خلاصه درس فصل ۲ شیمی دهم؛ درسنامه و نکات مهم

هواکره را مثل اقیانوسی از ذره‌های گازی تصور کن که ما در کف آن زندگی می‌کنیم. این پوشش به نگه‌داشتن گرما، محافظت در برابر پرتوهای خطرناک و جابه‌جایی آب کمک می‌کند. گرانش گازها را نزدیک زمین نگه می‌دارد؛ در مقابل، جنبش گرمایی باعث حرکت و پخش‌شدن مولکول‌ها می‌شود.

نامرئی‌بودن هوا به معنی نبودن آن نیست؛ وزش باد حضورش را یادآوری می‌کند. برخورد ذره‌های گاز با سطح‌ها فشار ایجاد می‌کند. هرچه بالاتر برویم، هوا رقیق‌تر و فشار کمتر می‌شود؛ یعنی ذره‌های کمتری در حجم معین حضور دارند.

اما دما در تمام ارتفاع‌ها به یک شکل تغییر نمی‌کند. تغییر روند دما یکی از نشانه‌های لایه‌ای‌بودن هواکره است. در بخش‌های بالایی، تابش‌های پرانرژی می‌توانند از ذره‌ها الکترون جدا کنند؛ پس علاوه بر اتم و مولکول، یون و الکترون هم وجود دارد. واکنش‌های میان گازها نیز همیشه سودمند نیستند و گاهی فراورده‌های نامطلوب می‌سازند.

نزدیک‌ترین لایۀ هواکره به زمین، تروپوسفر است؛ همان جایی که زندگی می‌کنیم و تغییرات آب‌وهوا در آن رخ می‌دهد. حدود $75\%$ جرم هواکره در این لایه قرار دارد. در تروپوسفر، با هر $1\,\mathrm{km}$ افزایش ارتفاع، دما به‌طور تقریبی $6^\circ\mathrm{C}$ کاهش می‌یابد؛ کمی جلوتر با همین الگو ارتفاع آن را تخمین می‌زنیم.

گازهای هوا فقط فضای اطراف ما را پر نکرده‌اند؛ با زندگی پیوند دارند. گیاهان با نور خورشید و مصرف کربن دی‌اکسید، اکسیژن تولید می‌کنند. جانداران ذره‌بینی نیز نیتروژن هوا را در خاک تثبیت می‌کنند تا برای گیاهان قابل استفاده شود.

کاربرد صنعتی هم داریم: نیتروژن در بسته‌بندی برخی خوراکی‌ها به افزایش ماندگاری کمک می‌کند و در پرکردن تایرها کاربرد دارد. در سرماسازی، برای انجماد مواد غذایی و نگهداری نمونه‌های زیستی از نیتروژن مایع استفاده می‌شود. پس «گاز فراوان هوا» می‌تواند مادۀ ارزشمند زندگی و صنعت باشد.

اگر هوای پاک و خشک را بررسی کنیم، بیشترین سهم حجمی متعلق به نیتروژن با حدود $78.079\%$ است. پس از آن اکسیژن با $20.952\%$ و آرگون با $0.928\%$ قرار دارند. سهم کربن دی‌اکسید حدود $0.0385\%$ است و گازهایی مانند نئون و هلیم سهم بسیار کمتری دارند.

درصد حجمی یعنی چه سهمی از حجم مخلوط به هر گاز مربوط است؛ آن را با درصد جرمی اشتباه نگیر. همچنین «خشک» مهم است: بخار آب در این فهرست حساب نشده است. میانگین بخار آب هوا حدود $1\%$ است، اما با مکان و زمان تغییر می‌کند؛ مثلاً هوای مرطوب و هوای خشک بخار آب یکسانی ندارند.

فراوانی نیتروژن، اکسیژن و آرگون باعث می‌شود هوا منبع مناسبی برای تهیۀ صنعتی آنها باشد. راه جداسازی این گازها، مایع‌کردن هوا و سپس تقطیر جزءبه‌جزء آن است.

برای جداسازی گازها، ابتدا گردوغبار هوا را با صافی می‌گیرند. سپس با فرایندهای صنعتیِ فشرده‌سازی و سرمایش، دما را کاهش می‌دهند. در الگوی کتاب، رطوبت در حدود $0^\circ\mathrm{C}$ به صورت یخ جدا می‌شود و کربن دی‌اکسید در حدود $-78^\circ\mathrm{C}$ جامد می‌شود. با سرمایش بیشتر تا حدود $-200^\circ\mathrm{C}$، مخلوطی از چند مایع به دست می‌آید.

اصل تقطیر جزءبه‌جزء، تفاوت نقطه‌های جوش است: هنگام گرم‌شدن مخلوط، مادۀ دارای نقطۀ جوش پایین‌تر زودتر جدا می‌شود. نقطۀ جوش نیتروژن $-196^\circ\mathrm{C}$، آرگون $-186^\circ\mathrm{C}$ و اکسیژن $-183^\circ\mathrm{C}$ است؛ پس ترتیب جداسازی این سه، نیتروژن، آرگون و اکسیژن خواهد بود. یادت باشد میان عددهای منفی، عدد منفی‌تر کوچک‌تر است.

هلیم با نقطۀ جوش $-269^\circ\mathrm{C}$ در دمای $-200^\circ\mathrm{C}$ هنوز گاز است و جزو این مخلوط مایع نیست. نزدیک‌بودن نقطه‌های جوش آرگون و اکسیژن هم باعث می‌شود تهیۀ اکسیژن کاملاً خالص دشوار باشد.

تفاوت رفتار گازها را می‌توان در آزمایش توصیف‌شدۀ کتاب هم دید: هوای داخل لولۀ بسیار سرد به مایع تبدیل می‌شود. پس از بیرون‌آوردن لوله، نیتروژن زودتر بخار می‌شود و چون از سوختن پشتیبانی نمی‌کند، شعله در دهانۀ لوله خاموش می‌شود. کمی بعد، مایع از اکسیژن غنی‌تر می‌شود و بخار آن می‌تواند کبریت نیمه‌افروخته را شعله‌ور کند. اکسیژن به سوختن کمک می‌کند، نه اینکه خودش سوخت باشد. این آزمایش به تجهیزات و نظارت آزمایشگاهی نیاز دارد.

ویژگی هر گاز کاربردش را تعیین می‌کند. آرگون واکنش‌پذیری ناچیزی دارد؛ بنابراین برای ایجاد محیط بی‌اثر در جوشکاری و ساخت لامپ مناسب است. هلیم، سبک‌ترین گاز نجیب، در بالن‌ها، مخلوط گاز کپسول غواصی و سرماسازی دستگاه‌های تصویربرداری کاربرد دارد.

اما بهترین منبع هر گاز لزوماً هوا نیست. هلیم در ژرفای زمین بر اثر واکنش‌های هسته‌ای تولید و وارد میدان‌های گازی می‌شود. سهم آن در بعضی منابع گاز طبیعی تا حدود $7\%$ حجمی می‌رسد؛ بسیار بیشتر از هوا. بنابراین استخراج صنعتی آن از منابع مناسب گاز طبیعی اقتصادی‌تر است.

وقتی لولهٔ خشک در محیطی با دمای $-200^\circ\mathrm{C}$ قرار می‌گیرد، هوای داخل آن به‌شدت سرد می‌شود. در نتیجه، بخش عمدهٔ نیتروژن و اکسیژن هوا به مایع تبدیل می‌شوند و مایع بی‌رنگی در لوله جمع می‌شود؛ این مایع، آب نیست.

پس از بیرون‌آوردن لوله، مایع کم‌کم گرم می‌شود. نیتروژن فرّارتر است و آسان‌تر از اکسیژن بخار می‌شود؛ بنابراین گاز خروجی در آغاز نیتروژن بیشتری دارد و شعله را خاموش می‌کند. با گذشت زمان، مایع باقی‌مانده و بخار آن از اکسیژن غنی‌تر می‌شوند و کبریت نیمه‌افروخته دوباره شعله می‌گیرد. این مشاهده نشان می‌دهد تفاوت در فرّاربودن مواد می‌تواند به جداسازی آن‌ها کمک کند. این آزمایش را فقط در شرایط ایمن آزمایشگاهی مشاهده کن.

هلیم سبک‌ترین گاز نجیب است و رنگ و بو ندارد. کاربرد آن فقط پرکردن بالن نیست؛ در جوشکاری، کپسول غواصی و خنک‌کردن بخش‌هایی از دستگاه‌های تصویربرداری هم به کار می‌رود.

اما هلیم را از کجا می‌آورند؟ هلیم در ژرفای زمین بر اثر واکنش‌های هسته‌ای تولید می‌شود و پس از جابه‌جایی در لایه‌های زمین، می‌تواند وارد میدان‌های گازی شود. مقدار آن در هوا بسیار کم است، ولی در بعضی منابع گاز طبیعی سهم بیشتری دارد؛ در برخی منابع این سهم به حدود $7\%$ حجمی می‌رسد. پس همهٔ میدان‌های گازی را نباید یکسان دانست: مقدار هلیم آن‌ها متفاوت است.

برای تولید صنعتی، فقط وجود یک ماده مهم نیست؛ مقدار آن در منبع هم اهمیت دارد. جداکردن هلیم از منبعی که سهم هلیم بیشتری دارد، معمولاً به‌صرفه‌تر است. شبیه آن است که بخواهی دانه‌های دلخواهت را از دو ظرف جدا کنی: ظرفی که از آن دانه‌ها بیشتر دارد، انتخاب مناسب‌تری است.

هلیم را می‌توان از هوا یا با تقطیر جزءبه‌جزء گاز طبیعی به دست آورد، اما منابع زمینی آن غنی‌ترند. بااین‌حال، داشتن ذخیره به‌تنهایی کافی نیست؛ جداسازی به دانش و تجهیزات پیشرفته نیاز دارد. اگر هلیم جدا نشود، هنگام مصرف و سوختن گاز طبیعی، بدون استفاده همراه گازهای خروجی وارد هواکره می‌شود. ایران نیز از کشورهای دارای ذخایر هلیم است.

اکسیژن فقط گازی برای تنفس نیست؛ در بسیاری از تغییرهای شیمیایی پیرامون ما نقش دارد. زنگ‌زدن آهن، برخی فرایندهای فرسایش سنگ‌ها و فساد مواد غذایی، نمونه‌هایی از پیامدهای واکنش‌پذیری آن هستند. برای نمونه، وقتی جسم آهنی در شرایط مناسب زنگ می‌زند، اکسیژن در یک تغییر شیمیایی شرکت کرده است.

این عنصر در بخش‌های مختلف زمین وجود دارد: در آب‌کره، در ساختار مولکول‌های آب و در زیست‌کره، در ساختار مولکول‌های زیستی مانند چربی‌ها و پروتئین‌ها. در هواکره، اکسیژن عمدتاً به شکل مولکول‌های دواتمی $\mathrm{O_2}$ است. دقت کن که «وجود عنصر اکسیژن در آب» با «وجود گاز اکسیژن» یک معنا ندارد.

جدول کتاب نشان می‌دهد هرچه از سطح زمین بالاتر برویم، فشار گاز اکسیژن کمتر می‌شود. برای رسم نمودار، ارتفاع را روی محور افقی و فشار اکسیژن را روی محور عمودی قرار بده؛ سپس هر جفت داده را به‌صورت یک نقطه مشخص کن. روند نمودار نزولی خواهد بود، اما لازم نیست یک خط راست باشد.

به عنوان جدول فشار دقت کن: هر عدد باید در $10^{-2}\,\mathrm{atm}$ ضرب شود تا فشار به‌دست آید. کاهش فشار اکسیژن یعنی در ارتفاع زیاد، شرایط دریافت اکسیژن برای بدن دشوارتر می‌شود؛ نه اینکه اکسیژن کاملاً ناپدید شده باشد. تنظیم فشار کابین و سامانه‌های اکسیژن هواپیما برای حفظ شرایط مناسب تنفس اهمیت دارند.

اکسیژن را فقط گازی برای نفس‌کشیدن تصور نکن! این عنصر در بخش‌های مختلف زمین حضور دارد. در هواکره، بیشتر به شکل مولکول‌های دو اتمی با فرمول $\mathrm{O_2}$ است؛ یعنی هر مولکول آن از دو اتم اکسیژن ساخته شده است. اما در آب، اتم اکسیژن بخشی از مولکول $\mathrm{H_2O}$ است، نه یک مولکول آزاد گاز اکسیژن. اکسیژن در ساختار مولکول‌های زیستی مانند چربی‌ها و پروتئین‌ها هم وجود دارد.

ویژگی مهم دیگر، تمایل زیاد اکسیژن به واکنش است. زنگ‌زدن آهن و فساد مواد غذایی از پدیده‌هایی هستند که اکسیژن در آن‌ها نقش دارد. پس هنگام دیدن یک میخ زنگ‌زده، می‌توانی ردّ واکنش‌پذیری اکسیژن را پیدا کنی؛ واکنش با اکسیژن همیشه به شکل شعله و سوختنِ آشکار نیست.

برای بررسی وضعیت اکسیژن در ارتفاع‌های مختلف، باید داده‌ها را بخوانیم. در جدول کتاب، هر ارتفاع با یک فشار گاز اکسیژن همراه شده است. وقتی ارتفاع‌ها را از کم به زیاد دنبال می‌کنی، می‌بینی فشار اکسیژن کاهش می‌یابد. این همان نکته‌ای است که همراه‌بردن کپسول اکسیژن در صعودهای بلند را توضیح می‌دهد.

برای رسم نمودار، ارتفاع را روی محور افقی و فشار اکسیژن را روی محور عمودی قرار بده. هر جفت داده یک نقطه می‌سازد و روند کلی نمودار نزولی است. به ضریب $10^{-2}$ در عنوان سطر فشار هم توجه کن؛ عددهای جدول باید همراه این ضریب خوانده شوند. اگر ارتفاع دلخواه بین دو ارتفاع جدول باشد، می‌توان فشار را از بخش میان آن دو نقطه به‌طور تقریبی پیش‌بینی کرد. کاهش فشار را با ناپدیدشدن کامل اکسیژن اشتباه نگیر.

ردّ اکسیژن به هوا و آب محدود نیست؛ در سنگ‌کره هم آن را در ترکیب‌هایی به نام اکسید پیدا می‌کنیم. اکسید، ترکیبی از اکسیژن با یک عنصر دیگر است. آن عنصر می‌تواند فلز یا نافلز باشد. برای نمونه، کتاب از آلومینیم اکسید با فرمول $\mathrm{Al_2O_3}$ در بوکسیتِ ناخالص و از سیلیس با فرمول $\mathrm{SiO_2}$ نام می‌برد.

نکتهٔ مهم این است که یک عنصر لزوماً فقط یک اکسید ندارد. آهن می‌تواند اکسیدهایی با فرمول‌های $\mathrm{FeO}$ و $\mathrm{Fe_2O_3}$ بسازد. این‌ها عنصرهای سازندهٔ یکسان، اما نسبت اتمی متفاوت دارند؛ بنابراین دو ترکیب متفاوت‌اند. همچنین نباید نتیجه بگیری همهٔ فلزها در طبیعت فقط به صورت اکسید پیدا می‌شوند؛ کتاب طلا و پلاتین را نمونهٔ فلزهایی معرفی می‌کند که به حالت آزاد هم یافت می‌شوند.

اکسیژن فقط در هوای اطراف ما نیست؛ در سنگ‌ها هم به صورت ترکیب با عنصرهای دیگر وجود دارد. ترکیب اکسیژن با یک عنصر دیگر را اکسید می‌نامیم. برای نمونه، سیلیس با فرمول $\mathrm{SiO_2}$ در طبیعت یافت می‌شود و بوکسیت نیز دارای $\mathrm{Al_2O_3}$ همراه با ناخالصی است.

بعضی فلزها بیش از یک نوع اکسید می‌سازند. آهن در $\mathrm{FeO}$ به صورت کاتیون $\mathrm{Fe^{2+}}$ و در $\mathrm{Fe_2O_3}$ به صورت کاتیون $\mathrm{Fe^{3+}}$ حضور دارد. برای اینکه نام این دو را اشتباه نگیریم، می‌گوییم آهن $(\mathrm{II})$ اکسید و آهن $(\mathrm{III})$ اکسید.

عدد رومی داخل پرانتز، مقدار بار مثبت کاتیون را نشان می‌دهد، نه زیروند فرمول را. همین روش برای مس هم به کار می‌رود: $\mathrm{Cu_2O}$ مس $(\mathrm{I})$ اکسید و $\mathrm{CuO}$ مس $(\mathrm{II})$ اکسید است. برای فلزهای با بار ثابتِ این درس، مانند سدیم و منیزیم، عدد رومی لازم نیست.

نافلزها هم با اکسیژن ترکیب می‌شوند؛ کربن دی‌اکسیدِ موجود در هوای بازدم نمونه‌ای آشناست. برای نام‌گذاری ترکیب‌های مولکولیِ این بخش، به تعداد اتم‌ها نگاه می‌کنیم، نه بار کاتیون.

پیشوندهای لازم عبارت‌اند از: $1$ مونو، $2$ دی، $3$ تری، $4$ تترا، $5$ پنتا و $6$ هگزا. ابتدا پیشوند و نام عنصر سمت چپ فرمول را می‌گوییم؛ سپس پیشوند و نام عنصر دوم را با پایان مناسب «ید» می‌آوریم. برای اکسیژن، واژۀ «اکسید» به کار می‌رود. مثلاً $\mathrm{N_2O_4}$ را دی‌نیتروژن تترااکسید می‌نامیم.

یک نکته مهم: اگر از عنصر سمت چپ فقط یک اتم وجود داشته باشد، «مونو» را پیش از نام آن نمی‌گوییم؛ پس $\mathrm{CO}$ کربن مونوکسید است. این الگو فقط برای اکسیدها نیست؛ مثلاً $\mathrm{CCl_4}$ کربن تتراکلرید نام دارد. زیروندها را دقیق بخوان؛ آن‌ها راهنمای انتخاب پیشوندند.

فرمول مولکولی می‌گوید چه اتم‌هایی داریم؛ ساختار لوویس نشان می‌دهد الکترون‌های ظرفیت چگونه در پیوندها و اطراف اتم‌ها قرار می‌گیرند. هر خط پیوند، نشانۀ یک جفت الکترون مشترک است. جفت‌های ناپیوندی را با دو نقطه نشان می‌دهیم.

برای رسم، ابتدا مجموع الکترون‌های ظرفیت همۀ اتم‌ها را پیدا کن. سپس اتم مرکزی و اتم‌های کناری را مشخص کن و پیوندها را بکش. در مولکول‌های مورد بررسی این درس، معمولاً عنصر سمت چپ فرمول، به‌جز هیدروژن، اتم مرکزی است. هیدروژن فقط یک پیوند می‌سازد؛ اتم‌های گروه $17$ نیز وقتی کناری باشند، یک پیوند اشتراکی دارند.

در پایان، دو شرط را هم‌زمان بررسی کن: شمار الکترون‌های رسم‌شده با مجموع الکترون‌های ظرفیت برابر باشد و اطراف هر اتم هشت الکترون قرار بگیرد. هیدروژن استثناست و با دو الکترون پایدار می‌شود. اگر لازم شد، پیوند دوگانه یا سه‌گانه بساز. در حالت‌های مطرح‌شدۀ کتاب، وقتی اتم‌های کناری یکسان‌اند، پیوند دوگانه بر سه‌گانه مقدم است.

سوختن فقط مخصوص موادی مثل چوب و گاز نیست؛ بعضی عنصرهای فلزی و نافلزی هم در شرایط مناسب با اکسیژن می‌سوزند. در این واکنش‌ها ممکن است اکسید فلزی یا نافلزی تولید شود. پس از دیدن سوختن یک ماده، نباید فوری نتیجه بگیریم که آن ماده نافلز است.

در نمونه‌های کتاب، آهن، سدیم و منیزیم فلزند و می‌توانند هنگام سوختن، اکسید فلزی بسازند. گوگرد نافلز است و سوختن آن در اکسیژن، $\mathrm{SO_2}$ تولید می‌کند. از همین واکنش در صنعت، به عنوان یکی از مراحل تهیۀ سولفوریک‌اسید استفاده می‌شود.

بنابراین برای تشخیص نوع اکسید، به عنصرِ ترکیب‌شده با اکسیژن نگاه کن: فلز بوده یا نافلز؟ صرفِ سوختن، پاسخ این پرسش را مشخص نمی‌کند. این واکنش‌ها را نیز نباید بدون امکانات و نظارت مناسب آزمایش کرد.

شاید با شنیدن «سوختن» فقط یاد چوب، شمع یا گاز شهری بیفتی؛ اما بعضی فلزها هم در شرایط مناسب می‌سوزند. سوختن یعنی واکنش سریع یک ماده با اکسیژن که بخشی از انرژی شیمیایی آن به شکل گرما و نور آزاد می‌شود.

وقتی عنصری با اکسیژن ترکیب می‌شود، می‌تواند اکسید بسازد. اگر عنصر فلز باشد، فراورده اکسید فلزی است؛ اگر نافلز باشد، اکسید نافلزی به دست می‌آید. برای نمونه، منیزیم فلز است و اکسید فلزی می‌سازد؛ گوگرد نافلز است و هنگام سوختن، گوگرد دی‌اکسید با فرمول $\mathrm{SO_2}$ تولید می‌کند. پس سوختن فقط مخصوص سوخت‌های روزمره نیست.

حالا از سوختن عنصرها به سوخت‌های فسیلی برسیم. در اینجا فقط نام سوخت مهم نیست؛ مقدار اکسیژنی که به آن می‌رسد هم اهمیت دارد. با اکسیژن کافی، سوختن کامل انجام می‌شود و کربن دی‌اکسید، $\mathrm{CO_2}$، و بخار آب، $\mathrm{H_2O}$، تولید می‌شوند. اگر اکسیژن کم باشد، سوختن ناقص رخ می‌دهد و کربن مونوکسید، $\mathrm{CO}$، نیز همراه فراورده‌های دیگر تولید می‌شود.

در وسیلۀ گازسوز، شعلۀ زرد نشانۀ سوختن ناقص است و شعلۀ آبی نشان می‌دهد اکسیژن کافی به محیط واکنش می‌رسد. البته آبی‌بودن شعله جای بررسی دودکش و رعایت اصول ایمنی را نمی‌گیرد. همچنین سوخت‌هایی مانند زغال‌سنگ می‌توانند به‌دلیل ترکیباتشان، اکسیدهای دیگری مانند $\mathrm{SO_2}$ و $\mathrm{NO_2}$ هم تولید کنند.

کربن مونوکسید، $\mathrm{CO}$، بی‌رنگ، بی‌بو و بسیار سمّی است؛ بنابراین نبودن بو، دلیل امن‌بودن فضا نیست. چگالی این گاز از هوا کمتر است، اما به‌سرعت در محیط پخش می‌شود؛ پس نباید تصور کرد که فقط در بخش بالایی اتاق باقی می‌ماند.

خطر اصلی در خون رخ می‌دهد: میل ترکیبی هموگلوبین با این گاز بیش از دویست برابر اکسیژن است. اتصال آن به هموگلوبین، اکسیژن‌رسانی به بافت‌ها را مختل می‌کند و ممکن است توان اقدام‌کردن را هم از فرد بگیرد. برای پیشگیری، نصب و بررسی استاندارد وسیلۀ گرمایشی و دودکش، تأمین هوای لازم و استفاده از هشداردهندۀ کربن مونوکسید اهمیت دارند. حسگر وسیلۀ کمکی است، نه جایگزین دودکش سالم.

اکسیدها فقط فراورده‌های خطرناک سوختن نیستند؛ رفتارهای گوناگون آن‌ها، کاربردهای متفاوتی ایجاد می‌کند. یکی از نمونه‌های مهم، کلسیم‌اکسید یا آهک با فرمول $\mathrm{CaO}$ است. چون کلسیم فلز است، این ماده را در گروه اکسیدهای فلزی قرار می‌دهیم.

برخی کشاورزان آهک را به خاک اضافه می‌کنند، چون می‌تواند مقدار و نوع مواد معدنی در دسترس گیاه را تغییر دهد و به افزایش بهره‌وری کمک کند. کاربرد دیگر آن، کنترل میزان اسیدی‌بودن آب دریاچه‌هاست. نکتۀ اصلی این است که از روی نام کلی «اکسید» نمی‌توان رفتار همۀ این مواد را یکسان دانست؛ برای شناخت کاربرد هرکدام باید ویژگی‌های همان ماده را بررسی کرد.

اکسیدها ترکیب‌هایی از اکسیژن و یک عنصر دیگرند. اگر آن عنصر فلز باشد، با یک اکسید فلزی روبه‌رو هستیم؛ اگر نافلز باشد، اکسید نافلزی داریم. مثلاً کلسیم‌اکسید یا آهک، با فرمول $\mathrm{CaO}$، اکسید فلزی است.

این دسته‌بندی فقط یک نام‌گذاری نیست؛ به ما کمک می‌کند رفتار مواد را پیش‌بینی کنیم. کشاورزان گاهی آهک به خاک می‌افزایند تا شرایط دسترسی گیاه به مواد معدنی تغییر کند. از همین ماده برای کنترل اسیدی بودن آب برخی دریاچه‌ها هم استفاده می‌شود. پس شناخت رفتار یک اکسید می‌تواند به تصمیمی کاربردی در کشاورزی یا حفاظت از محیط‌زیست کمک کند؛ البته افزودن مواد به خاک و آب باید حساب‌شده باشد.

افزایش کربن‌دی‌اکسید محلول در آب، خاصیت اسیدی آب را بیشتر می‌کند و می‌تواند به مرجان‌ها آسیب بزند. آب گازدار هم نمونۀ آشنایی از حضور کربن‌دی‌اکسید در آب است. اگر کاغذ سنجش $\mathrm{pH}$ را به آن بزنیم، نتیجۀ سنجش نشان‌دهندۀ محیط اسیدی، یعنی $\mathrm{pH<7}$، خواهد بود. در مقابل، آب‌آهک محیط بازی با $\mathrm{pH>7}$ دارد. رنگ کاغذ را باید با راهنمای همان کاغذ مقایسه کنیم.

قاعدۀ کلی: اغلب اکسیدهای فلزی با آب، باز و اغلب اکسیدهای نافلزی با آب، اسید تولید می‌کنند؛ به همین دلیل، به‌ترتیب اکسیدهای بازی و اسیدی نامیده می‌شوند. واژۀ «اغلب» مهم است؛ این قاعده را نباید بدون استثنا بدانیم.

بر این اساس، برای $\mathrm{MgO}$ و $\mathrm{Na_2O}$ رفتار بازی و برای $\mathrm{SO_2}$ و $\mathrm{CO_2}$ رفتار اسیدی پیش‌بینی می‌کنیم. در هوای آلوده نیز اکسیدهای نیتروژن و گوگرددی‌اکسید می‌توانند در تشکیل باران اسیدی و آسیب به محیط‌زیست نقش داشته باشند.

برای ثبت دقیق یک تغییر شیمیایی از معادلۀ واکنش استفاده می‌کنیم: مواد آغازین یا واکنش‌دهنده‌ها در چپ پیکان و مواد تازه یا فراورده‌ها در راست آن قرار می‌گیرند. در معادلۀ نوشتاری، نام مواد را می‌نویسیم؛ در معادلۀ نمادی، فرمول آن‌ها را به کار می‌بریم. مثلاً سوختن کربن چنین نمایش داده می‌شود:

$\mathrm{C(s)+O_2(g)\longrightarrow CO_2(g)}$

نمادهای $\mathrm{(s)}$، $\mathrm{(l)}$، $\mathrm{(g)}$ و $\mathrm{(aq)}$ به‌ترتیب جامد، مایع، گاز و محلول آبی را نشان می‌دهند. بنابراین در این واکنش، کربن جامد است و دو مادۀ دیگر گازند. شرایط واکنش هم می‌تواند روی پیکان بیاید؛ مثلاً $\mathrm{Pt(s)}$ روی پیکانِ واکنش هیدروژن و اکسیژن، حضور کاتالیزگر پلاتین را نشان می‌دهد، نه تولید پلاتین را.

این معادله‌ها باید با پایستگی جرم سازگار باشند: مجموع جرم واکنش‌دهنده‌های مصرف‌شده با مجموع جرم فراورده‌های حاصل برابر است. اتم‌ها در واکنش بازآرایی می‌شوند، نه اینکه ناپدید شوند. اگر گاز از ظرف باز خارج شود، ممکن است ترازو جرم کمتری نشان دهد؛ اما جرم گاز خارج‌شده هم بخشی از حساب ماست.

وقتی ماده‌ای می‌سوزد یا غذایی فاسد می‌شود، مواد تازه‌ای پدید می‌آیند. برای نمایش هر واکنش، واکنش‌دهنده‌ها را سمت چپ و فراورده‌ها را سمت راست پیکان می‌نویسیم؛ پیکان یعنی «تولید می‌کند».

معادلهٔ نوشتاری از نام مواد استفاده می‌کند، اما معادلهٔ نمادی فرمول آن‌ها را نشان می‌دهد. مثلاً سوختن کربن را می‌توان چنین نوشت: $\mathrm{C(s)+O_2(g)\rightarrow CO_2(g)}$.

نشانه‌های $\mathrm{(s)}$، $\mathrm{(l)}$، $\mathrm{(g)}$ و $\mathrm{(aq)}$ به‌ترتیب جامد، مایع، گاز و محلول آبی را مشخص می‌کنند. پس رسوب را جامد، مذاب را مایع و بخار را گاز نشان می‌دهیم. بالای پیکان هم می‌توان شرایط واکنش را نوشت: $\Delta$ نشانهٔ گرم‌کردن است؛ دما، فشار یا نماد کاتالیزگر نیز می‌تواند آنجا بیاید. بنابراین معادلهٔ نمادی فقط نام مواد را نمی‌گوید؛ اطلاعات بیشتری هم به ما می‌دهد.

قانون پایستگی جرم می‌گوید جرم کل مواد پیش از واکنش با جرم کل مواد پس از آن برابر است. برای استفاده از این قانون، باید همهٔ مواد را در نظر بگیریم؛ حتی گازی که دیده نمی‌شود یا از ظرف بیرون می‌رود.

فرض کن در یک ظرف باز واکنشی انجام می‌شود و گاز تولیدشده بیرون می‌رود. ترازو ممکن است جرم کمتری نشان دهد، اما این به معنی نابودشدن جرم نیست؛ بخشی از مواد دیگر روی ترازو نیستند. برعکس، هنگام زنگ‌زدن میخ، موادی از محیط به آن افزوده می‌شوند. اگر ظرف بسته باشد و ماده‌ای وارد یا خارج نشود، جرم کل ظرف و محتویاتش پیش و پس از واکنش یکسان می‌ماند.

چرا جرم در واکنش شیمیایی پایسته می‌ماند؟ چون اتم‌ها ساخته یا نابود نمی‌شوند؛ فقط شیوهٔ اتصالشان تغییر می‌کند. مانند قطعه‌های ساختنی که با همان قطعه‌ها می‌توان شکل تازه‌ای ساخت، اتم‌های مواد اولیه هم با آرایش تازه، فراورده‌ها را می‌سازند.

پس در یک معادلهٔ درست، شمار اتم‌های هر عنصر باید در دو طرف برابر باشد. به برقرارکردن این برابری، موازنه‌کردن می‌گوییم. هنگام موازنه، ضریب جلوی فرمول را تغییر می‌دهیم، نه زیروند داخل فرمول را؛ چون عوض‌کردن زیروند، هویت ماده را تغییر می‌دهد. مثلاً $\mathrm{H_2O}$ و $\mathrm{H_2O_2}$ دو مادهٔ متفاوت‌اند. ضریب جلوی فرمول بر همهٔ اتم‌های آن اثر می‌گذارد، نه فقط بر نخستین عنصر.

برای فهمیدن موازنه، واکنش را مثل بازکردن و دوباره ساختن یک سازه با قطعه‌های اسباب‌بازی تصور کن. قطعه‌ها گم یا ساخته نمی‌شوند؛ فقط آرایش آن‌ها عوض می‌شود. در واکنش شیمیایی هم اتم‌ها با پیوندهای تازه، مواد تازه‌ای می‌سازند.

پس باید شمار اتم‌های هر عنصر، جداگانه، در دو سوی معادله برابر باشد. برابر بودن مجموع همهٔ اتم‌ها کافی نیست؛ مثلاً کمبود اکسیژن را نمی‌توان با زیادبودن هیدروژن جبران کرد!

این برابری با پایستگی جرم ارتباط دارد. اگر گازی وارد ظرف شود یا از آن خارج شود، جرم مواد داخل ظرف ممکن است تغییر کند؛ برای بررسی پایستگی جرم باید آن گاز را هم حساب کنیم. در نوشتن معادله، پیکان $\rightarrow$ یعنی «تولید می‌کند» و نشانهٔ $\Delta$ بالای پیکان، گرم‌کردن را نشان می‌دهد.

معادلهٔ نمادی، نام مواد را با فرمول نشان می‌دهد؛ اما ممکن است هنوز شمار اتم‌ها در دو طرف آن برابر نباشد. برای موازنه، ضریب جلوی فرمول‌ها را تنظیم می‌کنیم. ضریب در شمار همهٔ اتم‌های آن فرمول اثر دارد؛ درست مثل تعداد بسته‌های یکسان که تعداد همهٔ محتویات را چند برابر می‌کند.

مثلاً در $\mathrm{3H_2O}$، سه مولکول آب داریم و هرکدام شامل دو اتم هیدروژن و یک اتم اکسیژن است. برای شمردن اتم‌ها باید ضریب را در زیروند همان عنصر ضرب کنی؛ زیروندِ نوشته‌نشده، یک است.

در روش «وارسی»، اغلب به ترکیبی که بیشترین شمار اتم را دارد ضریب یک می‌دهیم و ضرایب بقیه را با شمردن اتم‌ها پیدا می‌کنیم. در سوختن هیدروکربن‌ها، معمولاً اول کربن، بعد هیدروژن و در پایان اکسیژن را تنظیم می‌کنیم. پس از هر تغییر، اتم‌ها را دوباره بررسی کن؛ ضریب جدید ممکن است روی چند عنصر اثر بگذارد.

هنگام موازنه، هویت مواد باید ثابت بماند. زیروند بخشی از فرمول ماده است؛ مثلاً $\mathrm{H_2O}$ و $\mathrm{H_2O_2}$ دو مادهٔ متفاوت‌اند. پس تغییر زیروند، راه موازنه نیست؛ مانند این است که برای برابرکردن تعداد بسته‌ها، محتویات هر بسته را عوض کنی!

در میانهٔ کار می‌توانی ضریب کسری داشته باشی، اما در پاسخ نهایی باید همهٔ ضرایب، کوچک‌ترین عددهای طبیعی ممکن باشند. برای حذف کسرها، همهٔ ضرایب را در عدد مناسبی ضرب کن، نه فقط ضریب کسری را. اگر همهٔ ضرایب عامل مشترک دارند، آن‌ها را ساده کن. نوشتن ضریب یک هم لازم نیست.

ضرایب، نسبت تعداد مولکول‌ها و نیز نسبت مقدار مواد برحسب مول را نشان می‌دهند. مثلاً در $\mathrm{2H_2(g)+O_2(g)\rightarrow2H_2O(g)}$، دو مول هیدروژن با یک مول اکسیژن واکنش می‌دهد و دو مول بخار آب تولید می‌کند؛ این نسبت، نسبت جرم‌ها نیست.

ردپا در این درس یعنی اثری که فعالیت‌های ما بر محیط می‌گذارند، نه جای کفش روی زمین! ردپای کربن دی‌اکسید نشان می‌دهد هنگام تولید یک محصول یا انجام یک فعالیت، چه مقدار از این گاز وارد هواکره می‌شود. رفت‌وآمد، گرم‌کردن خانه و مصرف برق می‌توانند در این ردپا سهم داشته باشند.

گیاهان و پدیده‌های طبیعی بخشی از کربن دی‌اکسید را مصرف می‌کنند. هرچه مقدار گازِ واردشده بیشتر باشد، تعدیل اثر آن به زمان بیشتری نیاز دارد. همچنین هوا در مرز شهرها متوقف نمی‌شود؛ گازها جابه‌جا می‌شوند و اثر رفتار ما می‌تواند به جاهای دیگر برسد. سوزاندن سوخت‌های فسیلی، افزون بر کربن دی‌اکسید، آلاینده‌های زیان‌آور دیگری هم تولید می‌کند؛ پس مسئله فقط تغییر ترکیب هوا نیست، سلامت انسان‌ها هم مهم است.

برای مقایسهٔ ردپای مصرف برق، فقط مقدار مصرف کافی نیست؛ منبع تولید برق هم اهمیت دارد. در جدول کتاب، به ازای هر $1\,\text{کیلووات‌ساعت}$ برق، مقدار انتشار برحسب $\text{کیلوگرم}$ برای زغال‌سنگ $0.9$، نفت خام $0.7$، گاز طبیعی $0.36$، باد $0.01$، گرمای زمین $0.03$ و انرژی خورشید $0.05$ در نظر گرفته شده است. پس برای مصرف برابر، زغال‌سنگ بیشترین و باد کمترین مقدار را در این جدول دارند.

این تفاوت به روش تولید برق و میزان وابستگی آن به سوزاندن سوخت مربوط است. کم‌بودن ضریب منابعی مانند باد، به معنای صفر بودن ردپای تمام مراحل ساخت و استفاده از تجهیزات نیست.

روش حساب ساده است: مصرف سالانه را در ضریب منبع ضرب کن. برای میانگین ماهانه، نتیجه را بر $12$ تقسیم کن. برای برآورد شمار درختان نیز مصرف سالانهٔ هر درخت تنومند را حدود $50\,\text{کیلوگرم}$ در نظر بگیر.

چطور می‌فهمیم زمین گرم‌تر شده است؟ دانشمندان تنها به هوای یک روز یا یک شهر نگاه نمی‌کنند. آن‌ها با ابزارهایی مانند ماهواره‌ها، بالون‌های هواشناسی و شناورهای مجهز به حسگر، دما را در نقاط گوناگون زمین پیوسته اندازه می‌گیرند. شواهدِ سدۀ گذشته افزایش میانگین دمای زمین را نشان می‌دهند.

در روندهای مطرح‌شده در درس، همراه با افزایش کربن دی‌اکسید، میانگین دما و سطح آب‌های آزاد افزایش یافته و مساحت پوشش برف در نیمکرهٔ شمالی کاهش پیدا کرده است. گرم‌ترشدن هوا می‌تواند باعث زودتر آب‌شدن برف و آغاز زودتر شرایط بهاری شود. دقت کن: «میانگین دمای زمین» با «دمای امروز محلهٔ ما» یکی نیست؛ یک روز سرد، روند بلندمدت گرم‌شدن را رد نمی‌کند.

یک گلخانه کمک می‌کند گیاهان در فصل سرد هم شرایط مناسب‌تری داشته باشند. پوشش شفاف آن اجازه می‌دهد نور وارد شود و به گرم‌ماندن فضای درون کمک می‌کند. بنابراین در یک روز زمستانی، انتظار داریم دمای درون گلخانه معمولاً از بیرون بیشتر باشد.

برای ورود به بحث اثر گلخانه‌ای زمین، اول مسیر انرژی را دنبال کن: بخشی از نور خورشید پس از گذشتن از هواکره به سطح زمین می‌رسد و آن را گرم می‌کند. سطح گرم زمین نیز از خود پرتوهای الکترومغناطیسی گسیل می‌کند؛ پس زمین فقط دریافت‌کنندهٔ انرژی نیست، انرژی هم به بیرون می‌فرستد. تشبیه گلخانه برای فکرکردن به گرم‌ماندن مفید است، اما نباید تصور کنیم دور زمین هم یک پوشش پلاستیکی واقعی وجود دارد!

شاید در زمستان خیار یا گوجه‌فرنگیِ گلخانه‌ای خریده باشی. در گلخانه، یک پوشش شفاف کمک می‌کند محیط مناسب‌تری برای رشد گیاه فراهم شود. نور خورشید از پوشش می‌گذرد و خاک و بخش‌های درون گلخانه را گرم می‌کند. پوشش همچنین جابه‌جایی آزاد هوای گرم با هوای سرد بیرون را محدود می‌کند؛ بنابراین درون گلخانه می‌تواند از بیرون گرم‌تر بماند.

برای مقایسهٔ دمای داخل و بیرون، باید دمای هر دو را در یک زمان یکسان بررسی کنیم. در نمودار یک روز سرد، منحنی‌ای که دمای بالاتری نشان می‌دهد معمولاً مربوط به درون گلخانه است. این مثال کمک می‌کند بفهمیم وجود یک پوشش چگونه بر دمای محیط اثر می‌گذارد؛ البته سازوکار گلخانه و هواکره کاملاً یکسان نیست.

حالا از گلخانه به زمین نگاه کنیم. همهٔ نور خورشید به سطح زمین نمی‌رسد؛ بخشی از آن در مسیر عبور از هواکره با مولکول‌ها و ذره‌ها برهم‌کنش می‌کند. سطح زمین بخشی از تابشی را که به آن رسیده است جذب می‌کند و گرم می‌شود. مثل آسفالتی که زیر آفتاب داغ می‌شود، سطح زمین هم انرژی می‌گیرد.

زمینِ گرم نیز از خود پرتوهای الکترومغناطیسی گسیل می‌کند. نکتهٔ مهم این است که تابش گسیل‌شده از زمین، با تابش ورودی خورشید یکسان نیست: انرژی پرتوهای آن کمتر و طول موجشان بلندتر است. پس نباید گسیل تابش از زمین را فقط بازتاب سادهٔ همان نور ورودی بدانیم؛ زمین پس از جذب انرژی، خودش تابش می‌کند.

بخشی از تابش با طول موج بلند که از زمین خارج می‌شود، با گازهایی مانند کربن‌دی‌اکسید، $\mathrm{CO_2}$، و بخار آب، $\mathrm{H_2O}$، برهم‌کنش می‌کند. این گازها بخشی از تابش را جذب می‌کنند و دوباره در جهت‌های گوناگون، از جمله به سوی زمین، گسیل می‌کنند. در نتیجه، خروج انرژی به فضا کاهش می‌یابد و زمین گرم‌تر می‌ماند؛ این همان اثر گلخانه‌ای است.

وجود طبیعی این اثر برای گرم ماندن زمین اهمیت دارد، اما بیشترشدن گازهای گلخانه‌ای می‌تواند آن را تقویت کند. بنابراین باید بین «اثر گلخانه‌ای طبیعی» و «تشدید اثر گلخانه‌ای» فرق بگذاریم. گرم‌ترشدن هوا می‌تواند باعث شود شرایط دمایی مناسب بهار زودتر فراهم شود؛ به همین دلیل، آغاز زودتر بهار می‌تواند یکی از نشانه‌های گرم‌شدن زمین باشد.

شیمی سبز می‌خواهد زندگی بهتر و محافظت از طبیعت را هم‌زمان دنبال کند. پس فقط به کاربرد یک ماده نگاه نمی‌کنیم؛ می‌پرسیم تولید و مصرف آن چه اثری بر محیط می‌گذارد و چگونه می‌توان این اثر را کمتر کرد.

یکی از راه‌ها، استفاده از سوخت سبز است. این سوخت‌ها از منابع گیاهی، مانند پسماند شاخ‌وبرگ سویا و نیشکر یا دانه‌های روغنی، به دست می‌آیند. در ساختارشان علاوه بر کربن و هیدروژن، اکسیژن هم وجود دارد. اتانول و روغن‌های گیاهی از نمونه‌های آن هستند. این مواد زیست‌تخریب‌پذیرند؛ یعنی جانداران ذره‌بینی می‌توانند آن‌ها را به مواد ساده‌تر تجزیه کنند. دقت کن: «سبز» نام یک رویکرد محیط‌زیستی است، نه رنگ سوخت!

راه دیگر این است که کربن‌دی‌اکسید تولیدشده در صنعت را به جای رهاکردن، وارد یک واکنش شیمیایی کنیم. با واکنش این گاز با کلسیم اکسید یا منیزیم اکسید، یک کربنات جامد تشکیل می‌شود:

$\mathrm{CO_2(g)+CaO(s)\rightarrow CaCO_3(s)}$

$\mathrm{CO_2(g)+MgO(s)\rightarrow MgCO_3(s)}$

در این رابطه‌ها، $\mathrm{g}$ نشانۀ حالت گازی و $\mathrm{s}$ نشانۀ حالت جامد است. نکتهٔ اصلی، تبدیل گاز به یک مادۀ معدنی جامد است؛ کربن از بین نمی‌رود، بلکه در ترکیب دیگری قرار می‌گیرد. بنابراین، این روش با جمع‌کردن سادهٔ گاز در یک مخزن فرق دارد: اینجا مادۀ تازه‌ای ساخته می‌شود.

شیمی سبز فقط به سوخت و گازها مربوط نیست؛ جنس وسایلی که مصرف می‌کنیم هم مهم است. پلاستیک‌های سبز، پلیمرهایی هستند که مادۀ پایۀ آن‌ها گیاهی است؛ برای نمونه، می‌توان از نشاسته برای ساخت آن‌ها استفاده کرد. در ساختار این پلاستیک‌ها اکسیژن نیز وجود دارد.

ویژگی مهم این گروه، زیست‌تخریب‌پذیری و تجزیه‌شدن در زمان نسبتاً کوتاه است. برای تصور موضوع، دو بسته‌بندی با کاربرد مشابه را مقایسه کن: تنها کاربردشان مهم نیست؛ سرنوشت آن‌ها پس از مصرف نیز اهمیت دارد. البته صرف دیدن اکسیژن در فرمول یک ماده کافی نیست که آن را پلاستیک سبز بنامیم؛ باید منشأ و ویژگی تجزیه‌پذیری آن را هم بشناسیم.

برای جلوگیری از ورود کربن‌دی‌اکسید به هواکره، همیشه لازم نیست آن را به مادۀ دیگری تبدیل کنیم. یک راه دیگر، انتقال گاز به مکان‌های عمیق و امن زیر زمین و نگهداری آن در آنجاست. به این روش، دفن کربن‌دی‌اکسید می‌گویند.

سنگ‌های متخلخل زیرزمینی، میدان‌های قدیمی گاز و چاه‌های قدیمی نفت که خالی شده‌اند، از مکان‌های مطرح‌شده برای این کار هستند. «متخلخل» یعنی سنگ فضاهای خالی دارد. بااین‌حال، وجود فضای خالی به‌تنهایی کافی نیست؛ عمق و ایمنی محل نگهداری هم مهم‌اند. تفاوت اصلی را به خاطر بسپار: در روش معدنی‌کردن، واکنش شیمیایی رخ می‌دهد؛ در دفن، هدف ذخیره‌سازی گاز و جلوگیری از رهاشدن آن در هواست.

چطور میان روش‌های مختلف انتخاب کنیم؟ در توسعۀ پایدار، فقط پولی که کارخانه برای تولید می‌پردازد مهم نیست؛ هزینه‌های اقتصادی، اجتماعی و زیست‌محیطی را با هم می‌سنجیم. پس ممکن است پلاستیکی گران‌تر تولید شود، اما تجزیه‌پذیری آن دلیل مهمی برای انتخابش باشد.

شیمی سبز همچنین به کاهش مواد خطرناک و پسماندها توجه دارد. یکی از اصول آن، «اقتصاد اتمی» است که با تکیه بر پایستگی جرم، کاهش پسماند واکنش‌ها را دنبال می‌کند. کتاب برای نمونه از روش تازهٔ تولید ایبوپروفن می‌گوید که مواد اولیۀ کمتری مصرف می‌کند و پسماندهایش بازیافت یا به فراورده‌های جانبی سودمند تبدیل می‌شوند. بنابراین، بهترکردن روش تولید هم به اندازۀ انتخاب مادۀ اولیه اهمیت دارد.

اکسیژن هوا را معمولاً با مولکول دو اتمی $\mathrm{O_2}$ می‌شناسیم؛ اما همین عنصر می‌تواند مولکول سه اتمی $\mathrm{O_3}$، یعنی اوزون، بسازد. به شکل‌های مولکولی یا بلوری متفاوت یک عنصر، دگرشکل می‌گوییم. پس اوزون عنصر تازه‌ای نیست؛ آرایش دیگری از اتم‌های اکسیژن است.

در ساختار لوویس اکسیژن، دو اتم با پیوند دوگانه متصل‌اند و هر اتم دو جفت‌الکترون ناپیوندی دارد. در نمایش سادهٔ لوویس اوزون، یک پیوند یگانه و یک پیوند دوگانه رسم می‌شود؛ در مجموع سه جفت‌الکترون پیوندی داریم.

این تفاوت ساختار با تفاوت خواص همراه است: جرم مولی اکسیژن $32\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$ و اوزون $48\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$ است. نقطهٔ جوش آن‌ها هم به‌ترتیب $-183\,\mathrm{^\circ C}$ و $-112\,\mathrm{^\circ C}$ است؛ بنابراین اوزون نقطهٔ جوش بالاتری دارد. یکسان بودن نوع اتم‌ها، یکسان بودن خواص را تضمین نمی‌کند.

در استراتوسفر، اوزون با دریافت تابش پرانرژی فرابنفش به مولکول اکسیژن و اتم اکسیژن تبدیل می‌شود. این ذره‌ها می‌توانند دوباره اوزون بسازند؛ هنگام این بازسازی، انرژی به صورت تابش کم‌انرژی‌تر فروسرخ آزاد می‌شود. تکرار این چرخه به حفاظت از جانداران کمک می‌کند.

نمایش کلی تبدیل‌ها چنین است: $2\mathrm{O_3(g)}\rightleftharpoons3\mathrm{O_2(g)}$. پیکان دوطرفه یعنی تبدیل در هر دو جهت امکان‌پذیر است؛ چنین واکنشی برگشت‌پذیر است. بازسازی اوزون از تمام شدن آن جلوگیری می‌کند. اگر فقط تجزیه ادامه پیدا کند، این پوشش محافظ از دست می‌رود. در واکنش برگشت‌ناپذیر، مانند سوختن کاغذ در شرایط معمول، فراورده‌ها با واکنش معکوس به مادهٔ اولیه برنمی‌گردند.

اوزون واکنش‌پذیرتر از اکسیژن است و برای گندزدایی کاربرد دارد، اما در تروپوسفر به چشم و ریه آسیب می‌زند. در موتور داغ خودرو، نیتروژن و اکسیژن به اکسیدهای نیتروژن تبدیل می‌شوند. سپس در هوای آلوده و زیر نور خورشید، واکنش $\mathrm{NO_2(g)+O_2(g)\xrightarrow{نور\ خورشید}NO(g)+O_3(g)}$ می‌تواند اوزون بسازد. پس اوزون محافظِ بالای جو را نباید با اوزون زیان‌آورِ هوای تنفسی یکسان ارزیابی کرد.

وقتی بوی گلاب از گوشهٔ اتاق به تو می‌رسد، مولکول‌های آن در هوا پخش شده‌اند. ذره‌های گاز پیوسته حرکت می‌کنند و در فضای در دسترس پخش می‌شوند؛ بنابراین گاز نه شکل ثابتی دارد و نه حجم مستقلی از ظرف.

اگر راه میان دو محفظه را باز کنیم، گاز به محفظهٔ دوم هم وارد می‌شود. در پایان، حجم نمونهٔ گاز همان کل فضای در دسترس آن است، نه فقط فضای محفظهٔ اولیه.

بین ذره‌های گاز فاصلهٔ زیادی وجود دارد؛ به همین دلیل می‌توان گاز را فشرده کرد. وقتی پیستون یک سرنگِ بسته را فشار می‌دهی، فاصلهٔ ذره‌ها کمتر و حجم گاز کوچک‌تر می‌شود. در این فرایند، خود مولکول‌ها کوچک نمی‌شوند و اگر گازی خارج نشود، تعدادشان هم تغییر نمی‌کند.

برای پیش‌بینی حجم گاز، باید مقدار، دما و فشار آن را بدانیم. برای بررسی اثر هر کدام، دو عامل دیگر را ثابت نگه می‌داریم؛ وگرنه نمی‌توانیم تغییر حجم را فقط به یک عامل نسبت بدهیم.

اگر مقدار و دما ثابت باشند، فشار بیشتر گاز را فشرده‌تر می‌کند و حجم کاهش می‌یابد. اگر مقدار و فشار ثابت باشند، گرم کردن گاز باعث افزایش حجم می‌شود؛ ذره‌های پرتحرک‌تر پیستون متحرک را به بیرون می‌رانند تا فشار با فشار بیرون برابر بماند.

اگر دما و فشار ثابت باشند، افزودن گاز حجم بیشتری می‌طلبد. مثلاً با وارد کردن هوای بیشتر به یک محفظهٔ دارای پیستون روان، پیستون بالاتر می‌رود. پس پیش از هر مقایسه بپرس: «کدام عامل تغییر کرده و کدام‌ها ثابت مانده‌اند؟»

برای مقایسهٔ نمونه‌های گاز، داشتن یک دما و فشار مرجع کمک بزرگی است. در این کتاب، شرایط استاندارد یا $\mathrm{STP}$ یعنی دمای $0\,\mathrm{^\circ C}$ و فشار $1\,\mathrm{atm}$.

در این شرایط، هر $1\,\mathrm{mol}$ گاز حجمی برابر $22.4\,\mathrm{L}$ دارد. بنابراین می‌توان نوشت: $V=n\times22.4\,\mathrm{L\,mol^{-1}}$، که در آن $n$ شمار مول است. این مقدار حجم مولی را فقط با توجه به شرط $\mathrm{STP}$ به کار می‌بریم.

طبق قانون آووگادرو، در دما و فشار یکسان، مقدارهای مولی برابر از گازهای مختلف، حجم‌های برابر دارند. این به معنی برابر بودن جرم آن‌ها نیست؛ مثلاً جرم مولی هلیم و اکسیژن متفاوت است. برای تبدیل جرم به حجم، ابتدا با رابطهٔ $n=\frac{m}{M}$ جرم را به مول تبدیل کن و سپس حجم را به دست بیاور.

معادلۀ موازنه‌شده فقط نام مواد را نشان نمی‌دهد؛ یک «دستور ساخت با نسبت مشخص» هم هست. برای نمونه، در واکنش زیر:

$2\mathrm{SO_2(g)}+\mathrm{O_2(g)}\rightarrow2\mathrm{SO_3(g)}$

به ازای هر $2\,\mathrm{mol}$ گوگرد تری‌اکسید، $1\,\mathrm{mol}$ اکسیژن مصرف می‌شود. عدد جلوی هر ماده، ضریب استوکیومتری آن است؛ ضریب نوشته‌نشدۀ اکسیژن هم یک است. این ضرایب نسبت مول‌ها را می‌دهند، نه نسبت جرم‌ها را.

از نسبت ضرایب، عامل تبدیل می‌سازیم. اگر مول گوگرد تری‌اکسید معلوم و مول اکسیژن خواسته شده باشد، مول مادۀ معلوم را در مخرج می‌گذاریم تا حذف شود:

$\frac{1\,\mathrm{mol\,O_2}}{2\,\mathrm{mol\,SO_3}}$

پس جهت کسر را با توجه به «داده» و «خواسته» انتخاب می‌کنیم، نه از روی حفظ کردن.

در مسئله‌های صنعتی، داده همیشه برحسب مول نیست؛ ممکن است حجم یک گاز یا جرم یک ماده را بدانیم. استوکیومتری کمک می‌کند این داده را به مقدار مادۀ دیگری در واکنش ارتباط دهیم. مسیر مطمئن این است: «مقدار مادۀ معلوم ← مول آن ماده ← مول مادۀ خواسته‌شده ← مقدار نهایی».

برای گاز در $\mathrm{STP}$، حجم مولی برابر $22.4\,\mathrm{L\,mol^{-1}}$ است؛ پس برای تبدیل حجم به مول از عامل $\frac{1\,\mathrm{mol}}{22.4\,\mathrm{L}}$ استفاده می‌کنیم. برای تبدیل مول به جرم، مول را در جرم مولی ضرب می‌کنیم.

نکتۀ کلیدی این است که تغییر نوع ماده فقط در پلِ نسبت مولی واکنش انجام می‌شود. تبدیل حجم به مول یا مول به جرم، نوع ماده را عوض نمی‌کند. در هر گام هم یکا و نام مادۀ قبلی باید حذف شود.

نیتروژن فراوان‌ترین گاز هواکره است، اما در مقایسه با اکسیژن واکنش‌پذیری بسیار کمتری دارد. در شرایط توصیف‌شدۀ کتاب، مخلوط هیدروژن و اکسیژن با جرقه یا کاتالیزگر به‌شدت واکنش می‌دهد؛ ولی برای مخلوط نیتروژن و هیدروژن، همین کار کافی نیست.

این ویژگی کاربرد دارد: هرجا حضور اکسیژن باعث تغییر شیمیایی ناخواسته شود، می‌توان از محیط غنی از نیتروژن استفاده کرد. مثلاً جایگزینی هوا با نیتروژن در تایر، سهم اکسیژن را کاهش می‌دهد و به کاهش تغییرهای شیمیایی ناشی از آن کمک می‌کند.

اما عبارت جوّ بی‌اثر را مطلق نخوان! منظور، واکنش‌پذیری کم نیتروژن در این کاربردهاست؛ نه اینکه نیتروژن در هیچ شرایطی نتواند ترکیب بسازد.

آمونیاک یکی از ترکیب‌های مهمی است که از نیتروژن تهیه می‌شود و در کشاورزی نیز کاربرد دارد. هابر برای تولید آن، واکنش نیتروژن و هیدروژن را بررسی کرد:

$\mathrm{N_2(g)}+3\mathrm{H_2(g)}\xrightarrow{\text{شرایط بهینه}}2\mathrm{NH_3(g)}$

در اینجا دو پرسش متفاوت داریم: واکنش چگونه عملی می‌شود؟ و چه مقدار ماده لازم دارد؟ پاسخ پرسش اول به شرایط مناسب انجام واکنش مربوط است؛ بزرگ‌ترین مسئلۀ هابر هم همین بود. جزئیات این شرایط را در شیمی سال‌های بعد می‌خوانی.

پاسخ پرسش دوم از ضرایب به دست می‌آید: به ازای هر یک مول نیتروژن، سه مول هیدروژن مصرف می‌شود و دو مول آمونیاک تولید می‌شود. در محاسبات ساده، وقتی تبدیل کامل و کافی بودن واکنش‌دهندۀ دیگر فرض شده باشد، از همین نسبت‌ها استفاده می‌کنیم.

در این مرور، اول از خودت بپرس: اتم‌ها و الکترون‌ها چه وضعی دارند؟ در ساختار لوویس $\mathrm{NOCl}$، نیتروژن اتم مرکزی است؛ با اکسیژن پیوند دوگانه و با کلر پیوند یگانه دارد. نیتروژن یک، اکسیژن دو و کلر سه جفت‌الکترون ناپیوندی دارند. با شمردن الکترون‌های پیوندی و ناپیوندی، اطراف هر اتم هشت الکترون می‌بینی.

در واکنش شیمیایی، اتم‌ها فقط بازآرایی می‌شوند؛ پس جرم کل واکنش‌دهنده‌ها و فراورده‌ها برابر است. اگر گازی از ظرف باز بیرون برود، کاهش جرمِ داخل ظرف به معنی نقض این قانون نیست.

دو یادآوری دیگر: $\mathrm{SO_3}$ با آب اسید می‌سازد، اما $\mathrm{CaO}$ با آب باز می‌سازد. همچنین در دما و حجم ثابت، افزایش شمار مولکول‌های گاز، برخورد آن‌ها با دیواره و در نتیجه فشار را بیشتر می‌کند.

موازنه یعنی شمار اتم‌های هر عنصر در دو طرف برابر باشد. برای این کار فقط ضریب جلوی فرمول‌ها را تغییر بده؛ زیروندها بخشی از هویت ماده‌اند. معمولاً بهتر است از عنصری شروع کنی که در هر طرف فقط در یک ماده دیده می‌شود و در پایان همهٔ اتم‌ها را دوباره بشماری. کوچک‌ترین ضرایب صحیح را بنویس.

در نام‌گذاری، ابتدا تشخیص بده ترکیب مولکولی است یا یونی. در ترکیب‌های مولکولی، پیشوندها شمار اتم‌ها را نشان می‌دهند: $\mathrm{NO}$ نیتروژن مونوکسید، $\mathrm{NCl_3}$ نیتروژن تری‌کلرید، $\mathrm{OF_2}$ اکسیژن دی‌فلوئورید و $\mathrm{SiO_2}$ سیلیسیم دی‌اکسید است.

در ترکیب یونی، بارها باید همدیگر را خنثی کنند. $\mathrm{FeBr_2}$ آهن(II) برمید است و کروم(III) فلوئورید فرمول $\mathrm{CrF_3}$ دارد. عدد رومی، بار کاتیون فلزی را مشخص می‌کند، نه تعداد اتم‌های فلز را.

مسئله‌های آمونیاک، آب حاصل از چربی و استخراج آهن، ظاهر متفاوتی دارند؛ اما مسیر حلشان یکی است: مقدار داده‌شده ← مول مادهٔ معلوم ← مول مادهٔ خواسته‌شده ← مقدار خواسته‌شده.

برای تبدیل جرم به مول از $n=\frac{m}{M}$ استفاده کن؛ $m$ جرم و $M$ جرم مولی است. سپس نسبت ضرایبِ معادلهٔ موازنه‌شده را به کار ببر. این نسبت، نسبت مول‌هاست؛ نه نسبت مستقیم جرم‌ها.

اگر حجم گاز در شرایط $\mathrm{STP}$ خواسته شد، هر مول گاز را برابر $22.4\,\mathrm{L}$ بگیر. برای حجم‌های صنعتی نیز به یاد داشته باش که $1\,\mathrm{m^3}=1000\,\mathrm{L}$ است.

در مسئلهٔ چربی کوهان، اکسیژن هم در ساخت آب سهم دارد؛ پس جرم آب را فقط با جرم هیدروژن موجود در چربی مقایسه نکن. در مسئلهٔ آهن نیز پیش از هر تبدیل، واکنش استخراج را موازنه کن.

نوع فراورده‌های سوختن به مقدار اکسیژن در دسترس بستگی دارد. در سوختن کامل متان یا اتانول، فراورده‌های کربن‌دار و هیدروژن‌دار به‌ترتیب کربن دی‌اکسید و آب هستند. وقتی اکسیژن کافی نباشد، سوختن ناقص می‌تواند کربن مونوکسید تولید کند؛ گازی سمی که خطر آن را نباید فقط با دود یا بوی محیط سنجید.

برای نوشتن معادله، اول فرمول سوخت، اکسیژن و فراورده‌های درست را بنویس؛ بعد موازنه کن. در سوختن اتانول، اکسیژن موجود در خودِ $\mathrm{C_2H_5OH}$ را هم باید بشماری.

«سوخت سبز» به معنی بدون پیامد بودن نیست. اتانول هم هنگام سوختن کربن دی‌اکسید تولید می‌کند؛ اما استفاده از اتانولِ زیستی می‌تواند انتشار برخی آلاینده‌ها و وابستگی به سوخت فسیلی را کاهش دهد. ارزیابی اثر نهایی آن به شیوهٔ تولید و مصرف هم بستگی دارد.

برچسب آلایندگی، انتشار کربن دی‌اکسید به‌ازای مسافت یکسان را مقایسه می‌کند. در جدول کتاب، گروه A کمتر از $120\,\mathrm{g/km}$ و گروه E در گسترهٔ $170$ تا $190\,\mathrm{g/km}$ قرار دارد. پس برای تعیین برچسب، باید مقدار انتشار در هر کیلومتر را با بازه‌های جدول مقایسه کنی، نه با انتشار سالانه.

برای یافتن انتشار سالانه، مقدار انتشار در هر کیلومتر را در مسافت سالانه ضرب کن. اگر دادهٔ اول برحسب گرم باشد، حاصل هم گرم است؛ برای بیان آن به کیلوگرم، از $1000\,\mathrm{g}=1\,\mathrm{kg}$ استفاده کن.

مالیات کل از بخش ثابت و بخش متغیر تشکیل می‌شود. بخش متغیر به انتشار اضافی وابسته است؛ بنابراین باید مبنای «اضافی» را مشخص کنی. همچنین اگر فقط یک بازهٔ انتشار داده شده باشد، بدون انتخاب مقدار دقیق نمی‌توان یک عدد یکتا برای انتشار سالانه به دست آورد.