آبکاری

الکتروشیمی را علم استفاده از انرژی الکتریکی برای انجام یک تغییر شیمیایی یا تولید انرژی الکتریکی به وسیله واکنش های شیمیایی تعریف می کنند. وقوع دسته ای از واکنش های شیمیایی که با انتقال یک یا چند الکترون همراه هستند، اکسایش - کاهش نام دارد. محصولات حاصل از پدیده آبکاری را در زندگی روزمره بسیار مشاهده نموده اید. در این مقاله شرح مختصری از تاریخچه و تعریف این پدیده آورده شده است که امیدواریم بتوانید از آن استفاده نمایید.

تعریف آبکاری

پوشاندن یک جسم با یک لایه نازک از یک فلز با کمک یک سلول الکترولیتی آبکاری نامیده می‌شود. توجه داشته باشید که جسمی که روکش فلزی روی آن ایجاد می‌شود، باید رسانای جریان برق باشد. الکترولیت مورد استفاده برای آبکاری باید دارای یون های آن فلزی باشد که قرار است لایه نازکی از آن روی جسم قرار بگیرند.

تاریخچه آبکاری

صنعت آبکاری به شکل امروزی آن از اواخر قرن هجدهم و با اختراع پیل الکتریکی توسط ولتا فیزیکدان ایتالیایی و تحقیقات میشل فارادی دانشمند انگلیسی که حاصل آن کشف قوانین فارادی بود، آغاز گردید. در سال 1837 موریتس جاکوبی با استفاده از نیروی برق توانست کپی های دقیق (نمونه سازی) از انواع قطعات و کالاها تولید و عرضه نماید. او با ساخت چنین قطعاتی با استفاده از روش نمونه سازی (Electroforming) یکی از روش های آبکاری است گامی بزرگ در توسعه صنعت آبکاری به وجود آورد. او همچنین پایه گذار نخستین نشریه های صنعت آبکاری است. در سال 1842 فون زیمنس موفق به آبکاری طلا بر روی قطعات مختلف گردید و این اختراع را به نام خود ثبت کرد. در همان زمان ویلهم پفان هاورز که آلمان ها او را پدر گالوانوتکنیک می خوانند موجب تحولی شگرف در این صنعت گردید.

مقدمه ای کوتاه آبکاری

فرایند آبکاری معمولا با فلزات گرانب ها چون طلا و نقره ‌و کروم جهت افزایش ارزش فلزات پایه مانند آهن ‌و مس ‌و غیره و همچنین ایجاد روکشی بسیار مناسب (در حدود میکرومتر) برای استفاده از خواص فلزات روکش کاربرد دارد. این خواص می‌تواند رسانایی الکتریکی و جلوگیری از خوردگی باشد. فعل و انفعال بین فلزها با واسطه‌های محیطی موجب تجزیه و پوسیدگی آن ها می‌شود چون فلزها میل بازگشت به ترکیبات ثابت را دارند. پوسیدگی فلز ممکن است به صورت شیمیایی (توسط گازهای خشک و محلول های روغنی گازوئیل و نفت و مانند این ها) و یا الکتروشیمیایی (توسط اسیدها و بازها و نمک‌ها) انجام پذیرد. طبیعت و میزان خوردگی به ویژگی‌های آن فلز، محیط و حرارت وابسته است. روش های زیادی برای جلوگیری از خوردگی وجود دارد که یکی از آن ها ایجاد روکشی مناسب برای فلزها می‌باشد.

به طور کلی سیکل معمول پوشش‌دهی الکتریکی را می‌توان به صورت زیر در نظر گرفت:

نوکلئیدها

همان گونه که در بحث مقدماتی ساختار هسته ای بیان شد، 106 عدد اتمی یا عنصر شیمیایی متفاوت وجود دارد. از آن جایی که هر اتم می تواند تعداد نوترون متفاوتی داشته باشد، بدیهی است که بیش تر از 106 ترکیب هسته ای متفاوت وجود داشته باشد. در واقع 1300 ترکیب مختلف نوترون - پروتون تاکنون شناخته شده است.

عنصر دوره ای به طبقه بندی یک ماده بر اساس عدد اتمی آن ماده و هسته ی دوره ای به هر دو طبقه بندی عدد اتمی و تعداد نوترون ها مربوط می شود. به بیان دیگر از آن جایی که در نهایت 106 عنصر متفاوت وجود دارد، حدود 1300 نوکلئید مختلف شناخته شده نیز وجود دارد.

رابطه ی ساختاری نوکلئیدهای مختلف اغلب با شبکه ایی که به نمودار نوکلئیدی موسوم است، مشخص می شود(شکل روبرو). مقیاس در جهت افقی، تعداد پروتون ها (عدد اتمی) و در جهت دیگر تعداد نوترون ها را نشان می دهد. هر مربع در این خطوط متقاطع، یک ترکیب هسته ای یا نوکلئیدی را نشان می دهد. تمام نواحی در نمودار اشغال نشده اند؛ بسیاری از ترکیبات نوترون - پروتون، ناپایدارند و به صورت یک هسته وجود ندارند.

نمودار شکل فوق (برای مشاهده نمودار در اندازه واقعی بر روی آن کلیک کنید) در این مطلب فقط برای 16عنصر رسم شده است زیرا توجه عمده به مشخصه های نمودار است نه جزئیات تمام عناصر. این نمودارها تمامی نوکلئیدهای شناخته شده را نشان می دهند. اکنون لازم است تا رابطه ی مشخصی بین نوکلئیدها مورد بررسی قرار گیرد که در مباحث بعدی به آن می پردازیم.

نيم رساناها

 

معمولاُ اجسام از لحاظ عبور يا عدم عبور الکتريسيته به دو دسته رسانا و عايق تقسيم مي‌شود. اما گروه ديگري از اجسام نيز وجود دارد که به طور کامل رسانا و نه به طور کامل نارسانا ست. اين گروه خاص از اجسام را نيم رسانا مي‌گويند.  

ترازهاي انرژي الکترون در جسم جامد تشکيل نوارهايي مي دهند هر نوار شامل تعداد بسيار زيادي ترازهاي گسسته است که بسيار نزديک به هم مي باشند. در مبحث نيم رساناها بالاترين نوار پر را نوار ظرفيت و پايين ترين نوارخالي را نوار رسانش مي نامند و به فاصله بين اين دو نوار ناحيه ممنوع يا گاف انرژي مي گويند و در اين ناحيه هيچ تراز انرژي وجود ندارد.

انواع نيم رساناها

 

نيم رسانا ذاتي

در برخي از نيم رساناها گاف انرژي بين نوار رسانش و نوار ظرفيت به قدر کافي کوچک است که تعدادي از الکترون هاي نوار ظرفيت در دماي اتاق نيز، با برانگيختگي گرمايي، انرژي لازم براي گذر از نوار ظرفيت به نوار رسانش را به دست مي آورند به اين گونه نيم رساناها، نيم رساناي ذاتي مي گويند.

نيم رساناي غير ذاتي

در بيشتر نيم رساناها که غير ذاتي ناميده مي‌شوند، اندازه گاف نواري، با افزودن دقيق ناخالصي هايي کنترل مي‌شود، که اين فرآيند تقويت ناميده مي‌شود. سيستم عمل تقويت روي سيليکون يکي از متداولترين نيم رساناهاست.

نيم رساناي نوع n

وقتي به سيليکون، ناخالصي فسفر افزوده شود، تراز انرژي اتمي فسفر، دقيقا در زير نوار رسانش سيليکون قرار مي‌گيرد.

هر اتم فسفر، 4 الکترون از 5 الکترون ظرفيتش را تشکيل نمونه با 4 اتم si  مجاور به کار مي‌برد و انرژي گرمايي به تنهايي کافي است تا باعث شود، الکترون اضافي ظرفيت به نوار رسانش بر انگيخته شده به يک يون p غير متحرک را بر جاي گذارد. اتم هاي فسفر ، دهنده ناميده مي‌شود.

رسانش الکتريکي در اين نوع نيم رسانا عمدتاً در اثر حرکت الکترون هاي حاصل از اتم هاي دهنده در نوار رسانش، به وجود مي‌آيد. اين نوع نيم رسانا نوع n ناميده مي شود که در آن n به معني منفي است، اين نوعي بار الکتريکي که توسط الکترون ها حمل مي‌شود.

نيم رساناي نوع p

وقتي به سيليکون ناخالص آلومينيم افزوده مي‌شود. تراز انرژي اتم هاي AL که اتم هاي پذيرنده ناميده مي‌شوند، درست بالاي نوار ظرفيت سيليکون قرار مي‌گيرد. با سه اتم Si مجاور پيوند جفت الکتروني منظمي تشکيل مي‌دهد. اما با چهارمين اتم Si فقط يک پيوند تک الکتروني تشکيل مي‌دهد.

يک الکترون به راحتي از نوار ظرفيت يک اتم آلومينيوم در تراز پذيرنده بر انگيخته مي‌شود. در نهايت، يک يون منفي تا A غير متحرک به وجود مي‌آمد و در نتيجه اين فرآيند يک حفره مثبت در نوار ظرفيت پديدار مي‌شود. از آن جا که رسانش الکتريکي در اين نوع نيم رسانا عمدتاً شامل حرکت حفره ‌هاي مثبت است اين نوع نيم رسانا، نوع P ناميده مي‌شود.

ديود

ديود از اتصال يك نيمه هادي نوع N و يك نيمه هادي نوع P به وجود مي آيد و با حرف D نشان داده مي شود . ديودها جريان الکتريکي را در يک جهت از خود عبور مي‌‌دهند و در جهت ديگر در مقابل عبور جريان از خود مقاومت بالايي نشان مي‌‌دهند.

اين خاصيت آن ها باعث شده بود تا در سال هاي اوليه ساخت اين وسيله الکترونيکي، به آن دريچه يا Valve هم اطلاق شود. از لحاظ الکتريکي يک ديود هنگامي عبور جريان را از خود ممکن مي‌‌سازد که شما با برقرار کردن ولتاژ در جهت درست (قطب مثبت پيل به آند و قطب منفي به کاتد) آن را آماده کار کنيد. مقدار ولتاژي که باعث مي‌شود تا ديود شروع به هدايت جريان الکتريکي نمايد ولتاژ آستانه يا (forward voltage drop)  ناميده مي‌شود که چيزي حدود 0.6 تا 0.7 ولت مي‌‌باشد.

هواي مرطوب

شايد شما هم ديده باشيد که برخي از آزمايش هاي الکتروستاتيک در هواي مرطوب به خوبي کار نمي کنند و شايد در برخي کتاب ها ديده ايد که گفته شده آب موجود در هواي مرطوب باعث رسانايي هوا مي شود. در واقع اين اشتباه از آنجا رخ مي دهد که برخي فکر مي کنند که به دليل اينکه آب ناخالص رسانا است و اين رسانا در هواي مرطوب وجود دارد، باعث مي شد که هوا نيز رسانا شود.

ولي اگر مقداري با مفاهيم الکتريسته آشنايي داشته باشيد، مي دانيد که اگر بخواهيم هوا را رسانا کنيم، بايد آن را پر از ذرات باردار متحرک کنيم. در حالي که بخار آب (که در هواي مرطوب وجود دارد) از ذرات باردار (يون ها) ساخته نشده و بخار آب، از لحاظ بار الکتريکي خنثي است، پس وجود بخار آب زياد در محيط باعث زياد شدن هدايت الکتريکي آن نمي شود. حتي قطرات معلق آب مايع که در مِه وجود دارد نيز خنثي است و تاثيري در کم يا زياد شدن خاصيت رسانايي هوا ندارد.

رسانا، نارسانا

در برخي مواد، مانند فلزات، شير آب و بدن انسان، مقداري الکترون مي توانند تقريباً آزادانه حرکت کند. چنين موادي را رسانا مي ناميم. در مواد ديگري مانند شيشه، آب خالص از نظر شيميايي و پلاستيک، هيچ کدام از بارها نمي توانند آزادانه حرکت کنند. چنين مادي را نارسانا و يا عايق مي ناميم.

اگر در حالي که يک ميله مسي را در دست داريد آن را با پشم مالش دهيد، نمي توانيد ميله را باردار کنيد، چون شما و ميله هر دو رسانا هستيد. اين مالش موجب عدم توازن بار در ميله مي شود، ولي بار اضافي بي درنگ از طريف بدن شما به کف (که به سطح زمين متصل است) منتقل شده و ميله به سرعت خنثي مي شود.

با برقراري مسيري از رساناها بين يک جسم و سطح زمين، مي گوييم جسم به زمين متصل شده است. در خنثي سازي جسم، مي گوييم جسم بي بار شده است. اگر به جاي اين که ميله را در دست خود بگيريد، آن را از طريق يک عايق در دست داشته باشيد، مسير رسانا با زمين از بين مي رود و تا زماني که آن را به طور مستقيم با دست خود نگرفته ايد، ميله با مالش مي تواند باردار شود.

خواص رساناها و عايق ها ناشي از ساختار اتمي و سرشت الکتريکي آن هاست.

اتم ها داراي پروتون هايي با بار مثبت، الکترون هايي با بار منفي و نوترون هايي با بار خنثي هستند. پروتون ها و نوترون ها در هسته مرکزي، کنار هم قرار دارند، در مدل ساده اتم، الکترون ها گرد هسته مي چرخند.

بار الکترون  تنها و همچنين پروتون تنها از نظر اندازه يکسان ولي علامت آن ها مخالف يکديگر است. از اين رو اتمي که از نظر الکتريکي خنثي است، تعداد الکترون ها و پروتون هاي برابري دارد. الکترون ها در نزديکي هسته ها قرار دارند. چون علامت الکتريکي آن ها مخالف با علامت پروتون هاي هسته است در نتيجه به سوي هسته جذب مي شوند.

وقتي اتم هاي يک رسانا مانند مس جسم جامدي را تشکيل دهند، برخي از الکترون هاي لايه بيروني (که خيلي ضعيف به آن پيوسته اند) وابسته به اتم هاي منفرد باقي نمي مانند و بنابراين درون جامد سرگردان مي شوند و اتم هاي باردار مثبت ( يون هاي مثبت) به جا مي گذارند. الکترون هاي در حال حرکت را الکترون هاي رسانش مي ناميم. (در صورت وجود) تعداد الکترون هاي آزاد کمي در يک نارسانا وجود دارد.

نيم رساناها

نيم رساناها، مانند سيلسيم و ژرمانيم، موادي هستند که حالت ميانه رساناها و عايق ها را دارند. تحول ميکروالکترونيکي که زندگي ما را تغيير داده است به واسطه دستگاه هايي است که از مواد نيم رسانا ساخته شده است.

ابررساناها

بالاخره ابررساناهايي وجود دارند که در مقابل حرکت بار الکتريکي در آن ها هيچ مقاومتي از خود نشان نمي دهند. هنگامي که بار در يک ماده حرکت مي کند، مي گوييم جريان الکتريکي در آن ماده وجود دارد. مواد معمولي، حتي رساناهاي خوب در برابر عبور بار از خود مقاومت نشان مي دهند. ولي در يک ابر رسانا، مقاومت خيلي کم نيست، بلکه دقيقاً صفر است. اگر جرياني را در يک حلقه ابر رسانا برقرار کنيم، بدون اينکه باتري يا منبع ديگري از انرژي براي نگهداري اين جريان لازم باشد جريان الکترون ها بدون تغيير ادامه مي يابد.

آزمايشي براي تشخيص رسانايي مواد

شما مي توانيد با ساخت يک مدار ساده الکتريکي به بررسي خاصيت رسانايي الکتريکي مواد اطراف خود بپردازيد. براي اين کار نياز به سيم، باتري و يک سرپيچ و لامپ داريد، کافي است که يک سر باتري را به وسيله سيم به يک پايه سرپيچ لامپ ببنديد و به سر ديگر باتري سيمي را وصل نمائيد، به سر ديگر سرپيچ لامپ نيز سيم ديگر وصل کنيد، براي آزمايش مدار خود دو سر اين سيم را به يکديگر وصل کنيد، مشاهده مي کنيد که لامپ روشن خواهد شد.

که اين نشان دهنده اين موضوع است که سيم مسي رساناي جريان الکتريکي است، حال اين دو سيم را از هم جدا کرده  و در بين آن ها اجسام مورد نظر خود را قرار دهيد، مثلاً مي توانيد دو سر اين سيم را به يک قطعه چوب، آب، يک قطعه فلز و ديگر اجسام مورد نظر خود وصل کنيد و مشاهده کنيد که در کدام حالت لامپ روشن خواهد شد.

اين آزمايش را در هواي مرطوب نيز انجام دهيد، مثلاً مدار الکتريکي خود را به داخل يک حمام آب گرم ببريد، ببينيد که وقتي مدار در اين فضا قرار مي گيرد آيا لامپ روشن خواهد شد يا خير. اين هم روشي ديگري است که ببنيد که هواي مرطوب رساناي جريان الکتريکي نمي باشد.

ایزوبارها

نوکلئیدهایی که عدد جرمی (تعداد کل نوترون و پروتون) یکسانی دارند، اما اعداد اتمی آن ها متفاوت است، ایزوبار نامیده می شوند. همان گونه که در شکل زیر نشان داده شده است، I-131 و Xe-131 ایزوبار های یکدیگرند. یک جفت ایزوبار نمی تواند به عنصر شیمیایی یکسانی تعلق داشته باشد. رابطه ی بین چند ایزوبار در نمودار نوکلئیدی زیر نشان دهنده ی آلومینیوم- 29 ، سیلیکون- 29، فسفر- 29 و گوگرد- 29 است.

توجه عمده ی ما به ایزوبارها آن است که در بیش تر تبدیلات رادیواکتیوی، یک نوکلئید به ایزوبار خودش تغییر خواهد یافت؛ به عنوان مثال I-131 نشان داده شده در شکل زیر، رادیواکتیو است و هنگامی که متحمل تغییرات عادی رادیواکتیوی خود می شود، به Xe-131 تبدیل می شود.

 

ایزومرها

هسته ها می توانند ترکیب پروتون - نوترون مشابهی داشته باشند اما کاملاً یکسان نباشند؛ به عنوان مثال، یک هسته می تواند انرژی بیش تری نسبت به هسته ی دیگر داشته باشد.

دو هسته ای که می توانند ترکیب یکسانی داشته باشند اما انرژی آن ها  در حال تغییر است، ایزومر هم نامیده می شوند. یک مثال برای جفت ایزومری در شکل 6 نشان داده شده است؛ تکنسیم- 99 می تواند در دو حالت انرژی وجود داشته باشد: انرژی بالاتر برای این عنصر، یک حالت موقتی است و به حالت نیمه پایدار اشاره دارد .

نشانه ی یک نوکلئید در حالت نیمه پایدار، اضافه کردن حرف m به عدد جرمی است (Tc-99m) . هسته ها در حالت نیمه پایدار، انرژی و بار اضافی خود را در نهایت به دیگر ایزومرهای خود می دهند. چنین تبدیلات ایزومری در پزشکی هسته ای نقش مهمی دارند و در ادامه ی بحث با جزئیات بیش تری مورد بحث قرار خواهند گرفت.

ایزوتون ها

نوکلئیدهایی که تعداد نوترون مشابهی دارند، ایزوتون نامیده می شوند. به دلیل این که با این مطلب معمولاً در پزشکی هسته ای مواجه نمی شویم، این بحث را به اتمام می رسانیم.

انرژي هاي يونش بالاتر

با اندکي مطالعه راجع به انرژي يونش و تشکيل يون هاي مختلف عناصر، متوجه مي شويد که سديم، منيزيم و آلومينيوم يون هاي Na⁺ و Mg²⁺ و Al³⁺  تشکيل مي دهند. اما آيا تا کنون از خود پرسيده ايد که چرا سديم، يون هاي Na²⁺ يا حتي Na³⁺ تشکيل نمي دهد؟

جواب اين سؤال مي تواند از انرژي دومين، سومين و ... يونش عناصر به دست آيد. به عنوان مثال، انرژي اولين يونش سديم، انرژي لازم براي برداشتن يک الکترون از يک اتم سديم خنثي است:

انرژي دومين يونش سديم، انرژي لازم براي برداشتن يک الکترون ديگر از يون Na⁺ در حالت گازي است که يک يونNa²⁺تشکيل مي دهد:

سومين انرژي يونش سديم نيز به همين ترتيب است:

بنابراين انرژي لازم براي تشکيل يون Na³⁺ در فاز گازي، جمع انرژي هاي يونش اول، دوم و سوم اين عنصر است.

براي کندن يک الکترون از اتم سديم و تشکيل يون Na⁺ با آرايش الکتروني لايه پر، انرژي چندان زيادي لازم نيست اما وقتي يک بار اين اتفاق افتاد، براي برداشتن دومين الکترون از سديم تقريباً بايد 10 برابر انرژي يونش اوليه، انرژي صرف شود تا آرايش لايه پر Na⁺ شکسته شود و Na²⁺ تشکيل شود. به دليل اين که انرژي زيادي براي برداشتن دومين الکترون سديم در هر واکنش شيميايي لازم است، سديم مي تواند با عناصر ديگر طوري واکنش دهد که ترکيباتي شامل يون هاي Na⁺ تشکيل دهد نه يون هاي Na²⁺ يا Na³⁺.

اولين، دومين، سومين و چهارمين انرژي يونش سديم، منيزيوم و آلومينيوم (KJ/mol)

به دليل اين منيزيوم، يک پروتون بيش تر از سديم دارد، اولين انرژي يونش آن بيش تر است تا الکترون ها در اوربيتال 3s نگه دارد:

دومين انرژي يونش منيزيوم بزرگ تر از انرژي اولين يونش آن است زيرا هميشه برداشتن يک الکترون از يوني با بار مثبت، انرژي بيش تري مي گيرد تا بخواهيم همين اکترون را از يک اتم خنثي برداريم. سومين انرژي يونش منيزيوم خيلي زياد است زيرا Mg²⁺ آرايش پايدار و لايه پر دارد.

همين وضعيت راجع به آلومينيوم وجود دارد که اولين انرژي يونش آن از منيزيوم کم تر است. انرژي دومين و سومين يونش آلومينيوم از انرژي اولين يونش آن بزرگ تر است. اگرچه برداشتن سه الکترون از اتم آلومينيوم براي تشکيل يون Al³⁺مقدار انرژي زيادي لازم دارد اما انرژي لازم براي شکستن آرايش الکتروني پايدار يون Al³⁺ يک مقدار نجومي و عظيم است! بنابراين اشتباه است که به دنبال يون Al⁴⁺ به عنوان محصول يک واکنش شيميايي باشيم.

الکترون خواهي

همان گونه که مي دانيم، انرژي يونش، تمايل يک اتم خنثي براي مخالفت با از دست دادن الکترون را اندازه مي گيرد. يعني گرفتن يک الکترون از اتم، مستلزم صرف انرژي است (اين فرايند، گرماگير است). براي مثال، برداشتن يک الکترون از اتم فلوئور خنثي و تشکيل يون با بار مثبت، مقدار قابل ملاحظه اي انرژي لازم دارد:

الکترون خواهي يک عنصر، مقدار انرژي خارج شده از آن است که در طول اين فرايند، يک اتم خنثي در فاز گازي، يک الکترون اضافي به دست مي آورد تا يون با بار منفي تشکيل دهد. براي مثال، زماني که اتم فلوئور در حالت گازي، الکترون به دست مي آورد تا يون منفي فلوئور تشکيل دهد، انرژي آزاد مي کند (تشکيل اين پيوند بين اتم فلوئور و الکترون خارجي، گرماده است):

اندازه گيري الکترون خواهي، مشکل تر از انرژي يونش است و معمولاً با ارقام با معني کم تري شناسايي مي شود. الکترون خواهي عناصر گروه هاي اصلي جدول تناوبي در شکل 1 نشان داده شده است. مي توان از اين شکل، اطلاعات زير را فهميد:

• به طور کلي، الکترون خواهي به دو دليل زير از بالا به پايين در هر ستون جدول تناوبي، کوچک تر مي شود؛ نخست، الکترون اضافه شده به اتم در اوربيتال هاي بزرگ تر جاي مي گيرد و زمان کم تري در اطراف هسته ي اتم صرف مي کند. دوم اين که تعداد الکترون هاي عناصر از بالا به پايين جدول تناوبي در هر ستون افزايش پيدا مي کند، بنابراين نيروي پس زني و دافعه بين الکترون اضافه شده و الکترون هاي موجود در اتم خنثي، بيش تر مي شود.

• به دليل اين که دافعه بين الکترون اضافه شده و الکترون هاي متعلق به اتم خنثي به حجم اتم بستگي دارد، داده هاي الکترون خواهي پيچيده تر مي شوند. در ميان نافلزات گروه هاي 6 و 7 اصلي، اين دافعه براي کوچک ترين اتم هاي دو ستون ياد شده (اکسيژن و فلوئور)، بزرگ ترين مقدار را دارد؛ بنابراين الکترون خواهي اين عناصر، کوچک تر از عناصر زيري آن ها در اين دو ستون است. اما به هر صورت، الکترون خواهي از بالا به پايين در حال کاهش است.

 

شکل 1: روندکلي تغييرات الکترون خواهي در جدول تناوبي

در داده هاي زير، هيچ الگوي خاصي در طول رديف هاي جدول تناوبي ديده نمي شود اما اين داده ها به همراه آرايش الکتروني اين عناصر، مفهوم پيدا مي کنند. در نتيجه، عناصري مانند هليوم، بريليوم، نيتروژن و نئون که آرايش الکتروني پايدار دارند، کشش کمي براي جذب الکترون اضافي دارند و زماني که اتم خنثي اين عناصر، الکترون اضافي به دست مي آورد، هيچ انرژي از خود آزاد نمي کنند.

آرايش اين عناصر چنان پايدار است که وادار کردن آن ها براي به دست آوردن الکترون اضافي و تشکيل يون منفي، واقعاً انرژي مي گيرد.

 

نتايج اندازه ي نسبي الکترون خواهي و انرژي يونش

 

اغلب تصور مي شود که سديم با کلر واکنش مي دهد تا يون هاي Na⁺ و Cl^- تشکيل دهند زيرا اتم هاي کلر بيش تر از اتم هاي سديم، الکترو ن ها را "دوست دارند". شکي نيست که سديم به شدت با کلر واکنش مي دهد تا NaCl تشکيل دهد:

2 Na(s) + Cl2(g)  2 NaCl(s)

از اين گذشته، راحت حل شدن NaCl در آب که باعث هدايت الکتريسيته مي شود، گواه اين واقعيت است که محصول اين واکنش، يک نمک است و شامل يون هاي Na⁺ و Cl^-  است:

تنها سؤال مطرح شده در اين قسمت، اين است که آيا فرض الکترون دوست بودن اتم هاي کلر نسبت به اتم هاي سديم، جايز است؟

اولين انرژي يونش سديم 5/1  برابر بزرگ تر از الکترون خواهي کلر است:

بنابراين، برداشتن الکترون از اتم سديم خنثي، از الکترون به دست آوردن اتم کلر خنثي انرژي بيش تري مي گيرد و از اين خصلت کلر تأمين مي شود.

ميدان مغناطيسي حاصل از سيملوله حامل جريان 

سيم لوله از چند دور سيم تشكيل شده و شبيه فنر است. اگر جريان الكتريكي از سيم لوله عبور كند در اطراف سيم لوله خاصيت مغناطيسي ايجاد مي شود.

در شکل زير خطوط ميدان مغناطيسي ناشي از سيملوله نشان داده شده است اين خطوط داراي چه ويژگي هايي است؟

جهت ميدان سيملوله

جهت ميدان در داخل سيملوله خلاف جهت ميدان در خارج آن است. جهت ميدان مغناطيسي طبق قانون دست راست در داخل سيملوله از S به N  و در خارج سيملوله از N به S است. اگر انگشت شست دست راست در جهت جريان قرار گيرد بسته شدن چهار انگشت جهت ميدان را نشان مي دهد.

در شکل زير جهت خطوط ميدان مغناطيسي سيملوله نشان داده شده است:

 نکته: 

سيملوله حامل جريان را مي توان همانند آهنرباي ميله اي فرض كرد، زيرا همان طور كه خطوط ميدان مغناطيسي يك سيملوله نشان مي دهد. همانند خطوط ميدان مغناطيسي آهنربا مي باشد يعني مي توان دو قطب N (انتهايي از سيملوله كه خطوط از ان خارج مي شود) و S  ( انتهايي از سيموله كه خطوط به ان وارد مي شود)  را در نظر گرفت    

بزرگي ميدان در سيملوله از رابطه زير به دست مي آيد:

قانون بقاي جرم لاوازيه

مقدمه

آزمايش هاي آنتوان لاوازيه، شروع يک انقلاب در علم شيمي است. اين آزمايش ها را مي توان سرآغاز علم شيمي جديد دانست. او با توجه به نتايج آزمايش هاي کمي به توضيح پديده هاي شيميايي دست يافت و نظريه فلوژيستون را در توجيه فرايندهاي شيميايي برانداخت.

قانون بقاي جرم

قانون بقاي جرم مي گويد که در جريان يک واکنش شيميايي تغييري در جرم ، که قابل تشخيص باشد روي نمي دهد.

تا قبل از قرن هجدهم ميلادي اصل بقاي جرم و اصل بقاي انرژي، دو اصل کلي و مستقل بودند که پايه هاي دانش را تشکيل مي دادند.

در نيمه دوم قرن هجدهم ميلادي لاوازيه دانشمند فرانسوي پس از يك سلسله تجربيات دريافت كه مقدار جرم ماده كه در فعل و انفعالات شيميايي دخالت دارند همواره ثابت مي ماند و اين مشخصه مواد رادر قانون زير به نام قانون بقاي جرم خلاصه نمود.

در محدوده فيزيک کلاسيک؛  در دستگاه هاي منزوي هيچ جرمي از بين نمي رود و هيچ جرمي نيز به خودي خود و بدون جرم ديگر به وجود نمي آيد و يا به عبارت ديگر مقدار جرم مادي كه در عالم وجود دارد همواره ثابت است. اصل بقاي انرژي مي گويد انرژي هر دستگاه معين مقدار ثابتي دارد. نه مي توان انرژي را خلق كرد و نه آن را از بين برد فقط انرژي از شکلي به شکل ديگر تغيير مي کند . 

 با وجود تغييراتي كه ممكن است در ديگر كميت هاي دستگاه (مثل انرژي ،حجم ودما ) رخ دهد، جرم كل دستگاه به شرط منزوي بودن ثابت خواهد بود. يعني اين كه جرم نمي تواند آفريده شود و يا از بين برود، يا توليد و يا نابود شود. به عبارت ديگر مي توان گفت كه جرم خاصيت زوال ناپذير ماده است كه در تغييرات شيميايي ماده همواره ثابت مي ماند. تنها از ماده اي به ماده ديگر منتقل مي شود به طور كلي در هيچ تغييري جرم ماده از بين نمي رود و يا به وجود نمي آيد. به طوري كه جرم كل جهان همواره ثابت مي ماند.

البته سيستم هايي وجود دارند كه جرم آن ها درطول زمان تغيير مي كند. به عنوان مثال اگر حركت موشك را در نظر بگيريم. موشك قبل از پرتاب داراي يك مقدار جرم كل خواهد بود . اما بعد از پرتاب سوخت موشك مصرف مي شود بنابراين جرم سيستم موشك در اين لحظه با جرم آن قبل از پرتاب متفاوت خواهد بود. پس سيستم بقا نخواهد داشت. با اين حال اگر موشك و گازهاي خارج شده از آن را كلا به صورت يك سيستم فرض كنيم در اين صورت نيروهايي كه گازها ي خارج شده و موشك به يكديگر وارد مي كنند، در حكم نيروهاي داخلي بوده و شرط منزوي بودن سيستم برقرار مي شود و باز جرم بقا خواهد داشت.

 درحالتي كه سرعت جسم نزديك به سرعت نورباشد، دراين صورت ديگر در قلمرو فيزيك كلاسيك نخواهيم بود و لذا قانون بقاي جرم نقض مي شود .

 قانون بقاي جرم - انرژي: گفتيم كه اگر سرعت جسمي بتواند نزديك به سرعت نور برسد، در اين صورت از محدوده فيزيك كلاسيك خارج خواهيم شد. در اين حالت قوانين بقاي جرم وانرژي نقض مي شود، ودر عوض يك قانون واحد به نام قانون بقاي جرم- انرژي بيان مي شود. براين اساس هرگاه تغييري در مقدار جرم صورت گيرد، اين تغيير به وسيله تغيير انرژي جبران مي شود.

 به عنوان مثال اگر جرم كاهش يابد، در اين صورت به اندازه تغيير جرم انرژي توليد مي شود و برعكس، اگرجرم افزايش يابد، مقداري انرژي به جرم تبديل شده است. هم ارزي بين جرم و انرژي اولين بار توسط اينشتن در نظريه نسبيت بيان شد. در مورد تبديلات هسته اي نيز هم ارزي بين جرم وانرژي حاکم است.

لاوازيه اعلام کرد که تغييرات انرژي در واکنش هاي شيميايي معمولي ممکن است در نتيجه تغيير جرم باشد ولي اين گونه تغييرات جرمي بسيار کمتر از آن است که از طريق آزمايش قابل تشخيص باشد ازاين رو قانون بقاي جرم همان طوري که بيان شد ، براي تمام واکنش ها معتبر است  به استثناء واکنش هايي که با تغييرات هسته اي همراه باشند

. اين قانون نخستين بار توسط آنتوان لاوازيه در اثري از او با عنوان بررسي مقدماتي شيمي 1 رسماً بيان شده است ولي کساني هم که پيش از او با روش هاي کمي سروکار داشته اند چنين اصلي را پذيرفته بودند قانون بقاي جرم تا آنجا که به معادلات شيميايي مربوط مي شود به اين معني است که اتم هاي هر عنصر خواه ترکيب شده وخواه ترکيب نشده به همان تعداد که در طرف چپ معادله ديده مي شوند در طرف راست آن هم بايد وجود داشته باشند.

پيوندهاي شيميايي

مي دانيم اتم ها اجزاي سازنده ي تمام مواد هستند و از طريق پيوندهاي شيميايي ناشي از نيروهاي جاذبه ي قوي که بين آن ها وجود دارد، به هم ديگر اتصال پيدا مي کنند. اما دقيقاً يک پيوند شيميايي چيست؟

زماني که دو اتم به هم ديگر نزديک مي شوند، الکترون هاي خارجي ترين لايه ي هر دو با هم اندرکنش مي کنند. با اين که الکترون ها هم ديگر را دفع مي کنند،اما باعث جذب پروتون هاي درون اتم مقابل خود مي شوند. اثر متقابل نيروها در اتم ها باعث تشکيل پيوند بين آن ها و اتصالشان به هم ديگر خواهد شد.

همان گونه که از اطلاعات اوليه ي شيمي مي دانيم، عناصر گازي بي اثر گروه 8 به صورت گازهاي تک اتمي وجود دارند و در حالت کلي با ديگر عناصر واکنش نمي دهند. در مقابل، ديگر عناصر گازي به صورت مولکول هاي دو اتمي وجود دارند     (H₂, N₂, O₂, F₂, Cl₂) و همگي به جز نيتروژن، واکنش پذير هستند. واکنش پذيري اين عناصر در معادلات زير نشان داده شده است:

اکنون سؤال اين است که چرا اتم هاي بسياري از عناصر با هم واکنش نشان مي دهند تا مولکول هاي پايداري به وجود آورند؟

براي پاسخ به اين سؤال، ابتدا بهتر است با يک مدل بسيار ساده براي جذب يا پيوند اتم ها به يکديگر شروع کنيم و سپس به توضيحات سطح بالا برسيم.

دو نوع اصلي پيوند بين اتم ها، پيوند يوني و کوالانسي است. اما انواع ديگر پيوند هم وجود دارد.

پيوند يوني:

يک پيوند يوني زماني تشکيل مي شود که اتمي، يک يا چند الکترون ظرفيت خود را به اتم ديگري ببخشد يا همين الکترون ها را از اين اتم بپذيرد.

سديم کلرايد يک ترکيب يوني است. در شکل 1 (الف و ب)،تشکيل پيوند سديم کلرايد و نوع پيوند آن ها را مشاهده مي کنيد. ساختار جامد کريستالي سديم کلرايد به صورت ج است.

(ب)

(الف)

(ج)

شکل 1: پيوند يوني سديم کلرايد.

 

انتقال تنها الکترون 3s اتم سديم به اوربيتال نيمه پر 3p اتم کلر، کاتيون سديم (لايه ي ظرفيت اين يون مثبت،مانند آرايش نئون است) و آنيون کلر (لايه ي ظرفيت اين يون منفي،مانند آرايش آرگون است) توليد مي کند. جاذبه ي الکتروستاتيکي منجر مي شود يون هاي با بارمخالف در يک شبکه ي بلوري (شکل 1- ج) به هم فشرده شده و روي هم انباشته شوند (شکل 2).

نيروهاي جاذبه اي که اين يون ها را در محل خود، متصل به هم نگه مي دارند، مي  توانند به عنوان پيوند هاي يوني شناخته شوند.

پيوند کوالانسي:

در 3 واکنش ديگر معادلات بالا، محصولاتي توليد مي شود که بسيار متفاوت با سديم کلرايد هستند. آب در دماي اتاق، مايع است و دي اکسيدکربن و تترافلوئوريد کربن،گاز هستند. اين ترکيبات از يون تشکيل نشده اند.

يک اندرکنش متفاوت بين اتم ها، پيوند کوالانسي ناميده مي شود که با اشتراک الکترون هاي والانس (ظرفيت) اتم ها به جاي انتقال آشکار الکترون در پيوند يوني، اتفاق مي افتد. شباهت هاي خواص فيزيکي عناصر دو اتمي H₂، N₂، O₂، F₂ و Cl₂ (همگي به صورت گاز هستند) پيشنهاد مي کند که پيوند کوالانسي هم داشته باشند.

انواع پيوندهاي کوالانسي معادلات بالا

---

شکل 3: پيوند کوالانسي در مولکول اتان.

لازمه ي پيوند کوالانسي اين است که ترازهاي انرژي يا لايه هاي بيروني تر اتم ها به طور کامل پر نشده باشند تا الکترون هاي اين اتم ها کاملاً بين آن ها به اشتراک گذاشته شوند. در الماس، اتم هاي کربن پيوندهاي کوالانسي با يکديگر تشکيل مي دهند. پيوند کوالانسي، پيوندي بسيار قوي است.

پيوند کوالانسي قطبي:

اين پيوندها بين پيوندهاي يوني و کوالانسي قرار مي گيرند. در اين پيوند، اتم ها الکترون هايشان را به اشتراک مي گذارند اما الکترون ها بيش تر وقت خود را در اطراف اتمي با مقدار الکترونگاتيوي بزرگ تر مي گذرانند. بهترين مثال اين پيوند،

مولکول آب است. اکسيژن بسيار الکترونگاتيوتر از هيدروژن است؛ بنابراين الکترون هاي شرکت کننده در پيوند قطبي آب، بيش تر وقت خود را سمت اکسيژن سپري مي کنند.

شکل 4: مولکول قطبي آب.

پيوند هيدروژني:

در مولکول آب، اين موضوع که اکسيژن به طور منفي و هيدروژن به طور مثبت باردار شده، به اين معناست که هيدروژن هاي يک مولکول آب، اکسيژن هاي همسايه ي خود را جذب مي کنند و برعکس.

زيرا بار هر دو مخالف هم است. اين جاذبه ي بزرگ الکتروستاتيکي، پيوند هيدروژني ناميده مي شود و در تعيين بسياري از خواص آب نقش دارد. مولکول آب مي تواند اين نوع پيوند را با مولکول هاي قطبي يا يون هاي ديگري مانند هيدروژن يا سديم تشکيل دهد.

علاوه بر اين، پيوندهاي هيدروژني مي توانند درون و بين ديگر مولکول ها نيز اتفاق بيفتند. براي مثال، دو رشته مولکول DNA با پيوند هيدروژني به هم ديگر اتصال پيدا مي کنند.

شکل فوق، گروه کوچکي از مولکول هاي آب را نشان مي دهد. پيوندهاي هيدروژني بين بارهاي مخالف با خط تيره نشان داده شده اند. خطوط پيکان دار  دافعه ي بين بارهاي مشابه را نشان مي دهند. تعادل پيوندهاي هيدروژني و نيروهاي دافعه در خواص ويژه ي آب نقش مهمي دارند.

پيوند ديگري که ممکن است وجود داشته باشد، پيوند فلزي است. زماني که الکترون هاي دو اتم فلزي به اشتراک گذاشته شوند، پيوند فلزي تشکيل مي-شود.

کارخانه برگ

ديد کلي

به طور کلي گياهان گياهان به طور مستقيم و غير مستقيم در زندگي انسان ها، مؤثر هستند. مثلاً با خوردن ميوه ها از آن ها تغذيه مي کنيم و يا از گوشت برخي از حيوان ها که از گياهان تغذيه مي کنند، استفاده مي کنند.

انرژي خورشيد تاثير بسيار زيادي بر زندگي روي کره زمين دارد. از اين انرژي، در فتوسنتز که تنها فرايند مهم بيولوژيکي است، استفاده مي شود.

تعريف فتوسنتز

تمام موجودات زنده از خورشيد انرژي مي گيرند، اما در ميان موجودات زنده فقط گياهان سبز مي‌تواند به صورت مستقيم اين انرژي را به کار گيرند و به کمک مواد اوليه ساده اي ، نظير دي اکسيد کربن ، آب و آمونياک ترکيبات ياخته اي به وجود آورند. اين فرايند نور ساخت يا فتوسنتز ناميده مي شود.

کاربرگ

برگ هاي گياه، کارخانه هاي حيرت آوري هستند. آن ها به صورت خاصي با انجام بسياري از عملکردهاي گياه سازگاري يافته اند. مهم ترين اين عملکردها، فرايند غذاسازي(فتوسنتز)است. براي انجام اين فرايند، برگ بايد يک منطقه خوب داشته باشد. اين دستگاه، به آب و مواد معدني اجازه عبور به سمت برگ و به غذا اجازه حرکت به محل مورد نياز را مي دهد.

برگ ها سرعت دستگاه انتقال دهنده را کنترل کرده و آب از دست رفته را جبران مي کنند. برگ ها به کنترل دما در گياه نيز کمک مي کنند.

اگر بخواهيم به طور دقيق تر بيان کنيم؛ گياهان به چند چيز نياز دارند تا غذايشان را بسازند که عبارتند از:

کلروفيل که يک رنگدانه سبز است و در برگ هاي گياهانپيدا مي شود.

نور طبيعي خورشيد و يا نور مصنوعي، مثل نوري که که از لامپ مي آيد.

دي اکسيد کربن که در هوا يافت مي شود، اين گاز در بازدم انسان ها وجود دارد.

آب که از طريق ريشه ها جمع آوري مي شود.

مواد مغذي و معدني که از خاک توسط ريشه گياهان به گياهان مي رسد.

گياهان غذاي خود را در برگ هايشان مي سازند. برگ ها رنگدانه اي  به نام کلروفيل دارند که باعث سبزي گياهان مي شود  در گياهان  کلروفيل با وجود تمام مواد مورد نياز براي تهيه غذا، غذاي گياهان را آماده مي کنند.

به شکل زير خوب دقت کنيد:

1- سلول هاي بافت پارانشيم، بيشترين مقدار کلروپلاست را دارند. بنابراين فتوسنتز در اين محل انجام مي شود. کلروپلاست ها مي توانند در سلول پخش شده يا براي جذب بيشتر يا کم تر نور خورشيد، به طور خطي رديف شوند.

2- لايه اپيدرمي

3- کتويکول لايه مومي و غير قابل نفوذي است که ازافزايش تعرق جلوگيري مي کند.

4- سلول هاي آوند آبکش و چوبي مجراهايي را مي سازند که به ترتيب شيره پرونده (غذاي آماده) و شيره خام (آب و مواد معدني) را عبور مي دهند. اين سلول ها، شيره پرورده را از برگ به همه جاي گياه و شيره خام را از ريشه به برگ انتقال مي دهند.

5- آوند چوبي

6- سلول هاي مزوفيل (ميان برگ) از بافت پارانشيمي درست شده که داراي کلروپلاست بوده و ماده غذايي در آن ها ساخته مي شود. اين براي آن که فضاي کافي بين آن ها وجود داشته و هوا به راحتي در بين آن ها جريان يابد، به صورت نامنظم کنار هم قرار گرفته اند.

اين وضعيت به ورود کربن دي اکسيد و خروج اکسيژن کمک مي کند.

7- سلول هاي نگهبان روزنه اندازه روزنه ها را در برگ کنترل مي کنند. به اين ترتيب مقدار تعرق تنظيم مي شود.

8- لايه اپيدرم براي عبور نور و رسيدن آن به کلروپلاست قابليت ويژه انتقال را داراست. 

درمورد مسائل زير فکر کنيد:

1- اکثر برگ ها، روزنه هايي در سطح زيرين خود دارند. فايده آن ها چيست؟

2- در اکثر برگ ها، کلروپلاست بيشتر در نيمه بالايي آن يافت مي شود، علت چيست؟

3- سلول هاي پارانشيم، استوانه اي شکل هستند. اين بدان معناست که فضاي بيشتري ميان آن ها وجود دارد. داشتن اين فضاهاي بين سلولي، چه مزيتي در بر دارد؟

4- انتظار داريد چه ويژگي هاي اختصاصي در اندام هاي گياهاني که در مناطق خيلي خشک زندگي مي کنند، وجود داشته باشد؟

5- انتظار داريد چه تفاوت هايي ميان گياهاني که برگ هايشان يه طور عمودي رشد مي کنند با ساير گياهان وجود داشته باشد؟

مکانيزم عمل فتوسنتز

حدود 2 درصد از نور خورشيد که بر گياه مي تابد، به انرژي شيميايي تبديل مي شود. هنگامي که نور بر گياه مي تابد، بيشترين مقادير انرژي توسط دانه هاي کوچکي مرسوم به کلروپلاست (Chloroplast) جذب مي شود. کلروفيل ها، انرژي نوراني را به انرژي شيميايي تبديل مي کنند و اين تبديل انرژي طي فرايند فوتوليز (Photolysis) تجزيه شيميايي بر اثر تابش) ، که در آن آب به کمک نور خورشيد تجزيه وآدنوزين تري فسفات فعال مي شود، صورت مي گيرد.

اين فرايند، به نوبه خود به عمل تثبيت دي اکسيد کربن (ممانعت از حالت فرار يا جامد شدن دي اکسيد کربن) انرژي مي دهد و تشکيل مولکول هاي قندو نشاسته را مقدور مي کند. از تجزيه آب به هيدروژن آزاد، در جو اوليه زمين وجود نداشت، بنابراين، کل دستگاه تنفسي ما به طور کامل تابع اين بود که بر اثر عمل نور ساخت روي زمين و در دريا، چه چيزي توليد مي شود. در مرحله بعدي فتوسنتز ، دي اکسيد کربن به انضمام چهار اتم هيدروژن، قند و آب تشکيل مي شود. اين فرايند سرآغاز حرکتي است پيچيده تر و کارآمدتر.

فشار اسمزي

در ابتدا با مفاهيم زير آشنا مي شويم :

- غشاي نيمه تراوا : غشايي که نسبت به بعضي از اجزاي محلول نفوذ پذير و نسبت به سايرين غير نفوذ پذير است. مثل غشاهاي سلولي و سلوفان.

- اسمز : حرکت اجزاء از محلولي با غلظت بيشتر به طرف محلولي با غلظت کم تر.

اين حرکت براي حلال اين گونه توجيه  مي شود:  حرکت حلال از محلولي با غلظت حل شونده ي کم تر به سمت محلولي حاوي غلظت حل شونده ي بيشتر.

- محلول ايزوتونيک : محلولي با فشار اسمزي يکسان در دو طرف يک غشاي نيمه تراوا.

- محلول هيپوتونيک : محلولي با فشار اسمزي اي کم تر از محلول هيپرتونيک که داراي فشار اسمزي بالايي است.

اگر لوله ي U شکل زير را در نظر بگيريد:

حلال از بازوي سمت راست که داراي محلول رقيق است ( غلظت حلال بيشتر است ) به طرف محلول غليظ ( محلول شامل آب و نمک ) واقع در بازوي سمت چپ، از طريق غشاي نيمه تراوا در حال حرکت است. بنابراين رفته رفته مقدار آب در بازوي سمت چپ افزايش مي يابد و محلول رقيق تر مي گردد و سطح مايع در لوله بالاتر مي رود. در اين جا اختلاف فشار به صورت اختلاف ارتفاع در دو سمت بازو ايجاد مي شود که به صورت فشار در شکل ظاهر شده است. اين فشار را فشار اسمزي مي نامند.

فشار اسمزي به صورت زير توسط جاکوب وانت هوف (  Jacobus Henricus van"t Hoff ) فرمول بندي شده است:

نشان دهنده ي فشار اسمزي، R ثابت گاز ايده آل، M مولاريته ي محلول بر حسب مول در ليتر و T دما را بر حسب کلوين نشان مي دهد.

ماهيت فشار اسمزي

غشايي مانند سلوفان که برخي از مولکول ها ، نه همه آنها ، را از خود عبور مي‌دهد، غشاي نيمه تراوا ناميده مي‌شود. غشايي را در نظر مي‌گيريم که بين آب خالص و محلول قند قرار گرفته است. اين غشا نسبت به آب ، تراوا است، ولي «ساکارز» (قند نيشکر) را از خود عبور نمي‌دهد. در شروع آزمايش ارتفاع آب در بازوي چپ لوله U شکل برابر با ارتفاع محلول قند در بازوي راست اين لوله است. از اين غشا ، محلول هاي قند نمي‌توانند عبور کنند، ولي مولکول هاي آب در هر دو جهت مي‌توانند عبور کنند.

در بازوي چپ لوله فوق (بازويي که محتوي آب خالص است)، تعداد مولکول هاي آب در واحد حجم بيش از تعداد آنها در بازوي راست است. از اينرو ، سرعت عبور مولکول هاي آب از سمت چپ غشا به سمت راست آن بيشتر از سرعت عبور آنها در جهت مخالف است. در نتيجه ، تعداد مولکول هاي آب در سمت راست غشا به تدريج زياد مي‌شود و محلول قند رقيق‌تر مي‌گردد و ارتفاع محلول در بازوي راست لوله U زياد مي‌شود. اين فرايند را اسمز مي‌نامند.

اختلاف ارتفاع در سطح مايع در دو بازوي لوله U ، اندازه فشار اسمزي را نشان مي‌دهد. بر اثر افزايش فشار هيدروستاتيکي در بازوي راست که از افزايش مقدار محلول در اين بازو ناشي مي‌شود، مولکول هاي آب از سمت راست غشا به سمت جپ آن رانده مي‌شوند تا اينکه سرانجام سرعت عبور از سمت راست با سرعت عبور از سمت چپ برابر گردد.

بنابراين حالت نهايي يک حالت تعادلي است که در آن ، سرعت عبور مولکولهاي آب از غشا در دو جهت برابر است.

پديده ي اسمز در گلبول هاي قرمز بدن نيز وجود دارد. به اين صورت که اگر گلبول هاي قرمز خون را در محلول آب خالص قرار دهيم، مولکول هاي آب از جداره ي نيمه تراواي گلبول قرمز عبور کرده و به درون گلبول قرمز راه مي يابند. غلظت حلال آب که در اطراف سلول خوني بيشتر بوده و حال به درون سلول خوني راه يافته اند، در نتيجه مقدار آب درون گلبول رفته رفته افزايش يافته و منجر به پاره شدن جداره ي سلول خوني مي شود.

اما اگر همين گلبول در محيط آب و نمک قرار گيرد، چون داراي حلال بيشتري است آب از گلبول به محيط اطراف نفوذ مي کند و در نتيجه منجر به چروکيده شدن گلبول مي شود. بنابراين در تزريقات وريدي بايستي از محلول هايي ( ايزوتونيک )استفاده شود که داراي فشار اسمزي يکسان با فشار اسمزي خون باشند.

زماني که در لوله ي U شکل، آب از غشاي نيمه تراوا عبور مي کند و فشار اسمزي را ايجاد مي سازد، به علت فشار هيدروستاتيکي محلولي که داراي غلظت حلال بيشتري است، آب مجددا از همان بازو به بازوي ديگري در لوله ي U شکل جريان مي يابد تا زماني که سرعت عبور آب در دو طرف غشا برابر شود در نتيجه فشار تعادلي نيز برقرار مي گردد.

حال اگر فشاري بيشتر از فشار تعادلي بر روي بازوي شامل حلال و ماده ي حل شده وارد گردد، حلال آب مجددا از همان بازو به بازوي ديگري جريان مي يابد و پديده ي اسمز معکوس صورت مي گيرد.

از روش اسمز معکوس براي خالص سازي آب دريا نيز استفاه مي شود.

زمين در هر 24 ساعت يکبار به دور محور خودش مي‌گردد؟

باور غلط :

زمين در هر 24 ساعت يکبار به دور محور خودش مي‌گردد.

زمين به دور محورش، در خلاف جهت حرکت عقربه هاي ساعت مي چرخد و هر دوران کامل آن يک روز نجومي طول مي کشد که مدت آن 23 ساعت و 56 دقيقه و 4 ثانيه است، بر خلاف تصور عامه مردم که آن را 24 ساعت مي پندارند. روز نجومي کوتاه تر از روز معمولي است، که آن را «روز متوسط خورشيدي» مي نامند. کشندها خيلي به تدريج چرخش زمين به دور محورش را کند مي کنند و بر طول شبانه روز مي افزايند. 200 ميليون سال ديگر، شبانه روز 25 ساعت خواهد شد.

آزمايش هاي زيادي دال بر آن اند که زمين حول محورش مي چرخد. از قاطع ترين آن ها آزمايشي است که فوکو فيزيکدان فرانسوي در 1851 طرح کرد. در اين آزمايش، دوران زمين به طور مستقيم مشاهده مي شود.

تنها وسيله لازم براي اين آزمايش يک آونگ است که از گلوله اي سربي و تکه سيمي براي آويختن تشکيل شده است. براي اندازه گيري دقيق بايد :

بنا بر نظريه اي که آزمايش بر آن مبتني است، آونگي که به آزادي نوسان مي کند، صفحه نوسانش را حفظ مي کند. يعني اگر آونگ نوسان را در امتداد شمال ـ جنوب آغاز کند همچنان در آن امتداد نوسان خواهد کرد تا مقاومت هوا يا اصطکاک آن را حال سکون در آورد.

طرز کار اين آزمايش چنين است :

نخستين بار اين آزمايش با سيمي 60 متري در پانته ئون پاريس انجام شد. آزمايش در عرض جغرافيايي پاريس اندکي پيچيده تراست. ولي از نتيجه آن يعني چرخش زمين به دور محورش، گريزي نيست.

چند اثر مستقيماً معلول چرخش زمين اند:

1ـ توالي روز و شب. هر نقطه از زمين متناوباً رو به خورشيد (روز) مي کند يا پشت به آن (شب) مي دارد.

2ـ صلب بودن محور. محور زمين زاويه ميل خود را با صفحه مدارش حفظ مي کند و پيوسته رو به سوي ستاره قطبي است. از اين لحاظ زمين چرخان شباهت بسيار به يک ژيروسکوپ چرخان دارد. محور زمين نيز مانند محور ژيروسکوپ داراي حرکت تقديمي است.

3ـ به هر جسمي بر روي زمين يک نيروي گريز از مرکز وارد مي آيد که در استوا بيش ترين مقدار را دارد و در قطب صفر است. در نتيجه وزن اجسام در قطب بيشتر است تا در استوا (اين اختلاف ورزن بسيار کوچک است و بيشتر از لحاظ علمي مورد توجه است.)

4ـ پخ بودن زمين در قطب ها احتمالاً معلول اين چرخش در زماني بوده است که سطح زمين هنوز حالتي مايع يا شکل پذير داشته است.

زمين علاوه بر چرخش به دور محورش حرکتي ديگر به دور خورشيد دارد. زمين هر سال در سفري 1000 ميليون کيلومتري با سرعتي بيش از 100000 کيلومتر در ساعت يک بار به دور خورشيد مي گردد. اين سفر کمي بيش از 365 روز طول مي کشد و تقويم ما بر مبناي آن است. با حرکت زمين در مدارش به نظر مي رسد که خورشيد نسبت به ستارگان زمينه، جا به جا مي شود.

وزن هوا

باور غلط : هوا تقریباً بی‌وزن است.

شاید شما هم باور ندارید که هوا وزن دارد، زیرا که تمام ما در درون هوا قرار داریم ولی یک مترمعکب از هوا در سطح دریا، در فشار متعارف و دمای صفر درجه سانتی گراد، وزنی برابر 2/1 کیلوگرم دارد.

این موضوع را می توانید با انجام آزمایش زیر مشاهده نمائید.

یک میله نازک فلزی نظیر میل بافتنی بر دارید. دو بادکنک یکسان را پر باد کنید و با نخ نازک آن ها را به دو انتهای میله فلزی، آویزان کنید. به وسط این میله نیز نخ دیگری ببندید و به کمک آن میله را به شاخه درخت یا چارچوب در و یا سقف بیاویزید.

نتیجه به یک ترازو شباهت خواهد داشت. در صورتی که تعادل در دو انتهای میله برقرار نباشد، با جا به جا کردن نقطه آویز یکی از بادکنک ها یا دادن تغییر جزیی در محل نخ وسط میله تعادل را مجدداً برقرار سازید. حال با یک سوزن باد یکی از بادکنک ها را خالی نمایید، بلافاصله متوجه خواهید شد که بادکنک مزبور بالا رفته و دیگری پایین می آید.

دلیل این آزمایش ساده را چنین توضیح می دهیم :

 هوا نیز مانند سایر اجسام دارای وزن است. البته در این آزمایش مطلب دیگری به نام نیروی ارشمیدس هوا هم موثر است، که فعلاً از آن صحبتی نمی کنیم.

به طور معمول ترکیبات موجود در هوا عبارتند از : 78 درصد نیتروژن (N₂)  درصد اکسیژن (O₂) و 1 درصد دیگر عناصر مانند آرگون (Ar)، دی اکسید کربن (CO₂)، متان (CH₄) و هلیوم (He). بیشتر گازها از مولکول هایی تشکیل شده اند، که خود این مولکول ها نیز از ترکیب اتم هایی به وجود آمده اند. برخی از گازها نیز تنها به صورت اتمی وجود دارند.

هوایی که اطراف زمین را احاطه کرده است از میلیاردها میلیارد مولکول تشکیل شده است. پس مثل دیگر فازهای مواد مانند جامد و مایع که دارای وزن هستند، اکنون می دانید که هوا و دیگر مواد گازی شکل نیز دارای وزن مخصوص به خود هستند و وزن آن ها به وزن اتم ها و مولکول های تشکیل دهنده آن ها بستگی دارد.

جرم مولکلولی برخی مواد موجود در هوا را می توانید در جدول رو به رو مشاهده نمائید.

یک آزمایش دیگر نیز می تواند نشان دهنده وزن هوا برای شما باشد، برای این کار باید از یک ترازوی بسیار حساس مانند ترازوهایی که در طلافروشی از آن ها استفاده می شود، استفاده کنید. 

ابتدا باید وزن یک بادکنک خالی را و مقداری نخ که می خواهید سر بادکنک را با آن ببندید را محاسبه کنید. سپس باید بادکنک را پر باد کنید و با آن مقدار نخی که وزن آن را به دست آورده اید، سر آن را محکم ببندید.

حال بار دیگر این بادکنک را وزن کنید و از عددی که مشاهده می کنید باید وزن نخ و بادکنک خالی را که در مرحله قبل به دست آورده بودید، را کم کنید تا وزن هوای محبوس در بادکنک را مشاهده کنید.

نیروی بین سیم های موازی حامل جریان

اگر به دوسر سیم رسانایی اختلاف پتانسیلی وصل کنیم چه اتقاقی می افتد؟

بله درست حدس زده اید وجود اختلاف پتانسیل سبب می شود که الکترون های سیم شروع به حرکت کنند و جریان الکتریکی در سیم به وجود آید.

حال اگر دو سیم را به دو سر باتری وصل کرده و آن ها را به موازات هم قرار دهیم چه اتفاقی می افتد؟

در این جا قصد داریم که توضیح دهیم بین سیم ها ی موازی حامل جریان چه اتفاقی می افتد.

همان طور که می دانید طبق آزمایش اورستد در اطراف سیم حامل جریان میدان مغناطیسی به وجود می آید که این میدان برابر است با :

حال اگر دو سیم (1) و (2) حامل جریان داشته باشیم این دو سیم بر هم نیرو وارد می کنند به چه صورت؟

سیم (1) در اطراف خود میدان مغناطیسیB₁ تولید می کند و بر سیم 2 تحت تاثیر این میدان نیروی الکترو مغناطیسی وارد می شود :

و بر سیم 1 تحت تاثیر میدان مغناطیسی سیم 2 نیز نیروی الکترو مغناطیسی وارد می شود.

روش یافتن نیروی وارد بر سیم:

اگر جریان دو سیم هم جهت باشد

جهت میدان مغناطیسی حامل جریان را طبق قانون دست راست تعیین می کنیم( به این ترتیب است كه انگشت شست دست راست را در جهت جریان بگیریم بسته شدن چهار انگشت جهت میدان مغناطیسی را به ما می‌دهد. ) (شکل a)  و بعد طبق قاعده دست راست جهت نیروی مغناطیسی سیم حامل جریان  واقع در میدان مغناطیسی را مطابق شکل (b)

نتیجه:

اگر جریانی كه از دو سیم می گذرد هم‌جهت باشند سیم ها یكدیگر رامی ربایند.

اگر جریان دو سیم مخالف هم باشند:

در این حالت نیز مطابق بالا عمل می کنیم بااین تفاوت که جهت نیروی دو سیم مخالف هم اند  یعنی اگر جریان ها خلاف هم  باشند » نیروها همدیگر را جذب می‌كنند.

از طرفی می توان نتیجه گرفت که طبق قانون سوم نیوتن نیروی وارد بر دوسیم، مساوی ولی مخالف جهت هم هستند:

قدرت اسیدها و بازها

در این مطلب می خواهیم بدانیم به طور کلی، قدرت اسیدها و بازها چگونه تعیین می شود و این موضوع چه تأثثیری در انجام واکنش ها و نتایج آن ها دارد.

خواص عمومی اسیدها:

 

 ***  تیتراسیون، فرایندی شیمیایی است که مقدار مشخصی از ماده ی اصلی نمونه ی حل شده با افزودن مقدار دقیق و مشخص از یک ماده ی حل شده ی دیگری معین می شود. محلول با غلظت معلوم به تدریج به محلولی که ناشناخته است، اضافه می شود( این کار با استفاده از یک بورت انجام می گیرد که یک لوله آزمایش دراز با دریچه ای در انتهای خود است ). این کار تا زمانی انجام می گیرد که به نقطه ی هم ارزی (نقطه ی پایان) برسد. مقدار ماده ی ناشناخته در این حالت می تواند محاسبه شود. نقطه ی هم ارزی با تغییر خاصی معین می شود. به عنوان مثال، از رنگ ماده ی شاخص مانند لیتموس یا خاصیت الکتریکی.

چه عاملی باعث ضعف یا قدرت اسیدها می شود؟

اسید قوی، اسیدی است که به آسانی تجزیه شود تا یون های هیدروژن تشکیل دهد. اسید ضعیف به راحتی نمی تواند تجزیه شود؛ بنابراین نمی تواند یون های هیدروژن را به راحتی تشکیل دهد.

پس عامل قدرت اسیدها تجزیه ی آسان و رها کردن یون هیدروژن است.

اسیدهایی مانند اسید استیک (HC₂H₃O₂)، اسید هیدروفلوئوریک (HF)، اسید نیتروس ( اسیدی ناپایدار که فقط در محلول و به شکل نمک های نیترات شناسایی می شود( HNO₂ ) جزو اسیدهای ضعیف هستند.

در شکل زیر تجزیه ی اسید استیک را مشاهده می کنید.

اسیدهایی مانند اسید هیدروکلریک (HCl)، اسید سولفوریک (H₂SO₄) و اسید نیتریک (HNO₃) اسیدهایی قوی هستند.

 

خواص عمومی بازها:

 

چه عاملی باعث ضعف یا قدرت بازها می شود؟

همانند یک اسید قوی، باز قوی به راحتی تجزیه می شود و یون های هیدروکسید تشکیل می دهد نه هیدرونیوم. باز ضعیف نمی تواند یه راحتی تجزیه شود؛ بنابراین نمی تواند به آسانی یون های هیدروکسید تولید کند.

بازهایی مانند آمونیاک (NH₃)، یون فسفات ( ^-PO₄) و آب (H₂O) ضعیف هستند.

بازهایی مانند هیدروکسید سدیم (NaOH)، هیدروکسید پتاسیم (KOH) و اکسید کلسیم (CaO) بازهایی قوی هستند.

در شکل  زیر مثالی از انتقال پروتون را می بینید:

استفاده از مفهوم جفت های مزدوج اسید و باز به ما اجازه می دهد تا نظر خود را راجع به قدرت نسبی اسیدها و بازها به راحتی بیان کنیم.

در جدول زیر غلظت یون هیدروژن و سطح pH را برای برخی مواد می بینیم:

 

منظور از درانو (Drano) نوعی ماده است که برای تمیزی و باز کردن لوله ها و فاضلاب به کار می رود.

در جدول زیر نیز افزایش قدرت برخی اسیدها و بازها را مشاهده می کنید:

در ضمن، اسید و باز مزدوج هر کدام از مواد نیز در کنار آن نوشته شده است.

از طرف دیگر، واژه ی قوی یا ضعیف برای اسیدها و بازها به معنای توانایی آن ها برای هدایت جریان الکتریسیته است. اگر اسید یا باز قوی است، الکتریسیته را به طور قوی هدایت می کند و بالعکس.

اثبات تجربی رسانندگی اسید و باز:

با استفاده از یک لامپ و یک مدار ساده می توان این مطلب را به خوبی درک کرد. این مدار با محلولی که شامل مقادیر زیادی یون است، کامل خواهد شد. اگر از اسیدی مانند HCl در محلول هدایت جریان الکتریسیته استفاده شود، لامپ بسیار پرنور روشن خواهد شد. اگر مدار با محلولی که شامل هیچ یونی نیست یا تعداد کمی یون دارد، کامل شود، محلول مورد نظر الکتریسیته را هدایت نخواهد کرد یا به طور ضعیف رسانای جریان الکتریسیته خواهد بود. به عنوان مثال، اسید استیک باعث این ضعف می شود.

اصل رسانایی:

اسید یا بازی که جریان الکتریسیته را به طور قوی هدایت می کند، شامل مقادیر زیادی یون است و اسید یا باز قوی نامیده می شود.

قدرت پیوندی:

قدرت پیوندی اسیدها و بازها توسط مقادیر نسبی یون ها یا مولکول های آن ها در محلول معین می شود. پیوندها به صورت زیر نشان داده می شوند:

    باز         اسید

H-A      M-OH

که A یون منفی است و M یون مثبت است. اسیدهای قوی، یون های زیاد در محلول دارند؛ بنابراین پیوندهایی که H و A را متصل به هم نگه می دارند، باید ضعیف باشند. یعنی اسیدهای قوی به آسانی به یون های خود تجزیه می شوند.

اسیدهای ضعیف، بیش تر در محلول مولکول رها می کنند و تعداد یون های آن ها در محلول کم تر است؛ بنابراین پیوندهای نگه دارنده ی H و A  باید قوی باشند. اسیدهای ضعیف به راحتی نمی توانند به یون های خود تجزیه شوند اما مولکول های آن ها متصل به هم باقی می ماند.

کاتالیست های همگن

در مطالب مربوط به انواع کاتالیست های 1 و 2 بیان شد که کاتالیست های همگن، در فاز مشابه با واکنش دهنده ها قرار دارند. به طور نوعی، هر کاتالیست همگنی در فاز گازی یا یک فاز مجزای مایع واکنش دهنده ها قرار خواهد داشت. با مطالعه ی مثال های زیر این مطلب را بیش تر متوجه خواهید شد:

مثال هایی از کاتالیست های همگن

واکنش بین یون های پرسولفات و یون های یدید:

این واکنش، یک واکنش انحلالی است که ممکن است در مفهوم کاتالیست با آن روبه رو شوید؛ اما یک مثال دوست داشتنی است!

یون های پرسولفات ( پروکسودی سولفاتترکیبات یا یون هایی که اتم های اکسیژن بیش تر از حد معمولی دارند )؛ S₂O^-₈ ، عامل های اکسید کننده ی قدرت مندی هستند. یون های یدید نیز به راحتی به خود ید اکسایش پیدا می کنند و در عین حال واکنش بین آن ها در انحلال آبی آن ها بسیار کند است.

اگر به معادله ی واکنش نگاهی بیندازیم، به راحتی می بینیم که:

واکنشی که با کاتالیست انجام می شود، به طور کامل از این مشکل دوری می کند. این کاتالیست می تواند با هر دو یون آهن(II) و آهن(III) انجام شود که به همان محلول اضافه می شود. این نیز مثال خوبی از استفاده ی ترکیبات فلزات واسطه به عنوان کاتالیست است زیرا این ترکیبات توانایی تغییر حالت اکسایش خود را دارند.

ما در این جا از کاتالیست آهن (II) استفاده کرده ایم. البته مهم نیست که از آهن (II) استفاده کنیم یا آهن (III).

یون های پرسولفات، یون های آهن (II) را به یون های آهن (III) اکسایش می دهند. در این فرایند، یون های پرسولفات به یون های سولفات کاهش پیدا می کنند:

یون های آهن (III) عامل اکسایش دهنده ی قوی هستند که یون های یدید را به ید اکسایش می دهند. در این فرایند، این یون ها دوباره به یون های آهن (II) برمی گردند:

هر دو مرحله ی این واکنش کل به طور مجزا، شامل برخورد بین یون های مثبت و منفی است. این واکنش از واکنش بین یون های منفی در حالت بدون کاتالیست، احتمال موفقیت بیش تری دارد .

اگر از یون آهن (III) به جای یون آهن (II) به عنوان کاتالیست استفاده می-کردیم، چه اتفاقی می افتد؟ واکنش به سادگی در یک مرتبه ی متفاوتی انجام می گیرد.

تخریب لایه ی اوزون:

این نیز مثال خوبی از واکنشی است که تمام اجزای آن در فاز گازی قرار دارند.

اوزون (O₃) به طور دائم تولید می شود و دوباره در جو بالا با اثر نور فرابنفش تجزیه می شود. به طور معمول، مولکول های اکسیژن، نور فرابنفش را جذب کرده و به اتم های اکسیژن منفرد تجزیه می شوند. این اکسیژن های منفرد، الکترون های جفت نشده ای دارند که به رادیکال های آزاد معروفند و بسیار واکنش پذیرند.

سپس رادیکال های اکسیژن می توانند با مولکول های اکسیژن عادی ترکیب می شوند تا اوزون تولید کنند:

اوزون هم می تواند دوباره توسط جذب نور فرابنفش به اکسیژن عادی و یک رادیکال آزاد از هم جدا شود:

این تشکیل و تجزیه ی اوزون در هر زمانی انجام می گیرد. تمام این واکنش ها با هم،جلوی تابش نفوذی فرابنفش مضر خورشید را می گیرند و از رسیدن آن به سطح زمین جلوگیری می کنند.

واکنش کاتالیستی که مورد توجه ماست، اوزون را تخریب کرده و از این طریق، جذب نور فرابنفش (UV) را متوقف می کند.

برای مثال، کلرفلوئورکربن هایی (CFC) مانند CF₂Cl₂  در مقادیر عظیمی در یخچال ها و دود کارخانجات صنعتی تولید می شوند. تفکیک کند این مواد در جو زمین باعث تولید اتم های کلر (رادیکال های آزاد کلر) می شود. این اتم ها مانند کاتالیستی، تخریب لایه ی اوزون را سرعت می دهند.

این تخریب در دو مرحله اتفاق می افتد. ابتدا اوزون تجزیه می شود و یک رادیکال آزاد تازه تشکیل می شود:

رادیکال کلر که نقش کاتالیست را دارد، در واکنش دوم بازتولید می شود. این مرحله نیز به دو صورت ممکن است اتفاق بیفتد و آن این که آیا رادیکال های ClO به مولکول اوزون برخورد می کنند یا یک رادیکال اکسیژن؟

اگر رادیکال های ClO به رادیکال اکسیژن برخورد کنند: ( رادیکال اکسیژن در یکی از واکنش هایی که در بالا ذکر شد، تولید می شود ):

یا به مولکول های اوزون برخورد کنند:

به دلیل این که رادیکال های کلر به بازتولید خود همچنان ادامه می دهند، هر کدام از آن ها می تواند هزاران مولکول اوزون را تخریب کند.

ترانسفورماتور

ترانسفورماتور(Transformer)

وسیله‌ای است که انرژی الکتریکی را با دو یا چند سیم‌ پیچ و از طریق القای الکتریکی از یک مدار به مداری دیگر منتقل می‌کند.

یکی از کاربردهای بسیار مهم ترانسفورماتورها، کاهش جریان در ابتدای خطوط انتقال انرژی الکتریکی است.

دلیل استفاده از ترانسفورماتور در ابتدای خطوط این است که همه رساناهای الکتریکی دارای میزان مشخصی مقاومت الکتریکی هستند، این مقاومت می‌تواند موجب اتلاف انرژی در طول مسیر انتقال انرژی الکتریکی شود.

میزان تلفات در یک هادی، با مجذور جریان عبوری از هادی، رابطه مستقیم دارد و بنابر این با کاهش جریان می‌توان تلفات را به شدت کاهش داد.

با افزایش ولتاژ در خطوط انتقال، به همان نسبت جریان خطوط کاهش می‌یابد و به این ترتیب هزینه‌های انتقال انرژی نیز کاهش می‌یابد، به این ترتیب بدون استفاده از ترانسفورماتورها امکان استفاده از منابع دور دست انرژی فراهم نمی‌آمد.

 

ساختمان ترانسفورماتور:

هر ترانسفورماتور دارای دو سیم پیچ اولیه و ثانویه می‌باشد و هر سیم پیچ دارای یك هسته می‌باشد كه این هسته دارای خاصیت مغناطیسی است. تعداد دور های سیم پیچ اولیه N₁ و تعداد دور های سیم پیچ ثانویه N₂ می باشد که به ترتیب در آن ها جریان های اولیه و ثانویه بر قرار است.

 

اساس کار ترانسفورماتور:

ترانسفورماتورها بر اساس پدیده القای متقابل كار می‌كنند. به این صورت که جریان جاری درسیم پیچ اول (اولیه ترانسفورماتور) موجب به وجود آمدن یک میدان مغناطیسی در اطراف سیم ‌پیچ اول می‌شود(قانون اورستد)،تغییر این میدان مغناطیسی به نوبه خود باعث تغییر شار و در نتیجه به وجود آمدن یک نیروی محرکه القایی در سیم پیچ دوم می شود (القای فارادی). ولتاژ القا شده درسیم پیچ دوم (ثانویه) V_S و ولتاژ دو سر سیم‌ پیچ اولیه V_P دارای یک نسبت با یک دیگرند که برابر نسبت تعداد دور سیم پیچ ثانویه به سیم‌ پیچ اولیه‌است:

شار كل عبوری از اولیه ترانسفور ماتور1:

 1 = N₁ BA

شار كل عبوری از اولیه ترانسفور ماتور2:

2 = N₁ BA

آن گاه خواهیم داشت:

اصل پاسکال:

با ذکر یک مثال، بحث را شروع می کنیم.

دو جعبه مانند شکل زیر را در تماس با هم در نظر بگیرید. اگر به جعبه 1 نیرویی وارد شود، این جعبه، نیرویی را به جعبه 2 وارد خواهد کرد.

نیروی وارد بر جعبه 2 در همان جهت نیروی وارد شده بر جعبه 1 است.

حال ببینیم اگر نیرویی را بر یک شاره (سیال، هر ماده ای که بتواند حرکت کرده و شکل ظرف را به خود بگیرد) وارد کنیم، چه اتفاقی می افتد.

در هر دو مورد نشان داده شده در شکل، فشار به هر نقطه درون شاره انتقال پیدا می کند. این دو مورد، مثال هایی از اصل پاسکال هستند.

فشار به صورت نیروی وارد بر واحد سطح تعریف می شود. با یک نیروی معین، می توان فشار زیادی به سطح کوچکی وارد کرد یا برعکس.

تمام قطعه های هیدرولیکی (که با نیروی محرکه آب کار می کنند) بر پایه ی اصل پاسکال برای وارد کردن نیروی زیاد استوارند. پاسکال، این اصل بنیادی را کشف کرد:

مثال: بهترین مثال برای فهم اصل پاسکال، پیستون آبی است.

اگر نیروی F₁ به پیستونی با مساحت A₁ وارد شود، فشار در سیال به نسبت F₁/A₁ افزایش می یابد. برای تعادل مایع، فشار رو به بالای مایع روی پیستونی به مساحت A₂ باید با فشار رو به پایینی متعادل شود. با استفاده از اصل پاسکال داریم:

بر اثر جابجایی سیلندر طرف چپ، حجمی از سیال به مقدار A₁×h   جا به جا می شود. چون سیال، تراکم ناپذیر است، حجم سیال جا به جا شده در طرف دوم نیز همین مقدار است. اگر جابه جایی پیستون دوم H باشد:

بالابر (جک) هیدرولیکی ماشین:

بالابر هیدرولیکی ماشین، مثالی از زیاد شدن نیرو توسط فشار هیدرولیکی است و بر اساس اصل پاسکال کار می کند. سیال در یک سیلندر کوچک باید بیش تر از فاصله ای که ماشین بالا می رود، حرکت کند.

برای مثال، اگر سیلندر قسمت بالابر پیستون دارای قطر25 cm   و قطر سیلندر کوچک 1.25 cm  باشد، نسبت مساحت ها 400 خواهد بود؛ بنابراین فشار هیدرولیکی باعث افزایش 400 برابری نیرو می شود. برای بلند کردن ماشین 6000 نیوتنی باید یک نیروی 6000 N/400=15 N  روی سیال در سیلندر کوچک برای بلند کردن ماشین وارد شود. بنابراین، برای 10 cm  بالا بردن ماشین، مجبورید سیال (در ماشین، روغن) را 400* 10 cm =40 m  حرکت دهید. این کار با تلمبه کردن روغن در سیلندر کوچک با یک کمپرسور کوچک امکان پذیر است.

فشار هیدرولیکی:

افزایش نیرو می تواند با به کاربردن فشار طبق اصل پاسکال به دست آید:

P₁ = P₂

این اصل اجازه بلند کردن بار سنگین با نیروی کوچک را می دهد؛ البته افزایش در مقدار کار انجام شده نیز می تواند وجود داشته باشد. بنابراین در یک مورد ایده آل بدون هیچ اتلاف توسط اصطکاک داریم:

W_ورودی = W_خروجی

مول و مولاریته

"مول" یک واحد اندازه‌گیری است که در علم شیمی برای شمردن تعداد ذرات موجود به کار می‌رود.

اندازه‌گیری واحدی مانند مول به شمردن تعداد 12 عدد کیک شبیه است! البته کیک می‌تواند یکی یکی شمرده شود اما اگر تعداد کیک‌ها زیاد است، بهتر است دوجین دوجین آن‌ها را بشماریم.

اتم‌ها نیز می‌توانند به صورت نظری یکی یکی شمرده شوند. اما حتی یک بلور کوچک الماس شامل تعداد اتم کربنی بالای 100,000,000,000,000,000 است!

بنابراین چون تعداد اتم‌ها زیاد است باید از یک واحد اندازه‌گیری بهتری استفاده کنیم.

تعریف مول:

به طور اختیاری، دوجین به معنای 12 تا است اما تعریف مول بر اساس نتایج تجربی به صورت زیر است:

 این تعداد تقریباً با 6.0221367 * 10²³  است. این مقدار، عدد آووگادرو یا ثابت آووگادرو (L) است و به افتخار دانشمند ایتالیایی آمادئو آووگادرو چنین نامیده شده است.

اتم ها آن قدر کوچک اند که زیر میکروسکوپ هم دیده نمی شوند.

برخلاف دوجین، مول یک عدد معمولی نیست. زیرا همچنان از نظر تجربی، شمردن تک تک اتم‌ها امکان ندارد. دستیابی به عدد آووگادرویی صحیح‌تر هنوز هم مورد توجه برخی دانشمندان است.

در سطح رسمی، معمولاً عدد آووگادرو را به صورت زیر بیان می‌کنند:

 

شمردن اتم‌ها به وسیله‌ی وزن کردن:

بر اساس تعریف مول و نتایج تجربی:

(نماد ≡   به معنای هم ارزی است). به دلیل این‌که تمام جرم‌های ایزوتوپی بر اساس مقیاس کربن- 12  هستند، جرم 1 مول از ایزوتوپ‌های دیگر نیز می‌تواند معین شود.

مثال:

جرم یک ایزوتوپ Mg - 12 دو برابر جرم ایزوتوپ C  - 12 است؛ یعنی:

با وزن کردن 24 g  از Mg-24 ، می‌توان به 6.02 * 10²³ ایزوتوپ Mg-24 رسید. همچنین برای محاسبه 1.00* 10²⁰  ایزوتوپ Mg-24 باید :

از Mg-24 را وزن کرد.

 

جرم 1 مول از یک ماده‌ی خاص، جرم مولی آن نامیده می‌شود.

جرم مولی یک ایزوتوپ به طور عددی مشابه جرم نسبی ایزوتوپ است. اما جرم مولی دارای واحد gmol^-1 است در حالی که جرم ایزوتوپی واحدی ندارد.

یعنی:

 

این کار ،امکان شمردن اتم‌ها با وزن کردن را به وجود می‌آورد؛ پس دلیل تعیین عدد مولی به این طریق معلوم می‌شود.

به طور مشابه، تعداد اتم‌ها می‌تواند با استفاده از جرم اتمی نسبی محاسبه شود؛ یعنی:

 

 

 

محاسبه‌ی واحد فرمولی با وزن کردن:

 

 

با ذکر مثال می‌توان این مطلب را بهتر متوجه شد:

1 واحد فرمولی H₂O از دو اتم هیدروژن و یک اتم اکسیژن تشکیل شده است؛ یک مول مولکول H₂O از دو مول اتم هیدروژن و ا مول اتم اکسیژن تشکیل شده است.

جرم 1 مول H₂O:

 

جرم فرمولی و جرم مولکولی:

جرم فرمولی به صورت جمع جرم اتمی نسبی موجود در یک فرمول، تعیین می‌شود؛ یعنی:

جرم مولکولی، جمع جرم اتمی نسبی موجود در یک فرمول مولکولی است.

مثال:

 

جرم مولکولی به جرم فرمولی شبیه است اما فقط به ترکیب مولکولی محدود شده است.

جرم مولی مواد مختلف:

گفتیم جرم 1 مول از یک ماده‌ی خاص، جرم مولی آن ماده نامیده می‌شود. به عنوان مثال:

جرم مولی C-12 = 12 gmol^-1

جرم مولی سدیم کلراید (NaCl) = (23.0+35.5) gmol^-1 = 58.5 gmol^-1

جرم مولی از نظر عددی مشابه جرم فرمولی است اما جرم مولی، گرم واحد در هر مول دارد (gmol^-1).

مقایسه‌ی جرم‌های مختلف:

مول و مولاریته

 

"مول" یک واحد اندازه‌گیری است که در علم شیمی برای شمردن تعداد ذرات موجود به کار می‌رود.

 

اندازه‌گیری واحدی مانند مول به شمردن تعداد 12 عدد کیک شبیه است! البته کیک می‌تواند یکی یکی شمرده شود اما اگر تعداد کیک‌ها زیاد است، بهتر است دوجین دوجین آن‌ها را بشماریم.

اتم‌ها نیز می‌توانند به صورت نظری یکی یکی شمرده شوند. اما حتی یک بلور کوچک الماس شامل تعداد اتم کربنی بالای 100,000,000,000,000,000 است!

بنابراین چون تعداد اتم‌ها زیاد است باید از یک واحد اندازه‌گیری بهتری استفاده کنیم.

 

تعریف مول:

به طور اختیاری، دوجین به معنای 12 تا است اما تعریف مول بر اساس نتایج تجربی به صورت زیر است:

 

مول، تعداد ایزوتوپ‌های موجود در 12 g ایزوتوپ کربن- 12 است.

 

 این تعداد تقریباً با 6.0221367 * 10²³  است. این مقدار، عدد آووگادرو یا ثابت آووگادرو (L) است و به افتخار دانشمند ایتالیایی آمادئو آووگادرو چنین نامیده شده است.

 

 

اتم ها آن قدر کوچک اند که زیر میکروسکوپ هم دیده نمی شوند.

 

 

1 L = 602,213,670,000,000,000,000,000

 

برخلاف دوجین، مول یک عدد معمولی نیست. زیرا همچنان از نظر تجربی، شمردن تک تک اتم‌ها امکان ندارد. دستیابی به عدد آووگادرویی صحیح‌تر هنوز هم مورد توجه برخی دانشمندان است.

در سطح رسمی، معمولاً عدد آووگادرو را به صورت زیر بیان می‌کنند:

 

1 L = 6.02  *10²³

 

 

 

عدد مولی نیز به همین صورت تعریف می‌شود زیرا با تعریف جرم ایزوتوپی نسبی ، اتم‌ها می‌توانند با وزن کردن به صورت غیر مستقیم شمرده شوند.

 

 

شمردن اتم‌ها به وسیله‌ی وزن کردن:

بر اساس تعریف مول و نتایج تجربی:

 

 

(نماد ≡   به معنای هم ارزی است). به دلیل این‌که تمام جرم‌های ایزوتوپی بر اساس مقیاس کربن- 12  هستند، جرم 1 مول از ایزوتوپ‌های دیگر نیز می‌تواند معین شود.

 

مثال:

جرم یک ایزوتوپ Mg - 12 دو برابر جرم ایزوتوپ C  - 12 است؛ یعنی:

 

 

با وزن کردن 24 g  از Mg-24 ، می‌توان به 6.02 * 10²³ ایزوتوپ Mg-24 رسید. همچنین برای محاسبه 1.00* 10²⁰  ایزوتوپ Mg-24 باید :

از Mg-24 را وزن کرد.

 

 

جرم 1 مول از یک ماده‌ی خاص، جرم مولی آن نامیده می‌شود.

جرم مولی یک ایزوتوپ به طور عددی مشابه جرم نسبی ایزوتوپ است. اما جرم مولی دارای واحد gmol^-1 است در حالی که جرم ایزوتوپی واحدی ندارد.

 

یعنی:

 

این کار ،امکان شمردن اتم‌ها با وزن کردن را به وجود می‌آورد؛ پس دلیل تعیین عدد مولی به این طریق معلوم می‌شود.

به طور مشابه، تعداد اتم‌ها می‌تواند با استفاده از جرم اتمی نسبی محاسبه شود؛ یعنی:

 

 

 

 

محاسبه‌ی واحد فرمولی با وزن کردن:

 

 

با ذکر مثال می‌توان این مطلب را بهتر متوجه شد:

1 واحد فرمولی H₂O از دو اتم هیدروژن و یک اتم اکسیژن تشکیل شده است؛ یک مول مولکول H₂O از دو مول اتم هیدروژن و ا مول اتم اکسیژن تشکیل شده است.

 

جرم 1 مول H₂O:

 

 

 

جرم فرمولی و جرم مولکولی:

جرم فرمولی به صورت جمع جرم اتمی نسبی موجود در یک فرمول، تعیین می‌شود؛ یعنی:

 

جرم مولکولی، جمع جرم اتمی نسبی موجود در یک فرمول مولکولی است.

 

مثال:

 

 

 

جرم مولکولی به جرم فرمولی شبیه است اما فقط به ترکیب مولکولی محدود شده است.

 

جرم مولی مواد مختلف:

گفتیم جرم 1 مول از یک ماده‌ی خاص، جرم مولی آن ماده نامیده می‌شود. به عنوان مثال:

 

جرم مولی C-12 = 12 gmol^-1

 

جرم مولی سدیم کلراید (NaCl) = (23.0+35.5) gmol^-1 = 58.5 gmol^-1

 

جرم مولی از نظر عددی مشابه جرم فرمولی است اما جرم مولی، گرم واحد در هر مول دارد (gmol^-1).

 

مقایسه‌ی جرم‌های مختلف:

 

جزر و مد و انواع آن

کلمه جزر و مد یا کشند، اصطلاحی عمومی است که بیان گر بالا و پایین رفتن نوسانی در سطح اقیانوس، دریا و حتی دریاچه ها نسبت به سطح زمین است. این اثر به دلیل جاذبه گرانشی ماه، خورشید و حتی اجرام سماوی دیگر ایجاد می شود. جزر و مد در حد بسیار کوچک تر در دریاچه های بزرگ، اتمسفر و داخل پوسته ی جامد زمین هم اتفاق می افتد.

نیروی جزر و مدی

اثر جزر و مد روی جسم نزدیک تر، بزرگ تر است زیرا قانون عکس مجذوری موجود در نیروی گرانشی، در سمت نزدیک تر جسم، نسبت به سمت دورتر آن، بزرگ تر است.

همان طور که در شکل زیر نشان داده شده، نسبت جزر و مدی در هر واحد جرم بر روی سمت نزدیک جسم در مقایسه با سمت دور آن برای جسم نزدیک تر، بزرگ تر است:

زمین در هر روز، دو جزر و مد قوی را به دلیل تغییرات میدان گرانشی ماه در سطح و مرکز زمین، تجربه می کند. می توان گفت که هر سمت زمین که نسبت به ماه، نزدیک تر قرار می گیرد، جزر و مد بالایی دارد؛ زیرا ماه، آب ها را از زمین بیرون می کشد! در سمت دورتر زمین نسبت به ماه، باز هم اثر جزرو مدی بالاست زیرا ماه، زمین را از آب بیرون می کشد!

 

اثر جزر و مد خورشید:

با وجودی که خورشید 391 برابر دورتر از فاصله ی ماه به زمین است، نیروی آن روی زمین، دارای مرتبه بزرگی حدود 175 است. با این حال، اثر جزر و مدی آن، کوچک تر از ماه است؛ زیرا جزر و مد از تفاوت در میدان گرانشی کل زمین ایجاد می شود. قطر زمین، کسر کوچکی از فاصله ی زمین تا خورشید است؛ میدان گرانشی تنها با یک ضریب 1.00017 در سراسر زمین تغییر می کند. تغییرات نیروی واقعی در سراسر زمین 0.03 = 174.5 * 0.00017 برابر نیروی ماه است؛ که در مقایسه با تغییر 0.068 در سراسر زمین برای نیروی ماه، مقدار کوچکی است.

ماه نسبت به خورشید، منبع غالب جزر و مد است.

زیرا تفاوت کسری در نیروی ماه در عرض زمین، بزرگ تر از تفاوت کسری در نیروی خورشید است. این تفاوت از قانون عکس مجذوری تبعیت می کند.

انواع مختلف جزر و مد:

زمانی که ماه و خورشید در یک ردیف قرار می گیرند، نیروهای گرانشی قوی به وجود می آید که باعث جزر و مدهای خیلی بالا و خیلی پایین می شوند که به جزر و مد کامل موسوم اند. وقتی ماه و خورشید در یک راستا نباشند، نیروهای گرانشی، اثر هم دیگر را خنثی می کنند و جزر و مدهای آن چنان بالا و پایین پدیدار نمی شود؛ این جزر و مدها را خفیف ترین جزر و مد یا کهکشند می نامند.

جزر و مد کامل (spring tides):

وقتی ماه، کامل است یا نو، کشش گرانشی ماه و خورشید با هم ترکیب می شود. در این مواقع، مدها بسیار بالا و جزرها بسیار پایین هستند و به جزر و مد کامل موسوم اند. زمانی که زمین، خورشید و ماه در یک خط قرار گیرند، این گونه جزر و مدها مشاهده می شوند.

     مثالی از جزر و مد کامل:  نمایی از خلیج کوچکی در نوا اسکوتیا. این تصویر،

نشان دهنده گذشت زمان برای بالا و پایین رفتن آب در یک دوره 6.5 ساعته است. طی 6.5 ساعت بعد جزر، ماهی گیرها کشتی های خود را در اسکله خالی می کنند. مد بلندی در هر 12.5 ساعت اتفاق می افتد؛ پس در هر 25 ساعت، دو مد اتفاق می افتد!

جزر و مد خفیف یا کهکشند (neap tides):

وقتی ماه در فازهای یک چهارم و سه چهارم باشد (یعنی ماه و خورشید در زاویه قائمی نسبت به هم قرار بگیرند)، اثر جزر و مد ماه و خورشید خنثی می شود. بنابراین خفیف ترین حالت جزر و مد پیش می آید.

جزر و مد کامل حضیضی (proxigean spring tide):

می دانیم که ماه مسیری بیضوی به دور زمین را دنبال می کند که فاصله حضیض این مدار 356,400 کیلومتر است؛ این فاصله، حدود 92.7 درصد فاصله متوسط آن است. به علت این که نیروهای جزر و مدی با توان سوم فاصله تغییر می کنند، این تغییر کوچک 8% ، بیان گر 25% افزایش در قدرت تولید جزر ومد توسط ماه بر روی زمین است. اگر حضیض مدار ماه زمانی اتفاق بیفتد که ماه بین زمین و خورشید قرار دارد، یک مد کامل و بلند غیر عادی موسوم به جزر و مد کامل حضیضی تولید می شود. وقتی چنین اتفاقی در سمت دیگر زمین که خورشید در آن قرار دارد، بیفتد (در طول ماه کامل) یک جزر و مد بسیار خفیف غیرعادی هم در این قسمت تولید می شود. جزر و مد کامل حضیضی، هر 1.5 سال یک بار اتفاق می افتد.

اثر دوپلر و دیوار صوتی

مقدمه:

تغییر ناگهانی صدای بوق ماشین یا صدای آهنگی که از ماشین در حال عبور (به عنوان منبع) از کنار شما (ناظر) به گوش می رسد، توسط کریستین دوپلر در سال 1842 مطرح شد. اثر دوپلر عبارت است از:

جابه جایی و شیفت در فرکانس و طول موج امواجی که از منبع متحرک نسبت به محیط، سرچشمه می گیرند.

فرکانس دریافتی (´f) توسط رابطه زیر به فرکانس واقعی منبع مربوط می شود؛ سرعت منبع (v_s)، سرعت ناظر (v_o) و سرعت موج (v) در محیط با رابطه زیر داده می شود:

انتخاب علامت (+) یا (-) طبق قرارداد به این صورت است که اگر منبع و ناظر به سمت هم حرکت کنند، فرکانس دریافتی(´f) بزرگ تر از فرکانس واقعی (f₀) است و اگر منبع و ناظر از هم دور شوند، فرکانس دریافتی (´f) از فرکانس واقعی (f₀) کوچک تر خواهد بود.

اگرچه این رابطه ابتدا برای امواج صوتی به کاربرده شد؛ اما برای تمام امواج از جمله نور (و دیگر امواج الکترومغناطیسی) صادق است. اثر دوپلر برای نور معمولا بر اساس تغییر رنگ ها نسبت به فرکانس توصیف می شود. به عنوان مثال، شیفت قرمز  نور برای کهکشان های دور دست ثابت می کند که جهان در حال انبساط است.

منبع صوتی ساکن:

تصویر متحرک زیر، منبع صوتی ساکنی را نشان می دهد. امواج صوتی با فرکانس ثابت f₀ تولید می شوند و جبهه های موج به طور متقارن در اطراف منبع با سرعت ثابت v انتشار می یابند که همان سرعت صوت در محیط است. فاصله بین جبهه های موج، طول موج است و تمام ناظرها فرکانس یکسانی را خواهند شنید که با فرکانس واقعی منبع، یکی است.

برای نشان دادن این که چگونه امواج دایره ای می توانند تولید شوند (بر حسب حرکت موجی و ذره ای) این جا را ببینید.

منبع متحرک با صوتV > منبعV (عدد ماخ 0.7):

در تصویر متحرک زیر، همان منبع صوتی، امواج صوتی را با فرکانس ثابت در همان محیط منتشر می کند؛ با این فرق که اکنون با سرعت vs = 0.7 v  (عدد ماخ 0.7) به سمت راست حرکت می کند.

جبهه های موج با همان فرکانس قبل تولید می شوند. با این وجود، زمانی که منبع حرکت می کند، مرکز هر جبهه موج جدید اندکی به سمت راست حرکت می کند. در نتیجه، جبهه های موج در سمت راست (در جلوی منبع صوت) به هم فشرده می شوند و در سمت چپ (پشت منبع صوت) از هم دور می شوند. ناظر در جلوی منبع، فرکانس بالاتر f ´ > f0  و پشت منبع،فرکانس پایین تر f ´< f₀ را می شنود.

منبع متحرک با سرعت صوتV = منبعV (عدد ماخ 1، شکستن سد صوتی):

حال منبع صوتی با سرعت صوت حرکت می کند. سرعت صوت در هوا و در سطح دریا حدود 340 m/s یا حدود 750  مایل در هر ساعت است. اکنون جبهه های موج همگی در جلوی منبع در همان نقطه جمع می شوند. در نتیجه، تا وقتی که منبع نرسیده است، برای ناظر در جلوی منبع، چیزی آشکار نخواهد بود. جبهه فشار به دلیل جمع شدن تمام جبهه های موج کاملا شدید خواهد بود (یک موج ضربه ای)، و هنگامی که دیواره فشار  عبور می کند، به صورت زیر و بم دریافت نخواهد شد، بلکه به صورت "گرومپ" مانندی شنیده خواهد شد.

شکل بالا گلوله ای را نشان می دهد که با M=1.01 حرکت می کند. می توانید جبهه موج ضربه ای را در  جلوی نقطه ببینید.

 

        خلبان های جتی که در M=1 حرکت می کنند، گزارش می کنند که "دیوار" یا "سد" محسوسی وجود دارد که بایستی قبل از رسیدن به سرعت های مافوق صوت سوراخ شوند. این "دیوار" به دلیل شدت جبهه فشار است و پرواز کردن در این جبهه فشار، یک سواری آشفته و جهنده ای تولید خواهد کرد.

چاک ایگر اولین کسی بود که هنگام پرواز سریع تر از سرعت صوت در 14 اکتبر 1974 با هواپیمای موشکی X-1 دیوار صوتی را شکست.

منبع متحرک با صوتV  < منبعV(عدد ماخ 1.4 – مافوق صوت):

اکنون منبع صوت از سد سرعت صوتی عبور کرده است و با سرعت 1.4 برابر سرعت صوت (عدد ماخ 1.4) در حال حرکت است. از آن جایی که منبع با سرعت بیش تر از امواج صوتی که ایجاد می کند، حرکت می کند، واقعا از جبهه موج خود سبقت می گیرد. قبل از این که ناظر صدایی تولید شده توسط منبع را بشنود، منبع صوت از کنار ناظر ساکن رد می شود.

به تشکیل مخروط ماخ در این شکل دقت کنید؛ زاویه این مخروط به سرعت منبع نسبت به سرعت صوت بستگی دارد. این جبهه فشار قوی در مخروط ماخ است که باعث موج ضربه ای موسوم به "صدای شکستن دیوار صوتی" هنگام گذشتن هواپیما از بالای سر ناظر می شود. موج ضربه با سرعت صوتی v پیش روی می کند و چون از ترکیب تمام جبهه موج ها، تشکیل یافته است، صدای شنیده شده توسط ناظر، کاملا زیاد خواهد بود. یک هواپیمای مافوق صوت معمولا دو صدای شکست دیوار صوتی تولید می کند؛ یکی از دماغه هواپیما و دیگری از دم آن؛ که به صدای بلند دوگانه منجر می شود.

 شکل روبرو، گلوله ای را با عدد ماخ 2.45  نشان می دهد. مخروط ماخ و جبهه موج

 ضربه کاملا محسوسند.

 

 

جبهه موج ایجاد شده توسط T-38 تالون، یک توربو جت دو موتوره با قابلیت پرواز در ارتفاع بالا و مافوق صوت

 

 

شکست دیوار صوتی توسط گروه TRUST-SSC ؛ رکورد سرعت فرود و دیوار صوتی روی زمین توسط این گروه شکسته شد.

نظریه نسبیت خاص و انقباض طول

این بحث را با یک سؤال شروع می کنیم.

به نظر شما به چه سرعتی باید حرکت کنید تا به کهکشانی در فاصله 5 سال نوری برسید؛ در حالی که مردم روی زمین، این فاصله را 100 سال نوری اندازه گرفته اند؟

آن طوری که از زمین یا سفینه فضایی دیده می شود، کهکشان چه قدر دور است؟

پاسخ:

و باز هم با تبدیل سال نوری به ثانیه خواهیم داشت:

پس مسافت و فضایی که باید طی شود، کوتاه تر می شود و انقباض پیدا می کند!

نحوه محاسبه را اکنون متوجه خواهید شد.

طبق اندازه گیری زمینی (مقایسه ساعت زمینی با ساعت سفینه) فاصله بین دو سیاره :

است؛اما طبق اندازه گیری سفینه فضایی، فاصله با فرمول :

 محاسبه می شود.

بنابراین، همان طوری که از سفینه دیده می شود، فاصله بین سیارات، کم تر است. با تغییر چارچوب مرجع (یعنی از دید ناظر سفینه)، گویی سیارات از کنار سفینه رد می شوند؛ پس ناظر درون سفینه، فاصله کوچک تری بین سیارات نسبت به ناظر ساکن در هر دو سیاره می بیند.

 

بنابراین از دید ناظر ساکن، یک چوب متحرک (که موازی با جهت حرکت قرار گرفته) کوتاه تر از چوبی که ساکن است، به نظر می رسد.

برای فهم بیش تر این مطلب، به حرکت سفینه فضایی دقت کنید:

سرعت سفینه 10% سرعت نور

سرعت سفینه 86.5% سرعت نور

سرعت سفینه 99% سرعت نور

سرعت سفینه 99.99% سرعت نور

• توپ تنیس در حال حرکت با سرعت بالا مثل یک کلوچه نازک دیده می شود. در سرعت زیاد، ضخامت یک کلوچه نازک در حد صفر دیده می شود!
•  برای کسی که با سرعت نور حرکت می کند، فاصله بین منظومه شمسی و مرکز کهکشان (یا هر فاصله ای) تقریبا صفر به نظر می رسد.
•  عبور با سرعت زیاد از کنار یک تابلو یا خانه، آن ها را به طور افقی، منقبض نشان می دهد.
  
•  وقتی لحظه ای به نمای خانه ای نگاه کنید، هنگام رد شدن از کنار خانه ، با این که نور از کناره های نمای خانه در زمان نسبتا کوتاه تری منتشر می شود ( و فاصله طولانی تری در همان سرعت مشابه نوری که به نمای روبرو رسیده، می پیماید) درست در هنگام روبه رویی با خانه و به ناظر می رسد و نمای خانه جلوی عبور پرتو نشان داده شده را نمی گیرد.
  

نتیجه گیری:

مکان و فضا هم مانند زمان، مطلق و ثابت نیست، بلکه خصوصیات مشترک داشته و نسبی اند. هر دوی این خصوصیات به ناظر وابسته اند. حوادثی که در یک چارچوب مرجع (از دید ناظری خاص)، همزمان به نظر می رسند، در چارچوب مرجع دیگر (ناظر دیگر در شرایط مکانی و زمانی دیگر) همزمان نیستند. هر ناظری، سیستم مکان – زمان خاص خود را دارد.

پس به همان صورتی که گذشت زمان در سرعت های متفاوت، عوض می شود؛ مکان و ابعاد فضا نیز بسته به میزان سرعت اجسام تغییر خواهد کرد.

تأخیر زمان

در بحث مربوط به نسبیت خاص انیشتین به پدیده تأخیر زمانی اشاره شد. در این قسمت می خواهیم با این خاصیت بیش تر آشنا شویم.

حال باریکه ای از نور را مانند آن چه در شکل زیر نشان داده شده و ناظری در بیرون یا درون سفینه در نظر بگیرید:

نور با همان سرعت c در هر چارچوبی مشاهده می شود. ناظر داخل سفینه و ناظر ساکن بیرون سفینه، ساعت های یکسانی دارند؛ اما فاصله زمانی متفاوتی برای این اتفاق اندازه می گیرند.

برای فهم بهتر مطلب به این انیمیشن دقت کنید:

یک ساعت نوری خیالی را مانند تصویرروبرو در نظر بگیرید. این ساعت با نوری که بین دو آینه منعکس می شود، کار می کند.

زمان بین تیک و تاک این ساعت (که همان زمان بین انعکاس نور از دو آینه است) با اندازه گیری یک ساعت ثابت خواهد بود:

حال اگر همان ساعت نوری با سرعت v حرکت کند:

 

زمان بین تیک و تاک ساعت نوری با اندازه گیری مسافت طی شده پالس نوری قرمز تقسیم بر c به دست می آید:

اگر طرفین را به توان دو برسانیم و جملات شامل t را به یک سمت بیاوریم، خواهیم داشت:

گذشت زمان برای ناظر ساکن، زمانی که نور مسافت زیادی را طی می کند، طولانی تر از ناظر متحرک است. انگار ساعت ساکن در مقایسه با ساعت متحرک، سریع تر تیک و تاک می کند!

یک مثال دیگر:

ساعت های آبی و قرمز مشابهی را در شکل زیر  می بینید. تا وقتی این دو ساعت نسبت به هم ساکن هستند، تیک – تاک های مشابهی را ثبت خواهند کرد.

اما وقتی ساعت آبی با سرعت v نسبت به ساعت قرمز در جهت عمود بر مسیر آینه (که با رنگ سبز نشان داده شده) حرکت می کند، در ساعت قرمز اگر چه فاصله بین ساعت آبی و آینه همچنان مثل فبل ثابت می ماند، اما نور مسافت طولانی تری طی می کند؛ از آن جایی که سرعت نور ثابت است، ساعت قرمز  زمان طولانی تری برای ساعت آبی و تیک – تاک آن ثبت می کند.

ولی ساعت آبی به همان صورت قبل کار خواهد کرد.

معمای دوقلوها: یک تناقض واضح!

آیا فکر نمی کنید گذشت زمان برای دو برادر دوقلو که یکی با سفینه به فضا می رود و دیگری روی زمین می ماند، متفاوت باشد؟

دوقلویی که به فضا می رود، فکر می کند زمان با سرعت می گذرد؟ به نظر شما وقتی به زمین بازگشت، کدام یک پیرتر می شود؟

با استفاده از مطلبی که در بالا به آن اشاره شد، نباید در پاسخ دادن به این سؤال دچار ابهام شوید!

به دلیل این که چارچوب دوقلویی که به فضا رفته، ساکن نیست، زمان برای او سریع تر خواهد بود و وقتی برگشت، برادر خود را پیرتر از خود خواهد دید!

 

• اگر داخل محفظه ای باشید که با سرعت بالا می چرخد و بعد از آن بیرون بیایید، می بینید که دوقلوی شما که بیرون محفظه نشسته بود، بیش تر از شما سن دارد!   

• یک ذره بنیادی (مانند نوترون، میون) که تجزیه می شود، زمانی که با سرعت بالا در شتاب دهنده حرکت می کند، عمر طولانی تری دارد (یعنی نسبت به ذره ای که با سرعت کم حرکت می کند یا ساکن است، دیرتر تجزیه می شود).  

•  نوری از مرکز کهکشان راه شیری در زمان 25,000 سال به منظومه شمسی می رسد، اما فردی که با سرعت نور حرکت می کند، همان زمان را صفر ثانیه اندازه می گیرد!  

• وقتی با سرعت  500 کیلومتر در ساعت، سفر رفت و برگشتی به ژاپن داشته باشید، قطعا با سرعت کم تری عمرتان می گذرد؛ اما افسوس که مدت خیلی کمی است! برای 20 ساعت سفر رفت و برگشت، مدت:
  

        ثانیه کم تر پیر می شوید!!!!

نظریه های نسبیت انیشتین

مقدمه:

درک نسبیت آن قدرها هم فراتر از ذهن ما نیست. در واقع، نسبیت مکانی، قسمتی از زندگی روزمره ماست. نسبیت مکانی (فضایی) به افتخار گالیله که اولین بار مفهوم حرکت نسبی را فرمول بندی کرد، نسبیت گالیله ای هم نام دارد و اغلب با نظریه های انیشتین اشتباه گرفته می شود. گالیله بسیار راحت این واقعیت را توصیف کرد که یک ناظر در حال حرکت، اشیا را به گونه متفاوت با ناظر ساکن می بیند، زیرا سیستم مختصاتی متفاوت مکانی یا به زبان نسبیتی، "چارچوب مرجع" متفاوتی دارد.

مفهوم جدید نسبیت از دیدگاه انیشتین:

نسبیت انیشتین با نسبیت کلاسیکی فرق دارد. قبل از انیشتین مردم فکر می کردند زمان مطلق است یعنی یک ساعت بزرگ، زمان کل جهان را اندازه می گیرد؛ پس یک ساعت در زمین، همان زمان را در مریخ یا کهکشان دیگری خواهد داشت. اما در این مفهوم، مشکلی وجود دارد: در چارچوب زمان مطلق، سرعت نور نمی تواند ثابت باشد؛ (سرعت قابل اندازه گیری نور (یعنی c) که اولین بار به نسبیت گالیله اشاره داشت). این به معنای آن است که وقتی زمین با سرعت v می چرخد، نسبت به ناظری در بیرون، نور منتشر شده در جهت چرخش زمین باید سرعت c + v داشته باشد و نور منتشر شده در خلاف جهت چرخش زمین، با سرعت c – v حرکت خواهد کرد.

در 1881 آ. مایکلسون آزمایشی انجام داد تا ثابت کند واقعیت چنین نیست. با کمک تجهیزاتی که با تغییر الگوهای تداخلی، اجازه اندازه گیری اختلاف دقایقی در سرعت نور می داد، مایکلسون متوجه شد که سرعت نور همواره یکسان است و هیچ وقت تغییر نمی کند. همین آزمایش بعدها توسط مایکلسون و ای.دبلیو. مورلی با دقت بیش تری دوباره انجام شد.

در 1905 نظریه نسبیت خاص انیشتین، قوانین درست فیزیک را برای اجسام سریع در هر دو مقیاس بزرگ و اتمی توصیف کرد.

دو اصل ثابت انیشتین:

•  قوانین فیزیک در هر چارچوب مرجع لخت، ثابت هستند (لخت به معنای آن است که هیچ نیروی خارجی روی سیستم وارد نمی شود).
•  سرعت نور در خلأ صرف نظر از سرعت منبع و ساکن یا متحرک بودن ناظر، همواره مقدار ثابت c را دارد.

جمع نسبیتی سرعت ها:

در این قسمت می خواهیم راز ثابت ماندن سرعت نور در هر محیطی را صرف نظر از منبع نور یا ناظر نور کشف کنیم.

اگر ذره ای با سرعت v₁ را از سفینه متحرکی با سرعت v₂ بیندازیم، سرعت کلی V_total مشاهده شده از بیرون سفینه در چارچوب ناظر ساکن توسط فرمول زیر محاسبه می شود. v₂ سرعت نسبی دو ناظر است. مقادیر + یا –  برای v₁ یا v₂ به جهت آن ها وابسته است.

 

شکل بالا برای حالت v₁=0 و هر v₂ است (جسمی که در دست راننده است، سرعت افقی نسبت به ماشین در حالت (a) ندارد).

ناظر ساکن بیرون از ماشین، جسم را با سرعت V_total = v₂ می بیند؛ این اتفاق همواره در زندگی روزمره تکرار می شود.

مثال: پرتابه ای با سرعت زیاد (1)، موشکی سریع (2)، از خود رها می کند. ناظر روی زمین، سرعت (2) را چه قدر اندازه می گیرد؟

همزمانی

یک اتفاق همزمان به چه معنی است؟

 

در این شکل، علائم نور به طور همزمان به هر دو انتهای سفینه فضایی می رسند و ناظر متحرک آن ها را می بیند.

از دید ناظر ساکن، علائم نور به طور همزمان به دو انتهای سفینه نمی رسند زیرا سفینه در حال حرکت است؛ در حالی که نور در هر چارچوب با سرعت یکسانی حرکت می کند.

دو ناظر بالا در همزمان بودن دریافت علائم نور با هم اختلاف دارند؛ بنابراین، همزمانی یک مفهوم مطلق نیست (نسبی است) و اندازه گیری زمان، مطلق یا کلی نیست، این مفهوم را در بحث تأخیر زمانی نیز دنبال خواهیم کرد.

• زمانی که از پنجره بیرون را نگاه می کنید، صحنه ای که می بینید، در شبکیه چشم شما به طور کامل در همان لحظه اتفاق نمی افتد.
•       ستاره ها در تصویری که از آسمان شب می بینید، همگی در همان لحظه در آن نقاط وجود ندارند! مگر این که نور آن ها همان لحظه به فیلم عکاسی برسد.
•       اگر دو ستاره در یک زمان منفجر شوند، مراحل انفجار یکی از آن ها از دید ناظری در کهکشان دیگر ممکن است زودتر اتفاق بیفتد!
  

مفهوم زمان برای فردی که در کره زمین زندگی می کند، با مریخ متفاوت است.

چرخه های زمین

زمین را می توان مانند یک سیستم غول پیکر از چرخه های فعال تصور کرد. در هر چرخه، ماده و انرژی از جایی به جایی دیگر منتقل می شود و ممکن است که تغییر شکل دهد. در نهایت ماده و انرژی به جای نخستین خود بازگشته و چرخه از اول آغاز می شود. چرخه ها بر همه چیز در این سیاره تاثیر می گذارند از وضعیت آب و هوا تا شکل مناظر.

چرخه های گوناگونی روی زمین و درون آن وجود دارند تعدادی از مهم ترین آن ها عبارتند از:

١) گردش جوی

٢) جریان اقیانوس ها

٣) انتقال حرارت سراسری

٤) چرخه آب

٥) چرخه سنگ ها

حیات در زمین

اولین موجودات زنده حدود 8/3 میلیارد سال پیش و اولین دایناسورها حدود ١٥٠ میلیون سال پیش در زمین ظاهر شدند. حدود ٦٥ میلیون سال پیش نسل دایناسورها از بین رفت (انقراض دایناسورها). یکی از عوامل انقراض دایناسورها برخورد یک شهاب سنگ به زمین و پر شدن جو زمین از غبار بود. در چنین شرایطی نور و گرما به زمین نرسیده و یک دوره کوتاه یخبندان باعث مرگ دایناسورها بر اثر سرما و گرسنگی شده است. اگر همه تار یخچه زمین را در ٢٤ ساعت خلاصه کنیم، نخستین انسان ها در٢ ثانیه مانده به نیمه شب ظهور خواهند کرد.

1. گردش جوی

هوای گرم شده توسط خورشید نزدیک استوا بالا آمده و به سمت قطب های زمین حرکت می کند و دوباره به سطح زمین برگشته و به سمت استوا جریان پیدا می کند. این حرکت به همراه حرکت وضعی زمین، گرما و رطوبت را در سرتاسر سیاره به حرکت در آورده و منجر به ایجاد بادها و الگوهای وضعیت آب و هوا می شود.

در برخی مناطق جهت وزش بادها در فصول تغییر می کند. این الگوها را بادهای موسمی می نامند. در تابستان هوا بر فراز آسیا توسط خورشید گرم شده بالا می رود و هوای مرطوب را از اقیانوس هند با خود می کشد و منجر به بارندگی های روزانه در اغلب کشورهای جنوب آسیا می گردد. در زمستان هوا بر فراز آسیا سرد می شود و بیشتر رطوبت موجود را دور کرده در نتیجه هوا خشک می شود.

مشابه این الگو در اقیانوس آرام نزدیک مکزیک نیز رخ داده و هوای مرطوب و طوفان را در تابستان به جنوب غربی ایالات متحده می برد.

2. جریان اقیانوس ها

جریان اقیانوس ها با وزش بادها حرکت نموده و الگوی مشابهی را پیش می گیرد. قاره ها مسیر حرکت اقیانوس ها را سد می کنند. جریان اقیانوس ها در نزدیک استوا در جهت غرب است و سپس به سمت قطب ها می روند، هنگامی که به یک قاره برخورد کنند به سمت شرق می روند و سپس به استوا باز می گردند.

3. انتقال حرارت سراسری

انتقال حرارت سراسری چرخه بزرگ آب اقیانوس هاست که گرما را در همه زمین توزیع می کند. آب در نواحی قطبی بسیار سرد، شور و سنگین است . این آب به زمین فرو می رود و با حرکت در مسیر کف دریا به استوا می رسد. در نهایت آب در قسمت های مرزی قاره ها بالا آمده و با آب های جاری در سطح زمین ترکیب می شود. وقتی که این آب به مناصق قطبی می رسد، دوباره فرو می رود . این حرکت سه بعدی آب گرما را در اقیانوس ها مخلوط می کند و آب های قطبی را گرم می کند. این چرخه همچنین منجر به بالا آمدن مواد مغذی از عمق اقیانوس ها به سطح زمین می گردد که در اختیار گیاهان دریایی و جانوران قرار می گیرند.

4. چرخه آب

آب اقیانوس ها تبخیر شده و به جو می روند و نهایتا به شکل برف یا باران به زمین می ریزند. آبی که به زمین می رسد باعث تجزیه سنگ ها، تغذیه گیاهان و پوشش دادن مناظر می شود. سرانجام این آب ها به دریاها رفته و چرخه از اول آغاز می گردد.

5. چرخه سنگ ها

تنوع سنگ ها در زمین به دلیل وجود فرآیندهای فعال، نسبت به سایر سیارات بسیار بیشتر است. زمین شناسان برای توضیح نسبت های گونه های مختلف سنگ ها با یکدیگر از چرخه سنگ ها صحبت می کنند .

این چرخه می تواند از جریان مواد مذاب آتشفشانی و سرد شدن آن ها برای تشکیل سنگ های آذرین آغاز شود. هنگامی که ا ین سنگ ها در معرض آب قرار می گیرند تجزیه شده در نتیجه مواد معدنی با رسوب تبدیل به سنگ های رسوبی می شوند. این سنگ ها در نهایت به اعماق زمین می رسند و در اثر گرما و فشار به سنگ های دگردیس تبدیل شده و در نهایت مذاب گشته و به موادی برای تشکیل سنگ های آذرین تبدیل می شوند. سنگ ها به ندرت در یک چرخه کامل قرار می گیرند. در عوض بعضی از مراحل حذف و بعضی تکرار می شوند.

درون زمین

زمین شناسان قادر به مطالعه مستقیم اعماق زمین می باشند. عمیق ترین چاه حفر شده ١٣ کیلومتر است. زمین شناسان می دانند که قسمت های زمین با لایه نازك پوسته آن متفاوتند. در اعماق زمین فشار به قدری زیاد است که مواد معدنی با فشرده شدن به موادی با چگالی بسیار زیاد که در سطح زمین یافت نمی شوند، تبدیل می گردند.

گونه های خاصی از این سنگ ها که کندریت (chondrite) نامیده می شوند، پیش از برخورد با زمین در منظومه شمسی بدون هیچ تغییری از قرن ها پیش باقی مانده اند. زمین شناسان می توانند با استفاده ا ز کندریت ها، منشا ترکیب بندی های شیمیایی زمین را تخمین زنند.

علیرغم کندریت ها، زمین با لایه ها یی که مشتمل از مواد گوناگون شیمیایی می باشند، شکل گرفته است. زمین شناسان با مطالعه لرزش های ناشی از زمین لرزه ها، به کمک تجهیزاتی که لرزه نگار نامیده می شوند، در مورد عمق زمین پی به نکات جدیدی می برند. سرعت و حرکت لرزش های درون زمین به ترکیب بندی و چگالی موادی که لرزه ها در میان آن قرار گرفته اند بستگی دارد . زمین شناسان با آنالیز کردن این لرزش ها به جزئیات فراوانی از عمق زمین پی می برند.

خانواده های جدول تناوبی 2

در گذشته با برخی ویژگی های فلزات و نا فلزات آشنا شدید؛ حال به معرفی بقیه عناصر جدول تناوبی می پردازیم.

سمت راست: کریستال بیسموت و سمت چپ: فسفر قرمز

سمت راست: بلور گوگرد - سمت چپ: سنگ سلنیوم

خواص شبه فلزات

 

•  شبه فلزات هر دو خواص فلزات و نا فلزات را با هم دارند.
•  آن ها جامداتی اند که  می توانند کدر و یا براق باشند.
•  آن ها گرما و الکتریسیته را بهتر از نا فلزات هدایت می کنند اما نه به اندازه فلزات.
•  چکش خوار و شکل پذیرند.
•  سیلیکون نقش بسیار مهمی در قطعه های الکتریکی و فیزیک حالت جامد دارد.
•  گرانیت و میکا از سیلیکات ها تشکیل می شوند.
•  آرسنیک سمی است و در سموم استفاده مفیدی دارد.

راست: کربن -  وسط: ژرمانیوم  -  چپ: قلع

انواع فسیلی شدن

فسیل شناسی بحث درباره ی گیاهان و جانورانی است که سابقا در سطح زمین زندگانی کرده اند بقایا و اثراتی را که در ته نشین شدن گیاهان و جانوران دیده می شود فسیل می نامند.

دراینجا می خواهیم به  بحث درباره ی انواع فسیلى شدن بپردازیم:

١) کانى زایی: بطور خلاصه مى توان گفت، منظور از کانى زایى تجزیه مواد آلى پس از مرگ موجود زنده و پر شدن هر حفره یا فضاى خالى در بدن موجود با مواد معدنى است. در این روش که یکى از متداول ترین حالات فسیل شدن است بیشتر اختصاصات مربوط به موجود به حالات فسیل باقى مى ماند.

٢) هم فشردگى: نتیجه این فسیل شدگى دو بعدى و فاقد حجم است که از فشرده شدن بقایاى یک موجود سه بعدى حاصل آمده است. به عبارت دیگر به علت فشرده شدگى، موجود شکل اصلى خود را چنان از دست داده که به جاى سه بعد داراى دو بعد شده است.

٣) فشرده شدن: در فسیل شدگى فشرده شدن همچون بهم فشردگى موجودات تحت فشار قرار مى گیرند، اما این فشار آنچنان زیاد نیست و فقط منجر به تغییر حالت و پهن شدن بدن موجود مى گردد. به عبارت دیگر فسیل تغییر شکل مى دهد اما حالت سه بعدى خود را از دست نمى دهد و مواد آلى با کاهش حجم کمى باقى مى ماند.

٤) اثرگذارى: این نوع فسیل شدگى در واقع آثار باقیمانده از موجود فسیل شده و غالبا به حالت دو بعدى است و فاقد هر گونه مواد آلى مى باشد. اثر گذارى در حقیقت آثار به جاى مانده از فعالیت زیستى موجود زنده در زمان حیاتش بوده است. آثار رد پا، آثار باقى مانده ازتونل ها یا کانال هاى حفر شده توسط موجودات حفار، فضولات و مدفوعات فسیل شده ( پلت و کوپرولیت ) تمامى از این نوع فسیل شدگى مى باشند.

٥) قالب ها (مولد وکست): حالت دیگرى از فسیل شدگى سه بعدى مولد وکست مى باشد که در واقع ویژگى هاى فیزیکى موجودات هستند که بر روى سنگها اثر گذارده و باقى مى ماند و مولد را به وجود مى آورند. به عبارت دیگر از آن جایى که هر موجودى مثل صدف داراى یک سطح خارجى و یک سطح داخلى است و این دو توسط دایره اى از هم جدا مى شوند، اگر مواد رسوبى صدف را در بر گیرد و یا به داخل آن نفوذ نماید و آن را پر کند، پس از سخت شدن رسوبات شکل هایى حاصل مى شود که به آن مولد ( خارجى و داخلى ) گویند. شکل هایى که آثار و سطح داخلى صدف را نشان مى دهند و مولد یا قالب داخلى گویند و شکل هایى که آثار و سطح خارجى صدف را نشان مى دهند مولد یا قالب خارجى مى نامند.

اما اگر موادى جانشین صدف شود و یا پس از ساخته شدن دو نوع مولد داخلى و خارجى، مواد معدنى فضاى خالى را پر کند و بین مولدها ته نشین شود، کست تشکیل مى شود. به این معنا که به جاى فسیل بطور کامل ماده اى دیگر جایگزین مى گردد. این حالت فسیل شدن را که جانشینى گویند، عموما براى صدف هایى از جنسآراگونیت رخ مى دهد که به سرعت به وسیله سیالات مهاجر در سنگ انحلال مى یابد و فضاى خالى به جاى مى گذارند . این فضاى خالى دقیقا شکل صدف قدیمى است.

٦) تبلور مجدد: این نوع فسیل شدگى با جانشینى فرق مى کند چون مستلزم داشتن فضاى خالى نیست و ماده تشکیل دهنده فسیل شکل بلورى خویش را خود به خود تغییر مى دهد. به عبارت دیگر ساختمان طبیعى با هم آمیختن مولکول ها و در نتیجه عمل انحلال و ته نشست دوباره تغییر مى کند. در این فرآیند ساختمان ذره بینى اولیه جابجا یا به طور کامل محو مى شود و صدف به شکل موزاییکى از بلورهاى بهم پیوسته تبدیل مى شود. ظاهر خارجى چنین فسیل هایى حفظ مى شود اما فقط ممکن است در حجم آنها تغییراتى پیدا شود. تبلور مجدد نیز اغلب در صدف هاى آراگونیتى صورت مى گیرد و به شکل پایدارتر یعنى کلسیت تبدیل مى شود .

٧) انجماد: در این نوع فسیل شدن بدن موجود فسیل شده بطور کامل و بدون هیچ تغییر مهمى در ترکیب شیمیایى آن حفظ مى شود ( مانند بقایاى ماموت ها در یخچال هاى سیبرى).

٨) محبوس شدن در کهربا: نوع دیگرى از فسیل شدن وجود دارد که موجود در یک محیط ساکن از نظر زیستى به دام مى افتد و بطور کامل حفظ مى شود. در این روش بیشتر حشرات و عنکبوتیان بصورت فسیل شده دیده مى شوند.

٩) موم و آسفالت طبیعى: فسیل شدگى به این روش بعد از انجماد بهترین حالت حفظ شدگى را نشان مى دهند البته روش هاى فوق به ندرت اتفاق مى افتد. منظور از موم به دانم افتادن موجودات در پارارفین طبیعى و تبدیل شدن آنها به فسیل است. به عنوان مثال ماموت ها و کرگدن هایى که در ناحیه اى بین روسیه و لهستان پیدا شده اند که بدین طریق فسیل شده اند. همچنین در آسفالت طبیعى فسیل هایى را یافته اند که علت تشکیل فسیل را به تله افتادن موجودات در حوضچه هاى مملو از آسفالت و قیر طبیعى مى دانند.

١٠) خشک شدگى و مومیایى شدن: مومیایى شدن در ردیف حفظ شدگى با موم و آسفالت طبیعى قرار مى گیرد، اما در چنین حالتى حتى پوست، مو و رنگ اصلى فسیل باقى مى ماند. در خشک شدگى موجود پیس از مرگ در معرض هوا و اعمال باکترى ها قرار گرفته و سبب شده که جسم آن سخت، خشک شده، ترد و شکننده شود و در بیشتر اوقات تکه تکه گردد.

اندازه گیری انتقال انرژی

در فیزیک، روش استانداردی برای پیدا کردن مقدار انرژی منتقل شده از جسمی به جسم دیگر وجود دارد. این روش، محاسبه کار انجام شده در یک تغییر انرژی است. هنگامی که  نیروی به کار  رفته باعث حرکت چیزی در جهت  نیرو می شود، کار انجام می شود:

توجه داشته باشید که در این دو وضعیت، هیچ انرژی وارد یا خارج نمی شود:

•    هنگامی که جسمی در سراشیبی به حالت سکون قرار دارد؛ با این که جسم دارای وزن است، هیچ حرکتی ندارد.
•    اگر نیرو عمود بر جهت حرکت است (به عنوان مثال، ماهواره ای در مدار خود در اطراف زمین).

این معادله به تعریف واحد SI برای انرژی، یعنی "ژول" منجر می شود:

1 ژول، کار انجام شده برای جسمی است که نیروی 1 نیوتونی در فاصله 1 متر روی آن جسم اعمال می شود.

برای مثال، موتور یا بازوی انسان ممکن است جرم های متفاوتی را تا ارتفاعات مختلفی بلند کند؛ پس انرژی پتانسیل گرانشی چنین به دست می آید:

که h فاصله عمودی جرم m از مبأ پتانسیل است که توسط نیرویی دیگر بلند شده است، g قدرت میدان گرانشی زمین است.

انرژی مورد استفاده در بدن انسان:

وقتی آجری را بلند می کنید، بدن شما با انرژی گرفتن از غذاهای هضم شده، گرم تر می شود. در این جا رابطه ای مانند " نیرو ضرب در جابجایی" به چشم نمی خورد؛ اما انرژی که به جسمی انتقال پیدا می کند تا آن را گرم تر کند، می تواند با این فرمول محاسبه شود و با همان واحدهای انرژی مانند ژول، اندازه گیری شود (بر روی بسته های مواد غذایی می توانید برچسب نسبت های مواد به کار رفته در آن ها را بر حسب کیلوژول ببینید).

انسان تنها 25% کارایی برای انجام کار دارد. برای هر 1000 ژول انرژی که از مواد انرژی دار ذخیره شده در ماهیچه ها منتقل می شود، تنها 250 ژول از آن برای بلند کردن بار یا انجام انواع دیگری از کار انتقال پیدا می کند.

750 ژول از این نیرو به انرژی گرمایی در بدن تبدیل می شود. اصول ترمودینامیکی نشان می دهد که ماهیچه ها می توانند در انتقال انرژی شیمیایی خود برای انجام مفید کارها بیش تر از  70% کارایی داشته باشند، اما این عمل وقتی با این کارایی اتفاق می افتد که بی نهایت کند انجام شود.

پس هنگام تخمین انرژی مفید منتقل شده از انرژی شیمیایی ذخیره شده در غذا به ماهیچه ها برای بالا رفتن از پله ها، برای 8 ساعت از روز، جواب باید در 4 ضرب شود تا بتوان مقدار درخواست غذا را پیدا کرد.

پس برای بالا بردن جسم 1 کیلوگرم تا ارتفاع 1 متری، لازم است 10 ژول انرژی انتقال پیدا کند. این انرژی می تواند از 4 دانه شکر یا یک اسنک کوچک به دست آید؛ یک دانه شکر برای بلند کردن بار و سه دانه شکر برای انتقال انرژی گرمایی.

انتقال الکتریکی انرژی:

 

انرژی انتقال یافته الکتریکی با استفاده از معادله E = IVt محاسبه می شود که I جریان، V اختلاف پتانسیل و t زمان است.

گرمایش از طریق اصطکاک:

 

برای یافتن انرژی منتقل شده در جسمی به هنگام تغییر دما، در  واقع گرم تر شدن توسط  نیروهای اصطکاکی را اندازه  می گیرید؛ برای مثال، ترمز ماشین یا دوچرخه را در نظر بگیرید.

در ساییده شدن اصطکاکی، نیرو از روی سطح حرکت می کند اما باعث گرم شدن سطح می شود.

شما افزایش دمای ماده را اندازه می گیرید و این که چه مقدار از آن گرم شده است.

پس وقتی چیزی گرم تر می شود، شما اطلاع دارید که اگر گرم شدن به این طریق صورت گرفته است، چه مقدار "نیرو ضرب در جابجایی" یا کار لازم بوده است.

 

گرم شدن به معنای آن است که اتم ها یا مولکول های بسیار کوچک، سریع تر حرکت می کنند. اتم ها یا مولکول ها برای خودشان انرژی "ربوده شده ای" دارند و گرفتن دوباره این انرژی آسان نیست زیرا اتم ها در میان تعداد عظیمی از ذرات دیگر، آن را به اشتراک گذاشته اند.

 

مثال های بیشماری از انرژی تغییر یافته اصطکاک برای گرم کردن اجسام وجود دارد. ترمز ماشین یا دوچرخه از چنین مواردی اند که ما می خواهیم انرژی، سریع از ماشین متحرک بیرون آید.

البته به این نکته دقت کنید که نمی توان اصطکاک را عامل از کار افتادن اجسامی که درست کار نمی کنند، دانست. در این حالت باید به انرژی که درون ماده رسیده و در آن ذخیره شده، دقت کرد.

عادات ماهی ها

مشاهده ی مستقیم ماهی ها ندرتا امکان پذیر است، در واقع دانستنی های مربوط به عادات آنها را بیشتر به وسیله ی صید آنها با ریسمان و قلاب و تور و ... به دست آورده ایم.

 

بعضی از ماهی ها در تمام ساعات فعالیت دارند و بسیاری به هنگام شب، آرام و بی حرکت می باشند.

ولی بعضی گونه ها شبانه Nocturnal هستند.

 یک نوع ماهی مختص مناطق Tropical warasses زیر یک پوشش شنی به پهلو می خوابد.

ماهی های رود های آب شیرین برای سهولت تنفس و دریافت خوراک عمدتا بر خلاف جریان آب حرکت می کنند.

به نظر می رسد گونه های دریایی در تمام فصول، فعالیت دارند ولی بسیاری از ماهی های آب شیرین در دوره ی زمستان غیر فعال شده و در دریاچه ها و رود ها به قسمت های ژرف تر آب می روند.

برخی ماهی ها به حالت انفرادی به سر می برند در حالی که عده دیگر به طور گروهی Gregarias بوده و در  دسته هایی به اندازه های گوناگون زندگی می کنند.

مثلا دسته های بعضی از ماهی ها از چندین هزار تا میلیون ها عدد می باشد.این دسته ها غالبا دائمی هستند.

بسیاری از ماهی ها مانند پرندگان مهاحرت موسمی دارند:

بارکودا Barracuda یک نوع ماهی درند ه و نیزه ای شکل دریا های حاره (سمت راست)

خارماهی Swordifish در بهار به شمال و در پاییز به جنوب، مهاجرت می کند.

ماهی آزاد Salmon، (سمت چپ)

ماهی چشم سیاه Shad،

ماهی خاردار مخطط Striped Bass و بعضی قزل آلاها برای تخم ریزی آب شور به آب شیرین می روند.

به این گونه ها فراز رو Anadromous می گویند.

مار ماهی آب شیرین Eel که عکس این عمل را انجام می دهد. فرو رو Catadrmous نامیده می شود.

ماهی روغن که در فرانسه مور Mour نامیده می شود و شاه ماهی اقیانوس Herring برای تخم ریزی به سواحل یا جاهای کم عمق دریا می روند.

بدن ماده ها کمی پیش از تخم گذاری غالبا از تخم های رسیده بر جسته است و تغییراتی نیز از لحاظ طبیعی یا سایر ویژگی ها از قبیل خمیدگی آرواره ها در جنس نر ممکن است به وجود آید.

بعضی گونه های مناطق حاره، زمان مشخصی برای تولید مثل ندارند و ممکن است تقریبا در هر زمانی تولید مثل کنند.

ولی در نواحی معتدل بیشتر ماهی ها در بهار یا اوایل تابستان تکثیر می یابند. بسیاری از قزل آلا ها در پاییز یا زمستان و قزل آلای نهر از ١٠ مهر تا ١٠ آذر تخم ریزی می کنند.

اکثر ماهی ها سالیانه فقط یک بار تخم گذاری می کنند، ولی ماهی کوچکی که پشه گیر یا تا مینو Topminnows نامیده می شود و در سطح آب تغذیه می کند، مدت یک فصل می تواند ٦ بار تولید مثل کند.

ماهی های خاردار بچه گذار Viviparous perches در هر نوبت تنها تعدادی بچه می زایند. در حالی که بیشتر ماهی های تخم گذار، تخم های بسیاری تولید می کنند.

قزل آلای نهر با حدود ٥٦٠٠،

ماهی آزاد آتلانتیک تا

،

ماهی روغن بیش از

، و

خورشید ماهی اقیانوس sun fish تا

تخم می گذارند.

بسیاری از ماهی ها به هنگام تخم ریزی ممکن است مسکن خود را تغییر دهند. بعضی نمونه های دریایی به آب های سطحی روی می آورند و قزل آلا و ماهی آزاد غالبا به رود های فرعی کوچک می روند.

مدل های هسته ی اتم

در فیزیک اتمی، قوانین نیرو به خوبی ثابت شده است؛ لذا تمام مدل های اتمی بر مبنای این قانون ساخته شده اند. اما برای هسته، شکل قطعی قوانین نیرو معلوم نیست؛ بنابراین برای توضیح رضایت آمیز تمامی مشخصات هسته های پایا و ناپایا یک مدل تنها موجود نیست. مدل های مختلفی برای ساختار هسته ی اتم وجود دارند؛ اما هیچکدام نتوانسته اند به طور واضحی ساختمان هسته را تشریح کنند.

مدل های سه بعدی از هسته اتم

برخی از این مدل ها عبارتند از:

 i.    مدل لایه ای

 ii.   مدل قطره مایع

 iii.   مدل هسته مرکب

iv.   مدل اپتیکی

 v.   مدل اندرکنش مستقیم

 vi.  مدل جمعی

 vii.  مدل گاز فرمی

در زیر به برخی از مهم ترین مدل های هسته ای اشاره خواهیم کرد:

مدل قطره ای:

 در سال 1939 این  مدل توسط نیلز بور (برنده جایزه نوبل 1922در زمینه ی اتم) و جان ویلر مطرح شد . در این مدل، هسته را مشابه یک قطره کره ای شکل فرض می کنند . می دانیم که آن چه سبب کروی ماندن قطره می شود، نیروهای کشش سطحی قطره هستند؛ بنابراین سطح کره با حجم متناسب خواهد بود.

مدل قطره مایع برای درک فرایند شکافت هسته ای به کار می رود.

 با چنین استدلالی می توان گفت که بین نیروهای نگهدارنده ی نوکلئون های هسته و نیروهای کشش سطحی که مایع را کروی نگه می دارند شباهت وجود دارد؛ نیروهای نگه دارنده ی هسته دارای خصوصیات زیر هستند:

•   دارای برد کوتاه هستند.
•    نیروی درون هسته بسیار قوی تر از نیروی الکترواستاتیک بین نوکلئون ها است.
•    این نیروها مستقل از جفت شدگی سایر نوکلئون ها هستند.
•    این نیروها محدود هستند و هر نوکلئون فقط می تواند نزدیک ترین نوکلئون های خود را جذب کند.

مدل لایه ای:

مشابه وضعیت اتمی که الکترون ها موقعیت هایی را در لایه ها که توسط اعدا کوانتومی مختلف مشخص می شوند، اشغال می کنند و میزان اشغال الکترون ها در آخرین پوسته، خواص و رفتار اتمی را معین می کند، هسته ها نیز وضعیت این چنینی خواهند داشت. برای مثال در اتم ها با 2، 10، 18، 36، 54 و 86 الکترون های تمام لایه ها به طور کامل پر شده اند. چنین ساختمان الکترونی دارای انرژی بستگی فوق العاده زیاد بوده و بسیار پایدارند؛ بنابراین از نظر شیمیایی، خنثی بوده و گازهای بی اثری خواهند بود. هسته هایی هم که دارای 2، 8، 20، 28، 50، 82 و 126 نوترون یا پروتون هستند، دارای فراوانی بیش تر نسبت به هسته هایی با عدد جرمی مشابه هستند و این نشان می دهد که این گونه هسته ها از نظر ساختار، بسیار پایدار هستند. هسته های ذکر شده، نسبت به هسته های مجاور خود دارای خواص کاملاً متفاوت هستند. اعدادی که در بالا ذکر شدند، به اعداد سحر آمیز معروفند.  به کمک مدل قطره ای می توانیم تغییرات انرژی همبستگی را با عدد جرمی در نقاطی که منحنی دارای پیوستگی است، توضیح دهیم؛ ولی درنقاطی  که منحنی پیوسته نیست، این مدل جواب گو نخواهد بود و برای توضیح رفتارهای هسته ها که نسبت به N به طور پیوسته تغییر نمی کنند، مدل لایه ای مناسب تر است.

در این مدل برای هسته، ساختاری لایه ای در نظر گرفته شده که نوکلئون ها در سطوح خاصی قرار می گیرند که هر سطح دارای انرژی مخصوص به خود است؛ البته فاصله ی لایه های هسته ای از فاصله ی لایه های  الکترونی بیش تر است در این مدل نوکلئون ها نیز مانند الکترون با کسب انرژی، تحریک شده به لایه های بالاتر می رود. و قتی نوکلئون مجبور به بازگشت به لایه خود می شود یک فوتون آزاد می کند (پرتو گاما).

 مدل هسته ی مرکب (مدل لایه ای- دسته جمعی):

پروتون ها و نوترون ها، هسته می تواند شکافته شده و تعداد پروتون ها و نوترون های آن تغییر کند.

بور و موتلسون با ترکیب برخی از قسمت های مدل لایه ای با مدل قطره مایع، مدل هسته ی مرکب را پیشنهاد کردند که تفسیر بسیاری از نتایج تجربی را ممکن ساخت.

در مدل هسته ی مرکب، در عین حال که حرکت های دسته جمعی و حرکت های ذرات به صورت انفرادی در نظر گرفته می شود، مانند مدل لایه ای، هر نوکلئون بر روی مداری قرار دارد که توسط پتانسیل حاصل از اثر تمامی نوکلئون های دیگر هسته تعیین می شود.

 در ساختمان هسته، به دلیل حرکت دسته جمعی نوکلئون ها بر مدارهای فردی آن ها اثر می گذارد و پتانسیل ناحیه ای که نوکلئون ها در آن قرار می گیرند، تغییر می کند. اگر هسته دارای لایه های تقریباً پر باشند، به دلیل پایداری مرکز هسته، حرکت دسته جمعی نوکلئون ها دارای اهمیت چندانی نیست و مدل لایه ای (ذره ای) غالب است.

اگر تعداد پروتون ها و نوترون ها طوری باشد که فقط نصف یک لایه ی مربوط به نوکلئون ها پر شده باشد، مدل قطره مایع ( دسته جمعی) غالب است.

مدل گاز فرمی:

 

این مدل از مدل لایه ای اقتباس شده با این فرق که نوکلئون ها را مانند شکل بالا به طور جداگانه روی مدار در نظر گرفته است. طبق این مدل، نوترون ها و پروتون ها به صورت آزادانه در یک چاه پتانسیل جاذبه ای به ابعاد هسته حرکت می کنند. برهم کنش کولنی بین پروتون ها به وجود آورنده ی همین چاه پتانسیل است. به همین دلیل ته چاه پتانسیل برای پروتون در شکل بالا به اندازه ی چند ev بالاتر از نوترون هاست.

نمایشگر LCD چیست؟

 

مقدمه:

همگی با مفهوم نمایشگر آشنا هستیم اما به راستی معنای LCD چیست؟

LCD مخفف Liquid Crystal Display و به معنای صفحه نمایشی با محلول کریستال مایع است. کشف کریستال های مایع در سال 1888 میلادی توسط گیاه شناس استرالیایی به نام فردریک راینایزر صورت گرفت.

شکل هایی متنوع از کریستال های مایع

همگی می دانیم که جامد، مایع و گاز سه حالت رایج مواد پیرامون ما هستند. اما کریستال مایع نه جامد است و نه مایع! این ماده می تواند هر دو شکل جامد و مایع را بسته به عوامل محیط  مانند دما داشته باشد. به همین دلیل است که در هوای بسیار سرد یا گرم نمایشگرهای لپ تاپ درست کار نمی کنند.

می توان کریستال مایع را مثل شمع تصور کرد: شمع جامد است ولی اگر حرارت ببیند، مایع می شود.

 

دانشمندان با قرار دادن  بارهای الکتریکی بین کریستال های مایع کشف کردند که با تغییر دادن ولتاژ، کریستال های مایع می توانند خواص نوری که از بین آن ها عبور می کند، تغییر دهند.

فازهای مختلف کریستال مایع : راست smectic، وسط: ایزوتروپیک و چپ: نماتیک

امروزه نمایشگرهای LCD مورد استفاده در لپ تاپ ها ساختار ساندویچی از لایه هایی مانند شکل زیر دارند. قبل از این که شکل و توضیحات آن را ببینید، بهتر است مفهوم پیکسل را بدانید.

 

هر نمایشگر دارای وضوح یا قدرت تفکیک پذیری است؛ تصاویر توسط پیکسل ها یا نقاط کوچکی با رنگ های مختلف روی صفحه تشکیل می شوند. مثلا صفحه تصویری که 1280*1024   پیکسل دارد، می تواند نمایشگر باشد. شکل زیر با داشتن نمایشگر 8*13 پیکسلی، یک مثال ساده از این حالت است:

 

پیکسل زیادتر  =  وضوح بالاتر = موانع تصویر کم تر

این مفهوم به ماتریس پیکسل ها معروف است و فناوری به کار رفته در صفحات LCD ، ماتریس عامل نام دارد.

نمایشگر LCD لپ تاپ به صورت لایه ای ساخته می شود؛ مثل ساندویچ!

هر لایه به هم فشرده می شود تا یک ورق نازک LCD تشکیل دهد. شکل زیر این لایه ها را نشان می دهد:

قطبنده:

قطبنده به نوعی مثل یک صافی نور عمل می کند و اجازه می دهد نور از صفحه نمایش پشت نور از بین لایه های ورقه ای LCD به بیننده برسد اما به نور محیط بیرون اجازه عبور نمی دهد. نوعی قطبنده که معمولا در صفحات LCD لپ تاپ می توان آن را یافت، نوع عبوردهنده و بازتابنده است. شکل پایین:

صافی نور:

لایه صافی نور در نمایشگرهای LCD به هر پیکسلی بر روی صفحه، رنگ خودش را می دهد؛ این لایه، رنگ آمیزی آبی قرمز و سبز پیکسل های فرعی را قطع می کند که باعث 1 پیکسل صفحه می شود. 3 پیکسل فرعی قرمز سبز و آبی، 1 پیکسل صفحه روی نمایشگر می سازند. ترکیبات قرمز سبز و آبی که در تلویزیون های مدل قدیمی (CRT) نیز به کار می رفتند، می توانند برای ساخت هر رنگی که فکرش را بکنید، به کار روند، تمام آن ها با هم رنگ سفید را می سازند و هر کدام از آن ها که روشن نباشد، رنگ سیاه خواهیم دید.

شیشه صافی رنگ و شیشه TFT:

بین این دو لایه شیشه ای، کریستال های مایع ساندویچ شده اند. هر پیکسلی از 3 پیکسل فرعی تشکیل شده است. یک جریان الکتریکی که از بین هر کریستال مایع رد می شود، باعث می شود کریستال با تغییر شکل و بنابراین مقدار نور  مجاز به عبور از بین پیکسل تحت تأثیر قرار گیرد. این کار، باعث درخشندگی هر پیکسلی می شود یا یک پیکسل خاص را قطع می کند. در شکل زیر، هنگامی که کریستال مایع تغییر شکل می دهد تا جلوی عبور نور را بگیرد یا اجازه ی عبور به نور دهد، پیکسل زرد سمت راستی خاموش شده و پیکسل سمت چپی روشن می شود.

لایه TFT:

رایج ترین نمایشگر LCD در صفحات لپ تاپ، TFT است که مخفف ترانزیستورهای فیلم نازک است. یک ورق LCD از TFT شامل تعداد خاصی واحد پیکسل به نام پیکسل فرعی است. هر پیکسل فرعی یک ترانزیستور لایه نازک دارد که از الکترود پیکسلی  اکسید رسانای شفاف (ITO) و خازن Cs تشکیل یافته است.

نور پشت صفحه نمایش، مسئول رساندن نور از بین لایه های فشرده به هم برای دیدن تصویر روشن است.

مطالب بعدی راجع به تفاوت نمایشگرهای CRT و LCD و LED را حتما ببینید.

نیرو: چرا ماه به دور زمین می چرخد؟!

پس از افتادن سیب روی زمین ایزاک نیوتن، تحقیقات زیادی انجام داد و در پایان نتایج خود را این چنین اعلام کرد.

در این جا با ذکر یک مثال به بررسی قانون کنش و واکنش می پردازیم :

اگر به کتابی روی میز نیرو وارد شود، میز نیز به همان مقدار به کتاب نیرو وارد می شود به همین دلیل است که کتاب در جای خود باقی می ماند، نه در میز فرو می رود و نه به طرف بالا حرکت می کند.

در این قسمت به بررسی این خواهیم پرداخت که آیا با قوانین نیوتن می توان حرکت اجرام آسمانی را بررسی کرد یا خیر؟!

در آسمان ها، اجسام آسمانی در خلأ حرکت می کنند امّا مسیر آن ها در یک خط مستقیم نمی باشد، مثلا ً ماه در یک مسیر منحنی دور زمین می چرخد؛ این واقعیت با قوانین نیوتن مغایرت ندارد؛ زیرا ماه به حال خود گذاشته نشده است.

ماه همواره به طرف زمین کشیده می شود، در واقع نیروی گرانش زمین ماه را به سمت خود جذب می کند.

نیوتن چنین اعلام کرد که چنان چه فرض کنیم نیروی جاذبه ی زمین روی سیب اثر می کند، روی ماه هم تأثیر می گذارد. پس می توانیم چگونگی حرکات ماه را به خوبی توضیح دهیم.

نیوتن هم چنین توانست نشان دهد که مقدار نیروی جاذبه میان دو جسم در جهان، به جرم آن دو جسم و مقدار فاصله ی آن ها از یک دیگر بستگی دارد.

یعنی هر چقدر جرم جسمی بیشتر باشد، نیروی جاذبه ی بین آن ها بیشتر می شود و هر چقدر که فاصله ی بین دو جسم بیشتر باشد، نیروی جاذبه کمتر می شود.

با این قانون، نیوتن چگونگی حرکت اجسام آسمانی را تقریباً به جزئیات کاملی توضیح داده این قانون نشان داد که چرا زمین، به آرامی به دور محور خود می چرخد که نتیجه نهایی این حرکت شب و روز می باشد.

نیوتن اعلام کرد که تصور ارسطو اشتباه است زیرا تنها یک قانون طبیعی بر آسمان ها و زمین وجود دارد و نه دو قانون طبیعی.

در پایان می توان گفت که سه قانون حرکت نیوتن همان طور که افتادن سیب و جهش توپ را توضیح می داد، حرکت دایره وار ماه را نیز روشن می کرد.

بنابراین، نیوتن ثابت کرد که آسمان ها و زمین بخش هایی از یک جهان هستند.

تعادل 4

کنترل یک واکنش:

در مطالب قبل به ویژگی های سیستم‌های در حال تعادل اشاره کردیم و با ثابت تعادل آشنا شدیم...

حال می‌خواهیم بدانیم آیا می‌توانیم واکنش را به دلخواه خودمان کنترل کنیم؟

جواب مثبت است!

برای این‌که محصول بیش‌تری تولید کنیم و یا بازده واکنش را بالا ببریم، می‌توانیم تغییرات زیر را در سیستم واکنش ایجاد کنیم:

•   تغییر غلظت‌های واکنش دهنده‌ها یا محصولات
•   تغییر دما
•    تغییر فشار و حجم (برای یک واکنش در فاز گازی)

در واکنش‌های تعادلی، هر تغییری در سیستم صورت گیرد، سیستم سعی خواهد کرد به سمتی پیش رود که باز هم حالت تعادل را برقرار کند. تغییرات ذکر شده در بالا نیز حالت تعادلی سیستم را به طور موقت بر هم می ‌زنند.

اصل لوشاتلیه:

حالت تعادل در هر سیستمی به عوامل موجود در سیستم مانند دما، فشار و غلظت اجزای مختلف بستگی دارد. این عوامل، پارامتر یا متغیرهای واکنش نامیده می‌شوند.

یک تغییر در هر کدام از پارامترهای واکنش، ممکن است وضعیت تعادلی سیستم را تحت تأثیر قرار دهد.

قاعده‌ی کلی که می‌تواند تأثیر تغییرات این پارامترها را بر روی حالت تعادل توصیف کند، توسط اچ. لوشاتلیه (1885) و اف. بارون (1886) فرمول‌بندی شده ولی به طور مشترک، اصل لوشاتلیه نامیده می‌شود.

این اصل، کاربرد سودمند بزرگی برای تمام سیستم‌های فیزیکی و شیمیایی دارد.

این اصل بیان می‌‌‌کند هر سیستمی که در معرض تغییری در پارامترهای خود قرار می‌گیرد، فرایندهایی در سیستم اتفاق می‌افتد که با تغییر اولیه مخالفت کنند؛ بنابراین سیستم به یک وضعیت تعادلی جدید می‌رسد.

تغییر غلظت واکنش‌دهنده‌ها یا محصولات:

یک سیستم شیمیایی در حال تعادل در نظر بگیرید. اگر تعادل با تغییر غلظت هر کدام از اجزای واکنش به هم بخورد، تعادل به جهتی انتقال پیدا خواهد کرد که سعی در برگرداندن سیستم به وضعیت اصلی‌اش خواهد کرد. به مثال زیر توجه کنید:

سیستمی از مخلوط 5 مولکول‌ ایزوبوتان و 2 مولکول بوتان در حال تعادل است. با اضافه کردن هفت ایزوبوتان دیگر، سیستم از حالت تعادل خارج می‌شود.

شبکه‌‌ای از دو مولکول ایزوبوتان به مولکول بوتان تغییر می‌کند تا بازهم مخلوطی به دست آید که حالت تعادلی برقرار شود. نسبت ایزوبوتان به بوتان، 5 به 2 است.

در واکنش زیر، افزودن BaCl₂ باعث جابجاشدن مسیر تعادل در مسیر رفت خواهد شد تا وضعیت تعادلی جدید برقرار شود:

 

 

در واکنش زیر افزودن Cl₂ به حالت تعادل سیستم، باعث جابجا شدن مسیر تعادلی سیستم در جهت برگشت خواهد شد:

 

به نظر شما با این افزایش Cl₂ چه اتفاقی برای غلظت CO خواهد افتاد؟

اثر حجم:

اگر یک سیستم گازی متراکم شود، فشار افزایش پیدا می‌کند و باعث می‌شود سیستم با یک شیفت (جابجایی) در جهت مولکول‌های گازی کم‌تر تا اندازه‌ای از فشار و تغییر ایجاد شده رهایی پیدا کند.

در حالتی که سیستم منبسط شود، فشار کاهش پیدا می‌کند و یک شیفت در جهت مولکول‌های گازی بیش‌تر تا اندازه‌ای به حالت تعادلی اولیه باز می‌گردد.

در شکل بالا، گاز N₂O₄  با NO₂ در حال تعادل است:

ابتدا نسبت N₂O₄ به NO2، مقدار 1 به 2 است (1:2) . سپس حجم سیستم به یک سوم حجم اولیه کاهش می‌یابد (سیستم متراکم می‌شود) و برای این‌که سیستم به تعادل دوباره برسد، واکنش به سمتی جابجا می‌شود که این فشار افزایش یافته را کم کند (جهتی که تعداد مولکول‌ها را کاهش دهد)؛ بنابراین تعادل دوباره برقرار می‌شود (نسبت N₂O₄ به NO₂ اکنون 4:5 است).

جابجایی مسیر تعادل با تغییر دمای سیستم:

با یک مثال این بحث را شروع می‌کنیم؛ زمانی که یک مول گاز استیلن با دو مول گاز هیدروژن واکنش نشان دهد، یک مول گاز اتان تشکیل می‌شود و 311 کیلوژول انرژی آزاد می‌کند؛ بنابراین یک واکنش گرماده است.

گرما، محصول دیگر این واکنش است:

ΔH=-311KJ به معنای آزاد شدن 311 کیلوژول انرژی گرمایی از این واکنش است.

•  در واکنش‌های گرماده که با فرمول کلی:

مشخص می‌شوند، افزودن گرما و حرارت دادن به سیستم باعث جابجایی مسیر تعادل در جهت برگشت می‌شود (یعنی واکنش دهنده‌ی بیش‌تر). به همین ترتیب، برداشتن حرارت و گرما از سیستم باعث جابجایی تعادل در مسیر رفت می‌شود (تا محصول بیش‌تری تولید کند).

به مثال زیر توجه کنید:

با کاهش دمای سیستم در این واکنش گرماده (برداشتن حرارت از  سیستم)، مسیر رفت واکنش تعادلی، پیشرفت می‌کند تا محصول بیش‌تری تولید شود!

• در واکنش‌های گرماگیر که با فرمول کلی:

 

مشخص می ‌شوند، افزودن حرارت به سیستم باعث جابجایی و شیفت تعادل به سمت رفت واکنش می ‌شود (محصول بیش ‌تری تولید می ‌شود) و برداشتن حرارت و کم شدن دمای سیستم باعث شیفت تعادل به  سمت برگشت  می ‌شود (واکنش  دهنده ‌ی بیش تر). به مثال زیر توجه کنید:

با افزایش دمای سیستم در این واکنش گرماگیر، واکنش در جهت رفت پیش می‌رود تا اکسیژن و هیدروژن بیش‌تری تولید کند.

تعادل 3

در گذشته خواندید ...

تغییرات آهنگ واکنش در هنگام  نزدیک شدن واکنش به حالت تعادل:

به شکل زیر توجه کنید؛ در لحظه‌ی t=0 مقدار زیادی از مولکول‌های A و B وجود دارد (در t=0 محصول AB تشکیل نشده است) و واکنش رفت سریع است (آهنگ واکنش رفت با F_o نشان داده می‌شود) و واکنش برگشت اتفاق نیفتاده است (آهنگ واکنش برگشت با R_o نشان داده می‌شود).

با گذشت زمان، AB تشکیل می‌شود و A و B مصرف می‌شوند، بنابراین طبیعی است که آهنگ رفت و برگشت تغییر کند. هر چه زمان می‌گذرد، واکنش رفت کندتر شده (A و B کم‌تری باقی مانده) و واکنش برگشت سرعت می‌گیرد (مولکول‌های AB بیش‌تری تولید شده است).

آهنگ واکنش:

در حالت تعادل، آهنگ واکنش رفت و برگشت دقیقاً با هم مساوی خواهند بود:

به عنوان یک مثال از بحث قبلی، واکنش گاز هیدروژن با گاز ید را در نظر می‌گیریم:

این دو گاز برای تشکیل یدید هیدروژن (HI) با هم وارد واکنش می‌شوند. هنگامی که سیستم به تعادل می‌رسد، آهنگ واکنش رفت و برگشت کاملاً با هم برابر می‌شوند و غلظت نسبی HI، H₂ و I₂ ثابت باقی می‌ماند. در حالت تعادل، مقدار HI از H₂ و I₂ بیش‌تر است. در شکل زیر، روند این واکنش را مشاهده می‌کنید.

منظور از [HI] غلظت مولکول‌های HI در واکنش است.

ثابت تعادل:

در واکنش ید و هیدروژن و تشکیل یدید هیدروژن، مقادیر نسبی HI، I₂ و H₂ در سیستم‌های تعادلی مختلف با ثابت تعادل واکنش تعریف می‌شود. این مقادیر در جدول زیر آمده‌اند.

حال ببینیم چگونه می‌توان ثابت تعادل را محاسبه کرد؟

برای هر واکنش شیمیایی در یک دمای معین، نسبت حاصلضرب غلظت اجزای سمت راست واکنش که هر کدام از آن‌ها به توان ضریب خود (تعداد آن محصول) می‌رسد، به حاصلضرب غلظت‌ اجزای سمت راست واکنش که آن‌ها نیز به توان ضریب خود می‌رسند، مقدار ثابتی دارد که به آن ثابت تعادل (K) گفته می‌شود.

در واکنش زیر، محاسبه‌ی ثابت تعادل با استفاده از روش ذکر شده بدین صورت خواهد بود:

  K ثابت تعادل واکنش بوده و مستقل از دما و نوع واکنش است.

به عنوان مثال محاسبه‌ی ثابت تعادل واکنش، معادله‌ی زیر را در نظر می‌گیریم:

 

مواد واکنش دهنده‌ی جامد و مایع در اکثر واکنش‌های شیمیایی، غلظت‌های ثابتی دارند و در محاسبه‌ی K از آن‌ها صرف‌نظر می‌شود:

مقدار ثابت تعادل اطلاعات جالبی راجع به غلظت مواد درگیر واکنش و مورد توجه بودن واکنش رفت یا برگشت به ما می ‌دهد؛ به عنوان مثال وقتی می ‌گوییم مقدار K یک واکنش 1 * 10⁹ است، یعنی غلظت محصولات به طور چشم ‌گیری بیش ‌تر از غلظت  واکنش‌دهنده ‌هاست ( 10⁹ * 1 برابر غلظت واکنش ‌دهنده ‌ها است).  برای نمک‌هایی که به سختی در آب حل می شوند، K_SP تعریف می ‌شود که ثابت حاصل‌ضرب انحلال پذیری نام دارد.

مقدار K هر چه که باشد، می‌توان آن‌را این‌گونه تفسیر کرد:

     وقتی [ محصولات ]  > [ واکنش‌دهنده‌ها ] و K بزرگ است:

-         واکنش، تشکیل محصولات را آسان می‌کند.

-         واکنش در جهت رفت پیشرفت کرده است.

      وقتی [ واکنش‌دهنده‌ها ] > [ محصولات ] و K کوچک است:

-         واکنش، تشکیل محصولات را آسان می‌کند.

-         واکنش در جهت برگشت پیشرفت کرده است.

      وقتی K از 0.1 تا 10 تغییر می‌کند و [ محصولات ] تقریبا مساوی با  [ واکنش‌دهنده‌ها ]:

-         مقادیر قابل توجه و محسوسی از هر دو موجود است.

در تمام موارد بالا، سیستم در حالت تعادل قرار دارد.

تعادل 2:

در مطلب قبل به شرایط تعادل و انجام واکنش‌های شیمیایی اشاره شد. حال ببینیم فراهم شدن شرایط واکنش، گویای کدام خاصیت فیزیکی مواد است و چه عواملی، انجام سریع‌تر و بهینه‌تر واکنش‌های مواد را تحت تأثیر قرار می‌دهند؟

در شکل بالا به خوبی دیده می‌شود که برای این ‌که واکنشی صورت پذیرد، شرایط لازم برای آن (تعداد و جهت مناسب ذرات واکنش دهنده و انرژی جنبشی کافی آن ‌ها) چگونه تشکیل محصولات را تحت تأثیر قرار می ‌دهد.

در حالت (a) سیستم، انرژی کافی برای رفتن به آن ‌سوی تپه و غلبه به سد انرژی پتانسیل را دارد؛ بنابراین محصولات تشکیل می‌شوند.

در حالت (b) سیستم، انرژی کافی برای عبور از سد انرژی پتانسیل ندارد؛ بنابراین محصولات این برخورد ناموفق تشکیل نمی‌شوند.

در مطلب قبلی گفته شد که انرژی فعال‌سازی، حداقل انرژی لازم برای ایجاد انرژی برخورد مؤثر است تا واکنش انجام شود. با مقایسه‌ی این مطلب و شکل قبل می‌بینیم که اگر شرایط انجام واکنش مهیا باشد و انرژی فعال‌سازی نیز کافی باشد، می‌توان به سد پتانسیل غلبه کرد. به نظر شما این سد پتانسیل ناشی از چیست؟

حال ببینیم چه عواملی بر سرعت و کارایی واکنش ‌های شیمیایی تأثیر دارند:

·   دمای واکنش: با افزایش دما سرعت انجام واکنش نیز بالا می ‌رود.

·    کاتالیزگرها: کاتالیست مناسب، سرعت واکنش را بالا می ‌برد.

·    غلظت واکنش ‌دهنده ‌ها: غلظت زیاد واکنش‌ دهنده ‌ها موجب سرعت یافتن واکنش می ‌شود.

اثر دما بر آهنگ واکنش:

در فرایند تبخیر مولکول ‌های آب در یک ظرف در بسته‌ی نیمه پر، مولکول ‌ها در فضای گازی بالای آب در حال تبخیر، توزیعی از سرعت ‌های مختلف دارند؛ برخی از این مولکول ‌ها کند و برخی بسیار سریع حرکت می ‌کنند.

شکل بالا این مطلب را به خوبی نشان می‌دهد؛ دایره‌های آبی، مولکول‌هایی‌اند که سرعت حرکت بالایی دارند و دایره‌های قرمز، مولکول‌ هایی‌اند که سرعت کمی دارند. حال ببینیم تغییر دما چه تأثیری بر روی سرعت مولکول ‌ها دارد؟

 

·  تنها کسری از مولکول‌های نشان داده شده در ناحیه‌ی پایینی منحنی در سمت راست، انرژی جنبشی کافی برای واکنش دادن دارند.

·  کسر بزرگی از مولکول‌ها می‌توانند در دماهای بالاتر واکنش دهند.

در زندگی روزمره نیز واکنش‌های شیمیایی فراوانی را در همین ارتباط مشاهده می‌کنیم؛ به عنوان مثال، آهنگ فاسد شدن غذای منجمد شده نسبت به غذایی که در دمای عادی نگه‌داری می‌شود، کم‌تر است. همچنین، غذا در زودپز خیلی سریع‌تر از حالت عادی پختن غذا می‌پزد زیرا در دمای بالاتری به جوش می‌آید اما همین غذا اگر در منطقه‌ای که ارتفاع بالایی نسبت به سطح دریا دارد پخته شود، دیر خواهد پخت؛ زیرا فشار پایین‌تر، نقطه‌ی جوش را پایین‌تر می‌آورد.

نقش کاتالیزورها در آهنگ واکنش:

مطابق شکل زیر، یک کاتالیست راهی را فراهم می‌کند که واکنش با انرژی فعال‌سازی کم‌تری اتفاق بیفتد؛ بنابراین بیش‌تر مولکول‌هایی که انرژی جنبشی کم‌تری دارند، قادر خواهند بود از سد انرژی پتانسیل عبور کنند.

در شکل دوم، کسری از مولکول‌ها با انرژی کافی برای وارد شدن به برخوردهایی که باعث انجام واکنش می‌شوند، در صورت وجود کاتالیست افزایش پیدا می‌کند زیرا سد انرژی فعال‌سازی پایین می‌آید.

 

حال مثالی از نقش کاتالیست زئولیت (نوعی سیلیکات آب‌دار) در انجام واکنش می‌آوریم تا این مطلب را به خوبی درک کنید:

زئولیت‌ها جامدهایی با شبکه‌ی کوالانسی‌اند و دارای حفره‌ها و کانال‌هایی خاص هستند و مولکول‌های گازی می‌توانند از طریق این کانال‌ها پخش شوند. زمانی که دو مولکول گاز درون زئولیت با همدیگر روبه‌رو می‌شوند، مجبور به نزدیک شدن به هم در یک جهت ویژه می‌شوند (این جهت ویژه، جهت‌گیری درست برای انجام واکنش است). این دو مولکول مدت طولانی را با هم می‌مانند و شانس بیش‌تری برای واکنش دارند. طبیعت کاتالیست‌ها این است که به طور مستقیم در واکنش شرکت می‌کنند (اما واکنش‌دهنده یا محصول نیستند) و محیط مناسبی برای انجام واکنش فراهم کرده و سد انرژی فعال‌سازی  را پایین می‌آورند.

شکلی از شبکه‌ی زئولیت

تأثیر غلظت بر سرعت واکنش:

آهنگ یک واکنش به تعداد برخوردها در واحد زمان نیز بستگی دارد. هرچه تعداد ذرات موجود در حجم خاص که واکنش در آن صورت می‌گیرد زیاد باشد، برخوردهای متوالی بیش‌تری اتفاق خواهد افتاد و واکنش‌ها با سرعت بیش‌تری انجام خواهند گرفت. به شکل زیر که سوختن براده‌ی فولاد در اکسیژن را نشان می‌دهد، توجه کنید:

در ردیف اول، براده‌ی فولاد در هوا (غلظت کم اکسیژن) حرارت داده می‌شود. در ردیف دوم، براده‌ی فولاد در اکسیژن خاص حرارت داده می‌شود. این مشاهده براساس توجیهات بالا کاملاً قابل درک است.

تعادل 1

·     تعادل چیست؟

·     چگونه به سرعت می‌توان به تعادل در یک واکنش شیمیایی رسید؟

·     آیا دما روی تعادل و آهنگ واکنش تأثیر دارد؟

·      ثابت تعادل چیست؟

·      آیا تعادل روی مقدار محصولات واکنش (بازده) تأثیر دارد؟

در این مجموعه به تمامی سؤالات بالا پاسخ خواهیم داد. اما به راستی تعادل چیست؟ تعادل شیمیایی و تعادل فیزیکی چگونه حاصل می‌شوند؟

زمانی که یک واکنش شیمیایی شروع می‌‌شود، ابتدا واکنش دهنده‌ها وارد عمل می‌شوند. رفته رفته از غلظت واکنش دهنده‌ها کم شده و به غلظت محصولات اضافه می‌شود. در نهایت، زمانی می‌رسد که هیچ تغییری در غلظت واکنش دهنده‌ها و محصولات مشاهده نمی‌شود. چنین واکنش‌هایی که در آن‌ها فقط قسمتی از مقدار کلی واکنش دهنده‌ها به محصول تبدیل می‌شود، فرایندهای برگشت‌پذیر نامیده می‌شوند.

تعادل زمانی است که:

•  هر تغییری در طول واکنش برگشت‌پذیر است و می‌تواند با معادله‌ای که شامل یک فلش دو‌طرفه است، نشان داده شود.
•    سیستم تعادلی، محصور و بسته است؛ سیستم بسته و محصور به سیستمی گفته می‌شود که هیچ ماده‌ای نتواند وارد یا خارج این سیستم شود.
•    در حالت تعادل، سیستم پویا است؛ گویی در مقیاس ماکروسکوپی به نظر می‌رسد هیچ اتفاقی نیفتاده است اما در مقیاس ریز، تغییرات برگشت‌پذیر به طور متوالی روی می‌دهند.

تعادل فیزیکی شامل تغییرات خواص شیمیایی مواد مرتبط با واکنش نیست. برای نمونه، تعادل بخار آب با خود آب در یک بطری در بسته‌ی نیمه پر یک تعادل فیزیکی است زیرا مولکول‌های آب فقط از مایع به بخار تبدیل می‌شوند.

تعادل شیمیایی با تغییر در ترکیب شیمیایی مواد، شکستن و تشکیل پیوند مرتبط است. یک مثال برای این تغییر، تجزیه‌ی اسید استیک است. مبادله‌ی ذرات بین یون‌ها و مولکول‌ها در این تجزیه وجود دارد؛ زمانی که تعادل حاصل می‌شود، آهنگ مبادله‌ی ذرات بین یون‌ها و مولکول‌ها مساوی می‌شود.

مثال 1 از تعادل فیزیکی : تا مرحله‌ی 3، آهنگ تبخیر و آهنگ میعان کاملاً با هم متفاوتند و عمل تبخیر، بیش‌تر صورت می‌گیرد اما با گذشت زمان، میعان هم رو به افزایش است. در مرحله‌ی 3 و 4 آهنگ تبخیر و آهنگ میعان برای هر تغییر فیزیکی برابرند.

محلول‌های اشباع شده (تعادل جامد- محلول)

در حالت (c) آهنگ رفت (حل شدن ماده‌ی جامد در حلال) و آهنگ برگشت (بلوری شدن ماده‌ی حل شونده) در تعادل فیزیکی‌اند.

•    لزومی ندارد غلظت مواد در تعادل، کاملاً مساوی باشد.
•    فرایند هابر را به خاطر بسپارید (ساخت مواد خام و اولیه برای کود شیمیایی):
   
  
   
•    در فشار و دمای اتاق، این واکنش تقریباً با هیچ NH₃ در تعادل نیست.
•    آهنگ تغییر در مسیر رفت واکنش (از چپ به راست معادله) با آهنگ برگشت (از راست به چپ) با هم مساوی‌اند.

آهنگ واکنش

با استفاده از نظریه‌ی برخورد در واکنش‌های شیمیایی می‌توان این مطلب را درک کرد. یک تغییر شیمیایی که به طور ماکروسکوپی قابل مشاهده است، نتیجه‌ی تعداد زیادی از برخوردها مابین ذرات واکنش دهنده است. در شکل زیر و در حالت a، مولکول‌های آبی و قرمز به دلیل این‌که انرژی جنبشی کافی و جهت مناسب دارند، واکنش انجام می‌گیرد. در حالت b با این‌که مولکول‌ها جهت مناسب دارند ولی انرژی جنبشی کافی ندارند، واکنش انجام نمی‌گیرد. در حالت c مولکول‌ها در برخورد با هم انرژی جنبشی کافی دارند اما جهت‌گیری آن‌ها مناسب نیست؛ پس در این حالت نیز واکنش انجام نمی‌گیرد.

حال ببینیم تغییرات انرژی در طول واکنش به چه صورت است:

انرژی لازم برای واکنش (ΔE ) است. برای تشکیل محصولات، بایستی  کمپلکسی از مجموعه ذرات فعال در واکنش با انرژی بالا نیز تشکیل شود. کمپلکس فعال شده، نوعی حالت واسطه‌ی مولکولی است که در حین برهمکنش (برخورد) مولکول‌های در حال واکنش با یک تغییر شیمیایی تشکیل می‌شود؛ بالاترین مقدار انرژی در حین واکنش به این حالت اختصاص دارد.

انرژی فعال ‌سازی (E_a) کم‌ترین انرژی جنبشی لازم برای تولید انرژی برخورد مؤثر است و با این انرژی می‌توان به بالای تپه رفت!!!

در مطلب بعدی، این موضوع شرح داده خواهد شد.

راه های انتقال گرما را بشناسید.

به طور کلی گرما به سه طریق همرفت، تابش و رسانایی در محیط پیرامون ما انتقال می یابد که در این مقاله توضیح مختصری در رابطه با این روش ها ارائه خواهد شد.

انتقال گرما از طریق همرفت فقط وقتی رخ می دهد که ماده سیال باشد (مایع یا گاز) تا در این مواد سیال بخش گرم ماده بتواند از بین بخش های سردتر بالا رود. سیال می بایستی از پایین گرما و یا از بالا سرد شود.

در منازل، بخاری نزدیک کف اتاق قرار دارد و این در حالی است که سرد کن یخچال های خانگی در قسمت بالای آن قرار دارند. امروزه فضای بین دیوارهای خانه را با اسفنج پر می کنند.

کلمن های مسافرتی معمولاً از اسفنج ساخته می شود. زیرا آزمایش های گوناگون نشان داده است که هوا رسانای ضعیف گرماست.

آن گاه اگر بتوانیم هوا را در جایی گیر بیندازیم، می توانیم مانع از انتقال همرفتی گرما شویم.

گرما از خورشید با عبور از فضای خلأ و تهی به زمین می رسد. هر جسم داغ، حتی بدن انسان از خود اشعه هایی گسیل می کند که این گسیل ها توسط اجسام سردتر جذب می شوند.

جالب است بدانید که گرمایی که از طریق تابش انتقال می یابد. روی خط مستقیم منتقل می شود.

برای همین است که وقتی در هوای باز مقابل آتش می نشینیم، صورت ما از گرمای انتقالی از طریق تابش سرخ می شود، در حالی که پشت ما سرد است.

توانایی جذب گرما از طریق تابش به رنگ سطح نیز بستگی دارد. جسم سیاه هر تابشی را با سرعت و با کارایی زیاد جذب می کند.

جسم سیاه هم چنین هنگامی که گرم است، یک تابنده ی عالی است. به همین خاطر است که پرده های خنک کننده موتور ها همواره به رنگ سیاه می باشد.

می توان با چندین آزمایش به این نتیجه رسید که جسم سفید نه جذب کننده ی خوبی است و نه تابش گر برای عایق بندی اتاق های زیر شیروانی از ورقه آلومینیومی استفاده می شود زیرا ورق آلومینیومی از تابش گرمای داخل به خارج در زمستان و از انتقال گرمای خارج به داخل در تابستان جلوگیری می کند.

اگر قسمتی از یک میله ی آهنی راروی اجاق گاز قرار دهیم، بعد از مدتی خواهیم دید که انتهای دیگر آن نیز گرم شده است. گرما از طریق بدنه ی میله ی آهنی از انتهای داغ به انتهای سرد منتقل می شود.

شارش گرما از طریق ماده رسانش گرمایی نام دارد. فلزات رسانای خوبی برای گرما هستند و نافلزات رسانای ضعیف گرما هستند. ماهی تابه مسی گرما را به صورت یکنواخت و در تمام جهات در ته ماهی تابه پخش می کند، دسته پلاستیکی ماهی تابه نیز رسانای ضعیف گرماست و به عنوان عایق حرارتی نام گذاری شده است.

نظریه ‌ی حالت گذار

نظریه‌ ی حالت گذار پیشنهاد می ‌کند هنگامی که مولکول ‌های واکنش ‌دهنده به نزدیکی همدیگر می‌ رسند، به طور آنی در حالتی با پایداری کم ‌تر از پایداری حالت واکنش ‌دهنده ‌ها و محصولات خواهند بود.

در نظریه ‌ی حالت گذار، مکانیسم اندرکنش واکنش ‌دهنده‌ ها مطرح نیست؛ معیار مهم آن است که مولکول ‌های واکنش‌ دهنده، انرژی کافی برای غلبه بر سد پتانسیل انرژی (انرژی فعال ‌سازی) داشته باشند تا واکنش دهند.

در این حالت با پایداری کم ‌تر، اتم‌ها خود را از نو آرایش می‌ دهند، پیوندهای اصلی ضعیف می ‌شوند و پیوندهای جدید اندکی تشکیل می‌ شوند.

 انرژی پتانسیل سیستم در این نقطه افزایش می ‌یابد؛ زیرا:

· مولکول ‌های واکنش‌ دهند ه‌ی در حال واکنش، باید به نیروهای دافعه ‌ی متقابل بین الکترون ‌های لایه ‌ی بیرونی ‌تر اتم ‌های سازنده‌ ی خود غلبه کنند.

· اتم ‌ها باید هنگام شکسته شدن پیوندهایشان از هم جدا شوند.

برای یک واکنش دو مولکولی، حالت گذار هنگامی تشکیل می ‌شود که پیوندهای مولکول ‌های قدیمی، ضعیف می ‌شوند و پیوندهای جدید شروع به شکل ‌گیری می ‌کنند یا این ‌که ابتدا پیوندهای قدیمی می ‌شکنند تا حالت گذار را شکل دهند و بعد از آن پیوندهای تازه تشکیل می ‌شوند.

در مثال زیر، حالت گذار اتفاق می ‌افتد:

رسیدن به حالت گذار، انرژی زیادی لازم دارد؛ بنابراین این حالت، ماده‌ای با انرژی زیاد به وجود می‌آید. این افزایش در انرژی پتانسیل با سد پتانسیلی متناظر است که اگر واکنش به پیش رود، مولکول‌‌های واکنش‌دهنده باید از آن عبور کنند.

آرایش اتم‌ها در بیشینه‌ی این سد پتانسیل، کمپلکس فعال یا حالت گذار نامیده می‌شود و یک حالت واسطه‌ی گذرا بین واکنش‌دهنده‌ها و محصولات است.

·   حالت گذار یا کمپلکس فعال ‌شده، یک حالت ترکیبی ناپایدار گذرای مولکول‌های واکنش‌دهنده است که در یک بیشینه‌ی انرژی پتانسیل اتفاق می‌افتد.

این ترکیب هم می ‌تواند در جهت تولید محصولات به پیش رود و هم به سمت واکنش ‌دهنده‌های تغییر نیافته برگردد.

·    تفاوت انرژی بین واکنش‌ دهنده ‌ها و بیشینه ‌ی انرژی پتانسیل به انرژی فعال سازی برمی‌ گردد.

حرکت واکنش از روی بیشینه‌ی انرژی پتانسیل اغلب با دیاگرام هماهنگ واکنش نشان داده می ‌شود.

افزایش در انرژی پتانسیل با سد پتانسیلی متناظر است که اگر واکنش به پیش رود، مولکول‌‌های واکنش‌دهنده باید از آن عبور کنند.

شکل‌های زیر، نظریه‌ی حالت گذار را با اشاره به واکنش بین هیدروژن و ید برای تولید یدید هیدروژن نشان می‌دهد:

در این فرایند، مولکول ‌های واکنش‌دهنده به همدیگر نزدیک می‌شوند و زمانی که آن ‌ها در حین متعادل‌سازی واکنش برای حالت گذار یا کمپلکس فعال‌شده به پیش می‌روند:

  پیوندهای اصلی ضعیف می‌شوند.

 پیوندهای جدید نسبتاً تشکیل می‌شوند.

در این شکل، واکنش در حهت تولید محصول پیشرفت می‌کند. این شکل‌ها را به دقت نگاه کنید تا ضعیف شدن پیوندهای اصلی و تشکیل پیوندهای جدید را بعد از تولید محصولات ببینید:

 همان ‌طور که دما افزایش پیدا می ‌کند، سهم اجزای واکنش ‌دهنده‌ای که می ‌توانند به بیشینه ‌ی انرژی پتانسیل برسند، افزایش  پیدا می‌ کند؛ افزایش تعداد  مولکول ‌ها ی  محصول که در هر ثانیه  تشکیل می ‌شوند، آهنگ  واکنش را افزایش می‌ دهد.

نکات کلیدی:

 افزایش دمایی مانند ١٠ K  آهنگ واکنش بسیاری از واکنش ‌های شیمیایی را تقریباً دو برابر می ‌کند.

  نظریه ‌ی برخورد بر پایه ‌ی انرژی جنبشی است و فرض می‌کند که ذرات باید دارای دو شرط  جهت مناسب و انرژی جنبشی کافی باشند تا واکنش‌ دهنده‌ ها به محصول تبدیل شوند.

  کم ‌ترین انرژی جنبشی لازم برای یک برخورد توسط مولکول‌ های واکنش ‌دهنده برای تشکیل محصولات، انرژی فعال‌ سازی (Ea) نامیده می‌شود.

نسبت مولکول ‌های واکنش ‌دهنده ‌ای که با انرژی جنبشی مساوی با انرژی فعال ‌سازی واکنش می‌ دهند، با افزایش دما زیاد می ‌شود.

 نظریه‌ ی حالت گذار پیشنهاد می ‌کند که  هنگام  نزدیک شدن  مولکول ‌های واکنش ‌دهنده، یک کمپلکس فعال ‌شده ‌ی گذرا (حالت گذار) در بیشینه ‌ی انرژی پتانسیل تشکیل می ‌شود.

در نظریه‌ ی حالت گذار، انرژی فعال‌ سازی، تفاوت انرژی بین واکنش ‌دهنده ‌ها و بیشینه ‌ی انرژی پتانسیل است.

در کمپلکس فعال‌شده‌، پیوندهای اصلی ضعیف شده و پیوندهای جدید نسبتاً تشکیل می‌شوند. کمپلکس فعال‌شده ممکن است در جهت تولید محصولات به پیش رود و یا به سمت واکنش‌دهنده‌ها برگردد.

زمانی که دما افزایش پیدا می ‌کند، نسبت بزرگ‌ تری از مولکول ‌های واکنش ‌دهنده می ‌تواند به بیشینه ‌ی انرژی پتانسیل رسیده و کمپلکس فعال ‌شده تشکیل دهند. بنابراین تعداد مولکول ‌های محصول تشکیل‌ شده در هر ثانیه افزایش پیدا می ‌کند.

کوسه ها

تولید مثل کوسه ها

بعضی نیز پیچک هایی دارند که به جلبک ها می چسبند.

ولی باید دانست که بیشتر کوسه ماهی ها، سگ ماهی ها و ماهی های چهار گوش تخم گذار بچه زا هستند و تخم ها را به منظور تکامل جنسی در داخل بدن نگاه داشته و بچه زنده می زایند.

در بخشی از دیواره ی رحم در جانور ماده تعداد زیادی چنبره های loops رگ های خونی تولید می کند که در برابر کیسه ی زرده و جنین قرار گرفته و تنفس جنین را تأمین می کند.

و جفت زمانی تشکیل می شود که زرده تقریباً خالی شده و رگ های خونی جنینی و مادری به منظور رساندن مواد غذایی به هم ترکیب گردد.

 وقتی که بچه از تخم بیرون می آید یا زاییده می شود در همه ی گونه های کوسه ماهی شبیه پدرش است و دگر دیسی در آن ها اتفاق نمی افتد. بیشتر کوسه ماهی ها از لحاظ کالبد شناسی شبیه یکدیگرند.

ماهی چهار گوش rays دارای بدن گود شده  و پشت شکمی پهن است. باله های سینه ای اش بسیار پهن شده و به سر و تنه متصل شده است.

به طوری که این ماهی ها را چنانچه از بالا نگاه کنیم به شکل دیسک به نظر می رسند سوراخ های آب ششی در سطح پهن شکم واقع است.

دم باریک و بلند است.

شمیرا ها chimaera ماهی های عجیب و مضحکی هستند.

پوست بدن آن ها بدون پولک بوده و در هر سوی بدن چهار شکاف آب شش مانند دارند که به وسیله ی یک سر پوش غشایی پوشیده شده است و دندان ها به هم چسبیده اند. (جوش خورده)

به طور کلی ماهی های غضروفی در دریاهای آزاد و آب های ساحلی و خلیج ها به سد می پرند.

بعضاً کوسه ماهی ها و ماهی های چهار گوش در رودهای بالای آب شور هم به سر می برند.

این ماهی ها همه شکاری هستند. کوسه ماهی ها شناگران خوبی بوده و شکار های متناسب با اندازه خود انتخاب می کنند.

کوسه ماهی بزرگ ممکن است خوک آبی، یا شیر دریایی را شکار کنند ولی کوسه ماهی های آفتابی، و کوسه ماهی های بالنی wohale snarks از پلانکتون plankton تغذیه می کنند.

ماهی های چهار گوش که در کف آب به سر می برند و  بیشتر بی مهرگان را می خورند.

اندام های حسی

کوسه ماهی ها بیشتر به محرکات بویایی حساسند، محرکات بویایی از آبی که از دو کیسه سطحی بویایی واقع در پوزه عبور می کند دریافت می شود.

چشم ها حرکت دارند. 

در سر تعداد زیادی لوله های حسی موجود است که به سوراخ هایی باز می شود. این سوراخ ها به اندام های حفره ای داخل شکم که دارای موهای حسی است راه دارد.