مهندسی شيمی و نفت

[فلفل نمك]

شناسایی رادیکالها

تعریف کلی
در ساده ترین تعریف می‌توان چنینی اظهار نمود که رادیکال آزاد، هر یک از مولکولها و اتمهایی است که دارای یک الکترون جفت نشده باشند. . ولی باید توجه داشت که مولکولهایی مانند اکسید نیتریک و اکسیژن نیز از این قاعده پیروی می‌کنند، لکن بصورت عادی نمی‌توانند از باب رادیکالهای آزاد مطرح باشند بنابراین این اصطلاح (یعنی رادیکال آزاد) شامل مولکولهای عادی پایدار نمی‌شود.

نگاه کلی
از جمله رادیکالهای آزاد ساده می‌توان به CH3 ,CN ,OH ,Cl ,H اشاره کرد. چنین رادیکالهایی از اهمیت فوق العاده‌ای در واکنشهای گرمایی و فتوشیمیایی، پلیمریزاسیون و احتراق برخوردارند. آنها در هر دو فاز مایع و گازی دارای اهمیت می‌باشند، لکن به هر حال دستگاههای فاز گازی بسیار ساده تر بوده و تفسیر قاطعانه‌تری را اجازه می‌دهند. با وجود این حتی در فاز گازی، روشهای تجربی بناچار پیچیده و غیر مستقیم هستند، زیرا موادی با چنین طول عمر کوتاه (معمولا کمتر از 3- 10 ثانیه) را نمی‌توان در غلظتهای زیاد تهیه کرد. بنابراین چنین عواملی، امکان تهیه، ارزیابی و شناسایی رادیکالها را با اشکالات بسیار زیاد مواجه می‌سازد. لکن، وجود زودگذر چنین اتمها و رادیکالهایی توسط مطالعات اسپکتروسکوپی و یا روشهای شیمیایی ثابت شده است.

روشهای شناسایی رادیکالها
اولین روشهای شناسایی رادیکالها، مستلزم در نظر گرفتن خواص شیمیایی آنها بوده است. بعدها از روش های مطمئن تری مانند طیف سنجی جذبی و طیف سنجی جرمی استفاده شد.

روشهای شیمیایی
ازاله آئینه (mirror removal method):
اولین روشی که در مورد رادیکال متیل بوسیله پانت " Paneth " مورد استفاده قرار گرفته، روشی تحت عنوان ازاله آئینه "mirror removal method" بوده است.
در این روش، ابتدا رادیکالها بوسیله تجزیه گرمایی در یک سیستم جریان بسیار سریع با استفاده از یک گاز حامل بی‌اثر، تهیه می‌شوند. سپس جریان حاصله از رادیکالها، همراه با آن گاز حامل توسط وسیله‌ای (بعنوان مثال یک لوله) از روی آئینه نازکی که در روی دیواره آن سرب بصورت لایه‌ای ریخته شده است، عبور داده می‌شود. در این حال در اثر حضور رادیکالها، خاصیت آئینه سربی از میان برداشته می‌شود که بصورت قطعی ثابت شده است که در اثر تشکیلPb(CH3)4 و محققا در اثر واکنش رادیکالهای CH3 با سرب صورت پذیرفته است. بدین روش بسیاری از رادیکالها مورد شناسایی قرار گرفته‌اند اما با توجه به اشتباهات مشاهده شده، این روش در حد وسیعی متوقف شده است.

گیراندازی رادیکالها:
روش شیمیایی دیگری که برای شناسایی رادیکالها وجود دارد تحت عنوان " گیراندازی رادیکالها " موسوم است.
در این روش به یک سیستم فتوشیمیایی، ید افزوده می‌شود و در نتیجه واکنش های سریع زیر رخ می‌دهد:

R. + I2 <------> RI + .I
R. + .I <------> RI

در این حال تحت شرایط مناسب، امکان برداشتن کلیه رادیکالهای موجود به توسط آن سیستم و به دام اندازی آنها بصورت یدیدها وجود دارد. ثابت شده است که این روش در پیوستگی با سایر اطلاعاتیکه امکان تهیه آنها وجود دارد بسیار سودمند است، لکن باید توجه داشت که درصورت عدم احتیاطهای لازم، امکان اشتباهات وجود دارد.

روش طیف‌بینی جذبی (absorption spectroscopy)
روش طیف‌بینی جذبی، روش ساده ای است که از آن در سالهای اخیر بصورت موفقیت آمیزی برای شناسایی اتم های آزاد استفاده شده است. اخیرا از این روش با موفقیت در زمینه شناسایی CN ,NH2 ,NH ,OH ,CF2 ,CF ,CH ,CHO ,CH3O ,C2 ,C3 ,NCO ,NCS ,CH3S ,HNO3 ,PH2 ,CH3 و بسیاری از رادیکالهای دیگر با درجات متفاوت از نظر اطمینان استفاده گردیده است.
با بوجود آمدن فتولیز درخشی "FLASH PHOTOLYSIS" که بتوسط آن، امکان دارد مقدار زیادی از انرژی یک گاز طی زمان کوتاهی جذب شود، پیشرفت بسیاری زیادی در زمینه شناسایی رادیکالها با استفاده از طیف بینی جذبی حاصل شد.
در یکی از انواع جالب توجه این روش، یک ترکیب آلی بلوری تحت دمای کم، با نور تجزیه شده و رادیکالهای تشکیل شده در یک ماتریس منجمد شده محبوس می‌شوند. در این حال، رادیکالها دارای طول عمر زیادی بوده و طیف اتمها براحتی قابل استفاده می‌باشند.

طیف‌سنجی جرمی (mass spectrometry)
قطعی‌ترین و دقیق‌ترین روش شناسایی و ارزیابی غلظت رادیکالها را در طیف‌سنجی جرمی باید جستجو کرد.
در این روش یک سیستم جریان سریع به صورتی مورد استفاده واقع می‌شود که طی آن رادیکالها به روش گرمایی یا فتوشیمیایی تهیه می‌شوند. سپس جریان گاز مورد نظر از درون سوراخ طیف سنج و یا اسپکترومتر جرم مورد عمل امتحان واقع می‌گردد. در این عمل یک انرژی الکترونی بصورتی مورد استفاده قرار می‌گیرد که رادیکالهای مورد نظر یونیزه شده، لکن مولکولهای پایدار تفکیک نشوند. هر یک از یونهای رادیکالی که در روش طیف سنج جرم تشخیص داده می‌شوند، می‌باید از رادیکالهایی که قبلا در گاز مورد نظر موجود بوده اند. تحصیل گردند و بدین روش شناسایی مستقیم و دقیق رادیکالها امکان پذیر می‌شود.
همچنین لازم به تذکر است که در شرایط مساعد، از این روش می‌توان به منظور ارزیابی کمی غلظت رادیکالها استفاده کرد.
در نهایت، در ارزیابی دقیق واکنشهای فتوشیمیایی، غالبا امکان برقراری مکانیزمی که مستلزم مجموعه ای از مراحل رادیکال آزاد، خارج از هر گونه ایهام منطقی باشد، میسر است.
بنابراین هنگامی که این موضوع امکان پذیر شود، ارزیابی وجود و غلظت رادیکالها با آن دقتی که از هر یک از روشهای ارزیابی مستقیم متصور است، انجام می‌پذیرد.

[فلفل نمك]

آلاینده های شیمیایی هوا

مقدمه کلی
آلاینده‌ها بر حسب ترکیب شیمیایی‌شان ، به دو گروه آلی و معدنی تقسیم می‌شوند. ترکیبات آلی حاوی کربن و هیدروژن هستند. برخی از ذرات آلی که بیش از سایر ذرات آلی در اتمسفر یافت می‌شوند، عبارتند از: فنلها ، اسیدهای آلی و الکلها. معروفترین ذرات معدنی موجود در اتمسفر عبارتند از نیتراتها ، سولفاتها و فلزاتی مانند آهن ، سرب ، روی و وانادیم.

منابع آلاینده‌ها
هوا دارای آلاینده‌های طبیعی نظیر هاگهای قارچها ، تخم گیاهان ، ذرات معلق نمک و دود و ذرات غبار حاصل از آتش جنگلها و فوران آتشفشانهاست. همچنین هوا حاوی گاز منوکسید کربن تولید شده به شکل طبیعی (CO) حاصل از تجزیه متان (CH4) و هیدروکربنها به شکل ترپنهای ناشی از درختان کاج ، سولفید هیدروژن (H2S) و متان (CH4) حاصل از تجزیه بی‌هوازی مواد آلی می‌باشد.
منابع آلاینده‌ها را بطور کلی می‌توان در چهار گروه اصلی طبقه بندی کرد: شامل وسائط نقلیه موتوری ، وسائط نقلیه هوایی ، ترنها ، کشتی‌ها و هر نوع استفاده و یا تبخیر بنزین ، در بر گیرنده تامین انرژی و حرارت لازم برای مقاصد مسکونی ، تجاری و صنعتی ، نیروگاههای مولد برق که با نیروی بخار کار می‌کنند، مانند صنایع شیمیایی ، متالوژی ، تولید کاغذ و پالایشگاههای تصفیه نفت ، شامل زایدات ناشی از مصارف خانگی و تجاری ، زایدات زغال سنگ و خاکستر باقیمانده از سوزاندن بقایای کشاورزی.

هیدروکربنها
ترکیبات آلی که تنها دارای هیدروژن و کربن هستند، به نام هیدروکربن نام می‌گیرند که بطور کلی به دو گروه آلیفاتیک و آروماتیک تقسیم می‌شوند.

هیدروکربنهای آلیفاتیک
گروه هیدروکربنهای آلیفاتیک شامل آلکانها ، آلکنها و آلکینها هستند. آلکانها عبارتند از: هیدروکربنهای اشباع شده که در واکنشهای فتوشیمیایی اتمسفر نقش ندارند. آلکنها که معمولا به نام اولفین‌ها خوانده می‌شوند، اشباع نشده هستند و در اتمسفر از لحاظ فتوشیمیایی تا حدودی فعال‌اند. این گروه در حضور نور خورشید با اکسید نیتروژن در غلظتهای زیاد واکنش نشان می‌دهند و آلاینده‌های ثانوی مانند پراکسی استیل نیترات (PAN) و ازن (O3) را بوجود می‌آورند. هیدروکربنهای آلیفاتیک تولید شده تا حدود (326mg/m3) برای سلامت انسان و جانوران خطرساز نیست.

هیدروکربنهای آروماتیک
هیدروکربنهای آروماتیک که از لحاظ بیوشیمیایی و بیولوژیکی فعال و برخی از آنها بالقوه سرطانزا هستند، یا از بنزن مشتق شده‌اند و یا به آن مربوط می‌شوند. افزایش میزان ابتلا به سرطان ریه در نواحی شهری به هیدروکربنهای چند هسته‌ای خارج شده از اگزوز اتومبیل‌ها نسبت داده شده است. بنزوپیرین ، سرطانزاترین هیدروکربنهاست. بنزاسفنانتریلین ، بنزوانتراسین و کریزین هم مواد سرطانزای ضعیف‌اند.

منابع هیدروکربنها
میل‌لنگها و کاربراتورها ، بیشترین درصد آزادسازی هیدروکربنها را به خود اختصاص داده‌اند. تجهیزات سوزاننده مکمل که با کاتالیست کار می‌کنند، هیدروکربنها را آزاد کرده و منوکسید کربن را سوزانده و تولید CO2 و آب می‌نمایند.

تکنولوژی کنترل هیدروکربنهای متصاعد شده از منابع ساکن
تکنولوژی کنترل هیدروکربنهای متصاعد شده از منابع ساکن عبارتند از: خاکستر سازی ، جذب ، تراکم و جایگزین نمودن سایر مواد.
فرآیند خاکسترسازی با دستگاههای سوزاننده مکمل و دستگاههای سوزاننده مکمل کاتالیستی صورت می‌گیرد. جذب سطحی توسط کربن فعال صورت می‌گیرد و جذب هیدروکربنها بوسیله یک محلول شوینده در برجهای سینی‌دار ، شوینده‌های جت و برجهای آکنه ، برجهای پاشنده و شوینده‌های ونتوری صورت می‌گیرد.

منوکسید کربن
گاز منوکسید کربن ، بیرنگ ، بی‌مزه و بی‌بو است و در شرایط عادی از لحاظ شیمیایی بی‌اثر و طول عمر متوسط آن در اتمسفر حدود 2.5 ماه است. در حال حاضر مقدار منو اکسید کربن در اتمسفر بر روی اموال انسانی ، گیاهان و اشیا بی‌اثر یا کم‌اثر است. در غلظتهای زیاد منو کسید کربن ، به علت تمایل زیاد به جذب هموگلوبین می‌تواند در متابولیسم تنفسی انسان بطور جدی اختلال ایجاد نما‌ید.
غلظت منوکسید کربن در نواحی متراکم شهری که ترافیک سنگین و حرکت خودروها کند است، به میزان قابل توجهی افزایش می‌یابد. منابع کربن ، منوکسید کربن طبیعی و انسانی هستند. طبق گزارش آزمایشگاه ملی آرگون ، در اثر اکسیداسیون گاز متان حاصل از مرگ گیاهان سالانه 13.2 میلیون تن CO وارد طبیعت می‌شود. منبع دیگر تولید این ماده ، متابولیسم انسانی است بازدم شخصی که در حال استراحت است بطور تقریبی حاوی CO ، 1ppm است.
استانداردهای کنترل منوکسید کربن
آنگاه که مقدار منوکسید کربن در مدت زمان کوتاهی به حد مرگبار می‌رسد و شرایط اضطراری می‌شود، برای مقابله با چنین شرایطی که مقدار CO بطور متوسط در مدت زمان 8 ساعت به (46mg/m3 (40ppm می‌رسد،عملیات شدید کنترلی انجام می‌شوند که عبارتند از: متوقف ساختن کارخانه‌های صنعتی و مسدود نمودن جاده‌هایی که در آنها معمولا ترافیک سنیگن وجود دارد. جذب سطحی ، جذب ، میعان و احتراق روشهای فنی کنترل CO هستند.

اکسیدهای گوگرد
این اکسیدها شامل 6 ترکیب مختلف گازی هستند: منوکسید سولفور (SO) ، دی‌‌اکسید سولفور (SO2) ، تری‌اکسید سولفور (SO) تترا اکسید سولفور (SO4) ، سکو اکسید سولفور (SO2) و هپتو اکسید سولفور (S2O7). در مطالعه آلودگی هوا ، دی‌اکسید سولفور و تری‌اکسید سولفور حائز بیشترین اهمیت است. با توجه به پایداری نسبی SO2 در اتمسفر این کار می‌تواند به عنوان یک عامل اکسید کننده و یا احیا کننده وارد عمل شود.
SO2 که با سایر اجزای موجود در اتمسفر به شکل فتوشیمیایی یا کاتالیستی وارد واکنش می‌شود، می‌تواند قطرات اسید سولفوریک (H2SO4) و نمکهای اسید سولفوریک را تولید بکند. SO2 با آب وارد واکنش شده ، تولید سولفورو اسید می‌نماید. این اسید ضعیف با بیش از 80% SO2 آزاد شده در اتمسفر ناشی از فعالیتهای انسانی به سوزاندن سوختهای جامد و فسیلی مربوط می‌شود.

استانداردهای کنترل اکسیدهای ‌سولفور
روشهای گسترده جهت کنترل اکسید سولفور عبارتند از: بکارگیری سوختهای دارای گوگرد کمتر ، جداسازی گوگرد از سوخت ، جایگزین ساختن منابع انرژی‌زای دیگر ، تبدیل زغال سنگ به مایع یا گاز ، پاکسازی محصولات حاصل از احتراق.

اکسیدهای نیتروژن
شامل منوکسید نیتروژن (NO) ، دی‌اکسید نیتروژن (NO2) ، نیترو اکسید (N2O) نیتروژن سیسکواکسید (N2O3) ، نیتروژن تترااکسید (N2O4) و نیتروژن پنتواکسید (N2O5) هستند.
دو گاز مهمی در معادلات آلودگی هوا مهم‌اند عبارتند از: اکسید نیتریک (NO) و دی‌اکسید نیتروژن ، دی‌اکسید نیتروژن که از هوا سنگینتر و در آب محلول است، در آب تشکیل اسید نیتریک و یا اسید نیترو و یا اکسید نیتریک (NO) می‌دهد. اسید نیتریک و اسید نیترو در اثر بارندگی به سطح زمین سقوط کرده ، یا با آمونیاک موجود در اتمسفر (NH3) ترکیب شده آمونیم نیترات (NH4NO3) بوجود می‌آورد.
در این مواقع 2NO از اجزای غذایی گیاهان را تشکیل می‌دهد. NO2 یکی از اجزای غذایی گیاهان را تشکیل می‌دهد. NO2 که در دامنه تشعشع فوق‌بنفش جاذب خوب انرژی به شمار می‌رود، در تولید آلاینده‌های ثانوی هوا از قبیل ازن O3 نقش مهمی دارد مقدار NO آزاد شده در اتمسفر به مراتب بیش از مقدار NO2 آزاد شده است. NO در فرآیندهای احتراقی با دمای زیاد و در اثر ترکیب نیتروژن و اکسیژن بوجود می‌آید.

منابع اکسیدهای نیتروژن
برخی از اکسیدهای نیتروژن به صورت طبیعی و برخی به صورت انسانی ایجاد می‌شوند. در اثر آتش‌سوزی جنگل مقدار اندکی NO2 ایجاد می‌شود. تجزیه باکتریایی مواد آلی نیز سبب آزاد شدن NO2 در اتمسفر می‌شود. در واقع منابع تولید کننده NO2 بطور طبیعی تقریبا 10 برابر منابع انسانی که در نواحی شهری دارای تراکم و غلظت هستند می‌باشد. بخش عمده NO2 تولید شده از منابع انسانی مربوط به احتراق سوخت در منابع ساکن و حرکت وسائط نقلیه می‌باشد.

استانداردهای کنترل اکسیدهای نیتروژن
بطور کلی اغلب اندازه گیریهای کنترلی برای NO2 آزاد شده در راستای محدود ساختن شرایط احتراق و کاهش تولید NO2 و همچنین استفاده از تجهیزات متنوع برای حذف NO2 از جریان گازهای خروجی انجام می‌شوند.

اکسید کننده‌های فتوشیمیایی
اکسید ‌کننده‌ها یا اکسید کننده‌های کامل دو عبارتی هستند که برای توصیف مقادیر اکسید ‌‌کننده‌های فتوشیمیایی بکار می‌روند و معمولا نشان‌دهنده قدرت اکسید کنندگی هوای اتمسفر می‌باشند. ازن (O3) که اکسید‌ کننده فتوشیمیایی اصلی است، در حدود 90 درصد از اکسید کننده‌ها را بخود اختصاص می‌دهد. سایر اکسید کننده‌های فتوشیمیایی مهم در کنترل آلودگی هوا عبارتند از: اکسیژن نوزاد (O) ، اکسیژن مولکولی برانگیخته (O2) ، پروکسی آسیل نیترات (PAN) ، پروکسی پروپانول نیترات (PPN) ، پروکسی بوتیل نیترات (PBN) ، دی اکسید نیتروژن (NO2) ، پراکسید هیدروژن (H2O2) و الکیل نیتراتها.

اثرات اکسید‌کننده‌ها
اثرات اکسید‌کننده‌ها بر سلامتی انسان می‌تواند موجب سرفه ، کوتاهی نفس ، گرفتگی راه عبور هوا ، گرفنگی و درد قفسه سینه ، عملکرد نامناسب ششها ، تغییر سلولهای قرمز خون ، آماس خشک و سوزش چشم ، بینی و گلو شوند. اکسید ‌کننده‌های اصلی که به گیاهان آسیب می‌رسانند، عبارتند از PAN , O3 که از خلال روزنه‌های موجود در برگ وارد گیاه شده و در متابولیسم سلول گیاهی دخالت می‌کنند. علائم بوجود آمده از تماس گیاه با PAN عبارتند از: برونزه شدن ، براق شدن و نقره‌ای شده سطح زیرین برگها.
تماس متناوب اکسید ‌کننده‌ها با گیاهان موجب کاهش محصولات می‌شود. اکسید‌ کننده‌ها به سرعت با رنگها ، الاستومرها (اکسید ‌کننده‌ها) الیاف پارچه‌ای و رنگهای نساجی واکنش نشان داده ، آنها را اکسید می‌کند.

استانداردهای کنترل اکسید ‌کننده‌ها
این نکته روشن شده است که حتی اگر هیچ هیدروکربنی در اتمسفر وجود نداشته باشد، تا زمانی که CO و NO2 حضور دارند، مقادیر قابل ملاحظه‌ای از ازن می‌تواند تولید شود. در حال حاضر علیرغم کوششهای منظم بر روی کنترل CO ، هیدروکربنها و NO2 مقادیری از این آلاینده‌ها که برای ایجاد ازن فتوشیمیایی کافی هستند، همچنان در اتمسفر وجود دارد.

[فلفل نمك]

مایع شدن گازها

اطلاعات اولیه
مایع شدن گازها در شرایطی صورت می‌گیرد که نیروهای جاذبه بین مولکولی بتوانند موجب پیوستن مولکولهای گاز به یکدیگر شوند و آن را بصورت مایع در آورند. اگر فشار زیاد باشد، مولکولها به یکدیگر نزدیک هستند و اثر نیروهای جاذبه همراه در تعارض با حرکت مولکولهای گاز است، پس دمای پایین که در آن ، انرژی جنبشی متوسط مولکولها کم است، به مایع شدن کمک می‌کند.
هر چه دما پایین‌تر رود و فشار فزونی پذیرد، رفتار یک گاز ، بیش از پیش از وضع ایده‌آل دورتر می‌شود و با تغییر بیشتر این شرایط ، در نهایت گاز به مایع تبدیل می‌شود.

دمای بحرانی
هر چه دمای گاز بالاتر باشد، مایع شدن آن مشکل‌تر است و باید فشار بالاتری اعمال شود. برای هر گاز ، دمایی وجود دارد که بالاتر از آن ، هر چند هم فشار را زیادتر کنیم، مایع شدن آن گاز ناهمگن است. این دما را دمای بحرانی آن گاز می‌نامند.

فشار بحرانی
فشار بحرانی ، کمترین فشار لازم برای مایع کردن یک گاز در دمای بحرانی آن است.

اثر دمای بحرانی
دمای بحرانی یک گاز ، نشانه ای از قدرت نیروهای جاذبه بین مولکولی آن گاز است. ماده ای که نیروهای جاذبه ضعیف دارد، دارای دمای بحرانی پایین است؛ بالاتر از این دما ، حرکت مولکولی آن قدر شدید است که نمی‌گذارد نیروهای نسبتا ضعیف بین مولکولی ، مولکولها را در حالت مایع نگه دارد. اندازه نیروهای جاذبه بین مولکولی نیز با همین ترتیب زیاد می‌شود.
هلیم که نیروهای جاذبه ضعیف دارد، فقط در پایین‌تر از 3,5k می‌تواند به صورت مایع وجود داشته باشد. اما آب که دارای نیروهای جاذبه قوی است، می‌تواند تا دمای 2,647k به مایع تبدیل شود. از ثابت‌های بحرانی برای برآورد ثابتهای معادله وان‌دروالسی استفاده شده است.

شرایط مایع کردن گازها
پیش از آنکه بتوانیم بسیاری از گازها را مایع کنیم، لازم است آنها را تا پایین‌تر از دمای معمولی ( حدود 295k ) سرد کنیم. در مایع کردن گازها به روش صنعتی ، از اثر ژول - تامسون برای سرد کردن آنها استفاده می‌شود. هرگاه گاز متراکم شده ای را بگذاریم منبسط شود و به فشار پایین‌تری برسد، گاز سرد می‌شود. به هنگام انبساط در مقابل نیروهای جاذبه بین مولکولی کار صورت می‌گیرد. انرژی مصرف شده برای انجام این کار باید از انرژی جنبشی خود مولکولها گرفته شود. از این رو دمای گاز کاهش می‌یابد. این اثر در سالهای 1852 تا 1862 بوسیله "ژول" و "ویلیام تامسون" (لرد کلوین) مورد بررسی قرار گرفته است.

مراحل مایع شدن هوا
مایع شدن هوا بدین ترتیب صورت می‌گیرد که نخست هوای سرد متراکم شده را منبسط می‌کنند تا دمای هوا به سطح پایین‌تری برسد. این هوای سرد شده را برای سرد کردن هوای متراکم شده ای که وارد می‌شود، بکار می‌گیرند. انبساط این هوای متراکم شده ، منتج به حصول دمای پایین‌تر می‌شود. هوای سرد منبسط شده بار دیگر به اتاق تراکم بازگردانده می‌شود و سرانجام از سرد کردن و تراکم پی در پی ، هوای مایع حاصل می‌شود.

[فلفل نمك]

تقارن در شیمی

دید کلی
اکثر خوانندگان این مقاله ، حداقل مفهوم کیفی واژه تقارن را می‌دانند. تقارن در دنیای طبیعی و همین‌طور در ابداعات بشری پدیده ای آشناست. در طبیعت ، انوع زیادی از گلها و گیاهان ، دانه‌های برف ، حشرات ، بعضی میوه‌ها و سبزی‌ها ، انواع گسترده ای از حیوانات و گیاهان میکروسکوپی ، تقارن خاص خودشان را به نمایش می‌گذارند. اساس بسیاری از شاهکارهای مهندسی ، درجه ای از تقارن است که جذابیت آنها را افزایش می‌دهد.
تقاطعهای اتوبانها ، اهرام باستانی مصر و برج ایفل نمونه ای از آنهاست. مفاهیم تقارن می‌توانند به مقدار خیلی زیادی در شیمی ، مفید باشند. از طریق تجزیه و تحلیل خواص تقارنی مولکولها ، می‌توان طیف زیر قرمز را پیش‌بینی کرد، انواع اوربیتالهای مورد استفاده را در پیوند شرح داد و تعدادی از خواص جنبی مولکولها را مطالعه کرد.

عناصر و اعمال تقارن
همه مولکولها را می‌توان بر حسب تقارنهای آنها تعریف کرد، حتی اگر فقط بگوییم که آنها ، هیچ تقارنی ندارند. مولکولها یا اجسام دیگر ممکن است دارای عناصر تقارن نظیر صفحه‌های آینه‌ای ، محورهای چرخشی و مراکز وارونگی باشند. انعکاس ، چرخش یا وارونگی واقعی را عمل تقارن می‌نامند. اکثر این عناصر و اعمال تا اندازه ای آشنا هستند، اما برای کاربردهای عملی در شیمی باید کاملا با آن آشنا شد.
برای اینکه مولکولی ، عنصر تقارن معینی را داشته باشد، شکل ظاهری آن بعد از عمل تقارن که از زاویه یکسانی از مولکول گرفته شده است (اگر چنین عکسهایی امکان پذیر باشند) باید غیرقابل تشخیص باشند. اگر بعد از انجام یک عمل تقارنی ، مولکول حاصل به هر طریقی از مولکول اولیه قابل تشخیص باشد، در آن صورت ، آن عمل ، جزو اعمال متقارن مولکول نیست.

عمل یکسانی (E)
اولین عمل ، عمل یکسانی (E) است که به‌منظور تکمیل مجموعه اعمال ریاضی گنجانده شده است. این عمل ، هیچ تغییری در مولکول ایجاد نمی‌کند. هر مولکولی ، یک عمل یکسانی دارد، حتی اگر هیچ تقارنی نداشته باشد.

عمل انعکاسی (σ)
عمل بعدی ، عمل انعکاسی (σ) ، موقعی وجود دارد که مولکول ، دارای یک صفحه آینه‌ای باشد. اگر جزئیاتی نظیر آرایش موها و محل اندامهای داخلی را در نظر نگیریم، بدن انسان دارای یک صفحه آینه‌‌ای چپ – راست می‌باشد. بسیاری از مولکولها ، صفحه آینه‌ای دارند، اگرچه ممکن است در نگاه اول آشکار نباشد. عمل انعکاس ، جای چپ و راست را عوض می‌کند، مانند اینکه هر نقطه به‌طور عمود از میان صفحه به موقعیتی دقیقا در همان فاصله از صفحه که در آغاز بود، حرکت کرده است.
مولکولها می‌توانند به هر تعدادی صفحه آینه‌ای داشته باشند. اجسام خطی نظیر یک مداد چوبی گرد یا مولکولهای همچون استیلن و کربن دی‌اکسید دارای تعداد نامحدودی صفحه آینه‌ای هستند که همه آنها دربرگیرنده محور مرکزی جسم می‌باشند.

عمل چرخشی (Cn)
عمل چرخشی که چرخش متعارف نیز نامیده می‌شود، مستلزم چرخش به اندازه 360بر n درجه حول محور چرخش است. CHCl3 نمونه ای از مولکولهایی است که دارای محور درجه سه (C3) می‌باشند و در آن ، محور چرخش بر محور پیوند C-H منطبق است. اگر چرخش C3 دوبار پشت سرهم انجام می‌گیرد، یک چرخش جدید ˚240حاصل می‌شود که با C23 نشان داده شده و جزو اعمال تنقارن مولکولی نیز می‌باشد.
سه عمل متوالی C3 برابر عمل یکسانی است (C33=E) که در همه مولکولها وجود دارد. بسیاری از مولکولها و اجسام دیگر محورهای چرخش متعددی دارند.

دانه‌های برف
دانه‌های برف ، نمونه‌هایی در این مورد هستند، با شکلهای پیچیده ای که معمولا شش گوشه‌ای تقریبا مسطح است. خطی که عمود بر صفحه دانه برف از مرکز آن گذشته ، دربرگیرنده یک محور درجه دو (C2) ، یک محور درجه سه (C3) و یک محور درجه شش (C6) است. دقت کنید که چرخش به اندازه ˚240 (C23) و ˚300 (C56) نیز جزو اعمال تقارن دانه برف می‌باشند.
همچنین دو مجموعه سه‌تایی دیگر از محورهای C2 در صفحه دانه برف وجود دارد که یک مجموعه از نقطه‌های متقابل و مجموعه دیگر از وسط اضلاع میان نقطه‌ها می‌گذرد. در مولکولهای دارای بیش از یک محور چرخشی ، محور Cn دارای بزرگترین مقدار n ممکن به‌عنوان محور چرخش با بزرگترین مرتبه یا محور اصلی تعیین می‌شود.
محور چرخش با بزرگترین مرتبه در دانه برف ، محور C6 است. (در موقع انتقال به مشخصات کارتزین ، محور Cn با بزرگترین مرتبه معمولا به‌عنوان محور Z انتخاب می‌شود). در صورت لزوم ، محورها C2 عمود بر محور اصلی را با پریم مشخص می‌کنند. یک تک پریم نشان می‌دهد که محور از داخل چندین اتم مولکول می‌گذرد، در حالی‌که یک جفت پریم نشان می‌دهد که محور از بین اتمها می‌گذرد.

عمل وارونگی (i)
این عمل ، کمی پیچیده‌تر است. هر نقطه از وسط مرکز مولکول به موقعیتی مقابل موقعیت اولیه حرکت می‌کند، به‌طوری‌که فاصله اش از نقطه مرکزی برابر با فاصله ای باشد که در آغاز داشت. اتان در حالت صورتبندی نامتقابل نمونه ای از مولکولهایی است که دارای مرکز وارونگی می‌باشند. بسیاری از مولکولها که در نگاه اول به نظر می‌رسد مرکز وارونگی دارند، فاقد آن هستند. متان و مولکولهای چهار وجهی دیگر ، نمونه‌هایی از این مولکولها هستند.
اگر دو اتم هیدروژن یک مدل متان در صفحه عمودی سمت راست و دو اتم هیدروژن دیگرش در صفحه افقی در چپ نگاه داشته شود، عمل وارونگی دو هیدروژن واقع در صفحه افقی را به سمت راست و دو هیدروژن واقع در صفحه عمودی را به سمت چپ منتقل می‌کند. پس متان ، عمل وارونگی ندارد، چون جهت‌گیری مولکول پس از عمل i با جهت‌گیری اولیه متفاوت است.
بطور کلی ، چهار وجهی‌ها ، مسطح مثلثی‌ها ، پنج ضلعی‌ها مرکز وارونگی ندارند. مربعها ، متوازی‌الاضلاعها ، اجسام راست‌گوشه و دانه‌های برف مرکز وارونگی دارند.

عمل چرخش- انعکاس (Sn)
این عمل که گاهی اوقات ، چرخش نامتقارن نامیده می‌شود، مستلزم چرخش به اندازه 360 بر n درجه و به دنبال آن ، انعکاس از صفحه عمود بر محور چرخش می‌باشد. برای مثال ، در متان ، خطی که از وسط کربن عبور کرده و زاویه میان هیدروژنها را در طرفین نصف می‌کند، یک محور S4 می‌باشد. از این نوع خط سه تا و در کل سه محور S4 وجود دارد. این عمل ، مستلزم چرخش مولکول به اندازه ˚90 و سپس انعکاس از صفحه آینه‌ای عمود می‌باشد. دو عمل متوالی Sn یک محور Cn/2 ایجاد می‌کند. در متان ، دو عمل S4 یک C2 ایجاد می‌کند.
بعضی وقتها ممکن است محور Sn مولکول با محور Cn آن منطبق باشد. مثلا دانه‌های برف ، علاوه بر محورهای چرخش اشاره شده در بالا ، محورهای S2 ، S3 و S6 منطبق بر محور C6 نیز دارند. دقت کنید که محور S2 با وارونگی و محور S1 با صفحه آینه‌ای یکسانی هستند. در مورد اول ، نماد i و در مورد دوم نماد σ ترجیح داده می‌شود.

[فلفل نمك]

شیمی سطح

دید کلی
پدیده‌های سطحی و شیمی سطح در بخشهای مختلف صنعتی و غیر صنعتی از اهمیت فراوانی برخوردار است. برای مثال ، واکنشهای کاتالیزوری روی سطح ، موضوعاتی چون روان‌کننده‌ها ، خوردگی ، چسب‌ها ، پاک‌کننده‌ها ، عملیات استخراج ، شیمی مواد حیاتی و واکنشهای سلولهای الکتروشیمیایی ، همه متاثر از پدیده‌های سطحی هستند.

سطوح مشترک فارسی را می‌توان به انواع زیر تقسیم‌بندی کرد:
-جامد- جامد
-جامد- مایع
-جامد- گاز
-مایع- مایع
-مایع- گاز

سطح مشترک مایع- گاز و مایع- مایع
در تشریح و توصیف پدیده‌های سطحی همانند تئوری محلولها ، مسئله اصلی ، بررسی و محاسبه خواص سیستم براساس ساختمان الکترونی و اندرکنشهای بین مولکولی است. این محاسبات در منطقه مربوط به سطح مشترک دو فاز از پیچیدگی بیشتری نسبت به مناطق همگن برخوردار است، چرا که نیروهای وارد شده به مولکولهای سطحی ، نیروهای غیرموازنه و غیر یکنواخت می‌باشند.

کشش سطحی
پدیده‌های سطحی و کشش سطحی بر پایه نیروهای کوتاه برد بین مولکولی توضیح داده می‌شوند. نیروهای کوتاه برد بین مولکولی که بخوبی شناخته شده می‌باشند، همان نیروهایی هستند که باعث بوجود آمدن حالت مایع یک ماده از حالت گاز می‌باشند. مولکولهایی که در توده مایع وجود دارند، به‌طور متوسط تحت تاثیر نیروهای کششی یکسانی در تمام جهات قرار دارند. اما مولکولهایی که در سطح مشترک مایع- گاز وجود دارند، طبیعتا تحت تاثیر نیروهای کششی نامتوازی قرار گرفته‌اند که نتیجه خاص این نیروها ، کشش مولکول به سمت داخل توده مایع است.
بنابراین بسیاری از مولکولها که در سطح مایع وجود دارند، تمایل دارند که سطح را ترک کرده ، به داخل کشیده شوند. به این دلیل ، مایعات تمایل دارند شکلهایی به خود بگیرند که مساحت سطح آنها مینیمم باشد، چرا که در این صورت ، بیشترین تعداد مولکولها در درون توده مایع و کمترین تعداد بر روی سطح قرار می‌گیرند و به همین جهت ، قطرات کوچک به شکل کروی می‌باشند.
شکل هندسی کره به گونه ای است که مقدار نسبت سطح به حجم آن نسبت به اشکال هندسی دیگر حداقل است. البته این امکان وجود دارد که نیروهای دیگر با این شکل ایده‌آل مقابله کنند. مثلا نیروی ثقل موجب می‌شود کره ها در گودالها به‌صورت سطح درآیند. به هر حال ، رسیدن به شکل هندسی خاص به دلیل تملایل مایعات برای دستیابی به کمترین مساحت سطح است.

قابلیت مواد فعال سطحی برای حل کردن مواد دیگر
محلولهای مواد فعال سطحی در بالاتر از c.m.c می‌توانند مواد آلی غیر محلول دیگر را با جا دادن آنها در داخل مسیل‌ها حل کنند. برای مثال ، رنگ نارنجی زایلنون که فقط به مقدار ناچیزی در آب حل می‌شود، در حضور سدیم دودسیل سولفات و در بالاتر از نقطه بحرانی مسیلی شدن آن ، ایجاد قرمز پررنگ می‌کند. به‌طور کلی قرار گرفتن حل شده در موقعیت‌های مختلف مسیل (از سطح مسیل گرفته تا هسته داخلی آن) بستگی به این دارد که اندرکنشهای الکتروستاتیکی و یا هیدروفوبیک در مسیل تشکیل شده، به چه صورتی موازنه شده باشند.
این قابلیت حل کردن مواد ، از اهمیت کاربردی در فرمولی کردن داروها و محصولات دیگری که شامل اجزاء غیرمحلول در آب هستند، برخوردار می‌باشد. همچنین در خاصیت پاک کنندگی ، پلیمریزاسیون امولسیونی و کاتالیزورهای مسیلی در واکنشهای آلی کاربرد دارد.

سطح مشترک جامد- گاز
وقتی که یک گاز یا بخار با یک سطح جامد تمیز برخورد می‌کنند، بعضی از مولکولهای آنها به سطح می‌چسبند تا ایجاد یک لایه جذب شده نمایند. در این صورت ، معمولا به جامد ، ماده جاذب ، به گاز یا بخاری که به سطح می‌چسبند، جذب شونده و به گازی که باقیمانده است، جذب نشده گویند.
ممکن است جذب یک گاز در توده جامد یا بدنه جامد اتفاق افتد (جذب توده) و چون به صورت تجربی نمی‌توان مرزی بین جذب توده و جذب سطحی تعیین کرد، معمولا از عبارت سورپشن sorption برای توصیف کلی پدیده جذبی گاز بوسیله جامد استفاده می‌شود. هر جامدی قادراست مقدار مشخصی از گاز را جذب کند.
پیشرفت در حالت تعادل به دما ، فشار گاز و مساحت سطح موثر جامد بستگی دارد. بنابراین ، بهترین جاذبها آنهایی هستند که دارای خلل و فرج بالایی باشند، مانند ذغال فعال و سیلیکاژل 1000 که دارای مساحت سطحی بالایی بوده و به یک cm2/g نیز می‌رسد. در دمای داده شده ، ارتباط بین مقدار گاز جذب شده در حالت تعادل و فشار گاز را ایزوترم جذب گویند.
پدیده جذب در واقع ، نیروهای جاذبه غیر تعادلی را که در یک سطح وجود دارند، کاهش می‌دهد و به عبارت دیگر ، انرژی آزاد سطحی کاهش می‌یابد. برای سادگی ، ابتدا سطحی را در نظر بگیرید که از شکستن یک کریستال جامد کووالانسی مانند الماس و یا هر فلزی تشکیل شده باشد. در این فرآیند ، پیوندهای کووالانسی بین اتمها شکسته شده ، هر اتم سطحی ، دارای والانسهای آزاد می‌باشد. تعداد و نوع این والانسها به پیوند بین اتمهایی که در بدنه جامد وجود دارند و به زاویه شکسته شدن کریستال بستگی دارد.
یک اتم ، در این سطح جدید مشخصا در یک موقعیت غیر معمول است که در آن ، همسایه‌های اتم به‌طور غیر کامل می‌باشند، یعنی عدد کئوردیناسیون آن ، کوچکتر از اتمهایی است که در بدنه آن جامد وجود دارند.

سطح مشترک جامد- مایع
زاویه تماس و فرآیند تَرکُنندگی
میزان جابجایی یک سیال نسبت به سطح توسط سیال دیگر را فرآیند تَرُکنندگی گویند. بنابراین فرایند ترکنندکی دارای سه فاز می‌باشد که حداقل دوتای از آنها باید سیال باشند. برای مثال ، حالات خاصی که معمولا اتفاق می‌افتد، یک گاز (هوا) بوسیله یک مایع در سطح یک جامد جایگزین می‌شود. یک عامل ترکننده (عامل فعال کننده سطح) ماده ای است که این اثر را سرعت می‌بخشد. به‌طور کلی سه نوع ترکنندگی را می‌توان معرفی کرد:
-ترکنندگی گسترشی
-ترکنندگی چسبنده
-ترکنندگی غوطه‌وری

کاتالیزورهای ناهمگن
در مطالعه یک واکنش شیمیایی ، دو موضوع از اهمیت برخوردار است؛ نخست اینکه آیا واکنش انجام می‌شود و اگر چنین است، تا چه حد پیشرفت خواهد کرد؟ معمولا تمام واکنشها قبل از اینکه کامل شوند، متوقف می‌شوند. سوال این است که سیستم در چه موقعیت تعادلی متوقف می‌شود. پاسخ به این سوالات و نظایر آن در حوضه ترمودینامیک شیمیایی است. دومین سوال این است که موقعیت تعادلی به چه سرعتی قابل حصول است و واکنش به چه سرعتی پیش می‌رود؟ پاسخ به این سوالات و سوالهای مربوطه در حیطه کاری سینتیک شیمیایی است.
هرگاه صحبت از کاتالیزور باشد، در حقیقت می‌توان سیستم‌های کاتالیزوری را به دو دسته مجزا تقسیم کرد:
وقتی کاتالیزور با واکنش‌دهنده‌ها در یک فاز باشند و هیچ مرز فازی بین آنها وجود نداشته باشد، واکنش کاتالیزوری را همگن یا یکنواخت نامند. این نوع کاتالیزورها ، در حالات زیر اتفاق می‌افتد:
در فاز گازی به عنوان مثال وقتی اکسید نیتروژن ، اکسیداسیون دی‌اکسید گوگرد را کاتالیز می‌کند.
در فاز مایع وقتی که اسیدها و بازها موتاراتاسیون گلوکز را کاتالیز می‌کنند.
وقتی یک مرز فازی ، کاتالیزور را از واکنش‌دهنده‌ها جدا می‌کند، از کاتالیزورشدن هتروژن یا ناهمگن صحبت به میان می‌آید.