اکی والان چیست؟ (کاربردهای آن در صنایع شیمیایی و دارویی)

در دنیای پیچیده‌ واکنش‌های شیمیایی، تنها دانستن جرم مواد کافی نیست؛ آنچه اهمیت دارد، مقدار مؤثر و واقعی ماده در واکنش خواهد بود و اینجا است که مفهوم اکی ‌والان یا معادل شیمیایی وارد می‌شود.

اکی ‌والان، واحدی هوشمندانه و کلیدی است که بر اساس توانایی یک ماده در تبادل یون‌ها یا الکترون‌ها تعریف می‌شود؛ نه فقط وزن یا تعداد مولکول‌ها.

در شیمی تجزیه، با استفاده از اکی ‌والان می‌توان نسبت دقیق مواد واکنش‌ دهنده را بدون نیاز به نوشتن معادله موازنه‌ شده محاسبه کرد.

در داروسازی، این مفهوم به شکل حیاتی برای تنظیم دوز داروها، اندازه ‌گیری خلوص مواد مؤثر و انجام واکنش‌های تیتراسیون برای کنترل کیفیت مورد استفاده قرار می‌گیرد.

با شناخت اکی ‌والان، در واقع زبان دقیق‌تری از شیمی را درک می‌کنیم؛ زبانی که به ما این امکان را می‌دهد تا به ‌جای شمارش مولکول‌ها، اثر شیمیایی واقعی آن‌ها را اندازه بگیریم.

در این مقاله به بررسی موارد زیر خواهیم پرداخت:

• اکی ‌والان چیست؟
• ویژگی اکی ‌والان چیست؟
• وزن اکی ‌والان
• اهمیت وزن در اکی ‌والان
• کاربرد اکی والان چیست؟
• قانون شیمیایی اکی ‌والان

1# اکی والان چیست؟

اکی ‌والان Eq یا eq یک واحد اندازه‌ گیری نسبتاً رایج است که در شیمی و علوم زیستی استفاده می‌شود و معیاری از توانایی یک ماده برای ترکیب با سایر مواد است و اغلب در زمینه نرمالیته استفاده می‌شود .

اکی ‌والان به صورت رسمی به عنوان مقدار ماده ‌ای تعریف می‌شود که با ۶.۰۲۲ ضرب در ۱۰ به توان ۲۳ ذره واکنش می‌دهد. (این عدد آووگادرو است که تعداد ذرات موجود در یک مول است.)

تعریف دیگری که کمی دقیق‌تر است، اکی ‌والان را به عنوان تعداد گرم‌های ماده‌ای که با یک گرم هیدروژن آزاد واکنش می‌دهد، توصیف می‌کند.

بنابراین، مقدار یک ماده معین بر حسب اکی والان برابر است با حاصلضرب مقدار آن ماده بر حسب مول در ظرفیت آن ماده.

توجه داشته باشید که وزن اکی والان، جرم یک اکی والان از یک ماده است.

در عمل، مقدار یک ماده در اکی والان اغلب مقدار بسیار کمی دارد، بنابراین اغلب بر حسب میلی ‌اکی‌ والان mEq یا meq توصیف می‌شود.

اغلب، این اندازه بر حسب میلی‌ اکی‌ والان ماده حل‌ شونده در هر لیتر حلال یا میلی‌ اکی ‌والان نرمال (mEq/l = mN) استفاده می‌شود.

این امر به ویژه برای اندازه ‌گیری ترکیبات در مایعات بیولوژیکی رایج است.

به عنوان مثال، سطح سالم پتاسیم در خون انسان بین ۳.۵ تا ۵.۰ میلی ‌اکی ‌والان در لیتر تعریف می‌شود.

دو اتم زمانی از نظر شیمیایی اکی والان هستند که:

• توسط عملیات تقارن مانند محور چرخش، صفحه تقارن یا مرکز وارونگی به یکدیگر مرتبط باشند.
• توسط حرکات معمول مولکولی مانند چرخش پیوندهای سیگما، تغییر وضعیت حلقه یا جابه‌جایی بین موقعیت‌های محوری و استوایی در ساختارهای صندلی به یکدیگر تبدیل شوند.

در چنین مواردی، این اتم‌ها در طیف ‌سنجی NMR سیگنال‌های یکسانی ایجاد می‌کنند.

1-1# اکی والان دارویی

محصولات دارویی در صورتی اکی والان دارویی محسوب می‌شوند که دارای ترکیبات فعال یکسان، شکل دارویی یکسان و از نظر:

• قدرت
• کیفیت
• خلوص
• و هویت

مشابه محصول با نام تجاری باشند؛ اما ممکن است در ویژگی‌هایی مانند شکل، بسته‌ بندی و مواد جانبی (مانند رنگ‌ها، طعم ‌دهنده‌ها و مواد نگهدارنده) متفاوت باشند.

2-1# اکی والان در پزشکی و بیوشیمی

در سیستم‌های بیولوژیکی، واکنش‌ها اغلب در مقیاس‌های کوچک و با دخالت مقادیر کمی از مواد رخ می‌دهند، بنابراین این مواد به شکل معمول بر حسب میلی ‌اکی ‌والان توصیف می‌شوند.

اغلب، این معیار بر حسب میلی ‌اکی ‌والان ماده حل ‌شونده در هر لیتر محلول یا میلی ‌اکی ‌والان نرمال استفاده می‌شود.

این امر به ویژه برای اندازه ‌گیری ترکیبات در مایعات بیولوژیکی رایج است.

مقدار مشخصی از یون‌های تک ظرفیتی، مقدار یکسانی از اکی والان‌ها را فراهم می‌کند در حالی که همان مقدار از یون‌های دو ظرفیتی، دو برابر مقدار اکی والان‌ها را فراهم می‌کند.

به عنوان مثال، ۱ میلی ‌مول (۰.۰۰۱ مول) سدیم (Na ⁺) برابر با ۱ میلی ‌اکی والان است، در حالی که ۱ میلی‌ مول کلسیم (Ca2 ⁺) برابر با ۲ میلی ‌اکی والان است.

3-1# اکی والان الکتروشیمیایی

اکی والان الکتروشیمیایی اصطلاحی است که در الکتروشیمی برای توصیف مقدار ماده‌ای که در طی یک واکنش اکسایش – کاهش در یک الکترود برای مقدار مشخصی از بار الکتریکی عبوری از سیستم رسوب می‌کند یا حل می‌شود، به کار می‌رود.

اکی والان الکتروشیمیایی معمولاً بر حسب واحد جرم بر واحد بار الکتریکی، مانند گرم بر کولن، بیان می‌شود.

می‌توان آن را با استفاده از قانون الکترولیز فارادی محاسبه کرد که بیان می‌کند، مقدار ماده رسوب کرده یا حل شده در یک الکترود متناسب با مقدار بار عبوری از سیستم است.

2# ویژگی اکی والان چیست؟

اکی والان از لاتین aequus به معنای برابر valere به معنای ارزش داشتن یا رابطه هم‌ ارزی که اغلب با ~ نشان داده می‌شود، گرفته شده و یک رابطه دوتایی است که هر سه ویژگی زیر را دارد:

• بازتاب ‌پذیری (a ~ a)
• تقارن (a ~ b) مستلزم b ~ a است.
• تراگذری a ~ b و b ~ c مستلزم a ~ c است.

1-2# بازتاب پذیری چیست؟

بازتاب‌ پذیری ویژگی‌ای است که به موجب آن یک موجودیت با خودش رابطه R دارد.

نمونه‌هایی از بازتاب ‌پذیری:

1. برابری :الف = الف
2. شباهت: مشابه
3. هم نهشتی: a ≡ a
4. داشتن چیزی شبیه به کسی: شما والدین، حرفه، دوستان و مواردی از این دست دارید که ویژگی‌های یکسانی با شما دارند.
5. عشق: ظاهراً واکنشی است؛ اما این همیشه درست نیست؛ همه خودشان را دوست ندارند.

نمونه‌هایی از عدم بازتاب ‌پذیری:

1. نامساوی مرتب: a  برابر با < یا > نیست.
2. والدین یا خواهر و برادر بودن: شما والدین یا خواهر و برادر خودتان نیستید.
3. نابرابری کامل: ممکن نیست که a ≠ a باشد.
   هیچ چیز نمی‌تواند متفاوت از خودش باشد.

2-2# تقارن چیست؟

خاصیتی است که به موجب آن رابطه‌ دوتایی در هر دو جهت برقرار است:

اگر ‘a R b’ باشد، آنگاه ‘b R a’ نیز وجود دارد.

نمونه‌هایی از تقارن:

1. تساوی: اگر a = b باشد، آنگاه b = a است.
2. نابرابری کامل: اگر a ≠ b باشد، آنگاه b ≠ a است .
3. شباهت: اگر یک B مشابه باشد، آنگاه B مشابه A است.
4. هم نهشتی: اگر a ≡ b باشد، آنگاه  b ≡ a است.
5. خواهر و برادر بودن: اگر A با B برادر یا خواهر باشد، B نیز با A برادر یا خواهر است.
6. ازدواج با: اگر A با B ازدواج کرده باشد، B نیز با A ازدواج کرده است.
7. همکار، همکلاسی یا دوست بودن: اگر A با B همکار، همکلاسی یا دوست باشد، B نیز با A همکار، همکلاسی یا دوست است.

نمونه‌هایی از عدم تقارن:

1. نابرابری مرتب: اگر ab آنگاه  ba نادرست است.
2. والد بودن: اگر A والد B باشد، آنگاه B والد A نیست.
3. رئیس بودن: اگر شما رئیس کسی هستید، او رئیس شما نیست.
4. عشق: A عاشق B است به این معنا نیست که B عاشق A است.
   عدم تقارن بالقوه؛ زیرا عشق متقابل نیز وجود دارد.

3-2# تراگذری چیست؟

ویژگی‌ای است که به موجب آن رابطه از یک موجودیت میانی تراگذر می‌کند:

• اگر ‘a R b’ و ‘b R c’ باشد، آنگاه ‘a R c’

نمونه‌هایی از انتقال ‌پذیری:

1. تساوی: اگر a = b و b = c باشد، آنگاه a = c است.
2. تشابه هندسی (که آن را GS می‌نامیم.): به معنای دقیقاً هم شکل بودن یعنی اگر A، B، C، شکل‌های هندسی باشند، آنگاه ‘A GS B’ و ‘B GS C’ به معنای ‘A GS C’ است.
3. هم نهشتی: اگر a ≡ b و b ≡ c باشد، آنگاه a ≡ c است.
4. نامساوی مرتب: اگر ab و bc باشد، آنگاه ac خواهد بود.
5. والد بودن: اگر A والد B باشد و B والد C باشد، آنگاه A والد C است؛ فقط در صورتی صحیح خواهد بود که پدربزرگ و مادربزرگ، والد محسوب شوند.

مثال‌هایی از غیر انتقال پذیر بودن:

1. شبیه به هم: اگر A شبیه B است و B شبیه G است، به این معنی نیست که A شبیه G است.
2. نابرابری کامل: a ≠ b و b ≠ c به معنای a ≠ c نیست؛ اما آن را رد هم نمی‌کند.
3. دوست بودن: اگر A دوست B باشد و B دوست C باشد، نتیجه نمی‌شود که A دوست C است.

از مثال‌های بالا، روابط دوتایی که با داشتن هر سه ویژگی بازتاب ‌پذیری، تقارن و تراگذری اکی والان هستند، عبارت اند از:

• تساوی
• تشابه هندسی
• و هم نهشتی

3# وزن اکی والان چیست؟

وزن اکی والان در شیمی رایج‌ترین اصطلاح مورد استفاده و یکی از مفاهیم اساسی شیمی در بخش شیمی فیزیک است.

وزن اکی والان که به عنوان اکی والان گرم نیز شناخته می‌شود را می‌توان به صورت جرم یک اکی والان تعریف کرد، یعنی جرم یک ماده معین که با مقدار ثابتی از ماده دیگر ترکیب می‌شود یا آن را جا به جا می‌کند.

تعداد اجزای وزنی ماده‌ای که به گونه ای مستقیم یا غیرمستقیم با هیدروژن ترکیب یا جایگزین آن می‌شود.

بنابراین، به عبارت دیگر، اکی والان گرم یا وزن اکی والان یک ماده، جرم ماده‌ای است که می‌تواند ۱.۰۰۸ گرم هیدروژن یا ۸.۰ گرم اکسیژن یا ۳۵.۵ گرم کلر را جابه‌‎جا کند.

بنابراین برای یافتن وزن اکی والان، وزن اتمی ماده بر ظرفیت آن تقسیم می‌شود.

به عنوان مثال، وزن اکی والان اکسیژن برابر با ۱۶.۰ گرم / ۲ = ۸.۰ گرم خواهد بود.

هنگام پاسخ به این سؤال که وزن اکی والان چیست؟ باید در نظر داشته باشید که تعریف آن به دو عامل بستگی دارد: جرم مولی و ضریب ظرفیت ترکیب.

وزن اکی والان در موارد مختلف را در این بخش بررسی خواهیم کرد.

1-3# شیمی

وزن اکی والان در شیمی، مقدار ماده ‌ای است که دقیقاً با مقدار ثابت و دلخواهی از ماده دیگر در یک واکنش خاص واکنش می‌دهد یا برابر با مقدار ترکیبی آن است.

مواد با نسبت‌های استوکیومتری یا معادل شیمیایی با یکدیگر واکنش می‌دهند و یک استاندارد مشترک در نظر گرفته شده است.

مفهوم وزن اکی والان با مفهوم جرم مولی جایگزین شده که جرم یک مول از یک ماده است.

2-3# عنصر

وزن اکی والان یک عنصر، وزن اتمی گرم آن تقسیم بر ظرفیت (قدرت ترکیب) است. برخی از وزن‌های اکی والان عبارت اند از:

• نقره (Ag)، 107.868 گرم
• منیزیم (Mg)، 24.312/2 گرم
• آلومینیوم (Al)، 26.9815/3 گرم
• و گوگرد (S)، در تشکیل سولفید، 32.064/2 گرم

برای یک عنصر، وزن اکی والان مقداری است که با 1.008 گرم هیدروژن یا 7.9997 گرم اکسیژن ترکیب یا جایگزین می‌شود یا وزن عنصری است که در یک الکترولیز با عبور 1 فارادی الکتریسیته آزاد می‌شود.

3-3# اکسید کننده یا کاهنده

برای ترکیباتی که به عنوان اکسیدکننده یا برای عوامل کاهنده، وزن اکی والان برابر با وزن مولکولی گرم تقسیم بر تعداد الکترون‌های از دست رفته یا گرفته شده توسط هر مولکول است.

برای همه عوامل اکسیدکننده و کاهنده (عناصر یا ترکیبات)، وزن اکی والان، وزن ماده‌ای است که با از دست دادن یا گرفتن یک مول (6.023 × 1023 (الکترون مرتبط است.

4-3# اسید یا باز

وزن اکی والان یک اسید یا باز برای واکنش‌های خنثی ‌سازی یا هر ترکیب دیگری که از طریق تجزیه دوگانه عمل می‌کند، مقدار ترکیبی است که ۱.۰۰۸ گرم یون هیدروژن یا ۱۷.۰۰۷۴ گرم یون هیدروکسید تولید می‌کند یا با آن واکنش می‌دهد یا معادل آن است؛ به عنوان مثال:

• اسید هیدروکلریک (HCl ) ۳۶.۴۶۱ گرم
• اسید سولفوریک (H2SO4 ₎ ۹۸.۰۷۸ /۲ گرم
• هیدروکسید سدیم (NaOH) ۴۰ گرم
• کربنات سدیم (Na2CO3 ₎ ۱۰۵.۹۸۹۲/۲ گرم

وزن اکی والان یک ماده ممکن است با توجه به نوع واکنشی که انجام می‌دهد، تغییر کند.

بنابراین، پرمنگنات پتاسیم که از طریق تجزیه دوگانه واکنش می‌دهد، وزن اکی والانی برابر با وزن مولکولی گرم خود، ۱۵۸.۰۳۸/۱ گرم، دارد.

به عنوان یک عامل اکسیدکننده، تحت شرایط مختلف ممکن است به یون منگنات (MnO4₂)به دی‌اکسید منگنز (MnO2) یا به یون منگنز (Mn2+) کاهش یابد که به ترتیب وزن‌های اکی والان ۱۵۸.۰۳۸ / ۱ گرم، ۱۵۸.۰۳۸/۳ گرم و ۱۵۸.۰۳۸/۵ گرم دارند.

تعداد وزن‌های معادل هر ماده ‌ای که در یک لیتر محلول حل می‌شود، نرمالیته آن محلول نامیده می‌شود.

در واکنش اسید – باز، جرم اکی والان یک اسید یا باز همیشه برابر با مقدار جرمی است که یک مول یون هیدروژن را تأمین یا با آن واکنش می‌دهد.

به صورت مشابه، برای واکنش اکسایش – کاهش، وزن اکی والان ماده، جرمی است که یک گرم مول الکترون  (e-) تولید شده در واکنش اکسایش – کاهش را تأمین یا با آن واکنش می‌دهد.

این جرم واحد، بُعدی دارد که با جرم اتمی که ذاتاً بدون بُعد بوده، متفاوت است.

وزن اکی والان را می‌توان با آزمایش تعیین کرد و آن را از جرم مولی ماده تعیین کرد.

همچنین، وزن اکی والان را می‌توان با تقسیم جرم مولکولی بر تعداد بارهای الکتریکی مثبت یا منفی حاصل از انحلال ترکیب تعیین کرد.

4# اهمیت وزن اکی والان در شیمی چیست؟

وزن اکی والان در واقع وزن نیست؛ بلکه جرم است.

جرم مقدار ماده موجود در چیزی است، در حالی که وزن نیروی جاذبه وارد بر یک جرم است.

از آنجایی که ما فقط با ترکیبات شیمیایی مختلف روی زمین و با شیمی سر و کار داریم، می‌توان وزن و جرم را به جای هم به کار برد.

ما در این بخش از اصطلاح وزن اکی والان (EW) استفاده خواهیم کرد و فرمول کلی آن به صورت زیر است:

• جرم مولی، جرم یک عنصر منفرد از جدول تناوبی یا برای یک ترکیب، مجموع جرم‌های اتمی موجود در ترکیب است.
• تعداد n اکی والان، بخشی از این معادله است که مقدار بار در یک معادله را نشان می‌دهد و این که چه باری استفاده می‌شود، بستگی به سناریو دارد.

1-4# آزمون‌های جایگزینی برای تعیین معادلۀ شیمیایی

برای تعیین نوع معادلۀ شیمیایی بین دو اتم، می‌توان از آزمون‌های جایگزینی استفاده کرد:

• هموتوپیک: اگر جایگزینی یکی از دو اتم با یک گروه خاص منجر به تولید همان مولکولی شود که با جایگزینی اتم دیگر به دست می‌آید، این اتم‌ها هموتوپیک هستند.
• انانتیوتوپیک (Enantiotopic): اگر جایگزینی یکی از دو اتم منجر به تولید انانتیومر (تصویر آینه‌ ای غیر یکسان) مولکولی شود که با جایگزینی اتم دیگر به دست می‌آید، این اتم‌ها انانتیوتوپیک هستند.
• دی‌استریوتوپیک (Diastereotopic): اگر جایگزینی یکی از دو اتم منجر به تولید دی‌ استریومر (ایزومر فضایی غیر یکسان) مولکولی شود که با جایگزینی اتم دیگر به دست می‌آید، این اتم‌ها دی‌ استریوتوپیک هستند.

در این حالت، اتم‌ها از نظر شیمیایی اکی والان نیستند و ممکن است در طیف NMR سیگنال‌های متفاوتی نشان دهند.

5# کاربرد اکی والان چیست؟

کاربرد اکی ‌والان در صنایع دارویی و شیمیایی بسیار گسترده و حیاتی است، چون این مفهوم پایه‌ای برای دقت در محاسبات واکنش‌ها، تولید و کنترل کیفیت محسوب می‌شود.

در ادامه مقاله اکی والان چیست، کاربردهای آن را در هر دو صنعت بررسی می‌کنیم.

1-5# کاربردهای اکی ‌والان در صنایع دارویی

کاربرد اکی والان در صنایع دارویی عبارت است از:

• محاسبه دوز داروها: اکی ‌والان کمک می‌کند تا داروها با دقت بالا دوزبندی شوند، مخصوصاً زمانی که دارو به شکل نمک یا ترکیب شیمیایی خاصی فرموله شده است.
• تیتراسیون برای کنترل کیفیت: در آزمایشگاه‌های کنترل کیفیت دارویی، از تیتراسیون‌های اسید – باز یا اکسایش – کاهش استفاده می‌شود.
  محاسبه تعداد اکی‌ والان مواد واکنش‌ دهنده و تعیین نقطه معادل به تشخیص خلوص ماده و استانداردسازی آن کمک می‌کند.
• فرمولاسیون داروها: برای ترکیب دقیق مواد مؤثره با مواد کمکی (اکسیپینت‌ها)، دانستن اکی‌ والان لازم است تا تداخل شیمیایی یا ناهماهنگی در اثرگذاری دارو پیش نیاید.
• محاسبه معادل‌های یونی: برای تهیه محلول‌های تزریقی یا خوراکی، دانستن اکی ‌والان‌های یونی برای تنظیم تعادل الکترولیت‌ها در بدن ضروری است.

2-5# کاربردهای اکی ‌والان در صنایع شیمیایی

از جمله کاربردهای اکی والان در صنایع شیمیایی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• استوکیومتری واکنش‌ها: اکی‌ والان کمک می‌کند تا بدون نوشتن معادله موازنه ‌شده، نسبت دقیق مواد مورد نیاز برای واکنش محاسبه شود.
• طراحی واکنش‌های صنعتی: در صنایعی مثل تولید اسیدها، بازها، مواد شوینده و همچنین رنگ‌ها، از مفهوم اکی‌ والان برای طراحی اقتصادی واکنش‌ها و جلوگیری از مصرف اضافی مواد اولیه استفاده می‌شود.
• کنترل آلودگی و پسماند: برای خنثی‌ سازی پساب‌های اسیدی یا قلیایی، از محاسبه اکی‌ والان استفاده می‌شود تا مقدار دقیق ماده خنثی‌ کننده مشخص گردد.
• استانداردسازی محلول‌ها: در صنایع شیمیایی و آزمایشگاه‌ها، محلول‌های استاندارد معمولاً بر اساس نرمالیته و معادل تنظیم می‌شوند.

6# قانون شیمیایی اکی والان چیست؟

قانون شیمیایی اکی والان بیان می‌کند که:

• اکی والان یک ماده تولید شده و واکنش داده شده لزوماً یکسان نیستند.
  اگر ضریب n ماده، در واکنشی که در آن تولید می‌شود، با ضریب n همان ماده، هنگام واکنش متفاوت باشد، آنگاه اکی والان ماده تولید شده و واکنش داده شده، متفاوت خواهد بود.
• اکی والان مواد یکسان را فقط زمانی می‌توان جمع یا تفریق کرد که دارای ضریب n مشابهی باشند.
• در یک واکنش، صرف نظر از تعداد عوامل مورد استفاده در واکنش، اکی والان عوامل اکسید کننده همیشه برابر با اکی والان عوامل کاهنده خواهند بود.