تغییر شیمیایی چیست و چگونه انجام می شود؟

عناصر اصلی ترین مواد تشکیل دهنده ماده در جهان هستند. هر عنصر یک ماده شیمیایی است. عناصری که پیوند ایجاد می کنند ، مولکول نامیده می شوند.

به عنوان مثال یک مولکول اکسیژن دارای دو اتم اکسیژن است. تغییرات شیمیایی هنگام تعامل و تغییر مولکول ها اتفاق می افتد. پیوندهای بین اتم ها در مولکول ها شکسته می شوند و به روش های جدید اصلاح می شوند.

تغییر شیمیایی به معنای واقعی کلمه هر فرایند بیولوژیکی در جهان رخ می دهد. ستاره ها به دلیل تغییرات شیمیایی تشکیل می شوند. خورشید به دلیل تغییرات شیمیایی در هسته آن شعله ورمی شود. حیات در نتیجه تغییرات شیمیایی روی زمین ایجاد شده است. دایره زندگی ، در قلب خود ، یک سری از تغییرات شیمیایی است. حتی توانایی تفکر و حرکت ما نیز نتیجه تغییرات شیمیایی است که در بدن ما اتفاق می افتد. در مبحث تغییر شیمیایی چیست کلاس هشتم به این موارد اشاره شده است.

تغییرات شیمیایی دلیل وجود ما در کره زمین است . در حالی که واکنش های هسته ای ممکن است ماده جدیدی تولید کنند ، تقریباً تمام موادی که در زندگی روزمره با آنها روبرو می شوید نتیجه تغییرات شیمیایی هستند. در ادامه مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک توضیحات بیشتری در این رابطه ارائه می گردد لطفا ما را همراهی کنید.

حقایقی در رابطه با تغییر شیمیایی

تغییر شیمیایی به ما کمک می کند تا خواص ماده را درک کنیم. با مطالعه نحوه تعامل یک نمونه با سایر مواد ، می توانیم خواص شیمیایی آن را بیاموزیم. از این خصوصیات می توان برای شناسایی یک نمونه ناشناخته یا پیش بینی نحوه واکنش انواع مختلف مواد با یکدیگر استفاده کرد.

با مشاهده تغییر شیمیایی ، ما قادر به درک و توضیح نحوه کار جهان طبیعی هستیم. تغییرات شیمیایی غذا را به سوخت بدن شما تبدیل می کند ،  باعث تغییر غذا هنگام پختن می شود ، باعث می شود صابون مواد زائد را پاک کند و بسیاری از موارد دیگر

این تغییرات به ما در حل جنایات و توضیح اسرار کمک می کنند. به عنوان مثال ، پلیس با تجزیه و تحلیل نمونه های خون و بافت قادر به شناسایی عاملان جنایات است. تغییرات شیمیایی همچنین ابزاری است که ما برای تاریخ گذاری فسیل ها ، تجزیه و تحلیل مواد باستانی و درک بهتر زندگی اجدادمان استفاده می کنیم.

مشاهده این تغییرات در فضا ما را قادر به شناسایی و توصیف سایر سیارات می کند. حتی می توانیم تعیین کنیم که کدام سیارات و قمرها دارای حیات هستند. روشن کردن آتش ، مهمترین کشف بشر ، به سادگی یک تغییر شیمیایی است. بدون وجود این واکنش ها هیچ چیزی تغییر نمی کند. اتم ،اتم باقی خواهد ماند . مولکول های جدید تشکیل نمی شوند. هیچ موجودی نمی تواند زندگی کند. در حقیقت اگر ماده با ماده دیگر واکنش نشان ندهد ، جهان بسیار کسل کننده خواهد بود

تغییرات شیمیایی مهمترین نوع وقایع جهان هستند. گیاهان از این طریق رشد می کنند ، میوه تولید می کنند و تبدیل به کمپوست گیاهان جدید می شوند و جزء تغییرات شیمیایی مفید در زندگی هستند.

مروری بر تاریخ شکل گیری مفهوم تغییر شیمیایی

مفهوم تغییر شیمیایی به  حدود ۲۵۰ سال پیش برمی گردد. منشأ آن آزمایشات اولیه ای بود که مواد را به عنوان عناصر و ترکیبات و نظریه هایی که این فرایندها را توضیح می دهند ، طبقه بندی می کند.

اولین مطالعات اساسی در این زمینه روی گازها بود . شناسایی اکسیژن در قرن هجدهم توسط کارل ویلهلم شیله شیمی دان سوئدی و روحانی انگلیسی جوزف پریستلی از اهمیت ویژه ای برخوردار بود. تأثیر شیمی دان فرانسوی آنتوان-لوران لاووازیه به ویژه از این نظر قابل توجه بود که بینش وی اهمیت اندازه گیری کمی فرآیندهای شیمیایی را تأیید می کرد.  در میان بسیاری از اکتشافات ، لاووازیه وزن بدست آمده هنگام اکسید شدن عناصر را به دقت اندازه گیری کرد و نتیجه را به ترکیب عنصر با اکسیژن نسبت داد . مفهوم تغییر شیمیایی شامل ترکیب عناصر به وضوح از تحقیقات وی پدیدار شد و رویکرد وی دیگران را به دنبال شیمی تجربی به عنوان یک علم کمی سوق داد.

مثال هایی از انواع تغییر شیمیایی

هنگامی که دو یا چند ماده باهم مخلوط می شوند تغییر دما ، رنگ و غیره مشاهده می شود که نشان می دهد یک واکنش شیمیایی در حال رخ دادن است. اینها شاخص های مشخصی نیستند چون یک واکنش شیمیایی ممکن است رخ ندهد . تغییر رنگ همیشه یک تغییر شیمیایی نیست. اگر فردی بخواهد در یک سناریوی واکنش غیر شیمیایی ، مانند رنگ آمیزی اتومبیل ، رنگ ماده را تغییر دهد ، این تغییر فیزیکی است نه شیمیایی به این دلیل که ترکیب خودرو تغییر نکرده است . در ادامه نشانه های تغییر شیمیایی شرح داده شده است:

تغییر در دما

تغییر در درجه حرارت از ویژگی های یک تغییر شیمیایی است. طی یک آزمایش ، می توان دماسنج را در لیوان یا ارلن مایر فلاسک فرو برد تا تغییر دما را تأیید کند. اگر دما افزایش یابد ، همانطور که در اکثر واکنش ها افزایش می یابد ، احتمالاً یک تغییر شیمیایی اتفاق می افتد. این مسئله با تغییر درجه حرارت فیزیکی متفاوت است. در طی تغییر درجه حرارت فیزیکی ، یک ماده مانند آب در حال گرم شدن است. با این حال ، در این حالت ، یک ترکیب با ترکیب دیگری مخلوط می شود و این واکنش دهنده ها محصولی را تولید می کنند. هنگامی که واکنش دهنده ها ترکیب می شوند ، تغییر درجه حرارت ناشی از واکنش شاخص تغییر شیمیایی است . به عنوان مثال واکنش زیر گرما را به عنوان محصول تولید می کند.

 

Fe2O3+2Al→۲Fe+Al2O3+Heat

تغییرات در رنگ

تغییر در رنگ نیز مشخصه ای دیگر از وقوع واکنش شیمیایی است. به عنوان مثال ، اگر فردی بخواهد زنگ زدگی فلز را با گذشت زمان مشاهده کند ، متوجه می شود که فلز آهن تغییر رنگ داده و نارنجی شده است. این تغییر رنگ شاهدی بر یک واکنش شیمیایی است. با این حال ، باید مراقب بود زیرا گاهی اوقات تغییر رنگ به سادگی مخلوط کردن دو رنگ است ، اما هیچ تغییری واقعی در ترکیب مواد مورد نظر وجود ندارد. واکنش زیر واکنش زنگ زدگی آهن است:

۴Fe+3O2+6H2O→۴Fe(OH)3

تغییر بو

وقتی دو یا چند ترکیب یا عنصر با هم مخلوط شده و رایحه یا بو وجود دارد ، یک واکنش شیمیایی اتفاق افتاده است. به عنوان مثال ، هنگامی که تخم مرغ شروع به فاسد شدن می کند واکنش شیمیایی رخ داده است.

شکل  گیری حباب ها

تشکیل حباب به جای یک گاز ، شاخص دیگری از یک وقوع واکنش شیمیایی است. هنگامی که حباب تشکیل می شود  تغییر دما نیز ممکن است در حال وقوع باشد. تغییر دما و تشکیل حباب ها اغلب با هم اتفاق می افتند. با این حال ، بیشتر واکنش ها بسیار ظریف هستند. به عنوان مثال ، در صورت بروز واکنش زیر ، ممکن است متوجه تشکیل حباب های دی اکسید کربن شوید. اگر اسید هیدروکلریک کافی وجود داشته باشد ، حباب ها قابل مشاهده هستند. در صورت عدم وجود ، فرد نمی تواند به راحتی متوجه تغییر شود:

Na2CO3+2HCl→۲NaCl+H2O+CO2(5)

تشکیل رسوب

تشکیل رسوب ممکن است یکی از مهمترین نشانه های مشترک از وقوع واکنش شیمیایی باشد. رسوب به صورت جامدی تعریف می شود که در داخل محلول یا ماده جامد دیگر تشکیل می شود. رسوبات را نباید با سوسپانسیون ، محلول هایی که مایعات همگن هستند و ذرات معلق در آن شناور هستند اشتباه گرفت. به عنوان مثال ، هنگامی که یک کربنات محلول با باریم واکنش می دهد ، می توان رسوب کربنات باریم را مشاهده کرد

Ba2+(aq)+CO2−۳(aq)→(BaCO)3(s)

 

تغییرات شیمیایی و فیزیکی بخشی جدایی ناپذیر از فناوری ، فرهنگ و در واقع خود زندگی هستند. سوزاندن سوخت ، ذوب آهن ، ساخت شیشه و سفال ، تخمیر آبجو و تهیه شراب و پنیر نمونه هایی از این تغییرات هستند که برای هزاران سال شناخته شده و مورد استفاده قرار گرفته است.

انواع تغییر شیمیایی

تغییرات شیمیایی بطورکلی به سه دسته تغییرات معدنی ، آلی  و بیوشیمیایی تقسیم می شوند که در ادامه شرح داده می شود:

تغییرات آلی

تغییرات آلی در شیمی آلی که شامل شیمی کربن و ترکیبات کربن ‌دار است رخ می دهد. روغن‌ های معدنی، سوخت‌ ها ، ترکیبات دارویی، رنگ ‌ها، شوینده‌ ها، مواد آرایشی و بهداشتی جزء مواد آلی دسته بندی می شوند. نمونه‌ های تغییرات آلی شامل کراکینگ، متیلاسیون ، واکنش‌های تراکمی ، پلیمریزاسیون و هالوژناسیون است.

تغییرات معدنی

تغییرات معدنی در شیمی معدنی رخ می دهد که شامل به واکنش‌های عناصر و ترکیباتی است که شامل کربن نیستند. این تغییرات در آزمایشگاه‌ ها و صنایع به وفور انجام می شوند و واکنش‌ های اکسید و احیاء و خنثی سازی برخی از انواع آنها هستند

تغییرات بیوشیمیایی

بیوشیمی علمی است که به واکنش های موجود در محیط ارگانسیم‌ های زنده می ‌پردازد. طی این واکنش‌ها پروتئین‌ ها و بسیاری از ترکیبات دیگر با کمک آنزیم ها تشکیل و تجزیه می شود. فتوسنتز ، هضم غذا ، سنتز چربی ها و پروتئین ها مثال هایی از این واکنش ها هستند.

نحوه انجام انواع واکنش شیمیایی

واکنش سنتز:

 

در این نوع واکنش ، دو یا بیش از دو ماده با یکدیگر واکنش می دهند و ماده (محصول) جدیدی تشکیل می دهند. به عنوان مثال ، کربن حاصل از زغال سنگ و اکسیژن موجود در جو برای تولید دی اکسید کربن واکنش نشان می دهد. معادله واکنش C + O2 -> CO2 است.

 

 

واکنش تجزیه:

 

 وقتی ماده به ترکیبات تشکیل دهنده آن تقسیم می شود ، آن را واکنش تجزیه می نامند. به عنوان مثال ، آب  توسط الکترولیز به ترکیبات تشکیل دهنده آن یعنی هیدروژن و اکسیژن تجزیه می شود. می توانید این واکنش را برخلاف واکنش سنتز در نظر بگیرید. معادله واکنش H2O -> H2 + O است.

 

 

واکنش جایگزینی منفرد:

 

در این نوع واکنش ، یک عنصر جایگزین عنصر دیگری می شود که از قبل بخشی از ماده است. به عنوان مثال ، اگر یک ماده AB از عناصر A و B تشکیل شده باشد ، با عنصر C واکنش نشان می دهد. اگر این عنصر C جای B را در واکنش بگیرد ، منجر به تشکیل ماده جدید AC و آزاد شدن عنصر B می شود. معادله واکنش AB + C -> AC + B است.

 

 

واکنش جایگزینی مضاعف:

 

در این نوع واکنش ، دو ماده عناصر سازنده خود را مبادله می کنند و در نتیجه دو ماده جدید تشکیل می شود. به عنوان مثال ، یک ماده AB از عناصر A و B ساخته شده است ، با ماده CD که از عناصر C و D  تشکیل شده است واکنش نشان می دهد. اکنون در واکنش آنها عناصر تشکیل دهنده خود را مبادله می کنند. عناصر B و D موقعیت خود را مبادله می کنند.  معادله واکنش AB + CD -> Ad + CB است .

 

 

روش تشخیص تغییر شیمیایی

 

همانطور که در قسمت های قبل شرح داده شد آزاد شدن گرما، تغییر رنگ و تولید گاز برخی از شاخص های تغییر شیمیایی هستند. ولی در برخی موارد تمایز این تغییر از تغییر فیزیکی دشوار است مثلا حل شدن شکر در آب یک تغییر فیزیکی است چون مولکول‌ های شکر (ساکاروز) تغییری نمی ‌کنند همه ما در زندگی روزمره شاهد انواع تغییرات فیزیکی مفید و مضر هستیم. اما حل شدن نمک در آب به دلیل تفکیک آن به یون ها یک تغییر شیمیایی محسوب می شود. با آزمایش تغییر شیمیایی می توان به آنها پی برد.

اثرات منفی تغییر شیمیایی

 

از تغییر شیمیایی به عنوان سلاحی دو لبه هم یاد می شود  زیرا برخی از آنها در زندگی ما نقش حیاتی دارند ، در حالی که برخی دیگر هم بر روی انسان و هم بر محیط زیست تأثیرات منفی می گذارند. به عنوان مثال مونوکسید کربن یک گاز خطرناک است زیرا باعث سردرد ، سرگیجه ، معده درد شدید شده و حتی ممکن است منجر به مرگ شود ، سیگار کشیدن برای سلامتی بسیار مضر است زیرا باعث سرطان ریه می شود ، سوختن زغال سنگ و الیاف سلولز اثر بدی دارد زیرا باعث آلودگی هوا و سرطان ریه می شود از اثرات منفی تغییرات شیمیایی ، آلودگی محیط زیست ناشی از انتشار برخی گازهای مضر است . واکنش سوختن باعث تولید  گازهای آلاینده زیادی می شود.

سوزاندن سوخت از جمله واکنش هایی است که باعث آلودگی محیط زیست می شود زیرا گازهای مضر زیادی مانند اکسیدهای کربن ، گوگرد و نیتروژن تولید می کند که بر روی  انسان و محیط تأثیر می گذارد.  گسترش تومورهای سرطانی در کشوری که از زغال سنگ به عنوان سوخت استفاده می کند افزایش می یابد زیرا سوختن آن باعث آلودگی هوا با مواد سمی می شود که انسان را به سرطان ریه آلوده می کند . اکسیدهای گوگرد و نیتروژن باعث اختلال در عملکرد سیستم تنفسی ، سیستم عصبی و چشم و خوردگی ساختمان می شوند زیرا این گازها اسیدی هستند.

در تغییر شیمیایی چه چیزی تغییر می کند

یک ماده زمانی دستخوش تغییر شیمیایی می شود که ساختار مولکولی آن با افزودن انرژی به ماده یا با مخلوط کردن دو ماده با هم تغییر کند. در هر صورت، پیوندهای شیمیایی درون ساختار اتمی شکسته می‌شوند و دوباره به یکدیگر متصل می‌شوند تا ماده دیگری را تشکیل دهند. ماده جدید معمولاً دارای خواص فیزیکی و شیمیایی متفاوتی نسبت به ماده اصلی است.

یک تغییر شیمیایی زمانی اتفاق می افتد که یک ماده در سطح اتمی به ماده دیگری تبدیل شود.واکنش های شیمیایی را می توان به چهار گروه طبقه بندی کرد. یک واکنش سنتز زمانی رخ می دهد که دو یا چند ماده ساده با هم ترکیب شوند تا ماده سوم پیچیده تر بسازند. واکنش تجزیه تجزیه یک ماده پیچیده تر به بخش های ساده آن است. در واکنش های تک جایگزینی، یک عنصر جایگزین عنصر دیگری در یک ماده پیچیده تر شده است تا ماده جدیدی ایجاد کند. واکنش‌های دو جایگزینی مشابه واکنش ‌های تک جایگزینی هستند، فقط با دو عنصر در یک ماده که جایگزین دو عنصر در ترکیب دیگر می‌شوند تا ماده نهایی ساخته شود.

قوانین بقای جرم و انرژی بیان می کنند که جرم و انرژی ایجاد یا از بین نمی رود، فقط به حالت دیگری تغییر می کند. بنابراین، تغییرات شیمیایی نیز بر اساس آنچه در نتیجه واکنش برای انرژی اتفاق می افتد طبقه بندی می شوند. واکنش های گرماگیر، انرژی، معمولاً گرما یا انرژی الکتریکی را جذب می کنند. واکنش‌های گرمازا انرژی تولید می‌کنند و در نتیجه انرژی ناشی از پیوندهای شیمیایی مواد، ماده را داغ می‌کنند.

راه های مختلفی برای تشخیص اینکه آیا تغییر شیمیایی رخ داده است وجود دارد. تغییر رنگ یک ماده می تواند نشان دهنده تغییر شیمیایی باشد. تغییر رنگ برگ ها در پاییز، قرمز مایل به قهوه ای زنگ و قهوه ای شدن سیب همگی نمونه هایی از تغییرات شیمیایی هستند که با تغییر رنگ در یک ماده نشان داده می شوند.