بررسی دو مفهوم بنیادین چگالی و ایزوتوپ در جهان شیمی

چگالی (Density) یکی از خواص فیزیکی ماده است که به صورت رابطه  موجود بین جرم و حجم آن تعریف می شود. در این مفهوم، جرم اتم ها، اندازه و همچنین چگونگی چیدمان آن ها تاثیرگذار هستند.

به بیان ریاضی، نسبت جرم ماده به حجم و فضایی که اشغال می کند، چگالی ماده نامیده می شود. با این تعریف رابطه  مستقیمی بین جرم جسم و چگالی آن وجود دارد، اما رابطه بین حجم جسم با چگالی، معکوس خواهد بود. به عبارت دیگر اجسام سنگین تر چگالی بیشتری خواهند داشت و اجسامی که حجم بزرگتری دارند، دارای چگالی کمتری خواهند بود.

مفهوم چگالی و عوامل موثر در آن

از لحاظ علمی ومحاسباتی با تقسیم جرم جسم به حجم آن، دانسیته یا چگالی آن به دست می آید که به آن جرم حجمی و یا جرم مخصوص نیز می گویند. دما و فشار دو عامل موثر در دانسیته و چگالی، به ویژه درمورد گازها هستند. تغییرات این عوامل در مایعات و جامدات کمتر محسوس است. اگر فشار بر روی یک سیستم زیاد باشد، حجم آن کم می شود و در نتیجه بر طبق رابطه مطرح شده، چگالی زیاد می شود.

وقتی دما بالا می رود، حجم ماده به جزء در موارد استثنا، زیاد شده وچگالی کاهش پیدا می کند. دقت کنید که وقتی مقدار یک ماده زیاد می شود، تراکم آن زیاد نشده و جرم آن افزایش پیدا می کند. این عبارت نشان می دهد که چگالی یک خاصیت بسیط است.  

محاسبه میزان چگالی

در جهان شیمی ρ برای نمایش چگالی و دانسیته در منابع فیزیک و مهندسی استفاده می شود. نمایش فرمول محاسبه چگالی به صورت ρ = m ̸ v است و یکای آن در سیستم SI، کیلوگرم بر متر مکعب است. چگالی بر حسب گرم بر متر مکعب، کیلوگرم بر لیتر، گرم بر میلی لیتر، تن بر متر مکعب، گرم بر سانتی متر مکعب، کیلوگرم در دسی متر مکعب و مگا گرم بر متر مکعب نیز بیان می شود. برای این که میزان چگالی یک جسم را اندازه گیری کنیم، باید مقدار جرم و حجم آن را داشته باشیم.

جرم یک جسم را با ترازو اندازه می گیرند و برای به دست آوردن جرم دقیق، جرم ظرف را از جرم کل کم  می کنند. برای اندازه گیری حجم جامدات با شکل هندسی منظم، از فرمول حجم آن شکل استفاده می کنند. در جامداتی که شکل هندسی منظمی ندارند، با استفاده از آب و یک ظرف مدرج، حجم آن را به دست می آورند. درون ظرف مدرج آب می ریزیم، جسم مورد نظر را به داخل آن می اندازیم. از اختلاف حجمی که ظرف در دو حالت نشان می دهد، به حجم شکل مورد نظر می رسیم. 

برای اندازه گیری حجم مایعات نیز از ظروف آزمایشگاهی و مدرج مخصوص این کار استفاده می کنند. استوانه مدرج و پیپت نمونه هایی از این ظروف هستند. حجم گازها نیز با استفاده از قانون بویل طبق محاسباتی انجام می شود.

اندازه گیری چگالی

برای اندازه گیری چگالی از روش های هیدرومتری (روش شناوری مایعات)، هیدرو استاتیک (روش شناوری مایعات و جامدات)،چگالی سنج نوسانی و ... استفاده می شود.

کم چگال ترین و چگال ترین ماده روی زمین

سال ها قبل، کم چگال ترین ماده روی زمین با چگالی برابر 1 میلی گرم بر سانتی متر مکعب، آئروژول بود که ناسا از آن استفاده می کرد. امروزه گرافن آئروژول به عنوان سبک ترین ماده با چگالی 0.16 میلی گرم در سانتی متر مکعب است.

چگال ترین ماده روی زمین نیز فلزی از خانواده پلاتین و به نام اسمیوم است که چگالی به اندازه ی دو برابر سرب دارد. از این ماده در مواردی که نیاز به دوام بالا است، مانند نوک خودنویس ها استفاده می شود.

اتم چیست؟

کوچکترین ذره تشکیل دهنده مواد اتم نامیده می شود که از الکترون، پروتون و نوترون تشکیل شده است. پروتون ها و نوترون ها در داخل هسته اتم بوده و الکترون ها به دور هسته بر روی مدارهای مشخصی و به شکل ابر اتمی که اروبیتال نام دارد، در حرکت هستند. ذرات تشکیل دهنده اتم ها دارای بار الکتریکی هستند و باعث می شوند که بر اساس نیروهای جاذبه، کنار هم قرار گرفته و اتم ها را پایدار کنند.

در ادامه به این سوال پاسخ می دهیم که منظور از آنیون و کاتیون یا منفی و مثبت بودن یون چیست؟ اگر اتمی در لایه ظرفیت خود 8 الکترون نداشته باشد و به شکل آرایش پایدار گاز نجیب نباشد، می تواند الکترون های لایه آخر خود را از دست داده به یون مثبت یا کاتیون تبدیل شود. یا اینکه تعدادی الکترون به دست آورد و به آرایش پایدار برسد. در این حالت یون منفی یا آنیون تشکیل می شود.

عدد اتمی یک اتم یا عنصر با تعداد پروتون های آن تعیین می شود. تعداد الکترون ها و پروتون های یک اتم خنثی با هم برابر است.

عدد جرمی یک اتم نیز از مجموع عدد اتمی ونوترون های آن به دست می آید. برخی از عناصر ممکن است شکل های مختلفی با عدد اتمی یکسان ولی با عدد جرمی متفاوت داشته باشند.  

ایزوتوپ چیست؟

عنصرهای شیمیایی که تعداد پروتون های یکسانی در هسته اتم خود دارند ولی تعداد نوترون های آن ها متفاوت است، به عنوان ایزوتوپ در نظر گرفته می شوند. به عنوان مثال کربن های 12، 13 و 14 ایزوتوپ های اتم کربن هستند که همه آن ها، تعداد 6 پروتون ولی به ترتیب تعداد 6، 7 و 8 نوترون دارند. در ایزوتوپ ها تعداد نوترون ها را می توان از اختلاف بین عدد اتمی و عدد جرمی عناصر به دست آورد.

ایزوتوپ های پایدار و رادیواکتیو

اما منظور از پیدار بودن ایزوتوپ چیست؟ ایزوتوپ های پایدار، نیمه عمر بالایی داشته و نوکلید پایدار نیز خوانده می شوند. از جمله این ایزوتوپ ها کربن -12، کربن-13 و اکسیژن- 16 را می توان نام برد. اما ایزوتوپ های ناپایدار یا رادیواکتیو، دارای هسته ای ناپایدار بوده که واپاشی پرتوزایی دارند. از این نوع ایزوتوپ ها که رادیو ایزوتوپ نیز نامیده می شوند می توان به کربن-14، هیدروژن-3 و اورانیوم- 235 اشاره کرد.  

کاربرد ایزوتوپ ها

یکی از کاربردهای ایزوتوپ ها استفاده از آن ها به عنوان مارکر و نشان گذار ایزوتوپی در واکنش های شیمیایی است. برای تشخیص اتم های عناصر، از طیف سنج جرمی و یا مادون قرمز استفاده می شود. در مطالعه ترکیب شیمیایی مواد زمین شناسی و مطالعات زیست محیطی، ایزوتوپ های پایدار به کار برده می شوند. ایزوتوپ های رادیواکتیو با تابش ذراتی چون آلفا، بتا و گاما خودشان از بین می روند. از این ایزوتوپ ها در صنایع غذایی، باستان شناسی، کشاورزی و دفع آفات، پزشکی و ... استفاده می کنند. با قرار دادن مواد غذایی در میزان کنترل شده ای از اشعه گاما، باکتری های آن از بین رفته و به غذای سالم تبدیل می شوند.