شیمی هنرستان فنی حرفه ای و کاردانش

در این مقاله میخوایم کتاب شیمی هنرستان رو معرفی کنیم که در خیلی از رشته های هنرستان مثل نساجی، متالورژی، صنایع شیمیایی و غیره تدریس میشه. این کتاب شامل پنج فصل هست که در ادامه هر یک از فصل ها رو به صورت خلاصه معرفی می کنیم.

فصل اول: ساختار اتم و مفاهیم پایه شیمی

در این فصل ابتدا درباره ساختار اتم ها میخونیم. همانطور که می دونین همه ی مواد از اتم ها ساخته شدن. اتم ها تجزیه پذیرن و از ذرات کوچکتری شامل الکترون، پروتون و نوترون ساخته شدن. هر اتم از دو بخش اصلی هسته و فضای پیرامون هسته تشکیل شده. هسته که حاوی پروتون و نوترون هست اندازه ی خیلی کوچکتر از اتم داره و در مرکز فضای کروی اتم هست و جرم اون اتم رو تعیین میکنه. (پروتون و نوترون جرم تقریبا برابر و خیلی زیادتر (تقریبا ۲۰۰۰ برابر) از جرم الکترون دارن). الکترون ها در اطراف هسته قرار دارن و چگونگی قرار گرفتن اونها در اطراف هسته، رفتار شیمیایی اتم ها رو تعیین میکنه. پروتون بار مثبت الکترون بار منفی ولی نوترون بار الکتریکی نداره.

عناصر و ترکیبات شیمایی

سپس با عناصر و ترکیبات آشنا میشیم. در این فصل یاد  میگیریم که اگه همه ی اتم های یک ماده خالص، یکسان باشن به اون ماده عنصر میگیم و هر عنصر رو با یک نماد شیمیایی نشون میدیم. اما اگه در ساختار یک ماده ای بیش از یک نوع اتم وجود داشته باشه به اون ماده ترکیب میگیم مثل آب که از دو نوع اتم هیدروژن و اکسیژن ساخته شده.

سپس با عدد اتمی و عدد جرمی آشنا میشیم. عدد اتمی تعداد پروتون های یک اتم هست و با نماد Z نمایش داده میشه. عدد جرمی مجموع تعداد پروتون ها و نوترون های موجود در هسته ی یک اتم هست و با نماد  Aنمایش داده میشه.

همانطور که میدونین همه اتم های یک عنصر، تعداد پروتون و در نتیجه عدد اتمی یکسانی دارن اما اتم های یک عنصر میتونن متفاوت باشن!! بعضی از اتم های یک عنصر تعداد نوترون متفاوت و در نتیجه جرم متفاوتی با بقیه ی اتم های همان عنصر دارن.  به این اتم ها ایزوتوپ های عنصر گفته میشه. بعضی از ایزوتوپ ها بسیار پایدارن و فراوانی بیشتری هم دارن. ولی بعضی از ایزوتوپ ها ناپایدارن و طول عمر کوتاهی دارن که به این ایزوتوپ ها، رادیو ایزوتوپ یا ایزوتوپ رادیو اکتیو گفته میشه.

سپس در ادامه نحوه توزیع الکترون ها در اتم ها بررسی میشه. گنجایش هر لایه الکترونی در اتم ها از رابطه ۲n2به دست میاد که n شمارۀ لایه الکترونی رو نشان میده. یعنی در لایه الکترونی اول ۲ الکترون، در لایه الکترونی دوم ۸ الکترون و… گنجایش داره.

چرا بعضی عناصر میل شدیدی به انجام واکنش شیمیایی دارن و بعضی ندارن؟؟ عناصر برای اینکه به آرایش پایدار خود برسن و لایه آخر الکترونی اونها از الکترون پر باشه دوس دارن که واکنش شیمیایی انجام بدن و با از دست دادن الکترون و یا با گرفتن الکترون به پایداری برسن. اما بعضی عناصر که لایه الکترونی ظرفیت اونها از الکترون پر باشه پایدار هستن و میل انجام واکنش شیمیایی و پیوند با اتم های دیگه ندارن مثل گروه ۱۸ جدول تناوبی یعنی گازهای نجیب که به صورت تک اتمی هستن.

سپس جدول تناوبی عنصرها معرفی میشه. در این جدول، عنصرها به ترتیب افزایش عدد اتمی کنار هم چیده میشن. جدول تناوبی ۱۸ گروه و ۷ دوره داره. عناصری که در یک گروه یعنی در یک ستون هستن آرایش الکترونی لایه آخر اونها مشابه هست. به همین دلیل خواص شیمیایی مشابهی دارن.  عناصری که در یک ردیف یا دوره هستن تعداد لایه الکترونی یکسانی دارن. این جدول به سه دسته بزرگ فلزها، نافلزها و شبه فلزها دسته بندی میشن. فلزها برای شرکت در واکنش های شیمیایی تمایل دارن که الکترون از دست بدن و به آرایش پایدار گازهای نجیب پیش از خودشون برسن. نافلزها برای شرکت در واکنش های شیمیایی باید الکترون بگیرن و به این طریق به آرایش پایدار گاز نجیب بعد از خود میرسن. شبه فلزها عنصرهایی هستن که بعضی از ویژگی های فلزات و بعضی از ویژگی های نافلزات رو دارن.

جدول تناوبی

فصل دوم: فرایندهای شیمیایی

در این فصل ابتدا مفهوم دما و گرما بررسی میشه. دما میزان سردی و گرمی اجسام رو مشخص میکنه که این کار با دماسنج انجام میشه. اما گرما حالتی از انرژی هست که در اثر اختلاف دما از جسم گرم به جسم سرد منتقل میشه.

سپس واکنش شیمیایی توضیح داده میشه. میدونین که واکنش های شیمیایی از قانون پایستگی جرم پیروی میکنن. یعنی در طی یک واکنش شیمیایی نه اتمی از بین میره و نه به وجود میاد بلکه واکنش دهنده در اثر تغییر ماهیت از حالتی به حالت دیگه در فراورده تبدیل میشه. در یک واکنش شیمیایی همه یا تعدادی از پیوندهای شیمیایی بین واکنش دهنده ها شکسته شده وپیوندهای شیمیایی جدید تشکیل میشن. در معادله نمادی اونها هم، تعداد اتم ها در دو طرف واکنش باید برابر باشن که به اصطلاح شیمی میگیم معادله باید موازنه شده باشه.

انجام یک واکنش شیمیایی با تغییر انرژی همراهه. برای انجام بعضی از واکنش های شیمیایی به گرما نیاز داریم یعنی از محیط گرما جذب میشه که به این نوع واکنش ها میگیم واکنش های گرماگیر. در بعضی واکنش های دیگه با انجام واکنش مقداری گرما آزاد میشه که به این واکنش ها میگیم واکنش های گرماده یا گرمازا.

واکنش های گرمازا و گرماگیر

نمونه ای از واکنش های گرماده و گرماگیر رو در زیر آوردیم.

نمونه ای از واکنش های گرماده و گرماگیر

یکی از موضوعات مهم برای شیمیست ها سرعت انجام واکنش های شیمیایی هست. آنها همیشه به دنبال راه هایی هستن که بتونن سرعت انجام واکنش های شیمیایی رو بالا ببرن تا در مدت زمان کوتاه تری بازده بالاتری از محصولات رو به دست بیارن. واکنش ها از نظر سرعت به سه دسته تقسیم میشن:

۱- واکنش های سریع: که زمان انجامشون خیلی کمه مثل واکنش های انفجاری.

۲- واکنش های معمولی که زمان انجامشون چند دقیقه تا چند ساعت طول میکشه مثل پختن تخم مرغ.

۳- واکنش های کند که زمان انجام این واکنش ها ماه ها و یا سال ها طول میکشه مثل زنگ زدن آهن.

سرعت انجام واکنش های شیمیایی

چه عواملی بر سرعت واکنش اثر میذارن؟؟

میدونیم که هر چه برخورد واکنش دهنده های با انرژی کافی بیشتر باشه باعث میشه سرعت واکنش بیشتر بشه. وقتی دمای یک واکنش زیاد بشه تعداد برخوردهای با انرژی کافی بیشتر و در نتیجه سرعت واکنش زیادتر میشه. عامل دیگه غلظت واکنش دهنده هاست. هرچه واکنش دهنده ها غلیظ تر باشن یعنی تعداد مولکولهای واکنش دهنده در واحد حجم بیشتر باشه تعداد برخورد ها بیشتر شده و سرعت واکنش زیاد میشه. عامل دیگه ی موثر بر سرعت واکنش های شیمیایی، کاتالیزگر هست. کاتالیزگر ماده ایه که در واکنش شرکت میکنه و سرعت واکنش های شیمیایی رو زیاد میکنه ولی در واکنش مصرف نمیشه.

عوامل موثر در سرعت واکنش

فصل سوم: محلول و کلوئید

در این فصل یاد میگیریم که اگه اجزای سازنده ماده ها با روش های فیزیکی از هم قابل جداسازی باشن به اونها مخلوط و اگه غیر قابل جداسازی باشن ماده خالص میگیم. مخلوط ها خودشون به سه دسته محلول، سوسپانسیون و کلوئید تقسیم میشن. به مخلوط هایی که همگن و یک فازی باشن و اندازه ذراتشون کمتر از ۱ میلی متر باشه محلول میگیم که خودشون بر اساس مقدار حل شونده در حلال به سه دسته سیر نشده، سیر شده و فراسیر شده تقسیم بندی میشن. به مخلوط هایی که اندازه ذرات کمتر از ۱۰۰ میلی متر دارن سوسپانسیون میگیم. به مخلوط هایی که وضعیتی بین محلول و سوسپانسیونی دارن و اندازه ذرات بین ۱ تا ۱۰۰ میلی متر دارن مخلوط کلوئیدی میگیم که از فاز پخش شونده و فاز پخش کننده تشکیل میشن.

اگه اجزای سازنده ماده ها با روش های فیزیکی از هم قابل جداسازی باشن به اونها مخلوط و اگه غیر قابل جداسازی باشن ماده خالص میگیم.

فصل چهارم: الکتروشیمی

در این فصل واکنش های اکسایش-کاهش بررسی میشن. این واکنش ها از نیم واکنش اکسایش و نیم واکنش کاهش تشکیل میشن که همزمان رخ میدن و از نظر تعداد اتم ها و بار الکتریکی موازنه هستن. در نیم واکنش کاهش الکترون گرفته میشه، در حالی که در نیم واکنش های اکسایش الکترون از دست میره.

واکنش های الکتروشیمیایی در سلول های الکتروشیمیایی انجام میشن که از نیم سلول اکسایش، نیم سلول کاهش، رسانای خارجی )مدار بیرونی( و رسانای داخلی )محلول الکترولیت( تشکیل میشن. سلول های الکترو شیمیایی به دو دسته تقسیم میشن، در یک نوع از این سلول ها، انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی تبدیل میشه و به اونها سلول های گالوانی یا ولتایی میگن. در این نوع سلول های الکتروشیمیایی با انجام واکنش الکتروشیمیایی، الکترون ها در مدار بیرونی جریان پیدا میکنه و الکتریسیته تولید میشه مثل باتری اتومبیل ها.

در سلول الکتروشیمیایی زیر یک واکنش اکسایش کاهش صورت می گیره و طی اون، الکترون ها در مدار بیرونی، از سمت روی به سمت مس جریان پیدا میکنه و الکتریسیته تولید میکنه و اگه در مسیر آن لامپی قرار بگیره، روشن میشه.

در سلول الکتروشیمیایی زیر یک واکنش اکسایش کاهش صورت می گیره

دستۀ دیگه ای از سلول های الکتروشیمیایی رو سلول های الکترولیتی میگن. یک سلول الکترولیتی شامل دو الکترود هست که در یک محلول قرار می گیرن و یک باتری (منبع تغذیه) که در مدار دستگاه قرار میگیره و مانند پمپ عمل می کنه.  در این سلول ها، هر دو نیم واکنش به صورت خود به خودی انجام میشه و انرژی الکتریکی به انرژی شیمیایی تبدیل میشه. در زیر شمایی از یک سلول الکتروشیمیایی مس-روی رو آوردیم. باتری با صرف انرژی الکتریکی، الکترون های لازم رو از مس، الکترود مثبت (آند) دستگاه دریافت میکنه و به روی، الکترود منفی (کاتد) میده. سلول های الکترولیتی برای برق کافت، آبکاری فلزها و جداکردن ناخالصی ها از فلزها به کار میرن.

شیمی دان ها برای آنکه قدرت الکترون گیری عنصرها رو نسبت به هم نشون بدن از داده های جدول سری الکتروشیمیایی استفاده می کنن. در این سری، عنصری که بالاتر قرار گرفته باشه تمایل بیشتری برای از دست دادن الکترون داره. در این  سری الکتروشیمیایی، جایگاه سه فلز طلا، پلاتین و پالادیم پایین تر از اکسیژن هست ولی جایگاه آهن و سایر فلزها از اکسیژن بالاتره. به همین دلیل، اکسیژن میتونه همۀ فلزها، به جز این سه فلز رو، به طور خود به خودی اکسید کنه. آهن در مجاورت رطوبت و هوا خورده میشه و خوردگی آن توسط اسیدها و بر اثر تماس با فلزهایی نظیر قلع یا مس، که فعّالیت شیمیایی آنها کمتره، تسریع میشه. یک قطعه آهن به طور یکنواخت خورده نمیشه، بلکه بعضی محل ها در سطح فلز، بیشتر خورده میشن و حفره های عمیقی رو به وجود میارن. زنگ زدن آهن یک فرایند الکترو شیمیاییه. قسمت هایی از سطح فلز به خاطر وجود ناخالصی ها، فشار یا عوامل دیگه که فعّالیت شیمیایی فلز رو تغییر میدن، از قسمت های دیگه الکترون میگیرن. اگه الکترون ها از محلی در سطح فلز به محل دیگه مهاجرت کنن، محل اول پایگاه آندی و محل دوم پایگاه کاتدی میشه و به این ترتیب سلول الکتروشیمیایی کوچکی به وجود میاد و نیم واکنش های اکسایش- کاهش رخ میدن.

برای جلوگیری از زنگ زدن آهن، با پوششی از رنگ، گریس یا فلز دیگه ای باید آن را از رطوبت و هوا دور نگه داریم یا فعّالیت شیمیایی آهن رو با تشکیل آلیاژ، پایین بیاریم. اگه آهن به فلز دیگه ای مانند منیزیم، روی یا آلومینیوم متصل بشه، سلولی تشکیل میده که در آن سلول، آهن نقش کاتد رو داره و سالم میمونه و فلز دیگه اکسید میشه، در این حالت گفته میشه که آهن حفاظت کاتدی شده.

حفاظت کاتدی

فصل پنجم: ترکیب های کربن دار

یکی از مهمترین بخش های شیمی، شیمی ترکیبات کربن دار هست که به شیمی آلی معروفه. ترکیبات آلی منشا گیاهی و حیوانی دارن اما امروزه بسیاری از این ترکیبات آلی در ازمایشگاه ها توسط شیمی دان های آلی سنتز میشن. بخش دیگه مواد شیمیایی بجز ترکیبات آلی، ترکیبات معدنی هستن در زیر برخی تفاوت های ترکیبات آلی و معدنی رو آوردیم.

 ویژگی های ترکیبات آلی و معدنی

بعضی از ترکیبات آلی فقط حاوی عنصرهای هیدروژن و کربن هستن که به اونها هیدروکربن ها میگیم. هیدروکربن ها به دو دسته حلقوی و زنجیری تقسیم میشن. خود هیدروکربن های زنجیری به سه دسته آلکان ها ، آلکن ها و آلکین ها تقسیم بندی میشن.

هیدروکربن های زنجیری به سه دسته آلکان ها ، آلکن ها و آلکین ها تقسیم بندی میشن

آلکان ها دسته ای از هیدروکربن ها هستن که پیوندهای یگانه یا ساده کربن-کربن دارن و چون کربن از هر چهار ظرفیت خود برای پیوند با اتم های دیگه استفاده کرده به این ترکیبات سیرشده میگیم. خود آلکان ها به دو دسته راست زنجیر که در اون هر کربن به دو کربن متصله و آلکان شاخه دار که در ساختار آن، کربن به بیش از دو اتم کربن متصل باشه تقسیم بندی میشن. در زیر فرمول ساختاری نمونه ای از یک آلکان راست زنجیر و آلکان شاخه دار رو آوردیم.

دسته دیگه هیدروکربن های زنجیری آلکن ها هستن. آلکن ها هیدروکربن های زنجیری سیرنشده هستن یعنی در ساختار اونها پیوند دوگانه کربن-کربن وجود داره و تعداد هیدروژنهای این ترکیبات کمتر از آلکان های هم کربن آنهاست.

آلکن ها هیدروکربن های زنجیری سیرنشده هستن

آلکین ها هیدروکربن هایی هستن که حداقل یک پیوند سه گانه بین دو اتم کربن آنها وجود داره. معروف ترین و ساده ترین آلکین دو کربن داره و اتین یا استیلن نامیده میشه.

استیلن

دسته دیگه ای از هیدروکربن ها که درآنها اتم های کربن به صورتی به هم وصل میشن که یک حلقه رو به وجود میارن، هیدرو کربن های حلقوی میگن. این ترکیبات میتونن به سه صورت آروماتیک، سیر نشده و سیر شده (سیکلو آلکان ها) وجود داشته باشن. ترکیبات آروماتیک شامل بنزن و ترکیباتی هستن که از نظر رفتار شیمیایی شبیه بنزن هستن و به همین دلیل به آنها مشتقات بنزن هم میگن. در زیر چند نمونه از ترکیبات آروماتیک رو آوردیم.

ترکیبات آروماتیک

 

در ساختار بسیاری از ترکیبات آلی علاوه بر هیدروژن و کربن عناصری مانند اکسیژن، نیتروژن، گوگرد، فسفر، کلر، فلوئور و … ممکنه وجود داشته باشه. گروه عاملی آرایش مشخصی از چند اتمه که به مولکول آلی دارای آن خواص فیزیکی و شیمیایی ویژه ای میده. تریکبات آلی بر اساس گروه عاملی خود به دسته های زیر دسته بندی میشن.

در ساختار بسیاری از ترکیبات آلی علاوه بر هیدروژن و کربن عناصری مانند اکسیژن، نیتروژن، گوگرد، فسفر، کلر، فلوئور و ... ممکنه وجود داشته باشه

اخیرا برای اجرای اصول حفاظت از محیط زیست و پیشگیری از ایجاد آلاینده ها در محیط زیست اصولی به نام شیمی سبز که شامل ۱۲ اصل هست مورد توجه همگان قرار گرفته که هدف اون پیشگیری از آلودگی، ساخت ترکیبات شیمیایی کم خطر و طراحی مواد شیمیایی هس که بشه به مواد بی ضرر تجزیه کرد.

دانلود کتاب شیمی هنرستان فنی حرفه ای و کاردانش

کتاب شیمی هنرستان فنی حرفه ای و کاردانش

شیمی سبز

شیمی سبز

نمونه سوال شیمی دهم فنی

  • ۱-با استفاده از آرایش الکترون نقطه ای اتم ها، فرمول ترکیب یونی حاصل از ۲۰Ca و ۱۶S واکنش را مشخص کنید.
  • ۲-با در نظر گرفتن ایزوتوپ های عنصر هیدروژن (۳H, 2H, 1H) و ایزوتوپ های اکسیژن (۱۸O,17O,16O) جرم مولکولی سبک ترین و سنگین ترین مولکول آب را محاسبه کنید.
  • ۳-فرایندهای گرماگیر و گرماده را تعریف کنید و برای هر یک دو مثال بنویسید.
  • ۴-واکنش ها از لحاظ سرعت به چند دسته تقسیم می شوند و چه عواملی در سرعت واکنش های شیمیایی موثر است؟
  • ۵-ذرات مخلوط های همگن، سوسپانسیونی و کلوئیدی به چه صورت و چه اندازه ای هستند برای هر یک مثال بنویسید.
  • ۶- مقدار ۱۱٫۷ گرم سدیم کلراید را در مقدار کمی آب حل کرده و سپس با افزودن آب به محلول حاصل، حجم آن را به ۱۰۰ میلی لیتر رساندیم. الف- تعداد مول های حل شونده را در محلول به دست آورید. ب- غلظت مولی و یکای آن را بنویسید.
  • ۷-اگر یک تیغه ی مسی را در محلول روی (II) وارد کنیم چه اتفاقی می افتد؟ چرا؟
  • ۸-سلول های گالوانی و الکترولیتی را با هم مقایسه کنید.
  • ۹-هیدروکربن های زنجیری و حلقوی هر کدام به چه دسته هایی تقسیم می شوند؟ برای هر یک مثال بزنید.
  • -۱۰شیمی سبز چیست و اهداف آن را به صورت خلاصه بنویسید.

پاسخ سوالات پایان ترم شیمی هنرستان

جواب سوال ۱- کلسیم در گروه دوم جدول تناوبی است و گوگرد در گروه شانزدهم جدول تناوبی قرار دارد. بنابراین کلسیم دو الکترون به گوگرد می دهد و ترکیب کلسیم سولفید پایدار را تشکیل می دهند.

جواب سوال ۲-

 

جواب سوال ۳-  واکنش های گرماگیر واکنش هایی هستن که برای انجام آنها به گرما نیاز داریم یعنی از محیط گرما جذب میشه. فرایند گرماگیر مثل ذوب یخ و پختن نان. واکنش های گرماده واکنش هایی هستن که با انجام آنها به محیط مقداری گرما آزاد میشه. فرایند گرماده مثل تشکیل یخ و سوختن کبریت.

جواب سوال ۴- واکنش ها از نظر سرعت به سه دسته تقسیم میشن:

دسته اول واکنش های سریع هستن که زمان انجامشون خیلی کمه مثل واکنش های انفجاری. دسته دوم واکنش های معمولی هستن که زمان انجامشون چند دقیقه تا چند ساعت طول میکشه مثل پختن تخم مرغ. دسته سوم واکنش های کند هستن که زمان انجام این واکنش ها ماه ها و یا سال ها طول میکشه مثل زنگ زدن آهن. عواملی که بر سرعت واکنش تاثیر میذارن تعداد برخوردهای موثر با انرژی کافی، دما، غلظت و کاتالیزور هستن.

جواب سوال ۵- به مخلوط هایی که همگن و یک فازی باشن و اندازه ذراتشون کمتر از ۱ میلی متر باشه محلول میگیم. به مخلوط هایی که اندازه ذرات کمتر از ۱۰۰ میلی متر دارن سوسپانسیون میگیم. به مخلوط هایی که وضعیتی بین محلول و سوسپانسیونی دارن و اندازه ذرات بین ۱ تا ۱۰۰ میلی متر دارن مخلوط کلوئیدی میگیم که از فاز پخش شونده و فاز پخش کننده تشکیل میشن.

جواب سوال ۶-

جواب سوال ۷-  نیم واکنش اکسایش و کاهش به صورت زیر اتفاق می افتد.

این مشاهده نشان می دهد که تمایل فلز روی برای الکترون دهی و اکسید شدن بیشتر از مس هست.

جواب سوال ۸-در سلول های گالوانی یا ولتایی، واکنش اکسایش-کاهش خودبه خودی است و انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی تبدیل میشه. و الکترون ها در مدار خارجی از سمت آند (قطب منفی) به سمت کاتد (قطب مثبت) حرکت می کنند. در سلول های الکترولیتی واکنش اکسایش-کاهش غیرخودبه خودی است و انرژی الکتریکی به انرژی شیمیایی تبدیل میشه. در سلول های الکترولیتی، باتری با صرف انرژی الکتریکی، الکترون های لازم رو از الکترود مثبت (آند) دستگاه دریافت میکنه و به الکترود منفی (کاتد) میده.

جواب سوال ۹- هیدروکربن های زنجیری به سه دسته آلکان ها ، آلکن ها و آلکین ها تقسیم بندی میشن و هیدروکربن های حلقوی میتونن به سه صورت آروماتیک، سیر نشده و سیر شده (سیکلو آلکان ها) وجود داشته باشن.

جواب سوال ۱۰- اخیرا برای اجرای اصول حفاظت از محیط زیست و پیشگیری از ایجاد آلاینده ها در محیط زیست اصولی به نام شیمی سبز که شامل ۱۲ اصل هست مورد توجه همگان قرار گرفته که هدف اون پیشگیری از آلودگی، ساخت ترکیبات شیمیایی کم خطر و طراحی مواد شیمیایی هس که بشه به مواد بی ضرر تجزیه کرد.

 

 

 

نویسنده: فاطمه حامد

مطالب مرتبط

دیدگاهتان را بنویسید

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