Home
Kiswahili
Kemia 2e (OpenStax)
1: Mawazo muhimu
1.3: Awamu na Uainishaji wa Suala

1.3: Awamu na Uainishaji wa Suala

Last updated

Nov 1, 2022
Page ID
188156
Save as PDF
- 1.2: Kemia katika Muktadha
- 1.4: Mali ya kimwili na Kemikali

$\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$

$\newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}$

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

Eleza mali ya msingi ya kila hali ya kimwili ya suala: imara, kioevu, na gesi
Tofautisha kati ya uzito na uzito
Kuomba sheria ya uhifadhi wa jambo
Kuainisha jambo kama kipengele, kiwanja, mchanganyiko wa homogeneous, au mchanganyiko tofauti kuhusiana na hali yake ya kimwili na muundo
Kufafanua na kutoa mifano ya atomi na molekuli

Jambo hufafanuliwa kama kitu chochote kinachukua nafasi na ina wingi, na ni karibu nasi. Yabisi na vinywaji ni wazi zaidi jambo: Tunaweza kuona kwamba wao kuchukua nafasi, na uzito wao inatuambia kwamba wana wingi. Gesi pia ni jambo; kama gesi hazikuchukua nafasi, puto haiwezi kuingiza (kuongeza kiasi chake) inapojazwa na gesi.

Yabisi, vinywaji, na gesi ni majimbo matatu ya jambo kawaida hupatikana duniani (Kielelezo 1.6). Mango ni rigid na ina sura ya uhakika. Kioevu kinapita na huchukua sura ya chombo chake, isipokuwa kwamba huunda uso wa juu wa gorofa au kidogo unapotendezwa na mvuto. (Katika mvuto wa sifuri, vinywaji huchukua sura ya spherical.) Sampuli zote za kioevu na imara zina kiasi ambacho ni karibu sana huru ya shinikizo. Gesi inachukua sura na kiasi cha chombo chake.

Beaker kinachoitwa imara ina mchemraba wa jambo nyekundu na anasema ina sura fasta na kiasi. Kioevu kilichoandikwa kioevu kina kioevu cha rangi ya rangi ya rangi ya rangi ya rangi ya rangi ya rangi ya rangi nyekundu. Beaker hii inasema inachukua sura ya chombo, huunda nyuso za usawa, ina kiasi kilichowekwa. Gesi ya beaker iliyoandikwa imejaa gesi ya kahawia. Beaker hii anasema expands kujaza chombo.

Kielelezo 1.6 Majimbo matatu ya kawaida au awamu ya suala ni imara, kioevu, na gesi.

Hali ya nne ya suala, plasma, hutokea kwa kawaida ndani ya nyota. Plasma ni hali ya gesi ya suala ambayo ina idadi ya thamani ya chembe za kushtakiwa umeme (Kielelezo 1.7). Uwepo wa chembe hizi za kushtakiwa hutoa mali ya kipekee kwa plasma ambazo zinahalalisha uainishaji wao kama hali ya suala tofauti na gesi. Mbali na nyota, plasma hupatikana katika baadhi ya mazingira mengine ya joto ya juu (yote ya asili na ya kibinadamu), kama vile mgomo wa umeme, skrini fulani za televisheni, na vyombo maalumu vya uchambuzi vinavyotumika kuchunguza kiasi cha metali.

Tochi ya kukata hutumiwa kukata kipande cha chuma. Plasma nyekundu, nyeupe ya rangi inaweza kuonekana karibu na ncha ya tochi, ambako inawasiliana na chuma.

Kielelezo 1.7 Mwenge wa plasma unaweza kutumika kukata chuma. (mikopo: “Hypertherm” /Wikimedia Commons)

Unganisha na Kujifunza

Katika seli ndogo katika televisheni ya plasma, plasma hutoa mwanga wa ultraviolet, ambayo husababisha kuonyesha mahali hapo kuonekana rangi maalum. Mchanganyiko wa dots hizi ndogo za rangi hufanya picha unayoona. Tazama video hii ili ujifunze zaidi kuhusu plasma na maeneo unayokutana nayo.

Baadhi ya sampuli za suala huonekana kuwa na mali ya yabisi, vinywaji, na/au gesi kwa wakati mmoja. Hii inaweza kutokea wakati sampuli inajumuisha vipande vidogo vidogo. Kwa mfano, tunaweza kumwaga mchanga kana kwamba ni kiowevu kwa sababu linajumuisha nafaka nyingi ndogo za mchanga imara. Matter pia inaweza kuwa na mali ya hali zaidi ya moja wakati ni mchanganyiko, kama vile kwa mawingu. Mawingu yanaonekana kuishi kiasi fulani kama gesi, lakini kwa kweli ni mchanganyiko wa hewa (gesi) na chembe ndogo za maji (kioevu au imara).

Uzito wa kitu ni kipimo cha kiasi cha suala ndani yake. Njia moja ya kupima wingi wa kitu ni kupima nguvu inachukua ili kuharakisha kitu. Inachukua nguvu zaidi kuharakisha gari kuliko baiskeli kwa sababu gari lina molekuli zaidi. Njia ya kawaida ya kuamua wingi wa kitu ni kutumia usawa kulinganisha umati wake na molekuli ya kawaida.

Ingawa uzito ni kuhusiana na wingi, sio kitu kimoja. Uzito inahusu nguvu ambayo mvuto hufanya juu ya kitu. Nguvu hii ni sawa sawa na wingi wa kitu. Uzito wa kitu hubadilika kama nguvu ya mvuto inabadilika, lakini umati wake haufanyi. Masi ya astronaut haibadilika tu kwa sababu anaenda mwezi. Lakini uzito wake juu ya mwezi ni moja tu ya sita uzito wake wa dunia kwa sababu mvuto wa mwezi ni moja tu ya sita ya dunia Anaweza kujisikia “uzito” wakati wa safari yake wakati anapopata nguvu ndogo za nje (mvuto au nyingine yoyote), ingawa yeye ni, bila shaka, kamwe “wasio na uzito”.

Sheria ya uhifadhi wa suala muhtasari uchunguzi wengi wa kisayansi kuhusu jambo: Inasema kuwa hakuna mabadiliko yanayotambulika katika jumla ya wingi wa suala sasa wakati suala waongofu kutoka aina moja hadi nyingine (mabadiliko ya kemikali) au mabadiliko kati ya nchi imara, kioevu, au gesi ( mabadiliko ya kimwili). Kupiga bia na uendeshaji wa betri hutoa mifano ya uhifadhi wa suala (Kielelezo 1.8). Wakati wa pombe ya bia, viungo (maji, chachu, nafaka, malt, humle, na sukari) hubadilishwa kuwa bia (maji, pombe, kaboni, na vitu vya harufu) bila kupoteza halisi ya dutu. Hii inaonekana wazi zaidi wakati wa mchakato wa chupa, wakati glucose inageuka kuwa ethanol na dioksidi kaboni, na umati wa jumla wa vitu haubadilika. Hii pia inaweza kuonekana katika betri ya gari la risasi-asidi: Dutu za awali (risasi, oksidi ya risasi, na asidi ya sulfuriki), ambazo zina uwezo wa kuzalisha umeme, zinabadilishwa kuwa vitu vingine (sulfate ya risasi na maji) ambazo hazizalishi umeme, bila mabadiliko katika kiasi halisi cha suala.

Mchoro A inaonyesha chupa ya bia iliyo na kabla ya bia na sukari. Mshale unaonyesha kutoka chupa hii hadi chupa ya pili. Chupa hii ya pili ina kiasi sawa cha kiowevu, hata hivyo, sukari imebadilishwa kuwa ethanol na kaboni kama bia ilifanywa. Mchoro B inaonyesha betri ya gari ambayo ina karatasi za P B na P B O subscript 2 pamoja na H subscript 2 S O subscript 4. Baada ya betri kutumika, ina molekuli sawa ya P B S O subscript 4 na H subscript 2 O.

Kielelezo 1.8 (a) Uzito wa vifaa vya mtangulizi wa bia ni sawa na wingi wa bia zinazozalishwa: Sukari imekuwa pombe na dioksidi kaboni. (b) Uzito wa risasi, oksidi ya risasi, na asidi ya sulfuriki inayotumiwa na uzalishaji wa umeme ni sawa na wingi wa sulfate ya risasi na maji ambayo hutengenezwa.

Ingawa sheria hii ya hifadhi ina kweli kwa mabadiliko yote ya jambo, mifano kushawishi ni chache na mbali kati ya sababu, nje ya hali kudhibitiwa katika maabara, sisi mara chache kukusanya wote wa vifaa kwamba ni zinazozalishwa wakati wa kubadilika fulani. Kwa mfano, unapokula, kuchimba, na kuimarisha chakula, jambo lote katika chakula cha awali huhifadhiwa. Lakini kwa sababu baadhi ya mambo ni kuingizwa katika mwili wako, na mengi ni excreted kama aina mbalimbali za taka, ni changamoto ya kuthibitisha kwa kipimo.

Kuainisha jambo

Suala linaweza kuhesabiwa katika makundi kadhaa. Makundi mawili pana ni mchanganyiko na vitu safi. Dutu safi ina muundo wa mara kwa mara. Vipimo vyote vya dutu safi vina maumbo na mali sawa. Sampuli yoyote ya sucrose (sukari ya meza) ina 42.1% kaboni, hidrojeni 6.5%, na oksijeni 51.4% kwa wingi. Sampuli yoyote ya sucrose pia ina mali sawa ya kimwili, kama kiwango cha kuyeyuka, rangi, na utamu, bila kujali chanzo ambacho kinatengwa.

Dutu safi zinaweza kugawanywa katika madarasa mawili: vipengele na misombo. Dutu safi ambazo haziwezi kuvunjwa kuwa dutu rahisi na mabadiliko ya kemikali huitwa elementi. Iron, fedha, dhahabu, alumini, sulfuri, oksijeni, na shaba ni mifano ya kawaida ya vipengele zaidi ya 100 inayojulikana, ambayo karibu 90 hutokea kwa kawaida duniani, na dazeni mbili au hivyo zimeundwa katika maabara.

Dutu safi ambazo zinajumuisha vipengele viwili au zaidi huitwa misombo. Misombo inaweza kuvunjwa na mabadiliko ya kemikali ili kuzalisha vipengele ama au misombo mingine, au vyote viwili. Mercury (II) oksidi, machungwa, fuwele imara, inaweza kuvunjwa na joto ndani ya mambo zebaki na oksijeni (Kielelezo 1.9). Wakati hasira kwa kutokuwepo kwa hewa, sucrose ya kiwanja imevunjika ndani ya kipengele kaboni na maji ya kiwanja. (Hatua ya awali ya mchakato huu, wakati sukari ni kugeuka kahawia, inajulikana kama caramelization-hii ni nini inatoa tabia tamu na nutty ladha kwa apples caramel, vitunguu caramelized, na caramel). Silver (I) kloridi ni imara nyeupe ambayo inaweza kuvunjwa ndani ya vipengele vyake, fedha na klorini, kwa kunyonya mwanga. Mali hii ni msingi wa matumizi ya kiwanja hiki katika filamu za picha na miwani ya photochromic (wale walio na lenses ambazo huwa giza wakati wa mwanga).

Takwimu hii inaonyesha mfululizo wa picha tatu kinachoitwa a, b, na c. picha inaonyesha chini ya tube mtihani kwamba ni kujazwa na dutu machungwa-nyekundu. Kiasi kidogo cha dutu ya fedha pia kinaonekana. Picha b inaonyesha dutu katika tube ya mtihani kuwa moto juu ya moto. Picha c inaonyesha tube ya mtihani ambayo haipatikani tena. Dutu ya machungwa-nyekundu iko karibu kabisa, na matone madogo, ya fedha ya dutu yanaachwa.

Kielelezo 1.9 (a) Zebaki ya kiwanja (II) oksidi, (b) inapokanzwa, (c) hutengana na matone ya silvery ya zebaki kioevu na gesi isiyoonekana ya oksijeni. (mikopo: mabadiliko ya kazi na Paulo Maua)

Unganisha na Kujifunza

Misombo mingi huvunja wakati inapokanzwa. Tovuti hii inaonyesha kuvunjika kwa oksidi ya zebaki, HgO. Unaweza pia kuona mfano wa uharibifu wa photochemical wa kloridi ya fedha (AgCl), msingi wa kupiga picha mapema.

Mali ya vipengele vya pamoja ni tofauti na wale walio katika hali ya bure, au isiyojumuishwa. Kwa mfano, sukari nyeupe ya fuwele (sucrose) ni kiwanja kinachotokana na mchanganyiko wa kemikali ya kaboni, ambayo ni imara nyeusi katika mojawapo ya aina zake zisizounganishwa, na vipengele viwili vya hidrojeni na oksijeni, ambazo ni gesi zisizo na rangi wakati zisizo na rangi. Sodiamu ya bure, elementi ambayo ni laini, shiny, metali imara, na klorini huru, elementi ambayo ni gesi ya njano-kijani, huchanganya kuunda kloridi ya sodiamu (chumvi la meza), kiwanja ambacho ni nyeupe, fuwele imara.

Mchanganyiko hujumuisha aina mbili au zaidi za suala ambazo zinaweza kuwepo kwa kiasi tofauti na zinaweza kutenganishwa na mabadiliko ya kimwili, kama vile uvukizi (utajifunza zaidi kuhusu hili baadaye). Mchanganyiko na muundo ambao hutofautiana kutoka hatua kwa hatua huitwa mchanganyiko tofauti. Mavazi ya Kiitaliano ni mfano wa mchanganyiko tofauti (Kielelezo 1.10). Utungaji wake unaweza kutofautiana kwa sababu inaweza kuwa tayari kutoka kwa kiasi tofauti cha mafuta, siki, na mimea. Si sawa kutoka hatua kwa uhakika katika mchanganyiko-moja tone inaweza kuwa zaidi ya siki, ambapo tone tofauti inaweza kuwa zaidi mafuta au mimea kwa sababu mafuta na siki tofauti na mimea kukaa. Mifano mingine ya mchanganyiko tofauti ni cookies chip chocolate (tunaweza kuona bits tofauti ya chocolate, karanga, na unga wa kuki) na granite (tunaweza kuona quartz, mica, feldspar, na zaidi).

Mchanganyiko mzuri, pia huitwa suluhisho, huonyesha muundo wa sare na inaonekana kuibua sawa. Mfano wa suluhisho ni kinywaji cha michezo, kilicho na maji, sukari, rangi, harufu, na electrolytes zilizochanganywa pamoja kwa usawa (Mchoro 1.10). Kila tone la kinywaji cha michezo hupendeza sawa kwa sababu kila tone lina kiasi sawa cha maji, sukari, na vipengele vingine. Kumbuka kuwa muundo wa kinywaji cha michezo unaweza kutofautiana-inaweza kufanywa na sukari zaidi au chini, harufu, au vipengele vingine, na bado kuwa kinywaji cha michezo. Mifano mingine ya mchanganyiko mzuri ni pamoja na hewa, syrup ya maple, petroli, na suluhisho la chumvi katika maji.

Mchoro A inaonyesha kioo kilicho na kioevu nyekundu na safu ya mafuta ya njano yaliyo juu ya uso wa kioevu nyekundu. Zoom katika sanduku ni kukuza sehemu ya kiowevu nyekundu ambayo ina baadhi ya mafuta ya njano. Picha iliyopangwa inaonyesha kwamba mafuta hutengeneza matone ya pande zote ndani ya kioevu nyekundu. Mchoro B unaonyesha picha ya Gatorade G 2. Zoom katika sanduku inakuza sehemu ya Gatorade, ambayo ni nyekundu sawa.

Kielelezo 1.10 (a) Mavazi ya mafuta na siki ya saladi ni mchanganyiko tofauti kwa sababu muundo wake sio sare kote. (b) Kinywaji cha michezo ya kibiashara ni mchanganyiko mzuri kwa sababu muundo wake ni sare kote. (mikopo “kushoto”: mabadiliko ya kazi na John Mayer; mikopo “haki”: mabadiliko ya kazi na Umberto Salvagnin; mikopo b “kushoto: mabadiliko ya kazi na Jeff Bedford)

Ingawa kuna mambo zaidi ya 100, makumi ya mamilioni ya misombo ya kemikali hutokana na mchanganyiko tofauti wa vipengele hivi. Kila kiwanja kina muundo maalum na una kemikali na mali ya kimwili inayofautisha kutoka kwa misombo mingine yote. Na, bila shaka, kuna njia nyingi za kuchanganya vipengele na misombo ili kuunda mchanganyiko tofauti. Muhtasari wa jinsi ya kutofautisha kati ya maagizo mbalimbali makubwa ya suala huonyeshwa (Kielelezo 1.11).

Chati hii ya mtiririko huanza na suala la juu na swali: Je! Suala hilo lina mali na muundo wa mara kwa mara? Ikiwa hapana, basi ni mchanganyiko. Hii inasababisha swali linalofuata: Je, ni sare katika? Ikiwa hapana, ni tofauti nyingi. Ikiwa ndiyo, ni sawa. Ikiwa suala hilo lina mali na muundo wa mara kwa mara, ni dutu safi. Hii inasababisha swali linalofuata: Je, inaweza kuwa rahisi kemikali? Kama hapana, ni kipengele. Ikiwa ndiyo, basi ni kiwanja.

Kielelezo 1.11 Kulingana na mali zake, dutu iliyotolewa inaweza kuhesabiwa kama mchanganyiko wa homogeneous, mchanganyiko tofauti, kiwanja, au kipengele.

Elementi kumi na moja hufanya juu ya 99% ya ukanda wa dunia na anga (Jedwali 1.1). Oksijeni ni sehemu ya karibu nusu moja na silicon kuhusu robo moja ya jumla ya wingi wa mambo haya. Vipengele vingi duniani vinapatikana katika mchanganyiko wa kemikali na vipengele vingine; karibu robo moja ya elementi hupatikana pia katika hali ya bure.

Muundo wa msingi wa Dunia

Element	Mkono	Asilimia Misa	Element	Mkono	Asilimia Misa
oksijeni	O	49.20	klorini	Cl	0.19
silikoni	na	25.67	fosforasi	P	0.11
alumini	Al	7.50	manganisi	Mn	0.09
chuma	Fe	4.71	kaboni	C	0.08
kalsiamu	Ca	3.39	salfa	S	0.06
sodiamu	Na	2.63	bariamu	Ba	0.04
potasiamu	K	2.40	naitrojeni	N	0.03
magnesiamu	Mg	1.93	florini	F	0.03
haidrojeni	H	0.87	stronti	Sr	0.02
titani	Ti	0.58	wengine wote	-	0.47

Jedwali 1.1

Atomi na Molekuli

Atomu ni chembe ndogo kabisa ya elementi ambayo ina tabia ya elementi hiyo na inaweza kuingia katika mchanganyiko wa kemikali. Fikiria dhahabu ya kipengele, kwa mfano. Fikiria kukata nugget ya dhahabu kwa nusu, kisha kukata moja ya nusu kwa nusu, na kurudia mchakato huu mpaka kipande cha dhahabu kilibaki ambacho kilikuwa kidogo sana ambacho hakikuweza kukatwa kwa nusu (bila kujali jinsi kisu chako kidogo kinaweza kuwa). Kipande hiki cha dhahabu kidogo ni atomi (kutoka atomos za Kigiriki, maana yake ni “isiyoonekana”) (Kielelezo 1.12). Atomu hii haingekuwa tena dhahabu kama ingegawanyika tena.

Kielelezo A inaonyesha nugget dhahabu kama ingeonekana kwa jicho uchi. Nugget ya dhahabu ni isiyo ya kawaida sana, na midomo mingi mkali. Inaonekana dhahabu katika rangi. Picha ya darubini ya kioo cha dhahabu inaonyesha mapigo mengi ya dhahabu yenye ukubwa sawa ambayo yanatenganishwa na maeneo ya giza. Kuangalia kwa karibu, mtu anaweza kuona kwamba kupigwa kwa dhahabu hufanywa kwa atomi nyingi, vidogo, vya mviringo.

Kielelezo 1.12 (a) Picha hii inaonyesha nugget ya dhahabu. (b) Microscope ya skanning (STM) inaweza kuzalisha maoni ya nyuso za yabisi, kama vile picha hii ya kioo cha dhahabu. Kila nyanja inawakilisha atomi moja ya dhahabu. (mikopo a: mabadiliko ya kazi na Utafiti wa Kijiolojia wa Marekani; mikopo b: mabadiliko ya kazi na “Erwinrossen” /Wikimedia Commons)

Pendekezo la kwanza kwamba jambo linajumuisha atomi linahusishwa na wanafalsafa wa Kigiriki Leucippus na Democritus, ambao waliendeleza mawazo yao katika karne ya 5 KK. Hata hivyo, haikuwa mpaka mwanzoni mwa karne ya kumi na tisa ambapo John Dalton (1766—1844), mwalimu wa shule ya Uingereza aliye na maslahi makubwa ya sayansi, aliunga mkono nadharia hii kwa vipimo vya upimaji. Tangu wakati huo, majaribio ya mara kwa mara yamethibitisha mambo mengi ya nadharia hii, na imekuwa moja ya nadharia kuu za kemia. Vipengele vingine vya nadharia atomia ya Dalton bado vinatumiwa lakini kwa marekebisho madogo (maelezo ya nadharia ya Dalton yanatolewa katika sura ya atomi na molekuli).

Atomu ni ndogo kiasi kwamba ukubwa wake ni vigumu kufikiria. Moja ya mambo madogo zaidi tunayoweza kuona kwa jicho letu lisilo na usaidizi ni thread moja ya mtandao wa buibui: Vipande hivi ni karibu 1/10,000 ya sentimita (0.0001 cm) mduara. Ingawa sehemu ya msalaba wa strand moja haiwezekani kuona bila darubini, ni kubwa kwa kiwango cha atomiki. Atomu moja ya kaboni kwenye wavuti ina kipenyo cha sentimita 0.000000015, na itachukua takriban atomi za kaboni 7000 ili kuenea kipenyo cha strand. Ili kuweka hili katika mtazamo, kama atomi ya kaboni ingekuwa ukubwa wa dime, sehemu ya msalaba wa strand moja ingekuwa kubwa kuliko uwanja wa mpira wa miguu, ambayo ingehitaji takriban atomu za kaboni milioni 150 “dimes” ili kuifunika. (Kielelezo 1.13) inaonyesha maoni ya karibu ya microscopic na atomic-ngazi ya pamba ya kawaida.

Kielelezo A kinaonyesha mpira mweupe wa pamba nyeupe unaoongezeka kwenye shina la kahawia. Kielelezo B kinaonyesha kamba ya pamba iliyopandwa. The strand inaonekana uwazi lakini ina maeneo ya giza ndani ya mambo yake ya ndani. Kielelezo C kinaonyesha uso wa nyuzi kadhaa za pamba zinazozunguka na zinazoingiliana. Uso wake ni mbaya kando kando, lakini laini karibu na katikati ya kila strand. Kielelezo D inaonyesha vipande vitatu vya molekuli zilizounganishwa kwenye minyororo mitatu ya wima Kila strand ina kuhusu molekuli tano. Kielelezo E kinaonyesha kwamba molekuli ya pamba ina atomi kadhaa. Atomi za kaboni nyeusi huunda pete ambazo zinaunganishwa na atomi nyekundu za oksijeni. Atomi nyingi za kaboni huunganishwa pia na atomi za hidrojeni, zinaonyeshwa kama mipira nyeupe, au atomi nyingine za oksijeni.

Kielelezo 1.13 Picha hizi hutoa mtazamo unaozidi karibu: (a) pamba Boll, (b) nyuzi moja ya pamba inayoonekana chini ya darubini ya macho (kukuza mara 40), (c) picha ya nyuzi za pamba zilizopatikana kwa microscope ya elektroni (ukuzaji wa juu sana kuliko kwa darubini ya macho); na (d na e) mifano ya ngazi ya atomiki ya fiber (nyanja za rangi tofauti zinawakilisha atomi za vipengele tofauti). (mikopo c: mabadiliko ya kazi na “Featheredtar” /Wikimedia Commons)

Atomu ni nuru kiasi kwamba masi yake pia ni vigumu kufikiria. Atomi za risasi bilioni (atomi 1,000,000,000) zina uzito wa karibu 3 $\times$ 10 ^-13 gramu, masi ambayo ni mbali mno mno kupimwa hata mizani nyeti zaidi duniani. Itahitaji zaidi ya 300,000,000,000,000 atomi risasi (300 trilioni, au 3 $\times$ 10 ¹⁴) kupimwa, na wangeweza kupima gramu ya 0.0000001 tu.

Ni nadra kupata makusanyo ya atomi za mtu binafsi. Vipengele vichache tu, kama vile gesi heliamu, neon, na argon, vinajumuisha mkusanyiko wa atomi za mtu binafsi zinazohamia kwa kujitegemea. Mambo mengine, kama vile gesi hidrojeni, nitrojeni, oksijeni, na klorini, yanajumuisha vitengo ambavyo vinajumuisha jozi za atomi (Kielelezo 1.14). Aina moja ya fosforasi ya elementi ina vitengo vinavyotokana na atomi nne za fosforasi. Sulfuri ya kipengele ipo katika aina mbalimbali, moja ambayo ina vitengo vinavyotokana na atomi nane za sulfuri. Vitengo hivi huitwa molekuli. Molekuli ina atomi mbili au zaidi zilizounganishwa na vikosi vikali vinavyoitwa vifungo vya kemikali. Atomi katika molekuli huzunguka kama kitengo, kiasi kama makopo ya soda katika pakiti sita au rundo la funguo zilizounganishwa pamoja kwenye pete moja muhimu. Molekuli inaweza kuwa na atomi mbili au zaidi zinazofanana, kama katika molekuli zinazopatikana katika elementi za hidrojeni, oksijeni, na sulfuri, au inaweza kuwa na atomi mbili au zaidi tofauti, kama ilivyo katika molekuli zinazopatikana katika maji. Kila molekuli ya maji ni kitengo ambacho kina atomi mbili za hidrojeni na atomi moja ya oksijeni. Kila molekuli ya glucose ni kitengo ambacho kina atomi 6 za kaboni, atomi 12 za hidrojeni, na atomi 6 za oksijeni Kama atomi, molekuli ni ndogo sana na nyepesi. Ikiwa glasi ya maji ya kawaida ilienea hadi ukubwa wa dunia, molekuli za maji ndani yake zingekuwa juu ya ukubwa wa mipira ya golf.

Molekuli ya hidrojeni, H subscript 2, inavyoonekana kama mipira miwili midogo, nyeupe iliyounganishwa pamoja. Molekuli ya oksijeni O subscript 2, inavyoonekana kama mipira miwili nyekundu iliyounganishwa pamoja. Molekuli ya fosforasi, P subscript 4, inavyoonekana kama mipira minne ya machungwa iliyounganishwa kwa pamoja. Molekuli ya sulfuri, S subscript 8, inavyoonekana kama mipira 8 ya njano iliyounganishwa pamoja. Molekuli za maji, H subscript 2 O, linajumuisha atomi moja nyekundu ya oksijeni iliyounganishwa na atomi mbili ndogo za hidrojeni nyeupe. Atomi za hidrojeni ziko kwenye pembe kwenye molekuli ya oksijeni. Dioksidi ya kaboni, C O subscript 2, ina atomi moja ya kaboni na atomi mbili za oksijeni. Atomu moja ya oksijeni inaunganishwa na upande wa kulia wa kaboni na oksijeni nyingine huunganishwa kwa upande wa kushoto wa kaboni. Glucose, C subscript 6 H subscript 12 O subscript 6, ina mlolongo wa atomi kaboni kwamba masharti oksijeni au atomi hidrojeni.

Kielelezo 1.14 Vipengele vya hidrojeni, oksijeni, fosforasi, na molekuli za sulfuri zinazo na atomi mbili au zaidi za kipengele hicho. Mchanganyiko wa maji, dioksidi kaboni, na glucose hujumuisha mchanganyiko wa atomi za vipengele tofauti.

Kemia katika Maisha ya Kila siku

Uharibifu wa Maji/Uzalishaji wa Hidrojeni

Maji yana vipengele vya hidrojeni na oksijeni pamoja katika uwiano wa 2 hadi 1. Maji yanaweza kuvunjika ndani ya gesi za hidrojeni na oksijeni kwa kuongeza nishati. Njia moja ya kufanya hivyo ni kwa betri au nguvu, kama inavyoonekana katika (Kielelezo 1.15).

Betri ya mstatili imeingizwa kwenye beaker iliyojaa kioevu. Kila moja ya vituo vya betri hufunikwa na tube ya mtihani iliyopinduliwa. Vipimo vya mtihani kila mmoja vina kioevu cha kupumua. Zoom katika maeneo zinaonyesha kwamba kioevu katika beaker ni maji, 2 H subscript 2 O kioevu. Bubbles katika tube ya mtihani juu ya terminal hasi ni gesi ya hidrojeni, 2 H subscript 2 gesi. Bubbles katika tube ya mtihani juu ya terminal chanya ni gesi ya oksijeni, O subscript 2 gesi.

Kielelezo 1.15 Uharibifu wa maji unaonyeshwa kwenye viwango vya macroscopic, microscopic, na mfano. Betri hutoa sasa umeme (microscopic) ambayo hutenganisha maji. Katika ngazi ya macroscopic, kioevu hutenganisha ndani ya gesi hidrojeni (upande wa kushoto) na oksijeni (upande wa kulia). Kwa mfano, mabadiliko haya yanawasilishwa kwa kuonyesha jinsi kioevu H ₂ O hutenganisha katika gesi H ₂ na O ₂.

Kuvunjika kwa maji kunahusisha upyaji wa atomi katika molekuli za maji katika molekuli tofauti, kila mmoja linajumuisha atomi mbili za hidrojeni na atomi mbili za oksijeni, mtawalia. Molekuli mbili za maji huunda molekuli moja ya oksijeni na molekuli mbili za h Uwakilishi kwa nini kinatokea, $2 H_{2} O (l) ⟶ 2 H_{2} (g) + O_{2} (g),$ itakuwa kuchunguzwa kwa kina zaidi katika sura za baadaye.

Gesi mbili zinazozalishwa zina mali tofauti. Oksijeni haiwezi kuwaka lakini inahitajika kwa mwako wa mafuta, na hidrojeni inawaka sana na chanzo chenye nguvu cha nishati. Je, ujuzi huu unaweza kutumiwa katika ulimwengu wetu? Programu moja inahusisha utafiti katika usafiri zaidi wa ufanisi wa mafuta. Magari ya kiini cha mafuta (FCV) huendesha hidrojeni badala ya petroli (Kielelezo 1.16). Wao ni ufanisi zaidi kuliko magari yenye inji za mwako ndani, hazipatikani, na kupunguza uzalishaji wa gesi ya chafu, na kutufanya tegemezi kidogo kwa mafuta ya mafuta. FCVs bado hazifai kiuchumi, hata hivyo, na uzalishaji wa sasa wa hidrojeni unategemea gesi asilia. Ikiwa tunaweza kuendeleza mchakato wa kuoza maji kiuchumi, au kuzalisha hidrojeni kwa njia nyingine ya mazingira, FCVs inaweza kuwa njia ya baadaye.

Kiini cha mafuta kina membrane ya kubadilishana protoni iliyopo kati ya anode na cathode. Gesi ya hidrojeni huingia betri karibu na anode. Gesi ya oksijeni huingia betri karibu na cathode. Gesi ya hidrojeni inayoingia imevunjika katika nyanja moja nyeupe ambazo kila mmoja ana malipo mazuri. Hizi ni protoni. Protoni hurudisha elektroni za kushtakiwa vibaya ndani ya anode. Electroni hizi zinasafiri kupitia mzunguko, kutoa umeme kwa chochote kilichounganishwa na betri. Protoni zinaendelea kupitia utando wa kubadilishana protoni na kupitia cathode kufikia molekuli ya gesi ya oksijeni kwenye mwisho kinyume cha betri. Huko, atomi za oksijeni zinagawanyika katika nyanja moja nyekundu. Kila atomu ya oksijeni inachukua protoni mbili zinazoingia ili kuunda molekuli ya maji.

Kielelezo 1.16 Kiini cha mafuta kinazalisha nishati ya umeme kutoka hidrojeni na oksijeni kupitia mchakato wa electrochemical na hutoa maji tu kama bidhaa taka.

Kemia katika Maisha ya Kila siku

Kemia ya Simu za mkononi

Fikiria jinsi tofauti maisha yako itakuwa bila simu za mkononi (Kielelezo 1.17) na vifaa vingine vya smart. Simu za mkononi zinafanywa kutoka kwa vitu vingi vya kemikali, ambavyo vinatolewa, vilivyosafishwa, kutakaswa, na kukusanyika kwa kutumia ufahamu wa kina na wa kina wa kanuni za kemikali. Kuhusu asilimia 30 ya vipengele vinavyopatikana katika asili hupatikana ndani ya simu ya kawaida ya smart. Kesi/mwili/sura ina mchanganyiko wa polima imara, muda mrefu linajumuisha hasa kaboni, hidrojeni, oksijeni, na nitrojeni [acrylonitrile butadiene styrene (ABS) na thermoplastiki polycarbonate], na mwanga, nguvu, metali za kimuundo, kama vile alumini, magnesiamu, na chuma. Screen kuonyesha ni alifanya kutoka kioo maalum toughened (silika kioo nguvu na kuongeza ya alumini, sodiamu, na potasiamu) na coated na nyenzo ya kufanya hivyo conductive (kama vile indium bati oksidi). Bodi ya mzunguko hutumia nyenzo za semiconductor (kawaida silicon); metali inayotumiwa kama shaba, bati, fedha, na dhahabu; na vipengele visivyojulikana zaidi kama vile yttrium, praseodymium, na gadolinium. Betri hutegemea ioni za lithiamu na vifaa vingine mbalimbali, ikiwa ni pamoja na chuma, cobalt, shaba, oksidi ya polyethilini, na polyacrylonitrile.

Simu ya mkononi imeandikwa ili kuonyesha nini vipengele vyake vinafanywa. Vipengele vya kesi hufanywa kwa polima kama vile A B S na au metali kama vile alumini, chuma, na magnesiamu. Vipengele vya processor vinatengenezwa kwa silicon, metali ya kawaida kama vile shaba, bati na dhahabu, na vipengele vya kawaida kama vile yttrium na gadolinium. Vipengele vya skrini vinatengenezwa kwa oksidi ya silicon, pia inajulikana kama kioo. Kioo kinaimarishwa na kuongeza ya alumini, sodiamu, na potasiamu. Vipengele vya betri vina lithiamu pamoja na metali nyingine kama vile cobalt, chuma, na shaba.

Kielelezo 1.17 Karibu theluthi moja ya mambo ya kawaida yanayotokea hutumiwa kufanya simu ya mkononi. (mikopo: mabadiliko ya kazi na John Taylor)