الرئيسية
أحدث الصور
التسجيل
دخول
من طرف بسم الله الرحمن الرحيم
أكسدة واختزال
تمثل تفاعلات الأكسدة والاختزال نوعاً مهماً من العمليات الكيميائية التي تحدث في حياتنا اليومية، فالطعام الذي نأكله يتأكسد في أجسامنا ليمدنا بالطاقة اللازمة للحركة والعمل، والسيارة والطائرة تتحركان بالطاقة الناتجة عن أكسدة الوقود، وكذلك نحصل على التيار الكهربائي من البطاريات بعمليات الأكسدوالاختزال والحديد يصدأ نتيجة تعرضه لعملية أكسدة. كما أن استخلاص الفلزات مثل الحديد والألومنيوم يتم باختزال خاماتها.ونظراً لأهمية عمليتي الأكسدة والاختزال سنتناولهما بالدراسة في هذه الوحدةعملية الأكسدة هي عملية يتم فيها فقد الإلكترونات.
عملية الاختزال هي عملية يتم فيها اكتساب الإلكترونات
الاتزان الكيميائي الديناميكي
تعريف: حالة النظام عندما تثبت تركيزات المواد المتفاعلة والمواد الناتجة، وبالتالي تكون سرعة التفاعل الأمامي مساوية لسرعة التفاعل العكسي.
ولكي يصل أي نظام للاتزان الكيميائي الديناميكي يشترط فيه ما يلي:
(1) وجود تفاعلين متعاكسين.
(2) عند حدوث الاتزان يظل التفاعلان الطردي والعكسي جاريين وبنفس السرعة.
(3) يؤدي أي تغيير في اتزان النظام, كالتغير في درجة الحرارة أو التركيز أو الضغط إلى الإخلال بالاتزان.
خواص الاتزان الكيميائي:
يمكننا تلخيص المبادىء والخواص المتعلقة بالاتزان الكيميائي فيما يلي:
1) أن الاتزان هو حالة تكون عندها خواص المجموعة المتزنة المنظورة ثابتة مع الزمن.
2) الاتزان الكيميائي ذو طبيعة ديناميكية (نشط),إذ إنه على الرغم من أن تركيز المواد المتفاعلة ونواتج التفاعل لا يتغير مع مرور الزمن عند حالة الاتزان, إلا أن التفاعل لا يتوقف, بل يسير في اتجاهين متعاكسين وبسرعة واحدة.
3) إن التفاعلات الكيميائية تتجه تلقائياً نحو تحقيق الاتزان.
4) إن خواص المجموعة عند الاتزان ثابتة في الظروف المعينة, ولا تعتمد على المسار الذي سلكته المجموعة لتصل إلى حالة الاتزان.
5) إذا اختل الاتزان بفعل مؤثر خارجي, فإن المجموعة تغير من خواصها بحيث تعاكس فعل المؤثر الخارجي, وتقلل من أثره ما أمكن, وتعود إلى حالة الاتزان.
6) ثابت الاتزان هو طريقة لوصف المجموعة عند حالة الاتزان, ويعتمد على خواص المواد المتفاعلة ونواتج التفاعل ودرجة الحرارة.
الأحماض الأمينية
Amino Acids
يوجد ما يقرب من ثلاثمائة حمض أميني. وقد اكتشف أول حمض أميني عام 1806 م وأطلق عليه «أسبراجين» لوجوده بفطر الأسبرجس. والأحماض الأمينية التي تدخل في تركيب البروتينات عددها عشرون حمضاً فقط، وهي أحماض ألفا أمينية حيث أن كل حمض منها يحتوى على مجموعة كربوكسيل حرة، ومجموعة أمين حرة متصلتين بذرة الكربون ألفا بالإضافة إلى مجموعة أو سلسلة جانبية (R) وذرة هيدروجين، وتختلف المجموعة الجانبية للأحماض ألفا أمينية في تركيبها الكيميائي. فهي ذرة هيدروجين في الجليسين، أو أكثر تعقيداً مثل مجموعة الجوانيدين في الأرجنين. ويستثنى من ذلك حمض البرولين لعدم احتوائه على مجموعة أمين حرة لدخولها في تكوين حلقى، لذلك يطلق عليه حمض إيمينى.
وأحماض ألفا الأمينية لها تَشَكُل فراغي من نوع (L) وذلك لأن ذرة الكربون الألفا غير متماثلة، كما أن لها نشاطاً ضوئياً فيمكن لأيسومراتها الضوئية أن تعمل على إدارة مستوى الضوء المستقطب جهة اليمين (+) أو جهة اليسار (-) . وتتأين هذه الأحماض في المحاليل المائية وتتفاعل كالأحماض أو كالقواعد، كما أن الأحماض الأمينية أحادية الكربوكسيل أحادية الأمين تتأين تأيناً كاملاً مكونة أيونا ثنائى القطب متعادلاً كهربائياً يعرف باسم زفيتر أيون.
ويمكن تقسيم هذه الأحماض الأمينية التي تدخل في تركيب البروتينات تبعاً لخواص المجموعات الجانبية حيث تصفى كل مجموعة خاصيتها على الجزىء كله. أما بالنسبة لخاصية تأين المجموعة الجانبية فيمكن تقسيم الأحماض الأمينية إلى: أحماض أمينية متعادلة، أو حمضية، أو قاعدية. وبالنسبة لخاصية قطبية المجموعة الجانبية يمكن تقسيم هذه الأحماض إلى: أحماض أمينية غير قطبية، وقطبية متعادلة الشحنة، وقطبية سالبة الشحنة، وقطبية موجبة الشحنة. وهناك تقسيم ثالث يعتمد على القيمة الغذائية للحمض الأمينى، وعليه فتوجد أحماض أمينية أساسية؛ وهي التي لا يستطيع الجسم تكوينها بالمعدل اللازم للنمو الطبيعي للأطفال أو المحافظة على صحة وحيوية الكبار، لذلك يجب أن يحصل عليها الجسم عن طريق الغذاء، وهي متوفرة في البروتينات الحيوانية والأسماك والبيض. وهناك أحماض أمينية غير أساسية، وهي التي يمكن أن يكونها الجسم داخلياً ولا يسبب نقصها خطورة على صحته. أما التقسيم الرابع فيعتمد على أساس أيضى حيث توجد: أحماض أمينية جلوكوجينية، أي يمكن أن تتحول داخل الجسم إلى سكر الجلوكوز، وأحماض أمينية كيتوجينية، أي يمكن تحولها داخلياً إلى أجسام كيتونية، كما أن هناك أحماضاً أمينية تجمع بين الخاصيتين.
وتتحول أحماض ألفا الأمينية داخل جسم الإنسان إلى عدد من المركبات المهمة، فمثلاً الحمض الأمينى تيروزين يكّون أصباغ الميلانين التي تلوّن الجلد والشعر والعيون، كما يتحول حمض الهستدين إلى مركب الهستامين. وتتحد أحماض ألفا الأمينية مع بعضها البعض بروابط ببتيدية مكونة سلاسل ببتيدية مختلفة من حيث عدد ونوع وترتيب الأحماض الأمينية الداخلة في تكوينها. وتتشكل هذه السلاسل الببتيدية فراغياً لتكون العديد منالبروتينات ذات الأهمية الحيوية مثل الإنزيمات والأجسام المضادة والهرمونات الببتيدية مثل هرمون الإنسولين، والجلوكاجون وبعض الموصلات العصبية. وتتفاعل أحماض ألفا الأمينية أيضاً مع عديد من المركبات الأخرى عن طريق مجموعة الكربوكسيل أو مجموعة الأمين، وكذلك المجموعة الجانبية. وتساهم بعض هذه التفاعلات المختلفة في التقدير الكيفى والكمى للأحماض الأمينية مما يؤدي إلى معرفة تتابع هذه الأحماض في السلسلة الببتيدية واستنباط التركيب الأولى لبعض البروتينات. وهناك عديد من الأمراض الوراثية التي تصاحبها زيادة كبيرة في تركيز الأحماض الأمينية بالدم أو البول. ويرجع ذلك إلى نقص بعض الإنزيمات التي تساعد في أيض وتحول هذه الأحماض الأمينية داخل جسم الإنسان.
الأحماض النووية
Nucleic acids
أحماض موجودة بداخل نواة الخلية، والحمض النووى هو حامل الشفرة الوراثية. ويتكون الحمض النووى من وحدات تسمى النيوكليوتيدات تتكون كل منها من أربعة مركبات هي سكر خماسي، وحمض الفوسفوريك، وواحدة من أربع وحدات من قواعد خماسية الكربون، منها اثنتان من البيورينات، واثنتان من البيرميدينات. والأحماض النووية نوعان حمض الديؤكسى ريبوز النووى ويرمز له بالأحرف DNA أو الدنا: وحمض الريبوز النووى ويرمز له بالأحرف RNA أو الرنا.
الأحماض والقواعد
الأحماض هي المواد التي تتفكك في المحلول المائي لتعطي بروتونات.
القواعد هي المواد التي تتفكك في المحاليل المائية لتعطي أيونات الهيدروكسيد، أو التي تتفاعل مع البروتونات المائية.
المواد المترددة: هي المواد التي تحمل خواص الحمض والقاعدة معاً.
الملح هو المادة الناتجة من تفاعل حمض مع قاعدة.
نظريات الأحماض والقواعد:
لافوازيه (1777 م): اقترح أن الأحماض تحتوي أكسجين.
ديفي (1816 م): اكتشف أن حمض الهيدروكلوريك (HCl) لا يحتوي على الأكسجين، فهذا يعني قصور نظرية لافوازيه. واقترح ديفي أن الأحماض تحتوي على هيدروجين.
ليبج (1838م): عرف الحمض بأنه المركب الكيميائي الذي يحتوي على الهيدروجين الذي يمكن أن يحل محله عنصر فلزي.
وهناك ثلاث نظريات حديثة لتعريف الحمض والقاعدة، هي نظرية أرينيوس ونظرية برونشتد-لوري ونظرية لويس.
ويمكن المقارنة بين النظريات الثلاث لتعريف الأحماض والقواعد في الجدول التالي:
النظرية و تعريف الحمض ومع تعريف القاعدة
أرهينوس مادة تذوب في الماء وتعطي أيون الهيدروجين (بروتون)مادة تذوب في الماء وتتفكك معطية أيون هيدروكسيد
برونشتد-لوريمادة تمنح بروتون أو أكثرمادة تستقبل بروتون أو أكثر
لويس مادة تستقبل زوج أو أكثر من الإلكترونات مادة تمنح زوج أو أكثر من الإلكترونات
وتنقسم الأحماض حسب طبيعتها إلى قسمين:
أ ـ الأحماض العضوية: يتكون جزيء هذه الأحماض من عناصر الهيدروجين والكربون والأكسجين، ويمكن تقسيم هذه الأحماض حسب عدد مجموعات الكربوكسيل في الصيغة الكيميائية إلى الأقسام التالية: أحادية الكربوكسيل وثنائية الكربوكسيل وثلاثية الكربوكسيل وعديدة الكربوكسيل.
ب ـ الأحماض المعدنية (غير العضوية).تقسم هذه الأحماض بدورها حسب عدد أيونات الهيدروجين التي تعطيها الصيغة الكيميائية للحمض في أي مذيب مناسب كالماء إلى: أحادية البروتون وثنائية البروتون وعديدة البروتون.
- تحضير الأحماض:
في الصناعة:
أ ـ تحضر الأحماض ثنائية العنصر غالباً بالاتحاد المباشر بين الهيدروجين والعنصر اللافلزي ثم إذابة المركب الناتج (غاز) في الماء.
ب ـ تحضر الأحماض ثلاثية العنصر (الأكسجينية) بالاتحاد المباشر بين الأكسجين والعنصر اللافلزي للحصول على أنهيدريد الحمض ثم إذابته في الماء.
في المختبر:
يمكن تحضير الحمض الأقل ثباتاً بتفاعل ملحه مع حمض أكثر ثباتاً.
طرق أخرى:
أ _ التحليل المائي لهاليدات اللافلزات وبعض الفلزات.
ب _ أكسدة العناصر اللافلزية في محلول مائي خال من القلويات.
- تحضير الأملاح:
توجد عدة طرق لتحضير الأملاح منها:
(1) الاتحاد المباشر بين العناصر المكونة للملح.
(2) بالنسبة للأملاح التي تذوب في الماء فإنها تحضر بتفاعل الحمض المخفف مع الفلز أو أكسيده أو كربوناته. وكذلك مع هيدروكسيد الفلز أو كربوناته.
(3) بالنسبة للأملاح التي لا تذوب في الماء فتحضر بالتبادل المزدوج وبالترسيب وعادة تستخدم نيترات الفلز المراد تحضير ملحه مع ملح الصوديوم الذي يحتوي على الشق الحمضي للملح المطلوب فيترسب الملح الذي لا يذوب في الماء ويفصل بالترشيح.
وتقسم القواعد إلى عدة مجموعات كالتالي:
أ ـ أكاسيد وهيدروكسيدات العناصر الفلزية للمجموعتين (IIA-IA) من الجدول الدوري وهي قابلة للذوبان في الماء:
ب ـ أكاسيد وهيدروكسيدات العناصر الفلزية التي لا تذوب في الماء.
جـ ـ المركبات الهيدروجينية لبعض عناصر (VA) من الجدول الدوري.
د ـ الأمينات العضوية والقواعد النيتروجينية.
* ويمكن تقسيم القواعد بالنسبة لعدد مولات أنيونات الهيدروكسيد التي تعطيها الصيغة الكيميائية للقاعدة عند ذوبانها في الماء إلى أحادية الحمضية وثنائية الحمضية وثلاثية الحمضية وعديدة الحمضية.
- الخواص العامة للأحماض والقواعد:
أ- معظم الأحماض تذوب في الماء وتكوَّن محاليل مخففة، ولها طعم حامض.
ب- بعض الأحماض خصوصاً المركزة مثل حمض الكبريتيك تأثيرها متلف وحارق لجلد الإنسان والملابس.
جـ تؤثر محاليل الأحماض والقواعد على بعض الصبغات فتغير من ألوانها، فمثلاً تؤثر الأحماض في صبغة تباع الشمس فتغير لونه إلى اللون الأحمر وكذلك تؤثر القواعد في صبغة تباع الشمس فتغير لونه إلى الأزرق.
د ـ تتفاعل الأحماض المخففة مع الفلزات التي تسبق الهيدروجين في السلسلة الكهروكيميائية وينتج ملح الحمض ويتصاعد غاز الهيدروجين.
هـ تتفاعل الأحماض مع القواعد وينتج ملح الحمض والماء غالباً.
و- تتفاعل الأحماض مع أملاح الكربونات والكربونات الهيدروجينية وينتج ملح الحمض وماء وغاز ثاني أكسيد الكربون ز- تتفاعل محاليل القواعد القلوية مع أملاح الأمونيوم وينتج ملح وماء وغاز الأمونيا ذو الرائحة المميزة، وهذا يستخدم للكشف عن أملاح الأمونيوم.
حـ - تتفاعل بعض القواعد مع الأملاح وينتج هيدروكسيد الفلز وملح.
ط - تتميز هيدروكسيدات بعض الفلزات بصفة التردد حيث يمكنها التفاعل مع الأحماض كقواعد ومع القواعد كأحماض منتجة ملحاً وماء. مثل هيدروكسيد الخارصين وهيدروكسيد الألومنيوم.
والجدول التالي يبين الأحماض القوية والقواعد القوية الشائعة:
الأحماض القوية
الاسم و الصيغة
حمض الهيدروكلوريكHCl
حمض الهيدروبروميكHBr
حمض الهيدرويوديكHI
حمض البيركلوريكHClO4
حمض النيتريكHNO3
حمض الكبريتيكH2SO4
القواعد القوية
الاسم و الصيغة
هيدروكسيد الصوديومNaOH
هيدروكسيد البوتاسيومKOH
هيدروكسيد الكالسيومCa(OH)2
هيدروكسيد الباريومBa(OH)2
هيدروكسيد الإسترانشيومSr(OH)2
الألكانات:
هي مركبات هيدروكربونية أليفاتية مشبعة، وتُعد هذه المركبات أقل المركبات الهيدروكربونية نشاطاً في الظروف العادية، ولذلك سميت قديماً البارافينات (أي قليلة الميل للتفاعل).
الجدول التالي يُوضح الصيغ الجزيئية والتركيبية وأسماء الألكانات العشرة الأولى ودرجات غليانها:
والاشكال التالية تبين نماذج للمركبات الأولى للالكانات.
تسمية الألكانات:
تسمى المركبات العضوية حسب نظامين، التسمية الشائعة والتي قد تختلف من مكان إلى آخر، وتسمية دولية محددة تبعاً لنظام الإيوباك والتي تعتمد على اسم الألكان.
والألكانات قد تكون غير متفرعة كما مر معنا أو متفرعة أي تحتوي على مجموعات جانبية كما في الصيغتين التاليتين:
قواعد تسمية الألكانات حسب الأيوباك 1 ـ نحدد أطول سلسلة متصلة من ذرات الكربون.
2 ـ نرقم ذرات الكربون في هذه السلسلة من أحد طرفيها إلي الطرف الآخر بحيث تأخذ ذرة الكربون المتصلة بالمجموعة الجانبية أصغر رقم.
3 ـ نحدد المجموعة أو المجموعات من حيث موقع إتصالها بالسلسلة.
4 ـ نكتب الرقم الدال على موقع اتصال المجموعة الجانبية بالسلسلة ثم اسم المجموعة، ويتم الفصل بين الرقم والاسم بخط قصير.
5 ـ في حالة وجود أكثر من مجموعة جانبية مثل ميثيل (- CH3) وإيثيل (- C2H5) فإن أولوية كتابة المجموعة برقمها تتم طبقاً للترتيب الأبجدي أي إيثيل قبل ميثيل.
6 ـ عند اتصال مجموعتين متماثلتين مثل مجموعتي ميثيل (- CH3) بنفس ذرة الكربون في السلسلة، فنستخدم كلمة ثنائي ونضع قبلها نفس رقم ذرة الكربون مرتين.
الألكينات
الألكينات مركبات هيدروكربونية تحتوي على رابطة تساهمية ثنائية بين ذرتي كربون ويشتق اسم الألكين من الألكان المقابل باستبدال المقطع (ين) بالمقطع (ان)، وصيغتها العامة CnH2n+2
خواص الألكينات
المركبات الأولى من الألكينات والتي تحتوي بين (2-4) ذرات كربون تكون على شكل غازات، بينما المركبات التي تحتوي بين (5-15) ذرة كربون تكون في حالة سائلة، والمركبات التي تحوي 61 ذرة كربون فأكثر هي مواد صلبة.
ونظراً لاحتواء الألكينات على رابطة ثنائية فإنها مواد نشطة جداً، وذلك لميلها الشديد لإشباع ذرات الكربون المرتبطة بروابط ثنائية وتحويلها إلى روابط مفردة، ولهذا فالألكينات هيدروكربونات غير مشبعة، لها القدرة على إضافة ذرات أو جزيئات أخرى وتسمى تفاعلاتها تفاعلات إضافة.
الاسمIUPAC الصيغة الكيميائية درجة الغليان °س درجة الانصهار °س
الإيثين ---Ethene CH2= CH2 -104 -169
بروبين--- Propene CH2= CH-CH3 -45 -185
بيوتين---Butene CH2= CH-CH2-CH3 6.3 -185
2-ميثيل بروبين2-Methyl Propene CH2= C = CH3 -7 -140
بنتين---Pentene
CH2= CH-(CH2)2-CH3 30 -138
هكسين---Hexene CH2= CH-(CH2)3-CH3 64 -140
هبتين---Heptene CH2= CH-(CH2)4-CH3 93 -119
أوكتين---Octene CH2= CH-(CH2)5-CH3 121 -102
نونين---Nonene CH2= CH-(CH2)6-CH3 146 -81
ديكين---Decene CH2= CH-(CH2)7-CH3 171 -66
الألياف
Fibres
اصطلاح يطلق على أنواع مختلفة من المواد الليفية. بعضها ألياف طبيعية natural fibres وألياف من صنع من صنع الإنسان man made fibres.
والألياف الطبيعية إما من أصل نباتي كالقطن والجوث والكتان وإما من أصل حيواني كالصوف ووبر الجمل والحرير الطبيعي.
وتنقسم الألياف من صنع الإنسان إلى قسمين: الأول الألياف السليلوزية cellulosic fibres وهذه تصنع من لب الخشب wood pulp ومن أمثلتها الرايون viscose rayon وألياف خلات السليلوز cellulose acetate fibres ويطلق على هذين النوعين اسم الحرير الصناعي artificial silk.
والقسم الثاني من ألياف صنع الإنسان هي الألياف التي تصنع من البوليمرات المصنعة Synthetic polymers وتعرف هذه بالألياف العضوية المخلّقة Synthetic organic ومن أمثلتها لياف البولى أميد polyamide fibres وهي الألياف المعروفة باسم النايلون Nylon والألياف الأكريليه Acrylic fibres ومن أسمائها التجارية الأورلون Orlon والدرالون Dralon والأكريلان Acrilan وألياف البولى استر Ployester fibres ومن أسمائها التجارية التريلين Terrylene والداكرون Dacron والتريفيرا Trevira.
وقد عُرفت الألياف الطبيعة منذ آلاف السنين إذ كانت تغزل إلى خيوط yarn ثم تنسج إلى أقمشة أو تصنّع منها حبال ropes.
أما الألياف من صنع الإنسان فهي نسبيا صناعة حديثة بدأت عام 1905 بإنتاج الألياف السليلوزية وفي عام 1939 بدأ إنتاج أول أنواع الألياف العضوية المصنعة وهو النايلون ثم تبع ذلك إنتاج الألياف الأكريليه عام 1948 أما ألياف البولى استر فلم يبدأ إنتاجها إلا في عام 1953.
وقد بلغ الإنتاج العالمي من الألياف من صنع الإنسان عام 1992 حوالي 18,3 مليون طن مترى (منها 2,3 طن ألياف سليلوزية و16 مليون طن ألياف مخلقة) في حين أن إنتاج الألياف الطبيعية فيالعالم سنة 1992 م قَدِّر بحوالي 20,5 مليون طن (منها 18,7 مليون طن قطن و1,74 مليون طن صوف و60 ألف طن حرير طبيعي) أي أن ما يقرب من نصف استهلاك مصانع الغزل والنسيج في العالم هو من الألياف التي من صنع الإنسان.
ويرجع الإقبال على الألياف من صنع الإنسان إلى الانخفاض المستمر في أسعارها وإلى خواصها الطبيعية والكيميائية التي تضاهى أو تتفوق على ما ينافسها من الألياف الطبيعية. هذا إلى جانب أن إنتاج الألياف الطبيعية محدود بالمساحات المخصصة لزراعة القطن أو المراعي.
الألياف غير العضوية الصناعية Synthetic Inorganic Fibres: اكتسبت الألياف التي تُصنع من مواد غير عضوية أهمية خاصة نظراً لاستخداماتها المتعددة في الصناعة خاصة في الصناعات الهندسية وفي أعمال البناء ومن أمثلتها:
(أ) ألياف الزجاج Glass Fibres or Glass Wool.
حيث يستعمل الصوف الزجاجي في أغراض العزل الحراري وفي تقوية reinforcement بعض المواد كالبلاستيك والجبس والمطاط والأسمنت.
(ب) ألياف سليكات الألومنيوم Aluminium Silicate Fibres. وتستعمل أساساً في أغراض العزل الحراري خصوصاً عند درجات الحرارة المرتفعة 400 ـ 1200°م) التي لا يمكن استخدام الصوف الزجاجي عندها.
(ج) ألياف الكربون * Carbon Fibres وتستعمل في تقوية البلاستيك وينتج عن هذه التقوية مواد تعرف باسم المواد المركبّة composites وهي تفوق الفلزات كالألومنيوم والصلب في قوتها وصلابتها وخفة وزنها ومقاومتها للتآكل ولذا تستخدم في صناعة مركبات الفضاء والطائرات وبعض أجزاء المحركات النفاثة.
الأوزون
غاز سام يتكون جُزَيؤُه من ثلاث ذرات من الأكسجين 3° ويوجد الأوزون في طبقتين من طبقات الغلاف الجوي: طبقة التروبوسفير التي تمتد من سطح الأرض حتى ارتفاع 12 كيلومتراً، وطبقة الاستراتوسفير التي تعلوها وتمتد حتى ارتفاع 50 كيلومتراً.
ويتكون الأوزون في التروبوسفير ـ أي عند سطح الأرض ـ نتيجة التفاعل الكيميائي الضوئي بين الملوثات المنبعثة من وسائل النقل بخاصة بين أكاسيد النيتروجين والهيدروكربوبات، عند تكوين ما يعرف بالضباب الدخاني. وهذا النوع من الأوزون يشكل خطراً على البيئة وصحة الإنسان. أما في طبقة الجو العليا (الاستراتوسفير) فيتكون الأوزون من التفاعلات الطبيعية بين جزيئات الأكسجين وذراته، التي تنتج من انشطار جزيئات الأكسجين بامتصاص الإشعاع فوق البنفسجي ذو الطول الموجى الأقل من 242 نانومتر. وفي الوقت نفسه تتفكك جزيئات الأوزون إلى جزيئات وذرات من الأكسجين بامتصاص الإشعاع فوق البنفسجي ذي الأطوال الموجية فيما بين 280 ـ 320 نانومتر (الإشعاع فوق البنفسجي ب) . وتوجد حالة من الأتزان بين هذه التفاعلات، أي بين تكوين أوزون الاستراتوسفير من جزيئات الأكسجين وتفكك جزيئاته بالأشعة فوق البنفسجية. وتوجد أغلب كميات الأوزون في طبقة معينة من ارتفاع بين 25 و40 كيلومتراً (طبقة الأوزون) ولا يتعدى تركيزه أكثر من 10 أجزاء في المليون حجماً. وتعد طبقة الأوزون ضرورية لحماية الحياة على الأرض، فهي تعمل مرشحاً طبيعياً يمتص الأشعة فوق البنفسجية ب التي تقضى على الكثير من أشكال الحياة، وتلحق أضراراً بالغة بصحة الإنسان.
الإيثاين (الأسيتيلين)
1111
نشاهد في ورش اللحام إسطوانات مدون عليها "غاز أسيتيلين"، إن هذا الغاز يحترق بلهب درجة حرارته 3000°س عند خلطه بغاز الأكسجين، حيث يستفاد من هذه الحرارة العالية في صهر ولحام المعادن.
تحضير الإيثاين في المختبر ودراسة بعض خواصه
يُحضر غاز الإيثاين من تفاعل الماء مع كربيد الكالسيوم كما في المعادلة التالية:
الخواص الفيزيائية للإيثاين
1 - الغاز عديم اللون ذو رائحة تشبه الإيثير.
2 - أقل كثافة من الهواء الجوي.
3 - غاز سام.
4 - شحيح الذوبان في الماء ولكنه يذوب في المذيبات العضوية مثل الأسيتون.
أهمية الإيثاين في الحياة
يستخدم الإيثاين في أغراض كثيرة منها:
1 - الحصول على اللهب الأكسي أسيتيليني الذي يستخدم في لحام المعادن وذلك عند احتراق الأستيلين بعد خلطه بالأكسجين.
2 - تحضير مركبات هامة مثل البنزين والأسيتون، ومركبات الفينيل التي تستخدم في صناعة المطاط.
3 - يستخدم في إنضاج الفاكهة.
التفاعلات الكيميائية للإيثاين
1 - تفاعل الإضافة: دقق في الصيغتين التركيبيتين لكل من الإيثان (الألكان) والإيثاين: (بافتراض أن الإيثان قليل النشاط مثل الميثان وكلاهما من الألكانات) تلاحظ من الصيغتين وجود رابطة تساهمية ثلاثية في الإيثاين، وتميل هذه الرابطة إلى التشبع والتحول إلى رابطة ثنائية ثم رابطة أحادية، ويتم تشبع الرابطة بنوع من التفاعلات تسمى تفاعلات الإضافة وتحدث عملية الإضافة بعدة طرق.
2 - الاشتعال:
الإيثاين يشتعل في الهواء بلهب مضيء مدخن، حيث يتفاعل مع اكسجين الهواء الجوي كما في المعادلة التالية:
أما إذا احترق الإيثاين في وفرة من الأكسجين (أكسجين نقي)، فإنه يحدث احترا قاً تاماً ويعطي لهباً تصل درجة حرارته إلى 3000°س يسمى لهب الأكسي أسيتيلين، كما في المعادلة التالية:
3 ـ بلمرة الإيثاين:
أدرس المعادلة التالية:
بإمرار غاز الإيثاين في أنابيب حديدية مسخنة لدرجة الإحمرار وخالية من الأكسجين، حيث تتبلمر كل ثلاثة جزيئات من الإيثاين لتكوين جزيء من البنزين كما توضحه المعادلة التالية:
وبذلك يمكن تحويل أحد مركبات الهيدروكربونات الأليفاتية وهو الإيثاين إلى مركب هيدروكربوني أروماتي وهو البنزين.
- الأكسدة : Oxidation:
يتأكسد مركب الايثاين بمحلول برمنجنات البوتاسيوم القاعدية ليعطي أحماض كربوكسيلية، ويتم كسر الرابطة الثلاثية بواسطة التأكسد.
الأيونات
Ions
الأيونات إما موجبة نتيجة لفقد العنصر لإلكترون واحد أو أكثر، وإما سالبة نتيجة لاكتساب العنصر إلكترونا واحداً أو أكثر. وجهد التأيّن هو مقياس قدرة العنصر على فقد الإلكترونات، بينما الألفة الإلكترونية electron affinity هي مقياس قدرة العنصر على اكتساب الإلكترونات. ويسمى الأيون الموجب كاتيونا والسالب أنيونا. وتتميز الأملاح بأنها تتكون من شقين، أحدهما قاعدى (كاتيون) والآخر حمضى (أنيون) . وهناك قواعد معمول بها لتسمية الكاتيونات أو الأنيونات؛ فإذا كان الكاتيون يتكون من عنصر واحد فإنه يأخذ اسم العنصر مباشرة وتحدد شحنته بإضافة رقم روماني ـ، ـ، ـ، ـ بين قوسين بعد الاسم، مثل Cu(II) Au(III). أما في حالة الكاتيونات متعددة العناصر فإن اسمها يعتمد على منشأها مثل كاتيون الأمونيوم NH4، وكاتيون الفوسفونيوم PH4. ومن أمثلة الأنيونات أحادية العنصر أنيون الهيدريد H، وأنيون الفلوريد F، وأنيون الفوسفيد P، وأنيون الأزيد N. ومنش أمثلة الأنيونات متعددة العناصر أنيون الهيدروكسيد OH، وأنيون النترات NO، وأنيون الكبريتات SO4 وأنيون الفوسفات PO4.
وكاتيون العنصر أقل حجماً من العنصر في صورته الذرية. فحجم كاتيون الصوديوم Na أقل من حجم ذرة الصوديوم Na، بينما أنيون العنصر أكبر حجماً من العنصر في صورته الذرية فحجم أنيون الكلور Ci أكبر من حجم ذرة الكلور Ci. وعند إذابة ملح مثل كلوريد الصوديوم في الماء فإنه يوجد في المحلول على هيئة كاتيون الصوديوم الموجب Na، وأنيون الكلوريد السالب Ci ويكون كل منها محاطاً ببعض جزيئات الماء. وإذا مر تيار كهربائي في هذا المحلول فإن الأيونات (كاتيونات وأنيونات) هي التي تحمل التيار داخل المحلول، فتتجه الكاتيونات نحو الكاثود، وتتجه الأنيونات نحو الأنود.
التحليل الطيفي الامتصاصيّ
Spectrophotometric Analysis
يعتمد التحليل الطيفى على ظاهرة امتصاص الطاقة الضوئية المرئية أو فوق البنفسجية أو تحت الحمراء بالمادة المراد تحليلها، وذلك طبقاً لقواعد ثابتة ومعروفة، تحدد على أساسها طول الموجة الممتصة ومدى شدة هذا الامتصاص. وينتج الامتصاص الطيفي في منطقتي الضوء المرئي وفوق البنفسجي بسبب إثارة إلكترونية في الجزيئات ويقع ذلك في مدى طول موجى بين 200 إلى 800 نانوميتر (10 -9 متر) .
ويعتمد التحليل الكمى الطيفي على العلاقة الرياضية بين الامتصاص الطيفي وتركيز المادة الماصة للضوء وذلك طبقاً لقانون «لامبرت بير» abc = A حيث A الامتصاص، a معامل الامتصاصية، b طول المسار الضوئي، c التركيز. والامتصاص الطيفي في المنطقة المرئية وفوق البنفسجية له استخدامات كثيرة منها حساب ثابت التأين k لدلائل الأحماض والقواعد بواسطة تغير الامتصاص مع تغير الرقم الهيدروجيني. وهناك تطبيق آخر هو تعيين أو ترجيح أحد الاحتمالات المتعددة لتركيب المتراكبات.
التفاعلات الانعاكسية وغير الانعكاسية
التفاعلات غير الإنعكاسية:
تحدث في اتجاه واحد، حيث لا تتفاعل المواد الناتجة مع بعضها البعض لتعطي المواد المتفاعلة. وغالباً ما يتصاعد غاز ويترك حيز التفاعل أو يتكون راسب لا يتفاعل مع النواتج الأخرى.
التفاعلات الإنعكاسية:
تحدث في اتجاهين، المواد الناتجة من التفاعل تتفاعل مع بعضها البعض لتكون المواد المتفاعلة، أي يوجد تفاعلان:
أحدهما أمامي في اتجاه تكون المواد الناتجة والآخر عكسي في اتجاه تكون المواد المتفاعلة.
يعبر عن التفاعل بمعادلة واحدة تحوي سهمين.
وتقسم التفاعلات الإنعكاسية إلى:
(أ) تفاعلات إنعكاسية متجانسة Homogeneous Reversible Reactions وفيها توجد المواد المتفاعلة والناتجة من التفاعل في حالة واحدة من حالات المادة.
(ب) تفاعلات إنعكاسية غير متجانسة Heterogeneous Reversible Reactions وفيها توجد المواد المتفاعلة والناتجة من التفاعل في أكثر من حالة واحدة من حالات المادة وتتم في حيز مغلق.
التفاعلات الطاردة والتفاعلات الماصة للحرارة
العناصر عديدة التكافؤ
نميز تكافؤ العنصر في العناصر التي لها أكثر من تكافؤ في مركباتها المختلفة بطريقتين:
1- رقم روماني (IV,V,VI,III,II,I).
2- إضافة المقطع "وز ous" للتكافؤ الأقل, المقطع "يك ic" للتكافؤ الأعلى في نهاية الإسم.
فمثلاً عند اتحاد الحديد مع الكلور ينتج إما مركب FeCl2 ويسمى كلوريد الحديد (II) أو كلوريد الحديدوز , أو ينتج مركب FeCl3 ويسمى كلوريد الحديد (III) أو كلوريد الحديديك.
مقدار التكافؤ لبعض العناصر
الرابطة الأيونية:
Ionic Bond
بين من: بين العناصر التي يوجد فرق كبير نسبياً في السالبية الكهربية بين ذراتها (فلزات ولا فلزات).
الرابطة التساهمية
Covalent Bond
هي رابطة ناتجة عن اشتراك الذرتين المرتبطتين بزوج أو أكثر من الإلكترونات بحيث تساهم كل ذرة بنصف عدد الإلكترونات.
الحالات التي تكون فيها الرابطة تساهمية:
1 ـ عند اتحاد ذرات من نفس النوع (لا يوجد فرق في السالبية الكهربائية بينها). مثال: Cl2 ، H2 ، O2. 2 ـ عند اتحاد ذرات مختلفة ويكون الفرق في السالبية الكهربائية بينها صغيراً.
مثال: BrCl ، CH4.
والرابطة التي تتكون من زوج من الإلكترونات تسمى رابطة تساهمية أحادية وتمثل بخط يصل بين الذرتين (H-H) ، (Cl-Cl).
والرابطة التي تتكون من زوجين من الإلكترونات تسمى رابطة تساهمية ثنائية كما في جزيء الأكسجين:
والرابطة التي تتكون من ثلاثة أزواج من الإلكترونات تسمى رابطة تساهمية ثلاثية كما في جزيء النيتروجين:
قطبية الرابطة التساهمية
التفسير: عند وجود فرق كبير في السالبية الكهربائية (0.8 - 1.
يبقى زوج الإلكترونات المشارك والذي يكون الرابطة أقرب نسبياً إلى الذرة ذات السالبية الكهربائية الأكبر (Cl) فتتولد عليها شحنة سالبة صغيرة -? بينما تتولد على الذرة ذات السالبة الكهربائية الأقل (H) شحنة موجبة صغيرة في هذه الحالة تسمى الرابطة رابطة تساهمية قطبية كما يوصف الجزيء بإنه ثنائي القطب حيث يكون له قطب موجب وقطب سالب.
ونظراً لاختلاف السالبية الكهربائية تظهر شحنتان سالبتان صغيرتان على ذرة الأكسجين الأكثر سالبية كهربائية بينما تظهر شحنة صغيرة موجبة على كل من ذرتي الهيدروجين أي أن لجزيء الماء خاصية قطبية.
الرابطة التناسقية (التساندية)
The Co-ordinate Bond
هي إحدى أنواع الروابط التساهمية وتحدث بين ذرتين حيث تقوم فيها إحدى الذرتين المرتبطتين بمنح زوج من الإلكترونات الحرة غير المشاركة في تكوين الرابطة إلى الذرة الأخرى أو الأيون (أو الجزيء) وتسمى الذرة التي تعطي الإلكترونات بالذرة المانحة (donor) والذرة الأخرى بالذرة المستقبلة(acceptor).
* كيفية تكوّن الرابطة التساهمية التناسقية:
(1) تتكون الرابطة بين ذرتين إحداهما لديها زوج أو أكثر من الأزواج الحرة والأخرى لديها نقص في الإلكترونات.
(2) الذرة التي تمنح الزوج الإلكتروني تسمى الذرة المانحة ولذلك تحمل شحنة موجبة.
(3) الذرة التي تستقبل الزوج الإلكتروني تسمى الذرة المستقبلة ولذلك تحمل شحنة سالبة.
(4) يرمز للرابطة التناسقية بسهم يتجه من الذرة المانحة إلى الذرة المستقبلة.
الرابطة الفلزية
Metalic Bond
تفقد ذرات الفلزات مثل الصوديوم والبوتاسيوم إلكترونات مستواها الخارجي لتصبح أيونات موجبة، حيث أن سالبيتها الكهربائية منخفضة. وتتماسك ذرات الفلز مع بعضها البعض في شكل بلوري صلب كما في الشكل :
ويحتوي هذا الشكل البلوري على الأيونات الموجبة والإلكترونات الحرة والتي تتحرك حركة عشوائية خلال الشبكة البلورية، وتوصف هذه الإلكترونات بسحابة سالبة متحركة في الفراغات الموجودة بين الأيونات الموجبة.
وتزداد قوة الرابطة الفلزية كلما ازداد عدد الإلكترونات الحرة في الفلز أي كلما ازداد عدد الإلكترونات الخارجية المتحركة. كذلك يعتمد على هذه الرابطة الكثير من الخواص الفلزية التي تتفاوت من فلز لآخر تبعاً لاختلاف قوة الرابطة الفلزية.
الرموز
نظراً لتعدد العناصر ولتسهيل دراسة علم الكيمياء أُتبعت طريقة كتابة الرموز:
1- كتابة الحرف الأول من اسم العنصر بالحرف الكبير.
مثل: الهيدروجين H وليس h الكربون C وليس
c 2- كتابة الحرف الأول والثاني في حالة تشابه عنصران في الحرف الأول.
3- كتابة الحرف الأول والثالث في حالة تشابه عنصران في الحرف الأول والثاني.
4- أحياناً يكون الرمز مشتقاً من الكلمة اللاتينية للعنصر.
الزجاج
محلول جامد وغير متبلر من سليكات مزدوج للصوديوم والكلسيوم Na2 OCaO 6SiO2أقدم قطعة من الزجاج تم اكتشافها بالعراق يرجع تاريخها إلى 2700 سنة قبل الميلاد. ويحضر الزجاج بصهر مخلوط المواد الأولية عند درجة حرارة 1600° م سلزيوس في وجود كميات قليلة من الفلسبار ويتم تشكيله بالنفخ أو الصب أو السحب أو الكبس وتضاف أملاح المعادن الثقيلة للتلوين. وتختلف خواصه باختلاف نسب العناصر التي تدخل في تركيبه وظروف التحضير وأفران الصهر، ففي وجود نسبة مرتفعة من السليكا (99,8%) ينتج نوع شفاف غاية في النقاء يسمح بمرور الأشعة فوق البنفسجية ويستخدم في صناعة الأجهزة الضوئية البصرية والتلسكوبات، وفي صناعة مصابيح الزئبق.
وفي مجال انتاج زجاج البصريات يميز بين نوعين هما (1) الكرون وبه 32 ـ 72% من ثاني أكسيد السليكون وأكاسيد البورون والعناصر القلوية، ويستعمل في صنع العدسات والخلايا الضوئية. (2) الفلينت ويحتوى على 26 ـ 65% من أكسيد الرصاص، ويستخدم في إنتاج المصابيح الكهربية والرادار، وشاشات التليفزيون والدروع الواقية من الإشعاع. ويدخل أكسيد الأنتيمون في تركيب زجاج النظارات.
ويحتوي الزجاج البلورى «الكريستال» على 80% أكسيد رصاص وبإضافة عناصر الألومنيوم أو الباريوم أو الأنتيمون تنتج أنواع من الزجاج تتحمل درجات الحرارة العالية. أما زجاج المرايا البصرية الضخمة المستخدمة في صناعة التلسكوبات الفضائية العملاقة فهو ينتج باضافة أكسيد التيتانيوم. ويتم إنتاج النوع السيراميكى بإضافة بلورات من أكسيد الزركزنيوم ـ أو أكسيد الكروم أو أكسيد التيتانيوم أو خامس أكسيد الفسفور إلى خام الزجاج المنصهر، ثم تجرى المعالجة الحرارية أو الإشعاعية، وهو يستخدم في صناعة الأجهزة الالكترونية وبدائل للأنسجة البشرية التالفة. وبإضافة عناصر الفلور والزنك والألومنيوم يتم إنتاج زجاج أبيض غير شفاف، هو حجر الأوبال، وهو يستخدم في صناعة المصابيح الضوئية.
ويتم الآن انتاج ألياف من الزجاج يدخل في تركيبها أكسيد الاسترونشيوم وتستخدم على نطاق واسع في العزل الحراري في الثلاجات وأجهزة التكييف.
ويتكون الزجاج الرقائقي من ألياف زجاجية خفيفة الوزن تضمها مادة رابطة، وهو يدانى الفولاذ في متانته ويستعمل في صناعة الطائرات وسفن الفضاء.
وينتج الزجاج الرغوى بإضافة الفحم المنصهر عند درجات الحرارة المرتفعة حيث تتولد الغازات والفراغات الهوائية التي تكسب الزجاج صفة العزل الصوتي والحراري. وهو يستخدم في البناء حيث يمكن قطعه بمنشار ودق المسامير فيه.
وهناك أنواع أخرى من الزجاج مثل زجاج الجير والصودا، وهو يقاوم الانصهار وتصنع منه النوافذ والمرايا الرخيصة، وزجاج الينا والبايركس، وله معامل تمدد صغير، ويصنع منه زجاج الترمومترات أو أجهزة المعامل. ويدخل فيه عناصر البورون والألومنيوم.
أما الزجاج العضوى المعروف باسم «البرسبكس» أو «اللوسيت»، فهو مادة متبلمرة شفافة عديمة اللون تحضر ببلمرة استر مثيل حمض ميثاكريليك (CH2 C (CH3) COOCH3) وتستعمل على هيئة رقائق في صناعة الطائرات وفي إنتاج السلع المنزلية.
زجاج البوروسليكات
يعتبر أكسيد البورون (B2 O3) من المواد المكونة للزجاج. وهو يعمل كمادة صهَّارة عند إضافته إلى أكسيد السليكون (SiO2) ويتميز عن مواد الصهارة الأخرى (أكاسيد المجموعة الأولى والثانية في الجدول الدورى) في أنه لا يتسبب في زيادة معامل التمدد الحراري لزجاج السليكا كما تفعل تلك المواد. أما إذا ارتفعت نسبة أكسيد البورون بدرجة كبيرة، فإن المقاومة الكيميائية تصبح هي المشكلة في الزجاج الناتج. وتسمح إضافة المواد القلوية يخفض كميات أكسيد البورون المستخدمة، كما تحسن من المقاومة الكيميائية في حالة التراكيب متعددة المواد. ويؤدي الانخفاض في معامل التمدد الحراري لزجاج البوروسليكات ذي المحتوى المنخفض من المواد القلوية إلى مقاومة الزجاج للصدمات الحرارية مما يجعله مفيداً في تصنيع الأدوات المعملية وأواني الطهي وزجاج لحام الموليبدنوم ومرايا التلسكوبات. ومن أشهر أنواع زجاج البوروسليكات هو ما أنتجته شركات كورننج للزجاج تحت الاسم التجاري «بايركس» كما أن النظام الثلاثي Na2 O-B2 O3-SiO2 من زجاج البوروسليكات المحتوى على أكسيد الصوديوم يتميز بإمكانية انفصاله إلى طورين عند معالجته حرارياً بين 500° و650° سلزيوس ويتكون الطور الأول أساساً من أكسيد السليكون. وعند إذابة الطور الأول في أحد الأحماض يتبقى الطور الثاني فقط حيث يبلغ محتواه من أكسيد السليكون 96% وبتلبيد هذا الطور ينتج ما يعرف بزجاج «الفيكور» (Vycor 69/SiO2) ويتميز بمعامل تمدد حراري منخفض للغاية.
ويمكن تصنيع أنواع من الزجاج البصرى التي تتميز بانخفاض قيم معامل الانكسار والتشتت، من بعض أنواع زجاج البوروسليكات التي تحتوى على أكاسيد الفلزات القلوية أحادية التكافؤ، كما يمكن تحضير الزجاج المستخدم في أغراض اللحام من بعض هذه الأنواع من زجاج البوروسليكات القلوية.
زجاج السليكات Silica Glass: أهم زجاج أحادي الأكسيد وهو يعد زجاجاً مثالياً لكثير من الاعتبارات، فجزيئاته مترابطة في ثلاثة اتجاهات، ويمكن استعماله في درجات الحرارة العالية كما أن له معامل تمدد حراري منخفضاً وامتصاصه للموجات فوق السمعية ultrasonic ضئيل للغاية. وهو عازل ممتاز بالنسبة للكهرباء وله مقاومة عالية ضد الكيماويات، ولا يسبب تعرضه لاثنين مليون إلكترون فولت أي تأثيرات ملحوظة فيه بينما تتلون وقد تنكسر الأنواع الأخرى من الزجاج عند تعرضها لهذه الكمية من الطاقة. ويسمح زجاج السليكات للاطول الموجية للاشعة فوق البنفسجية بالنفاذ من خلاله بصورة ممتازة حتى الطول الموجى 180 نانومتر حيث تبلغ درجة نفاذيته في هذه الحالة أكثر قليلاً من 90%. ويستخدم زجاج السليكا في عمل خطوط إعاقة الموجات فوق السمعية ونوافذ أنفاق التيارات فوق السمعية، وفي عمل النظم الضوئية للأجهزة مثل أجهزة المطياف الضوئي وأجهزة القياس في الكيمياء الحيوية. كما يستخدم في عمل بواتق تنمية بلورات الجرمانيوم أو السليكون. وإذا كانت الصفات التي يتمتع بها زجاج السليكا تسبغ عليه المناعة عند استخدامه فهي أيضاً تجعله صعب التحضير بالطرف التقنية المتداولة. فهو ينفرد بطرق خاصة للتحضير، فعلى سبيل المثال يمكن أن يحضر بتقنية ترسيب البخار vapour deposition.
زجاج سليكات الرصاص: يعتبر أكسيد الرصاص من الأكاسيد المعدلة لصفات الزجاج. وهو مادة صهارة جيدة لأكسيد السليكون لا تسبب ـ عند مقارنتها بغيرها من مواد الصهارة مثل الأكاسيد الفلزية ـ انخفاضاً في المقاومة الكهربائية للزجاج الناتج ويستخدم زجاج سليكات الرصاص في إنتاج النوافذ المدرعة الحاجبة للإشعاعات، وزجاج مصابيح الفلوريسنت، والزجاج البصرى، والزجاج الكريستال خاصة للقطع الفنية وفي إنتاج الزجاج المستخدم في اللحام ذي الحرارة المنخفضة.
السيليلوز
Cellulose
هو من المكونات الأساسية لجدر الخلايا النباتية، ويتكون السيليلوز من سلاسل متوازية غير متفرعة، وحداتها من سكر الجلوكوز، وترتبط السلاسل فيما بينها بروابط هيدروجينية مكونة حزماً .
والسيليلوز مادة بيضاء صلبة لا تذوب في الماء، ولا في المذيبات العضوية. وبالرغم من أن النشا والسيليلوز يتكونان من وحدات الجلوكوز، إلا أنهما يختلفان في الخواص بسبب اختلافهما في طريقة الترابط بين وحدات الجلوكوز، ولا يتحلل السيليلوز مائياً بسهولة مثل النشا ولكن عند تسخينه مع حمض الكبريتيك المخفف تحت ضغط يتحلل إلى جلوكوز.
الشبكات البلورية الأيونية
Crystal lattice
سنأخذ كلوريد الصوديوم كمثال, وهو كما علمنا يتركب من أيونات الكلوريد السالبة -Cl وأيونات الصوديوم الموجبة +Na فكلوريد الصوديوم يتواجد على هيئة أعداد متساوية مع الأيونات الموجية والسالبة والتي ينجذب بعضها مع بعضها الآخر بقوى تجاذب كهربائية نظرا لا ختلافها في الشحنة, ولذا فهى ترتب نفسها على شكل صلب يسمى الشبكة البلورية. والنمط الخاص الذي يصف ترتيب أيونات الصوديوم والكلوريد في البلورة موضح بالشكل وهي على شكل مكعب حيث توجد أيونات +Na (باللون الرمادي) عند أركانه وفي وسط كل وجه وتحتل أيونات الكوريد -CI (باللون الأخضر) منتصف الفراغات بين أيونات +Na وعند الانتقال من الطبقة العليا إلى الطبقة التالية سنجد أن أيونات +Na و -CI, قد عكست مواضعها وهكذا بالتبادل.
الصيغ الكيميائية
تزودنا الصيغة الجزيئية للمركب بالمعلومات التالية:
1- نوع الذرات الموجودة في المركب.
2- عدد ذرات كل نوع.
3- النسب العددية بين أنواع الذرات المختلفة.
فمثلاً : الصيغة الجزيئية لمركب حمض الكبريت هي H2SO4 نستنتج:
1- نوع الذرات الموجودة في المركب: H وَ S وَ O
. 2- عدد ذرات كل نوع: H2 وَ S1 وَ O4
. 3- النسب العددية بين أنواع الذرات المختلفة 2:1:4
. وهناك بعض المواد يمكن كتابة صيغتها الكيميائية بسهولة حيث يساعد اسمها الكيميائي على ذلك وإليك المركبات البسيطة التالية:
الصيغة البنائية :
(Structural Formula)
هي صيغة تمثل ترتيب الذرات في الفراغ وعلاقاتها داخل الجزيء .
الصيغة التجريبية:
هي صيغة كيميائية تبين أبسط نسبة عددية صحيحة بين ذرات جزيء المركب
الطاقة الكيميائية
هناك طاقة مختزنة في المادة أثناء تكونها، وتعتمد كمية هذه الطاقة على نوع وترتيب الذرات في المادة، وهذه الطاقة إما أن تمتص أو تنطلق أثناء التفاعل الكيميائي ولذا تعتبر الطاقة الكيميائية صورة من صور طاقة الوضع.
مجموع الطاقات الداخلية المختزنة في المادة أثناء تكونها نتيجة لارتباط الذرات مع بعضها البعض.
هناك أنواع من الطاقات تكون مصاحبة لجزيء المادة مثل:
الطاقة الانتقالية: وهي الناتجة عن انتقال الجزيء من مكان لآخر.
الطاقة الدورانية: وهي ناتجة عن دوران الجزيء حول محور أو أكثر في مركزه.
الطاقة الأهتزازية: وهي ناتجة عن ذبذبة الجزيء حول موضع الاتزان وهذه تعتمد على شكل وتركيب الجزيء.
طاقة الترابط: وهذه ناتجة عن انجذاب الأيونات أو الجزيئات أو تنافرها عن بعضها.
الطرق المتبعة في التحليل الكيميائي الكمي
يمكن تقسيم الطرق المتبعة في التحليل الكيميائي الكمي إلى:
أولاً: طرق طبيعية:
ويطلق عليها التحليل الكمي بالطرق الطبيعية (الكمي ـ الطبيعي) والتي تعتمد على قياس بعض الخواص الطبيعية للمادة مثل: درجة الغليان، التجمد، شدة اللون، درجة الامتصاص الضوئي، الانكسار الضوئي وغيرها. وأهم طرق التحليل الكمي الطبيعي هي:
1 ـ التحليل الضوئي.
2 ـ معامل الانكسار.
3 ـ قياس الإشعاع.
4 ـ التحليل الكهربي.
ملاحظات:
1 ـ يتوقف الامتصاص الضوئي لمحلول المادة الملونة على:
أ ـ نوع المادة.
ب ـ درجة تركيزها في المحلول.
ج ـ درجة نقاء المادة.
2 ـ الخاصية الطبيعية للمادة غالباً ما تتناسب مع كتلة المادة أو درجة تركيزها في المحلول.
3 ـ التحليل الضوئي هو عملية تحديد درجة تركيز مادة في محلولها الملون بقياس درجة امتصاصها للضوء.
4 ـ طرق التحليل الضوئي:
(أ) استخدام العين المجردة كما في أنابيب نسلر.
(ب) استخدام جهاز قياس الطيف الضوئي (الإسبكتروفوتوميتر) .
(ح) اختبار النقطة.
5 ـ معامل الانكسار الضوئي لمادة يمكن قياسه باستخدام الإسبكتروفوتوميتر. ومن جداول خاصة تربط معامل الانكسار الضوئي بدرجة التركيز نستطيع معرفة درجة التركيز ودرجة النقاء.
6 ـ تتوقف قيمة معامل الانكسار الضوئي لمحلول مادة على نوعها ودرجة نقائها وعلى درجة تركيزها في المحاليل المائية أو المذيبات العضوية.
7 ـ في حالة المحاليل غير الملونة نصيف مواد كيميائية أخرى تتفاعل مع المادة المذابة في المحلول وتكون مركبات ملونة تتدرج شدة لونها مع تدريج درجة تركيزها في المحلول.
8 ـ الأساس الذي تعتمد عليه طريقة قياس الإشعاع في التحليل الكمي الطبيعي هو قياس شدة الإشعاع الصادر من المواد المشعة وذلك بواسطة عداد جيجر. وباستخدام جداول خاصة يمكن بمعرفة شدة الإشعاع استنتاج درجة تركيز المادة المشعة.
9 ـ يستخدم عداد جيجر في الكشف عن الخامات المشعة وقياس شدة الإشعاع الناتج من تلوث البيئة، كما يستخدم في قياس شدة إشعاع النظائر المشعة والاستفادة منها في الأبحاث العلمية.
10 ـ التحليل الكهربي (الترسيب الكهربي): التحليل أو الترسيب الكهربي هو تفاعلات الأكسدة والاختزال التي تحدث في المحاليل الإلكتروليتية عند قطبي الخلية الكهربية نتيجة مرور تيار كهربي فيها.
11 ـ الفاراداي هو كمية الكهربية التي ترسب الوزن المكافىء الجرامي لأي عنصر عند إمرارها في محلول ملح من أملاحه وتساوي 96500 كولوم وتحوي عدد أفوجادرو من الإلكترونات وهو 6,023 × 1023إلكترون.
12 ـ يعتمد الحساب الكيميائي في التحليل الكهربي على قانوني فاراداي:
القانون الأول: كمية المادة المنفصلة (و) بالتحليل الكهربي تتناسب طردياً مع كمية الكهربية (ك) المارة في المحلول الإلكتروليتي للمادة.
القانون الثاني: كمية المواد المنفصلة بالتحليل الكهربي وبكمية كهربية واحدة تتناسب طردياً مع أوزانها المكافئة الجرامية.
العامل الحفاز
مادة تسبب تغيراً في سرعة التفاعل، ولكنها لا تتغير عند انتهاء التفاعل ويمكن استعادتها.
أغلب العوامل الحفازة تزيد من سرعة التفاعل ويسمى حفزاً موجباً وبعضها يقلل من سرعة التفاعل ويسمى حفزاً سالباً.
وفيما يلي أمثلة على العوامل الحفازة وأهمية كل منها في المختبر والصناعة وفي جسم الإنسان:العامل الحفاز الأهمية والاستخدام
ثاني أكسيد المنجنيزMnO2 يساعد على سرعة تحلل كلورات البوتاسيوم عند تحضير غاز الأكسجين في المختبر
الحديد والموليبدنيوم يستخدمان عند تفاعل النتيروجين مع الهيدروجين لتحضير غاز الأمونيا
خامس أكسيد الفاناديومV2O5 يستخدم لتفاعل ثاني أكسيد الكبريت مع الأكسجين لتكوين ثالث أكسيد الكبريت في تحضير حمض الكبريتيك في الصناعة
النيكل يستخدم في تفاعل إضافة الهيدروجين إلى الروابط الثنائية في الزيوت النباتية غير المشبعة وبذلك تتحول إلى زبدة نباتية صالحة للأكل
إنزيم التيالين في اللعاب،
وإنزيم الببسين في العصارة المعدية زيادة سرعة الهضم
وتجدر الإشارة هنا إلى وجود مواد تعوق عمل المواد الحافزة إذ
أكسدة واختزال
تمثل تفاعلات الأكسدة والاختزال نوعاً مهماً من العمليات الكيميائية التي تحدث في حياتنا اليومية، فالطعام الذي نأكله يتأكسد في أجسامنا ليمدنا بالطاقة اللازمة للحركة والعمل، والسيارة والطائرة تتحركان بالطاقة الناتجة عن أكسدة الوقود، وكذلك نحصل على التيار الكهربائي من البطاريات بعمليات الأكسدوالاختزال والحديد يصدأ نتيجة تعرضه لعملية أكسدة. كما أن استخلاص الفلزات مثل الحديد والألومنيوم يتم باختزال خاماتها.ونظراً لأهمية عمليتي الأكسدة والاختزال سنتناولهما بالدراسة في هذه الوحدةعملية الأكسدة هي عملية يتم فيها فقد الإلكترونات.
عملية الاختزال هي عملية يتم فيها اكتساب الإلكترونات
الاتزان الكيميائي الديناميكي
تعريف: حالة النظام عندما تثبت تركيزات المواد المتفاعلة والمواد الناتجة، وبالتالي تكون سرعة التفاعل الأمامي مساوية لسرعة التفاعل العكسي.
ولكي يصل أي نظام للاتزان الكيميائي الديناميكي يشترط فيه ما يلي:
(1) وجود تفاعلين متعاكسين.
(2) عند حدوث الاتزان يظل التفاعلان الطردي والعكسي جاريين وبنفس السرعة.
(3) يؤدي أي تغيير في اتزان النظام, كالتغير في درجة الحرارة أو التركيز أو الضغط إلى الإخلال بالاتزان.
خواص الاتزان الكيميائي:
يمكننا تلخيص المبادىء والخواص المتعلقة بالاتزان الكيميائي فيما يلي:
1) أن الاتزان هو حالة تكون عندها خواص المجموعة المتزنة المنظورة ثابتة مع الزمن.
2) الاتزان الكيميائي ذو طبيعة ديناميكية (نشط),إذ إنه على الرغم من أن تركيز المواد المتفاعلة ونواتج التفاعل لا يتغير مع مرور الزمن عند حالة الاتزان, إلا أن التفاعل لا يتوقف, بل يسير في اتجاهين متعاكسين وبسرعة واحدة.
3) إن التفاعلات الكيميائية تتجه تلقائياً نحو تحقيق الاتزان.
4) إن خواص المجموعة عند الاتزان ثابتة في الظروف المعينة, ولا تعتمد على المسار الذي سلكته المجموعة لتصل إلى حالة الاتزان.
5) إذا اختل الاتزان بفعل مؤثر خارجي, فإن المجموعة تغير من خواصها بحيث تعاكس فعل المؤثر الخارجي, وتقلل من أثره ما أمكن, وتعود إلى حالة الاتزان.
6) ثابت الاتزان هو طريقة لوصف المجموعة عند حالة الاتزان, ويعتمد على خواص المواد المتفاعلة ونواتج التفاعل ودرجة الحرارة.
الأحماض الأمينية
Amino Acids
يوجد ما يقرب من ثلاثمائة حمض أميني. وقد اكتشف أول حمض أميني عام 1806 م وأطلق عليه «أسبراجين» لوجوده بفطر الأسبرجس. والأحماض الأمينية التي تدخل في تركيب البروتينات عددها عشرون حمضاً فقط، وهي أحماض ألفا أمينية حيث أن كل حمض منها يحتوى على مجموعة كربوكسيل حرة، ومجموعة أمين حرة متصلتين بذرة الكربون ألفا بالإضافة إلى مجموعة أو سلسلة جانبية (R) وذرة هيدروجين، وتختلف المجموعة الجانبية للأحماض ألفا أمينية في تركيبها الكيميائي. فهي ذرة هيدروجين في الجليسين، أو أكثر تعقيداً مثل مجموعة الجوانيدين في الأرجنين. ويستثنى من ذلك حمض البرولين لعدم احتوائه على مجموعة أمين حرة لدخولها في تكوين حلقى، لذلك يطلق عليه حمض إيمينى.
وأحماض ألفا الأمينية لها تَشَكُل فراغي من نوع (L) وذلك لأن ذرة الكربون الألفا غير متماثلة، كما أن لها نشاطاً ضوئياً فيمكن لأيسومراتها الضوئية أن تعمل على إدارة مستوى الضوء المستقطب جهة اليمين (+) أو جهة اليسار (-) . وتتأين هذه الأحماض في المحاليل المائية وتتفاعل كالأحماض أو كالقواعد، كما أن الأحماض الأمينية أحادية الكربوكسيل أحادية الأمين تتأين تأيناً كاملاً مكونة أيونا ثنائى القطب متعادلاً كهربائياً يعرف باسم زفيتر أيون.
ويمكن تقسيم هذه الأحماض الأمينية التي تدخل في تركيب البروتينات تبعاً لخواص المجموعات الجانبية حيث تصفى كل مجموعة خاصيتها على الجزىء كله. أما بالنسبة لخاصية تأين المجموعة الجانبية فيمكن تقسيم الأحماض الأمينية إلى: أحماض أمينية متعادلة، أو حمضية، أو قاعدية. وبالنسبة لخاصية قطبية المجموعة الجانبية يمكن تقسيم هذه الأحماض إلى: أحماض أمينية غير قطبية، وقطبية متعادلة الشحنة، وقطبية سالبة الشحنة، وقطبية موجبة الشحنة. وهناك تقسيم ثالث يعتمد على القيمة الغذائية للحمض الأمينى، وعليه فتوجد أحماض أمينية أساسية؛ وهي التي لا يستطيع الجسم تكوينها بالمعدل اللازم للنمو الطبيعي للأطفال أو المحافظة على صحة وحيوية الكبار، لذلك يجب أن يحصل عليها الجسم عن طريق الغذاء، وهي متوفرة في البروتينات الحيوانية والأسماك والبيض. وهناك أحماض أمينية غير أساسية، وهي التي يمكن أن يكونها الجسم داخلياً ولا يسبب نقصها خطورة على صحته. أما التقسيم الرابع فيعتمد على أساس أيضى حيث توجد: أحماض أمينية جلوكوجينية، أي يمكن أن تتحول داخل الجسم إلى سكر الجلوكوز، وأحماض أمينية كيتوجينية، أي يمكن تحولها داخلياً إلى أجسام كيتونية، كما أن هناك أحماضاً أمينية تجمع بين الخاصيتين.
وتتحول أحماض ألفا الأمينية داخل جسم الإنسان إلى عدد من المركبات المهمة، فمثلاً الحمض الأمينى تيروزين يكّون أصباغ الميلانين التي تلوّن الجلد والشعر والعيون، كما يتحول حمض الهستدين إلى مركب الهستامين. وتتحد أحماض ألفا الأمينية مع بعضها البعض بروابط ببتيدية مكونة سلاسل ببتيدية مختلفة من حيث عدد ونوع وترتيب الأحماض الأمينية الداخلة في تكوينها. وتتشكل هذه السلاسل الببتيدية فراغياً لتكون العديد منالبروتينات ذات الأهمية الحيوية مثل الإنزيمات والأجسام المضادة والهرمونات الببتيدية مثل هرمون الإنسولين، والجلوكاجون وبعض الموصلات العصبية. وتتفاعل أحماض ألفا الأمينية أيضاً مع عديد من المركبات الأخرى عن طريق مجموعة الكربوكسيل أو مجموعة الأمين، وكذلك المجموعة الجانبية. وتساهم بعض هذه التفاعلات المختلفة في التقدير الكيفى والكمى للأحماض الأمينية مما يؤدي إلى معرفة تتابع هذه الأحماض في السلسلة الببتيدية واستنباط التركيب الأولى لبعض البروتينات. وهناك عديد من الأمراض الوراثية التي تصاحبها زيادة كبيرة في تركيز الأحماض الأمينية بالدم أو البول. ويرجع ذلك إلى نقص بعض الإنزيمات التي تساعد في أيض وتحول هذه الأحماض الأمينية داخل جسم الإنسان.
الأحماض النووية
Nucleic acids
أحماض موجودة بداخل نواة الخلية، والحمض النووى هو حامل الشفرة الوراثية. ويتكون الحمض النووى من وحدات تسمى النيوكليوتيدات تتكون كل منها من أربعة مركبات هي سكر خماسي، وحمض الفوسفوريك، وواحدة من أربع وحدات من قواعد خماسية الكربون، منها اثنتان من البيورينات، واثنتان من البيرميدينات. والأحماض النووية نوعان حمض الديؤكسى ريبوز النووى ويرمز له بالأحرف DNA أو الدنا: وحمض الريبوز النووى ويرمز له بالأحرف RNA أو الرنا.
الأحماض والقواعد
الأحماض هي المواد التي تتفكك في المحلول المائي لتعطي بروتونات.
القواعد هي المواد التي تتفكك في المحاليل المائية لتعطي أيونات الهيدروكسيد، أو التي تتفاعل مع البروتونات المائية.
المواد المترددة: هي المواد التي تحمل خواص الحمض والقاعدة معاً.
الملح هو المادة الناتجة من تفاعل حمض مع قاعدة.
نظريات الأحماض والقواعد:
لافوازيه (1777 م): اقترح أن الأحماض تحتوي أكسجين.
ديفي (1816 م): اكتشف أن حمض الهيدروكلوريك (HCl) لا يحتوي على الأكسجين، فهذا يعني قصور نظرية لافوازيه. واقترح ديفي أن الأحماض تحتوي على هيدروجين.
ليبج (1838م): عرف الحمض بأنه المركب الكيميائي الذي يحتوي على الهيدروجين الذي يمكن أن يحل محله عنصر فلزي.
وهناك ثلاث نظريات حديثة لتعريف الحمض والقاعدة، هي نظرية أرينيوس ونظرية برونشتد-لوري ونظرية لويس.
ويمكن المقارنة بين النظريات الثلاث لتعريف الأحماض والقواعد في الجدول التالي:
النظرية و تعريف الحمض ومع تعريف القاعدة
أرهينوس مادة تذوب في الماء وتعطي أيون الهيدروجين (بروتون)مادة تذوب في الماء وتتفكك معطية أيون هيدروكسيد
برونشتد-لوريمادة تمنح بروتون أو أكثرمادة تستقبل بروتون أو أكثر
لويس مادة تستقبل زوج أو أكثر من الإلكترونات مادة تمنح زوج أو أكثر من الإلكترونات
وتنقسم الأحماض حسب طبيعتها إلى قسمين:
أ ـ الأحماض العضوية: يتكون جزيء هذه الأحماض من عناصر الهيدروجين والكربون والأكسجين، ويمكن تقسيم هذه الأحماض حسب عدد مجموعات الكربوكسيل في الصيغة الكيميائية إلى الأقسام التالية: أحادية الكربوكسيل وثنائية الكربوكسيل وثلاثية الكربوكسيل وعديدة الكربوكسيل.
ب ـ الأحماض المعدنية (غير العضوية).تقسم هذه الأحماض بدورها حسب عدد أيونات الهيدروجين التي تعطيها الصيغة الكيميائية للحمض في أي مذيب مناسب كالماء إلى: أحادية البروتون وثنائية البروتون وعديدة البروتون.
- تحضير الأحماض:
في الصناعة:
أ ـ تحضر الأحماض ثنائية العنصر غالباً بالاتحاد المباشر بين الهيدروجين والعنصر اللافلزي ثم إذابة المركب الناتج (غاز) في الماء.
ب ـ تحضر الأحماض ثلاثية العنصر (الأكسجينية) بالاتحاد المباشر بين الأكسجين والعنصر اللافلزي للحصول على أنهيدريد الحمض ثم إذابته في الماء.
في المختبر:
يمكن تحضير الحمض الأقل ثباتاً بتفاعل ملحه مع حمض أكثر ثباتاً.
طرق أخرى:
أ _ التحليل المائي لهاليدات اللافلزات وبعض الفلزات.
ب _ أكسدة العناصر اللافلزية في محلول مائي خال من القلويات.
- تحضير الأملاح:
توجد عدة طرق لتحضير الأملاح منها:
(1) الاتحاد المباشر بين العناصر المكونة للملح.
(2) بالنسبة للأملاح التي تذوب في الماء فإنها تحضر بتفاعل الحمض المخفف مع الفلز أو أكسيده أو كربوناته. وكذلك مع هيدروكسيد الفلز أو كربوناته.
(3) بالنسبة للأملاح التي لا تذوب في الماء فتحضر بالتبادل المزدوج وبالترسيب وعادة تستخدم نيترات الفلز المراد تحضير ملحه مع ملح الصوديوم الذي يحتوي على الشق الحمضي للملح المطلوب فيترسب الملح الذي لا يذوب في الماء ويفصل بالترشيح.
وتقسم القواعد إلى عدة مجموعات كالتالي:
أ ـ أكاسيد وهيدروكسيدات العناصر الفلزية للمجموعتين (IIA-IA) من الجدول الدوري وهي قابلة للذوبان في الماء:
ب ـ أكاسيد وهيدروكسيدات العناصر الفلزية التي لا تذوب في الماء.
جـ ـ المركبات الهيدروجينية لبعض عناصر (VA) من الجدول الدوري.
د ـ الأمينات العضوية والقواعد النيتروجينية.
* ويمكن تقسيم القواعد بالنسبة لعدد مولات أنيونات الهيدروكسيد التي تعطيها الصيغة الكيميائية للقاعدة عند ذوبانها في الماء إلى أحادية الحمضية وثنائية الحمضية وثلاثية الحمضية وعديدة الحمضية.
- الخواص العامة للأحماض والقواعد:
أ- معظم الأحماض تذوب في الماء وتكوَّن محاليل مخففة، ولها طعم حامض.
ب- بعض الأحماض خصوصاً المركزة مثل حمض الكبريتيك تأثيرها متلف وحارق لجلد الإنسان والملابس.
جـ تؤثر محاليل الأحماض والقواعد على بعض الصبغات فتغير من ألوانها، فمثلاً تؤثر الأحماض في صبغة تباع الشمس فتغير لونه إلى اللون الأحمر وكذلك تؤثر القواعد في صبغة تباع الشمس فتغير لونه إلى الأزرق.
د ـ تتفاعل الأحماض المخففة مع الفلزات التي تسبق الهيدروجين في السلسلة الكهروكيميائية وينتج ملح الحمض ويتصاعد غاز الهيدروجين.
هـ تتفاعل الأحماض مع القواعد وينتج ملح الحمض والماء غالباً.
و- تتفاعل الأحماض مع أملاح الكربونات والكربونات الهيدروجينية وينتج ملح الحمض وماء وغاز ثاني أكسيد الكربون ز- تتفاعل محاليل القواعد القلوية مع أملاح الأمونيوم وينتج ملح وماء وغاز الأمونيا ذو الرائحة المميزة، وهذا يستخدم للكشف عن أملاح الأمونيوم.
حـ - تتفاعل بعض القواعد مع الأملاح وينتج هيدروكسيد الفلز وملح.
ط - تتميز هيدروكسيدات بعض الفلزات بصفة التردد حيث يمكنها التفاعل مع الأحماض كقواعد ومع القواعد كأحماض منتجة ملحاً وماء. مثل هيدروكسيد الخارصين وهيدروكسيد الألومنيوم.
والجدول التالي يبين الأحماض القوية والقواعد القوية الشائعة:
الأحماض القوية
الاسم و الصيغة
حمض الهيدروكلوريكHCl
حمض الهيدروبروميكHBr
حمض الهيدرويوديكHI
حمض البيركلوريكHClO4
حمض النيتريكHNO3
حمض الكبريتيكH2SO4
القواعد القوية
الاسم و الصيغة
هيدروكسيد الصوديومNaOH
هيدروكسيد البوتاسيومKOH
هيدروكسيد الكالسيومCa(OH)2
هيدروكسيد الباريومBa(OH)2
هيدروكسيد الإسترانشيومSr(OH)2
الألكانات:
هي مركبات هيدروكربونية أليفاتية مشبعة، وتُعد هذه المركبات أقل المركبات الهيدروكربونية نشاطاً في الظروف العادية، ولذلك سميت قديماً البارافينات (أي قليلة الميل للتفاعل).
الجدول التالي يُوضح الصيغ الجزيئية والتركيبية وأسماء الألكانات العشرة الأولى ودرجات غليانها:
والاشكال التالية تبين نماذج للمركبات الأولى للالكانات.
تسمية الألكانات:
تسمى المركبات العضوية حسب نظامين، التسمية الشائعة والتي قد تختلف من مكان إلى آخر، وتسمية دولية محددة تبعاً لنظام الإيوباك والتي تعتمد على اسم الألكان.
والألكانات قد تكون غير متفرعة كما مر معنا أو متفرعة أي تحتوي على مجموعات جانبية كما في الصيغتين التاليتين:
قواعد تسمية الألكانات حسب الأيوباك 1 ـ نحدد أطول سلسلة متصلة من ذرات الكربون.
2 ـ نرقم ذرات الكربون في هذه السلسلة من أحد طرفيها إلي الطرف الآخر بحيث تأخذ ذرة الكربون المتصلة بالمجموعة الجانبية أصغر رقم.
3 ـ نحدد المجموعة أو المجموعات من حيث موقع إتصالها بالسلسلة.
4 ـ نكتب الرقم الدال على موقع اتصال المجموعة الجانبية بالسلسلة ثم اسم المجموعة، ويتم الفصل بين الرقم والاسم بخط قصير.
5 ـ في حالة وجود أكثر من مجموعة جانبية مثل ميثيل (- CH3) وإيثيل (- C2H5) فإن أولوية كتابة المجموعة برقمها تتم طبقاً للترتيب الأبجدي أي إيثيل قبل ميثيل.
6 ـ عند اتصال مجموعتين متماثلتين مثل مجموعتي ميثيل (- CH3) بنفس ذرة الكربون في السلسلة، فنستخدم كلمة ثنائي ونضع قبلها نفس رقم ذرة الكربون مرتين.
الألكينات
الألكينات مركبات هيدروكربونية تحتوي على رابطة تساهمية ثنائية بين ذرتي كربون ويشتق اسم الألكين من الألكان المقابل باستبدال المقطع (ين) بالمقطع (ان)، وصيغتها العامة CnH2n+2
خواص الألكينات
المركبات الأولى من الألكينات والتي تحتوي بين (2-4) ذرات كربون تكون على شكل غازات، بينما المركبات التي تحتوي بين (5-15) ذرة كربون تكون في حالة سائلة، والمركبات التي تحوي 61 ذرة كربون فأكثر هي مواد صلبة.
ونظراً لاحتواء الألكينات على رابطة ثنائية فإنها مواد نشطة جداً، وذلك لميلها الشديد لإشباع ذرات الكربون المرتبطة بروابط ثنائية وتحويلها إلى روابط مفردة، ولهذا فالألكينات هيدروكربونات غير مشبعة، لها القدرة على إضافة ذرات أو جزيئات أخرى وتسمى تفاعلاتها تفاعلات إضافة.
الاسمIUPAC الصيغة الكيميائية درجة الغليان °س درجة الانصهار °س
الإيثين ---Ethene CH2= CH2 -104 -169
بروبين--- Propene CH2= CH-CH3 -45 -185
بيوتين---Butene CH2= CH-CH2-CH3 6.3 -185
2-ميثيل بروبين2-Methyl Propene CH2= C = CH3 -7 -140
بنتين---Pentene
CH2= CH-(CH2)2-CH3 30 -138
هكسين---Hexene CH2= CH-(CH2)3-CH3 64 -140
هبتين---Heptene CH2= CH-(CH2)4-CH3 93 -119
أوكتين---Octene CH2= CH-(CH2)5-CH3 121 -102
نونين---Nonene CH2= CH-(CH2)6-CH3 146 -81
ديكين---Decene CH2= CH-(CH2)7-CH3 171 -66
الألياف
Fibres
اصطلاح يطلق على أنواع مختلفة من المواد الليفية. بعضها ألياف طبيعية natural fibres وألياف من صنع من صنع الإنسان man made fibres.
والألياف الطبيعية إما من أصل نباتي كالقطن والجوث والكتان وإما من أصل حيواني كالصوف ووبر الجمل والحرير الطبيعي.
وتنقسم الألياف من صنع الإنسان إلى قسمين: الأول الألياف السليلوزية cellulosic fibres وهذه تصنع من لب الخشب wood pulp ومن أمثلتها الرايون viscose rayon وألياف خلات السليلوز cellulose acetate fibres ويطلق على هذين النوعين اسم الحرير الصناعي artificial silk.
والقسم الثاني من ألياف صنع الإنسان هي الألياف التي تصنع من البوليمرات المصنعة Synthetic polymers وتعرف هذه بالألياف العضوية المخلّقة Synthetic organic ومن أمثلتها لياف البولى أميد polyamide fibres وهي الألياف المعروفة باسم النايلون Nylon والألياف الأكريليه Acrylic fibres ومن أسمائها التجارية الأورلون Orlon والدرالون Dralon والأكريلان Acrilan وألياف البولى استر Ployester fibres ومن أسمائها التجارية التريلين Terrylene والداكرون Dacron والتريفيرا Trevira.
وقد عُرفت الألياف الطبيعة منذ آلاف السنين إذ كانت تغزل إلى خيوط yarn ثم تنسج إلى أقمشة أو تصنّع منها حبال ropes.
أما الألياف من صنع الإنسان فهي نسبيا صناعة حديثة بدأت عام 1905 بإنتاج الألياف السليلوزية وفي عام 1939 بدأ إنتاج أول أنواع الألياف العضوية المصنعة وهو النايلون ثم تبع ذلك إنتاج الألياف الأكريليه عام 1948 أما ألياف البولى استر فلم يبدأ إنتاجها إلا في عام 1953.
وقد بلغ الإنتاج العالمي من الألياف من صنع الإنسان عام 1992 حوالي 18,3 مليون طن مترى (منها 2,3 طن ألياف سليلوزية و16 مليون طن ألياف مخلقة) في حين أن إنتاج الألياف الطبيعية فيالعالم سنة 1992 م قَدِّر بحوالي 20,5 مليون طن (منها 18,7 مليون طن قطن و1,74 مليون طن صوف و60 ألف طن حرير طبيعي) أي أن ما يقرب من نصف استهلاك مصانع الغزل والنسيج في العالم هو من الألياف التي من صنع الإنسان.
ويرجع الإقبال على الألياف من صنع الإنسان إلى الانخفاض المستمر في أسعارها وإلى خواصها الطبيعية والكيميائية التي تضاهى أو تتفوق على ما ينافسها من الألياف الطبيعية. هذا إلى جانب أن إنتاج الألياف الطبيعية محدود بالمساحات المخصصة لزراعة القطن أو المراعي.
الألياف غير العضوية الصناعية Synthetic Inorganic Fibres: اكتسبت الألياف التي تُصنع من مواد غير عضوية أهمية خاصة نظراً لاستخداماتها المتعددة في الصناعة خاصة في الصناعات الهندسية وفي أعمال البناء ومن أمثلتها:
(أ) ألياف الزجاج Glass Fibres or Glass Wool.
حيث يستعمل الصوف الزجاجي في أغراض العزل الحراري وفي تقوية reinforcement بعض المواد كالبلاستيك والجبس والمطاط والأسمنت.
(ب) ألياف سليكات الألومنيوم Aluminium Silicate Fibres. وتستعمل أساساً في أغراض العزل الحراري خصوصاً عند درجات الحرارة المرتفعة 400 ـ 1200°م) التي لا يمكن استخدام الصوف الزجاجي عندها.
(ج) ألياف الكربون * Carbon Fibres وتستعمل في تقوية البلاستيك وينتج عن هذه التقوية مواد تعرف باسم المواد المركبّة composites وهي تفوق الفلزات كالألومنيوم والصلب في قوتها وصلابتها وخفة وزنها ومقاومتها للتآكل ولذا تستخدم في صناعة مركبات الفضاء والطائرات وبعض أجزاء المحركات النفاثة.
الأوزون
غاز سام يتكون جُزَيؤُه من ثلاث ذرات من الأكسجين 3° ويوجد الأوزون في طبقتين من طبقات الغلاف الجوي: طبقة التروبوسفير التي تمتد من سطح الأرض حتى ارتفاع 12 كيلومتراً، وطبقة الاستراتوسفير التي تعلوها وتمتد حتى ارتفاع 50 كيلومتراً.
ويتكون الأوزون في التروبوسفير ـ أي عند سطح الأرض ـ نتيجة التفاعل الكيميائي الضوئي بين الملوثات المنبعثة من وسائل النقل بخاصة بين أكاسيد النيتروجين والهيدروكربوبات، عند تكوين ما يعرف بالضباب الدخاني. وهذا النوع من الأوزون يشكل خطراً على البيئة وصحة الإنسان. أما في طبقة الجو العليا (الاستراتوسفير) فيتكون الأوزون من التفاعلات الطبيعية بين جزيئات الأكسجين وذراته، التي تنتج من انشطار جزيئات الأكسجين بامتصاص الإشعاع فوق البنفسجي ذو الطول الموجى الأقل من 242 نانومتر. وفي الوقت نفسه تتفكك جزيئات الأوزون إلى جزيئات وذرات من الأكسجين بامتصاص الإشعاع فوق البنفسجي ذي الأطوال الموجية فيما بين 280 ـ 320 نانومتر (الإشعاع فوق البنفسجي ب) . وتوجد حالة من الأتزان بين هذه التفاعلات، أي بين تكوين أوزون الاستراتوسفير من جزيئات الأكسجين وتفكك جزيئاته بالأشعة فوق البنفسجية. وتوجد أغلب كميات الأوزون في طبقة معينة من ارتفاع بين 25 و40 كيلومتراً (طبقة الأوزون) ولا يتعدى تركيزه أكثر من 10 أجزاء في المليون حجماً. وتعد طبقة الأوزون ضرورية لحماية الحياة على الأرض، فهي تعمل مرشحاً طبيعياً يمتص الأشعة فوق البنفسجية ب التي تقضى على الكثير من أشكال الحياة، وتلحق أضراراً بالغة بصحة الإنسان.
الإيثاين (الأسيتيلين)
1111
نشاهد في ورش اللحام إسطوانات مدون عليها "غاز أسيتيلين"، إن هذا الغاز يحترق بلهب درجة حرارته 3000°س عند خلطه بغاز الأكسجين، حيث يستفاد من هذه الحرارة العالية في صهر ولحام المعادن.
تحضير الإيثاين في المختبر ودراسة بعض خواصه
يُحضر غاز الإيثاين من تفاعل الماء مع كربيد الكالسيوم كما في المعادلة التالية:
الخواص الفيزيائية للإيثاين
1 - الغاز عديم اللون ذو رائحة تشبه الإيثير.
2 - أقل كثافة من الهواء الجوي.
3 - غاز سام.
4 - شحيح الذوبان في الماء ولكنه يذوب في المذيبات العضوية مثل الأسيتون.
أهمية الإيثاين في الحياة
يستخدم الإيثاين في أغراض كثيرة منها:
1 - الحصول على اللهب الأكسي أسيتيليني الذي يستخدم في لحام المعادن وذلك عند احتراق الأستيلين بعد خلطه بالأكسجين.
2 - تحضير مركبات هامة مثل البنزين والأسيتون، ومركبات الفينيل التي تستخدم في صناعة المطاط.
3 - يستخدم في إنضاج الفاكهة.
التفاعلات الكيميائية للإيثاين
1 - تفاعل الإضافة: دقق في الصيغتين التركيبيتين لكل من الإيثان (الألكان) والإيثاين: (بافتراض أن الإيثان قليل النشاط مثل الميثان وكلاهما من الألكانات) تلاحظ من الصيغتين وجود رابطة تساهمية ثلاثية في الإيثاين، وتميل هذه الرابطة إلى التشبع والتحول إلى رابطة ثنائية ثم رابطة أحادية، ويتم تشبع الرابطة بنوع من التفاعلات تسمى تفاعلات الإضافة وتحدث عملية الإضافة بعدة طرق.
2 - الاشتعال:
الإيثاين يشتعل في الهواء بلهب مضيء مدخن، حيث يتفاعل مع اكسجين الهواء الجوي كما في المعادلة التالية:
أما إذا احترق الإيثاين في وفرة من الأكسجين (أكسجين نقي)، فإنه يحدث احترا قاً تاماً ويعطي لهباً تصل درجة حرارته إلى 3000°س يسمى لهب الأكسي أسيتيلين، كما في المعادلة التالية:
3 ـ بلمرة الإيثاين:
أدرس المعادلة التالية:
بإمرار غاز الإيثاين في أنابيب حديدية مسخنة لدرجة الإحمرار وخالية من الأكسجين، حيث تتبلمر كل ثلاثة جزيئات من الإيثاين لتكوين جزيء من البنزين كما توضحه المعادلة التالية:
وبذلك يمكن تحويل أحد مركبات الهيدروكربونات الأليفاتية وهو الإيثاين إلى مركب هيدروكربوني أروماتي وهو البنزين.
- الأكسدة : Oxidation:
يتأكسد مركب الايثاين بمحلول برمنجنات البوتاسيوم القاعدية ليعطي أحماض كربوكسيلية، ويتم كسر الرابطة الثلاثية بواسطة التأكسد.
الأيونات
Ions
الأيونات إما موجبة نتيجة لفقد العنصر لإلكترون واحد أو أكثر، وإما سالبة نتيجة لاكتساب العنصر إلكترونا واحداً أو أكثر. وجهد التأيّن هو مقياس قدرة العنصر على فقد الإلكترونات، بينما الألفة الإلكترونية electron affinity هي مقياس قدرة العنصر على اكتساب الإلكترونات. ويسمى الأيون الموجب كاتيونا والسالب أنيونا. وتتميز الأملاح بأنها تتكون من شقين، أحدهما قاعدى (كاتيون) والآخر حمضى (أنيون) . وهناك قواعد معمول بها لتسمية الكاتيونات أو الأنيونات؛ فإذا كان الكاتيون يتكون من عنصر واحد فإنه يأخذ اسم العنصر مباشرة وتحدد شحنته بإضافة رقم روماني ـ، ـ، ـ، ـ بين قوسين بعد الاسم، مثل Cu(II) Au(III). أما في حالة الكاتيونات متعددة العناصر فإن اسمها يعتمد على منشأها مثل كاتيون الأمونيوم NH4، وكاتيون الفوسفونيوم PH4. ومن أمثلة الأنيونات أحادية العنصر أنيون الهيدريد H، وأنيون الفلوريد F، وأنيون الفوسفيد P، وأنيون الأزيد N. ومنش أمثلة الأنيونات متعددة العناصر أنيون الهيدروكسيد OH، وأنيون النترات NO، وأنيون الكبريتات SO4 وأنيون الفوسفات PO4.
وكاتيون العنصر أقل حجماً من العنصر في صورته الذرية. فحجم كاتيون الصوديوم Na أقل من حجم ذرة الصوديوم Na، بينما أنيون العنصر أكبر حجماً من العنصر في صورته الذرية فحجم أنيون الكلور Ci أكبر من حجم ذرة الكلور Ci. وعند إذابة ملح مثل كلوريد الصوديوم في الماء فإنه يوجد في المحلول على هيئة كاتيون الصوديوم الموجب Na، وأنيون الكلوريد السالب Ci ويكون كل منها محاطاً ببعض جزيئات الماء. وإذا مر تيار كهربائي في هذا المحلول فإن الأيونات (كاتيونات وأنيونات) هي التي تحمل التيار داخل المحلول، فتتجه الكاتيونات نحو الكاثود، وتتجه الأنيونات نحو الأنود.
التحليل الطيفي الامتصاصيّ
Spectrophotometric Analysis
يعتمد التحليل الطيفى على ظاهرة امتصاص الطاقة الضوئية المرئية أو فوق البنفسجية أو تحت الحمراء بالمادة المراد تحليلها، وذلك طبقاً لقواعد ثابتة ومعروفة، تحدد على أساسها طول الموجة الممتصة ومدى شدة هذا الامتصاص. وينتج الامتصاص الطيفي في منطقتي الضوء المرئي وفوق البنفسجي بسبب إثارة إلكترونية في الجزيئات ويقع ذلك في مدى طول موجى بين 200 إلى 800 نانوميتر (10 -9 متر) .
ويعتمد التحليل الكمى الطيفي على العلاقة الرياضية بين الامتصاص الطيفي وتركيز المادة الماصة للضوء وذلك طبقاً لقانون «لامبرت بير» abc = A حيث A الامتصاص، a معامل الامتصاصية، b طول المسار الضوئي، c التركيز. والامتصاص الطيفي في المنطقة المرئية وفوق البنفسجية له استخدامات كثيرة منها حساب ثابت التأين k لدلائل الأحماض والقواعد بواسطة تغير الامتصاص مع تغير الرقم الهيدروجيني. وهناك تطبيق آخر هو تعيين أو ترجيح أحد الاحتمالات المتعددة لتركيب المتراكبات.
التفاعلات الانعاكسية وغير الانعكاسية
التفاعلات غير الإنعكاسية:
تحدث في اتجاه واحد، حيث لا تتفاعل المواد الناتجة مع بعضها البعض لتعطي المواد المتفاعلة. وغالباً ما يتصاعد غاز ويترك حيز التفاعل أو يتكون راسب لا يتفاعل مع النواتج الأخرى.
التفاعلات الإنعكاسية:
تحدث في اتجاهين، المواد الناتجة من التفاعل تتفاعل مع بعضها البعض لتكون المواد المتفاعلة، أي يوجد تفاعلان:
أحدهما أمامي في اتجاه تكون المواد الناتجة والآخر عكسي في اتجاه تكون المواد المتفاعلة.
يعبر عن التفاعل بمعادلة واحدة تحوي سهمين.
وتقسم التفاعلات الإنعكاسية إلى:
(أ) تفاعلات إنعكاسية متجانسة Homogeneous Reversible Reactions وفيها توجد المواد المتفاعلة والناتجة من التفاعل في حالة واحدة من حالات المادة.
(ب) تفاعلات إنعكاسية غير متجانسة Heterogeneous Reversible Reactions وفيها توجد المواد المتفاعلة والناتجة من التفاعل في أكثر من حالة واحدة من حالات المادة وتتم في حيز مغلق.
التفاعلات الطاردة والتفاعلات الماصة للحرارة
العناصر عديدة التكافؤ
نميز تكافؤ العنصر في العناصر التي لها أكثر من تكافؤ في مركباتها المختلفة بطريقتين:
1- رقم روماني (IV,V,VI,III,II,I).
2- إضافة المقطع "وز ous" للتكافؤ الأقل, المقطع "يك ic" للتكافؤ الأعلى في نهاية الإسم.
فمثلاً عند اتحاد الحديد مع الكلور ينتج إما مركب FeCl2 ويسمى كلوريد الحديد (II) أو كلوريد الحديدوز , أو ينتج مركب FeCl3 ويسمى كلوريد الحديد (III) أو كلوريد الحديديك.
مقدار التكافؤ لبعض العناصر
الرابطة الأيونية:
Ionic Bond
بين من: بين العناصر التي يوجد فرق كبير نسبياً في السالبية الكهربية بين ذراتها (فلزات ولا فلزات).
الرابطة التساهمية
Covalent Bond
هي رابطة ناتجة عن اشتراك الذرتين المرتبطتين بزوج أو أكثر من الإلكترونات بحيث تساهم كل ذرة بنصف عدد الإلكترونات.
الحالات التي تكون فيها الرابطة تساهمية:
1 ـ عند اتحاد ذرات من نفس النوع (لا يوجد فرق في السالبية الكهربائية بينها). مثال: Cl2 ، H2 ، O2. 2 ـ عند اتحاد ذرات مختلفة ويكون الفرق في السالبية الكهربائية بينها صغيراً.
مثال: BrCl ، CH4.
والرابطة التي تتكون من زوج من الإلكترونات تسمى رابطة تساهمية أحادية وتمثل بخط يصل بين الذرتين (H-H) ، (Cl-Cl).
والرابطة التي تتكون من زوجين من الإلكترونات تسمى رابطة تساهمية ثنائية كما في جزيء الأكسجين:
والرابطة التي تتكون من ثلاثة أزواج من الإلكترونات تسمى رابطة تساهمية ثلاثية كما في جزيء النيتروجين:
قطبية الرابطة التساهمية
التفسير: عند وجود فرق كبير في السالبية الكهربائية (0.8 - 1.
يبقى زوج الإلكترونات المشارك والذي يكون الرابطة أقرب نسبياً إلى الذرة ذات السالبية الكهربائية الأكبر (Cl) فتتولد عليها شحنة سالبة صغيرة -? بينما تتولد على الذرة ذات السالبة الكهربائية الأقل (H) شحنة موجبة صغيرة في هذه الحالة تسمى الرابطة رابطة تساهمية قطبية كما يوصف الجزيء بإنه ثنائي القطب حيث يكون له قطب موجب وقطب سالب.
ونظراً لاختلاف السالبية الكهربائية تظهر شحنتان سالبتان صغيرتان على ذرة الأكسجين الأكثر سالبية كهربائية بينما تظهر شحنة صغيرة موجبة على كل من ذرتي الهيدروجين أي أن لجزيء الماء خاصية قطبية.
الرابطة التناسقية (التساندية)
The Co-ordinate Bond
هي إحدى أنواع الروابط التساهمية وتحدث بين ذرتين حيث تقوم فيها إحدى الذرتين المرتبطتين بمنح زوج من الإلكترونات الحرة غير المشاركة في تكوين الرابطة إلى الذرة الأخرى أو الأيون (أو الجزيء) وتسمى الذرة التي تعطي الإلكترونات بالذرة المانحة (donor) والذرة الأخرى بالذرة المستقبلة(acceptor).
* كيفية تكوّن الرابطة التساهمية التناسقية:
(1) تتكون الرابطة بين ذرتين إحداهما لديها زوج أو أكثر من الأزواج الحرة والأخرى لديها نقص في الإلكترونات.
(2) الذرة التي تمنح الزوج الإلكتروني تسمى الذرة المانحة ولذلك تحمل شحنة موجبة.
(3) الذرة التي تستقبل الزوج الإلكتروني تسمى الذرة المستقبلة ولذلك تحمل شحنة سالبة.
(4) يرمز للرابطة التناسقية بسهم يتجه من الذرة المانحة إلى الذرة المستقبلة.
الرابطة الفلزية
Metalic Bond
تفقد ذرات الفلزات مثل الصوديوم والبوتاسيوم إلكترونات مستواها الخارجي لتصبح أيونات موجبة، حيث أن سالبيتها الكهربائية منخفضة. وتتماسك ذرات الفلز مع بعضها البعض في شكل بلوري صلب كما في الشكل :
ويحتوي هذا الشكل البلوري على الأيونات الموجبة والإلكترونات الحرة والتي تتحرك حركة عشوائية خلال الشبكة البلورية، وتوصف هذه الإلكترونات بسحابة سالبة متحركة في الفراغات الموجودة بين الأيونات الموجبة.
وتزداد قوة الرابطة الفلزية كلما ازداد عدد الإلكترونات الحرة في الفلز أي كلما ازداد عدد الإلكترونات الخارجية المتحركة. كذلك يعتمد على هذه الرابطة الكثير من الخواص الفلزية التي تتفاوت من فلز لآخر تبعاً لاختلاف قوة الرابطة الفلزية.
الرموز
نظراً لتعدد العناصر ولتسهيل دراسة علم الكيمياء أُتبعت طريقة كتابة الرموز:
1- كتابة الحرف الأول من اسم العنصر بالحرف الكبير.
مثل: الهيدروجين H وليس h الكربون C وليس
c 2- كتابة الحرف الأول والثاني في حالة تشابه عنصران في الحرف الأول.
3- كتابة الحرف الأول والثالث في حالة تشابه عنصران في الحرف الأول والثاني.
4- أحياناً يكون الرمز مشتقاً من الكلمة اللاتينية للعنصر.
الزجاج
محلول جامد وغير متبلر من سليكات مزدوج للصوديوم والكلسيوم Na2 OCaO 6SiO2أقدم قطعة من الزجاج تم اكتشافها بالعراق يرجع تاريخها إلى 2700 سنة قبل الميلاد. ويحضر الزجاج بصهر مخلوط المواد الأولية عند درجة حرارة 1600° م سلزيوس في وجود كميات قليلة من الفلسبار ويتم تشكيله بالنفخ أو الصب أو السحب أو الكبس وتضاف أملاح المعادن الثقيلة للتلوين. وتختلف خواصه باختلاف نسب العناصر التي تدخل في تركيبه وظروف التحضير وأفران الصهر، ففي وجود نسبة مرتفعة من السليكا (99,8%) ينتج نوع شفاف غاية في النقاء يسمح بمرور الأشعة فوق البنفسجية ويستخدم في صناعة الأجهزة الضوئية البصرية والتلسكوبات، وفي صناعة مصابيح الزئبق.
وفي مجال انتاج زجاج البصريات يميز بين نوعين هما (1) الكرون وبه 32 ـ 72% من ثاني أكسيد السليكون وأكاسيد البورون والعناصر القلوية، ويستعمل في صنع العدسات والخلايا الضوئية. (2) الفلينت ويحتوى على 26 ـ 65% من أكسيد الرصاص، ويستخدم في إنتاج المصابيح الكهربية والرادار، وشاشات التليفزيون والدروع الواقية من الإشعاع. ويدخل أكسيد الأنتيمون في تركيب زجاج النظارات.
ويحتوي الزجاج البلورى «الكريستال» على 80% أكسيد رصاص وبإضافة عناصر الألومنيوم أو الباريوم أو الأنتيمون تنتج أنواع من الزجاج تتحمل درجات الحرارة العالية. أما زجاج المرايا البصرية الضخمة المستخدمة في صناعة التلسكوبات الفضائية العملاقة فهو ينتج باضافة أكسيد التيتانيوم. ويتم إنتاج النوع السيراميكى بإضافة بلورات من أكسيد الزركزنيوم ـ أو أكسيد الكروم أو أكسيد التيتانيوم أو خامس أكسيد الفسفور إلى خام الزجاج المنصهر، ثم تجرى المعالجة الحرارية أو الإشعاعية، وهو يستخدم في صناعة الأجهزة الالكترونية وبدائل للأنسجة البشرية التالفة. وبإضافة عناصر الفلور والزنك والألومنيوم يتم إنتاج زجاج أبيض غير شفاف، هو حجر الأوبال، وهو يستخدم في صناعة المصابيح الضوئية.
ويتم الآن انتاج ألياف من الزجاج يدخل في تركيبها أكسيد الاسترونشيوم وتستخدم على نطاق واسع في العزل الحراري في الثلاجات وأجهزة التكييف.
ويتكون الزجاج الرقائقي من ألياف زجاجية خفيفة الوزن تضمها مادة رابطة، وهو يدانى الفولاذ في متانته ويستعمل في صناعة الطائرات وسفن الفضاء.
وينتج الزجاج الرغوى بإضافة الفحم المنصهر عند درجات الحرارة المرتفعة حيث تتولد الغازات والفراغات الهوائية التي تكسب الزجاج صفة العزل الصوتي والحراري. وهو يستخدم في البناء حيث يمكن قطعه بمنشار ودق المسامير فيه.
وهناك أنواع أخرى من الزجاج مثل زجاج الجير والصودا، وهو يقاوم الانصهار وتصنع منه النوافذ والمرايا الرخيصة، وزجاج الينا والبايركس، وله معامل تمدد صغير، ويصنع منه زجاج الترمومترات أو أجهزة المعامل. ويدخل فيه عناصر البورون والألومنيوم.
أما الزجاج العضوى المعروف باسم «البرسبكس» أو «اللوسيت»، فهو مادة متبلمرة شفافة عديمة اللون تحضر ببلمرة استر مثيل حمض ميثاكريليك (CH2 C (CH3) COOCH3) وتستعمل على هيئة رقائق في صناعة الطائرات وفي إنتاج السلع المنزلية.
زجاج البوروسليكات
يعتبر أكسيد البورون (B2 O3) من المواد المكونة للزجاج. وهو يعمل كمادة صهَّارة عند إضافته إلى أكسيد السليكون (SiO2) ويتميز عن مواد الصهارة الأخرى (أكاسيد المجموعة الأولى والثانية في الجدول الدورى) في أنه لا يتسبب في زيادة معامل التمدد الحراري لزجاج السليكا كما تفعل تلك المواد. أما إذا ارتفعت نسبة أكسيد البورون بدرجة كبيرة، فإن المقاومة الكيميائية تصبح هي المشكلة في الزجاج الناتج. وتسمح إضافة المواد القلوية يخفض كميات أكسيد البورون المستخدمة، كما تحسن من المقاومة الكيميائية في حالة التراكيب متعددة المواد. ويؤدي الانخفاض في معامل التمدد الحراري لزجاج البوروسليكات ذي المحتوى المنخفض من المواد القلوية إلى مقاومة الزجاج للصدمات الحرارية مما يجعله مفيداً في تصنيع الأدوات المعملية وأواني الطهي وزجاج لحام الموليبدنوم ومرايا التلسكوبات. ومن أشهر أنواع زجاج البوروسليكات هو ما أنتجته شركات كورننج للزجاج تحت الاسم التجاري «بايركس» كما أن النظام الثلاثي Na2 O-B2 O3-SiO2 من زجاج البوروسليكات المحتوى على أكسيد الصوديوم يتميز بإمكانية انفصاله إلى طورين عند معالجته حرارياً بين 500° و650° سلزيوس ويتكون الطور الأول أساساً من أكسيد السليكون. وعند إذابة الطور الأول في أحد الأحماض يتبقى الطور الثاني فقط حيث يبلغ محتواه من أكسيد السليكون 96% وبتلبيد هذا الطور ينتج ما يعرف بزجاج «الفيكور» (Vycor 69/SiO2) ويتميز بمعامل تمدد حراري منخفض للغاية.
ويمكن تصنيع أنواع من الزجاج البصرى التي تتميز بانخفاض قيم معامل الانكسار والتشتت، من بعض أنواع زجاج البوروسليكات التي تحتوى على أكاسيد الفلزات القلوية أحادية التكافؤ، كما يمكن تحضير الزجاج المستخدم في أغراض اللحام من بعض هذه الأنواع من زجاج البوروسليكات القلوية.
زجاج السليكات Silica Glass: أهم زجاج أحادي الأكسيد وهو يعد زجاجاً مثالياً لكثير من الاعتبارات، فجزيئاته مترابطة في ثلاثة اتجاهات، ويمكن استعماله في درجات الحرارة العالية كما أن له معامل تمدد حراري منخفضاً وامتصاصه للموجات فوق السمعية ultrasonic ضئيل للغاية. وهو عازل ممتاز بالنسبة للكهرباء وله مقاومة عالية ضد الكيماويات، ولا يسبب تعرضه لاثنين مليون إلكترون فولت أي تأثيرات ملحوظة فيه بينما تتلون وقد تنكسر الأنواع الأخرى من الزجاج عند تعرضها لهذه الكمية من الطاقة. ويسمح زجاج السليكات للاطول الموجية للاشعة فوق البنفسجية بالنفاذ من خلاله بصورة ممتازة حتى الطول الموجى 180 نانومتر حيث تبلغ درجة نفاذيته في هذه الحالة أكثر قليلاً من 90%. ويستخدم زجاج السليكا في عمل خطوط إعاقة الموجات فوق السمعية ونوافذ أنفاق التيارات فوق السمعية، وفي عمل النظم الضوئية للأجهزة مثل أجهزة المطياف الضوئي وأجهزة القياس في الكيمياء الحيوية. كما يستخدم في عمل بواتق تنمية بلورات الجرمانيوم أو السليكون. وإذا كانت الصفات التي يتمتع بها زجاج السليكا تسبغ عليه المناعة عند استخدامه فهي أيضاً تجعله صعب التحضير بالطرف التقنية المتداولة. فهو ينفرد بطرق خاصة للتحضير، فعلى سبيل المثال يمكن أن يحضر بتقنية ترسيب البخار vapour deposition.
زجاج سليكات الرصاص: يعتبر أكسيد الرصاص من الأكاسيد المعدلة لصفات الزجاج. وهو مادة صهارة جيدة لأكسيد السليكون لا تسبب ـ عند مقارنتها بغيرها من مواد الصهارة مثل الأكاسيد الفلزية ـ انخفاضاً في المقاومة الكهربائية للزجاج الناتج ويستخدم زجاج سليكات الرصاص في إنتاج النوافذ المدرعة الحاجبة للإشعاعات، وزجاج مصابيح الفلوريسنت، والزجاج البصرى، والزجاج الكريستال خاصة للقطع الفنية وفي إنتاج الزجاج المستخدم في اللحام ذي الحرارة المنخفضة.
السيليلوز
Cellulose
هو من المكونات الأساسية لجدر الخلايا النباتية، ويتكون السيليلوز من سلاسل متوازية غير متفرعة، وحداتها من سكر الجلوكوز، وترتبط السلاسل فيما بينها بروابط هيدروجينية مكونة حزماً .
والسيليلوز مادة بيضاء صلبة لا تذوب في الماء، ولا في المذيبات العضوية. وبالرغم من أن النشا والسيليلوز يتكونان من وحدات الجلوكوز، إلا أنهما يختلفان في الخواص بسبب اختلافهما في طريقة الترابط بين وحدات الجلوكوز، ولا يتحلل السيليلوز مائياً بسهولة مثل النشا ولكن عند تسخينه مع حمض الكبريتيك المخفف تحت ضغط يتحلل إلى جلوكوز.
الشبكات البلورية الأيونية
Crystal lattice
سنأخذ كلوريد الصوديوم كمثال, وهو كما علمنا يتركب من أيونات الكلوريد السالبة -Cl وأيونات الصوديوم الموجبة +Na فكلوريد الصوديوم يتواجد على هيئة أعداد متساوية مع الأيونات الموجية والسالبة والتي ينجذب بعضها مع بعضها الآخر بقوى تجاذب كهربائية نظرا لا ختلافها في الشحنة, ولذا فهى ترتب نفسها على شكل صلب يسمى الشبكة البلورية. والنمط الخاص الذي يصف ترتيب أيونات الصوديوم والكلوريد في البلورة موضح بالشكل وهي على شكل مكعب حيث توجد أيونات +Na (باللون الرمادي) عند أركانه وفي وسط كل وجه وتحتل أيونات الكوريد -CI (باللون الأخضر) منتصف الفراغات بين أيونات +Na وعند الانتقال من الطبقة العليا إلى الطبقة التالية سنجد أن أيونات +Na و -CI, قد عكست مواضعها وهكذا بالتبادل.
الصيغ الكيميائية
تزودنا الصيغة الجزيئية للمركب بالمعلومات التالية:
1- نوع الذرات الموجودة في المركب.
2- عدد ذرات كل نوع.
3- النسب العددية بين أنواع الذرات المختلفة.
فمثلاً : الصيغة الجزيئية لمركب حمض الكبريت هي H2SO4 نستنتج:
1- نوع الذرات الموجودة في المركب: H وَ S وَ O
. 2- عدد ذرات كل نوع: H2 وَ S1 وَ O4
. 3- النسب العددية بين أنواع الذرات المختلفة 2:1:4
. وهناك بعض المواد يمكن كتابة صيغتها الكيميائية بسهولة حيث يساعد اسمها الكيميائي على ذلك وإليك المركبات البسيطة التالية:
الصيغة البنائية :
(Structural Formula)
هي صيغة تمثل ترتيب الذرات في الفراغ وعلاقاتها داخل الجزيء .
الصيغة التجريبية:
هي صيغة كيميائية تبين أبسط نسبة عددية صحيحة بين ذرات جزيء المركب
الطاقة الكيميائية
هناك طاقة مختزنة في المادة أثناء تكونها، وتعتمد كمية هذه الطاقة على نوع وترتيب الذرات في المادة، وهذه الطاقة إما أن تمتص أو تنطلق أثناء التفاعل الكيميائي ولذا تعتبر الطاقة الكيميائية صورة من صور طاقة الوضع.
مجموع الطاقات الداخلية المختزنة في المادة أثناء تكونها نتيجة لارتباط الذرات مع بعضها البعض.
هناك أنواع من الطاقات تكون مصاحبة لجزيء المادة مثل:
الطاقة الانتقالية: وهي الناتجة عن انتقال الجزيء من مكان لآخر.
الطاقة الدورانية: وهي ناتجة عن دوران الجزيء حول محور أو أكثر في مركزه.
الطاقة الأهتزازية: وهي ناتجة عن ذبذبة الجزيء حول موضع الاتزان وهذه تعتمد على شكل وتركيب الجزيء.
طاقة الترابط: وهذه ناتجة عن انجذاب الأيونات أو الجزيئات أو تنافرها عن بعضها.
الطرق المتبعة في التحليل الكيميائي الكمي
يمكن تقسيم الطرق المتبعة في التحليل الكيميائي الكمي إلى:
أولاً: طرق طبيعية:
ويطلق عليها التحليل الكمي بالطرق الطبيعية (الكمي ـ الطبيعي) والتي تعتمد على قياس بعض الخواص الطبيعية للمادة مثل: درجة الغليان، التجمد، شدة اللون، درجة الامتصاص الضوئي، الانكسار الضوئي وغيرها. وأهم طرق التحليل الكمي الطبيعي هي:
1 ـ التحليل الضوئي.
2 ـ معامل الانكسار.
3 ـ قياس الإشعاع.
4 ـ التحليل الكهربي.
ملاحظات:
1 ـ يتوقف الامتصاص الضوئي لمحلول المادة الملونة على:
أ ـ نوع المادة.
ب ـ درجة تركيزها في المحلول.
ج ـ درجة نقاء المادة.
2 ـ الخاصية الطبيعية للمادة غالباً ما تتناسب مع كتلة المادة أو درجة تركيزها في المحلول.
3 ـ التحليل الضوئي هو عملية تحديد درجة تركيز مادة في محلولها الملون بقياس درجة امتصاصها للضوء.
4 ـ طرق التحليل الضوئي:
(أ) استخدام العين المجردة كما في أنابيب نسلر.
(ب) استخدام جهاز قياس الطيف الضوئي (الإسبكتروفوتوميتر) .
(ح) اختبار النقطة.
5 ـ معامل الانكسار الضوئي لمادة يمكن قياسه باستخدام الإسبكتروفوتوميتر. ومن جداول خاصة تربط معامل الانكسار الضوئي بدرجة التركيز نستطيع معرفة درجة التركيز ودرجة النقاء.
6 ـ تتوقف قيمة معامل الانكسار الضوئي لمحلول مادة على نوعها ودرجة نقائها وعلى درجة تركيزها في المحاليل المائية أو المذيبات العضوية.
7 ـ في حالة المحاليل غير الملونة نصيف مواد كيميائية أخرى تتفاعل مع المادة المذابة في المحلول وتكون مركبات ملونة تتدرج شدة لونها مع تدريج درجة تركيزها في المحلول.
8 ـ الأساس الذي تعتمد عليه طريقة قياس الإشعاع في التحليل الكمي الطبيعي هو قياس شدة الإشعاع الصادر من المواد المشعة وذلك بواسطة عداد جيجر. وباستخدام جداول خاصة يمكن بمعرفة شدة الإشعاع استنتاج درجة تركيز المادة المشعة.
9 ـ يستخدم عداد جيجر في الكشف عن الخامات المشعة وقياس شدة الإشعاع الناتج من تلوث البيئة، كما يستخدم في قياس شدة إشعاع النظائر المشعة والاستفادة منها في الأبحاث العلمية.
10 ـ التحليل الكهربي (الترسيب الكهربي): التحليل أو الترسيب الكهربي هو تفاعلات الأكسدة والاختزال التي تحدث في المحاليل الإلكتروليتية عند قطبي الخلية الكهربية نتيجة مرور تيار كهربي فيها.
11 ـ الفاراداي هو كمية الكهربية التي ترسب الوزن المكافىء الجرامي لأي عنصر عند إمرارها في محلول ملح من أملاحه وتساوي 96500 كولوم وتحوي عدد أفوجادرو من الإلكترونات وهو 6,023 × 1023إلكترون.
12 ـ يعتمد الحساب الكيميائي في التحليل الكهربي على قانوني فاراداي:
القانون الأول: كمية المادة المنفصلة (و) بالتحليل الكهربي تتناسب طردياً مع كمية الكهربية (ك) المارة في المحلول الإلكتروليتي للمادة.
القانون الثاني: كمية المواد المنفصلة بالتحليل الكهربي وبكمية كهربية واحدة تتناسب طردياً مع أوزانها المكافئة الجرامية.
العامل الحفاز
مادة تسبب تغيراً في سرعة التفاعل، ولكنها لا تتغير عند انتهاء التفاعل ويمكن استعادتها.
أغلب العوامل الحفازة تزيد من سرعة التفاعل ويسمى حفزاً موجباً وبعضها يقلل من سرعة التفاعل ويسمى حفزاً سالباً.
وفيما يلي أمثلة على العوامل الحفازة وأهمية كل منها في المختبر والصناعة وفي جسم الإنسان:العامل الحفاز الأهمية والاستخدام
ثاني أكسيد المنجنيزMnO2 يساعد على سرعة تحلل كلورات البوتاسيوم عند تحضير غاز الأكسجين في المختبر
الحديد والموليبدنيوم يستخدمان عند تفاعل النتيروجين مع الهيدروجين لتحضير غاز الأمونيا
خامس أكسيد الفاناديومV2O5 يستخدم لتفاعل ثاني أكسيد الكبريت مع الأكسجين لتكوين ثالث أكسيد الكبريت في تحضير حمض الكبريتيك في الصناعة
النيكل يستخدم في تفاعل إضافة الهيدروجين إلى الروابط الثنائية في الزيوت النباتية غير المشبعة وبذلك تتحول إلى زبدة نباتية صالحة للأكل
إنزيم التيالين في اللعاب،
وإنزيم الببسين في العصارة المعدية زيادة سرعة الهضم
وتجدر الإشارة هنا إلى وجود مواد تعوق عمل المواد الحافزة إذ
