نکات خط به خط فصل سوم شیمی یازدهم: پوشاک، نیازی پایان ناپذیر

فصل سوم کتاب شیمی یازدهم با عنوان «پوشاک، نیازی پایان ناپذیر» یکی از کاربردی ترین و در عین حال چالش برانگیزترین فصل های شیمی متوسطه است که مستقیماً با زندگی روزمره ما ارتباط دارد. هر بار که لباسی به تن می کنیم، در واقع با مجموعه ای از مولکول های بزرگ و کوچک سروکار داریم که از الیاف طبیعی یا مصنوعی ساخته شده اند. این فصل از دیدگاه امتحان نهایی و کنکور سراسری اهمیت بسیار بالایی دارد و مباحثی مانند طبقه بندی الیاف، ساختار درشت مولکول ها، انواع واکنش های پلیمری شدن، خانواده الکل ها، اسیدهای کربوکسیلیک، استرها، آمین ها و پلی آمیدها را پوشش می دهد. در این مقاله تمام نکات خط به خط این فصل را به صورت ساختاریافته، مفهومی و کنکوری بررسی می کنیم تا هم برای امتحان نهایی و هم برای تست زنی کنکور آماده شوید.

پوشاک و جایگاه آن در زندگی انسان

پوشاک یکی از سه نیاز اساسی انسان در کنار غذا و مسکن است. از دوران باستان تا امروز، انسان ها همواره به دنبال موادی بوده اند که بتوانند از آن ها پارچه و لباس تولید کنند. در گذشته تنها از الیاف طبیعی مانند پنبه، پشم و ابریشم استفاده می شد، اما با پیشرفت علم شیمی و صنعت پتروشیمی، امروزه بخش بسیار بزرگی از پوشاک جهان از الیاف مصنوعی ساخته می شود. انتخاب نوع الیاف در یک لباس، تأثیر مستقیمی بر راحتی، دوام، قیمت و حتی سلامت پوست دارد.

الیاف چیست و چگونه طبقه بندی می شود

الیاف مواد رشته مانند و باریکی هستند که طول آن ها نسبت به قطرشان بسیار بیشتر است و قابلیت تابیده شدن و بافته شدن دارند. از نظر منشاء، الیاف به دو دسته اصلی تقسیم می شوند:

الیاف طبیعی

الیاف طبیعی به موادی گفته می شود که بدون دخالت شیمیایی انسان در طبیعت تشکیل می شوند. این الیاف خود به سه زیر گروه مهم تقسیم می شوند:

• الیاف گیاهی: مانند پنبه که تقریباً از سلولز خالص تشکیل شده است. سلولز یک پلیمر طبیعی است که از واحدهای تکرارشونده گلوکز ساخته شده و دارای گروه های هیدروکسیل فراوان است. پنبه در تولید لباس، رویه مبل، پرده، تور ماهیگیری و گاز استریل کاربرد دارد.
• الیاف حیوانی: مانند پشم گوسفند و ابریشم کرم. پشم از پروتئینی به نام کراتین ساخته شده و دارای ساختار مارپیچی است که خاصیت عایق گرمایی دارد. ابریشم نیز از پروتئین فیبروئین تشکیل شده و مقاومت کششی بالایی دارد.
• الیاف معدنی: مانند پنبه نسوز (آزبست) که البته به دلیل خطرات سلامتی امروزه کمتر استفاده می شود.

الیاف ساختگی (مصنوعی)

الیاف ساختگی موادی هستند که در طبیعت یافت نمی شوند و در کارخانه های پتروشیمی از طریق واکنش های شیمیایی بین مولکول های کوچک (مونومر) تولید می شوند. این الیاف معمولاً از پلیمرهای مصنوعی ساخته می شوند و ویژگی های بارزی مانند دوام بالا، مقاومت در برابر مواد شیمیایی، چروک پذیری کم و قیمت پایین تر دارند. مهم ترین الیاف مصنوعی عبارتند از:

• پلی استر: رایج ترین الیاف مصنوعی که از واکنش دی اسید و دی الکل تولید می شود.
• نایلون: نوعی پلی آمید با مقاومت کششی بسیار بالا.
• اکریلیک: جایگزین سبک و گرم برای پشم.
• لیکرا (اسپندکس): الیافی با خاصیت کشسانی بالا.
• کولار: پلی آمیدی بسیار محکم که در تولید جلیقه ضد گلوله و قطعات هواپیما کاربرد دارد.

درشت مولکول ها و پلیمرها

درشت مولکول یا پلیمر، مولکولی بسیار بزرگ است که از اتصال تعداد زیادی مولکول کوچک تر به نام مونومر تشکیل شده است. جرم مولی پلیمرها معمولاً از چند هزار تا چند میلیون گرم بر مول متغیر است. واکنشی که طی آن مونومرها به یکدیگر متصل می شوند و پلیمر را می سازند، واکنش پلیمری شدن یا بسپارش نام دارد.

پلیمری شدن افزایشی

در این نوع واکنش، مونومرها دارای حداقل یک پیوند دوگانه کربن کربن هستند. طی واکنش، پیوند دوگانه شکسته شده و مونومرها از طریق پیوندهای یگانه به یکدیگر متصل می شوند. مهم ترین ویژگی این واکنش این است که هیچ مولکول کوچک دیگری (مانند آب) در طی واکنش تولید نمی شود و جرم پلیمر نهایی دقیقاً برابر با مجموع جرم مونومرهای مصرفی است.

مثال های مهم پلیمرهای افزایشی:

• پلی اتن (پلی اتیلن): از پلیمری شدن اتن (اتیلن) به دست می آید و در تولید کیسه پلاستیکی، لوله، ظرف و اسباب بازی کاربرد دارد.
• پلی پروپن (پلی پروپیلن): از پلیمری شدن پروپن تولید می شود و در تولید قطعات خودرو، الیاف فرش و ظروف مقاوم به حرارت استفاده می شود.
• پلی وینیل کلرید (PVC): از پلیمری شدن وینیل کلرید تولید می شود و در ساخت لوله آب، کف پوش و سیم و کابل کاربرد دارد.
• پلی استایرن: از پلیمری شدن استایرن به دست می آید و در تولید ظروف یک بار مصرف و عایق حرارتی استفاده می شود.
• پلی تترا فلوئورو اتن (تفلون): پلیمری با مقاومت شیمیایی و حرارتی بسیار بالا که در تولید ظروف نچسب و قطعات صنعتی کاربرد دارد.

پلیمری شدن تراکمی

در این نوع واکنش، دو مونومر مختلف (یا یک مونومر دارای دو گروه عاملی) با یکدیگر واکنش می دهند و ضمن اتصال به هم، یک مولکول کوچک مانند آب را آزاد می کنند. به همین دلیل به آن تراکمی می گویند. پلیمرهای تراکمی معمولاً در ساختار خود پیوندهای استری یا آمیدی دارند و در شرایط خاص می توانند دوباره به مونومرهای اولیه تجزیه شوند (آبکافت).

دو خانواده مهم پلیمرهای تراکمی عبارتند از:

• پلی استرها: از واکنش دی اسید با دی الکل تولید می شوند.
• پلی آمیدها: از واکنش دی اسید با دی آمین تولید می شوند.

خانواده الکل ها

الکل ها ترکیبات آلی هستند که دارای یک یا چند گروه عاملی هیدروکسیل (OH) متصل به اتم کربن اشباع شده می باشند. فرمول عمومی الکل های تک عاملی R OH است که در آن R نشان دهنده بخش هیدروکربنی ناقطبی است.

خواص فیزیکی مهم الکل ها:

• الکل های دارای یک تا سه اتم کربن (مانند متانول، اتانول، پروپانول) به هر نسبت در آب محلول هستند، زیرا گروه هیدروکسیل قطبی آن ها می تواند با مولکول های آب پیوند هیدروژنی قوی برقرار کند.
• با افزایش طول زنجیر کربنی (بخش ناقطبی)، قطبیت کلی مولکول کاهش یافته و حلالیت در آب کم می شود.
• نقطه جوش الکل ها به دلیل وجود پیوند هیدروژنی بین مولکولی، به طور قابل توجهی بالاتر از آلکان های هم جرم آن هاست.

کاربردهای مهم الکل ها شامل استفاده به عنوان حلال، ضدعفونی کننده، سوخت و ماده اولیه در تولید استرها و پلی استرهاست.

اسیدهای کربوکسیلیک

اسیدهای کربوکسیلیک ترکیبات آلی هستند که دارای گروه عاملی کربوکسیل (COOH) می باشند. فرمول عمومی این خانواده R COOH است. این اسیدها در طبیعت به وفور یافت می شوند؛ برای مثال اسید اتانوئیک (استیک اسید) در سرکه، اسید متانوئیک در نیش مورچه، اسید بوتانوئیک در کره مانده و بسیاری از اسیدهای میوه ای در میوه ها وجود دارند.

خواص مهم اسیدهای کربوکسیلیک:

• مزه ترش دارند (ویژگی مشترک همه اسیدها).
• مانند الکل ها، با افزایش طول زنجیر کربنی، حلالیت آن ها در آب کاهش می یابد.
• اسیدهای دارای یک تا چهار اتم کربن کاملاً در آب محلول هستند.
• نقطه جوش بالاتری از الکل های هم جرم خود دارند، زیرا می توانند پیوند هیدروژنی قوی تری تشکیل دهند.
• خاصیت اسیدی ضعیف دارند و در آب به صورت جزئی یونیزه می شوند.

واکنش استری شدن

وقتی یک اسید کربوکسیلیک با یک الکل در حضور یک کاتالیزور اسیدی واکنش می دهد، ترکیبی به نام استر و یک مولکول آب تولید می شود. این واکنش را استری شدن یا استریفیکاسیون می نامند. گروه عاملی استر به صورت COO C در ساختار مولکول قرار دارد.

نکات مهم درباره واکنش استری شدن:

• این واکنش برگشت پذیر است و در حالت تعادل قرار می گیرد.
• محصول جانبی این واکنش، مولکول آب است.
• استرها معمولاً بوی مطبوع و میوه ای دارند و در صنایع غذایی و عطرسازی کاربرد فراوانی دارند.
• نام گذاری استر به این صورت است که ابتدا نام بخش الکلی (با پسوند ایل) و سپس نام بخش اسیدی (با پسوند اآت) آورده می شود.

مثال: واکنش اتانول با اتانوئیک اسید، اتیل اتانوآت (اتیل استات) و آب تولید می کند.

پلی استرها و کاربرد آن ها

اگر به جای یک اسید تک عاملی و یک الکل تک عاملی، از یک دی اسید (اسیدی با دو گروه کربوکسیل) و یک دی الکل (الکلی با دو گروه هیدروکسیل) استفاده کنیم، واکنش استری شدن به صورت زنجیره ای ادامه یافته و یک پلیمر تراکمی به نام پلی استر تولید می شود. در این فرآیند به ازای هر پیوند استری تشکیل شده، یک مولکول آب آزاد می شود.

پلی استرها در صنعت نساجی برای تولید الیاف لباس، در صنعت بسته بندی برای تولید بطری های نوشابه، و در تولید فیلم های عکاسی و رزین ها کاربرد دارند. یکی از پلی استرهای مهم و تخریب پذیر، پلی لاکتیک اسید (PLA) است که از منابع گیاهی مانند نشاسته ذرت تولید می شود و در ساخت ظروف یک بار مصرف دوستدار محیط زیست، کیسه زباله تجزیه پذیر و حتی در کاربردهای پزشکی مانند بخیه های جذب شونده استفاده می شود.

آمین ها

آمین ها ترکیبات آلی مشتق شده از آمونیاک (NH3) هستند که در آن ها یک یا چند اتم هیدروژن با گروه های آلکیل جایگزین شده است. بر اساس تعداد گروه های آلکیل متصل به اتم نیتروژن، آمین ها به سه دسته اولیه (یک گروه آلکیل)، ثانویه (دو گروه آلکیل) و ثالثیه (سه گروه آلکیل) تقسیم می شوند. آمین ها خاصیت بازی ضعیف دارند و بوی مشابه آمونیاک یا ماهی می دهند.

آمیدها و پلی آمیدها

وقتی یک اسید کربوکسیلیک با یک آمین واکنش می دهد، ترکیبی به نام آمید و یک مولکول آب تولید می شود. گروه عاملی آمید به صورت CONH در ساختار مولکول قرار دارد. این واکنش را آمیدی شدن می نامند.

اگر از یک دی اسید و یک دی آمین استفاده کنیم، واکنش به صورت زنجیره ای ادامه یافته و پلی آمید تولید می شود. دو نمونه بسیار مهم پلی آمیدها عبارتند از:

• نایلون 66: از واکنش هگزان دیوئیک اسید (دی اسید شش کربنه) با هگزان دی آمین (دی آمین شش کربنه) تولید می شود. نایلون در تولید جوراب، طناب، چرخ دنده، برس و قطعات صنعتی کاربرد دارد.
• کولار: پلی آمیدی آروماتیک با مقاومت کششی بسیار بالا که پنج برابر فولاد هم جرم خود استحکام دارد. کولار در تولید جلیقه ضد گلوله، کلاه ایمنی، لاستیک هواپیما و قطعات فضایی استفاده می شود.

آبکافت پلیمرهای تراکمی

پلیمرهای تراکمی مانند پلی استرها و پلی آمیدها در مجاورت آب و در شرایط اسیدی یا بازی می توانند دوباره به مونومرهای اولیه خود تجزیه شوند. این واکنش را آبکافت یا هیدرولیز می نامند. این ویژگی باعث می شود که این پلیمرها در محیط زیست قابل تجزیه باشند و یا بتوان آن ها را بازیافت کرد.

جمع بندی نکات کلیدی فصل سوم

سوالات متداول درباره فصل سوم شیمی یازدهم

تفاوت اصلی پلیمر افزایشی و تراکمی چیست

در پلیمری شدن افزایشی، مونومرها دارای پیوند دوگانه هستند و هیچ مولکول کوچک دیگری تولید نمی شود، در حالی که در پلیمری شدن تراکمی، مونومرها دارای دو گروه عاملی هستند و ضمن اتصال به یکدیگر، مولکول کوچکی مانند آب آزاد می کنند.

چرا الکل های کوتاه زنجیر در آب محلول هستند

زیرا بخش قطبی مولکول (گروه هیدروکسیل) نسبت به بخش ناقطبی (زنجیر کربنی) بزرگ تر است و می تواند با مولکول های آب پیوند هیدروژنی قوی برقرار کند. با افزایش طول زنجیر کربنی، بخش ناقطبی غالب شده و حلالیت کاهش می یابد.

کولار چه نوع پلیمری است و چه کاربردی دارد

کولار یک پلی آمید آروماتیک است که از واکنش دی اسید آروماتیک با دی آمین آروماتیک تولید می شود. این پلیمر به دلیل استحکام کششی بسیار بالا و وزن کم، در تولید جلیقه ضد گلوله، کلاه ایمنی، قایق های تندرو و قطعات هواپیما استفاده می شود.

چگونه می توان پلیمرهای تراکمی را بازیافت کرد

با انجام واکنش آبکافت در شرایط اسیدی یا بازی، پلیمرهای تراکمی مانند پلی استر و پلی آمید به مونومرهای اولیه خود (دی اسید و دی الکل یا دی اسید و دی آمین) تجزیه می شوند و می توان دوباره از آن ها برای تولید پلیمر استفاده کرد.

پلی لاکتیک اسید چه ویژگی خاصی دارد

پلی لاکتیک اسید یک پلی استر تخریب پذیر است که از منابع تجدیدپذیر گیاهی مانند نشاسته ذرت تولید می شود. این پلیمر در محیط زیست به سرعت تجزیه شده و به همین دلیل در تولید ظروف یک بار مصرف دوستدار محیط زیست، کیسه های زباله تجزیه پذیر و بخیه های پزشکی جذب شونده کاربرد دارد.