علوم نهم؛ توضیحاتی پیرامون مواد و نقش آنها در زندگی

امروز فضای مجازی و بستر اینترنت به یکی از مراجع مهم برای دانش آموزان تبدیل شده است تا با مراجعه به آن پاسخ بسیاری از پرسش های خود را بیابند.

تحریریه مدرسه آنلاین تلاش می کند تا در این بخش اطلاعات به روز و مستندی را پیرامون موضوعات درسی تهیه و در اختیار کاربران فضای مجازی قرار دهد.

امروز به بحث مواد و نقش آنها در زندگی در علوم پایۀ نهم می‌پردازیم. این مطالب محتوای تکمیلی از فصل مواد و نقش آنها در زندگی است. 

در علم رده‌بندی جانداران، گیاهان مختلف بر اساس شباهت‌های میوه، دانه و گل‌هایشان طبقه‌بندی می‌شوند. به طور مثال گیاهان تک‌لپه‌ای و دولپه‌ای. اما هر کدام نقش خاص خود را دارند.

فلزهای باستانی

حدود سه قرن است که علم و دانش انسان‌ها با سرعت بیش‌تری نسبت به گذشته رشد می‌کند و بخش عمده‌ای از علوم تجربی هم در این مدت به دست آمده‌اند؛ اما سابقۀ شناخت طبیعت پیرامون، به هزارها سال قبل باز می‌گردد. بیایید به قدیمی‌ترین فلزهایی که بشر شناخت، نگاهی بیندازیم. طلا، نقره، مس و آهن از قدیمی‌ترین فلزهایی هستند که انسان‌ها آنها را شناخته‌اند. طلا و بعضی مواقع نقره، به شکل خالص (ترکیب نشده با عنصرهای دیگر) در طبیعت یافت می‌شوند و رنگ و درخشش آنها برای انسان‌های نخستین جذاب بوده است. مس اولین فلزی بوده که از کانه به دست آمده است. شاید در سنگ‌هایی که برای ایجاد حلقه اطراف آتش به کار می‌رفته، به شکل اتفاقی قطعه‌ای «مالاشیت» (مس کربنات) وجود داشته است. در اثر گرمای آتش، فلز مس به شکل عنصری و مذاب به دست آمده و پس از آن، این شیوه برای استخراج فلز مس به کار رفته است. ابزارهای فلزی اولیه که اجداد ما به کار می‌برده‌اند، آلیاژهایی هستند که اغلب از فلز آهن ساخته شده‌اند و این مورد مشخص می‌کند که ما از گذشته‌های دور، فلز آهن را می‌شناخته‌ایم. لازم به ذکر است که شناخت این فلزها، دست کم به 4000 سال پیش از میلاد برمی‌گردد.

در علم شیمی «واکنش‌پذیری» به معنی میل به واکنش دادن و سرعت بیش تر یک واکنش است. هرچه یک فلز با مواد بیشتری واکنش دهد و در واکنش‌ها، سریع‌تر عمل کند، می‌گوییم آن فلز واکنش‌پذیرتر است.

مجموعه واکنش‌پذیری فلزها یک فهرست از نام فلزهای مختلف است که بر اساس واکنش پذیری خود، مرتب شده‌اند. در این فهرست، هر چه فلز واکنش پذیرتر باشد؛ در بالای فهرست قرار می‌گیرد. بدین ترتیب، واکنش‌پذیرترین فلز پتاسیم و فلز دارای کم‌ترین واکنش‌پذیری، پلاتین است. همان طور که از آزمایش‌های خود به یاد دارید؛ فلزهای پایین سری، با آب و اسید واکنش نمی‌دهند و فلزهای بالایی واکنش می‌دهند؛ و هرچه به سمت پتاسیم می‌رویم، شدت و سرعت واکنش بیشتر می‌شود.

گوگرد و محصولات آن

گوگرد با نشانۀ شیمیایی S یک عنصر جامد و زرد رنگ است. این ماده در دهانۀ آتش‌فشان‌ها و همینطور نزدیک چشمه‌های آب گرم یافت می‌شود. گوگرد در مواد شیمیایی با ارزشی از جمله گوگرد تری‌اکسید SO3 و هیدروژن سولفید H2S و سولفوریک اسید H2SO4 وجود دارد. جالب است بدانید که عامل سوزش چشم هنگام خرد کردن پیاز هم سولفوریک اسید است! درون سلول های پیاز، موادی هستند که به راحتی تبخیر می‌شوند و به چشم ما می‌رسند. این مواد دارای اتم های گوگرد، با اشک ما واکنش داده و سولفوریک اسید تولید می کنند که چشم را می‌سوزاند.

دستگاه‌های ردیاب مواد منفجره

نیتروژن در حالت عنصری N2 گازی بی اثر است؛ ولی زمانی که با اتم عناصری مانند کربن و اکسیژن ترکیب می‌شود، به مادۀ کلیدی بیشتر بمب های شیمیایی تبدیل می‎‌شود. به همین دلیل دانشمندان ابزارهای متفاوتی برای شناسایی بمب‌ها ساخته‌اند. تعدادی از دستگاه‌های بمب‌یاب با پیدا کردن اتم نیتروژن (در کنار اتم کربن) عمل می‌کنند.

بمب فسفری

فسفر سفید یکی از شکل‌های نافلز فسفر است که به طور خود به خودی با اکسیژن واکنش داده، در هوا می‌سوزد. به همین دلیل، آن را زیر آب نگهداری می‌کنند. تا کنون برخی کشورها از این ویژگی فسفر برای ساخت تسلیحات کشتار جمعی استفاده کرده‌اند. فسفر موجود در بمب‌ها در اثر تماس با پوست (و یا تنفس) منجر به سوختگی شدید پوست، ریه، اندام های داخلی بدن و استخوان‌ها می‌شود. گرمای حاصل از بمب هم دمایی در حدود 800 الی 1000 درجۀ سانتی‌گراد ایجاد می‌کند. به علاوه این که، دود سفید حاصل از انفجار بمب، منجر به کاهش دید سربازان می‌شود. امروزه استفاده از بمب‌های فسفری ممنوع شده است و این بمب به عنوان یک سلاح شیمیایی دسته‌بندی می‌شود.

مدل بور و آرایش الکترونی

 در مدل اتمی بور الکترون‌ها در مدارهایی به دور هسته در گردش هستند. این مدارها از سمت هسته به بیرون شماره‌گذاری می‌شوند و هر یک، ظرفیت (گنجایش) مشخص برای پذیرفتن الکترون دارند. اگر قواعد یافتن آرایش الکترونی در مدل بور را به خاطر ندارید، به نکات زیر توجه کنید:

ظرفیت هر مدار با شمارۀ n برابر 2n2 است.

آخرین مدار دارای الکترون (هر مداری که باشد) نمی‌تواند بیش از 8 الکترون در خود جای دهد.

زمانی تعداد الکترون در یک مدار الکترونی می‌تواند بیش از 8 باشد که مدار بیرونی تر، لااقل دارای 2 الکترون باشد.

جدول تناوبی عنصرها

دانشمندان علم شیمی از همان اوایل تولد این علم به دنبال دسته‌بندی عنصرها بودند تا بتوانند آنها را بهتر بررسی کنند و بشناسند. اولین کسی که این کار را اجرا کرد، لاووازیه فرانسوی بود که عنصرها را در چهار دسته از جمله فلزها و نافلزها قرار داد. بعد از او افراد زیادی اقدام به دسته‌بندی عنصرها کردند که از مهم‌ترین آنها می‌توان به «دوبراینر» اشاره کرد.

چند سال بعد (1870 میلادی) دمیتری مندلیف، شیمی‌دان اهل روسیه، یک جدول از عنصرهایی که تا آن زمان شناخته شده بودند، ارایه کرد. در این جدول عنصرها در دسته‌هایی (گروه‌هایی) با خواص مشابه قرار داشتند.

در حدود سال 1920 «هنری موزلی» اندکی جدول مندلیف را تغییر داد و «جدول تناوبی عنصرها» شکل گرفت که شکل امروزی آن را در زیر می‌بینید:

جدول تناوبی، یکی از مهم‌ترین ابزارهای یک شیمی‌دان است و اطلاعات بسیار زیادی دربارۀ رفتار شیمیایی عنصرها به ما می‌دهد؛ و همۀ این‌ها به خاطر نحوۀ چیدمان عنصرها در جدول است. به این شکل که در زیر توضیح داده شده است:

*در جدول تناوبی، عنصرها به ترتیب افزایش عدد اتمی به دنبال هم چیده شده‌اند. پس هر عنصر از عنصر قبلی خود یک پروتون بیشتر دارد. بنابراین در حالت خنثی، هر عنصر یک الکترون بیش از عنصر قبلی خودش در جدول دارد.

*عنصرها را طوری در سطرها و ستون‌ها کنار هم می چینیم که عنصرهای زیر هم، آرایش الکترونی مدار آخر مشابه داشته باشند.

جمع بندی جدول تناوبی

اتم‌ها از اتم سمت چپ خود یک الکترون بیش تر دارند، ولی تعداد مدارهای الکترونی یکسان دارند.
اتم‌ها از اتم بالایی خود یک مدار الکترونی بیشتر دارند، ولی تعداد الکترون آخرین مدارشان یکسان است. (به جز هلیم)
دو مورد بالا موجب می‌شود عنصرهایی که در یک گروه -در یک ستون و زیر هم- قرار دارند؛ رفتار شیمیایی مشابهی -و نه یکسان- داشته باشند. لازم است بدانید که جدول تناوبی عنصرها دارای 18 گروه و 7 دوره است.

لاووازیه عنصرها را در دسته‌های مختلف از جمله فلزها و نافلزها قرار داد. دسته‌بندی فلز و نافلز هنوز هم برای عنصرها به کار می‌رود. عنصرهای سمت چپ و میانه جدول را در دستۀ «فلزها» و عنصرهای سمت راست را در دستۀ «نافلزها» طبقه‌بندی می‌کنند. عنصرهای هر دسته شباهت‌های زیادی با هم دارند.

پلیمرها

رشته‌های مولکول‌های پلیمر در مواد مختلف، تا حدودی دارای چیدمان و نظم و جهت‌گیری مشخص هستند. متخصصان در زمینه مواد پلیمری از وضعیتی که در طبیعت بود، الهام گرفتند و سعی کردند تا تشکیل رشته‌های پلیمری را کاملاً تحت اختیار خود درآورند و موادی با ساختار مولکولی مهندسی‌شده ساختند. یک مثال آن را در ادامه خواهید دید. در بیشتر کشورها، صنایع دفاعی و نظامی اهمیت و گسترش زیادی دارند؛ طوری که بسیاری از اختراعات و اکتشافات امروزه دنیا، در این صنایع رخ می‌دهد. یکی از کاربردهای مهم برای پلیمرهای طبیعی و مصنوعی هم در همین حوزه کشف شد.

چندین سال پیش، دانشمندان از کشسان بودن تار عنکبوت برای تولید جلیقه ضد گلوله استفاده کردند. به این ترتیب که با برخورد گلوله به تودۀ تارهای عنکبوت درون جلیقه، این تارها کش می‌آمدند و کمی حالت خود را از دست می‌دادند، ولی پاره نمی‌شدند. پس گلوله نمی‌توانست از جلیقه رد شود و به بدن آن فرد آسیب وارد کند. اما مشکل این نوع جلیقه‌ها این بود که اگر به شکل اتفاقی، گلولۀ دیگری در همان محل گلوله قبلی به جلیقه اصابت می‌کرد؛ می‌توانست از جلیقه عبور کند.

نسل بعدی جلیقه های ضد گلوله، با لایه‌ای از پلیمرهای مصنوعی ساخته شد. این پلیمرها مولکول‌هایی شبیه تسبیح دارند! حالا فرض کنید یک گلوله با سرعت و انرژی زیاد به جلیقه اصابت می‌کند. انرژی گلوله به دانه‌های تسبیح منتقل می‌شود؛ آن‌ها به دور نخ تسبیح شروع به چرخیدن می کند و به تدریج انرژی خود را به شکل گرما از دست می‌دهند.

بازیافت پلاستیک‌ها

شاید واژۀ «پلی استایرن» را شنیده باشید. ظروف یک‌بار مصرف پلاستیکی و یونولیت (کائوچو) از نوعی پلیمر به نام پلی‌استایرن ساخته می‌شوند. این پلیمر ارزان است و به همین دلیل استفاده از آن رو به افزایش است. اما باید بدانید که پلی استایرن صدها سال بدون تغییر در طبیعت باقی می‌ماند. دانشمندان بسیاری به دنبال حل این مشکل بودند و به تازگی گروهی از آن‌ها توانستند نوعی کرم پیدا کنند که از پلی استایرن تغذیه می‌کند؛

کرم های پلاستیک خوار!

دانشمندان متوجه شدند که این کرم‌ها، اگر غذایی به جز پلی استایرن نداشته باشند، شروع به خوردن آن می‌کنند. آن‌ها پلی استایرن را توسط باکتری‌های موجود در بدن خود به موادی از جمله گاز کربن دی اکسید تبدیل می‌کنند. نکته قابل توجه این که وقتی دانشمندان باکتری‌ها را از بدن کرم‌ها خارج کردند، مقدار مصرف پلیمر توسط باکتری‌ها کاهش یافت. دانشمندان هنوز نتوانسته‌اند از این کرم‌ها در مقیاس وسیع استفاده کنند و حکایت در این زمینه هم چنان باقی است! البته روش دیگری هم برای خلاصی از شر زباله‌های پلاستیکی وجود دارد، ساخت پلاستیک‌های زیست تخریب پذیر.

برگرفته از پایگاه آموز