تغييرات گرماگير: تغييراتي هستند كه با گرفتن انرژي (گرما) همراهند در اين تغييرات انرژي واكنش دهنده ها كمتر از فراورده هاست

 

واكنش هاي گرماده و گرماگير


گرماگير (Endothermic): گرما وارد(ENTER) واكنش مي شود. دماي محيط پايين مي آيد.
گرماده (Exothermic):گرما در طول واكنش خارج (EXIT) مي شود. دماي محيط بالا مي رود.

 

 

نمودار واكنش گرما گير و گرما ده

 

انرژي فعال سازي

اگر خودرو ها با سرعت كم با هم تصادم كنند (انرژي كم باشد) آسيب زيادي نمي رسد اما در سرعت بالا (مقدار انرژي زياد) آسيب زياد است. تصادم ذرات ماده نيز وقتي منجر به انجام واكنش مي شود كه با انرژي كافي صورت گيرد. انرژي فعال سازي ( اكيتواسيون ) ناميده مي شود.

.

سرعت واكنش هاي شيميايي : واكنش هاي شيميايي با سرعت هاي متفاوتي انجام مي شوند.
سرعت واكنش شيميايي يعني سرعت توليد فراورده ها و يا سرعت مصرف واكنش دهنده ها به بيان ديگر سرعت واكنش شيميايي يعني «توليد فراورده يا مصرف واكنش دهنده در واحد زمان»
 

 

 

اصول اوليه انفجار
مواد منفجره، به زبان ساده، موادي هستند كه در صورت آغاز فرآيند انفجار، با سرعت بالايي واكنش مي‌دهند و حجم زيادي گاز توليد مي‌كنند. بطور كلي، تعريف انفجار، يعني آزاد شدن مقدار زيادي گاز با سرعت و فشار بالا. اين آزاد شدن گاز به نوبه خود مي‌تواند باعث پرتاب شدن قطعات و اشياء اطراف و تبديل شدن آنها به تركش شود. مواد منفجره انواع زيادي دارند (شيميايي، اتمي، پلاسما...) مواد منفجره شيميايي از دو جز اكسيدكننده، و سوخت تشكيل شده‌اند. هر ماده سوختني، در حرارت مناسب و در مجاورت اكسيژن آتش مي‌گيرد و شروع به سوختن مي‌كند. اما به دليل اينكه در هوا، اكسيژن به صورت خالص وجود ندارد، سوختن اين مواد به تدريج صورت مي‌گيرد. در موا منفجره، در كنار سوخت، ماده اكسيد كننده اضافه مي‌شود. ماده اكسيد كننده، مثل پتاسيم پرمنگنات، در هنگام واكنش مقدار زيادي اكسيژن آزاد مي‌كند و اين اكسيژن با سوخت تركيب شده و باعث واكنش ناگهاني كل سوخت مي‌شود و انفجار به وجود مي‌آيد. به ياد داشته باشيد كه مواد منفجره براي واكنش نيازي به هوا ندارند و اكسيژن مورد نياز خود را از درون خود تأمين مي‌كنند.
دو نوع ماده منفجره شيميايي وجود دارد High Explosive : يا مواد درجه بالا و Low Explosive يا مواد درجه پائين. مواد درجه بالا در صورت انفجار با سرعت زيادي تبديل به گار مي‌شوند و شدت انفجار آنها بسيار زياد است. اما بر عكس، مواد درجه پائين نسبتا" كند واكنش مي‌دهند. مثالهاي خوب ماده درجه بالا C-4 و ماده درجه پائين باروت است. مواد منفجره همچنين از نظر ميزان حساسيت با يكديگر تفاوت دارند. بعضي از اين مواد بقدري حساسند كه حتي نشستن يك پشه روي آنها باعث انفجارشان مي‌شود و در عوض بعضي از آنها تا 3000 درجه دما را تحمل مي‌كنند و منفجر نمي‌شوند. مواد منفجره حساس را با احتياط زياد و در مقادير بسيار كم جابجا مي‌كنند و به همين دليل از چاشني استفاده مي‌كنند. چاشني (Detonator) وسيله‌اي است كه به وسيله حرارت، ضربه يا شوكهاي الكتريكي منفجر مي‌شود وبه نوبه خود باعث انفجار مواد منفجره با حساسيت كمتر مي‌شود. يك بمب به صورت كلاسيك از اجزاي زير تشكيل مي‌شود: چاشني، ماده انفجاري ثانويه و پوشش.
چاشني به وسيله مكانيسم دلخواه از قبيل فتيله، تايمرالكتريكي يا ساعتي منفجر مي‌شود و خود باعث انفجار ماده اصلي مي‌شود، اگر ماده منفجره بدون پوشش استفاده شود، شدت انفجار و تخريب آن زياد نخواهد بود و محوطه كوچكي را تخريب مي‌كند، به همين دليل بمبها را بايد درون پوششهاي فلزي مثل لوله‌هاي فلزي با قطرهاي مختلف قرار داد. ماده منفجره مقدار زيادي گاز آزاد مي‌كند و چون اين گاز راه فراري ندارد موجب تكه‌تكه‌شدن پوشش فلزي مي‌شود و قطعات تركش با سرعت بالايي به اطراف پرتاب مي‌شود و آسيب زيادي به اطراف مي‌زنند.
از پژوهش‌ها چنين برمي‌آيد كه چيني‌ها نختستين ملتي بودند كه باروت را ساختند در حالي كه اروپاييان تا نيمه قرن سيزدهم از آن بي‌خبر بودند. فرمول باروت در كتابي كه توسط ماركوس گرائيكوس منتشر شد با نسبت‌هاي سه‌چهارم شوره (پتاسيم نيترات)، يك هشتم گوگرد و يك هشتم زغال آمده است. معادله واكنش انفجار باروت سياه را مي‌توان به صورت زير نوشت:

برخي معادله واكنش انفجار باروت را در فضاي محدود به صورت زير نوشته‌اند:

به هنگام انفجار دودي خارج مي‌شود كه مربوط به ايجاد پتاسيم سولفيد است. اگر در هواي آزاد باروت را بسوزانيم معادل واكنش چنين است:

همان‌گونه كه مشاهده مي‌فرماييد در ساخت باروت ماده اصلي نمك پتاسيم نيترات (شوره) مي‌باشد كه مي‌توان آن را از نيتريك اسيد نيز بدست آورد.
كلا" دو نوع باروت وجود دارد، باروت سياه و باروت‌هاي بدون دود.
در واقع باروت سياه قدرت انفجاري كمي دارد اما حجم زيادي دود ايجاد مي‌كند.
اما باروت بدون دود يك ماده شيميايي است كه در موقع انفجار، تجزيه شده و در موقع سوختن گازهاي داغ توليد مي‌كند. اين ماده‌ي جامد به راحتي آتش گرفته و مي‌سوزد.
همه‌ي باروت‌هاي سياه داراي فرمول يكساني هستند و به راحتي مي‌توان اين ماده را در اندازه‌هاي مختلف تهيه نمود، دانه‌هاي كوچكتر اين باروت سريعتر مي‌سوزند، بنابراين آنها را براي اسلحه‌هاي اوليه و قابل حمل استفاده مي‌كردند. از اندازه‌هاي بزرگتر اين مواد براي ساخت بمبها و سلاح‌هايي كه سرعت سوخت در آنها مهم نيست، استفاده مي‌كنند.
اما چندين فرمول مختلف براي باروت‌هاي بدون دود در اندازه‌ها و شكلهاي مختلف وجود دارد.
براي ساخت گلوله‌هاي تفنگ نيز از فلزات فشرده و پرچگالي استفاده مي‌كنند، فلز مورد استفاده معمولا" سرب مي‌باشد. در برخي موارد نيز از هسته‌ي سربي به همراه پوشش مسي براي ساخت گلوله استفاده مي‌كنند. پوشش مسي سبب برد طولاني‌تر اين گلوله‌ها مي‌شود.
نوبل مخترع سوئدي كاشف ديناميت و ديگر مواد منفجره پرقدرت بود. آلفرد برنهارد نوبل در سال 1833 در استكهلم پايتخت سوئد به دنيا آمد. پدرش كارخانه‌اي در سنت پترزبورگ تأسيس كرد كه موفقيت خوبي به همراه داشت و مواد انفجاري و برخي صنايع نظامي مي‌ساخت.
درسال 1863 توانست مكانيسمي پيدا كند كه بتوان انفجار نيتروگليسرين را كنترل كند.
در سال 1963 توانست مكانيسمي پيدا كند كه بتوان انفجار نيتروگليسرين را كنترل كرد.
نيتروگليسرين مايعي بسيار خطرناك بود كه استفاده از آن هيچ قاعده‌اي نداشت. طبق طرح نوبل در يك محفظه و با يك كلاهك مي‌شد زمان انفجارو قدرت تخريب را محاسبه كرد. ضمن اين كه او به مايع گليسرين پودر سياه يا همان باروت را نيز اضافه كرد.
البته اين تحقيقات نمي‌توانست جلوي خطر نيتروگليسرين را بگيرد و آلفرد خسارات جدي آن را ديد.
در سال 1864 آزمايشگاه او منفجر شد و برادر كوچكش و چند نفر از كارمندان آزمايشگاه كشته شدند. در جست‌و‌جوي يك ماده منفجره با امنيت بيشتر، نوبل در سال 1867 كشف كرد كه از مخلوط كردن نيتروگليسرين با يك ماده ديگر به نام «كيسلگوهر» مي‌توان ماده منفجره‌اي ساخت كه ضريب امنيت و اطمينان بالاتري براي حمل و نقل داشته باشد. نوبل اختراع خود را «ديناميت» نام نهاد كه از كلمه يوناني «ديناميس» به معناي «قدرت» گرفته شده بود.

 

توجه داشته باشيد كه هر چه انرژي فعال سازي (حداقل انرژي لازم براي شروع واكنش) كمتر باشد سرعت واكنش بيشتر است.
 


الف) دما :

 آب از هيدروژن و اكسيژن تشكيل شده است . اين دو گاز در دماي معمولي هرگز با هم تركيب نمي شوند اما اگر مخلوط اين دو گاز را تا حدود 700 درجه سانتيگراد حرارت دهيم بسرعت با هم تركيب مي شوند و آب پديد مي آيد

 

تاثير دما بر سرعت واكنش‌هاي شيميايي
افزايش دما تقريبا" هميشه باعث افزايش سرعت واكنش مي‌شود. واكنش‌هاي پختن با افزايش دما با سرعت بيشتري انجام مي‌شوند. براي جلوگيري از فساد غذاها، آن‌ها را در يخچال با دماي تقريبي 5 درجه سانتيگراد نگه‌داري مي‌كنند. براي اينكه روند فاسد شدن غذا از اين هم كندتر شود، مي‌توان آن را در فريزر با دماي 15- درجه سانتيگراد قرار داد.
جانوران خونگرم دماي بدنشان را ثابت نگه مي‌دارند، همان كاري كه انسان انجام مي‌دهد. سرعت سوخت و ساز (توليد و مصرف انرژي) اين جانوران مستقل از دماي هوا است. ولي اين مسئله در حيواناتي كه خواب زمستاني دارند متفاوت است. آن‌ها با كاهش دماي بدن خود، سرعت سوخت و ساز را تا مقدار زيادي كاهش مي‌دهند. چربي بدن به آهستگي مصرف مي‌شود و اين حيوانات مي‌توانند بدون آنكه در زمستان چيزي بخورند، زنده بمانند.
براي ارزيابي تاثير دما بر سرعت واكنش غالبا" از قاعده‌اي استفاده مي‌شود: با 10 درجه سانتيگراد افزايش دما، سرعت واكنش تقريبا" دو برابر مي‌شود. بنابراين اگر دماي ديگ زودپز از 100 درجه به 110 درجه سانتيگراد افزايش يابد، زمان لازم براي طبخ غذا به نصف تقليل مي‌يابد. همچنين زمان سالم ماندن شير در يخچال 5 درجه سانتيگراد، چهار برابر زماني است كه شير در دماي 25 درجه نگه‌داري مي‌شود.
افزايش دما، حركت مولكول‌ها را سرعت مي‌بخشد و درنتيجه تعداد برخوردها را افزايش مي‌دهد. اما اثر دما را با استفاده از انرژي فعال‌سازي بهتر مي‌توان توضيح داد.
مي دانيم كه برخورد مولكول‌ها مقدمه‌ي انجام واكنش مي‌باشد. اما واقعيت آن است كه برخورد مولكول‌ها با انرژي كافي منجر به انجام واكنش مي‌شود. شكل زير نشان مي‌دهد كه افزايش دما برخورد (تصادم) مولكول‌ها را زياد كرده است:

اگر حداقل ميزان انرژي لازم براي انجام يك واكنش را انرژي فعال‌سازي بناميم، مي‌توان گفت كه افزايش دما به ميزان كم، تعداد مولكول‌ها با انرژي بالا (انرژي فعال‌سازي) را به ميزان زيادي افزايش مي‌دهد.

.

ب) غلظت :

 با افزايش غلظت برخورد مؤثر بين مولكول هاي واكنش دهنده بيشتر و واكنش سريعتر مي شود نمودار مقابل رابطه غلظت با سرعت را نشان مي دهد

 

.
 

اثر غلظت بر سرعت واكنش‌هاي شيميايي
يكي از مسائل واضح در بحث سينتيك يا بررسي سرعت واكنشها اين است كه سرعت واكنش با غلظت مواد اوليه ارتباط مستقيم دارد، به عبارت ديگر افزايش غلظت مواد اوليه، باعث افزايش سرعت و كاهش غلظت مواد اوليه سبب كاهش سرعت واكنش مي گردد. اين مطلب، كند شدن سرعت واكنش با گذشت زمان را توجيه مي‌كند؛ در ابتدا غلظت مواد اوليه زياد است، درنتيجه سرعت واكنش نيز زياد مي‌باشد، با پيشرفت واكنش، مواد اوليه مصرف مي‌شوند و غلظت آن‌ها كاهش مي‌يابد، درنتيجه سرعت واكنش نيز كم مي‌شود.

براي اينكه واكنشي انجام شود، لازم است دو مولكول با يكديگر برخورد كنند. در غلظت‌هاي كم، مولكولها از يكديگر دور هستند، درنتيجه براي برخورد با يكديگر بايد مسير زيادي را طي كنند. بنابراين تعداد برخوردها در يك زمان معين كم است و بالطبع واكنش به آهستگي انجام مي‌شود.
در غلظت‌هاي بالاتر، مولكول‌ها فاصله كمتري با يكديگر دارند و بنابراين برخوردهاي بين آنها افزايش يافته و درنتيجه سرعت واكنش نيز افزايش مي‌يابد.

در واكنش

انجام واكنش مستلزم برخورد ميان مولكولهاي گازي CO , NO2 مي‌باشد. چنانچه غلظت CO ثابت نگه داشته شود و غلظت NO2 دو برابر شود، سرعت واكنش نيز دو برابر مي‌شود. همچنين درصورتيكه غلظت NO2 ثابت نگه داشته شود و غلظت CO دو برابر شود، دوباره سرعت واكنش دو برابر مي‌شود. پس مي‌توان گفت:

(غلظت NO2) × (غلظتCO)اK= سرعت واكنش

در اين معادله K ثابت تناسب است و ثابت سرعت نيز ناميده مي‌شود.
تئوري تصادم مبناي موفقي را براي درك اثر غلظت بر روي سرعت واكنش ارائه مي‌دهد. بر مبناي اين تئوري به همان صورت كه افزايش تعداد اتومبيل‌ها در يك جاده، احتمال تعداد تصادفات كوچك را زياد مي كند، افزايش تعداد ذرات در يك حجم معين نيز تعداد تصادم مولكول‌ها را زياد مي‌كند و هر چه تصادم‌ها فزوني يابد، سرعت واكنش نيز زيادتر مي‌شود.
در واكنش بين گازها مي‌توان غلظت يكي از مواد واكنش‌دهنده را با اضافه كردن مقداري از آن ماده به مخلوط زياد كرد و در صورتيكه بخواهيم غلظت همه اجزاي گازي را در يك زمان افزايش دهيم، مي‌توانيم حجم مخلوط را كم كنيم. اين عمل غلظت مواد تشكيل دهنده را بالا مي‌برد و درنتيجه سرعت واكنش‌هايي كه در آن محيط روي مي‌دهند، افزايش مي‌يابد. در واكنش ميان فلز روي (جامد) و سولفوريك اسيد (مايع) واكنش در سطح فلز روي صورت مي‌گيرد كه سطح مشترك بين دو فاز مي باشد. هر چه سطح بيشتري در معرض واكنش قرار گيرد، واكنش سريعتر انجام مي‌گيرد. افزايش مساحت باعث افزايش تعداد مولكول‌هاي سطحي در همان محدوده مي‌شود. پس هر چه سطح بيشتري در معرض واكنش قرار گيرد، غلظت بيشتر مي‌شود. به عبارت ديگر افزايش مساحت سطح بر سرعت واكنش مي‌افزايد.
افزايش فشار بر روي گاز در دماي ثابت، به كاهش حجم اشغال شده به وسيله‌ي مولكولها منجر مي‌شود و چون تعداد بيشتري مولكول در واحد حجم حضور خواهند داشت، غلظت افزايش مي‌يابد. بنابراين افزايش فشار يك گاز نيز سبب افزايش سرعت واكنش مي‌گردد.

 

 

انرژي لازم براي شروع يك واكنش (انرژي فعال‌سازي)

 

 

يك واكنش اگر گرماده هم باشد، براي شروع به مقداري انرژي نياز دارد و به كم‌ترين مقدار انرژي لازم براي شروع يك واكنش انرژي فعالسازي مي‌گويند. هنگامي كه سر يك چوب كبريت را بر روي قوطي كبريت مي‌كشيد بر اثر اصطكاك سر چوب كبريت گرم مي‌شود. اين گرما انرژي لازم براي آتش گرفتن سر كبريت را فراهم مي‌كند. هنگامي كه كبريت روشن شد، يك واكنش گرماده صورت مي‌گيرد و گرماي آزاد شده براي گرم كردن واكنش‌دهنده‌ها و ادامه‌ي واكنش كافي است.

 

ج) كاتاليزگر:

 موادي هستند كه سرعت واكنش هاي شيميايي را افزايش مي دهند اما خود دچار تغيير شيميايي نمي شوند و در پايان واكنش دست نخورده باقي مي مانند مثلا هيدروژن پراكسيد (آب اكسيژنه) در گرما و نور به آب و گاز اكسيژن تجزيه مي شود افزودن زنگ آهن سرعت تجزيه شدن را افزايش مي دهد. اگر مقداري گرد دي اكسيد منگنز به آب اكسيژنه اضافه كنيم سرعت واكنش بحدي افزايش مي يابد كه شروع به جوشيدن مي كند و گرماي قابل ملاحظه اي ازاد مي شود.(واكنش گرماده

 

 

نقش كاتاليزور در توليد روغن‌هاي نباتي جامد
روغن‌هاي نباتي در اصل به‌ صورت مايع بدست‌مي‌آيد كه به همان صورت نيز قابل مصرف مي‌باشد ليكن دوام آنها نسبت به روغن‌هاي جامد كمتر است و زودتر فاسد مي‌شوند. همچنين در موقع سرخ كردن غذا كه روغن به دماي بيش از صد درجه مي‌رسد پايداري روغن‌هاي جامد بيشتر است و ديرتر تجزيه مي‌شود به اين دليل مقدار زيادي از روغن‌هاي مايع را از راه تركيب شيميايي با گاز هيدروژن به صورت جامد درمي‌آورند و روي قوطي يا حلب محتوي آنها معمولا" كلمه «هيدروژنه» نوشته مي‌شود.
تركيب شدن گاز هيدوژن با روغن مايع نياز به كاتاليزور دارد .اين كاتاليزور ذرات فلز نيكل است كه روي پودرهاي سيليسي مانند دياتوميت نشانده (چسبانده) شده است. پودر كاتاليزور با روغن مايع مخلوط و هيدروژن در آن دميده مي‌شود. پس از انجام واكنش كاتاليزور را از روغن جدا مي‌كنند.
براي توجه به اهميت نقش كاتاليزور بايد دانست كه در اين واكنش بايد ابتدا ملكول هيدروژن شكسته شده به هيدروژن اتمي تبديل گردد. آنگاه اتم هيدروژن خواهد توانست با ملكول روغن تركيب گردد. نقش كاتاليزور اين است كه ملكول دو اتمي هيدروژن را شكسته و هر اتم نيكل با يك اتم هيدروژن پيوندي ناپايدار تشكيل مي‌دهد. در مرحله بعد هيدروژن اتمي از نيكل جدا و با ملكول روغن تركيب مي‌گردد. ملكول‌هاي جديد داراي نقطه ذوب بالا بوده و در دماي محيط تقريبا" جامد مي‌باشند كه محتواي روغن جامد عرضه مي‌گردد.

 

 

انرژي فعال‌سازي (اكتيواسيون) و كاتاليزگرها
انرژي فعال‌سازي، انرژي لازم براي تشكيل يك ماده حد واسط بين فرآورده و واكنش‌دهنده‌ بنام «كمپلكس فعال» است. تشكيل كمپلكس فعال از مواد واكنش‌دهنده، فرآيندي انرژي‌گير است كه از اين انرژي به نام انرژي فعال‌سازي نام برده مي‌شود. بنابراين هر عاملي كه سبب شود سريع‌تر به انرژي فعال‌سازي و تشكيل كمپلكس فعال برسيم، سرعت واكنش را زياد خواهد كرد. نقش كاتاليزگرها نيز همين است و بخصوص در مورد واكنش‌هايي كه انرژي فعال‌سازي آنها زياد است و در نتيجه واكنش با سرعت كمي انجام مي‌شود. كاتاليزگر راهي سريع‌تر براي رسيدن به كمپلكس فعال و كم كردن انرژي فعال‌سازي ايجاد مي‌كند كه نتيجه آن افزايش سرعت واكنش است. براي مثال انرژي فعال‌سازي واكنش تجزيه N2O برابر با 250 است.

اين مقدار انرژي، انرژي فعال‌سازي بالايي است. از اين رو سرعت اين تجزيه بدون دخالت كاتاليزگر بسيار كم است.
در مقابل، وقتي N2O با سطح طلا در تماس قرار گيرد با سرعت بسيار بيشتري تجزيه مي‌شود. در اين جا طلا به عنوان يك كاتاليزگر جامد عمل مي‌كند. تجربه نشان مي‌دهد كه انرژي فعال‌سازي واكنش ياد شد، در مجاورت طلا در حدود 120 است. كم شدن انرژي فعال‌سازي واكنش در مجاورت طلا از 250 كيلوژول بر مول به 120 كيلوژول بر مول سبب صدها هزار برابر شدن سرعت تجزيه N2O مي‌شود.

واكنش‌هاي كاتاليز شده به دو دسته تقسيم مي‌شوند : همگن و ناهمگن.
واكنش‌هاي كاتاليز شده‌ي همگن آنهايي هستند كه واكنش‌دهنده‌ها و كاتاليزگر در يك فاز قرار دارند. براي نمونه تجزيه هيدروژن پراكسيد با دخالت يون‌هاي آهن (II) يا آهن (III) يك واكنش كاتاليز شده‌ي همگن است. واكنش‌هاي كاتاليزشده‌‌ي ناهمگن آنهايي هستند كه واكنش‌دهنده‌ها و كاتاليزگر دو فاز متفاوت را تشكيل مي‌دهند. براي نمونه، تجزيه گاز N2O روي طلا يك واكنش كاتاليز ‌شده‌ي ناهمگن است.

نكته مهم در بررسي يك واكنش توجه به اين مطلب است كه در يك واكنش شيميايي هيچ اتمي تلف نمي‌شود. به عبارت ديگر بعد از انجام گرفتن واكنش، از هر نوع اتم به همان تعداد كه پيش از آن وجود داشت موجود خواهد بود. در واقع اصل موازنه معادله شيميايي نيز بر همين اساس است يعني در جريان يك واكنش شيميايي، اتم‌ها از بين نمي‌روند و بوجود نمي‌آيند بلكه از وضعي به وضع ديگر نوآرايي پيدا مي‌كنند. به اين ترتيب جرم در طول يك واكنش شيميايي ثابت باقي خواهد ماند. اين مطلب بيانگر قانون پايستگي جرم در واكنش‌هاي شيميايي است كه اولين بار توسط لاووازيه ارائه شد.

در اثر سوختن بنزين در موتور خودروها گازهاي آلاينده هوا از قبيل كربن مونوكسيد كه گازي سمي است، نيتروژن‌اكسيد و هيدروكربن‌هاي نسوخته پديد مي‌آيند. كاتاليزگرهايي موسوم به "مبدل‌هاي كاتاليزوري"در اگزوز خودروها وجود دارند كه باعث مي‌شوند گازهاي فوق به گازهايي بي‌خطر به ترتيب، كربن‌دي‌اكسيد، نيتروژن، كربن‌دي‌اكسيد و بخار آب تبديل شوند.

به عنوان مثال نيتروژن اكسيد در سطح كاتاليزگرها به گازهاي نيتروژن و اكسيژن تجزيه مي‌شود و سپس مولكول‌هاي نيتروژن و اكسيژن را پديد مي‌آورند. نيتروژن و اكسيژن هر دو از گازهاي موجود در هوا مي‌باشد.

 

 

 

آنزيم‌ها
هر موجود زنده درست مانند يك كارخانه‌ي توليد مواد شيميايي يا مواد غذايي و ... مي‌باشد. در داخل سلول‌ها سوخت‌وسازي صورت مي‌گيرد كه به متابوليسم معروف است. نتيجه‌ي اين فعاليت‌ها، توليد ساختارهاي سلولي، درهم‌شدن ساختارهاي مولكولي بزرگ، استفاده از انرژي مواد غذايي و دفع مواد زايد غذاها مي‌باشد. متابوليسم يك موجود زنده مجموع واكنش‌هاي شيميايي است كه در سراسر بدن موجود زنده رخ مي‌دهد. اين واكنش‌ها همچون ديگر واكنش‌هاي شيميايي خودبخود صورت نمي‌گيرند و نيازمند انرژي و كاتاليزگرهايي كه آنزيم ناميده مي‌شوند، هستند تا واكنش‌ها به شكل مناسب و در دماي پايين صورت گيرند.
آنزيم‌ها مولكول‌هاي پروتئيني پيچيده‌اي هستند كه به طور كاملا" اختصاصي عمل مي‌كنند، يعني آن‌ها تنها با يك مولكول (ماده) خاص واكنش مي‌دهند. اين ماده، زمينه يا سوبسترا خوانده مي‌شود كه در مقايسه با آنزيم بسيار كوچك است. با پايان يافتن واكنش، سوبسترا آزاد مي‌شود و آنزيم آماده‌ي پذيرش مولكول زمينه يا سوبستراي ديگر مي‌شود.
آنزيم‌ها معمولا" پسوند "آز" دارند، به عنوان مثال آنزيم مالتاز، مالتوز (قند شير) را به دو مولكول گلوكز (قند ساده) هيدروليز مي‌كند.
در ابتدا تصور مي‌شد كه مولكول آنزيم و مولكول زمينه (سوبسترا) بايد مانند يك قفل و كليد با يك‌ديگر جفت‌و‌جور شوند، اما پژوهش‌هاي جديد نشان مي‌دهد كه ربايش اجزاي قطبي هر مولكول آنزيم و سوبسترا به اجزاي قطبي مولكول ديگر، ممكن است موجب اندكي تغيير شكل هر دو مولكول شود تا بتوانند با يك‌ديگر بيشتر جفت‌و‌جور شوند. تغيير شكل سوبسترا، آن را مستعد مي‌سازد تا جذب مولكول ديگر شود.
معروف‌ترين آنزيم‌ها، آنزيم‌هاي گوارشي هستند كه يكي از آن‌ها به نام پتيالين در بزاق و ديگري به نام پپسين در شيره‌ي معده يافت مي‌شود. وظيفه‌ي مشترك اين دو آنزيم، تسريع شكستن مولكول‌هاي بزرگ موادي مانند نشاسته و پروتئين مي‌باشد.


نمودار الف تجزيه اين ماده بدون حضور كاتاليزگر و نمودار ب تجزيه اين ماده با حضور كاتاليزگر را نشان مي دهد.

 


د) سطح تماس:

 با افزايش سطح تماس سرعت واكنش زياد تر مي شود به همين علت است كه خاك اره سريعتر از تنه درخت مي سوزد و يا خوب جويدن غذا هضم آن را آسانتر مي كند

 

اثر سطح تماس بر سرعت واكنش‌هاي شيميايي
سرعت واكنش‌هاي شيميايي جامدات معمولا" با افزايش سطح تماس، زياد مي‌شود. براي افروختن آتش به جاي استفاده از كنده‌هاي بزرگ چوب و يا زغال‌هاي درشت، از تراشه‌هاي چوب و خرده‌زغال‌ها استفاده مي‌شود. آهن نمي‌سوزد، اما با پاشيدن پودر آهن بر روي شعله‌ي يك چراغ الكلي مي‌توان شاهد گداخته شدن ذرات بسيار كوچك (پودر آهن) بود.
افزايش سطح تماس باعث مي شود كه واكنش با اكسيژن هوا سريع‌تر صورت گيرد. اگر جامدي در جهت انجام واكنش، به صورت پودر درآورده شود، سرعت واكنش حتي از ميزان مورد نظر نيز بيشتر مي‌شود. آتش‌سوزي‌هاي وسيع ناشي از جرقه‌اي كوچك در يك كارخانه چوب‌بري ناشي از بالا بودن سرعت سوختن خاك‌اره‌ها مي‌باشد.
علت افزايش سرعت واكنش بر اثر افزايش سطح تماس بسيار ساده و روشن است. در جامدات، واكنش بايد در سطح جامد صورت گيرد، زيرا تنها ذرات موجود در سطح در معرض ماده اوليه ديگر قرار مي‌گيرند. ذرات (مولكول‌ها يا يون‌هايي) كه در سطح ماده قرار دارند، به مراتب كمتر از كل ذراتي هستند كه در كل يك مكعب جامد وجود دارد. در مكعبي به ضلع 1 سانتي‌متر، از هر 108 مولكول، تنها يك مولكول در سطح قرار مي‌گيرد. ساير مولكول‌ها در داخل مكعب پنهان شده‌اند و در واكنش شركت نمي‌كنند.
چنانچه جامد به قطعات كوچك تقسيم شود، سطح تماس افزايش مي‌يابد. به عنوان مثال اگر مكعب 1Cm3 ي به هشت مكعب تقسيم شود، هر ضلع آن 5/0 سانتي‌متر خواهد بود كه سطح تماس را دو برابر مي‌كند. شكل زير اين موضوع را نشان مي‌دهد:

در اين حالت تعداد مولكول‌هايي كه در معرض تماس با ماده اوليه ديگر هستند، دو برابر مي‌شود. اگر اين روند ادامه يابد تا به ابعاد مولكولي 8-10 سانتي‌متر رسيد، واكنش مي‌تواند بسيار سريع و فوري انجام شود. به عنوان مثال واكنش ميان سرب نيترات Pb(NO3)2 و پتاسيم يديد KI كه هر دو جامدي سفيد رنگ هستند را در نظر بگيريد. بر اثر واكنش اين دو تركيب، جامد زردرنگي به نام سرب يديد PbI2 پديد مي‌آيد. اگر مواد اوليه داراي بلورهاي درشت باشند، زمان زيادي طول مي‌كشد تا ماده‌ي زردرنگ پديد آيد.
چنانچه مخلوط جامد در آب حل شود، يون‌ها آزاد مي‌شوند و همه‌ي يونهاي Pb+2 و -I براي انجام واكنش در دسترس قرار مي‌گيرند، در اين‌صورت واكنش به سرعت انجام مي‌شود.
به طور كلي واكنش بين يون‌هاي محلول با بار مخالف بسيار سريع انجام مي‌شوند:

.
 

فعاليت:
مقداري پر منگنات پتاسيم را روي تكه اي كاشي يا سنگ بريزيد . چند قطره گليسرين روي آن بچكانيد و چند لحظه صبر كنيد.
بار ديگر همين آزمايش را انجام دهيد اما اين بار قبل از چكاندن گليسرين ، پرمنگنات را در هاون كاملا نرم كنيد.


تفاوت نتيجه اين مرحله با مرحله قبل را تفسير كنيد.
 

تذكر: اين آزمايش را با احتياط و زير نظر بزرگتر ها انجام دهيد.
 

توضيح مفهوم انرژي و تغييرهاي فيزيكي و شيميايي
تعريف كلي انرژي را مي‌توان توانايي انجام كار بيان كرد كه آنرا به دو دسته كلي انرژي مكانيكي و انرژي غيرمكانيكي تقسيم مي‌كنند.
همان طور كه در نمودار بالا مشاهده مي‌شود انرژي شيميايي يكي از انواع انرژي غير مكانيكي است. البته تمامي انواع انرژي اعم از مكانيكي و غيرمكانيكي مي‌توانند به كار تبديل شوند. مثلا" انرژي شيميايي موجود در مواد غذايي در داخل بدن موجب حركت عضلات و اعضاي بدن مي‌‌شود و يا از سوختن زغال يا چوب انرژي شيميايي به انرژي گرمايي تبديل مي‌شود زيرا فرآيند سوختن يك واكنش شيميايي است كه در آن مواد تشكيل دهنده زغال يا چوب با اكسيژن هوا تركيب شده، گرما آزاد مي‌كنند. به طور كلي هر نوع پيوندي ميان اتم‌هاي مختلف سازنده‌ي ملكول يك جسم، نوعي انرژي به نام انرژي شيميايي دارد كه مقدار آن به نوع اتم‌ها و نحوه‌‌ي قرارگرفتن آنها در ملكول بستگي دارد. مثلا" وقتي دو اتم اكسيژن به اندازه‌ي كافي به هم نزديك شوند بين آن دو اتم پيوند بوجود مي‌آيد و ملكول اكسيژن حاصل مي‌شود. در واقع بين دو اتم اكسيژن در ملكول اكسيژن، انرژي ذخيره‌اي وجود دارد كه به آن انرژي شيميايي مي‌گويند. در يك واكنش شيميايي در واقع اتصال اتم‌ها به يكديگر در واكنش‌دهنده‌ها دستخوش تغيير مي‌شود و در نتيجه انرژي شيميايي فرآورده‌هاي واكنش با انرژي شيميايي واكنش‌دهنده‌ها تفاوت پيدا مي‌كند. به عنوان مثال در واكنش كلر با گاز هيدروژن، فرآورده‌ي واكنش يعني كلريد هيدروژن در مقايسه با واكنش‌دهنده‌ها (كلر و هيدروژن) پيوندهاي كاملا´متفاوتي دارند و از اين رو انرژي شيميايي آنها متفاوت است.

طبق قانون پايستگي انرژي، انرژي كل همواره ثابت است. بنابراين اين پرسش مطرح مي‌شود كه با توجه به متفاوت بودن انرژي شيميايي فرآورده با انرژي شيميايي واكنش دهنده اين اختلاف انرژي به چه صورت ظاهر مي‌شود؟
تجربه نشان مي‌دهد كه وقتي اين دو گاز با هم واكنش مي‌دهند گرماي زيادي حاصل مي‌شود. بنابراين در واكنش فوق اختلاف انرژي شيميايي ميان فرآورده و واكنش‌دهنده به صورت گرما ظاهر مي‌شود. واكنش‌هايي نظير اين واكنش و واكنش سوختن متان را كه طي آن انرژي گرمايي ايجاد مي‌شود «گرماده» مي‌گويند. در اين واكنش‌ها سطح انرژي شيميايي فرآورده‌ها كمتر از انرژي شيميايي واكنش‌دهنده‌هاست. در واكنش‌هايي كه سطح انرژي شيميايي فرآورده‌ها بيشتر از واكنش‌دهنده‌ها باشد، براي انجام چنين واكنشي بايد مقداري گرما به اجزاي واكنش‌دهنده داده شود و لذا اين واكنش‌ها را «گرماگير» گويند.
در حقيقت در تمامي واكنش‌هاي شيميايي چه گرماده و چه گرماگير براي شروع واكنش نياز به انرژي اوليه است كه به اين انرژي اوليه، انرژي فعال سازي يا انرژي اكتيواسيون مي‌گويند.

 

قانون پايستگي جرم:
لاوازيه در سال 1782 به اين نتيجه رسيد كه وقتي ماده اي به ماده ديگر تبديل مي شود وزن كلي آن تغيير نمي كند . به عبارت ديگر در يك تغيير شيميايي همواره مجموع جرم واكنش دهنده ها برابر مجموع جرم فراورده هاست يعني جرم ثابت باقي مي ماند.

مثلا از سوختن چوب در هوا، موادي مانند كربن، دود، خاكستر، بخار آب و ... پديد مي آيد جرم كربن، دود ، خاكستر ، بخار آب و هواي مصرف شده برابر جرم چوب اوليه خواهد بود.
و يا اگر 4 گرم آهن و 7 گرم گوگرد را با هم حرارت دهيم حتما 11 گرم آهن سولفيد حاصل مي شود

نمايشي از قانون پايستگي جرم

 

پايستگي جرم در واكنش هاي شيميايي


جرم مواد اوليه (قبل از واكنش) با جرم فراورده هاي واكنش (محصولات بعد از واكنش) با هم مساوي است.

 

مقدار جرم در واكنش هاي شيميايي

اگر نسبت مواد اوليه به محصولات واكنش مشخص باشد با داشتن مقدار مواد موجود در هر يك از دو طرف يك معادله شيميايي مقدار مواد ديگر قابل محاسبه مي باشد (استوكيومتري).

.
 

پايستگي جرم در واكنش جانشيني ساده

در اين واكنش منيزيم (Mg) جاي مس (Cu) را در مس اكسيد مي گيرد.
جرم واكنش دهنده ها و فراورده ها مساوي است.

 دانلود آزمایش اثر گرما بر گوگرد و منیزیم

پيروي بهنام