به نام خدا

موضوع :

تغییرات مواد

تهیه و تنظیم :

دبیر گرامی :

انواع تغییرات ماده

موادی كه در اطرافمان وجود دارد، دستخوش تغییرات می‌شود. این تغییرات در قالب دو گروه تغییرات فیزیكی و شیمیایی طبقه‌بندی می‌شوند.

پنج حالت ماده

شما احتمالاً درباره جامدات، مایعات، گازها، پلاسما و یک حالت به نام چگال بوز-اینشتین (BEC) چیزهایی شنیده اید. دانشمندان مدت های مدیدی است درباره جامدات، مایعات و گازها اطلاعات دارند. اما پلاسما ایده جدیدی بود که به وسیله ویلیام کروکس در سال 1879 ارایه شد. همچنین دانشمندانی که در زمینه ماده چگال بوز-اینشتین تحقیق می کردند، جایزه نوبل را برای کارشان در سال 1995 دریافت کردند.

چه چیزی حالت ماده را به وجود می آورد؟ حالت ماده نتیجه حالت فیزیکی مولکول ها و اتم ها است. به جامدات فکر کنید. آنها اغلب سخت و شکننده اند. مایعات سیال و روانند، می توانند کمی به اطراف حرکت کنند و به شکل ظرف درآیند. گازها همیشه در اطراف شما هستند. مولکول های گاز در مقایسه با مولکول های موجود در یک مایع خیلی از هم جدا هستند. اگر گازی بوی زیادی داشته باشد، قبل از این که بتوانید آن را مشاهده کنید قادرید بویش را حس کنید. اما چگال بوز-اینشتین مربوط به اتم هایی است که حتی نزدیک تر به هم و کم انرژی تر از اتم های یک جامدند.

تغییرات فیزیكی تنها به تغییر ابعاد و شكل مواد محدود می‌شود و در ساختار آن تغییری ایجاد نمی‌كند. انبساط، برش، خمیدگی و ایجاد شكستگی در مواد از انواع تغییرات فیزیكی است. مواد می‌تواند از حالتی به حالت دیگر تبدیل می شوند. مواد می‌توانند از حالت جامد به مایع، از مایع به جامد یا از جامد به گاز تبدیل شوند.

این نوع تغییرات نیز از انواع تغییرات فیزیكی است كه در نتیجه آزادشدن یا جذب انرژی گرمایی ایجاد می‌شود. از سوی دیگر تغییرات شیمیایی با تبدیل یك ماده به ماده‌ای جدید همراه است. افزودن مواد شیمیایی مانند یك ماده اسیدی و همچنین جذب گرما از جمله عوامل مورد نیاز برای ایجاد تغییرات شیمیایی در ساختارمواد است. ایجاد حباب، تغییر رنگ و آزاد شدن انرژی گرمایی از نشانه‌های ایجاد تغییرات شیمیایی در مواد است. با استفاده از این آزمایش ساده با ماهیت واكنش‌های شیمیایی آشنا می‌شوید و می‌توانید تغییرات مواد مختلف را زمانی كه تحت شرایطی خاص یا از پیش تعیین شده قرار می‌گیرند، مورد بررسی قرار دهید.

تغییرات فیزیكی تنها به تغییر ابعاد و شكل مواد محدود می‌شود و در ساختار آن تغییری ایجاد نمی‌كند. انبساط، برش، خمیدگی و ایجاد شكستگی در مواد از انواع تغییرات فیزیكی است. تغییرات شیمیایی با تبدیل یك ماده به ماده‌ای جدید همراه است

برای انجام این آزمایش به یك قطعه كاغذ، یك قوطی خالی، مقداری پوسته تخم‌مرغ، مقداری سركه، شكر، یك عدد در قوطی شیر خشك و همچنین یك چراغ الكلی نیاز دارید. ابتدا كاغذ را مچاله كرده و آن را داخل قوطی فلزی كه برای این آزمایش انتخاب كرده‌اید، بسوزانید و سپس آن را در گوشه‌ای قرار دهید. پوسته‌های تخم‌مرغ را خرد كرده و آن را در ظرف كوچكی بریزید. روی پوسته‌های تخم‌مرغ یك قاشق چایخوری سركه بریزید و آنها را كنار بگذارید. سپس روی در قوطی شیر خشك یك قاشق چایخوری شكر ریخته و با استفاده از چراغ الكلی آن را حرارت دهید تا شكر داخل آن بسوزد. وقتی كاغذ را می‌سوزانید، چه تغییری در آن ایجاد می‌شود؟ زمانی كه به پوسته تخم‌مرغ سركه اضافه می‌كنید چه تغییری را مشاهده می‌كنید؟ این تغییرات نشان دهنده چیست؟ رنگ، شكل ظاهری و بوی شكر سوخته چه تغییری می‌كند؟ آیا شكر در نتیجه سوختن به ماده دیگری تبدیل می‌شود؟

مچاله شدن كاغذ یك تغییر فیزیكی است. به عبارت دیگر اگرچه ابعاد و شكل كاغذ تغییر می‌كند، اما همچنان كاغذ است. سوختن كاغذ با ایجاد خاكستر، بخار آب و دود همراه است. سوختن موجب تغییر مواد می‌شود و در اثر سوختن ماده جدیدی ایجاد می‌شود. خرد شدن پوسته تخم‌مرغ نیز نوعی تغییر فیزیكی است. اما وقتی سركه كه نوعی اسید است به پوسته تخم‌مرغ اضافه می‌كنید، حباب‌هایی داخل ظرف تشكیل می‌شود.ایجاد این حباب‌ها نشان دهنده آزاد شدن دی‌اكسید‌كربن در نتیجه واكنش شیمیایی میان سركه و پوسته تخم‌مرغ است. وقتی شكر را می‌سوزانید، به رنگ سیاه در می‌آید، تلخ مزه می‌شود و بوی خاصی از آن استشمام می‌كنید. این ویژگی‌ها به منزله از دست رفتن ماهیت اصلی شكر است. سوختن شكر با آزاد شدن بخار آب همراه است و در نتیجه این واكنش شیمیایی، شكر به ماده جدیدی كه همان كربن است تبدیل می‌شود.

تغییر شیمیایی

دید کلی

تغییراتی که در واکنشی بر روی مواد واکنش دهنده صورت می‌گیرد، بطور کلی به دو نوع تغییر فیزیکی و تغییر شیمیایی ، تقسیم می‌شوند. در تغییر فیزیکی ، فقط حالت فیزیکی ماده تغییر می‌یابد. یعنی ساختار ذره‌های تشکیل دهنده ماده تغییر نمی‌کند. بنابراین تغییر کلیه حالات ماده نظیر ذوب و انجماد و تبخیر و تصعید و غیره همچنین انحلال نمک ها و بازها در آب ، تغییر فیزیکی محسوب می‌شوند.

لیکن در تغییر شیمیایی ، در واقع اتصال اتم‌ها به یکدیگر در واکنش دهنده ها دستخوش تغییر می‌شود و همچنین آرایش الکترونی اتم‌ها نیز تغییر می‌یابد. البته باید توجه داشت که در جریان یک واکنش شیمیایی ، اتم‌ها نه بوجود می‌آیند و نه از بین می‌روند و تنها شامل ترکیب ، تجزیه یا بازآرایی اتم‌هاست.

واکنش شیمیایی در واقع توصیفی برای یک تغییر شیمیایی است. واکنش‌های شیمیایی ممکن است با آزاد کردن انرژی بصورت گرما ، نور یا صوت همراه باشند و تولید یک گاز ، تشکیل یک رسوب یا تغییر رنگ در پی داشته باشند.

روی دادن تغییر فیزیکی و تغییر شیمیایی بطور متوالی

البته مواردی وجود دارد که هر دو تغییر فیزیکی و شیمیایی بر روی یک پدیده ، بطور متوالی اتفاق می‌افتند. برای مثال ، با حرارت دادن تکه ای قند در لوله آزمایش ، ابتدا قند ذوب می‌شود که یک پدیده فیزیکی است. سپس به رنگ قهوه ای در می‌آید که نشان‌دهنده شروع تبدیل قند به کربن و یک پدیده شیمیایی است. در ادامه ، مقداری بخار آب به بالای لوله می‌رسد که نشانه تجزیه قند و ادامه پدیده شیمیایی قبل است.

پس قطره‌های آب روی دیواره لوله آزمایش پدیدار می‌شود که نشان‌دهنده میعان بخار آب آزاد شده و یک پدیده فیزیکی است. در پایان ، در داخل لوله ، ماده‌ای سیاهرنگ ، بی‌مزه و نامحلول در آب (برخلاف قند اولیه) باقی می‌ماند که این ماده جدید ، زغال است و با توجه به تغییر رنگ ، مزه و حلالیت آن در آب ، نشان‌دهنده وقوع یک پدیده شیمیایی است.

انرژی شیمیایی

هر نوع پیوندی میان اتمهای مختلف سازنده مولکول یک جسم ، نوعی انرژی بنام در "انرژی شیمیایی" دارد که مقدار آن به نوع اتم‌ها و نحوه قرار گرفتن آنها در مولکول بستگی دارد. در یک واکنش شیمیایی ، در واقع اتصال اتمها به یکدیگر در واکنش‌ها دستخوش تغییر می‌شود و در نتیجه انرژی شیمیایی فراورده‌های واکنش با انرژی شیمیایی واکنش‌دهنده‌ها تفاوت پیدا می‌کند.

به عنوان مثال ، واکنش گاز کلر با گاز هیدروژن را در نظر بگیریم. گاز کلر از مولکولهای دو اتمی Cl2و گاز هیدروژن از مولکولهای دو اتمی H2تشکیل شده‌اند. فراورده واکنش ، کلرید هیدروژن HCl خواهد بود که در مقایسه با واکنش‌دهنده با پیوندهای کاملا متفاوتی دارد و از این رو انرژی شیمیایی آنها متفاوت است.

اکنون این پرسش مطرح می‌شود که با توجه به متفاوت بودن انرژی شیمیایی فراورده‌ها و واکنش‌دهنده‌ها با در نظر گرفتن "قانون پایستگی انرژی" این اختلاف انرژی به چه صورت ظاهر می‌شود؟

تغییر گرماگیر و تغییر گرماده

مطابق قانون پایستگی انرژی ، در هر واکنش ، باید انرژی کل ثابت بماند. بنابراین در واکنش‌ها ، اختلاف انرژی میان فراورده‌ها و واکنش‌دهنده‌ها به صورت گرما ظاهر می‌شود. از این رو ، واکنش‌هایی نظیر واکنش‌های سوختن متان و با تشکیل کلرید هیدروژن که در آنها ، سطح انرژی فراورده‌های واکنش از مواد واکنش‌دهنده پایین‌تر باشد، بعلت تولید انرژی گرمایی گرماده می‌گوییم و در مقابل ، واکنش‌هایی که در آنها سطح انرژی شیمیایی فراورده‌ها بیشتر از واکنش‌دهنده‌ها باشد، واکنش‌های گرماگیر نامیده می‌شوند و برای انجام چنین واکنشی باید مقداری گرما به اجزای واکنش‌دهنده داده شود، مانند تجزیه کردن کلرید آمونیوم جامد که با گرم کردن ، به دو گاز آمونیاک و کلرید هیدروژن تبدیل می‌شود.

مثالهایی از فرایندهای شیمیایی

همانظور که قبلا ذکر شد، در تغییر شیمیایی ، ماهیت شیمیایی مواد تغییر می‌یابد و فراورده‌های جدید با خواص متفاوت از مواد اولیه تولید می‌شود. بنابراین پدیده های زیر نمونه هایی از تغییرهای شیمیایی محسوب می‌شوند:

سوختن انواع سوخت‌ها. مانند بنزین ، نفت ، گاز طبیعی و... در مجاورت هوا

زنگ زدن فلزات

گوارش غذا

رسیدن میوه

پختن غذا

فساد مواد

محکم شدن تدریجی سیمان.

انحلال آمونیاک در آب. زیرا در اثر انحلال ، قسمتی از مولکولهای آمونیاک با مولکولهای آب ترکیب شده و ماده جدیدی به نام هیدروکسیدآمونیوم تولید می‌نمایند. بهمین دلیل که واکنش شیمیایی بین حلال و حل شونده رخ می‌دهد، حل شدن بیشتر جنبه شیمیایی دارد.

لخته شدن مواد کلوئیدی. در اثر لخته شدن ، پیوندهای جدیدی تشکیل می‌گردد که باعث تجمع مولکولهای یک محلول کلوئیدی می‌شود.

تشکیل بخارات در اثر حرارت دادن اکسید جیوه

تغییرات فیزیکی

بطور کلی ، تغییراتی که در هر واکنش بر روی مواد واکنش‌دهنده صورت می‌گیرد، به دو نوع تغییر فیزیکی و تغییر شیمیایی تقسیم بندی می‌شوند. در تغییر شیمیایی ، ساختار ذره های تشکیل‌دهنده ماده دچار تغییر می‌شود و ماده ای به ماده دیگر تبدیل می‌شود، مانند فرایند سوختن ، زنگ زدن و فاسد شدن و... . ولی در تغییر فیزیکی تغییری در آرایش الکترونی اتم‌ها در مولکولها صورت نمی‌گیرد. یعنی ماهیت شیمیایی ماده تغییر نمی‌یابد و فقط حالت فیزیکی ماده تغییر می‌یابد.

بنابراین در تعادل‌های فازی ، تغییر حالت فیزیکی را خواهیم داشت. بنابراین تغییر کلیه حالات ماده نظیر ذوب ، انجماد ، تبخیر ، میعان ، تصعید ، تقطیر و... و نیز انحلال نمک‌ها، بازها و مواد آلی نظیر قند و الکل در آب ، پدیده‌های فیزیکی محسوب می‌گردند.

مفهوم فاز

یک فاز ، بخشی از ماده است که تمام آن ، از نظر ترکیب شیمیایی و خواص فیزیکی یکسان باشد. در شرایط معینی از فشار و دما بسیاری از مواد خالص می‌توانند بصورت گاز ، مایع یا جامد باشند. بعنوان نمونه ، آب با توجه به فشار و دما می‌تواند بصورت بخار ، مایع یا جامد باشد. به هر کدام از این شکل‌های فیزیکی ، یک فاز می‌گویند.

وقتی که تغییر فازی انجام می‌شود، ماهیت شیمیایی ماده تغییر نمی‌کند، بنابراین تغییر فاز ، یک تغییر فیزیکی است. برای مثال ، ذوب یخ یک تغییر فیزیکی است که در آن فاز جامد به فاز مایع تبدیل می‌شود و بطور کلی ، هر کدام از تبدیل‌های جامد به مایع ، مایع به بخار ، بخار به جامد ، مایع به جامد و جامد به بخار یک تغییر فاز بشمار می‌آیند. فرایندهایی که در آنها ، تغییر فیزیکی صورت می‌گیرد، در زیر آمده است.

ذوب

فرایندی که در آن فاز جامد به فاز مایع تبدیل می‌شود، ذوب نامیده می‌شود و نقطه ذوب یک محلول ، دمایی است که در آن ، مایع و جامد در فشار کل 1atm، در حال تعادلند. در نقطه ذوب ، دمای سیستم مایع - جامد ثابت می‌ماند تا اینکه تمام فاز جامد به فاز مایع تبدیل شود. در حالت جامد ، نیروهای جاذبه بین مولکولی ، مولکولها را در مواضع مشخص از شبکه بلورین ثابت نگه می‌دارد و با افزایش دما ، انرژی جنبشی مولکولها افزایش می‌یابد و این افزایش حرکت مولکولی برخلاف نیروی جاذبه عمل کرده و باعث می‌شود ساختار بلورین از بین برود و مایع جاری شود.

بهمین جهت ، مایعات شکل مشخصی ندارند، ولی دارای حجم معینی هستند. برای مثال آب شدن یخ در اثر جذب گرما ، نمونه‌ای از فرایند ذوب می‌باشد.

انجماد

فرایندی که درآن ، تبدیل فاز مایع به جامد صورت می‌گیرد، انجماد نامیده می شود و نقطه انجماد یک محلول ، دمایی است که در آن ، مایع و جامد در فشار 1atm، در حال تعادلند. در نقطه انجماد ، دمای سیستم مایع - جامد ثابت می‌ماند تا اینکه تمام مایع منجمد شود.

با سرد شدن مایع ، حرکت مولکولهای آن ، بیش از پیش کند می‌شود و سرانجام ، در دمای انجماد ، انرژی جنبشی تعدادی از مولکولها به اندازه ای کم می‌شود که جاذبه‌های بین مولکولی می‌توانند آنها را در ساختار بلورین نگه دارند. در این حال انجماد آغاز می شود و مولکولها بتدریج در مواضع طرح بلورین قرار می‌گیرند تا این که تمام مایع به جامد تبدیل شود. برای مثال ، انجماد آب در اثر سرما.

تبخیر

فرایندی که در آن ، تبدیل فاز مایع به بخار صورت می‌گیرد، تبخیر نامیده می‌شود. تبخیر یک مایع ، شامل جدا شدن مولکولها از سطح مایع و پراکنده شده آنها در فضای بالای مایع است. با افزایش دما ، فشار بخار مایع افزایش می‌یابد و موقعی که فشار درون مایع با فشار خارجی برابر می‌شود (در دمای جوش) ، عمل تبخیر در تمام مایع روی داده و بخار در محیط پخش می‌گردد. مانند تبخیر آب یا هر مایع دیگر در اثر جذب گرما.

تصعید

فرایندی که در آن ، جامد بدون عبور از حالت مایع مستقیما به بخار تبدیل می‌گردد، تصعید نامیده می‌شود. این فرایند ، برگشت پذیر است. برای مثال ، اگر یخ خشک (دی‌اکسید کربن جامد) را تحت فشار 1atm ، گرم کنیم، در دمای 78,5- درجه سانتی‌گراد ، مستقیما به گاز تبدیل می‌شود. آنتالپی مولی تصعید ، مقدار گرمایی است که بایستی به یک مول از ماده جامد داده شود تا مستقیما به گاز تبدیل گردد.

میعان

فرایندی که در آن ، فاز بخار به فاز مایع تبدیل شود، میعان نامیده می شود. در این فرایند ، با کاهش دما انرزی جنبشی مولکولهای بخار کاهش یافته و نیروی جاذبه بین مولکولها افزایش می‌یابد و در نتیجه ، در دمای خاصی مولکولهای بخار به مایع تبدیل می‌شود. در واقع ، وقتی یک مول بخار بر اثر تراکم به مایع تبدیل می‌شود، انرژی آزاد می‌شود. این تغییر آنتالپی را آنتالپی میعان مولی می‌نامیم.

آنتالپی میعان مولی ، از نظر عددی برابر با گرمای تبخیر مولی در همان دما است، با این تفاوت که این کمیت دارای علامت منفی است. نمونه‌ای از فرایند میعان ، سرد کردن بخار آب و تبدیل آن به مایع می‌باشد.

تقطیر

اجزای سازنده محلولی از یک ماده حل شده غیر فرار را می‌توان با تقطیر ساده از هم جدا کرد. برای این کار ، محلول را می‌جوشانیم تا حلال فرار ، تبخیر و از ماده حل‌شده جدا شود. با سرد کردن بخار ، حلال مایع جمع آوری می‌شود و ماده حل شده غیر فرار بصورت باقیمانده تقطیر باقی می‌ماند و اجزای سازنده محلول ، حاوی چند جزء فرار را می‌توان با فرایند تقطیر جزء به جزء با استفاده از اختلاف دمای جوش از هم جدا کرد، مانند تقطیر جزء به جزء نفت خام.

تبلور

تبلور معمولا در موقع تبدیل یک حالت فیزیکی به حالت فیزیکی دیگر صورت می‌گیرد. این تبدیل به سه صورت زیر انجام می‌شود:

تبلور در هنگام تبدیل حالت مایع به جامد: این نوع تبلور به دو صورت زیر انجام می‌گیرد:

انجماد مواد مذاب: در اثر سرد کردن ماده مذاب ، اتمها یا مولکولها با هر موقعیتی که دارند، متراکم و بی‌حرکت می‌شوند و ماده منجمد می‌شود. در این صورت ، جسمی جامد بدون داشتن نظم ذره‌ای تشکیل می‌شود. ولی اگر سرد شدن به آرامی و کندی انجام گیرد، اتمها و مولکولها با توجه به نیروی جاذبه و اطاعت از شبکه تبلور کنار هم چیده شده و بلور منتظمی را تشکیل می‌دهند.

تبلور مواد محلول: در این نوع تبلور ، باید محلول به حالت فراسیر شده باشد. در چنین محلولهایی ، بلورها تشکیل و ته‌نشین می‌شوند. رشد بلورها از طریق اتصال منظم یونها ، اتمها و یا مولکولهای معلق در محلول به نطفه های بلور صورت می‌گیرد.

تبلور در هنگام تبدیل حالت بخار به جامد (سوبلیماسیون): در این حالت تبلور بلورها مستقیما از تبدیل بخار به جامد حاصل می‌شوند. مثال بسیار روشن ، تشکیل قشرهای بلور یخ ناشی از انجماد مستقیم بخار آب اطاقها بر روی شیشه پنجره‌ها در سرمای زمستان می‌باشد.

تبلور مواد جامد: تشکیل بلورهای دانه درشت از بلورهای کوچکتر که تحت تاثیر فشار و حرارت و در مدت زمان طولانی صورت می‌گیرد، مانند تشکیل بلورهای دانه درشت کلسیت از بلورهای ریز کربنات کلسیم.

انحلال

پدیده انحلال نیز یک پدیده فیزیکی می‌باشد و بطور کلی ، حل شدن یک ماده حل شونده در یک حلال ، شامل مراحل زیر می‌باشد:

جدا شدن ذرات تشکیل دهنده ماده حل شونده از یکدیگر.

جدا شدن مولکولهای حلال از یکدیگر و پخش شدن ذرات ماده حل شونده در بین مولکولهای حلال.

بوجود آمدن نیروی جاذبه بین ذرات جسم حل‌شونده و مولکولهای حلال.

در مرحله اول و دوم‌ ، برای غلبه بر نیروهای جاذبه بین مولکولی مواد حل‌شونده و حلال ، باید انرژی جذب شود و در مرحله سوم با بوجود آمدن نیروهای جاذبه بین ذرات حل‌شونده و حلال ، انرژی آزاد می‌شود. بدین ترتیب اگر انرژی جذب شده بیشتر از انرژی آزاد شده باشد فرایند حل شدن ، گرماگیر است و برعکس اگر انرژی جذب شده کمتر از انرژی آزاد شده باشد، فرایند انحلال ، گرماده است. برای مثال ، حل شدن اسید سولفوریک و هیدروکسید سدیم در آب ، گرماده و حل شدن اوره در کلرید آمونیوم در آب ، گرماگیر می‌باشد.

توجه

برای حمایت از سایت ما و ایجاد انگیزه برای سایت ما برای گذاشتن بیشتر تحقیقات و جواب سوالات کتاب ها بصورت رایگان برای شما  ، بر روی لینک های زیر هر چند بار خواستید (بعد خواندن مطلب یا قبل از آن ) کلیک کنید :

لیست کلیه اقدام پژوهی ها

لیست کلیه تحقیقات و تجربیات ارتقای شغلی دبیران

لیست کلیه پایان نامه ها

لیست کلیه مقالات و تحقیقات

لیست کلیه پروژه های آماری

لیست کلیه پروژه ها کارآموزی و مالی