تعریف تغییر شیمیایی
در جواب اینکه تغییر شیمیایی چیست ؟ می توان گفت شامل واکنش هایی است که در آن ماده تغییر ماهیت می دهد و با از دست دادن و یا الکترون و به دنبال آن ترکیب شدن با سایر اجزای به وجود آمده در اثر واکنش تولید یک محصول و فراورده های جدید می نمایند. معمولا هر واکنش در هنگام شروع مواد واکنش دهنده دارای یک سطحی از انرژی می باشند.
اگر واکنش به صورت خودبخودی رو به جلو پیش برود مثل سوختن یک تکه چوب و یا سوختن هیدروژن گازی، مواد حاصل شده از آن واکنش در سطح پایین تری از انرژی نسبت به واکنش دهنده ها قرار دارند. و اگر سطح فراورده ها بالاتر از واکنش دهنده ها بود آن واکنش غیر خودبخودی بوده( مثل واکنش های الکترولیز و الکتروشیمیایی).
در تمام واکنش های شیمیایی یک بخش وجود دارد به نام کمپلکس فعال که در آن ناحیه واکنش می تواند به هر طرفی برود و سطح انرژی آن از تمام مواد واکنش دهنده و فراورده بالا تر می باشد.
مواد می توانند تبدیل به فراورده ها شوند و یا به مواد اولیه برگردند.
میزان سرعت و شدت انجام واکنش به صورت مستقیم با ارتفاع این قله ارتباط دارد به این صورت که هر چه ارتفاع بیشتر شود مواد اولیه نیاز به صرف انرژی بیشتری هستند تا به قله برسند بنابر این آن واکنش دارای سرعت کمتری می باشد و بلعکس هرچه ارتفاع قله کمتر باشند مواد با سرعت بیشتری به آن قله رسیده و واکنش می دهند.
اختلاف انرژی میان فراورده‌ها و واکنش‌دهنده‌ها به صورت گرما ظاهر می‌شود.
مصارف و اثرات تغییرات شیمیایی
اثرات و کاربردهای تغییرات شیمیایی بسیار زیاد است. در اینجا برخی از زمینه‌های رایج که در آن تغییرات شیمیایی به طور قابل توجهی اعمال می شود آورده شده است:
- فرآیندهای صنعتی:
تغییرات شیمیایی نقش حیاتی در فرآیندهای مختلف صنعتی دارد. به عنوان مثال، در تولید مواد شیمیایی مانند کود، پلاستیک، رنگ و مواد دارویی، از واکنش های شیمیایی برای تبدیل مواد اولیه به محصولات مورد نظر استفاده می شود. این واکنش ها شامل سنتز، خالص سازی و اصلاح ترکیبات شیمیایی است.
- تولید انرژی:
تغییرات شیمیایی در فرآیندهای تولید انرژی نقش دارند. به عنوان مثال، در واکنش های احتراق، سوخت هایی مانند زغال سنگ، نفت یا گاز طبیعی تحت واکنش های شیمیایی با اکسیژن قرار می گیرند تا انرژی گرمایی آزاد شود. این فرآیند در نیروگاه ها، سیستم های گرمایشی و موتورها برای تولید برق یا انجام کارهای مکانیکی استفاده می شود.
- متالورژی:
تغییرات شیمیایی در فرآیندهای متالورژی، که شامل استخراج فلزات از سنگ معدن، تصفیه آنها و شکل دادن آنها به محصولات مفید است، اساسی است. تکنیک هایی مانند ذوب، بو دادن و الکترولیز بر واکنش های شیمیایی برای جداسازی فلزات مورد نظر از سنگ معدن و حذف ناخالصی ها متکی هستند.
- صنعت غذا و نوشیدنی:
تغییرات شیمیایی در فرآوری مواد غذایی و صنعت نوشیدنی بسیار مهم است. تخمیر یک فرآیند شیمیایی کلیدی است که در تولید مشروبات الکلی مانند شراب، آبجو و الکل استفاده می شود. این شامل تبدیل قندها توسط مخمر به اتانول و دی اکسید کربن است که منجر به محتوای الکلی و طعم مطلوب می شود.
- کاربردهای زیست محیطی:
تغییرات شیمیایی برای اهداف مختلف محیطی مورد استفاده قرار می گیرد. به عنوان مثال، در تصفیه آب، از واکنش های شیمیایی برای حذف آلاینده ها و تصفیه آب برای مصرف استفاده می شود. فرآیندهای شیمیایی نیز در کنترل آلودگی هوا، مدیریت زباله و اصلاح مکان‌های آلوده نقش دارند.
- علم مواد:
تغییرات شیمیایی به طور گسترده در علم مواد برای تولید مواد جدید با خواص خاص استفاده می شود. واکنش های پلیمریزاسیون، اتصال عرضی و پخت برای تولید مواد مصنوعی مانند پلاستیک، پوشش، چسب و کامپوزیت استفاده می شود. این مواد در صنایع متعددی از جمله ساختمان سازی، خودروسازی، الکترونیک و بسته بندی کاربرد دارند.
- داروها و مراقبت های بهداشتی:
تغییرات شیمیایی در سنتز ترکیبات دارویی و توسعه داروهای جدید نقش اساسی دارند. شیمیدانان دارویی از واکنش های شیمیایی برای اصلاح ساختارهای مولکولی، ایجاد ترکیبات جدید و بهینه سازی خواص آنها برای اهداف درمانی استفاده می کنند.
- شیمی تجزیه:
تغییرات شیمیایی اساس تکنیک های تحلیلی متعددی را تشکیل می دهد که برای شناسایی و کمی سازی مواد استفاده می شود. واکنش‌هایی مانند تیتراسیون، کروماتوگرافی، و طیف‌سنجی، تشخیص و اندازه‌گیری ترکیبات شیمیایی در نمونه‌ها، زمینه‌های پشتیبانی مانند علم پزشکی قانونی، نظارت بر محیط‌زیست و کنترل کیفیت را امکان‌پذیر می‌سازد.
- ذخیره انرژی:
تغییرات شیمیایی جزء جدایی ناپذیر فناوری های ذخیره سازی انرژی هستند. برای مثال باتری ها برای ذخیره و آزادسازی انرژی الکتریکی به واکنش های شیمیایی متکی هستند. در هنگام شارژ، یک واکنش شیمیایی رخ می دهد که انرژی را ذخیره می کند و در هنگام تخلیه، واکنش معکوس رخ می دهد و انرژی ذخیره شده آزاد می شود.
- جلوگیری از خوردگی:
از تغییرات شیمیایی برای جلوگیری یا کند کردن فرآیند خوردگی استفاده می شود که عبارت است از خراب شدن مواد در اثر واکنش های شیمیایی با محیط. پوشش‌های محافظ، مانند رنگ‌ها و آبکاری‌ها، روی سطوح اعمال می‌شوند تا مانعی ایجاد کنند که از تماس بین مواد و عوامل خورنده جلوگیری می‌کند.
- پردازش پلیمر:
تغییرات شیمیایی در تکنیک های پردازش پلیمر برای شکل دادن و اصلاح پلیمرها استفاده می شود. فرآیندهایی مانند اکستروژن، قالب‌گیری تزریقی و قالب‌گیری بادی شامل حرارت دادن پلیمرها برای ایجاد تغییرات شیمیایی مانند ذوب، اتصال عرضی یا پخت برای دستیابی به شکل و خواص مورد نظر است.
- تجزیه و تحلیل
DNA تغییرات شیمیایی نقش مهمی در تکنیک های آنالیز DNA، مانند واکنش زنجیره ای پلیمراز (PCR) و تعیین توالی DNA ایفا می کند. PCR بخش های خاص DNA را از طریق یک سری واکنش های شیمیایی تقویت می کند و امکان تشخیص و تجزیه و تحلیل آنها را فراهم می کند. روش های تعیین توالی DNA بر واکنش های شیمیایی برای تعیین ترتیب نوکلئوتیدها در یک مولکول DNA تکیه دارند.
- کاتالیز:
تغییرات شیمیایی توسط کاتالیزورها تسهیل و تسریع می شود. کاتالیزورها موادی هستند که در واکنش های شیمیایی شرکت می کنند و سرعت واکنش را افزایش می دهند بدون اینکه خودشان مصرف شوند. کاتالیز در زمینه‌های مختلفی از جمله پالایش نفت، تولید مواد شیمیایی و فرآیندهای زیست‌محیطی مانند مبدل‌های کاتالیزوری برای کنترل آلاینده‌های خودرو کاربرد دارد.
- محصولات خانگی:
تغییرات شیمیایی در فرمولاسیون بسیاری از محصولات خانگی دخیل است. مواد پاک کننده، شوینده ها، صابون ها و ضدعفونی کننده ها برای از بین بردن کثیفی، لکه ها و میکروارگانیسم ها به واکنش های شیمیایی متکی هستند. به عنوان مثال، مواد شوینده حاوی سورفکتانت‌هایی هستند که تحت واکنش‌های شیمیایی با خاک و گریس قرار می‌گیرند و به راحتی قابل شستشو هستند.
- کشاورزی و حفاظت از محصولات:
تغییرات شیمیایی در کشاورزی برای حفاظت از محصولات، کنترل آفات، و کوددهی استفاده می شود. آفت کش ها، علف کش ها و قارچ کش ها حاوی ترکیبات شیمیایی هستند که با آفات و عوامل بیماری زا واکنش نشان می دهند و رشد آنها را از بین می برند یا مانع از رشد آنها می شوند. کودها با انجام واکنش های شیمیایی که مواد مغذی را به شکلی آزاد می کنند که به راحتی توسط گیاهان قابل جذب باشد، مواد مغذی ضروری را برای گیاهان فراهم می کنند.
- نانوتکنولوژی:
تغییرات شیمیایی در نانوتکنولوژی برای سنتز و دستکاری نانومواد استفاده می شود. واکنش‌های شیمیایی برای مهندسی نانوذرات، نانوکامپوزیت‌ها و مواد نانوساختار با خواص و کاربردهای منحصربه‌فرد مانند الکترونیک، پزشکی و ذخیره‌سازی انرژی استفاده می‌شود.