خلاصه درس فصل ۳ علوم نهم؛ درسنامه و نکات مهم

چرخه؛ تغییرهایی که تکرار می‌شوند

باران می‌بارد و آب روی زمین جمع می‌شود. آیا سفر آب همین‌جا تمام شده است؟ نه! بخشی از این آب دوباره بخار می‌شود، در تشکیل ابرها شرکت می‌کند و با بارش به زمین برمی‌گردد. این همان چرخهٔ آب است که از سال‌های قبل می‌شناسی.

چرخهٔ طبیعی، مجموعه‌ای از تغییرهاست که بارها تکرار می‌شوند. پس نباید آن را مثل مسیری تصور کنیم که یک نقطهٔ پایان دارد. هر مرحله، راه را برای ادامهٔ تغییرها باز می‌کند؛ مثلاً رسیدن آب باران به زمین، پایان چرخهٔ آب نیست.

وقتی گودال آب جلوی خانه پس از چند روز خشک می‌شود، آب آن نابود نشده است؛ بخشی از آن به صورت بخار وارد هوا شده و سفرش ادامه دارد. توجه به این رفت‌وبرگشت کمک می‌کند تغییرهای طبیعت را فقط رویدادهایی جدا از هم نبینیم.

چرخه‌ها به هم پیوسته‌اند

چرخه‌های طبیعی جدا از هم کار نمی‌کنند؛ تغییر در یکی از آن‌ها می‌تواند روی چرخه‌های دیگر هم اثر بگذارد. مثلاً اگر در منطقه‌ای بارندگی کم شود، آب کمتری به گیاهان می‌رسد. با کاهش رشد گیاهان، جانوران گیاه‌خوار هم غذای کمتری پیدا می‌کنند. پس تغییری در چرخهٔ آب می‌تواند زندگی گیاهان و جانوران را تحت تأثیر قرار دهد.

توازن چرخه‌ها یعنی این فرایندهای به‌هم‌پیوسته طوری پیش بروند که شرایط مناسب زندگی جانداران حفظ شود. مصرف بی‌رویهٔ منابع، مانند برداشت بیش از اندازهٔ آب، می‌تواند این توازن را برهم بزند؛ اثر آن هم فقط به آب محدود نمی‌ماند.

برای همین، صرفه‌جویی در مصرف منابع فقط حفظ یک منبع نیست؛ به حفظ شرایط زندگی جانداران هم کمک می‌کند.

سفر کربن در طبیعت

کربن فقط در هوا نیست؛ در آب، خاک، سنگ‌ها و بدن جانداران هم وجود دارد. چرخهٔ کربن یعنی جابه‌جایی کربن میان این بخش‌ها. در این سفر، کربن می‌تواند وارد ترکیب‌های گوناگون شود.

یک گلدان کنار پنجره را تصور کن. گیاه هنگام فتوسنتز، کربن‌دی‌اکسید را از هوا می‌گیرد و با کمک نور، مواد غذایی کربن‌دار می‌سازد. پس فتوسنتز کربن‌دی‌اکسید را مصرف می‌کند و کربنِ آن وارد بدن گیاه می‌شود. وقتی جانوری گیاه را می‌خورد، بخشی از این کربن به بدن جانور منتقل می‌شود.

در مقابل، گیاهان و جانوران هنگام تنفس کربن‌دی‌اکسید تولید می‌کنند و آن را به محیط برمی‌گردانند. حواست باشد: گیاه هم تنفس می‌کند؛ فتوسنتز و تنفس دو فرایند متفاوت‌اند. به این ترتیب، کربن در یک جا نمی‌ماند و سفرش در طبیعت ادامه پیدا می‌کند.

کربن ثابت، سهم هوا متغیر

فرض کن تعدادی مهره میان چند ظرف تقسیم کرده‌ای. اگر مهره‌ها را از یک ظرف به ظرف دیگر بریزی، تعداد کل آن‌ها تغییر نمی‌کند؛ اما سهم هر ظرف عوض می‌شود. دربارهٔ کربن زمین هم می‌توان همین‌طور فکر کرد: ثابت‌ماندن مقدار کل کربن، به معنی ثابت‌ماندن مقدار آن در هوا نیست.

سوخت‌های فسیلی، مانند نفت و زغال‌سنگ، کربن ذخیره‌شده دارند. وقتی این سوخت‌ها را می‌سوزانیم، بخشی از کربن آن‌ها به شکل کربن‌دی‌اکسید وارد هوا می‌شود. مثلاً خودروی بنزینی هنگام مصرف سوخت، کربن ذخیره‌شده در سوخت را به هوا منتقل می‌کند؛ کربن تازه‌ای نمی‌سازد.

اگر ورود کربن‌دی‌اکسید به هوا از خارج‌شدن آن بیشتر باشد، مقدار این گاز در هوا افزایش می‌یابد. این افزایش می‌تواند با گرم‌ترشدن زمین، بر چرخهٔ آب و زندگی جانداران هم اثر بگذارد. پس برای حفظ توازن، فقط مقدار کل کربن مهم نیست؛ محل ذخیره‌شدن و میزان جابه‌جایی آن هم اهمیت دارد.

کربن در گردش

کربن همیشه در هوا نمی‌ماند؛ میان هوا، آب، خاک و جانداران جابه‌جا می‌شود. به این رفت‌وآمد، چرخهٔ کربن می‌گوییم. برای دنبال‌کردن این چرخه، یک گیاه را در باغچه تصور کن.

گیاه هنگام فتوسنتز، کربن‌دی‌اکسید هوا را می‌گیرد و با کمک نور، مواد غذایی کربن‌دار می‌سازد. پس در فتوسنتز، کربن‌دی‌اکسید مصرف می‌شود؛ اما کربن آن ناپدید نمی‌شود، بلکه وارد مواد سازندهٔ گیاه می‌شود. وقتی جانوری گیاه را می‌خورد، بخشی از این کربن به بدن جانور می‌رود.

در تنفس گیاهان و جانوران، کربن‌دی‌اکسید تولید می‌شود و به محیط برمی‌گردد. پس گیاه هم فتوسنتز می‌کند و هم تنفس؛ این دو فرایند را نباید یکی دانست.

نکتهٔ مهم این است: ثابت‌ماندن مقدار کل کربن، به معنی ثابت‌ماندن مقدار آن در هر بخش نیست. درست مثل جابه‌جاکردن مهره‌ها میان چند ظرف؛ تعداد کل مهره‌ها ثابت است، ولی سهم هر ظرف می‌تواند تغییر کند.

ذخیرهٔ آهسته، آزادسازی سریع

تصور کن پر شدن یک صندوق پس‌انداز میلیون‌ها سال طول بکشد، اما بتوان ذخیره‌اش را خیلی سریع خرج کرد! ماجرای سوخت‌های فسیلی هم شبیه همین است. زغال‌سنگ، نفت خام و گاز طبیعی طی فرایندهایی بسیار آهسته و در طول میلیون‌ها سال تشکیل می‌شوند و کربن را در خود ذخیره می‌کنند.

وقتی بنزین در موتور خودرو یا گاز طبیعی در بخاری می‌سوزد، کربنِ سوخت به شکل کربن‌دی‌اکسید، $\mathrm{CO_2}$، وارد هوا می‌شود. پس سوختن، کربن تازه‌ای به وجود نمی‌آورد؛ جای کربن را تغییر می‌دهد: از ذخیره‌های سوخت فسیلی به هواکره.

نکتهٔ مهم، تفاوت سرعت‌هاست: ذخیره‌شدن این کربن بسیار آهسته بوده، اما ما آن را با مصرف سوخت‌ها سریع آزاد می‌کنیم. اگر ورود کربن‌دی‌اکسید به هوا از خارج‌شدن آن بیشتر باشد، مقدارش در هوا افزایش می‌یابد و تعادل چرخه بر هم می‌خورد؛ با اینکه مقدار کل کربن ثابت مانده است.

پیامدهای تغییر چرخه

تغییر مقدار کربن‌دی‌اکسید هوا فقط یک تغییر در هواکره نیست؛ اثر آن می‌تواند به بخش‌های دیگر طبیعت هم برسد. افزایش بیش از اندازهٔ کربن‌دی‌اکسید باعث می‌شود گرمای بیشتری در اطراف زمین بماند و میانگین دمای زمین بالا برود. این به معنی گرم‌تر شدن همهٔ روزها و همهٔ جاها به یک اندازه نیست.

با گرم‌تر شدن زمین، یخ‌های قطبی بیشتر ذوب می‌شوند و الگوی فصل‌ها تغییر می‌کند؛ مثلاً زمان آغاز یا طول دوره‌های گرم و سرد ممکن است عوض شود. برای درک اهمیت این تغییر، باغی را تصور کن که زمان گل‌دادن درختانش به شرایط دمایی فصل وابسته است؛ تغییر این شرایط می‌تواند زمان گل‌دادن را هم جابه‌جا کند.

پس این زنجیره را به خاطر بسپار: کربن‌دی‌اکسید بیشتر در هوا ← افزایش دمای زمین ← ذوب یخ‌ها و تغییر الگوی فصل‌ها. به این ترتیب، تغییر چرخهٔ کربن می‌تواند بر آب، یخ و زندگی جانداران نیز اثر بگذارد.

سوختی با پیامدهای جهانی

وقتی خودرویی بنزین می‌سوزاند، ما فقط حرکت آن را می‌بینیم؛ اما اثر سوختن به همان خیابان محدود نمی‌شود!

زغال‌سنگ، نفت خام و گاز طبیعی سوخت‌های فسیلی هستند. تشکیل آن‌ها میلیون‌ها سال طول می‌کشد و همگی کربن دارند. هنگام سوختن این سوخت‌ها، کربن‌دی‌اکسید با فرمول $\mathrm{CO_2}$ وارد هواکره می‌شود.

اگر مقدار این گاز در هواکره بیش از اندازه افزایش یابد، به بالارفتن دمای زمین کمک می‌کند. گرم‌شدن زمین نیز می‌تواند باعث ذوب‌شدن یخ‌های قطبی و تغییرات چشمگیر در فصل‌ها شود. پس پیامد مصرف سوخت، فقط تمام‌شدن آن نیست؛ محیط زندگی ما هم تحت تأثیر قرار می‌گیرد.

برای نمونه، وقتی مسیر کوتاهی را به‌جای خودروی شخصی پیاده می‌رویم، نیاز به سوزاندن سوخت را کمتر می‌کنیم؛ در نتیجه کربن‌دی‌اکسید کمتری از این راه تولید می‌شود.

ردپای نفت در زندگی

وقتی نام نفت را می‌شنوی، فقط به بنزین خودرو فکر می‌کنی؟ نقش نفت خام بسیار گسترده‌تر از تأمین سوخت است. نفت خام مایعی غلیظ و سیاه‌رنگ است که انسان در آغاز، چندان به استفاده از آن علاقه نداشت؛ اما با شناخت کاربردهایش، زندگی انسان‌ها تغییر کرد.

استفاده از نفت به گسترش خودروها و هواپیماها کمک کرد و سفرها آسان‌تر شد. اثر آن به جاده و فرودگاه محدود نماند؛ صنایع غذایی، دارویی، بهداشتی و کشاورزی هم رشد کردند. پیشرفت این صنایع به بهترشدن سلامت عمومی و گسترش فناوری‌ها کمک کرد.

برای پیدا کردن ردپای نفت، به یک درمانگاه فکر کن: خودرو برای رساندن بیمار به سوخت نیاز دارد، اما بسیاری از وسایل پلاستیکیِ مصرفی درمانگاه نیز از مواد اولیهٔ نفتی ساخته می‌شوند. پس نفت هم در جابه‌جایی نقش دارد و هم در ساخت فراورده‌های مورد نیاز زندگی.

بسوزانیم یا بسازیم؟

نفت خام هم منبع انرژی است و هم مادهٔ اولیه برای ساخت فراورده‌های سودمند؛ اما سهم این دو کاربرد برابر نیست. به‌طور میانگین در جهان، $\frac{4}{5}$ نفت مصرفی برای تأمین انرژی سوزانده می‌شود و فقط $\frac{1}{5}$ آن به ساخت فراورده‌های تازه اختصاص می‌یابد.

برای تجسم این تفاوت، نفت مصرفی جهان را به پنج سهم برابر تقسیم کن: چهار سهم برای انرژیِ بخش‌هایی مانند حمل‌ونقل، خانه‌ها و نیروگاه‌ها مصرف می‌شود و یک سهم برای ساخت فراورده‌ها باقی می‌ماند. پس نفت را فقط برای حرکت خودروها نمی‌سوزانند.

چرا هنوز سهم سوخت بیشتر است؟ دسترسی آسان به نفت و افزایش نیاز به انرژی بر اثر رشد جمعیت، از علت‌های آن است. تشبیه سوزاندن نفت به سوزاندن اسکناس هم بر ارزش نفت برای ساخت مواد سودمند تأکید دارد؛ نه اینکه نفت و اسکناس کاربرد یکسانی داشته باشند!

درون نفت خام

نفت خام از دور یک مایع یکدست به نظر می‌رسد؛ اما یک مادهٔ خالص نیست. درون آن صدها ترکیب متفاوت به نام هیدروکربن وجود دارد. همراه نفت خام مقداری آب، نمک و گوگرد هم یافت می‌شود؛ پس نباید هرچه در نفت خام هست را هیدروکربن بدانیم.

مولکول هر هیدروکربن فقط از دو نوع اتم ساخته شده است: کربن و هیدروژن. این اتم‌ها با پیوند اشتراکی به هم متصل‌اند؛ یعنی در این پیوند، اتم‌ها الکترون‌هایی را با هم به اشتراک می‌گذارند.

برای نمونه، متان ساده‌ترین هیدروکربن است و فرمول آن $\mathrm{CH_4}$ است. در هر مولکول متان، یک اتم کربن به چهار اتم هیدروژن پیوند دارد. پس هیدروکربن نام یک مادهٔ مشخص نیست؛ نام خانواده‌ای از ترکیب‌هاست که اعضای آن فقط کربن و هیدروژن دارند.

مولکول بزرگ‌تر، جوش بالاتر

چرا بعضی هیدروکربن‌ها زودتر از بقیه می‌جوشند؟ یکی از سرنخ‌ها تعداد اتم‌های مولکول است. نقطهٔ جوش یعنی دمایی که مایع در آن شروع به جوشیدن می‌کند.

چهار هیدروکربن جدول کتاب را به‌ترتیب مقایسه کن:

• متان، $\mathrm{CH_4}$: نقطهٔ جوش $-168\,^{\circ}\mathrm{C}$
• بوتان، $\mathrm{C_4H_{10}}$: نقطهٔ جوش $-0.5\,^{\circ}\mathrm{C}$
• اوکتان، $\mathrm{C_8H_{18}}$: نقطهٔ جوش $125\,^{\circ}\mathrm{C}$
• ایکوزان، $\mathrm{C_{20}H_{42}}$: نقطهٔ جوش $343\,^{\circ}\mathrm{C}$

در این نمونه‌ها، هرچه تعداد اتم‌های کربن و هیدروژن بیشتر می‌شود، نقطهٔ جوش هم بالاتر می‌رود. مثلاً اوکتان نسبت به بوتان مولکول بزرگ‌تری دارد و در دمای بالاتری می‌جوشد.

یک نمونهٔ روزمره، کپسول بوتانِ اجاق سفری است: بوتان در فشار معمول و دمای اتاق گاز است، چون دمای اتاق از نقطهٔ جوش آن بالاتر است؛ اما در کپسول، با فشار به حالت مایع نگه داشته می‌شود. پس پایین‌بودن نقطهٔ جوش به معنی سردبودن همیشگی ماده نیست!

نفت خام؛ یک مخلوط

وقتی به نفت خام نگاه می‌کنی، شاید فکر کنی چون یک نام دارد، پس یک مادهٔ خالص است. اما ظاهر یک ماده و نام آن برای چنین نتیجه‌ای کافی نیست!

نفت خام مخلوطی از صدها ترکیب گوناگون به نام هیدروکربن است. یعنی درون آن فقط یک نوع ماده وجود ندارد. افزون بر این، مقداری آب، نمک و گوگرد هم همراه نفت خام یافت می‌شود.

برای مقایسه، به یک لیوان آب‌نمک فکر کن: با اینکه ممکن است ظاهرش یکنواخت باشد، هم آب دارد و هم نمک؛ پس مخلوط است. نفت خام هم با وجود ظاهرش، از مواد گوناگونی تشکیل شده است.

پس نکتهٔ اصلی این است: «نفت خام» نام یک مخلوط است، نه نام یک مادهٔ خالص.

درون مولکول‌های هیدروکربن

اسم «هیدروکربن» سرنخ خوبی به ما می‌دهد: هر مولکول آن فقط از اتم‌های کربن و هیدروژن ساخته شده است. این اتم‌ها با پیوند اشتراکی به هم متصل‌اند؛ یعنی برای تشکیل پیوند، الکترون‌ها را با یکدیگر به اشتراک می‌گذارند.

ساده‌ترین هیدروکربن، متان است؛ همان ماده‌ای که بخش اصلی گاز طبیعیِ مصرفی خانه‌ها را تشکیل می‌دهد. فرمول مولکولی آن $\mathrm{CH_4}$ است. این فرمول می‌گوید در هر مولکول متان، یک اتم کربن و چهار اتم هیدروژن وجود دارد و اتم کربن با هر چهار اتم هیدروژن پیوند دارد.

حواست باشد: وجود آب یا گوگرد در کنار هیدروکربن‌های نفت خام، به معنی حضور آن‌ها درون مولکول هیدروکربن نیست. برای شناخت هیدروکربن، باید به نوع اتم‌های داخل مولکول نگاه کنیم، نه مواد همراه آن.

کربن بیشتر، ربایش بیشتر

چرا بعضی مایع‌های نفتی راحت‌تر جاری می‌شوند، اما بعضی دیگر غلیظ‌ترند؟ برای فهمیدن این تفاوت، باید به ربایش بین مولکول‌ها توجه کنیم.

در هیدروکربن‌های بررسی‌شده، هرچه تعداد اتم‌های کربن در مولکول بیشتر باشد، مولکول‌ها یکدیگر را قوی‌تر جذب می‌کنند. هنگام جوشیدن، مولکول‌ها باید از هم فاصله بگیرند و وارد حالت گازی شوند؛ پس ربایش قوی‌تر یعنی برای جوشیدن، دمای بالاتری لازم است. مثلاً اوکتان با فرمول $\mathrm{C_8H_{18}}$ در $125\,^{\circ}\mathrm{C}$ می‌جوشد، اما دمای جوش ایکوزان با فرمول $\mathrm{C_{20}H_{42}}$ برابر با $343\,^{\circ}\mathrm{C}$ است.

ربایش بیشتر، جاری‌شدن مایع را هم دشوارتر می‌کند. اگر دو هیدروکربن مایع را در شرایط یکسان مقایسه کنیم، آن‌که کربن بیشتری دارد، معمولاً کندتر جاری می‌شود؛ شبیه تفاوتی که هنگام ریختن روغن‌های رقیق و غلیظ می‌بینی.

دقت کن: اینجا از ربایش *بین مولکول‌ها* صحبت می‌کنیم، نه پیوندهای اشتراکیِ درون هر مولکول.

جداسازی با تقطیر ساده

اگر دو هیدروکربن مایع را مخلوط کنیم، چگونه دوباره آن‌ها را جدا کنیم؟ وقتی اختلاف دمای جوش آن‌ها زیاد باشد، تقطیر ساده به کار می‌آید؛ یعنی از تفاوت دمای جوش برای جداسازی استفاده می‌کنیم، نه از واکنش شیمیایی.

فرض کن مخلوطی از $\mathrm{C_6H_{14}}$ با دمای جوش $68\,°\mathrm{C}$ و $\mathrm{C_9H_{20}}$ با دمای جوش $151\,°\mathrm{C}$ داریم. با گرم‌کردن مخلوط، هیدروکربنی که دمای جوش پایین‌تری دارد، زودتر بخار و از مخلوط جدا می‌شود. بخار وارد لوله‌ای سرد می‌شود، گرما از دست می‌دهد و دوباره به مایع تبدیل می‌شود. این مایع را در ظرف دیگری جمع می‌کنیم.

شبیه تشکیل قطره‌های آب روی درِ سرد قابلمه، اینجا هم سردشدن بخار باعث مایع‌شدن آن می‌شود. پس بخارشدن به‌تنهایی کافی نیست؛ برای جمع‌آوری مایع جداشده باید بخار را نیز سرد کنیم.

کربن بیشتر، نقطهٔ جوش بالاتر

چرا بعضی هیدروکربن‌ها برای جوشیدن به دمای بیشتری نیاز دارند؟ مولکول‌های یک مایع یکدیگر را جذب می‌کنند. برای اینکه مایع بجوشد و به بخار تبدیل شود، مولکول‌ها باید بر این نیروی ربایش بین‌مولکولی غلبه کنند. هرچه این ربایش قوی‌تر باشد، دمای بالاتری لازم است.

در هیدروکربن‌های این درس، هرچه تعداد اتم‌های کربن در مولکول بیشتر شود، ربایش بین مولکول‌ها هم بیشتر می‌شود؛ پس نقطهٔ جوش بالاتر می‌رود.

مثلاً در مقایسهٔ $\mathrm{C_6H_{14}}$ و $\mathrm{C_{10}H_{22}}$، مولکول دوم کربن بیشتری دارد؛ بنابراین انتظار داریم نقطهٔ جوش بالاتری داشته باشد. برای مقایسه، به عدد کوچک کنار نماد کربن، یعنی $\mathrm{C}$، نگاه کن؛ لازم نیست تعداد همهٔ اتم‌ها را جمع بزنی.

زنجیرهٔ یادآوری: کربن بیشتر ← ربایش بین‌مولکولی بیشتر ← نقطهٔ جوش بالاتر.

از مایع به بخار و دوباره مایع

اگر دو مایع با هم مخلوط باشند، چطور می‌توان آن‌ها را جدا کرد؟ وقتی اختلاف نقطهٔ جوششان زیاد باشد، تقطیر ساده به کار می‌آید؛ یعنی از تفاوت نقطهٔ جوش آن‌ها استفاده می‌کنیم.

مثلاً مخلوط دو هیدروکربن $\mathrm{C_6H_{14}}$ با نقطهٔ جوش $68\,^{\circ}\mathrm{C}$ و $\mathrm{C_9H_{20}}$ با نقطهٔ جوش $151\,^{\circ}\mathrm{C}$ را در نظر بگیر. با گرم‌کردن مخلوط، مایعِ دارای نقطهٔ جوش پایین‌تر زودتر بخار می‌شود. بخار وارد لوله‌ای سرد می‌شود، گرما از دست می‌دهد و دوباره به مایع تبدیل می‌شود. این مایع را در ظرفی جدا جمع می‌کنیم.

شاید قطره‌های آب روی درِ سرد قابلمه را دیده باشی؛ آنجا هم بخار با سردشدن دوباره مایع می‌شود. در دستگاه تقطیر، از همین اتفاق برای جمع‌آوری مایع جداشده استفاده می‌کنیم.

پس مسیر را به خاطر بسپار: گرم‌کردن مخلوط ← بخارشدن مایع کم‌جوش‌تر ← سردکردن بخار و جمع‌آوری مایع.

برج تقطیر و برش‌های نفتی

آیا برای جداکردن اجزای نفت خام هم می‌توان از تفاوت نقطهٔ جوش استفاده کرد؟ بله؛ در پالایشگاه این کار در دستگاهی بزرگ‌تر و پیچیده‌تر به نام برج تقطیر انجام می‌شود.

نفت خام را گرم می‌کنند؛ هیدروکربن‌ها تبخیر می‌شوند، درون برج بالا می‌روند و در بخش‌های مختلف آن جدا می‌شوند. پس اساس جداسازی، همان تفاوت نقطهٔ جوش است.

اما یک نکتهٔ مهم وجود دارد: نقطهٔ جوش بعضی از هیدروکربن‌های نفت خام بسیار به هم نزدیک است. به همین دلیل، نمی‌توان همهٔ آن‌ها را کاملاً از یکدیگر جدا کرد. این هیدروکربن‌ها با هم و به صورت یک مخلوط جدا می‌شوند؛ به هرکدام از این مخلوط‌ها برش نفتی می‌گوییم.

مثلاً اگر چند هیدروکربن در دماهای بسیار نزدیک به هم بجوشند، ممکن است در یک برش جمع‌آوری شوند. بنابراین «یک برش» به معنی «یک مادهٔ خالص» نیست؛ برش نفتی هنوز مخلوطی از چند هیدروکربن است.

نفت، فراتر از سوخت

وقتی نام نفت را می‌شنوی، شاید اول به بنزین و سوخت فکر کنی؛ اما سوزاندن، تنها کاربرد اجزای نفت نیست. دانشمندان با شناخت این مواد و ویژگی‌هایشان، کاربردهای دیگری هم برای آن‌ها پیدا کرده‌اند. پس نفت می‌تواند منبعی برای ساختن مواد موردنیاز ما باشد، نه فقط تأمین انرژی.

یکی از این مواد، اِتن یا اتیلن با فرمول $\mathrm{C_2H_4}$ است. اتن گازی بی‌رنگ است که در رسیدن میوه‌ها نقش دارد. بعضی میوه‌های رسیده، مانند موز و گوجه‌فرنگی، به‌طور طبیعی این گاز را آزاد می‌کنند. بنابراین، اتن فقط از منابع نفتی به دست نمی‌آید؛ میوه‌ها هم می‌توانند آن را تولید کنند!

اگر در خانه موز رسیده‌ای دیدی، یادت باشد که ممکن است در حال آزادکردن گازی باشد که با فرایند رسیدن میوه‌ها ارتباط دارد.

نفت، فراتر از سوخت

وقتی نام نفت را می‌شنوی، شاید اول به بنزین و سوخت فکر کنی؛ اما نفت فقط برای سوزاندن نیست. دانشمندان با شناخت مواد سازندهٔ نفت، راه‌هایی پیدا کرده‌اند تا از بعضی از آن‌ها برای ساخت فراورده‌های تازه استفاده کنند. پس نفت می‌تواند هم منبع انرژی باشد و هم منبع مواد اولیهٔ ساختن.

یکی از این مواد، اِتن یا اتیلن با فرمول $\mathrm{C_2H_4}$ است؛ گازی بی‌رنگ که فقط به صنعت مربوط نیست! بعضی میوه‌های رسیده، مانند موز و گوجه‌فرنگی، نیز به‌طور طبیعی اِتن آزاد می‌کنند. این گاز به رسیدن میوه‌ها کمک می‌کند.

اگر کنار میوه‌های رسیده، میوه‌ای نارس گذاشته باشی، ممکن است زودتر رسیدن آن را دیده باشی؛ اِتن آزادشده می‌تواند در این اتفاق نقش داشته باشد. پس یک ماده می‌تواند هم در طبیعت حضور داشته باشد و هم از مواد اولیهٔ نفتی به‌دست آید.

از گاز تا پلاستیک

چطور ممکن است از یک گاز، پلاستیکی جامد ساخته شود؟ اِتن گازی بی‌رنگ است؛ اما می‌توان با فراهم‌کردن شرایط مناسب، آن را به ماده‌ای به نام پلی‌اِتن تبدیل کرد. پلی‌اِتن نوعی پلاستیک است که برای ساخت وسایلی مثل بعضی کیسه‌های خرید به کار می‌رود.

نکتهٔ مهم این است که این اتفاق فقط تغییر حالت نیست. وقتی آب یخ می‌زند، هنوز همان آب است؛ ولی هنگام تبدیل اِتن به پلی‌اِتن، ماده‌ای تازه ساخته می‌شود. پس با یک تغییر شیمیایی روبه‌رو هستیم، نه صرفاً تبدیل گاز به جامد.

ویژگی‌های فیزیکی مادهٔ تازه هم با اِتن فرق دارد: اِتن در دمای معمولی گاز است و شکل ثابتی ندارد؛ اما پلی‌اِتن جامد است و می‌توان از آن وسیله ساخت. بنابراین، مادهٔ اولیه و فراورده لازم نیست ویژگی‌های یکسانی داشته باشند.

مولکول‌ها زنجیر می‌سازند

یک زنجیر بلند را تصور کن: هر حلقه کوچک است، اما اتصال تعداد زیادی حلقه، زنجیری بلند می‌سازد. برای فهم تشکیل پلی‌اِتن هم می‌توانیم از همین تصویر کمک بگیریم؛ با این تفاوت که مولکول‌ها با پیوندهای شیمیایی تازه به هم متصل می‌شوند، نه با قلاب‌شدن حلقه‌ها!

در مولکول اِتن، بین دو اتم کربن پیوند دوگانه وجود دارد. هنگام واکنش، این پیوند تغییر می‌کند: بخش دوگانهٔ آن باز می‌شود و پیوندهای اشتراکی جدیدی میان مولکول‌های کوچک شکل می‌گیرد. به این ترتیب، تعداد زیادی مولکول اِتن به زنجیری بلند به نام پلی‌اِتن تبدیل می‌شوند. نام این تغییر شیمیایی، بسپارشی شدن است:

$n\,\mathrm{C_2H_4}\rightarrow(\mathrm{C_2H_4})_n$

در این نمایش، $n$ نشان‌دهندهٔ تعداد زیاد مولکول‌های اِتنِ شرکت‌کننده است. پس پلی‌اِتن فقط مجموعه‌ای از مولکول‌های کنار هم نیست؛ آن‌ها با پیوندهای جدید به هم وصل شده‌اند.

مصرف ما و محیط زیست

روشن‌ماندن یک چراغ اضافی چه ارتباطی با هوای زمین دارد؟ برای تولید بخشی از برق، در نیروگاه‌ها سوخت فسیلی می‌سوزانند. پس مصرف برق ما می‌تواند به مصرف سوخت و تولید گازها مربوط باشد، حتی اگر در خانه شعله‌ای نبینیم!

سوزاندن نفت و دیگر سوخت‌های فسیلی، کربن دی‌اکسید وارد هواکره می‌کند. افزایش این گاز باعث می‌شود گرمای بیشتری در زمین بماند؛ در نتیجه، زمین گرم‌تر می‌شود و پیامدهایی مانند ذوب‌شدن یخ‌های قطبی و تغییر الگوی فصل‌ها رخ می‌دهد.

انتخاب‌های روزانهٔ ما هم سهم دارند. مثلاً برای مسیر کوتاه و امن، پیاده‌روی به‌جای رفتن با خودروی بنزینی، مصرف سوخت را کم می‌کند. خاموش‌کردن چراغ‌های اضافی نیز نیاز به تولید برق را کاهش می‌دهد. هدف، کنارگذاشتن همهٔ امکانات نیست؛ درست و به‌اندازه مصرف‌کردن است.

از اتن تا زنجیر پلی‌اتن

یک زنجیر بلند را تصور کن: حلقه‌های کوچک به هم وصل شده‌اند و یک مجموعهٔ بزرگ ساخته‌اند. تشکیل پلی‌اتن هم شبیه این است؛ تعداد زیادی مولکول کوچک اتن به هم متصل می‌شوند و زنجیری بلند می‌سازند.

اما مولکول‌ها فقط کنار هم چیده نمی‌شوند! پیوند دوگانهٔ بین دو اتم کربن در اتن باز می‌شود و با تشکیل پیوندهای اشتراکی جدید، مولکول‌های اتن به یکدیگر وصل می‌شوند. به این تغییر شیمیایی، «بسپارشی شدن» می‌گوییم:

$n\,\mathrm{C_2H_4}\rightarrow(\mathrm{C_2H_4})_n$

در این نمایش، $n$ نشان‌دهندهٔ تعداد زیادی مولکول اتن است که در ساخت زنجیر شرکت می‌کنند. پس تفاوت اصلی اتن و پلی‌اتن را این‌طور به خاطر بسپار: مولکول‌های کوچکِ جدا از هم، با پیوندهای جدید به یک زنجیر بلند تبدیل می‌شوند؛ نه اینکه فقط مثل دانه‌های شن کنار هم جمع شوند.

انرژی همراه با کربن دی‌اکسید

وقتی شعلهٔ اجاق روشن است یا خودرویی بنزین مصرف می‌کند، سوخت می‌سوزد و انرژی آزاد می‌شود. در بسیاری از صنایع هم برای فراهم‌کردن گرما و انرژی، نفت و دیگر سوخت‌های فسیلی را می‌سوزانند. اما انرژی، تنها حاصل این فرایند نیست!

سوخت‌های فسیلی کربن دارند. هنگام سوختن کامل آن‌ها، کربن با اکسیژن ترکیب می‌شود و کربن دی‌اکسید با فرمول $\mathrm{CO_2}$ تولید می‌کند. این گاز وارد هوای اطراف و سپس در هواکره پخش می‌شود؛ هواکره همان پوشش گازی پیرامون زمین است.

مثلاً خودروی بنزینی برای حرکت انرژی می‌گیرد، اما هم‌زمان کربن دی‌اکسید هم تولید می‌کند. وقتی تعداد زیادی خودرو و کارخانه سوخت مصرف کنند، مجموع گاز تولیدشده بسیار زیاد می‌شود. پس نکتهٔ اصلی این است: سوزاندن سوخت‌های فسیلی برای تأمین انرژی، مقدار کربن دی‌اکسید هواکره را افزایش می‌دهد.

پیامدهایی برای زمین

اگر میانگین دمای زمین کمی بیشتر شود، آیا فقط لازم است لباس خنک‌تری بپوشیم؟ نه؛ این تغییر می‌تواند بر یخ‌ها، فصل‌ها و زندگی جانداران هم اثر بگذارد.

کربن دی‌اکسید در نگه‌داشتن بخشی از گرما در هواکره نقش دارد. افزایش مقدار آن باعث می‌شود گرمای بیشتری باقی بماند و زمین گرم‌تر شود. یکی از پیامدهای این گرم‌شدن، ذوب‌شدن یخ‌های قطبی است. تغییر زمان و الگوی معمول فصل‌ها نیز می‌تواند زندگی جانداران و کارهایی مانند کشاورزی را با مشکل روبه‌رو کند؛ مثلاً زمان مناسب کاشت گیاهان ممکن است تغییر کند.

پس مسئله فقط گرم‌ترشدن یک روز تابستانی نیست؛ افزایش میانگین دمای زمین می‌تواند تغییرهای گسترده‌ای ایجاد کند. البته گرم‌شدن زمین به این معنی نیست که دیگر هیچ روز سردی نخواهیم داشت؛ وضعیت هوای یک روز با روند بلندمدت دمای زمین فرق دارد.

سهم مصرف روزانهٔ ما

وقتی چراغ اتاقت روشن است، در خانه سوختی نمی‌سوزد؛ اما ممکن است برای تولید برق آن، در نیروگاه سوخت فسیلی سوزانده باشند. پس مصرف برق ما می‌تواند غیرمستقیم باعث تولید کربن دی‌اکسید شود.

برای برآورد این مقدار، دو چیز را باید بدانیم: چقدر برق مصرف کرده‌ایم و برق از چه منبعی تولید شده است؟ طبق جدول کتاب، مقدار کربن دی‌اکسید را این‌طور حساب می‌کنیم:

$\text{جرم کربن دی‌اکسید}=\text{برق مصرفی}\times\text{ضریب منبع تولید برق}$

برق مصرفی برحسب $\mathrm{kWh}$ و جرم کربن دی‌اکسید برحسب $\mathrm{kg}$ است. ضریب زغال‌سنگ $0.9$، نفت خام $0.7$ و باد $0.01$ است؛ این ضریب‌ها واحد $\mathrm{kg/kWh}$ دارند. بنابراین، برای مصرف برق یکسان، منبع تولید برق تفاوت زیادی ایجاد می‌کند؛ حتی مقدار مربوط به باد در این جدول صفر نیست.

مثلاً خاموش‌کردن چراغ اضافی، مصرف برق را کم می‌کند و اگر برق از سوخت فسیلی تأمین شود، کربن دی‌اکسید کمتری هم تولید می‌شود.

ماندگاری؛ مزیت و دردسر

به وسایل اطرافت نگاه کن: بدنهٔ خودکار، کیسهٔ خرید و بخش‌هایی از گوشی از پلاستیک ساخته شده‌اند. چرا پلاستیک این‌قدر در زندگی ما جا باز کرده است؟ پلاستیک‌های تهیه‌شده از نفت معمولاً ارزان، محکم و بادوام‌اند؛ پس برای ساخت بسیاری از وسایل کاربرد دارند.

اما همین دوام زیاد دو روی متفاوت دارد. وقتی از یک صندلی پلاستیکی بارها استفاده می‌کنیم، عمر طولانی آن مزیت است؛ لازم نیست زود جایگزینش کنیم. ولی وقتی یک کیسهٔ پلاستیکی را پس از استفاده‌ای کوتاه در طبیعت رها می‌کنیم، ماندگاری آن دردسر می‌شود: زباله باقی می‌ماند و با اضافه شدن زباله‌های دیگر، روی هم انباشته می‌شود.

پس برای قضاوت دربارهٔ پلاستیک، فقط زمان استفاده را نبین؛ سرنوشت آن پس از دور ریختن هم مهم است. ویژگی‌ای که هنگام مصرف به ما کمک می‌کند، ممکن است پس از مصرف برای محیط زیست مشکل بسازد.

برق یکسان، آلودگی متفاوت

فرض کن دو خانواده به یک اندازه برق مصرف می‌کنند، اما برق یکی از زغال‌سنگ و برق دیگری از باد تأمین می‌شود. آیا سهم مصرف برق آن‌ها در انتشار کربن‌دی‌اکسید یکسان است؟ نه؛ منبع تولید برق هم مهم است.

در جدول کتاب، برای هر منبع ضریبی آمده است که نشان می‌دهد به‌ازای مصرف هر $1$ کیلووات‌ساعت برق، چند کیلوگرم کربن‌دی‌اکسید تولید می‌شود. روش محاسبه این است:

$\text{جرم کربن‌دی‌اکسید تولیدشده}=\text{برق مصرفی}\times\text{ضریب منبع}$

برق مصرفی را برحسب $\text{کیلووات‌ساعت}$ وارد می‌کنیم و نتیجه برحسب $\text{کیلوگرم}$ به دست می‌آید. مثلاً ضریب زغال‌سنگ $0.9$ و ضریب باد $0.01$ است؛ پس برای مصرف برابر، تولید برق از باد با انتشار کربن‌دی‌اکسید کمتری همراه است.

دقت کن: کمتر بودن این ضریب به معنی نداشتن هیچ اثر زیست‌محیطی نیست؛ فعلاً فقط انتشار کربن‌دی‌اکسید را مقایسه می‌کنیم.

ماندگاری؛ مزیت و دردسر

به وسایل اطرافت نگاه کن: بدنهٔ خودکار، ظرف غذا یا بخش‌هایی از گوشی. چرا پلاستیک در این‌همه وسیله به کار می‌رود؟ پلاستیک‌های تهیه‌شده از نفت، ارزان، محکم و بادوام هستند؛ پس می‌توان با آن‌ها وسایل گوناگونی ساخت که زود خراب نشوند.

مثلاً اگر ظرف غذایت با چند بار استفاده خراب می‌شد، وسیلهٔ مناسبی برای بردن غذا به مدرسه نبود. عمر طولانی پلاستیک هنگام استفاده یک مزیت است؛ اما پس از دور انداختن، همین ماندگاری دردسر می‌شود. تمام‌شدن استفادهٔ ما به معنی ازبین‌رفتن پلاستیک نیست. زبالهٔ پلاستیکی می‌تواند مدت طولانی در محیط باقی بماند و با اضافه‌شدن زباله‌های تازه، در طبیعت انباشته شود.

پس تناقضی در کار نیست: یک ویژگی، یعنی ماندگاری، هنگام استفاده سودمند است، اما پس از دورریختن می‌تواند مشکل‌ساز شود.

تغییر عادت، کاهش آلودگی

آیا برای کم‌شدن زباله‌های پلاستیکی باید همهٔ وسایل پلاستیکی را کنار بگذاریم؟ در شرایط کنونی، حذف کامل پلاستیک از زندگی عملی نیست؛ اما این به معنای ادامه‌دادن مصرف بی‌رویه هم نیست. هدف، کم‌کردن مصرف غیرضروری و جلوگیری از رهاشدن زباله در محیط است.

فرض کن برای خرید میوه می‌روی. با بردن کیسهٔ بادوام از خانه، می‌توانی کیسهٔ یک‌بارمصرف کمتری بگیری. اگر کیسه‌ای تمیز و سالم داری، برای کاربرد مناسب دوباره از آن استفاده کن. وقتی هم دیگر قابل استفاده نیست، آن را در کوچه یا طبیعت رها نکن؛ زباله‌های خشکِ قابل بازیافت را مطابق شیوهٔ جمع‌آوری محل زندگی‌ات جدا کن و تحویل بده.

پس سه عادت کمک‌کننده داریم: کمتر مصرف کنیم، دوباره استفاده کنیم و زباله را درست مدیریت کنیم. از خرید بعدی می‌توانی یکی از این تغییرها را شروع کنی.

بیرونی؛ ریاضی در خدمت شناخت جهان

فکر می‌کنی ریاضی فقط برای حل تمرین‌های دفتر است؟ برای ابوریحان بیرونی، ریاضی ابزاری بود تا جهان را دقیق‌تر بشناسد. او در زمینه‌های گوناگونی مانند اخترشناسی، جغرافیا، فیزیک و شیمی پژوهش می‌کرد و از محاسبه برای بررسی مسئله‌های علمی کمک می‌گرفت.

یکی از نمونه‌های مهم کار او، ارائهٔ روشی برای اندازه‌گیری شعاع زمین در کتاب «اسطرلاب» بود. اهمیت این کار، پیوند دادن یک پرسش دربارهٔ دنیای واقعی با روش‌های ریاضی است؛ یعنی به‌جای بسنده‌کردن به حدس، از اندازه‌گیری و محاسبه کمک بگیریم.

در زندگی روزمره هم وقتی طول و عرض اتاق را اندازه می‌گیری و مساحتش را برای خرید فرش حساب می‌کنی، ریاضی را برای حل یک مسئلهٔ واقعی به کار می‌بری. کارهای بیرونی بسیار گسترده‌تر بود، اما همین پیوند میان ریاضی و شناخت جهان را نشان می‌داد.