دکتر ریموند رخشانی *
مقاله و فایل صوتی بیست و سوم:
تغییر فازها (وضعیت ها) و واکنش های شیمیایی مواد[۱]
بسیاری از مَوادِ معمولی و در دسترس در چیدمان هایِ اتُمیِ گوناگونی وجود دارند. تغییرِ ماده از چیدمانی اتمی به چیدمانی دیگر و بویژه از نوعی چیدمان جامد به چیدمانِ اتمی جامدی دیگر تغییرِ فاز[۲] خوانده می شود.[۳]
کربن که در طبیعت هم به شکلِ الماس و هم گرافیت یافت می شود نمونه ی مهمی از تغییرِ فاز را به نمایش می گذارد. گرافیت ماده ای سیاه رنگ، پوک و نرم است که برای روغن کاریِ صنعتی[۴] و همچنین در نوکِ مداد بکار می رود در حالیکه الماس جسمی بی رنگ و سخت ترین ماده ی شناخته شده است.
- شاید از پیش از ۲۰۰ سالِ پیش دانشمندان در جستجویِ راهکارهایی بودند تا گرافیت را به الماس تبدیل کنند[۵].
- کشفِ معادنِ الماس در آفریقایِ جنوبی به زمین شناسان ثابت کرد که هم نِهِشتی [۶] آن جواهر در سنگ الماس هایی (کیمبرلیت ها[۷]) که از اعماقِ زمین استخراج می شد بدلیلِ وجود فشار در اعماقِ زمین بود.
- با بکارگیری فرضیه هایِ علمی ای که ساختِ ماده را به پایداری یا ثباتِ[۸] آن مربوط می کرد دانشمندان موفق شدند تا نمودار فازی الماس و گرافیت را ترسیم کنند[۹].
- برای دهه ها بسیاری کوشیدند تا از طریقِ وارد آوردن فشار بر گرافیت الماس بسازند ولی موفق نشدند تا اینکه در سال ۱۹۵۴ گروهی از دانشمندانِ شرکتِ جنرال الکتریک با اختراعِ ابزاری، نخستین الماسِ مصنوعی[۱۰] را ساختند. امروزه، بیش از صدها تن الماسِ مصنوعی برای مصارفِ تجارتی و صنعتی تولید می شود.
تغییرِ فازهای آبِ مُنجمد بسیار قابل توجه بوده است. با تغییرِ فشار و یا با تغییرِ درجه ی حرارت، ملکول هایِ آب چیدمانِ بلوری یا کریستالی[۱۱] خود را دیگربار و دیگربار تغییر می دهند. شاید بیش از ده نوع ساختِ بلوری یا کریستالیِ آبِ منجمد شناخته شده است[۱۲].
- همه ی تغییرِ فازها منجر به ساخت های شگفت انگیز کریستالی نمی شوند[۱۳].
- یکی از جالب ترین تغییرِ فازها در ماده ی معدنی گیلسپیت که سیلیکات باریوم و مس است و سرخ رنگ و روشن است مشاهده می شود[۱۴]. با بکارگیریِ سلول سندان الماسی و اِعمالِ فِشاری در حدود ۲۰۰۰۰ آتمسفر این ماده به نحوی ناگهانی به رنگی آبی و تیره تبدیل می شود.
- تغییرِ رنگ بدلیلِ جهشِ کوآنتومیِ[۱۵] الکترونی از مدار خود است. شیفتِ کوچکی در اتم ها انرژیِ جهشِ کوآنتومی را تغییر داده و رنگ آن ماده ی معدنی را عوض می کند.
شدیدترین نوعِ تغییرِ فازها در فشارهای بی نهایت بالا انجام می پذیرد یعنی در فشارهایی که انتظار می رود همه ی ترکیبات تبدیل به فلز شوند.
- در فشارهایِ بی نهایت بالا الکترون ها به جای خاصی تعلق نداشته و گویی غیرمحلی و همچون دریایی از الکترون می شوند و نتیجتاً تبدیل به فلز می شوند[۱۶].
- در تست هایِ آزمایشگاهی گوگرد و اکسیژن را در چنان فشارهایی به فلز تبدیل کرده اند.
- چنین تست و آزمایش هایی در فشارِ بی نهایت بالا وعده ی بوجودآوردن هزاران ماده ی جدید را می دهند[۱۷].
واکنشِ شیمیایی هنگامی شکل می گیرد که دو ماده ی متفاوتِ شیمیایی درهم کنش دارند و یکی از آنها به ماده ای دیگر تبدیل می شود و نتیجتاً ترکیبِ جدیدی دیگر بوجود می آید.
- با اینکه تنها حدودا ۸۰ عنصرِ شیمیاییِ معمولی داریم و بقیه در آزمایشگاه ها کشف شده اند، حتی به نسبت ۱:۱ ترکیبِ دو عنصرِ شیمیایی با هم، پتانسیل ۳۱۶۰ ترکیباتِ شیمیایی به وجود می آید. شاید میلیون ها ترکیباتِ دیگر را با نسبت های متفاوتِ هر دو عنصری و پتانسیل تریلیاردها ترکیبات را با درهم آمیزی یا درهم شدنِ چندین عنصرِ شیمیایی با یکدیگر می توان داشت.
- هنرِ علمِ شیمی در پیش بینی این است که چه ترکیباتِ شیمیایی در چه شرایطِ هم نِهشتی[۱۸] ، چیزی نوین و پراستفاده تولید می کند.
همه ی واکنش هایِ شیمیایی نوعی شکستنِ پیوندهایِ شیمیایی و شکل دهیِ دوباره ی آنها را از طریقِ چیدمانِ مجددِ الکترون ها به همراه دارند[۱۹]. بیشترِ واکنش های شیمیایی در چند نوعِ محدود دسته بندی می شوند. واکنش هایِ کاهشی– اکسیداسیونی[۲۰] واکنش هایِ معمولی با اکسیژن اند (عنصری که ۲۰% آتمسفر را تشکیل می دهد. )[۲۱]
- اکسیداسیون هنگامی اتفاق می افتد که اکسیژن (یا هر عنصری الکترون گیرنده در جستجویِ پایداری) با عناصری که الکترون دهنده هستند (مانندِ فلزها) واکنشِ شیمیایی دارد. آنچه ما زنگ زدگی می نامیم واکنشِ آنچنانیِ فلزِ آهن با اکسیژن[۲۲] است.
۴Fe +3O۲ = 2Fe۲O۳
- سوختن، شکلِ شدیدترِ اکسیداسیون است که اغلب در آن فرآیند سوختی کربن پایه ای (یا نوعی هیدروکربن ) را شامل می شود[۲۳].
- قوی ترین عنصرِ اکسیداسیونیِ شناخته شده فلور است که در تماس با هر عنصرِ دیگر واکنشی شدید دارد.
واکنش هایِ کاهشی[۲۴] برعکسِ واکنش هایِ اکسیداسیونی هستند. در این نوع واکنش ها، اکسیژن الکترون دهنده می شود و خود تقلیل می یابد.
- این نوع فعل و انفعالات بطور طبیعی در جوّ یا آتمسفر اتفاق نمی افتند اما این نوع فعل و انفعالات با احتراقی می توانند آغاز شوند.
- در زمان های قدیم برای ذوب آهن، اکسید سنگ آهن[۲۵] را با آهک (اکسید کلسیوم،) در کوره و با استفاده از ذغال سنگ مخلوط می کردند که واکنشی کاهشی بود.
همهی واکنش های کاهشی – اکسیداسیونی با حرکتِ الکترون ها همراه هستند. در اکسیداسیون، اکسیژن الکترون گیرنده، و در واکنش هایِ کاهشی، اکسیژن الکترون دهنده است.
- باطری ها بر اساسِ همین تراگسیل یا انتقالِ الکترون ها کار می کنند. قطبِ منفی در تماس با ماده ای مانند روی (Zn ) است که الکترون دهنده است و در آن فرآیند، روی یون (Zn۲+ ) می شود. یعنی در فرآیندِ باطری، روی (Zn ) اکسیده میشود.
- قطبِ مثبتِ باطری در تماس با محلولی از یون مس (Cu۲+ ) است که الکترون ها را جذب کرده و خود کاهش داده می شود و بر قطبِ مثبت باطری رسوب می کند.
- در مدارِ بسته یِ الکتریکی هر باطری، الکترون ها از قطبِ منفی به قطبِ مثبت در حرکت اند. وقتیکه الکترون دهنده ها و الکترون گیرنده ها تمام می شوند طولِ عمرِ باطری به پایان رسیده است.
- واکنش هایِ کاهشی – اکسیداسیونی در زندگی هم مواردِ زیادی دارند. گیاه ها آب و دی اکسید کربن را از طریقِ انرژیِ خورشیدی در خود کاهش می دهند.
- حیواناتِ گیاه خوار با اکسیده کردن شکر و دیگر موادِ شیمیایی ای (که گیاه ها ساخته اند) انرژیِ خود را کسب می کنند.
در زندگیِ روزمره، واکنش هایِ شیمیایی بسیار گوناگونی اتفاق می افتند.
- آب و بسیاری مایع ها تواناییِ رسوب[۲۶] و حل کردن مواد را دارند. برای نمونه نمک در آب حل می شود، اما آبِ داغِ اشبأ شده با نمک، در حینِ سردشدن رسوبِ نمک می سازد.
- در تحلیل هایِ شیمیایی دانشمندان اغلب به پدیده های حلی و رسوبی توجه می کنند. اسیدها و بازها موادی شیمیایی هستند که خواص یا خصوصیاتِ محلول هایی آب پایه ای[۲۷] را تغییر می دهند.
- اسیدها موادی شیمیایی هستند که در ترکیبِ با آب، یون هیدروژنی با باری مثبت (H+) می سازند. بازها در ترکیبِ با آب، یون منفی هیدروکسل[۲۸] (OH-) تولید می کنند.
- هنگامیکه بازها و اسیدها ترکیب شوند یکدیگر را خنثی کرده، ملکول هایِ نمک و آب بوجود می آورند.
- توان یا قدرتِ اسید و باز از روی جدولِ پی.اِچ (pH) اندازه گیری می شود.
واکنش هایِ پولیمری[۲۹] نقشی حیاتی در زندگیِ مدرن دارند. پولیمرها به دو روش مختلف از ملکول هایِ کوچک تری یعنی از مونومرها ساخته می شوند.
- در پولیمرازیسیونِ افزایشی[۳۰] پایانه ی[۳۱] مونومرها به یکدیگر وصل می شوند تا پولیمر بسازند.
- در پولیمرازیسیونِ تراکمی (یا غلظتی[۳۲]) با افزایش هر مونومر یک ملکول (برای نمونه آب یا دی اکسید کربن) آزاد می شود.
- برخی واکنش هایِ پولیمری مانند چسبِ مایع های بسیار قوی یا مایعِ غلیظ کننده ی رنگ[۳۳] به نحوی خود انگیخته صورت می پذیرند و برخی واکنش های دیگر (مانندِ شکل گیری تخم مرغ) نیاز به حرارت دارند.
- فرآیندِ شکسته شدنِ پولیمرها به ملکول های کوچک تر را دِ – پولیمرازیسیون[۳۴] می نامند. تُردکردنِ گوشت (که شکلِ خامِ آن بافت های پولیمریِ بسیار محکم دارد،) و پُخت وپز، نمونه های چنین فرآیند دِ – پولیمرازیسیونی هستند. پُختن همچنین، بافت هایی را که ساقه هایِ محکم و بافت هایی که برگ هایِ گیاهان می سازند را دِ – پولیمریزه می کند.
- بسیاری موزه ها برنامه ای جامع برایِ جلوگیری از دِ – پولیمریزه شدن آثارِ قدیمی، اسنادِ تاریخی، پارچه، چرم و بسیاری اشیا پولیمری دیگر دارند.[۳۵]
——————–
Rakhshani, Raymond. Origins of Modernity. Even Development in the Evolution of Science and Technology. South Carolina: CreateSpace, A Division of Amazon Publishing, 2011.
phase transformation
Hazen, R.M. and Singer, M.F. Why Aren’t Black Holes Black: The Unanswered Questions at the Frontiers of Science. New York: Anchor, 1997.
industrial lubrication
Berne, Emma Carlson. Transforming! Chemical Energy. Simon & Schuster, 2013.
synthesis
kimberlite
stability
Campbell, F.C. Phase Diagrams: Understanding the Basics.ASM International, ۲۰۱۲٫
Synthetic diamond
crystal arrangements
Hazen, R.M. The New Alchemists: Breaking the Barriers of High-Pressure Research. New York: Times Books, 1993.
West, T.R.F. Ternary Phase Diagrams in Material Science. CRC Press. 2013
Gillespite as the barium copper silicate
quantum jump
de-localized like a sea of electrons
Hillert, Matt. Phase Equilibria, Phase Diagrams and Phase transformations: Their Thermodynamic Basis. Cambridge University Press, 2007.
synthesis conditions
breaking and re-forming chemical bonds through rearrangement of electrons
oxidation-reduction reactions
Gordon, J.E. The New Sciences of Strong Materials. Princeton, NJ: Princeton University Press, 1976.
Rusting as an oxidation process
carbon-based fuel or some types of hydrocarbons
reduction reactions
iron oxide ores mixed with lime (calcium oxide) using charcoal
precipitation
water-based solutions
hydroxyl
polymerization reactions
addition polymerization
ends
condensation polymerization
Superglue or paint hardeners
de-polymerization
Trefil, J.S. and Hazen, R.M. The Sciences, An Integrated Approach, 2nd Edition. New York: Wiley, 1997.
————————————————————–
—————–
* دکتر ریموند رخشانی در باره خودش:
من ریموند رخشانی هستم و حوزه کارشناسی من مهندسی سیستمها است، و تخصص من در بکارگیری اندیشه سیستمی برای انتقال فن آوری و اجرا و پیاده سازی تولید فراوردههای نوین میباشد. در این سلسله از مقالات و فایلهای صوتی کوشش میکنم که علم مدرن را از پایه به دوستان معرفی کنم.