گاز به عنوان یک حالت فیزیکی مواد، یکی از سه حالت موجودیت مواد است که به شکلی بی حالت و بدون حجم مشخص ایستاده و در ترموادینامیک به عنوان یکی از سه حالت اصلی ماده (جامد، مایع، گاز) شناخته می شود. نمونه هایی از گازها شامل متان، هلیوم، اکسیژن، و دیگر موادی هستند که در شرایط خاص، از جمله فشار و دما، به حالت گاز در می آیند. در اینجا منظور از گاز صرفا اشاره به نمونه خاص از آن ندارد و مقصود حالت فیزیکی ماده است.
تغییرات شیمیایی
تغییرات شیمیایی به تغییر در ترکیب مولکولی یا یونی یک ماده گفته می شود. در این فرآیند، مولکول ها یا یون های مواد اولیه تبدیل به مولکول ها یا یون های جدید می شوند و یک یا چند خاصیت مولکولی ماده تغییر می کند. این تغییرات ممکن است در اثر واکنش های شیمیایی مختلف اتفاق بیافتند.
برخی از ویژگی ها که ممکن است در نتیجه تغییرات شیمیایی تغییر کنند عبارتند از ترکیب (مولکول ها یا یون های جدیدی تشکیل می شوند) حرارت (بعضی از واکنش ها حرارت یا انرژی تولید و جذب می کنند) رنگ (تغییرات در رنگ ماده ممکن است نشانگر تغییر شیمیایی باشد) بو یا طعم (ماده تغییراتی در بو یا طعم خود پیدا می کند) تغییر شکل فیزیکی (ممکن است ماده از حالت جامد به مایع یا گاز یا بالعکس تغییر حالت دهد)
تغییرات شیمیایی معمولاً به وسیله واکنش های شیمیایی، مثل اکسایش و تخفیف، ترکیب، تجزیه، یا انتقال الکترون ها ایجاد می شوند و موجب ایجاد مواد جدید با ویژگی های مختلف می گردند.
تفاوت اصلی بین تغییر شمیایی و فیزیکی در نوع تغییری است که در ماده ایجاد می شود. به طور کلی، اگر تغییر ماده باعث ایجاد ماده جدید با خواص مختلف شود، آن تغییر به عنوان یک تغییر شیمیایی شناخته می شود و در صورتی که تغییرات فقط در ویژگی های فیزیکی ماده اتفاق بیفتد، به عنوان یک تغییر فیزیکی تلقی می شود.
تولید گاز در تغییرات شیمیایی
به طور معمول برخی تغییرات شیمیایی در طی فرآیند تغییرشان انواع گاز ها را تولید می کنند. گاز تولید شده ناشی از تغییر شیمیایی بسته به موادی که درگیر تغییرات می شوند متفاوت است. در ادامه به معرفی چند مورد از تغییرات شیمیایی که منجر به تولید گاز می شوند می پردازیم.
ترکیب اسید و باز
واکنش بین اسید و باز، یا همان ترکیب اسیدی ـ بازی، یک نوع واکنش شیمیایی است و زمانی اتفاق می افتد که یک اسید با یک باز واکنش انجام می دهد. واکنش اسید و باز می تواند مختلف باشد و تولید نمک و آب همیشه یکی از نتایج این واکنش ها است. این واکنشات در مفهوم وسیع تر شامل مواردی مانند ترکیبات آمینها، فلزات با آب، و سیستم های ترکیبات هیدروژن متشکل از آب می شوند.
به عنوان مثال ترکیب جوش شیرین و سرکه می تواند منجر به تولید گاز کربن دی اکسید شود. در واکنش میان جوش شیرین (سدیم بی کربنات) و سرکه (اسید استخراج شده از اسید استوانه ای) گاز کربن دی اکسید (CO₂) آزاد می شود که باعث تولید حباب های گازی می شود. این واکنش به عنوان یک نمونه از تولید گاز در نتیجه واکنش اسید و باز (جوش شیرین به عنوان باز و سرکه به عنوان اسید) نمایان می شود.
اکسیداسیون
اکسیداسیون یک فرآیند شیمیایی است بدین صورت که هنگامی که یک ماده با اکسیژن یا دیگر اکسید ها واکنش می دهد، الکترون از آن جدا می شود. این فرآیند ممکن است همراه با افزایش اکسایشی (اضافه شدن اکسیژن)، از دست دادن الکترون یا افزایش شمار اکسایش (اضافه شدن بار مثبت) به همراه باشد. اکسیداسیون در دنیای زنده هم با تنفس سلولی که در آن اکسیژن با گلوکز واکنش می دهد، تجربه می شود. این فرآیند در شیمی، بیولوژی، و صنعت اهمیت زیادی دارد.
زنگ زدگی آهن یک فرایند ترکیب شیمیایی و اکسیداسیون است. زنگ زدگی آهن زمانی به وجود می آید که آهن به مرور زمان و با تماس با هوا و آب، با اکسیژن هوا و رطوبت واکنش نشان دهد. زنگ زدگی باعث تشکیل لایه هایی از اکسید آهن می شود که به شکل زنگ های قهوه ای یا نقره ای روی سطح آهن ظاهر می شوند. این فرآیند اغلب با طیف واکنش های شیمیایی مختلف و تأثیرات زیست محیطی نظیر هوا، رطوبت و مواد افزودنی در محیط همراه است.
در اکسیداسیون، گاز های مختلف ممکن است تولید شوند در واکنش مواد با اکسیژن. گازها معمولاً ناشی از تخریب مولکول ها و افزایش درجه اکسایش آنها هستند. برخی از نمونه های واکنش های اکسیداسیون که منجر به تولید گازها می شوند عبارتند از هیدوکربن ها، الکل ها و گاز های گلخانه ای.
تشکیل ترکیبات جدید
در این فرآیند، مواد اولیه تحت واکنش های شیمیایی تبدیل به مواد جدید می شوند. این واکنش ها می توانند با فاکتورهای مختلفی همچون گرما، فشار، نور، یا کاتالیزورها اتفاق بیافتند. در این واکنش، دو نوع مولکول (مونومر A و مونومر B) با یکدیگر واکنش می دهند و به یک ترکیب جدید (پلیمر AB) تبدیل می شوند. این ترکیب جدید به صورت یک جزء متحد (پلیمر) در نظر گرفته می شود.
تشکیل شبکه پلیمری یک واکنش شیمیایی است که در آن یک یا چند مولکول (مونومر) به هم متصل می شوند تا یک ساختار سه بعدی و شبکه ای به وجود بیاید. این واکنش معمولاً در حضور یک عامل زنده کننده (کاتالیزور) یا در شرایط خاص دما و فشار انجام می شود. یک مثال از تشکیل شبکه پلیمری در فرآیند ولکانیزاسیون لاستیک است. در این فرآیند، مولکول های لاستیک (مونومرها) تحت تأثیر گرما و کاتالیزورهای خاص به یکدیگر متصل می شوند و ساختار سه بعدی شبکه ای ایجاد می کنند. این فرآیند باعث افزایش سختی و مقاومت لاستیک می شود.
در فرآیند تشکیل شبکه پلیمری، تولید گاز به عنوان یکی از فعالیت های جانبی واکنش های پلیمری ممکن است رخ دهد. این گاز معمولاً نتیجه ترکیبات جانبی یا فرآیندهای جانبی است که در زمان تشکیل شبکه پلیمری اتفاق می افتد.
در مثالی دیگر هنگام فرآیند الکل سازی (تخمیر)، تولید گاز از طریق تخمیر قند به اتانول اتفاق می افتد. این فرآیند توسط میکرو ارگانیسم های تخمیری مانند مخمرها انجام می شود. بنابراین، تولید گاز در طی فرآیند الکل سازی ناشی از تخمیر قند به الکل و تولید دی اکسید کربن است. گاز دی اکسید کربن معمولاً در فرآیند تولید نوشیدنی های الکلی (مثل آبجو و شراب) به عنوان یکی از علائم تخمیر مشاهده می شود.
تبدیلات شیمیایی در حضور فلزات
حضور فلزات می تواند به شکل دهی تبدیلات شیمیایی مختلف در محیط های گوناگون کمک کند. در اینجا چند نمونه از تبدیلات شیمیایی در حضور فلزات ذکر شده اند:
فرآیند گلوگازی: در حضور مس و اسیدها، فلز مس با اکسیژن هوا و اسید واکنش نشان داده و گاز گلوگاز (اکسید گوگرد) تولید می شود.
تشکیل آلیاژها: اتصال دو یا چند فلز به یکدیگر باعث تشکیل آلیاژها می شود، که خواصی جدید نسبت به فلزات مشارکت کننده دارند.
تبدیلات الکتروشیمیایی: در الکترولیز، فلزات می توانند به عنوان الکترود در دستگاه های الکترولیتی شرکت کرده و واکنش های الکتروشیمیایی را فراهم کنند.
در برخی از واکنش های الکتروشیمیایی، فلزات می توانند گاز هیدروژن یا گاز اکسیژن تولید کنند. این تولید گازها ممکن است در محیط آزمایشگاهی یا در فرآیندهای صنعتی مورد استفاده قرار گیرد و بستگی به ویژگی های خاص هر واکنش دارد.
آزمایش تولید گاز با قرص جوشان و مس (II) سولفات
مواد مورد نیاز :
- قرص جوشان
- بشر 2 عدد
- چراغ گازی
- آب
- کبریت
- مس (II) سولفات بدون آب که سفید رنگ است .
- کاغذ صافی ( اگر نبود یک تکه پارچه سفید)
!!! توجه :
مس (II) سولفات آبدار ( کات کبود ) به رنگ آبی است.
مراحل انجام کار :
- در بشری 50 میلی لیتر آب میریزیم و سپس یک عدد قرص جوشان درون آب می اندازیم. مشاهده می کنیم که قرص جوشان هنگام حل شدن با صدای فش فش گاز تولید میکند. این گاز تولید شده گاز کربن دیاکسید است که میتواند کبریت شعله ور را خاموش کند.
- در بشر دیگر 50 میلی لیتر آب میریزیم و چراغ گازی را با کبریت روشن کرده و آب را با حرارت به جوش میآوریم. مشاهده میکنیم که آب حباب می زند که همان خروج گاز است و این گاز همان بخار آب است. برای شناسایی بخار آب کافیست مقداری مس(II) سولفات خشک (بدون آب) که سفید است روی کاغذ صافی ریخته و بالای بشر نگه داریم. میبینیم پس از مدت کوتاهی مس(II) سولفات به رنگ آبی در میآید.
نتیجه آزمایش/چرایی آزمایش :
خروج گاز همیشه نشانهی تغییر شیمیایی نیست. خروج گاز ممکن است در نتیجهی یک تغییر فیزیکی و یا یک تغییر شیمیایی ایجاد شود.
پرسش:
- حل شدن قرص جوشان چه نوع تغییری است؟
- آیا حباب های گاز فقط نشانهی تغییر شیمیایی است ؟
- معادله نوشتاری حل شدن قرص جوشان را بنویسید.
پاسخ :
- شیمیایی
- غلط
- سدیم سیترات + کربن دی اکسید →( سیتریک اسید وسدیم هیدروژن کربنات) + آب
جمع بندی
در این مقاله، به موضوع تولید گاز از طریق تغییرات شیمیایی و برخی مفاهیم شیمیایی پرداختیم. تغییرات شیمیایی ممکن است منجر به تولید گاز شوند، و این فرآیند می تواند در مختلف حوزه های شیمی، فیزیک، و صنعت مورد استفاده قرار گیرد. تغییرات شیمیایی و تولید گازها از اهمیت بسیاری در زمینه های مختلف علمی، صنعتی و زندگی روزمره برخوردار بوده و نقش مهمی در درک فرآیندهای طبیعی و مصنوعی دارند.
