به نام خدا مهدي محمدياري سال سوم تجربي نام دبير=آقاي سلامي
شیمی آلی و شیمی معدنی
شيمي آلی قسمتی از علم شیمی است که بررسی هیدرو کربن ها می پردازد . به همین دلیل به آن شیمی ترکیبات کربن نیز گفته می شود . واژه گمراه کننده «آلی» یادگار روزهایی است که مواد شیمیایی را بسته به این که از چه منبعی به دست میآمدند، به دو دسته معدنی و آلی تقسیم میکردند.
مواد معدنی آنهایی بودند که از معادن استخراج میشدند و مواد آلی آنهایی که از منابع گیاهی یا حیوانی یعنی از موادی که توسط موجودات زنده تولید میشدند، به دست میآمدند.
در واقع تا پیرامون سال 1850 بسیاری از شیمیدانان معتقد بودند، که خاستگاه مواد آلی باید زیستارها (موجودات زنده) باشند و در نتیجه این مواد را هرگز نمیتوان از مواد معدنی سنتز نمود.
موادی که از منابع آلی به دست میآیند، در یک خصوصیت مشترکند: همه آنها دارای عنصر کربن هستند.
حتی پس از آن که مشخص شد این مواد لزوماً نبایستی از منابع زنده به دست آیند و میتوان آنها را در آزمایشگاه سنتز کرد، باز هم مناسبت داشت تا نام آلی برای توصیف آنها و موادی همانند آنها حفظ شود. این تقسیمبندی بین مواد معدنی و آلی تا به امروز حفظ شده است.
امروزه اگر چه هنوز بسیاری از ترکیبات کربن به آسانی از منابع گیاهی و جانوری بدست میآیند، ولیکن بسیاری از آنها نیز سنتز میشوند. از ترکیبات گاهی از مواد معدنی مانند کربناتها و سیانیدها سنتز میشوند ولی غالباً از سایر مواد آلی تهیه میگردند.
دو منبع بزرگ مواد آلی که از آنها مواد آلی ساده تأمین میشوند، نفت و ذغال سنگ است. (هر دو اینها از مفهوم قدیمی «آلی» بوده و فراورده کافت گیاهان و جانوران هستند). این ترکیبات ساده به عنوان مصالح ساختمانی، در ساختن ترکیبات بزرگتر و پیچیدهتر مصرف میشوند.
نفت و زغال سنگ سوختهای فسیلی هستند که در طی هزاران سال بر روی هم انباشته شده وغیر قابل جایگزینی هستند. این مواد - بویژه نفت - جهت رفع نیازهای انرژی که به طور دائم در حال افزایش است، با سرعت خطرناکی مصرف میگردند. امروزه کمتر از 10% نفت برای ساختن مواد شیمیائی مصرف میشود و قسمت اعظم آن برای تولید انرژی سوزانده میشود. خوشبختانه منابع دیگری برای ایجاد نیرو از قبیل منبع خورشیدی، گرمای زمین، باد، امواج، کشند و انرژی هستهای وجود دارد.
اما چگونه میتوان منبع دیگری به جای مواد آلی پیدا نمود؟ البته در نهایت باید به جایی که سوختهای سنگوارهای از آنجا ناشی میشوند یعنی توده زیستی برگشت نمود، اما این بار به طور مستقیم وبدون دخالت هزاران سال. توده زیستی قابل تجدید است و چنانچه به طور مناسب مصرف شود، تا زمانی که ما بر روی این سیاره بتوانیم وجود داشته باشیم آن هم باقی میماند. در ضمن میگویند که نفت با ارزشتر از آن است که سوزانده شود.
چه خصوصیتی در ترکیبات کربن وجود دارد که آنها را از ترکیبات مربوط به صد و چند عنصر دیگر جدول تناوبی متمایز میسازد؟ لااقل قسمتی از این جواب به نظر میرسد که چنین باشد: تعداد بسیار زیادی از ترکیبات کربن وجود دارند که مولکولهای آنها میتوانند بسیار بزرگ و پیچیده باشد.
تعداد ترکیباتی که دارای کربن هستند چندین برابر بیشتر از تعداد ترکیبات بدون کربن میباشد. این مواد آلی در خانوادههای مختلف قرار میگیرند، و معمولاً در بین مواد معدنی، همتایی ندارند.
مولکولهای آلی شامل هزاران اتم شناخته شدهاند، و ترتیب قرار گرفتن اتمها حتی در مولکولهای نسبتاً کوچک بسیار پیچیده است. یکی از مسایل اصلی در شیمی آلی، آگاهی از طرز قرار گرفتن اتمها در مولکولها و یا تعیین ساختمان ترکیبات است.
راههای زیادی برای شکستن این مولکولهای پیچیده و یا نوآرایی آنها برای ایجاد مولکولهای جدید وجود دارد؛ روشهای مختلفی برای اضافه نمودن اتمهای جدید به این مولکولها و یا جایگزین نمودن اتمهای جدید به جای اتمهای قدیم وجود دارد. بخش کلان شیمی آلی به پژوهش در مورد این واکنشها اختصاص دارد، یعنی تشخیص این که این واکنشها کدامند، چگونه انجام میشوند و چگونه میتوان از آنها برای سنتز یک ترکیب دلخواه استفاده نمود.
چه ویژگی در اتم کربن وجود دارد که میتوان این همه ترکیب را از آن ساخت؟ جواب این سوال را آگوست ککوله در سال 1854 در حالی که سوار بر اتوبوسی در لندن بود، یافت.
«در یک عصر دلپذیر تابستان با آخرین اتوبوس برمیگشتم؛ خیابانهای شهر بر خلاف بقیه ساعات که شلوغ و پر از جنب و جوش است، خلوت و آرام بود، در این حال من در خود فرورفتم! اتمها در برابر چشمانم به جست و خیز مشغول بودند ... من دیدم که چگونه همواره دو اتم کوچکتر با یکدیگر متحد شده، تشکیل زوج میدهند، چگونه یک اتم بزرگتر دو اتم کوچکتر را در آغوش میگیرند و چگونه اتم بزرگتر سه یا چهار اتم کوچکتر را نگاه میدارد، در عین حال همه آنها در جنبش و رقص بودند. من دیدم که چگونه بزرگترها زنجیری میساختند ... بخشی از شب را صرف نمودم تا چیزهایی را که در رؤیا دیده بودم بر روی کاغذ بیاورم». آگوست ککوله، 1890
اتمهای کربن میتوانند به میزانی که برای اتم هیچ عنصر دیگری مقدور نیست، به یکدیگر متصل شوند. اتمهای کربن میتوانند زنجیرهایی شامل هزاران اتم و یا حلقههایی با اندازههای متفاوت ایجاد نمایند؛ زنجیرها و حلقهها میتوانند دارای شاخه و پیوندهای عرضی باشند. به اتمهای کربن این زنجیرها و حلقهها، اتمهای دیگری که عمدتاً هیدروژن و همچنین فلوئور، کلر، برم، ید، اکسیژن، نیتروژن، گوگرد، فسفر و سایر اتمهای گوناگون میپیوندد.
هر آرایش مختلف از اتمها مربوط به ترکیب متفاوتی است، و هر ترکیب یک رشته ویژگیهای شیمیایی و فیزیکی ویژه خود را دارد. از این رو غیرمنتظره نیست که امروزه بیشتر از ده میلیون ترکیب شناخته شده کربن وجود داشته باشد و هر سال به این تعداد نیم میلیون ترکیب تازه افزوده گردد. تعجبآور نیست که بررسی این ترکیبات، رشته ویژه ای را در شیمی به خود اختصاص دهد.
شیمی آلی اهمیت فوقالعاده زیادی در تکنولوژی دارد و در واقع، شیمی رنگدانهها و داروها، کاغذ و جوهر، رنگهای نقاشی و پلاستیکها، بنزین و تایرهای لاستیکی است؛ همچنین، شیمی غذایی است که میخوریم و لباسی است که میپوشیم.
شیمی آلی شالوده زیست شناسی و پزشکی است. ساختمان موجودات زنده، به غیر از آب، عمدتاً از مواد آلی ساخته شدهاند؛ مولکولهای مورد بحث در زیست شناسی مولکولی همان مولکولهای آلی هستند. زیست شناسی در مقیاس مولکولی همان شیمی آلی است.
شاید دور از انتظار نباشد که بگوئیم ما در عصر کربن زندگی میکنیم. هر روزه، روزنامهها ذهن ما را متوجه ترکیبات کربن نظیر کلسترول و چربیهای اشباع نشده، هورمونها و استروئیدها، حشره کشها و فرومونها، عوامل سرطانزا و شیمی درمانی، DNA و ژنها مینمایند. به خاطر نفت، جنگها به راه افتاده است.
وقوع دو فاجعه بشریت را تهدید میکند و هر دو ناشی از تجمع ترکیبات کربن در جو است؛ یکی نازک شدن لایه ازون که عمدتاً به واسطه وجود کلروفلوئورو کربنها است و دیگری پدیده گلخانه که به خاطر حضور متان، کلروفلوئور و کربنها و سرآمد همه کربن دیاکسید است.
شاید به همین مناسبت بوده است که مجله Science در سال 1990، الماس را که یکی از فرمهای آلوتروپی کربن است به عنوان مولکول سال انتخاب کرده است. و مولکول آلوتروپ تازهیاب فولرن باکمینستر کربن 60 (buckminsterfullerene-C60) است که هیجان بسیاری را در دنیای شیمی ایجاد کرده است، هیجانی که از «زمان ککوله تاکنون» دیده نشده است.
در بحث شیمی آلی ، آموختن اعداد یونانی و پیشوند های اعداد یونانی به عنوان یک پیش نیاز مطرح می گردد . این اعداد در نام گذاری انواع هیدرو کربن ها مصرف دارند
مواد شیمیایی بطور عمده به دو گروه بزرگ مواد معدنی و مواد آلی تقسیم بندی میشوند. هر یک از این دو گروه ، در دو مبحث شیمی آلی و شیمی معدنی بررسی میشوند.
مواد شیمیایی آلی
در قدیم ، ماده آلی به مادهای اطلاق میگردید که بوسیله بدن موجودات زنده ساخته میشد. تا اینکه در سال 1828 ، "وهلر" (Wohler) دانشمند آلمانی ، برای اولین بار جسمی به نام اوره به فرمول CO(NH2)2 را در آزمایشگاه از یک ترکیب معدنی به نام ایزوسیانات تهیه نمود و از آن پس معلوم شد که میتوان مواد آلی را نیز در آزمایشگاه ساخت.
امروزه بیش از یک میلیون نوع ماده آلی شناخته شده است که بسیاری از آنها را در آزمایشگاهها تهیه میکنند. مواد آلی ، به مواد غیر معدنی گفته میشود و با مواد معدنی تفاوتهای کلی در چند مورد دارند.
مواد شیمیایی معدنی
اگر شیمی آلی به عنوان شیمی ترکیبات کربن ، عمدتا آنهایی که شامل هیدروژن یا هالوژنها به علاوه عناصر دیگر هستند، تعریف شود، شیمی معدنی را میتوان بطور کلی به عنوان شیمی عناصر دیگر در نظر گرفت که شامل همه عناصر باقیمانده در جدول تناوبی و همینطور کربن ، که نقش عمدهای در بیشتر ترکیبات معدنی دارد، میگردد.
شیمی آلی - فلزی ، زمینه وسیعی که با سرعت زیاد رشد میکند، به علت اینکه ترکیبات شامل پیوندهای مستقیم فلز - کربن را بررسی میکند دو شاخه را بهم مرتبط میسازد. همانطوری که میتوان حدس زد، قلمرو شیمی معدنی با فراهم کردن زمینههای تحقیقی اساسا نامحدود ، بسیار گسترده است.
مقایسه مواد آلی و مواد معدنی
مواد شیمیایی آلی و معدنی با همدیگر تفاوتهای کلی دارند که عبارتند از:
در تمام مواد آلی حتما کربن وجود دارد، در صورتی که مواد معدنی بدون کربن بسیارند. ضمنا در ترکیبات آلی ، اتمهای کربن میتوانند با یکدیگر ترکیب شوند و زنجیرهای طویل تشکیل دهند، در حالیکه این خاصیت در عناصر دیگر خیلی کمتر دیده میشود.
مقاومت مواد آلی در برابر حرارت از مواد معدنی کمتر است.
اغلب واکنشهای میان مواد آلی کند و دو جانبه یا تعادلی هستند، در صورتیکه اغلب واکنشهای معدنی تند میباشند.
در ترکیبات آلی ، ممکن است 2 یا چند جسم مختلف با فرمولهای ساختمانی مختلف ، دارای یک فرمول مولکولی باشند که در این صورت به آنها ایزومر یا همفرمول گفته میشود. مثلا الکل معمولی C2H5OH با جسمی به نام اتر اکسید متیل CH3OCH3 همفرمول یا ایزومر است. زیرا هر دو دارای فرمول بسته یا مولکولی C2H6O هستند، در صورتی که پدیده ایزومری در ترکیبات معدنی وجود ندارد.
تقسیم بندی مواد شیمیایی آلی
عناصر تشکیل دهنده ترکیبات شیمیایی آلی به ترتیب فراوانی مطابق زیر است:
فلزات , هالوژنها , C , H , O , N , S , P , As . فراوانترین چهار عنصر N , O , H , C عناصر اصلی سازنده مواد آلی به حساب میآیند. زیرا اغلب اجسام آلی از این چهار عنصر تشکیل یافتهاند و با توجه به همین مطلب ، مواد آلی را به چهار دسته کلی تقسیم میکنیم:
هیدروکربنهای ساده
ترکیباتی هستند که فقط از H , C درست شدهاند و به همین دلیل ، هیدروکربن شدهاند. آنها با فرمول کلی CxHy نمایش میدهند. بسته به اینکه y , x چه اعدادی باشند، هیدروکربنهای گوناگون یافت میشوند.
هیدروکربنهای اکسیژندار
ترکیباتی هستند که از O , H , C درست شده اند و با فرمول کلی CxHyOz نشان داده میشوند.
هیدروکربنهای نیتروژندار
ترکیباتی هستند که از N , H , C درست شدهاند و با فرمول کلی CxHyNt نشان داده میشوند.
هیدروکربنهای اکسیژن و نیتروژن دار
ترکیباتی هستند که علاوه بر H ، C ، اکسیژن و نیتروژن و با فرمول کلی CxHyOzNt نمایش داده میشوند.
مواد شیمیایی، موادیاند که ترکیبی خاص دارند. شیمیدانی به نام جوزف پراست این مفهوم را در سده ۱۸ پس از آزمایشها و کار روی ترکیباتی مانند مس کربنیت بکار برد. او نتیجه گرفت همهٔ نمونهها از یک ترکیب، یک نوع ساختمان دارند و این نمونهها از همهٔ ابعاد مانند یکدیگرند و این ابعاد مطابق با میزان عناصر موجود در ترکیب، متغیرند. این قضیه اکنون به قانون ثابت ترکیب مشهور است.
بعدها با پیشرفت روشها برای ترکیب شیمیایی، مخصوصا در شیمی آلی، کشف شمار بیشتری از عناصر شیمیایی و فراگیری فنون نو در تجزیه شیمیایی که از آن برای تصویه عناصر و ترکیبات از مواد شیمیایی بکار میبردند، راهنمایی برای پایهگذاری شیمی نوین بود. این مفاهیم در بسیاری از کتابهای شیمی تعریف شدهاند.
یک نمونهٔ رایج در تعریف مواد شیمیایی، آب است. این ماده همه جا ویژگی یکسان دارد و نسبت هیدروژن به اکسیژن آن همیشه به یک اندازه است؛ یعنی نمونه آن چه از رودخانه گرفته شود و چه در آزمایشگاه ساختهشود، یک ویژگی دارد. مواد شیمیایی که در یک فرآیند با هم واکنش میدهند دیگر نمیتوانند از هم جدا شوند و در طبیعت مواد شیمیایی که خالص یافت شوند بسیار نادر هستند. شماری از این نوع مواد شیمیایی عبارتند از: الماس، طلا، سدیم کلرید و شکر (ساکارز). بطور کلی مواد شیمیایی از سه نوع جامد، مایع و گاز تشکیل میشوند و ممکن است که مواد شیمیایی با تغییر فشار و حرارت به شکلهای مختلف خود درآید.
انبار كردن مواد شيميايي
شيوه صحيح نگهداري مواد شيميايي هميشه يكي از مطالب بسيار با اهميت است
مواد شيميايي كه به شيوه ناصحيح در كنار همديگر نگهداري مي شوند ممكن است با همديگر واكنش داده و محصولات خطرناك توليد كنند.
گاهي اوقات نگهداري ناصحيح مواد شيميايي علاوه بر آلودگي، باعث هدررفتن مواد و كاهش خواص و اثرات مواد شيميايي مي شود.
رعايت نكات ذيل مي توان خطرات ناشي از ناسازگاري مواد را حذف كند:
- ازنگهداري اسيدها در مجاورت بازها يا فلزات فعال مانند سديم- پتاسيم و منيزيم خودداري كنيد.
-از نگهداري جامدات يا اسيدهاي اكسيدكننده در مجاورت اسيدهاي آلي و مواد قابل اشتعال اجتناب نمائيد
-از نگهداري موادي كه با آب واكنش مي دهند در اطراف سينك دستشويي يا نزديكي محلولهاي آبي خودداري كنيد
-از نگهداري اسيدها در مجاورت موادي كه در تماس با آنها گازهاي سمي توليد مي كنند اجتناب كنيد (مانند سديم سيانيد- سولفيد آهن )