بلورهای درشت نبات را چگونه می سازند؟
دید کلی
اگر ، بعنوان یک شیمیدان آلی ، قرار بود ده ترکیب آلیفاتیک انتخاب کنید و سپس در جزیره ای رها شوید، شما قطعا الکلها را برمی گزیدید. شما می توانید از آنها تقریبا هر ترکیب آلی دیگر را بسازید، آلکیل هالیدها ، آلکنها ، اترها ، آلدئیدها ، کتونها ، اسیدها ، استرها و دهها ترکیب دیگر
از آلکیل هالیدها ، می توانید واکنشگرهای گرینیار را بسازید و از واکنش این واکنشگرها با آلدئیدها و کتونها الکلهای پیچیده تری را بدست آورید و غیره. در آن جزیره دور افتاده ، از الکلهای خود ، نه فقط بعنوان ماده خام استفاده می کنید، بلکه آنها را به دفعات ، بعنوان حلال برای انجام واکنشها و برای متبلور کردن فراورده ها بکار می برید.
اهمیت الکلها
ما نمی توانیم در هیچ یک از بخشهای شیمی آلی خیلی جلو برویم، بدون اینکه به الکلها بربخوریم. الکلها در استخلاف هسته دوستی بعنوان سوبسترا و بعنوان هسته دوست شرکت می کنند. مهمترین و ساده ترین اثر کاتالیزوری متعلق به الکلهاست که در شیمی انواع ترکیبها ، در لوله آزمایش و در ارگانیسم زنده ، نقش کلیدی برعهده دارد.
الکلها به آلکیل هالیدها و سایر ترکیباتی که استخلاف هسته دوستی انجام می دهند، تبدیل می شوند، استخلافی که معرفی انواع گروههای عاملی در یک مولکول را امکان پذیر می سازد. الکلها امکان دسترسی ما به ترکیبهایی با حالتهای اکسایش بالاتر ، یعنی آلدئیدها ، کتونها و اسیدهای کربوکسیلیک را فراهم می سازند.
ساختار الکلها
فرمول عمومی الکلها ، ROH است که در آن ، R یک گروه آلکیل یا آلکیل استخلاف شده است. این گروه می تواند نوع اول ، دوم یا سوم باشد، ممکن است زنجیرباز یا حلقه ای باشد، ممکن است دارای یک اتم هالوژن ، هیدروکسیل های بیشتر یا یکی از بسیاری گروههای دیگری باشد که فعلا برای ما ناآشنا است.
همه الکلها ، دارای گروه هیدروکسیل (-OH) هستند که بعنوان گروه عاملی ، خواص مشخصه این خانواده از ترکیبها را تعیین می کند. تغییر و تنوع در ساختار R می تواند بر سرعت واکنشهای الکلها و حتی در موارد معدودی بر نوع واکنشها نیز تاثیر گذارد
ترکیباتی که در آنها گروه هیدروکسیل مستقیما به یک حلقه آروماتیک متصل است، الکل نیستند، بلکه این ترکیبات ، فنل هستند و با الکلها آنچنان تفاوت فاحشی دارند که آنها را در مبحثی دیگر باید مورد بررسی قرار داد.
منابع صنعتی الکلها
الکلها ، موادی این چنین مهم در شیمی آلیفاتیک ، نه تنها باید از نظر واکنشها بسیار گوناگون و تنوع پذیر باشند، بلکه به مقدار زیاد و با قیمت ارزان نیز باید قابل تهیه باشند. برای بدست آوردن الکلهای سبک که تکیه گاه سنتز آلی آلیفاتیک هستند، سه روش اصلی وجود دارد، روشهایی که می توانند همه منابع مواد آلی را مورد استفاده قرار دهند. یعنی نفت ، گاز طبیعی ، زغال سنگ و زیست توده. این سه روش عبارتند از:
* آبدارکردن آلکنهای بدست آمده از کراکینگ نفت.
* فرایند السک از آلکنها ، مونوکسید کربن و هیدروژن.
* تخمیر کربوهیدراتها.
علاوه بر این سه روش اصلی ، روشهای دیگری نیز با کاربرد محدود وجود دارند. بعنوان مثال ، متانول از هیدروژن دار کردن کاتالیزوری مونوکسید کربن بدست می آید. مخلوط هیدروژن و مونوکسید کربن با نسبت ضروری ، از واکنش آب با متان ، آلکانهای دیگر ، یا زغال سنگ در دمای بالا بدست می آید.
خواص فیزیکی الکلها
دمای جوش
در میان هیدروکربنها ، به نظر می رسد که عوامل تعیین کننده دمای جوش ، عمدتا وزن مولکولی و شکل مولکول باشند. در الکلها ، با افزایش تعداد کربن ، دمای جوش بالا می رود و با شاخه دار کردن زنجیر ، دمای جوش پایین می آید، اما نکته غیر عادی در مورد الکلها این است که آنها در دمای بالا به جوش می آیند. این دمای جوش بسیار بالاتر از دمای جوش هیدروکربنها با وزن مولکولی یکسان است و حتی از دمای جوش بسیاری ترکیبها با قطعیت قابل ملاحظه بالاتر است.
دمای جوش بالای آنها ، به علت نیاز به انرژی بیشتر برای شکستن پیوندهای هیدروژنی است که مولکولها را در کنار هم نگه داشته اند.
حل شدن الکلها
رفتار الکلها بعنوان حل شده نیز توانایی آنها برای تشکیل پیوندهای هیدروژنی را منعکس می کند. برخلاف هیدروکربنها ، الکلهای سبک با آب امتزاج پذیرند. از آنجا که نیروهای بین مولکولی الکلها همانند نیروهای بین مولکولی آب است، دو نوع مولکول با یکدیگر قابل اختلاط هستند. انرژی لازم برای شکستن یک پیوند هیدروژنی بین دو مولکول آب یا دو مولکول الکل ، با تشکیل یک پیوند هیدروژنی بین یک مولکول آب و یک مولکول الکل تامین می شود.
خواص فیزیکی الکلها
دید کلی
فرمول عمومی الکلها ، ROH است که در آن ، R یک گروه آلکیل یا آلکیل استخلاف شده است. این گروه می تواند نوع اول ، دوم یا سوم باشد. ممکن است زنجیر باز یا حلقه ای باشد؛ ممکن است دارای یک اتم هالوژن ، هیدروکسیل های بیشتر یا یکی از بسیاری گروههای دیگر باشد که در شیمی آلی وجود دارد.
همه الکلها ، دارای گروه هیدروکسیل ( -OH ) هستند که به عنوان گروه عاملی ، خواص مشخصه این خانواده از ترکیبها را تعیین می کند. تغییر و تنوع در ساختار R می تواند بر سرعت واکنشهای الکلها و حتی در موارد معدودی ، بر نوع واکنشها تاثیر گذارد. باید توجه داشت که ترکیباتی که در آنها گروه هیدروکسیل مستقیما به یک حلقه آروماتیک متصل است، الکل نیستند؛ آنها فنل هستند و با الکلها تفاوت فاحشی دارند.
گروه عاملی -OH
اگر این واقعیت را در نظر داشته باشیم که از نظر ساختاری: الکل آمیزه ای از یک آلکان و آب است، به خوبی می توانیم خواص فیزیکی الکلها را درک کنیم. الکل متشکل از یک گروه آلکیل شبه آلکان و یک گروه هیدروکسیل شبه آب است. از دو واحد ساختاری الکل ، این گروه -OH است که سبب خواص فیزیکی مشخصه آب می شود و گروه آلکیل ، بسته به اندازه و شکلش ، این خواص را تعدیل می کند.
گروه هیدروکسیل کاملا قطبی است و نکته بسیار مهم اینکه ، دارای هیدروژنی است که به عنصر به شدت الکترونگاتیو اکسیژن پیوند دارد. یک الکل با استفاده از گروه هیدروکسیل می تواند پیوند هیدروژنی تشکیل دهد، پیوند هیدروژنی با مولکولهای الکل همانندش و با مولکولهای خنثی و با آنیونها.
دمای جوش
در میان هیدروکربنها به نظر می رسد که عوامل تعیین کننده دمای جوش ، عمدتا وزن مولکولی و شکل مولکولی باشند؛ این چیزی است که از مولکولهایی که عمدتا با نیروهای واندروالسی در کنار یکدیگرند، انتظار می رود. در الکلها نیز با افزایش تعداد کربن ، دمای جوش بالا می رود و با شاخه دار شدن زنجیر ، دمای جوش پایین می آید. اما نکته غیر عادی ، در مورد الکلها این است که آنها در دمایی بالا به جوش می آیند.
این دماهای جوش ، بسیار بالاتر از دمای جوش هیدروکربنها با وزن مولکولی یکسان است و حتی از دمای جوش بسیاری ترکیبها با قطبیت قابل ملاحظه بالاتر است. چگونه این پدیده را تبیین می کنیم؟ بدیهی است پاسخ این است که الکلها ، همانند آب ، مایع های بهم پیوسته هستند. دمای جوش بالای آنها به علت نیاز به انرژی بیشتر برای شکستن پیوندهای هیدروژنی است که مولکولها را در کنار یکدیگر نگه داشته اند. اگر چه اترها و آلدئیدها هم اکسیژن دارند، اما هیدروژن در آنها فقط با کربن پیوند دارد ، این نوع هیدروکربنها آنقدر مثبت نیستند که بتوانند با اکسیژن ، پیوند قابل ملاحظه ای ایجاد کنند.
مطالعه پیوند هیدروژنی در الکلها
در مطالعه پیوند هیدروژنی ، طیف بینی زیر قرمز ، نقش کلیدی بر عهده داشته است. در محلول رقیق در یک حلال غیر قطبی مانند کربن تتراکلرید (یا در فاز گاز) ، یعنی در حالتی که تجمع مولکولی ، کمینه است، به عنوان مثال ، اتانول ، نوار کششی O-H را در 3640cm-1 نشان می دهد. با افزایش غلظت اتانول ، بتدریج ، نوار پهن تر دیگری در 3350cm-1 جایگزین این نوار می شود. پیوند هیدروژنی با اکسیژن دوم ، پیوند O-H را تضعیف می کند و انرژی و بتبع آن ، فرکانس ارتعاش را پایین می آورد.
حل شدن الکلها
رفتار الکلها به عنوان حل شده نیز ، توانایی آنها برای تشکیل پیوند هیدروژنی را منعکس می کند. برخلاف هیدروکربنها ، الکلهای سبک با آب امتزاج پذیرند. از آنجا که نیروهای بین مولکولی الکلها ، همانند نیروهای بین مولکولی آب است، دو نوع مولکول با یکدیگر قابل اختلاطند: انرژی لازم برای شکسیتن یک پیوند هیدروژنی بین دو مولکول آب یا دو مولکول الکل ، با تشکیل یک پیوند هیدروژنی بین یک مولکول آب و یک مولکول الکل تامین می شود. اما این موضوع ، فقط در مورد اللکهای سبک ، یعنی الکلهایی که در آنها گروه -OH بخش بزرگی از مولکول را تشکیل می دهد، صادق است.
با بزرگتر شدن گروه آلکیل شبه آلکان ، انحلال پذیری در آب کاهش می یابد. از دیدگاه عملی ، خط مرزی بین انحلال پذیری و انحلال ناپذیری الکلهای نوع اول در آب را الکل چهار تا پنج کربنی در نظر می گیریم. الکلهای پلی هیدروکسی در هر مولکول بیش از یک موضع برای تشکیل پیوند هیدروژنی دارند و این ویژگی در خواص آنها منعکس است. ساده ترین دیول ، 1، 2 اتاندیول ، (اتیلن گلیکول) در 197درجه سانتی گراد می جوشد.
دیولهای سبک با آب در می آمیزند و آنهایی که تا هفت اتم کربن دارند، در آب انحلال پذیری قابل ملاحظه ای دارند. خاصیات ضد انجماد اتیلن گلیکول ناشی از دمای جوش بالا ، دمای انجماد پایین و انحلال پذیری بالا در آب است.
الکل صنعتی
تاریخچه
نخستین بار، ابوبکر محمدبن زکریای رازی پزشک و شیمیدان ایرانی از تقطیر شراب در قرع و انبیق ، ماده ای بدست آورد که آن را الکحل نام نهاد؛ پس از مدتی ، "دکتر واندیک" آمریکایی واژه الکحل را به الکل (alcohol) تبدیل کرد.
مشخصات کلی
امروزه این ماده ، به نام اتیلن الکل (الکل معمولی ، الکل اتیلیک ، روح الخمر ، الکل شراب ، اتانول ، نتیل کربینول ، جوهر شراب ، الکل کشمش ، ئیدروکسیل و…) مشهور است. الکل ، آب گونه ای است فرار ، بی رنگ ، با بوی ویژه و مزه سوزان ، رطوبت گیر و از آب سبکتر است. وزن ویژه یا جرم حجمی آن 0.795 تا 0.8 ، در فشار متعارفی ، نقطه جوش آن 78.53 تا 78.5 درجه سانتی گراد و نقطه انجماد آن ، 114درجه سانتی گراد است.
از این رو ، آن را در دماسنجهایی که برای سنجش سرما بکار می رود، استفاده می کنند. الکل جامد در 130درجه سانتی گراد گداخته می شود. قابلیت حل شدن اتیل الکل در آب بسیار زیاد است و به هر نسبت با آب مخلوط می شود. از آمیختن آب و الکل ، کمی گرما هم تولید می شود، الکل یکی از حلال های بسیار خوب است ، ید ، کافور ، عطرها ، عسل و … را در خود ناپدید می کند.
الکل به غیر از آب ، در اغلب حلال های آلی محلول است. الکل خاصیت گندزدایی دارد و آلبومین ها را منعقد می کند.
تهیه الکل از راه تخمیر
مخمر
مخمر آبجو ، قارچی است که با جوانه زدن تکثیر می کند، اگر این قارچ در مجاور یک ماده قندی تخمیر شود، موادی از خود خارج می کند که خاصیت آنزیمی داشته و موجب دگرگونی قند می شود. در بین قندها ، گلوکز به فرمول C6H12O6 است که در انگور وجود دارد، تخمیر شده، الکل می دهد (تهیه شراب).
تهیه الکل از گلوکز
آنزیمی که عمل تخمیر گلوکز بوسیله آن انجام می گیرد، زیماز یا الکلاز نامیده می شود. هر گاه مخمر آبجو را به گلوکز اضافه کنیم، الکل و دی اکسید کربن یا گاز کربونیک بدست می آید.
گاز کربونیک + الکل <——- گلوکز
این واکنش در حضور زیماز یا الکاز صورت می گیرد.
C6H12O6 → 2C2H5OH + CO2
تهیه الکل از مواد نشاسته دار
برای تهیه الکل از مواد نشاسته دار مانند برنج ، گندم ، ذرت ، سیب زمینی ، آنزیمی به نام مالتاز ، مالت را به مالتوز تبدیل می کند. سپس مالتوز بوسیله هیدرولیز (آبکافت) به گلوکز تبدیل می گردد و گلوکز هم تخمیر حاصل می کند، گاز کربونیک و الکل می دهد (برای تبدیل مالت به مالتوز ، محیط باید اسیدی باشد.)
گلوکز <—— آب + نشاسته
این واکنش در حضور اسیدسولفوریک 2% صورت می گیرد.
محلولهای الکلی که از تخمیر بدست می آید، از نظر مقدار الکل تفاوت دارند. در شرابها ، 10% و در آبجو 6% و در عرق بیش از 30% تا 50% است. در تخمیر الکلی لازم است که یکی از از فسفات ها در محیط عمل باشد تا تخمیر الکلی به آسانی و بسادگی انجام گیرد. بر حسب موادی که در محیط عمل وجود داشته باشند، مواد گوناگونی بدست می آید که سودمندترین آنها تبدیل گلوکز به گلسیرین است. مثلا در مجاورت بی سولفیت سدیم یا سولفیت هیدروژن سدیم به فرمول NaHSO3 معادله واکنش تخمیر گلوکز چنین است:
گلیسیرین + استالدئید + دی اکسید کربن <——- گلوکز (قند انگور)
C6H12O6 → CH3CHO + C3H5(OH)3 +CO2
تهیه الکل از شراب
نخستین بار ابوبکر محمدبن زکریا رازی از تقطیر شراب در قرع و انبیق ، الکل را بدست آورد. در فرانسه اغلب الکل را از شراب بدست می آورند. علاوه بر این روش ، مقدار زیادی الکل صنعتی و نوشابه الکلی را از راه تخمیر بدست می آورند. عمل تخمیر بر روی هگزوزها (قند شش کربن دار) انجام می گیرد، ولی چون در این قندها ماده اولیه گرانبها است، اغلب از چند قندیها (پلی ساکاریدها) مانند نشاسته ، سلولز و … به عنوان ماده اولیه بهره می گیرند. از دی ساکاریدها مانند ملاس کارخانه های قند و… هم به عنوان ماده اولیه می توان برای تهیه اتیل الکل بهره گرفت.
تهیه الکل از ساکاروز یا قند معمولی
ساکارز را آنزیمی به نام انورتاز (invertase) یا انورتین (invertine) هیدرولیز (آبکافت) می کند و به گلوکز و لولز تبدیل می نماید.
لولز + گلوکز <—— آب + ساکاروز
C6H12O6 + H2O → C6H12O6 + C6H12O6
این دو واکنش در حضور انورتاز انجام میگیرد.
C6H12O6 → 2C2H5OH + CO2
این واکنش در حضور انورتاز انجام میگیرد.
تهیه الکل از راه سنتز
تهیه الکل از اتیلن
نخستین بار برتلو (Berthelot) شیمیدان فرانسوی ، الکل را از اثر آب بر اتیلن به کمک اسید سولفوریک بدست آورد.
سولفات هیدروژن اتیل <—— اسید سولفوریک + اتیلن
C2H4 → C2H5HSO4
الکل + اسیدسولفوریک <—– آب + سولفات هیدروژن اتیل
C2H5HSO4 + H2 → H2SO4 + C2H5OH
تهیه الکل از استیلن
الکل را بیشتر در صنعت از اثر احیا کردن (هیدروژن افزایی) استالدئید بدست می آورند. برای تهیه استالدئید از استیلن بهره می گیرند:
استالدئید <—– آب + استیلن
در این واکنش از یون جیوه (II) استفاده شده است.
C2H2 + H2O → CH3CHO
الکل اتیلیک <—— هیدروژن + استالدئید
در این واکنش از نیکل احیا شده استفاده شده است.
ر علت افزایش استخراج زغال سنگ چیست؟
تشکیل زغال سنگ
میلیون ها سال پیش گیاهانی که در مرداب ها و سواحل دریاهای گرم و مرطوب به فراوانی رشد کرده بودند، در زیر آب قرار گرفتند. پاره ای از گیاهان نیز توسط سیلاب ها و رودها کنده شده و به دریا رسیدند در زیر لایه هایی از شن و لای مدفون شدند.
با گذشت زمان و فعالیت بعضی از باکتری ها، این گیاهان شروع به تجزیه شدن کردند و بعضی از عناصر تشکیل دهنده ی آنها مانند اکسیژن و هیدروژن از آن خارج شده و درصد کربن آن ها اضافه شد.
پس از مدتی گیاهان به زغال سنگ تبدیل گشتند. با عمل رسوب گذاری ، لایه های بیشتری روی زغال های نارس را می پوشاند و سنگینی این لایه ها و گرمای مناطق عمیق زمین ناخالصی های بیشتری را از زغال خارج کرده و رفته رفته به درصد کربن آن اضافه شد. در این مراحل زغال نارس ابتدا به زغال سنگ قهوه ای و سپس به انواع دیگر زغال تبدیل می شود.
زغال سنگ های خوب را برای تهیه زغال کک بکار می برند. زغال کک در صنایع فولاد برای جداسازی ناخالصی های سنگ آهک مورد استفاده قرار می گیرد.
12