واکنش پذیری شیمی یازدهم
واکنش پذیری به تمایل یک اتم برای شرکت در واکنش های شیمیایی گفته می شود.
عناصری که واکنش پذیری بالایی دارند، تمایل زیادی به ترکیب شدن دارند. فلزاتی که واکنش پذیری بالاتری دارند، استخراج سخت تری دارند.
بررسی استخراج آهن از سنگ معدن شیمی یازدهم
واکنش استخراج
آهن معمولاً از سنگ معدن هماتیت (Fe₂O₃) استخراج می شود. برای این کار، واکنش زیر انجام می شود
توضیح واکنش:
کربن (C) با اکسیژن موجود در هماتیت واکنش داده و گاز کربن مونوکسید (CO) تولید میکند. آهن خالص (Fe) باقی می ماند.
چرا کربن؟
- دسترسی آسان و ارزان به کربن
- صرفه اقتصادی بالا
- قابلیت انجام واکنش در دما های بالا
به همین دلیل، در صنایع فولاد مانند فولاد مبارکه اصفهان، کربن به عنوان ماده کاهنده اصلی استفاده می شود.
سنگ معدن (Ore)
سنگ معدن به سنگ هایی گفته می شود که حاوی مقدار قابل استخراجی از فلز یا عنصر مورد نظر باشند.
برخی از مجتمع های مهم استخراج فلز در ایران
- فولاد مبارکه (اصفهان) ➔ استخراج و تولید فولاد
- مس سرچشمه (کرمان) ➔ استخراج مس
- آلومینیوم اراک ➔ تولید آلومینیوم
- منیزیم خراسان جنوبی ➔ تولید منیزیم
محاسبه مقدار تولید آهن از هماتیت
در شیمی، با استفاده از روش های استوکیومتری، میتوان محاسبه کرد که با مقدار مشخصی از Fe₂O₃ چه مقدار آهن (Fe) تولید خواهد شد.
دنیای واقعی واکنش ها شیمی یازدهم
چرا واکنش های واقعی با پیش بینی های تئوری تفاوت دارند؟
در آزمایش های شیمیایی، معمولاً نتایج واقعی با محاسبات نظری تفاوت دارند.
دلایل این اختلاف میتواند شامل:
ناخالصی مواد اولیه، انجام نشدن کامل واکنش، واکنش های جانبی نا خواسته، یا جمع آوری ناقص محصول باشد.
برای محاسبهی دقیق مقدار مواد و بررسی کیفیت فرآیند ها، شیمیدان ها مفاهیمی چون درصد خلوص و بازده درصدی را تعریف کرده اند.
بخش اول: آزمایش واکنش اکسید آهن و کربن
داده های آزمایش:
| شماره آزمایش | جرم Fe₂O₃ (گرم) | جرم آهن به دست آمده (گرم) |
| 1 | 40 | 19.5 |
| 2 | 40 | 19.6 |
| 3 | 40 | 19.7 |
مقدار آهن نظری مورد انتظار: 28 گرم
مقدار واقعی حاصل: حدود 19.6 گرم
نتیجه: بازده واقعی کمتر از بازده نظری است.
چرا مقدار واقعی کمتر از مقدار نظری شد؟
دلایل احتمالی:
ناخالص بودن Fe₂O₃ (اکسید آهن ناخالص بوده است)، انجام نشدن کامل واکنش، عدم جداسازی کامل آهن تولید شده
بخش دوم: درصد خلوص چیست؟
درصد خلوص نشان می دهد چند درصد از جرم یک نمونه، مادهی خالص مورد نظر است.
فرمول درصد خلوص:
پاسخ به سوال:
آهن در طبیعت به صورت هماتیت با خلوص ۷۰٪ یافت میشود. معنی این چیست؟
یعنی از هر 100 گرم سنگ معدن هماتیت، فقط 70 گرم آن Fe₂O₃ خالص است و 30 گرم ناخالصی است.
بخش سوم: بازده درصدی چیست؟
بازده درصدی میزان واقعی فراورده تولید شده را نسبت به مقدار نظری آن می سنجد.
فرمول بازده درصدی:
محاسبه بازده درصدی برای داده های آزمایش:
داده ها:
جرم Fe₂O₃ مصرف شده = 40 گرم
جرم آهن واقعی به دست آمده = 19.6 گرم
جرم آهن نظری = 28 گرم
محاسبه:
بخش چهارم: واکنش ترمیت و بررسی بازده
سوال: کدام فلز فعال تر است؟
پاسخ: آلومینیوم فعال تر از آهن است.
دلیل: آلومینیوم می تواند اکسیژن را از Fe₂O₃ بگیرد و خودش اکسید شود؛ این یعنی تمایل بیشتری به واکنش دارد.
سوال محاسبهای:
چند گرم آلومینیوم ۸۰٪ خلوص نیاز داریم برای تولید ۲۷۹ گرم آهن؟
گام اول: نسبت واکنش از معادله:
2 مول Al → 2 مول Fe
جرم مولی Al = 27 g/mol
جرم مولی Fe = 56 g/mol
تناسب:
بخش پنجم: استخراج فلزات با استفاده از گیاهان شیمی یازدهم
استخراج فلزات با استفاده از گیاهان (فیتوماینینگ)
استخراج فلزات با گیاهان، روشی نو و دوستدار محیطزیست است که به آن فیتوماینینگ (Phytomining) گفته میشود. در این روش، بهجای حفاری و استفاده از مواد شیمیایی خطرناک، از گیاهانی خاص برای جذب فلزات از خاک استفاده میشود.
برخی گیاهان توانایی دارند که فلزاتی مانند نیکل، مس، طلا، روی و کبالت را از خاک جذب کرده و در برگها و ساقههای خود جمع کنند. این گیاهان را «فیتواکومولاتور» مینامند. پس از رشد کامل، گیاه برداشت و سوزانده میشود و خاکستر آن حاوی فلز خالص یا ترکیبات فلزی است که میتوان استخراج و تصفیه کرد.
این روش به چند دلیل اهمیت دارد:
- آلودگی محیطزیست را کاهش میدهد چون نیازی به استفاده از مواد سمی و انفجار نیست.
- برای خاکهای کمعیار یا آلوده به فلزات سنگین مناسب است.
- میتواند به بازسازی خاکهای آلوده و بازیافت فلزات باارزش کمک کند.
در کل، فیتوماینینگ یک روش ارزان، پاک و پایدار برای استخراج فلزات است که در آینده میتواند جایگزین بخشی از معدنکاری سنتی شود.
واژه نامه تخصصی:
| تعریف ساده | واژه |
| درصد مادهی خالص در یک نمونه | درصد خلوص |
| درصد مقدار واقعی محصول نسبت به مقدار نظری | بازده درصدی |
| واکنش اکسایش-کاهش شدید بین آلومینیوم و اکسید فلز | واکنش ترمیت |
| جذب فلز توسط گیاهان و بازیابی فلز از خاکستر گیاه | استخراج گیاهی |
خلاصه
در دنیای واقعی واکنش ها همیشه بازده کامل ندارند.
عوامل مختلفی مثل ناخالصی، واکنش ناقص و خطای آزمایشگاهی باعث کاهش بازده می شود.
مفاهیم درصد خلوص و بازده درصدی برای تحلیل این اختلافات بسیار مهم اند.
استخراج فلزات، چه به روش های صنعتی و چه زیستی، بخش مهمی از صنایع مدرن و توسعه پایدار است.
گنج های واقعی در اعماق دریا شیمی یازدهم
وقتی صحبت از گنج های اعماق دریا می شود، ذهن بیشتر مردم به سمت سکه های طلا، کشتی های غرق شده یا مروارید های درخشان می رود. اما حقیقت ماجرا فراتر از این حرف ها است. بستر اقیانوس ها در واقع حاوی منابعی غنی از فلزات ارزشمند و صنعتی است که بشر تنها در چند دهه اخیر به آن پی برده است.
این ذخایر شامل:
سولفید های فلزات واسطه (مثل آهن، نیکل، مس) ،کلوخه ها و پوسته های غنی از فلزات مانند منگنز، کبالت و…
طبق بررسی های علمی، غلظت این فلزات در کف اقیانوس ها بسیار بیشتر از منابع زمینی است و این موضوع امکان بهره برداری صنعتی را فراهم کرده است.
آینده ی فلزات اعماق دریا؛ فرصت یا چالش جهانی؟
امروزه برخی کشور ها به دنبال اجرای پروژه هایی برای استخراج این فلزات هستند.
پیش بینی می شود که بهره برداری از منابع شیمیایی دریایی، در آینده به یکی از صنایع تأثیرگذار در سیاست جهانی تبدیل شود؛ درست مانند نفت.
اگر کشورهایی مانند ایران بتوانند با تکیه بر فناوری بومی و دانش بنیان وارد این عرصه شوند، سهم مهمی از این فرصت استراتژیک خواهند داشت.
جریان فلز بین محیط زیست و جامعه شیمی یازدهم
فلزات بخشی از هدایای ارزشمند طبیعت اند که از معادن زمین استخراج می شوند.
سالانه میلیون ها تُن فلز مانند آهن، مس، آلومینیوم و… از زمین بیرون کشیده می شود و در صنایع مختلف مورد استفاده قرار میگیرد.
این فلزات پس از استفاده در قالب ابزار، ماشینآلات، وسایل ساختمانی، لوازم خانگی و… وارد جامعه می شوند.
توسعه پایدار؛ تعادل میان مصرف و مسئولیت
در شیمی دهم یاد گرفتیم که توسعه پایدار یعنی:
هنگام تولید یا استفاده از یک ماده، باید:
هزینه های اقتصادی، اثرات اجتماعی، و پیامد های زیست محیطی آن را در نظر بگیریم.
مثلاً اگر استخراج یک فلز باعث تخریب گسترده محیط زیست شود یا برای آیندگان چیزی باقی نگذارد، این روش پایدار نیست.
پرسش ها و پاسخ
الف) آیا آهنگ مصرف فلزات با آهنگ بازگشت آن ها به طبیعت یکسان است؟
پاسخ: خیر، این دو بسیار متفاوت اند.
فرایند بازگشت فلزات به شکل سنگ معدن طبیعی در طبیعت، ممکن است میلیون ها سال طول بکشد؛
اما مصرف و استخراج آن ها بسیار سریع تر است.
این اختلاف زمانی بزرگ، یکی از دلایل تجدید ناپذیری فلزات است.
ب) فلزات تجدید پذیر هستند یا تجدید ناپذیر؟ چرا؟
پاسخ: فلزات منابع تجدید ناپذیر هستند، چون:
تشکیل آن ها در طبیعت میلیون ها سال طول میکشد.
اگر بیش از اندازه مصرف شوند، جایگزینی برای آن ها وجود ندارد.
بازیافت می تواند به استفاده مجدد کمک کند، ولی تولید مجدد طبیعی آن ها ممکن نیست.
ارزیابی چرخه عمر (Life Cycle Assessment – LCA)شیمی یازدهم
ارزیابی چرخه عمر یک روش علمی برای سنجش اثرات زیست محیطی محصولات در طول عمر شان است.
این ارزیابی چهار مرحله دارد:
| شرح | مرحله |
| معدنکاری، پالایش، تصفیه فلز | ۱. استخراج و تولید مواد اولیه |
| حمل و نقل تا کارخانه یا مصرفکننده | ۲. توزیع |
| استفاده از فلز در محصولات مختلف | ۳. مصرف |
| پایان عمر محصول و بازیافت یا دفن آن | ۴. دفع / بازیافت |
این فرآیند کمک میکند بفهمیم کدام مرحله بیشترین آسیب را دارد و چطور میتوان آن را بهبود داد.
نمونه مقایسه ای ساده (برای آشنایی بیشتر):
| کیسه پلاستیکی | پاکت کاغذی | مورد مقایسه |
| کم | زیاد | آب مصرفی در تولید |
| کم | متوسط | انرژی مصرفی |
| خیلی کم (قرنها طول میکشد) | نسبتاً زیاد | تجزیه پذیری |
| دشوار | آسانتر | بازیافت پذیری |
این جدول نشان می دهد که تصمیم گیری درباره استفاده از یک محصول، باید بر پایه ی چرخه عمر آن باشد؛ نه فقط ظاهر یا راحتی آن.
واژه نامه تخصصی:
| تعریف ساده | اصطلاح |
| فلزاتی در بلوک d جدول تناوبی با ویژگی های خاص شیمیایی | فلز واسطه |
| ترکیبی از فلز با گوگرد، معمولاً در منابع معدنی دیده می شود | سولفید فلزی |
| استفاده از منابع بدون آسیب به نسل های آینده | توسعه پایدار |
| بررسی زیست محیطی یک محصول در کل مسیر زندگی اش | ارزیابی چرخه عمر (LCA) |
| منابعی که با سرعت بسیار کم یا اصلاً تجدید نمی شوند (مثل فلزات) | تجدید ناپذیر |