‌تواند انجام شود و انرژی بسیاری نیاز دارد و برای انجام آن به یک عامل بیرونی احتیاج است. در این مورد، این واکنش با کمک اتم گوگرد انجام می‌شود و گوگرد با دریافت الکترون‌ها از روی، به انجام شدن واکنش اکسیداسیون کمک می‌کند. در این مورد گفته می‌شود که گوگرد عاملی اکسنده است.

به همین ترتیب، روی با تولید الکترون‌های مورد نیاز گوگرد، به کاهش یافتن آن کمک می‌کند و به آن عامل کاهنده گفته می‌شود.

سلول گالوانی

سلول‌های گالوانی که با نام سلول‌های ولتایی نیز شناخته می‌شوند، سلول‌های الکتروشیمیایی هستند که در آن‌ها واکنش‌های اکسایش- کاهش رخ می‌هد و این واکنش‌ها باعث به وجود امدن انرژی به صورت جریان الکتریسیته می‌شود.

در نوشتن واکنش‌های اکسایش کاهش در سلول‌های گالوانی بهتر است واکنش‌ها به شکل نیم واکنش اکسایش کاهش نوشته شوند تا موازنه آن‌ها راحت‌تر باشد و انتقالات الکترون در این واکنش‌ها مشخص باشد. یکی از سلول‌های گالوانی معروف و پرکاربرد، سلول مس- نقره است که در آن مس اکسید می‌شود و نقره کاهش می‌یابد. به واکنش‌های اکسایش کاهش در این سلول دقت کنید.

\begin{align} &\textrm{Oxidation: } \text{Cu (s)} \rightarrow \text{Cu}^{2+} (\text{aq}) + 2 \, \text{e}^- \\ &\underline{\textrm{Reduction: } 2 \times (\text{Ag}^+ (\text{aq}) + \text{e}^- \rightarrow \text{Ag (s)}) \hspace{40px} \text{or} \hspace{40px} 2 \, \text{Ag}^+ (\text{aq}) + 2 \, \text{e}^- \rightarrow 2 \, \text{Ag} (\text{s})} \\ &\textrm{Overall: } 2 \, \text{Ag}^+ (\text{aq}) + \text{Cu (s)} \rightarrow 2 \, \text{Ag (s)} + \text{Cu}^{2+} (\text{aq}) \end{align}

نیم واکنش کاهش برای فلز نقره باید ضریب ۲ می‌گرفت تا برآیند دو واکنش موازنه باشد و تعداد الکترون‌های تولید شده توسط فلز مس با تعداد الکترون‌های دریافت شده توسط فلز نقره برابر باشد.

سلولهای گالوانی شامل واکنش‌های الکتروشیمیایی مداومی هستند که در آن‌ها هریک از نیم واکنش‌ها به شکلی جداگانه در بشری انجام می‌گیرد تا الکترون‌ها بتوانند از طریق یک سیم منتقل شوند. در این سلول‌ها هر بشر شامل محلولی شامل فلز مورد نظر است و یک نوار از فلز نیز درون درون آن قرار می‌گیرد و این بشر‌ها به وسلیه سیم یا پل نمکی به یکدیگر متصل می‌شوند. به هریک از این بشر‌ها و محتویات آن‌ها یک نیم سلول گفته می‌شود.

باریکه فلزی که اکسید می‌شود با نام آند و باریکه فلزی که دچار کاهش می‌شود با نام کاتد شناهته می‌شود. برای به خاطر سپردن این عبارات بهتر است حرف «الف» اکسایش را نشانه‌ای برای «آند» و حرف «ک» کاهش را نشانه‌ای برای «کاتد» در نظر بگیرید. یک سلول گالوانی مس- نقره در شکل زیر نمایش داده شده است.

دو بشر حاول محلول و باریکه‌های فلزی
سلول گالوانی مس-نقره

در اینن سلول، الکترون‌ها از آند به سمت کاتد حرکت می‌کنند. واکنش اکسایش در نیم سلول سمت چپ (آند) و نیم واکنش کاهش در نیم سلول سمت راست (کاتد) انجام می‌گیرد. بدین ترتیب، الکترون‌های تولید شده توسط فلز مس به سمت فلز نقره حرکت می‌کنند. حضور پل نمکی برای کامل کردن چرخه واکنش‌ها وجود دارد.

سلول‌های گالوانی در انواع بسیار زیادی وجود دارند. یک روش کلی برای نمایش این سلول‌ها وجود دارد که در آن فلز آند و یون تولید شده آن با خطی جدا از هم نوشته می‌شوند و سپسس دو خط عمودی نشان دهنده جدا بودن نیم سلول‌ها است نوشته می‌شود. سپس یون موجود در کاتد و سپس فلز کاتد پس از خطی نوشته می‌شود. هچنین، می‌توان غلظت محلول‌های حاوی یون‌ها را نیز در این شیوه نمایش مشخص کرد. برای مثال، نمایش سلول بالا به شکل زیر انجام می‌شود.

Cu(s)Cu2+(aq,1M)Ag+(aq,1M)Ag(s)\text{Cu}(s) \, | \, \text{Cu}^{2+} (\text{aq}, 1 \, \text{M}) \, || \, \text{Ag}^+ (\text{aq}, 1 \, \text{M}) \, | \, \text{Ag}(s)

نیروی الکتروموتوری

نیروی الکتروموتوری یا (emf) بیشترین مقدار پتانسیل بین دو الکترود یک سلول گالوانی است. این کمیت به میزان تمایل فلز یا ترکیب برای از دست دادن یا گرفتن الکترون مرتبط است. واحد اندازه‌گیری نیروی الکتروموتوری ولت است. برای مثال، سلول گالوانی زیر را که در قسمت قبل بررسی کردیم در نظر بگیرید.

Cu(s)Cu2+(aq,1M)Ag+(aq,1M)Ag(s)\text{Cu}(s) \, | \, \text{Cu}^{2+} (\text{aq}, 1 \, \text{M}) \, || \, \text{Ag}^+ (\text{aq}, 1 \, \text{M}) \, | \, \text{Ag}(s)

میزان نیروی الکتروموتوری یا بیشترین اختلاف پتانسیل اندازه‌گیری شده برای این سلول برابر با ۱٫۱ ولت است.

محاسبه نیروی الکتروموتوری

با کم کردن مقدار پتانسیل استاندارد کاهش آند از کاتد، میزان نیروی الکتروموتوری به دست می‌آید.

Ecell=EcathodeEanodeE_{\text{cell}} = E_{\text{cathode}} - E_{\text{anode}}

ضروری است که برای محاسبه میزان نیروی الکتروموتوری تنها از پتانسیل استاندارد کاهش برای تمامی الکترود‌ها استفاده شود. در صورت به دست آوردن مقادیر منفی برای نیروی الکتروموتوری، خواهیم دانست که حرکت الکترون‌ها بر خلاف آن چه در نظر گرفته‌ایم است و در صورت مثبت بودن مقدار نیروی الکتروموتوری، ترتیب آند و کاتد صحیح است.

برداشت دیگری از مقدار نیروی الکتروموتوری این است که اگر مقدار آن مثبت شد به این معنی است که واکنش‌های اکساایش و کاهش به شکلی خود به خودی صورت می‌گیرند و اگر مقدار نیروی الکتروموتوری منفی شد، این واکنش‌ها به شکل خود به خودی صورت نمی‌گیرند.

مثال محاسبه نیروی الکتروموتوری

با توجه به نمایش سلول گالوانی زیر و مقادیر پتانسیل استاندارد الکترود‌های آن، میزان نیروی الکتروموتوری سلول را به دست آورده و مشخص کنید واکنش‌های کاتد و آند به شکل خودبه‌خودی انجام می‌شوند یا خیر.

AgAg+(1.0M)Li+(1.0M)Li\mathrm{Ag\, |\, Ag^+\:(1.0\: M)\, ||\, Li^+\:(1.0\: M)\, |\, Li}

Li++eLiE=3.045{Li+ + e^- \rightarrow Li} \hspace{15px} E^\circ = -3.045

Ag++eAgE=+0.799{Ag^+ + e^-\rightarrow Ag }\hspace{15px} E^* = +0.799

پاسخ

برای به دست آوردن نیروی الکتروموتوری کافی است میزان الکترود پتانسیل استاندارد کاتد (سلول سمت راست) را از آند (سلول نوشته شده در سمت چپ) کم کنیم.

3.0450.799=3.844V-3.045-0.799=-3.844 V

به دلیل منفی بودن میزان نیروی الکتروموتوری به این نتیجه می‌رسیم که این واکنش‌ها در جهت نوشته شده به شکل خودبه‌خودی انجام نمی‌گیرند.

پتانسیل استاندارد سلول

پتانسیل استاندارد سلول برابر با پتانسیل سلول در شرایط استاندارد است. در سلول‌های گالوانی، جریان الکتریسیته از سمت آند به کاتد با حرکت الکترون‌ها برقرار می‌شود. این انتقال جریان به علت وجود اختلاف پتانسیل بین الکترود‌های سلول الکتروشیمیایی انجام می‌گیرد. برای مثال، در سلول مس- نقره، الکترون‌های والانس روی پتانسیل بالاتری دارند و درنتیجه، الکترون‌ها از سمت الکترود فلز روی به مس حرکت می‌کنند. همانند آب که از سطح بالاتر به پایین‌تر جریان پیدا می‌کند، الکترون‌ها نیز از پتاسیل بالاتر به پایین‌تر جریان پیدا می‌کنند.

میزان پتانسیل اندازه‌گیری شده برای سلول‌ها به میزان غلظت یون‌های موجود در محلول الکترولیت سلول وابسته است. همچنین، این میزان پتانسیل با تغییر دما نیز می‌تواند تغییر کند. برای اندازه‌گیری میزان پتانسیل نسبی تمامی مواد و یون‌ها، شیمیدان‌ها روشی را بری اندازه‌گیری پتانسیل ابداع کردند که به پتانسیل استاندارد شناخته می‌شود.

پتانسیل استاندارد سلول‌‌ها برابر با اندازه پتانسیل اندازه‌گیری شده برای سلول‌ها در شرایط استاندارد است. در این شرایط، میزان غلظت محلول الکترولیت باید برابر با ۱ مول بر لیتر باشد و دما برابر با ۲۵ درجه سانتی‌گراد باشد. همچنین، پتانسیل سلول‌ها به تنهایی مقدار خاصی ندارد و همواره باید سلولی دیگر برای حرکت الکترون‌ها نیز وجود داشته باشد.

به همین منظور، الکترود استاندارد هیدروژن به عنوان مرجعی برای سنجیدن میزان پتانسیل سلول‌ها معرفی شده است. پتانسیل استاندارد الکترود هیدوژن برابر با صفر در نظر گرفته شده و میزان پتانسیل سایر سلول‌ها نسبت به آن سنجیده می‌شود. تصویر زیر نشان دهنده سلول استاندارد هیدروژن (SHE) است.

بشری حاوی فلز پلاتین و گاز هیدروژن
الکترود استاندارد هیدروژن

واکنش انجام شده روی سطح پلاتین در این سلول به شکل زیر است.

2H(aq)++2eH2(g)2H^+_{(aq)} + 2e^- \rightleftharpoons H_2(g)

میزان پتانسیل استاندارد این الکترود برابر با صفر در نظر گرفته می‌شود. میزان الکترود استاندارد برخی از سلول‌های رایج به همراه واکنش کاهش آن‌ها در جدول زیر آورده شده است.

واکنش کاهشمیزان پتانسیل استاندارد کاهش
Au3++3eAu\text{Au}^{3+} + 3e^- \rightleftharpoons \text{Au}۱٫۵۰+
Pt2++2ePt\text{Pt}^{2+} + 2e^- \rightleftharpoons \text{Pt}۱٫۲۰+
Ag++eAg\text{Ag}^+ + e^- \rightleftharpoons \text{Ag}۰٫۸۰+
Cu2++2eCu\text{Cu}^{2+} + 2e^- \rightleftharpoons \text{Cu}۰٫۳۴+
2H++2eH2(g)2H^+ + 2e^- \rightleftharpoons H_2(g)۰٫۰۰
Sn2++2eSn\text{Sn}^{2+} + 2e^- \rightleftharpoons \text{Sn}۰٫۱۴-
Fe2++2eFe\text{Fe}^{2+} + 2e^- \rightleftharpoons \text{Fe}۰٫۴۴-
Zn2++2eZn\text{Zn}^{2+} + 2e^- \rightleftharpoons \text{Zn}۰٫۷۶-
Mn2++2eMn\text{Mn}^{2+} + 2e^- \rightleftharpoons \text{Mn}۱٫۱۸-
Al3++3eAl\text{Al}^{3+} + 3e^- \rightleftharpoons \text{Al}۱٫۶۶-
Mg2++2eMg\text{Mg}^{2+} + 2e^- \rightleftharpoons \text{Mg}۲٫۳۷-

سلول سوختی

سلول‌های سوختی سلول‌های الکتروشیمیایی هستند که انرژی شمیایی یک سوخت مانند هیدروژن را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. این تبدیل انرژی از طریق انجام واکنش‌های اکسایش کاهش انجام می‌گیرد. انواع مختلفی از سلول‌های سوختی وجود دارد اما همگی آن‌ها شامل آند، کاتد، و یک الکترولیت هستند. یکی از پرکاربردترین سلول‌های سوختی، سلول سوختی هیدروژن اکسیژن است که تصویر آن را در زیر مشاهده می‌کنید.

یک سلول الکتروشیمیایی سوختی
سلول سوختی هیدروژن

در این سلول، از هیدروژن به عنوان سوخت سلول استفاده می‌شود. اتم‌های هیدروژن با اکسیژن واکنش داده و آب تولید می‌کنند و الکترون‌هایی که در این واکنش تولید می‌شوند، به عنوان جریان الکتریسیته از طریق یک چرخه خارجی جریان می‌یابند. ساده ترین سلول سوختی هیدروژن، شامل ۲ الکترود آند و کاتد است و یک الکترولیت بین آن‌ها قرار دارد. هیدروژن در آند با یک کاتالیست در تماس است و یون‌های مثبت و الکترون تولید می‌کند. واکنش‌های انجام شده در سلول سوختی هیدروژن به شکل زیر هستند.

H22H++2e\mathrm{H_2 \rightarrow 2H^+ + 2e^-}

O2+4e2O2\mathrm{O_2 + 4e^- \rightarrow 2O^{2-}}

واکنش کلی انجام شده در این سلول سوختی به شکل زیر است.

2H2+O22H2O\mathrm{2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O}

هوای وارد شده، اکسیژن مورد نیاز را تولید می‌کند. هیدروژن وظیفه تولید الکترون را دارد و اکسیژن با مصرف الکترون‌ها و تولید یون اکسیژن، با یون‌های هیدروژن، آب تولید می‌کند.

تعیین عدد اکسایش

عدد اکسایش (مرتبه اکسایش) عددی است که به اتم‌ها یا یون‌ها داده می‌شود تا مشخص کند که چند الکترون از دست می‌دهند یا دریافت می‌کنند. یکی دیگر از روش‌های تشخیص واکنش‌های اکسایش و کاهش، مقایسه عدد اکسایش ترکیبات در واکنش است. در ادامه قوانین عمومی تعیین عدد اکسایش را نام می‌بریم.

  • عدد اکسایش مثبت به این معنی است که اتم الکترون از دست می‌دهد.
  • عدد اکسایش منفی به این معنی است که اتم الکترون می‌گیرد.
  • عدد اکسایش عناصر به حالت تکی صفر است.
  • عدد اکسایش عناصر در ترکیباتی که تنها از ۱ نوع عنصر تشکیل شده‌اند برابر صفر است.
  • عدد اکسایش فلزات گروه اول و دوم جدول تناوبی همواره به ترتیب ۱+ و ۲+ است.
  • عدد اکسایش یون‌های تک اتمی همواره برابر با بار آن‌ها است.
  • جمع اعداد اکسایش در یک ترکیب برابر با صفر است.
  • جمع اعداد اکسایش در یون‌ها برابر با بار یون است.

با توجه به این قوانین، می‌توانید عدد اکسایش موارد زیر را تعیین کنید.

مثال تعیین عدد اکسایش

عدد اکسایش گوگرد را در ترکیبات SO42\mathrm{SO_4^{2-}} و H2S\mathrm{H_2S} به دست آورید.

پاسخ

در ترکیب SO42\mathrm{SO_4^{2-}} یونی چند اتمی داریم که بار کلی آن برابر ۲- است پس جمع اعداد اکسایش ترکیبات باید برابر ۲- شود. عدد اکسایش اکسیژن برابر با ۲- است و ۴ اتم اکسیژن داریم که جمعا ۸- عدد اکسایش دارند. برای ۲- شدن جمع اعداد اکسایش گوگرد و اکسیژن،‌ عدد اکسایش گوگرد باید برابر ۶+ باشد.

در ترکیب H2S\mathrm{H_2S} ترکیب کلی خنثی است و جمع اعداد اکسایش آن باید برابر با صفر باشد. عدد اکسایش هیدروژن برابر با + است و جمعا ۲ هیدروژن داریم. برای صفر شدن عدد اکسایش هیدروژن و گوگرد، عدد اکسایش گوگرد باید برابر ۲- باشد.

برقکافت آب

برقکافت آب شامل شکستن مولکول‌های آب به مولکول‌های هیدروژن و اکسیژن به وسیله جریان الکتریسیته است. نتیجه این فرآیند، واکنش زیر است.

Oxidation (Anode):2H2O(l)O2(g)+4H+(aq)+4eE0=1.23VReduction (Cathode):2H2O(l)+2eH2(g)+2OH(aq)E0=0.83VOverall Reaction:2H2O(l)O2(g)+2H2(g)Ecell0=2.06V\begin{array}{lll} \text{Oxidation (Anode):} & 2\mathrm{H_2O(l)} \rightarrow \mathrm{O_2(g)} + 4\mathrm{H^+(aq)} + 4\mathrm{e^-} & E^0 = -1.23 \: \mathrm{V} \\ \text{Reduction (Cathode):} & 2\mathrm{H_2O(l)} + 2\mathrm{e^-} \rightarrow \mathrm{H_2(g)} + 2\mathrm{OH^-(aq)} & E^0 = -0.83 \: \mathrm{V} \\ \hline \text{Overall Reaction:} & 2\mathrm{H_2O(l)} \rightarrow \mathrm{O_2(g)} + 2\mathrm{H_2(g)} & E^0_\mathrm{cell} = -2.06 \: \mathrm{V} \end{array}

برقکافت سدیم کلرید مذاب

برقکافت سدیم کلرید مذاب شامل شکستن مولکول سدیم کلرید به مولکول‌های سدیم و کلر به وسیله جریان الکتریسیته است. واکنش‌های آین فرآیند به شکل زیر هستند.

Reaction:NaClNa+(l)+Cl(l)At Cathode (Reduction):2Na+(l)+2e2Na(l)At Anode (Oxidation):2Cl(l)Cl2(g)+2eNet Reaction:2Na+(l)+2Cl(l)2Na(l)+Cl2(g)\begin{array}{ll} \text{Reaction:} & \mathrm{NaCl} \rightarrow \mathrm{Na^+(l)} + \mathrm{Cl^-(l)} \\ \text{At Cathode (Reduction):} & 2\mathrm{Na^+(l)} + 2\mathrm{e^-} \rightarrow 2\mathrm{Na(l)} \\ \text{At Anode (Oxidation):} & 2\mathrm{Cl^-(l)} \rightarrow \mathrm{Cl_2(g)} + 2\mathrm{e^-} \\ \hline \text{Net Reaction:} & 2\mathrm{Na^+(l)} + 2\mathrm{Cl^-(l)} \rightarrow 2\mathrm{Na(l)} + \mathrm{Cl_2(g)} \end{array}

فرآیند زنگ زدن آهن

خوردگی آهن یا زنگ زدن آهن یک فرآیند اکسایش است که در آن آهن با آب و اکسیژن واکنش داده و اکسید آهن(III) تولید می‌شود. واکنش زنگ زدن آهن به شکل زیر است.

4Fe+3O2+6H2O4Fe(OH)34Fe(OH)32Fe2O3H2O(rust)\begin{array}{ll} & 4\mathrm{Fe} + 3\mathrm{O_2} + 6\mathrm{H_2O} \rightarrow 4\mathrm{Fe(OH)_3} \\ & 4\mathrm{Fe(OH)_3} \rightarrow 2\mathrm{Fe_2O_3 \cdot H_2O} \, (\text{rust})\end{array}

واکنش‌های آهن گالوانیزه

یکی از مهم‌ترین فرمول های شیمی دوازدهم واکنش‌های آهن گالوانیزه است. آهن گالوانیزه آهنی است که با لایه‌ای از روی پوشیده می‌شود تا از خوردگی آن جلوگیری شود. روی از آهن واکنش‌پذیرتر است و به جای آهن اکسید می‌شود و از خوردگی آهن جلوگیری می‌کند. واکنش‌های انجام شده در سطوح آهن گالوانیزه به شکل زیر هستند.

اکسیداسیون روی

واکنش اکسیداسیون روی به شکل زیر است.

ZnZn2++2e\mathrm{Zn} \rightarrow \mathrm{Zn^{2+}} + 2\mathrm{e^-} \\

کاهش اکسیژن

واکنش کاهش اکسیژن به شکل زیر است.

O2+4e+2H2O4OH\mathrm{O_2} + 4\mathrm{e^-} + 2\mathrm{H_2O} \rightarrow 4\mathrm{OH^-} \\

تولید هیدروکسید روی

سپس هیدروکسید روی از طریق واکنش زیر به دست می‌آید.

Zn2++2OHZn(OH)2\mathrm{Zn^{2+}} + 2\mathrm{OH^-} \rightarrow \mathrm{Zn(OH)_2} \\

تولید اکسید روی

در نهایت هیدروکسید روی به اکسید روی تبدیل می‌شود.

Zn2++2OHZn(OH)2\mathrm{Zn^{2+}} + 2\mathrm{OH^-} \rightarrow \mathrm{Zn(OH)_2} \\

حفاظت کاتدی

حفاظت کاتدی فرآیندی است که برای حفاظت برخی از فلزات در برابر خوردگی اعمال می‌شود. از این روش برای تولید فلزات مقاوم‌تر برای استفاده در وسایلی مانند کشتی‌ها، لوله‌ها و ... استفاده می‌شود. این روش با پوشش لایه‌های فلز مورد نظر به وسیله فلزی واکنش‌پذیر‌تر با استفاده از واکنش‌های الکتروشیمیایی انجام می‌شود.

برای مثال، پوشاندن فلز آهن با روی یکی از این روش‌ها است. در این روش فلزی که می‌خواهیم حفاظت کنیم به عنوان آند و فلز پوششی به عنوان کاتد استفاده می‌شود.

فرآیند هال

آلومینیوم یکی از مهم ترین و ارزشمندترین فلزات موجود در زمین است که در بسیاری از مواد برای جلوگیری از خوردگی سطح فلزات استفاده می‌شود. آلومینیوم به شکل خالص یافت نمی‌شود اما اکسید آن در زمین بسیار فراوان است. به همین علت، طی فرآیند هال که بفرآیند برقکافت آلومینیوم اکسید مذاب است، آلومینیوم خالص طی واکنش زیر استخراج می‌شود.

2Al2O3(s)+3C(s)4Al(l)+3CO2(g)\mathrm{2Al_2O_3(s) + 3C(s) \rightarrow 4Al(l) + 3CO_2(g)}

فرمول های شیمی دوازدهم فصل سوم

فرمول های شیمی دوازدهم فصل سوم در جدول زیر آورده شده‌اند.

مبحث مربوطهفرمول
درصد جرمی۱۰۰ × جرم کل نمونه ÷ جرم ماده مورد نظر
مولکول دو اتمی جور هستهمولکولی که از دو اتم یکسان تشکیل شده است.
مولکول دو اتمی ناجور هستهمولکولی که از دو اتم متفاوت تشکیل شده است.
الکترونگاتیویتمایل یک اتم برای جذب الکترون‌های پیوندی
علامت بار جزئیδ\delta
فرمول شیمیایی کربونیل سولفیدSCO\mathrm{SCO}
فرمول شیمیایی اتینC2H2\mathrm{C_2H_2}
فرمول کلروفرمCHCl3\mathrm{CHCl_3}
فرمول کربن تترا کلریدCCl4\mathrm{CCl_4}
جامد یونیجامدی که از اتصال یون‌ها به وجود امده است.
عدد کوئوردیناسیوننزدیک‌ترین یون‌های ناهمنام موجود در پیرامون هر یون در شبکه بلور
چگالی بار یوننسبت بار یون به شعاع یون
آنتالپی فروپاشی شبکهانرزی لازم برای فروپاشی شبکه یونی
دریای الکترونیآرایش منظمی از كاتیون‌ها در سه بعد در ساختار فلزات و حرکت الکترون در آن
طول موج نور مرئی۴۰۰ تا ۷۰۰ نانومتر
رنگ‌های نور اصلیسبز، آبی و قرمز
رنگ نورهای فرعیزرد، فیروزه‌ای و ارغوانی
رنگ مخلوط نورهاسفید
رنگ حالات اکسایش وانادیوم۵: زرد، ۴: آبی، ۳: سبز، ۲: بنفش
آرایش الکترونی وانادیم[Ar] 4s2 3d3\mathrm{ [Ar]\ 4s^2\ 3d^3}
یون سولفات (SO42): [OS(=O)2O]2\mathrm{\ (SO_4^{2-}):\ [O\text{--}S(=O)_2\text{--}O]^{2-}}
یون فسفات (PO43): [OP(=O)3]3\mathrm{\ (PO_4^{3-}):\ [O\text{--}P(=O)_3]^{3-}}
یون سیلیکات (SiO44): [OSi(=O)3]4\mathrm{\ (SiO_4^{4-}):\ [O\text{--}Si(=O)_3]^{4-}}

درصد جرمی

یکی از مهم‌ترین فرمول های شیمی دوازدهم فرمول درصد جرمی است. درصد جرمی یک ماده در یک نمونه برابر با جرم آن ماده بر جرم کل نمونه ضرب در عدد ۱۰۰ است. درصد جرمی یکی از روش‌های بیان غلظت مواد و درصد خلوص مواد است. فرمول درصد جرمی به شکل زیر نوشته می‌شود.

۱۰۰ × جرم کل نمونه ÷ جرم ماده مورد نظر = درصد جرمی

مثال درصد جرمی

درجد جرمی سدیم هیدروکسید را در نمونه‌ای که ۶ گرم سدیم هیدروکسید در ۵۰ گرم آب حل شده باشد، بیابید.

پاسخ

$$\frac{6 g}{50g}\times 100 = 10.74 \text{%} $$

مواد مولکولی و کووالانسی

در بین فرمول های شیمی دوازدهم درباره مواد مولکولی و کووالانسی می‌آموزیم. مواد مولکولی موادی هستند که از مولکول‌های مجزا تشکیل شد‌اند. در این مواد، اتم‌ها و مولکول‌ها به وسیله اشتراک الکترون‌ها در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند و همچنین، شامل سایر انواع پیوند مانند پیوند هیدروژنی و واندروالسی هستند. از مثال‌های مواد مولکولی می‌توان به آب و کربن دی اکسید اشاره کرد.

مواد کواالانسی موادی هستند که تنها از پیوندهای کووالانسی تشکیل شده باشند. مواد کووالانسی نقطه ذوب و جوش کمتری از مواد یونی دارند. بیشتر مواد کووالانسی در دمای اتاق به شکل مایع یا گاز هستند. سیلیکون دی اکسید و الماس از انواع مواد کووالانسی هستند.

مولکول دو اتمی

مولکول‌های دو اتمی مولکول‌هایی هستند که ساختار آن‌ها تنها از دو اتم تشکیل شده است. این دو مولکول می‌توانند از یک نوع باشند که به ترکیب مولکولی آن‌ها جور هسته گفته می‌شود. برای مثال مولکول‌های اکسیژن (O2O_2)، هیدروژن (H2H_2) و کلر (Cl2Cl_2) از مولکول‌های دو اتمی جور هسته هستند. همچنین، این دو اتم می‌توانند متفاوت باشند. برای مثال، سدیم کلرید (NaClNaCl) از این نوع است که به آن‌ها مولکول دو اتمی ناجور هسته گفته می‌شود.

الکترونگاتیوی

الکترونگاتیوی میزان تمایل یک اتم برای جذب الکترون‌های درگیر در پیوند است. این خاصیت یک خاصت دوره‌ای است که در جدول تناوبی با الگوی خاصی برای هر اتم تغییر می‌کند. الکترونگاتیوی در هر ردیف از چپ به راست افزایش و در هر گروه از بالا به پایین کاهش می‌یابد.

این خاصیت با افزایش شعاع اتمی رابطه عکس دارد و هرچه شعاع اتم بزرگ‌تر باشد، اثر جاذبه هسته اتم روی الکترون‌ها کمتر شده و الکترونگاتیوی کاهش می‌یابد.

مثال مقایسه الکترونگاتیوی

اتم‌های کلسیم، منیزیم و فلوئور را بر حسب افزایش الکترونگاتیوی مرتب کنید.

پاسخ

بنابر آنچه در قسمت قبل گفته شد، این خاصیت با شعاع اتمی رابطه عکس دارد. پاسخ این سوال به شکل زیر است.

کلسیم < منیزیم< فلوئور

مواد قطبی و بار جزئی

در بین فرمول های شیمی دوازدهم درباره مواد قطبی می‌آموزیم. در پیوند ترکیبات دو اتمی ناجور هسته‌ای که الکترونگاتیوی یکی از اتم‌ها از دیگری بیشتر است، جفت الکترون‌های درگیر در پیوند بیشتر به سمت اتم الکترونگاتیوتر کشیده می‌شوند. در نتیجه، بخش الکترونگاتیوتر مقداری منفی می‌شود و مقداری که کمتر الکترونگاتیو است کمی مثبت می‌شود. به این دانسیته الکترونی که در اثر کشش اتم‌ها به وجود می‌آید، بار جزئی گفته می‌شود.

باز جزئی با علامت یونانی δ\delta نشان داده می‌شود. بار جزئی مثبت به این معنی است که اتم از پیوند سهم الکترون کمتری دارد و بار جزئی منفی به این معنی است که اتم از پیوند سهم الکترون بیشتری دارد. این اختلاف در سهم الکترون بین اتم‌ها درگیر در پیوند باعث می‌شود در مولکول‌ها و پیوند‌ها دو قطبی‌هایی به وجود بیاید که باعث قطبی بودن مولکول شود.

موادی که خاصیت قطبی دارند در میدان الکتریسیته جهت‌گیری می‌کنند. این مواد تنها در حلال‌های قطبی حل می‌شوند. میزان قطبیت و چگالی بار الکترونی در مولکول‌ها با نقشه‌های پتانسیل مولکول‌ها مشخص می‌شود.

مثال بار جزئی

مشخص کنید در مولکول‌های کربن دی اکسید، آب، اتین و کربن سولفید، کدام قسمت مولکول بار جزئی مثبت و کدام منفی است. سپس مشخص کنید مولکول قطبی است یا ناقطبی.

پاسخ

مولکول کربن دی اکسید مولکولی خطی است که از یک اتم کربن و دو اتم اکسیژن تشکیل شده است. الکترونگاتیوی اکسیژن بیشتر است و اکسیژن دارای بار منفی جزئی و کربن باز جزئی مثبت دارد. به دلیل شکل خطی این مولکول، دو قطبی‌های ایجاد شده اثر هم را خنثی می‌کنند و مولکول ناقطبی است.

مولکول آب از اتم‌های اکسیژن و هیدروژن تشکیل شده است. اتم اکسیژن بار جزئی منفی و هیدروژن‌ها بار جزئی مثبت دارند. به علت خمیده بودن شکل مولکول آب، برآیند قطبیت پیوند‌ها به سمت اتم اکسیژن است و مولکول در حالت کلی قطبی است.

مولکول کربونیل سولفید از یک اتم گوگرد، یک کربن و یک اکسیژن تشکیل شده است. الکترونگاتیوی اکسیژن از گوگرد و الکترونگاتیوی گوگرد از کربن بیشتر است. کل این مولکول خطی است و به علت اختلاف در الکترونگاتیوی اتم‌های این مولکول مولکولی قطبی است. اکسیژن بار جزئی منفی و کربن و گوگرد بار جزئی مثبت دارند.

مولکول اتین از دو اتم کربن و دو اتم هیدروژن تشکیل شده‌اند. هر اتم کربن در این مولکول با پیوند سه‌گانه به یکدیگر متصل شده‌اند و چگالی الکترون بین کربن‌ها بسیار زیاد است. کربن‌ها بار جزئی منفی و هیدروژن‌ها بار جزئی مثبت دارند اما به دلیل خطی و متقارن بودن مولکول، برآیند قطبیت پیود‌ها یکدیگر را خنثی می‌کند و مولکول در حالت کلی ناقطبی است.

جامد یونی و خواص آن

ترکیباتی که از اتصال یون‌های مثبت و منفی تشکیل شده‌اند، ترکیبات یونی هستند. این ترکیبات معمولا از ترکیب فلزات و نافلزات تشکیل شده‌اند. برای مثال، نمک طعام یا سدیم کلرید یک جامد یونی است. به علت قوی بودن پیوند یونی موجود بین این ترکیبات، نقطه ذوب و جوش آن‌ها بسیار بالا است و اکثرا در دمای اتاق به شکل جامد هستند و به همین علت به آن‌ها جامد یونی گفته می‌شود.

در این ترکیبات، اختلاف الکترونگاتیوی بسیار بالا است و به شدت خاصیت قطبی دارند و به همین علت در حلال‌های قطبی مانند آب حل می‌شوند. جامد یونی نیز یکی دیگر از مهم‌ترین فرمول های شیمی دوازدهم است.

عدد کوئوردیناسیون

‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍عدد کوئوردیناسیون تعداد اتم‌ها، یون‌ها یا مولکول‌هایی است که حول یک یون در جامد یونی قرار دارد. یون‌ها یا مولکول‌هایی که به یون مرکزی متصل هستند را با عبارت «لیگاند» مشخص می‌کنند. برای مثال، عدد کوئوردیناسیون یون‌های سدیم و کلر در ترکیب سدیم کلرید، ۶ است. این بدین معنی است که اطراف هر یون سدیم ۶ یون دیگر و اطراف هر یون کلر، ۶ یون دیگر وجود دارد.

عدد کوردیناسیون می‌تواند بین ۲ تا ۱۶ باشد اما معمولا در بیشتر ترکیبات این عدد برابر با ۶ است. عدد کوردیناسیون یک ترکیب با اندازه یون‌های فلزی و لیگاندهای متصل وابسته است.

چگالی بار یون

چگالی بار میزان بار الکتریکی موجود در یک سطح یا حجم مشخص است. برای یون‌های مجزا، چگالی بار متناسب با میزان بار یون بر شعاع یون مورد نظر است. عوامل مختلفی می‌توانند بر چگالی بار یون تاثیر بگذارند. از جمله این عوامل می‌توان به مقدار بار یون و شعاع یون اشاره کرد. چگالی بار یون نیز یکی دیگر از مهم‌ترین فرمول های شیمی دوازدهم است.

مثال مقایسه چگالی بار یون

چگالی بار یون‌های منیزیم و سدیم را با یکدیگر مقایسه کنید.

پاسخ

برای مقایسه چگالی بار یون‌های مختلف باید تعداد الکترون‌های آن‌ها و اندازه شعاع آن‌ها را مقایسه کنیم. سدیم و منیزیم هر دو ده الکترون دارند پس از این نظر مشابه هستند. اما یون منیزیم تعداد پروتون بیشتری نسبت به سدیم دارد و اثر جاذبه این پروتون‌های مثبت بر الکترون‌ها در منیزیم بیشتر است پس شعاع آن کوچک‌تر است. در نتیجه، چگالی بار الکتریکی برای یون منیزیم بیشتر است.

آنتالپی فروپاشی شبکه

آنتالپی فروپاشی شبکه میزان انرژی مورد نیاز برای تبدیل ۱ مول جامد یونی به یون‌های گازی سازنده آن است. آنتالپی فروپاشی شبکه همواره مقداری مثبت دارد زیرا شکستن پیوند بین یون‌های موجود در یک شبکه بلوری فرآیندی گرماگیر خواهد بود. این فرمول نیز یکی دیگر از مهم‌ترین فرمول های شیمی دوازدهم است.

هرچه شعاع یونی کاتیون یا آنیون بیشتر باشد، آنتالپی فروپاشی شبکه کمتر خواهد بود.

مثال مقایسه آنتالپی فروپاشی شبکه

آنتالپی فروپاشی شکبه یون‌های موجود در ترکیبات سدیم اکسید و منیزیم اکسید را مقایسه کنید.

پاسخ

یون‌های سدیم و منیزیم موجود در جامدات یونی ارائه شده هردو دارای ۱۰ الکترون هستند. از آن‌جا که شعاع یونی یون منیزیم کمتر از شعاع یونی یون سدیم است، آنتالپی فروپاشی شبکه برای ترکیب سدیم اکسید کمتر از منیزیم اکسید خواهد بود.

دریای الکترونی

دریای الکترونی چارچوب اتم‌ها را در فلزات مشخص می‌کند. در این مدل، الکترون‌ها آزادانه در دریای یون‌های فلزی حرکت می‌کنند. این یون‌های مثبت فلزی، با الگوهای مشخص در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. الکترون‌ها به دلیل پایین بودن انرژی یونی، خیلی به هسته اتم‌ها جذب نمی‌شوند و به همین علت می‌توانند آزادانه در ساختار فلز حرکت کنند.

طول موج نور مرئی

نور مرئی قسمتی از طیف گستره امواج الکترومغناطیس است که چشم انسان قادر به مشاهده آن است. این گستره از طول موج ۴۰۰ نانومتر با رنگ بنفش آغاز شده و تا طول موج ۷۰۰ نانومتر با رنگ قرمز ادامه می‌یابد. رنگین کمان، از تمامی طول‌موج‌های رنگی نور مرئی تشکیل شده است. در واقع، رنگ‌های مختلف محدوده طول موج مرئی با عبور نور از منشور قابل مشاهده هستند.

حالات اکسایش وانادیم

در بین فرمول های شیمی دوازدهم درباره حالات اکسایش اتم وانادیم می‌آموزیم. اتم وانادیم از جمله اتم‌هایی است که می‌تواند چند عدد اکسایش مختلف را در ترکیبات مختلف داشته باشد. از خواص مهم این اتم این است که هر یک از حالات اکسایش آن، رنگ خاصی به ترکیب می‌دهد. این بدین علت است که این ترکیب با تعداد الکترون‌های مختلف می‌توانند محدوده خاصی از طول موج طیف رنگی را جذب کرده و مکمل آن‌ را تابش کند. تصویر زیر نشان دهنده رنگ محلول‌های وانادیوم با عدد اکسایش ۵، ۴، ۳ و ۲ از چپ به راست است.

محلول هایی با رنگ های زرد و آبی و سبز و بنفش در لوله ازمایش

ساختار لوییس یون سولفات، فسفات و سیلیکات

یون سولفات از یک اتم گوگرد و ۴ اتم اکسیژن تشکیل شده است و دو بار منفی دارد. ساختار لوییس آن یون به شکل زیر است.

ساختار لوییس یک یون شیمیایی

یون فسفات از یک اتم فسفر و ۴ اتم اکسیژن تشکیل شده است و سه بار منفی دارد. ساختار لوییس این یون به شکل زیر است.

ساختار لوییس یک یون شیمیایی

یون سیلیکات از یک اتم سیلیسیم و ۴ اتم اکسیژن تشکیل شده است و چهار بار منفی دارد. ساختار لوییس این یون به شکل زیر است.

ساختار لوییس یک یون شیمیایی

نمک سدیم و پتاسیم این یون‌ها

ترکیب این یون‌ها با یون‌های سدیم و پتاسیم یک بار مثبت، ترکیبات زیر را تشکیل می‌دهد.

  • پتاسیم سولفات : K2SO4\mathrm{K_2SO_4}
  • پتاسیم فسفات: K3PO4\mathrm{K_3PO_4}
  • پتاسیم سیلیکات: K4SiO4\mathrm{K_4SiO_4}
  • سدیم سولفات: Na2SO4\mathrm{Na_2SO_4}
  • سدیم فسفات: Na3PO4\mathrm{Na_3PO_4}
  • سدیم سیلیکات: Na4SiO4\mathrm{Na_4SiO_4}

یادگیری شیمی عمومی با فرادرس

بسیاری از مباحثی که در فرمول های شیمی دوازدهم بررسی می‌شوند، پایه‌ای مهم برای دروس شیمی در مقاطع بالاتر و دانشگاهی هستند. با یادگیری فرمول های شیمی دوازدهم می‌توانید مباحث پیچیده‌تری مانندد شیمی آلی، شیمی هیدروکربن‌ها و شیمی فیزیک را بیاموزید. پیشنهاد می‌کنیم برای آشنایی بیشتر با این مباحث و مفاهیم، به مجموعه فیلم آموزش دروس شیمی از دروس دانشگاهی تا کاربردی مراجعه کنید که با زبانی ساده به بررسی این مفاهیم پیچیده می‌پردازد.

مجموعه فیلم آموزش شیمی از دروس دانشگاهی تا کاربردی
برای مشاهده مجموعه فیلم آموزش شیمی از دروس دانشگاهی تا کاربردی، روی تصویر کلیک کنید.

همچنین با مراجعه به فیلم‌های آموزش فرادرس که لینک آن‌ها در ادامه آورده شده است، می‌توانید به آموزش‌های بیشتری در زمینه شیمی عمومی دسترسی داشته باشید.

فرمول های شیمی دوازدهم فصل چهارم

در جدول زیر، فرمول های شیمی دوازدهم فصل چهارم ارائه شده‌اند.

مبحث مربوطهفرمول
ترکیبات هوای آلودهNO2,CO,O3,SO2,NONO_2, CO, O_3, SO_2,NO
 آلاینده‌های اگزوز خودروCO,  SO2,  NO,  CxHy\mathrm{CO,\; SO_2,\; NO,\; C_xH_y}
گستره پرتو الکترومغناطیسی10121m10^{-12}-1 m
محدوده طیف فروسرخ۷۵۰ نانومتر تا ۱ میلی‌متر
انرژی فعال‌سازیمقدار انرژی لازم برای آغاز واکنش شیمیایی
واکنش سوختن متانCH4(g)+2O2(g)CO2(g)+2H2O(g)\text{CH}_4 (g) + 2\text{O}_2 (g) \rightarrow \text{CO}_2 (g) + 2\text{H}_2\text{O} (g)
فلزات مبدل کاتالیستیرودیم، پالادیم و پلاتین
واکنش مبدل کاتالیستیNO(g)+NO2(g)+2NH3(g)2N2(g)+3H2O(g)\mathrm{NO(g) + NO_2(g) + 2NH_3(g) \rightarrow 2N_2(g) + 3H_2O(g)}
واکنش تولید آمونیاکN2(g)+3H2(g)2NH3(g)\mathrm{N_2(g) + 3H_2(g) \rightarrow 2NH_3(g)}
شرایط واکنش‌هابرفشار ۲۰۰ اتمسفر، دما ۴۵۰ درجه سانتی‌گراد و کاتالیزگر آهن
اصل لوشاتلیهاگر تغییری باعث برهم‌خوردن تعادل واکنش شود، واکنش در جهت ایجاد دوباره تعادل پیش می‌رود.
گروه الکلOH-
گروه آلکنCnH2n\mathrm{C_nH_{2n}}
گروه آمینRNH2\mathrm{R-NH_2}
گروه کربوکسیلیک اسیدRCOOH\mathrm{R-COOH}
گروه متون/آلدهیدRCOOH\mathrm{R-COOH}
مواد حاصل تقطیر نفت خامبنزن، اتن، پارازایلن
واکنش تولید متانولCO(g)+2H2(g)CH3OH(l)\mathrm{CO(g) + 2H_2(g) \rightarrow CH_3OH(l)}
واکنش تولید کربن مونوکسیدCH4(g)+H2O(g)catalystCO(g)+3H2(g)\mathrm{CH_4(g) + H_2O(g) \xrightarrow{\text{catalyst}} CO(g) + 3H_2(g)}

در ادامه مباحث مربوط به هریک از فرمول های شیمی دوازدهم فصل چهارم را در ادامه این مطلب از مجله فرادرس به اختصار توضیح می‌دهیم.

آلودگی هوا

آلودگی هوا به مواد و ذراتی اشاره دارد که در اتمسفر زمین وجود دارند و برای سلامت انسان‌ها و جانوران مضر هستند. این مواد می‌توانند جامد، مایع یا گاز باشند. برخی از مواد شیمیایی شناخته شده‌ای هستند که به عنوان آلودگی هوا در نظر گرفته می‌شوند. این مواد به شرح زیر هستند.

  • کربن مونوکسید
  • اوزون
  • نیتروژن دی اکسید
  • گوگرد دی اکسید
  • سرب
  • ریزگردها

طیف الکترومغناطیسی

طیف الکترومغناطیس از مجموعه‌ای از امواج تشکیل شده است که با سرعت نور حرکت می‌کنند. امواج در این طیف از 101210^{-12} متر تا ۱ متر طول موج دارند و بر اساس طول موجشان به دسته‌بندی‌های مختلفی با نام‌های خاص تقسیم شده‌اند. این دسته‌بندی را در تصویر زیر مشاهده می‌کنید.

یک طیف با قسمتی رنگی
طیف امواج الکترومغناطیسی

طیف فروسرخ

بین گستره بالا، طول موج بین ۷۵۰ نانومتر تا ۱ میلی متر، مربوط به طیف فروسرخ است. طول موج این محدوده بلندتر از طیف نور مرئی قرمز است. از نور با ای طیف در شناسایی گروه‌های عاملی و دستگاه‌هایی مانند عینک دید در شب و بررسی حرارتی محیط استفاده می‌شود.

انرژی فعال سازی

یکی دیگر از مهم‌ترین فرمول های شیمی دوازدهم، انرژی فعال‌سازی است. انرژی فعال‌سازی حداقل انرژی مورد نیاز برای انجام یک واکنش شیمیایی است. این انرژی با علامت EaE_a نمایش داده می‌شود. واکنش‌هایی که انرژی فعالسازی بالاتری دارند با سرعت آهسته‌تر و واکنش‌هایی که انرژی فعال‌سازی کمتری دارند با سرعت بیشتری انجام می‌شوند.

نمودار خطی
نمودار انرژی واکنش‌ گرماگیر

با استفاده از انرژی فعالسازی و نمودار انرژی واکنش‌دهنده و فرآورده‌های واکنش می‌توان تعیین کرد واکنش سریع است یا خیر و گرماده است یا گرماگیر. در شکل زیر، نمودار انرژی واکنش را برای یک مثال مشاهده می‌کنید.

نمودار خطی
نمودار انرژی واکنش‌ گرماده

با توجه به تصویر بالا می‌توانید مکان تحلیل هر یک از نمودار‌ها را برای توضیف واکنش شیمیایی و انرژی فعال‌سازی مشاهده کنید. گاهی برای سریع‌تر انجام شدن واکنش‌های شیمیایی، کاتالیزگری به واکنش افزوده می‌شود. کاتالیزگر با مواد واکنش‌دهنده برهمکنش شیمیایی ندارد و میزان انرژی فعالسازی را کاهش می‌دهد.

مبدل کاتالیستی

مبدل کاتالیستی دستگاهی است که به اگزوز ماشین افزوده می‌شود تا میزان نشر برخی از مواد حاصل از سوخت را کاهش دهد. این دستگاه میزان آلاینده‌های نشر شده از موتور ماشین‌ها را تا حدود ۹۸ درصد کاهش می‌دهد. در مبدل کاتالیستی از فلزاتی مانند پلاتین، پالادیم و رودیم استفاده شده و سرامیک نیز به آن اضافه می‌شود.

این مواد با تولید الکترون کافی به فرآیند اکسیداسیون آلاینده‌هایی مانند نیتروژن مونوکسید، کربن مونوکسید و برخی از هیدروکربن‌ها کمک می‌کند.

تولید آمونیاک و واکنش‌هابر

یکی از مهم‌ترین فرمول های شیمی دوازدهم واکنش‌ هابر است. آمونیاک یکی از مهم‌ترین مواد شیمیایی است که در صنایعی مانند کشاورزی برای تولید کود استفاده می‌شود. تولید آمونیاک به تنهایی و با گاز‌های نیتروژن و هیدروژن فرآیندی با بازده پایین و سخت است. به همین علت، این ماده با استفاده از فرآیندی بهینه شده به نام فرآیند هابر تولید می‌شد. واکنش تولید آمونیاک از گاز‌های نیتروژن و هیدروژن به شکل زیر صورت می‌گیرد.

N2(g)+3H2(g)2NH3(g)\text{N}_2(g) + 3 \text{H}_2(g) \rightleftharpoons 2 \text{NH}_3(g)

این واکنش به دلیل اینکه واکنشی برگشتی است، بازده پایینی دارد و درصد زیادی از آمونیاک تولید شده در این واکنش دوباره به گاز‌های نیتروژن و هیدروژن تبدیل می‌شود. در فرآیند هابر، فشار و دما بهینه شده و در مقادیر ۲۰۰ اتمسفر و ۴۵۰ درجه سانتی‌گراد نگه داشته می‌شود و هیدروژن و نیتروژن واکنش نداده دوباره به واکنش بازگشت داده می‌شود. هم‌چنین، از کاتالیزگر آهن برای افزایش سرعت واکنش استفاده می‌شود. چرخه سیستم واکنش‌هابر را در شکل زیر مشاهده می‌کنید.

یک نمودرا شامل سیستم فرایند هابر
سیستم فرایند هابر

اصل لوشاتلیه

در بین فرمول های شیمی دوازدهم درباره اصل لوشاتلیه می‌آموزیم. در واکنش‌های رفت و برگشتی مانند فرآیند هابر، واکنش پس از مدتی به تعادل می‌رسد. این بدین معنا است که پس از مدت زمانی سرعت واکنش رفت و برگشت با هم برابر می‌شود. در این واکنش‌های تعادلی اصلی به نام اصل لوشاتلیه وجود دارد که بیان می‌کند اگر عاملی باعث برهم خوردن تعادل واکنش شود، واکنش در جهت رفع آن عامل و ایجاد دوباره تعادل پیش‌ می‌رود. برای مثال، مواردی که ممکن از تعادل واکنش را برهم بزنند می‌تواند تغییر دما، تغییر فشار یا تغییر غلظت مواد باشد. در ادامه اثر هریک از این عوامل را بر تعادل واکنش بررسی می‌کنیم.

اثر دما

اگر دما در یک واکنش کم یا زیاد شود، واکنش در جهت تصحیح آن پیش می‌رود. در یک واکنش گرماگیر، اگر دمای واکنش افزایش داده شود، واکنش در جهت رفت و مصرف گرمای افزوده شده پیش می‌رود. در واکنش گرماده در صورت افزایش دما، واکنش در جهت برگشت و مصرف دمای افزوده شده پیش می‌رود.

اثر فشار

این اثر بیشتر در واکنش‌هایی تاثیرگذار است که برخی از مواد به شکل گاز باشد. در صورت افزایش فشار، واکنش در جهتی پیش می‌رود که افزایش فشار را جبران کند. برای مثال اگر تعداد مول‌های گازی در سمت واکنش‌دهنده‌ها بیشتر باشد، فشار در این سمت بیشتر افزایش می‌یابد و واکنش در جهت رفت پیش می‌رود و بالعکس.

افزایش غلظت

اگر غلظت واکنش‌دهنده‌ها افزایش یابد، واکنش در جهت رفت پیش می‌رود. اگر غلظت فرآورده‌ها افزایش یابد، واکنش در جهت برگشت پیش می‌رود.

بدین ترتیب با پیشرفت واکنش در جهت رفع عامل برهم زننده تعادل، واکنش دوباره به تعادل خواهد رسید.

گروه‌های عاملی

در بین فرمول های شیمی دوازدهم درباره گروه‌های عاملی می‌آموزیم. گروه عاملی به دسته‌ای از اتم‌ها گفته می‌شود که در صورت اتصال به مولکول‌های دیگر خواص مشخصی به آن‌ها می‌بخشند. واکنش‌ها و خواص شیمیایی این گروه‌ها صرف‌نظر از اینکه به چه اتمی متصل شوند، ثابت است. برای مثال، گروه عاملی الکل از یک اکسیژن و هیدروژن تشکی‌ل شده است. این گروه عاملی با اتصال به هر مولکول هیدروکربنی، به آن خواص الکل‌ها را می‌دهد.

تقطیر نفت خام

نفت خام یک مایع با چگالی بالا و رنگ تیره است. این ماده از مواد آلی و هیدروکربن‌هایی با طول عمر میلیون‌ها سال تشکیل شده است. نفت خام بیشتر به وسیله حفاری اعماق زمین به دست می‌آید. فرآیندی به نام تقطیر برای جداسازی اجزای نفت خام به کار می‌رود. با استفاده از تقطیر نفت خام مواد با ارزشی مانند گاز‌ها، بنزین، نفتا، پارافین، روغن‌های مختلف، بنزن، اتن و پارازایلن و ... به دست می‌آید. هریک از این مواد در روند تولیدات صنعتی مختلفی استفاده می‌شوند.

اکسایش و کاهش واکنش‌های آلی

به واکنش‌هایی که در آن‌ها مواد الکترون از دست می‌دهند اکسایش و به آن‌هایی که الکترون می‌گیرند کاهش گفته می‌شود. در واکنش‌های آلی هنگامی که صحبت از اکسایش و کاهش می‌شود، بیشتر تعداد پیوند‌های بین کربن و هترو اتم‌هایی مانند اکسیژن مد نظر است. اکسیداسیون در یک ترکیب آلی، افزایش تعداد پیوند‌های کربن-هترواتم یا کاهش پیوند‌های کربن هیدروژن است. کاهش در ترکیبات آلی کاهش تعداد پیوند‌های کربن-هترواتم یا افزایش تعداد پیوندهای کربن هیدروژن است.

این واکنش‌ها معمولا با مواد اکسنده مانند سدیم بورهیدرید و پتاسیم پرمنگنات انجام می‌شود. این مواد باعث تغییر گروه عاملی مواد هیدروکربنی و اکسایش آن‌ها می‌شوند. در تصویر زیر روند تغییر گروه‌های عاملی و اکسایش برخی از مواد را مشاهده می‌کنید. واکنش‌های اکسایش و کاهش آلی نیز یکی دیگر از مهم‌ترین فرمول های شیمی دوازدهم است.

۵ ساختار شیمیایی آلی
بر اساس رای ۰ نفر
آیا این مطلب برای شما مفید بود؟
اگر بازخوردی درباره این مطلب دارید یا پرسشی دارید که بدون پاسخ مانده است، آن را از طریق بخش نظرات مطرح کنید.
منابع:
libretextsunacademykhanacademywikipediamasterorganicchemistrystudysmarter
دانلود PDF مقاله
نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *