خب آقا سلام، توی این پست میخوام یکی از سوالاتی که در دوران طفولیت ذهن من رو بشدت درگیر کرده بود صحبت بکنم. حالا هر کسی یه چیزی ذهنش رو درگیر میکنه یکی اینکه چرا ماه روی زمین نمیفته یا چرا کسانیکه توی قطب جنوب هستن نمیفتن پایین! حالا سناریوی سوال من اینطوری شکل گرفته که :
اتفاق افتاده که یه روز گرم تابستونی هوس بستنی عروسکی کرده باشین! و از همه مهم تر ماشین پخش مواد غذایی رو دیده باشین. حالا اگر روزی برسه که یه خاور پر نوشابه سیاه! و آب معدنی ببینید احتمالا به ذهنتون رسیده که چرا گاز این نوشابه ها از بین نمیره؟! یا مثلا وقتی که بازش کردی چرا سر نمیره؟ مگه توی راه یه عالمه تکون نخورده؟سوال من این بود که چرا «چرا گاز نوشابه موقع حمل و نقل توی کامیون فرار نمیکنه؟! یا چرا نوشابه وقتی همش بزنی سر میره؟؟»
از الان میدونم که این پست قراره طولانی باشه پس هر کدوم از ۳ بیان مختلف رو که دوست داشتین رو بخونین :)
در ادامه قراره به ۳ شکل مختلف به این سوال پاسخ بدیم:
سوال : چرا گاز نوشابه بعد از وقتی توی کامیون بود و حسابی شالاپ شولوپ کرده، رسید خونه در نمیره؟
پاسخ : مادامی که (= تا زمانیکه) در بطری نوشابه باز نشده چیزی برای از دست رفتن نیست و همه موارد اعم از گاز نوشابه و خود نوشابه سر جاش، داخل بطری باقی میمونن.
قبل از اینکه ادامه بدیم و بتونیم پاسخ بدیم اول اصلا ببینیم نوشابه چیه و چطور ساخته میشه؟
اگر خواستین میتونین از این قسمت رد بشین :)
یه فلش بکی بزنیم به علوم راهنمایی و شایدم ششم دبستان:
نوشابه گازدار نوعی محلول گاز در مایع است (مخلوط ها رو یادتونه؟)
زمانیکه شما یک گاز رو با فشار خیلی زیاد (خیلی زیاد!) داخل یه حلال مثل آب وارد می‌کنید باعث می‌شین که اون گاز داخل آب حل بشه، ینی روی کاغذ با فراهم کردن یسری شرایط خاص میشه نوشابه گازدار با هر گازی ساخت! (البته قرار نیست حتما خوردنی باشه! مثلا کی وایتکس گازدار دوست داره؟)
گاز موجود در نوشابه های گازدار، گاز کربن دی اکسید هست که شیمیدان ها! با فرمول شیمیایی CO2 نشونش میدن. حالا وقتی که میخوایم نوشابه بسازیم، مقدار زیادی از این گاز رو توی آب سرد (میگم چرا سرد باشه بهتره) با فشار زیاد وارد میکنیم فکر کنین یه دستگاه هست که داره توی آب خیلی محکم فوت میکنه.
وقتی که کار تموم شد ما مقداری گاز کربن دی اکسید رو توی آب حل کردیم. از اونجایی که حلالیت گاز ها به دلایلی که اینجا بررسی نمی‌کنیم با افزایش دما، کاهش پیدا میکنه بهتره که از آب سرد استفاده کنیم تا مقدار بیشتری گاز رو حل بکنیم و آخر کار بیشتر حال کنیم! (نوشابه بیشتر گاز داره!).
حالا این محلولی که به دست آوردین اسمش آب گازداره، برای اینکه واقعا نوشابه مثلا زم‌زم رو تولید بکنیم! دقت کنین قبل از گاز دار کردن آب، بهش شکر، اسانس کولا (طعم اصلی نوشابه سیاه زیر سر اینه!)، رنگ خوراکی، کارامل، یکمی کافئین و سیتریک اسید (برای تنظیم اسیدیته (pH)) بعدش گازدار کردن رو انجام می‌دیم تا با هم زدن گازش نره!
همون بطری نوشابه رو در نظر داشته باشین. از دو تا جزء تشکیل شده، یکی مایع هست یکی هم گاز.
به صورت پیوسته مقداری از گاز نوشابه که روی نوشابه قرار گرفته داخل نوشابه حل میشه و به طور پیوسته مقداری از گاز نوشابه ای که قبل تر حل شده از محلول خارج میشه. ربط این ماجرا به الاکلنگ این هست که اگر بطری یه جا ساکن و در دمای مشخصی قرار بگیره بخاطر زیاد شده فشار گاز نوشابه منفجر نمیشه یا انقدر گاز توی محلول نوشابه حل نمیشه که کلا بطری حالت له شدگی به خودش بگیره. بطری نوشابه یه الاکلنگ جالبه با این تفاوت که نمیتونین سوارش بشین!
اینطوری در نظر بگیرید در یک سمت الاکلنگ محلول نوشابه هست و در یه سمت دیگه هم گاز نوشابه و الاکنگ هم ثابت مونده، این وسط هم بطری نوشابه نقش الاکلنگ رو بازی میکنه. به عبارت بهتر بطری نوشابه الاکلنگی هست که محلول نوشابه و گاز نوشابه مثل دو تا بچه هستن که روی صندلی هاش نشستن.
حالا اگر شما بطری رو تکون بدین یه سمت الاکنگ بالا میره و یه سمت دیگه الاکنگ میاد پایین و اونیکه پایین تره زورش بیشتره و اون کسی نیست جز گاز نوشابه، پس بطری باد میکنه و اگر همون لحظه بطری رو باز بکنین فوران رخ میده ولی میدونیم که اگر الاکنگ یه مدت معینی بهش دست نزنیم بالاخره ثابت بمونه و بر میگرده به حالت اولش.
دقیقا این اتفاق زمانی رخ میده که هرچقدر هم شما نوشابه رو محکم هم بزنید و بذارین یه مدتی ساکن بمونه هیچ اتفاقی نمیفته و میتونین راحت از نوشابه استفاده بکنین بدون اینکه فوران دهشتناکی رخ بده!
پس یادتون باشه هرچقدرم بطری رو محکم هم بزنین مهم نیست بعد مثلا ۱ ساعت توی یخچال موندن نوشابه شما قابل استفاده هست (*لبخند)
اگر شما کسی هستین که یکم دنبال استدلال آکادمیک تری هستین میفهمید که این چیزی که من توضیح دادم ناقصه و مثلا نمیگه که تبادل انرژی پس چطوریه یا اگر نوشابه رو باز کنیم و یه مقداری مصرف کنیم و مقدار بیشتری از بطری خالی بمونه نوشابه چرا باید سریع تر گازش رو از دست بده. در ادامه میخوایم یه تحلیل آکادمیک اما در سطح شیمی عمومی انجام بدیم :)
خب الان میخوام این قلم خودم رو ول بکنم ببینم چطوری میخواد بتازه! (نوشتن پست تازگیا خیلی سخت شده برام!)
میان نوشت : مدت خیلی زیادی هست که ترمودینامیک رو حتی ورق هم نزدم برای همین صرفا تغییرات آنتالپی رو میکشم وسط و از بحث تغییرات آنتروپی و انرژی آزاد گیبس برای جلوگیری از اشتباه خودداری میکنم. البته که پرداختن خیلی بیشتر به جزئیات مثل (K (ثابت تعادل) و Q (خارج قسمت) واکنش) خارج از حوصله مطلب هست ولی به اندازه کافی توضیحات مفصل هست که این دومورد ازش استخراج بشن (*لبخند)
توی سیستم ما که بطری نوشابه و محتویاتش باشه! دوتا تعادل اصلی داریم، یکی تعادل شیمیایی و یکی هم تعادل فیزیکی، اینا با اینکه عملا دو تعادل مجزا هستن ولی باهم رخ میدن و روی هم دیگه تاثیر میذارن.
از اونجایی که نمیشه یکی از این دو تا رو نقش اصلی اتفاقاتی که میفته دونست با این حال هر دو تعادل رو شرح میدم ولی توی توضیحات از هردو استفاده میکنم.
اینجا ما فرض رو میگیریم که سیستم ایده آله و توزیع گرما یکنواخت هست و تنها تبادلی که سیستم با محیط داره تبادل انرژی هست (سیستم بسته هست ولی ایزوله نیست) و تبادل ماده نداریم.
یه چیزی که خیلی این ازش یاد قراره بکنیم برگشت پذیری و تعادل هست. این دومورد کاملا مجزا هستن ولی اشتباها به جای هم به کار میرن.
دقت کنین که تعادل زمانی رخ میده که سرعت واکنش رفت با سرعت واکنش برگشت برابر و در نتیجه غلظت مواد شرکت کننده در واکنش ثابت میمونه.
برگشت پذیری هم زمانی هست که یه واکنش وقتی در جهت رفت (forward) پیش میره، جهت برگشت (backward) هم مطلوبه و قابل انجام هست
گاز کربن دی اکسید به نقل از نتایج سرچ گوگل، به مقدار ۳/۴۸ گرم در هر لیتر آب در شرایط STP حل میشه (شرایط STP همون دمای ۰ درجه سلسیوس و فشار ۱ اتمسفر هست). حالا طبق قانون هنری هرچقدر فشار گاز کربن دی اکسید بالاتر بره مقدار گاز حل شده هم بیشتره. دقت کنین که فقط حل شدن به صورت مولکولی هست و مولکول های کربن دی اکسید حل شده به صورت آبپوشیده در اومدن.
از طرفی هم میدونیم که گاز کربن دی اکسید با آب میتونه وارد واکنش بشه و تولید کربنیک اسید بکنه که کربنیک اسید تولید شده ناپایداره و به یون بی کربنات و یون هیدرونیوم تجزیه میشه.
حالا ما اینجا یه واکنش تعادلی داریم و کربنیک اسید یجورایی حد واسط ناپایدار هست و معادله شیمیایی تعادل شبیه به تصویر زیر میشه:
طبق اصل لوشاتولیه هم هر چقدر فشار رو ببریم بالا تعادل به سمت تولید مول های کمتر پیش میره که تولید حد واسط کربنیک اسید میکنه از اونجایی که کربنیک اسید هم ناپایداره به مواردیکه گفتم تجزیه میشه که پایدار تر از کربینک اسید حدواسط هستن. با کم تر شدن کربنیک اسید گاز CO2 بیشتری حل میشه و تاجایی که محلول سیر بشه این انحلال ادامه پیدا میکنه. آنتالپی واکنش تولید H2CO3 از CO2 و H2O منفی هست (پس گرمازاست). برای همین کاهش دمای محلول به حل شدن بیشتر CO2 و پایداری محلول کمک میکنه.
اینجا گاز CO2 هم به صورت مولکولی هم به صورت واکنش داده به صورت یون بی کربنات توی محلول حضور داره.
یه نکته ای که باید در نظر داشته باشید این هست که انحلال گاز کربن دی اکسید برگشت پذیر هست که توی بحث تعادل فیزیکی به اسم تعادل ماده معرفی میکنیم، ولی واکنش شیمیایی ای رخ نمیده و صرفا انحلال هست:
سپس تعادل شیمیایی رو داریم که کربن دی اکسید آبپوشیده با آب واکنش میده و بقیه ماجرا که این واکنش هم برگشت پذیره که چونکه سیستم بسته هست سیستم در تعادل میمونه.
در بحث تعادل فیزیکی اولین چیزیکه بررسی میکنیم انرژی سیستم هست. فرض رو بذاریم که در دمای ۰ درجه سلسیوس سیستم در حال تعادل انرژی هست.
تعادل بعدی، تعادل ماده هست (انتقال جِرم؟) که در اینجا سیستم ما از دو فاز گاز و مایع تشکیل شده که ماده در تعادل بین فاز های ما گاز CO2 هست.
اگر شما بطری رو بردارین و محکم تکون بدین در اصل دارین از محیط به داخل سیستم یک مقداری انرژی وارد میکنین و این انرژی باعث بالا رفتن انرژی جنبشی مولکول های CO2 که به صورت مولکول حل شدن میشه (البته که هرچی که داخل سیستم هست انرژی اون افزایش پیدا میکنه ولی برای سادگی صرف نظر کردم).
حل شدن مولکولی مولکول های کربن دی اکسید توسط پیوند هیدروژنی که بین CO2 و H2O تشکیل میشه اتفاق میفته که با افزایش انرژی جنبشی مولکول های CO2 به مقدار کافی شاهد غلبه بر پیوند خواهیم بود که این باعث میشه که مولکول های کربن دی اکسید از محلول خارج بشن و بتونن وارد فاز گازی شده و باعث افزایش فشار گاز بشن.
حالا میشه این رو هم گفت که از اونجاییکه واکنش تشکیل کربنیک اسید گرماده هست با افزایش انرژی، واکنش در جهت برگشت پیش میره و در این مورد تولید آب و گاز CO2 (یا شایدم CO2 آبپوشیده شده) رو شاهد هستیم که به نوبه خودش باعث تولید CO2 بیشتر و افزایش فشار بیشتر میشه.
حالا با همه این تفاسیر اگر سیستم بسته تبدیل به سیستم باز بشه (یعنی در بطری باز بشه) ابتدا فشار مثلا ۳ اتمسفری توسط گاز CO2 که بر اثر تکون دادن بطری ایجاد شده یهو آزاد میشه و از اونجایی که مولکول ها هنوز انرژی جنبشی به اندازه کافی بالایی دارن که از محلول خارج بشن هم از محلول خارح میشن و این اتفاق باعث آزاد شدن حجم عظیمی گاز میشه .(لزوما مقدار گاز (تعداد مول های گاز) زیاد نیست)، این دلیل فوران نوشابه هست.
دلیل اینکه علاوه بر گازی که قبلا ایجاد شده بود مقدار گاز اضافی از محلول شروع به خروج میکنه این هست که قبلا یه فشار مضاعفی که فاز گازی روی محلول اعمال کرده بود مانع از خروج بیشتر گاز میشد و سیستم در تعادل آنی بود.
دلیل اینکه گفتم تعادل آنی این هست که بعد از رسیدن به پیک فشار (بیشترین فشار ممکن) انرژی سیستم به محیط جاری میشه و با کاهش انرژی برای ایجاد تعادل جدید، گاز CO2 اضافی که تولید شده بود دوباره در محلول حل میشه و با رسیدن به دمای مثلا ۰ درجه سیستم به تعادل نسبی میرسه جایی که اگر در بطری رو باز بکنین دیگه فوران رخ نمیده.
از مواردی که توضیح دادم این نتیجه گیری اتفاق میفته که بدون توجه به اینکه چقدر بطری رو محکم تکون بدین مادامی که در بطری بسته هست و البته در فشار و دمای محیط مناسبی هستین با گذشت زمان به دلیل نشت انرژی از سیستم (یا بهتره بگیم انجام کار سیستم روی محیط) و کاهش انرژی جنبشی ذرات سیستم، با باز کردن در بطری، محلول فوران نمیکنه.
البته این رو در نظر داشته باشین که فارغ از هرچیزی یه مقداری فوران همیشه رخ میده ولی شدید نیست اگر دقت کرده باشین موقع باز کردن بطری نوشابه یه مقدار حباب گاز ایجاد میشه که به دلایلی که گفتم هست.
خب این هم از بیان سوم :) (انصافا خیلی سخت بود نوشتنش (*خنده با پاک کردن عرق جبین!))
خلاصه اینکه هرچقدرم شما بطری رو محکم تکون بدین اصلا باهاش فوتبال بازی کنین تاوقتی که بازش نکردین گاز نوشابه توش میمونه و اگر میخواین بعد از فوتبال بازی کردن با بطری! از نوشابه استفاده کنین بذارین یه مدتی توی یخچال بمونه تا گاز تولید شده بتونه دوباره داخل نوشابه حل بشه.
۱ - مدت زیادی (تقریبا ۱۸ روز) هست که پست ننوشتم
۲ یکی برسه به دادم سیکل بیداری-خوابم بدجوری خورده بهم ساعت ۱ و نیم میخوابم تا ۱۰ و نیم یا ۱۱
۳ - نه، این مهمه بذار بزرگ بنویسم
لینک (https://t.me/MyDifferentNameChannel)
۴ - واقعا اگر کسی پی نوشت های من رو میخونه باید بگم که دوست نادیده منی :) اگر دیدی بهم بگو (*هعب)
