در شیمی دهم بخوانید؛ چرا هوا معجونی ارزشمند است؟
ما هر روز نفس میکشیم، اما چند بار به این فکر کردهایم که هوایی که وارد ریههایمان میشود، دقیقاً از چه چیزی ساخته شده؟ در نگاه اول، هوا فقط یک ترکیب شفاف و بیرنگ است که در اطراف ما جریان دارد؛ اما در واقع، همین مادهی بیادعا، یکی از پیچیدهترین و ارزشمندترین ترکیبات طبیعت است. ترکیبی که نهتنها امکان ادامهی حیات را فراهم کرده، بلکه در قلب بسیاری از صنایع، علوم پزشکی و حتی فناوریهای پیشرفته حضور دارد.
در این مقاله از سایت تدریس شیمی متین هوشیار، قرار است دقیقتر به این سؤال پاسخ دهیم: «چرا هوا را معجونی ارزشمند مینامند؟» مقالهای که دقیقاً بر پایهی مفاهیم علمی و دادههای ارائهشده در فصل دو شیمی دهم نوشته شده و هیچ چیز خارج از همین محدوده به آن اضافه نشده است. از ترکیب گازهای موجود در هوا و پایدار ماندن آنها در طول میلیونها سال گرفته، تا روشهای جداسازی گازهایی مانند نیتروژن، اکسیژن، آرگون و هلیم از هوای مایع، همگی در اینجا با زبان ساده و ساختار دقیق توضیح داده میشود.
اگر میخواهی بفهمی چطور از هوای معمولی، گازهایی برای جراحی قلب، نگهداری غذا، یا ساختن بالونهای تحقیقاتی استخراج میکنند، این مقاله را تا انتها بخوان؛ چون دقیقاً برای تو نوشته شده تا در امتحان نهایی و کنکور دغدغهای نداشته باشی.
هوایی که تنفس میکنیم؛ ترکیبی پایدار و حیاتی
وقتی نفس میکشیم، معمولاً فقط به اکسیژن فکر میکنیم. اما واقعیت این است که هوایی که در اطراف ما جریان دارد، فقط از یک گاز ساخته نشده. این هوا، ترکیبی پیچیده و دقیق از چندین گاز مختلف است که هر کدام نقشی حیاتی در ادامهٔ زندگی ما و دیگر موجودات دارند. این ترکیب بهقدری منظم و پایدار است که دانشمندان آن را یکی از شگفتیهای طبیعت میدانند.
در لایهٔ پایینی جو زمین، یعنی تروپوسفر، بیش از ۹۹ درصد حجم هوا از دو گاز اصلی نیتروژن و اکسیژن تشکیل شده است. سایر گازها مانند آرگون، دیاکسید کربن و هلیم نیز هرچند درصد کمی دارند، اما بیاهمیت نیستند؛ زیرا همین مقادیر ناچیز، کاربردهای بسیار گستردهای در علم و صنعت دارند.
نکتهٔ جالب اینجاست که این ترکیب دقیق و حسابشده، طی میلیونها سال تقریباً بدون تغییر باقی مانده است. در ادامه، دقیقتر بررسی میکنیم که هوای خشک از چه گازهایی ساخته شده و چرا این ترکیب در طول تاریخ زمین دچار تغییرات بزرگی نشده است.
ترکیب درصدی هوای خشک در تروپوسفر چگونه است؟
هوای خشک یعنی هوایی که رطوبت (بخار آب) از آن حذف شده باشد. این نوع هوا بیشتر برای بررسیهای علمی و صنعتی استفاده میشود. در لایهٔ تروپوسفر، که نزدیکترین لایه به سطح زمین است، ترکیب گازهای موجود در هوا به صورت زیر است:
- نیتروژن (N₂): حدود ۷۸٪ از حجم هوا
- اکسیژن (O₂): حدود ۲۱٪
- آرگون (Ar): حدود ۰٫۹۳٪
- دیاکسید کربن (CO₂): تقریباً ۰٫۰۴٪
- گازهای دیگر (از جمله نئون، هلیم، متان، کریپتون، هیدروژن و…): در مجموع کمتر از ۰٫۰۳٪
همانطور که میبینی، بخش زیادی از هوا را نیتروژن و اکسیژن تشکیل میدهند. اما حتی مقادیر خیلی کم گازهایی مانند آرگون یا هلیم نیز میتوانند کاربردهایی بسیار تخصصی در پزشکی، فناوری و صنعت داشته باشند.
این ترکیب به دانشآموز کمک میکند بفهمد که چرا هوا را یک «معجون ارزشمند» مینامند؛ چون هر جزء آن، ارزش خاصی دارد، حتی اگر مقدارش کم باشد.
چرا ترکیب گازهای هوا در ۲۰۰ میلیون سال اخیر تقریباً ثابت مانده است؟
شاید تعجبآور باشد، اما با وجود تحولات عظیم زمین در طول تاریخ، ترکیب گازهای تشکیلدهنده هوا تغییر چندانی نکرده است. دلیل اصلی این پایداری، تعادل میان فرآیندهای طبیعی روی زمین است.
برای مثال، گیاهان در فرآیند فتوسنتز، دیاکسید کربن مصرف میکنند و اکسیژن آزاد میکنند. از سوی دیگر، جانوران اکسیژن مصرف میکنند و دیاکسید کربن تولید میکنند. این نوع تبادل گازی باعث میشود میزان این گازها در بلندمدت تقریباً در یک حد مشخص باقی بماند.
همچنین، پوستهٔ زمین، اقیانوسها و حتی فعالیتهای آتشفشانی هم در ایجاد تعادل بین گازها نقش دارند. مثلاً گاز نیتروژن از طریق چرخه نیتروژن بین جو و زمین جابهجا میشود و ذخیره آن در جو تقریباً ثابت میماند.
این تعادل طبیعی، باعث شده که هوای تروپوسفر در طول صدها میلیون سال تغییر چشمگیری نداشته باشد. همین ثبات است که زندگی را برای انسانها و موجودات دیگر امکانپذیر کرده است.
آیا هوا میتواند منبعی برای تهیه گازهای مهم باشد؟
وقتی به منابع گازهای مهم فکر میکنیم، شاید ذهنمان سراغ منابع زیرزمینی یا کارخانههای پیچیده برود. اما واقعیت این است که هواکرهٔ زمین، یک منبع فوقالعاده برای تهیهٔ برخی از مهمترین گازهای صنعتی و پزشکی است. در دل همین هوای معمولی که هر روز تنفس میکنیم، گازهایی وجود دارد که برای تولید دارو، نگهداری مواد غذایی، انجام عمل جراحی، صنایع فولاد و حتی پرتاب فضاپیماها استفاده میشود.
از آنجا که مقدار زیادی از هوای خشک را نیتروژن و اکسیژن تشکیل دادهاند، منطقی است که این گازها را مستقیماً از هوا به دست آوریم. دانشمندان و مهندسان با استفاده از روشهایی مانند تقطیر جزء به جزء هوای مایع، این گازها را از یکدیگر جدا میکنند و برای مصارف مختلف بهکار میبرند.
در ادامه، نگاهی دقیقتر میاندازیم به روش تهیه و کاربردهای نیتروژن و اکسیژن، دو گاز حیاتی که بخش زیادی از هوا را تشکیل میدهند.
نیتروژن چگونه از هوا به دست میآید و چه کاربردی دارد؟
نیتروژن حدود ۷۸ درصد از حجم هوای خشک را تشکیل میدهد، بنابراین یکی از در دسترسترین گازهاست. این گاز معمولاً با استفاده از تقطیر جزء به جزء هوای مایع استخراج میشود. در این فرایند، ابتدا هوا را بهشدت سرد میکنند تا به مایع تبدیل شود، سپس با توجه به تفاوت در نقطهٔ جوش گازها، آنها را بهصورت جداگانه خارج میکنند. نیتروژن نقطهٔ جوشی پایینتر از اکسیژن دارد و زودتر از مایع جدا میشود.
کاربردهای نیتروژن بسیار متنوعاند:
- در صنایع غذایی برای فریز کردن سریع مواد خوراکی بدون تغییر در بافت آنها
- در پزشکی برای نگهداری نمونههای زیستی در دمای بسیار پایین
- در صنعت برای ایجاد محیطهای بیاثر (Inert) و جلوگیری از واکنشهای ناخواسته
- در تایر هواپیماها و خودروهای سنگین بهدلیل پایداری بهتر نسبت به تغییرات دما
نکتهٔ جالب این است که نیتروژن خالص، گازی بیاثر، بیرنگ و بیبو است که برخلاف اکسیژن، بهراحتی وارد واکنشهای شیمیایی نمیشود. همین ویژگیها، آن را به یک گاز حیاتی در صنایع حساس تبدیل کرده است.
اکسیژن چگونه از هوا استخراج میشود و کجا استفاده میشود؟
اکسیژن دومین گاز فراوان در هوای خشک است و تقریباً ۲۱ درصد از حجم آن را تشکیل میدهد. درست مانند نیتروژن، این گاز نیز با استفاده از تقطیر جزء به جزء هوای مایع بهدست میآید. چون نقطهٔ جوش اکسیژن بالاتر از نیتروژن است، بعد از خروج نیتروژن، اکسیژن از مایع جدا میشود.
کاربردهای اکسیژن آنقدر گستردهاند که در اغلب زمینههای علمی، پزشکی و صنعتی حضور دارد:
- در پزشکی برای بیماران تنفسی، اتاقهای عمل، و اورژانسها
- در جوشکاری و برش فلزات بهعنوان بخشی از ترکیب شعله
- در صنعت فولاد و شیشهسازی برای افزایش دمای احتراق
- در فضاپیماها و زیردریاییها بهعنوان منبع اصلی تنفس
نکته مهمی که در شیمی دهم هم به آن اشاره شده، این است که تهیه اکسیژن صددرصد خالص کاری دشوار است؛ چون همیشه احتمال باقیماندن مقدار کمی از سایر گازها در فرایند تقطیر وجود دارد. با این حال، اکسیژنی با درصد خلوص بالا بهراحتی از هوا قابل استخراج است و برای بیشتر کاربردها کافی است.
تقطیر جزء به جزء؛ راهی برای جدا کردن گازها از هوا
اگر بخواهیم نیتروژن، اکسیژن یا آرگون را از هوا بهطور جداگانه به دست آوریم، نمیتوانیم فقط یک فیلتر ساده استفاده کنیم. دلیلش این است که این گازها بهصورت کاملاً یکنواخت در هوا پخش شدهاند. پس چاره چیست؟
پاسخ در یک روش علمی دقیق به نام تقطیر جزء به جزء هوای مایع نهفته است. این روش همانند روشی است که در صنایع شیمیایی برای جداسازی مایعات مختلف بهکار میرود؛ با این تفاوت که این بار، ابتدا باید هوا را به مایع تبدیل کنیم و بعد آن را به اجزایش تفکیک کنیم.
دانستن ترتیب نقطههای جوش گازها و نحوهٔ تبدیل هوا به مایع، نقش مهمی در درک این فرایند دارد. بیایید با اولین مرحله شروع کنیم: تهیهٔ هوای مایع.
هوای مایع چیست و چگونه تهیه میشود؟
هوای مایع، همان ترکیب هوای معمولی است که بهشدت سرد شده و به حالت مایع درآمده است. برای این کار، ابتدا باید هوا را خشک و تمیز کنیم، یعنی بخار آب و ذرات معلق آن را بگیریم. سپس با استفاده از فشار زیاد و دمای بسیار پایین (حدود ۲۰۰- درجه سلسیوس)، مولکولهای گاز آنقدر انرژی خود را از دست میدهند که به مایع تبدیل میشوند.
در این مرحله، هیچکدام از گازها هنوز از هم جدا نشدهاند. ما یک مایع واحد داریم که در واقع ترکیبی از نیتروژن، اکسیژن، آرگون، هلیم و دیگر گازهای موجود در هواست. برای جدا کردن این گازها از یکدیگر، به سراغ مرحلهٔ بعدی میرویم: تقطیر بر اساس نقطهٔ جوش.
ترتیب تقطیر گازها بر اساس نقطه جوش چگونه است؟
هر مادهای در یک دمای خاص شروع به جوشیدن میکند؛ به این دما، نقطهٔ جوش میگویند. در هوای مایع نیز گازها به ترتیب نقطهٔ جوش خود، از مایع جدا میشوند. هر چه نقطهٔ جوش گازی پایینتر باشد، زودتر تبخیر میشود.
در جدول زیر ترتیب تقریبی نقطهٔ جوش برخی گازهای مهم آمده است (بر حسب درجه سلسیوس):
| گاز | نقطه جوش (°C) |
| هلیم (He) | -269 |
| نیتروژن (N2) | -196 |
| آرگون (Ar) | -186 |
| اکسیژن (O2) | -183 |
بر اساس این جدول، ابتدا هلیم خارج میشود، سپس نیتروژن، آرگون و در نهایت اکسیژن. با کنترل دقیق دما در فرایند تقطیر، میتوان هر کدام از این گازها را بهصورت جداگانه از مخلوط مایع جدا کرد.
این فرایند در برجهای تقطیر صنعتی انجام میشود و از نظر اقتصادی و فنی، یکی از بهینهترین روشهای تهیهٔ گازهای صنعتی است.
چرا تهیه اکسیژن کاملاً خالص دشوار است؟
در نگاه اول شاید به نظر برسد که اگر ترتیب جوش گازها مشخص است، پس استخراج هر گاز هم باید ساده باشد. اما در عمل، همه چیز به این سادگی نیست. دلیلش این است که نقطهٔ جوش برخی گازها بسیار به هم نزدیکاند. مثلاً نقطهٔ جوش اکسیژن فقط چند درجه با آرگون فاصله دارد.
این نزدیکی دمایی باعث میشود که وقتی در حال تقطیر اکسیژن هستیم، مقدار بسیار کمی آرگون هم همراه آن خارج شود. برای رسیدن به اکسیژن صددرصد خالص، باید از دستگاههای دقیقتر و روشهای پالایش ثانویه استفاده کرد که هم هزینهبرتر و هم زمانبرتر هستند.
بنابراین، در بسیاری از کاربردها از اکسیژن با درصد خلوص بالا اما نه کامل استفاده میشود، چون برای مصارف صنعتی یا پزشکی نیازی به خلوص ۱۰۰ درصد نیست.
گازهای نجیب موجود در هوا؛ کمیاب ولی کاربردی
اگرچه بیشترین بخش از هوای خشک را نیتروژن و اکسیژن تشکیل میدهند، اما گازهای نجیب نیز به مقدار بسیار کم در هوا وجود دارند. این گازها شامل آرگون، هلیم، نئون، کریپتون و زنون هستند. در بین آنها، آرگون و هلیم از نظر کاربردهای علمی و صنعتی اهمیت بیشتری دارند و در کتاب شیمی دهم نیز بهطور ویژه به آنها اشاره شده است.
نکتهٔ مهم درباره گازهای نجیب این است که بسیار کمواکنش یا غیرفعال (Inert) هستند. همین ویژگی باعث میشود در موقعیتهایی که نیاز به محیطی بیاثر داریم، از این گازها استفاده کنیم.
در ادامه، با دو گاز مهم این خانواده، یعنی آرگون و هلیم، بیشتر آشنا میشویم؛ گازهایی که اگرچه کماند، اما کاربردهای بسیار حیاتی دارند.
آرگون؛ گازی نجیب با کاربردهایی در صنعت و پزشکی
آرگون حدود ۰٫۹۳٪ از حجم هوای خشک را تشکیل میدهد. این یعنی بعد از نیتروژن و اکسیژن، آرگون سومین گاز فراوان در هواست. با این حال، چون گازی نجیب و غیرفعال است، وارد واکنشهای شیمیایی نمیشود؛ ویژگیای که آن را بسیار خاص و مفید کرده است.
آرگون از طریق تقطیر جزء به جزء هوای مایع استخراج میشود؛ درست بعد از نیتروژن و پیش از اکسیژن، چون نقطه جوش آن حدود -186 درجه سلسیوس است. به همین دلیل، در مراحل جداسازی گازها از هوای مایع، آرگون نیز بهراحتی جدا میشود.
کاربردهای مهم آرگون شامل موارد زیر است:
- در جوشکاری برای ایجاد محیط بیاثر و جلوگیری از واکنشهای ناخواسته با اکسیژن
- در تولید لامپهای مهتابی و سایر لامپهای تخلیه الکتریکی
- در صنایع نیمهرسانا برای محافظت از قطعات حساس
- در پزشکی برای برخی تجهیزات لیزری و جراحیهای خاص
با وجود درصد کم، آرگون بهدلیل خواص شیمیایی خاص خود، جایگاهی مهم در علم و فناوری دارد. دانشآموزان شیمی باید بدانند که گاهی کمبودن یک ماده، مانع ارزشمند بودن آن نیست.
هلیم چگونه از هوا به دست میآید و کدام روش تهیهاش اقتصادیتر است؟
هلیم یکی از سبکترین عناصر جدول تناوبی است و در هوای خشک، مقدار بسیار بسیار کمی از آن یافت میشود؛ چیزی کمتر از ۰٫۰۰۰۵٪. این مقدار اندک باعث میشود استخراج هلیم از هوا کار سادهای نباشد و از نظر اقتصادی هم چندان بهصرفه نباشد.
با این حال، در برخی کشورها، بهویژه در مناطقی که هوای مایع بهطور گسترده تولید میشود، هلیم از طریق تقطیر جزء به جزء استخراج میشود. چون نقطه جوش هلیم بسیار پایینتر از سایر گازهاست (حدود -269 درجه سلسیوس)، در ابتدای فرایند تقطیر خارج میشود.
با وجود این روش، منبع اصلی و اقتصادیتر تهیه هلیم، استخراج آن از منابع گاز طبیعی است. در برخی منابع زیرزمینی گاز طبیعی، هلیم به مقدار قابلتوجهی وجود دارد. این گاز از دیگر اجزای گاز طبیعی جدا میشود و در مقیاس صنعتی قابل بهرهبرداری است.
کاربردهای مهم هلیم شامل موارد زیر است:
- در بالونها و کشتیهای هوایی بهجای هیدروژن، چون آتشزا نیست
- در تجهیزات MRI و خنکسازی آهنرباهای ابررسانا
- در صنایع هوافضا بهعنوان گاز فشاردهنده
- در جوشکاریهای خاص و محیطهای خلأ
بنابراین، اگرچه هلیم در هوا وجود دارد، اما برای تهیهٔ اقتصادی آن، منابع طبیعی گاز ترجیح داده میشود. این موضوع یکی از نمونههای کلاسیک در شیمی صنعتی است که بین «در دسترس بودن» و «صرفه اقتصادی» تفاوت قائل میشود.
آزمایش شیمی؛ وقتی لوله آزمایش با هوای مایع پر میشود
در میان مطالب تئوری فصل دوم شیمی دهم، یک آزمایش ساده اما جذاب، توجه دانشآموزان را جلب میکند. در این آزمایش، یک لولهٔ آزمایش خشک و سرد وارد یک ظرف حاوی مایعی بسیار سرد با دمای حدود ۲۰۰- درجه سلسیوس میشود. بعد از مدتی، مایعی بیرنگ درون لوله آزمایش دیده میشود.
در نگاه اول، ممکن است این مایع شبیه آب معمولی به نظر برسد. اما در واقع، چیزی که درون لوله جمع شده، حاصل یک پدیده شیمیایی جالب است که با تغییر فاز گازها در دمای پایین رخ میدهد. این آزمایش ساده، یکی از بهترین راهها برای درک بهتر رفتار گازهای هوا در دماهای بسیار پایین است.
حالا سؤال مهم اینجاست: این مایع بیرنگ از کجا آمده؟ آیا واقعاً آب است؟ یا گازهای دیگری هم در آن نقش دارند؟
مایع بیرنگ درون لوله از کجا آمده است؟
در پاسخ به این پرسش، باید اول بدانیم که هوا حاوی بخار آب و دیگر گازهاست. وقتی یک لوله آزمایش کاملاً سرد وارد محیطی با دمای بسیار پایین (نزدیک به ۲۰۰- درجه سلسیوس) میشود، گازهایی که با آن تماس پیدا میکنند، دمای خود را از دست میدهند و به مایع تبدیل میشوند. به این فرایند، میعان (چگالش) میگویند.
در این حالت، بخار آب موجود در هوا اولین گازی است که چگالیده میشود. چون نقطهٔ جوش آب بالاتر از سایر گازهای هواست، زودتر مایع میشود. اما تنها بخار آب نیست که در این شرایط به مایع تبدیل میشود. مقداری از نیتروژن و اکسیژن نیز ممکن است چگالیده شوند، بهویژه اگر دمای محیط بهاندازهای پایین باشد که نقطهٔ جوش آنها را نیز پوشش دهد.
بنابراین، مایع بیرنگی که درون لوله جمع میشود، ترکیبی از آب مایع و احتمالاً مقادیری نیتروژن یا اکسیژن مایع است.
این آزمایش، بهخوبی نشان میدهد که گازهای موجود در هوا، در دماهای پایین به مایع تبدیل میشوند؛ اصلی که در فرایند تقطیر جزء به جزء هوای مایع نیز بهکار میرود. به همین دلیل، این آزمایش ساده نهفقط یک سرگرمی علمی، بلکه مقدمهای برای درک بهتر مفاهیم کاربردی شیمی است.
جمعبندی نهایی مفاهیم؛ چرا هوا را معجونی ارزشمند مینامیم؟
در این بخش از فصل دو شیمی دهم، آموختیم که آنچه ما به سادگی «هوا» مینامیم، در واقع ترکیبی منظم، پایدار و چندمنظوره از گازهای مختلف است. هر یک از این گازها، سهم مشخصی در ترکیب هوای خشک دارند و نقشی ویژه در زندگی انسان و عملکردهای صنعتی و علمی ایفا میکنند.
نیتروژن با سهم بالای خود، محیطی بیاثر برای نگهداری مواد فراهم میکند؛ اکسیژن، قلب فرآیندهای زیستی و احتراقی است؛ آرگون، با وجود درصد اندک، در جوشکاری و فناوریهای حساس جایگاه دارد؛ و هلیم، یکی از گرانقیمتترین و سبکترین عناصر، در پزشکی و هوافضا کاربرد دارد. این ترکیب دقیق، نهتنها زندگی را ممکن میکند، بلکه در پیشرفت فناوری، پزشکی و صنایع سنگین نیز نقش مستقیم دارد.
از سوی دیگر، ثبات ترکیب گازهای هوا طی میلیونها سال و امکان جداسازی آنها به روش تقطیر، نشان میدهد که هوا فقط یک محیط تنفسی نیست؛ بلکه یک منبع طبیعی ارزشمند برای تهیه گازهای خالص و صنعتی است. درست به همین دلیل است که در شیمی دهم، بهدرستی از آن با عنوان «هوا، معجونی ارزشمند» یاد شده است؛ ترکیبی که هم در زیستکره و هم در کارخانهها، بخشی از زندگی ما را شکل میدهد.
برای ارسال نظر لطفا ابتدا وارد حساب کاربری خود شوید. صفحه ورود و ثبت نام