واکنش تجزیه چیست و چه کاربرد هایی دارد؟
واکنش تجزیه واکنشی است که طی آن پیوند های بین اتمی ترکیبات واکنش دهنده شکسته شده و به اجزای تشکیل دهنده خود تبدیل می شوند. این نوع واکنش ها اغلب گرما گیر بوده و گرمای مورد نیاز خود را از طریق حرارت، تشعشع، رطوبت و حلال اسیدی به دست می آورند.
این نوع واکنش کاربرد های بسیاری در صنعت، خودرو سازی، آزمایشگاه و زندگی روزمره دارد. از انواع واکنش های تجزیه می توان به واکنش های حرارتی، نورکافتی یا نوری و الکتریکی اشاره کرد. در این مقاله از نشریه علمی جهان شیمی به بررسی این نوع واکنش، انواع و کاربرد های آن می پردازیم.
واکنش تجزیه به چه واکنشی گفته می شود
واکنش تجزیه به واکنشی گفته می شود که در آن پیوندهای شیمیایی واکنش دهنده ها شکسته شده و به اجزای سازنده خود تبدیل می‌شود. برای شکستن پیوندهای شیمیایی واکنش دهنده ها، انرژی معینی موردنیاز است که مقدار آن به نوع پیوند بستگی دارد.
پیوندهای کووالانسی، یونی و فلزی ازجمله پیوندهای مستحکم بین اتمی محسوب می شوند. به همین دلیل، اگر پیوندهای بین اتمی یکی از این سه حالت باشد، برای شکستن آن‌ها انرژی بیشتری مورد نیاز است.
بررسی ترمودینامیک واکنش تجزیه
همان طور که پیش از این گفته شد، واکنش‌دهنده(ها) برای شکسستن پیوندها به انرژی نیاز دارند. بنابراین، می توان گفت اغلب واکنش‌های تجزیه، گرماگیر (Endothermic) هستند.
البته برخی از واکنش‌های تجزیه مانند تجزیه مونوکسید نیتروژن به گازهای نیتروژن و اکسیژن و تجزیه اوزون به اکسیژن و رادیکال آزاد آن، از واکنش‌های گرماده یا گرمازا(Exothermic) هستند.
روش های جذب گرما در واکنش های تجزیه
واکنش های تجزیه گرمای مورد نیاز خود را به یکی از روش های زیر جذب می کنند.
- گرما (حرارت)
- تشعشع
- رطوبت
- حلال اسیدی
هنگامی که ترکیبات شیمیایی در معرض یکی از شرایط محیطی فوق و یا ترکیبی از آن‌ها قرار گیرد، پایداری ترمودینامیکی خود را از دست داده و به اجزای سازنده اصلی خود تجزیه می شوند.
بررسی انواع واکنش تجزیه
واکنش های تجزیه را می توان به سه دسته کلی تقسیم نمود که عبارتند از:
- حرارتی (Thermal)
- الکتریکی ( Electrolytic)
- نورکافتی (Photolytic)
واکنش تجزیه حرارتی چیست
تجزیه حرارتی به واکنشی گفته می شود که فرایند تجزیه با جذب انرژی حرارتی آغاز می شود. در این نوع واکنش، واکنش دهنده ها با جذب گرما یا همان حرارت به اجزای سازنده خود تجزیه می شوند. این نوع واکنش ها گرماگیر هستند.
فراورده واکنش تجزیه حرارتی
- کربنات‌ها با فرمول CO2−۳ به کربن دی اکسید و ترکیبات اکسیدی تجزیه می شوند.
- کلرات‌ها با فرمول ClO−۳ به گاز اکسیژن و کلرید تجزیه می‌شوند.
- هیدروکسید‌ها با فرمول OH− به آب و ترکیبات اکسیدی تجزیه می شوند.
- اسیدهای حاوی اکسیژن مانند کلریک اسید (HClO3)به آب و مولکول‌های اکسیدی تجزیه می شوند.
- ترکیبات اکسیدی به اکسیژن و سایر عناصر تجزیه می شوند.
رنگ حاصل از واکنش تجزیه کلسیم کربنات
کلسیم کربنات از منابعی نظیر سنگ آهک، سنگ گچ و مرمریت (سنگ مرمر) قابل استخراج است. کلسیم کربنات استخراج شده، به منظور تولید پودر آهک، حرارت داده می شود. طی این فرایند رنگ این ترکیب از سفید به زرد تغییر می کند.
با حذف منبع حرارتی مانند خاموش کردن شعله، ماده اولیه خنک شده و پس از گذشت حدود ۱۰ دقیقه رنگ آن مجدد سفید می شود. این پودر سفید رنگ، اکسید کلسیم است.
CaCO3Δ→CaO+O2
واکنش تجزیه الکتریکی چیست
واکنشی است که با عبور جریان الکتریکی از محلول صورت می گیرد. تجزیه آب یکی از رایج ترین واکنش های تجزیه الکتریکی است که به آن الکترولیز آب می گویند.
در فرآیند الکترولیز آب، دو الکترود با صفحه های فلزی که یکی در نقش کاتد و دیگری در نقش آند است در سلول الکترولیتی و آب قرار می گیرد. الکترولیت می تواند اسید، باز و نمک های فلزی باشد. دلیل افزودن الکترولیت به آب این است که آب به خوبی نمی تواند جریان الکتریکی را انتقال دهد.
هنگامی که یک منبع جریان الکتریکی مستقیم (DC) مانند باتری به دو الکترود وصل می شود، جریان الکتریکی از آب عبور می کند. به این ترتیب، انرژی لازم برای تجزیه آب از طریق اعمال ولتاژ و تشکیل واکنش اکسایش – کاهش فراهم می شود. در نتیجه این فرایند، مولکول های آب به مولکول های دو اتمی هیدروژن و اکسیژن تبدیل می شود.
واکنش تجزیه نورکافتی یا نوری چیست
واکنشی است که برای شکسته شدن پیوندهای واکنش دهنده به نور یا انرژی فوتون نیاز دارد. به همین دلیل، بعضی از داروهای پزشکی یا مواد اولیه آزمایشگاهی را در ظرف های تیره و دور از نور نگهداری می کنند. زیرا، عبور نور از شیشه مواد آزمایشگاهی یا دارویی موجب تجزیه دارو می شود. واکنش تجزیه اوزون در حضور نور صورت می گیرد.
O3hν→O2+O.
تجزیه نقره برمید نیز مثال دیگری از واکنش تجزیه نورکافتی است. پودر زردرنگ نقره برمید در صورتی که در معرض نور خورشید یا هر منبع نوری دیگر قرار گیرد به نقره و برم تجزیه می شود. از این رو، رنگ نقره برمید بعد از فرآیند تجزیه به دلیل تشکیل نقره به رنگ خاکستری تبدیل می شود.
۲AgBrhν→۲Ag+Br2
بررسی واکنش تجزیه دوگانه
واکنش تجزیه دوگانه که با نام واکنش جانشینی دوگانه یا جابهجایی دوگانه نیز شناخته می شود، یکی از انواع واکنش‌های تجزیه است. در این نوع واکنش یون های مثبت و منفی در دو ترکیب یونی جایگزین یکدیگر می شوند. به طور کلی در این نوع واکنش مراحل زیر رخ می دهد.
- ابتدا پیوندهای دو ترکیب یونی شکسته می شود.
- سپس جابهجایی یون‌ها صورت می گیرد.
واکنش تجزیه چه کاربرد هایی دارد
اغلب واکنش های تجزیه در طبیعت به صورت ناخواسته رخ می دهند. با این وجود در زندگی روزمره و زمینه های مختلف صنعتی و آزمایشگاهی کاربرد گسترده‌ای دارند.
کاربرد در صنعت
- تولید اکسید کلسیم یا آهک زنده (Quicklime)
- اکسید لیتیم
- تولید اکسیژن و کربن دی‌اکسید
- در صنایع مربوط به مواد یا همان متالورژی (Metallurgy) برای استخراج فلزات از اکسیدها و کلریدهای فلزی، کانی و سنگ های معدنی مربوطه
- تولید برخی محصولات مانند سدیم
- جوشکاری ترمیت (Thermite Welding)
صنعت خودروسازی
یکی از کاربردهای مهم این واکنش در صنعت خودروسازی، مربوط به کیسه های هوا یا همان ایربگ (Airbag) است. در کیسه های هوا ماده‌ای سمی به نام سدیم آزید با فرمول NaN3 وجود دارد.
در صورت تصادف، حسگر ضربه سیگنال الکتریکی را به ناحیه ای که سدیم آزید در آن جا وجود دارد ارسال می کند. این سیگنال سبب جرقه زدن و اشتعال می‌شود که در اثر آن گرما آزاد خواهد شد. این گرمای به وجود آمده موجب تجزیه سدیم آزید و تولید گاز نیتروژن می شود.
در نتیجه با تولید گاز نیتروژن فشار درون کیسه کاهش می یابد. بر اساس قانون بویل (Boyle’s Law) این کاهش فشار، سبب افزایش حجم گاز (N۲) می شود. به این ترتیب، این گاز توسط سیستم بادکننده در کل کیسه هوا پخش خواهد شد. واکنش زیر مربوط به تجزیه سدیم آزید در کیسه های هوا است.
۲NaN۳→۲Na+3N۲
زندگی روزانه
در زندگی روزانه پدیده‌های طبیعی زیادی رخ می دهد که دلیل آن ها واکنش های تجزیه است. با این وجود ممکن است ت به حال متوجه آن ها نشده باشیم. در ادامه به برخی از این پدیده‌ها اشاره می کنیم.
- با باز شدن در قوطی نوشابه گاز‌دار، پیوندهای کربنیک اسید شکسته، آب و کربن دی اکسید تولید می کنند. این موضوع سبب پخش شدن و کف کردن گاز نوشابه هنگام باز شدن در قوطی آن است.
زندگی روزانه - در زمان هضم غذا کربوهیدرات ها، چربی ها و پروتئین ها به مواد ساده و قابل استفاده‌ای برای بدن تجزیه می شوند.
- در گذشته، برای تهیه فیلم های عکاسی از نقره برمید استفاده می شد. زیرا این ترکیب نسبت به نور بسیار حساس است.
- زمانی که مقداری آب اکسیژنه یا هیدروژن پراکسید روی زخم یا جراحتی ریخته شود شروع به تجزیه شدن کرده و حباب های اکسیژن را به وجود می آورد. این حباب‌ها می توانند زخم را ضدعفونی کرده یا مانع از خونریزی مجدد شوند.
- بیکینگ پودر یا همان بی‌کربنات سدیم که در شیرینی پزی مورد استفاده قرار می گیرد در اثر حرارت تجزیه شده، کربن دی اکسید و سدیم هیدروکسید تولید می کند.
- واکنش تجزیه در مواد غذایی که تخمیر می شوند نظیر تخمیر شیر جهت تولید ماست اتفاق می افتد. همچنین غذاها و میوه های فاسد در اثر تجزیه، مواد بسیار مغذی را برای خاک تولید کرده و نقش کود گیاهی را ایفا می کنند.
کاربرد های آزمایشگاهی
طیف سنجی جرمی (Mass Spectrometry)
این آنالیز براساس جداسازی ذرات یونی ترکیبات مانند اتم ها و مولکول ها با استفاده از اختلاف جرم به بار انجام می گیرد. آنالیز طیف سنجی جرمی برای محاسبه وزن مولکولی ذرات مورد استفاده قرار می گیرد.
آنالیز وزن سنجی (Gravimetric Analysis)
این نوع آنالیز برای اندازه گیری جرم یا غلظت مواد با استفاده از تغییرات جرمی کاربرد دارد. به عنوان مثال، برای اندازه گیری جرم یک ماده در ترکیبی مشخص، آن ترکیب را حرارت می دهند تا پیوندها شکسته و مواد فرار خارج شوند.
بنابراین جرم نسبت به حالت اولیه تغییر کرده و جرم ثانویه ای به دست می آید. با اندازه گیری اختلاف جرم ثانویه و اولیه، جرم ماده مورد نظر محاسبه می شود.
آنالیز توزین حرارتی (Thermogravimetric analysis | TGA)
در این آنالیز، نمونه در اتمسفر گاز نجیب تحت حرارت قرار گرفته و به طور پیوسته وزن می شود. در بسیاری از ترکیبات جامد، واکنش هایی از نوع تجزیه رخ می دهد. این واکنش ها با تولید محصولات گازی همراه است.
این فراورده‌های گازی طی حرارت پیوسته تبخیر و باعث تغییر در مقدار جرم می شوند. این تغیر جرم اندازه گیری و از جرم اولیه کم می شود. به این ترتیب، جرم ترکیب مورد نظر به دست می آید.
بررسی چند نمونه از واکنش های تجزیه
واکنش تجزیه آب اکسیژنه
محلول غلیظ آب اکسیژنه یا همان هیدروژن پراکسید (Hydrogen Peroxide) مطابق واکنش زیر تجزیه شده، اکسیژن، آب و همچنین گرما تولید می کند.
۲H۲O۲→۲H۲O+O۲
واکنش تجزیه سدیم هیدروژن کربنات
هنگامی که پودر سفید رنگ سدیم هیدروژن کربنات یا همان بی‌کربنات سدیم (ماده اولیه در بیکینگ پودر) تا ۸۰ درجه سانتیگراد حرارت ببیند شروع به تجزیه شدن می کند.
فراورده‌های ناشی از تجزیه این ترکیب، سدیم کربنات، آب و کربن دی اکسید است. بعد از تجزیه شدن سدیم هیدروژن کربنات تغییر رنگی مشاهده نمی شود. زیرا، رنگ سدیم کربناتی که تولید می شود نیز سفید است.
۲NaHCO۳→Na۲CO۳+H۲O+CO۲
تجزیه نیتروگلیسیرین
نیتروگلیسیرین که اغلب به عنوان گشادکننده عروق مورد استفاده قرار می گیرد، در اثر ضربه یا حرارت کم تجزیه می شود. تمام فراورده ها در این واکنش انفجاری، حالت گاز دارند. بنابراین، هنگام کارکردن با آن باید احتیاط کرد. این واکنش به صورت زیر است.
۴C۳H۵(NO۳)۳→۱۲CO۲+۱۰H۲O+6N۲+O۲
تجزیه آمونیوم دی کرومات
آمونیوم دی کرومات به صورت جامد بلوری نارنجی رنگ متمایل به قرمز است. این جامد بلوری بسیار اشتعال پذیر بوده و از نظر ترمودینامیکی ناپایدار است.
به همین دلیل، در اثر حرارت سوخته و به اکسید کروم، بخار آب و نیتروژن تجزیه و حرارت تولید می کند. این واکنش به واکنش کوه آتشفشان نیز معروف است. رنگ اکسید کروم حاصل از این واکنش به صورت سبز تیره است. واکنش تجزیه زیر مربوط به تجزیه آمونیوم دی کرومات است.
(NH۴)۲Cr۲O۷(s)→N۲(g)+4H۲O(g)+Cr۲O۷(s)
تجزیه پتاسیم کلرات
پتاسیم کلرات به شکل بلورهای سفید رنگی است که اغلب در حضور اکسید منگنز (MnO۲) به عنوان کاتالیزور، تجزیه می شود. اکسیژن و پودر پتاسیم کلرید سفید رنگ فراورده‌های این واکنش هستند.
۲KClO۳(s)→۲KCl(s)+3O۲(g)
واکنش تجزیه جوش شیرین
واکنش تجزیه جوش شیرین همان بی کربنات سدیم به صورت زیر است.
۲NaHCO۳→Na۲CO۳+H۲O+CO۲
تجزیه آمونیاک
آمونیاک گاز بی رنگی است که در اثر حرارت تجزیه شده و گازهای نیتروژن و هیدروژن تولید می کند. از آنجا که سرعت واکنش تجزیه آمونیاک پایین است تجزیه آن اغلب در حضور یک کاتالیزور صورت می گیرد. به همین دلیل، این روش معمولا در صنعت برای تولید نیتروژن مورد استفاده قرار نمی گیرد.
۲NH۳(g)→N۲(g)+3H۲(g)
تجزیه گلوکز
گلوکز با فرمول شیمیایی C۶H۱۲O۶ در حضور یا عدم حضور اکسیژن می تواند تجزیه شود. در هر حالت فراورده‌ها متفاوت هستند. در حالت اول آب و کربن دی‌اکسید و در حالت دوم الکل به همراه کربن دی اکسید تولید می شود.
هر دو واکنش با آزاد کردن انرژی همراه است. تجزیه گلوکز بدون اکسیژن به واکنش بی هوازی تخمیر گلوکز نیز معروف است. به الکل (اتانول) به دست آمده از این واکنش، سوخت سبز گفته می شود. در دو واکنش زیر، واکنش اول مربوط به تجزیه گلوکز در حضور اکسیژن و واکنش دوم در نبود اکسیژن است.
C۶H۱۲O۶+۶O۲→۶CO۲+۶H۲O
C۶H۱۲O۶→۲CO۲+۲C۲H۵OH
