هیدروژن 

هیدروژن یا آبزا، یک عنصر شیمیایی در جدول تناوبی است كه با حرف H و عدد اتمی ۱ نشان داده شده است. هیدروژن عنصری بی رنگ، بی بو، غیر فلز، یک ظرفیتی و گازی دو اتمی، با خاصیت شعله وری فوق العاده بالا است. هیدروژن سبک‌ترین و فراوانترین عنصر در جهان بوده و در آب و نیز در تمامی ترکیبات آلی و موجودات زنده یافت می‌شود. هیدرژن قابلیت واکنش شیمیایی با بیشتر عناصر را دارد. ستارگان در توالی اصلی خود به وفور از هیدروژن در حالت پلاسمایی تشکیل شده اند. این عنصر در تولید آمونیاک، به‌عنوان یک گاز بالا برنده، یک سوخت جایگزین و اخیرا به‌عنوان منبع انرژی مورد استفاده پیلهای سوختیقرار می‌گیرد.
در آزمایشگاه، از واکنش اسیدها بر فلزهایی مثل روی، بدست می‌آید. اما برای تولید در حجم زیاد از الکترولیز آب که معمول‌ترین روش است، استفاده می‌شود. اکنون دانشمندان سعی دارند تا روش‌های جدیدی را بوجود آوردند که از جلبک‌های سبز برای تولید هیدروژن استفاده نمایند.
ویژگی‌های درخور نگرش
هیدروژن سبک‌ترین عنصر شیمیایی بوده با معمول‌ترین ایزوتوپ آن که شامل تنها یک پروتون و الکترون است. در شرایط فشار و دمای استاندارد هیدروژن یک گاز،H۲، دو اتمی با نقطه جوش ۲۰.۲۷° K و نقطه ذوب ۱۴.۰۲° K را میسازد. در صورتیکه این گاز تحت فشار فوق العاده بالایی، مانند شرایطی که در مرکز غولهای گازی وجود دارد، قرار گیرد مولکولها ماهیت خود را از دست داده و هیدروژن بصورت فلزی مایع در می‌آید. (رجوع شود به هیدروژن فلزی). اما در فشارهای بسیار پایین مانند شرایطی که در فضا یافت می‌شود، به این علت که هیچ راهی برای ترکیب اتمهایش وجود ندارد، هیدروژن تمایل دارد تا بصورت اتم‌های مجزا در آمده؛ابرهای H۲ (هیدروژنی) تشکیل می‌شود که به شکل گیری ستارگان نیز مرتبط است.
این عنصر نقش بسیار حیاتی در تأمین انرژی جهان از طریق واکنش پروتون-پروتون و چرخه کربن-نیتروژن به عهده دارد(اینها فرآیندهای هم جوشی هسته‌ای هستند که با ترکیب دو اتم هیدروژن به یک اتم هلیم، مقدار بسیار عظیمی از انرژی آزاد می‌کنند.) 

کاربردها


به مقدار بسیار زیادی هیدروژن در فرآیند هابر (Haber Process) صنعت نیاز است، مقدار قابل توجهی در برای تولید آمونیاک، هیدروژنه کردن چربی‌ها و روغن‌ها، و تولید متانول. سایر مواردی که نیازمند هیدروژن است عبارت‌اند از: 
  • آلکیل زدایی آبی (هیدرودیلکیلاسیون hydrodealkylation)، گوگردزدایی آبی (هیدرودیسولفوریزاسیون، hydrodesulfurization) و هیدروکرکینک (hydrocracking)
  • تولید اسید هیدروکلریک،جوشکاری،سوخت‌هایموشک و احیاء سنگ معدن فلزی
  • هیدروژن مایع در تحقیقات سرما‌شناسی مانند مطالعات ابررسانایی بکار می‌رود.
  • تریتیوم که در رآکتورهای اتمی تولید می‌شود در ساخت بمبهای هیدروژنی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
  • هیدروژن چهارده و نیم بار از هوا سبکتر است و سابقا به‌عنوان عامل بالا برنده در بالون‌ها و کشتی‌های هوایی مورد استفاده قرار می‌گرفت تا وقتیکه فاجعه هیندنبرگ ثابت کرد که استفاده از این گاز برای این منظور بسیار خطرناک است.
  • دوتریوم به‌عنوان یک کند کننده جهت کاهش حرکت نوترونها در فعالیت‌های هسته‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد، و ترکیبات دوتریوم در شیمی و زیست‌شناسی در مطالعات تأثیرات ایزوتوپ، مورد استفاده وافع می‌شوند.
  • تریتیوم که یک ایزوتوپ طبقه بندی شده در علوم زیست‌شناسی است که به‌عنوان یک منبع تشعشع در رنگهای نورانی کاربرد دارد.
هیدروژن می‌تواند در موتورهای درون سوز سوخته شود و یا در پیلهای هیدروژنی انرژی بصورت برق تولید کند.تاکنون چند خودرو آزمایشی توست شرکتهای مختلف اتومبیل سازی از جمله BMW(موتور گرمایی) و Mercedes Benz ،Toyota ،Opel و ... (پیل هیدروژنی) تولید شدند. پیل‌های سوختی هیدروژنی، به‌عنوان راه کاری برای تولید توان بالقوه ارزان و بدون آلودگی، مورد توجه قرار گرفته است.
پیدایش
هیدروژن فراوانترین عنصر در جهان است بطوریکه ۷۵٪ جرم مواد طبیعی از این عنصر ساخته شده و بیش از ۹۰٪ اتم‌های تشکیل دهنده آنها اتم‌های هیدروژن است.
این عنصر به مقدار زیاد و به وفور در ستارگان و سیارات غولهای گازی یافت می‌شود. به نسبت فراوانی زیاد آن در جاهای دیگر، هیدروژن در اتمسفر زمین بسیار رقیق است(۱ ppm برحسب حجم). متعارف‌ترین منبع برای این عنصر در زمین آب است که از دو قسمت هیدروژن و یک قسمت اکسیژن (H۲O) ساخته شده است.
منابع دیگر عبارت‌اند از بیشترین اشکال مواد آلی که در اندام تمام موجودات زنده شناخته شده وجود دارند، زغال،سوخت فسیلی و گاز طبیعی. متان (CH۴)، که یکی از محصولات فرعی فساد ترکیبات آلی است که اهمیت منابع آن رو به افزایش است.
هیدروژن از چندین راه مختلف بدست می‌آید، عبور بخار از روی کربن داغ، تجزیه هیدروکربن به‌وسیله حرارت،واکنش هیدروکسیدسدیم یا پتاسیم بر آلومینیوم، الکترولیز آب یا از جابجایی آن در اسیدها توسط فلزات خاص.هیدروژن تجاری در حجمهای زیاد معمولاً به‌وسیله تجزیه گاز طبیعی تولید می‌شود.

ترکیبات

هیدروژن سبک‌ترین گازها با اکثر عناصر ترکیب شده و ترکیبات مختلف را بوجود می‌آورد. هیدروژن دارای عدد اکترونگاتیویته ۲.۲ است پس هیدروژن هنگامی ترکیبات را می‌سازد که عناصر غیر فلزی تر و عناصر فلزی تری وجود داشته باشند. در این حالت(غیر فلزی) تشکیل دهنده‌ها هیدریدها نامیده می‌شوند، که هیدروژن یا بصورت یونهای H- یا بصورت حل شده در عنصر دیگر وجود خواهد داشت (مانند هیدرید پالادیوم). در حالت دوم (ترکیب با فلز) هیدروژن تمایل برای تشکیل پیوند کووالانسی دارد، چون یونهای H+ بصورت یک اتم عریان فاقد الکترون در می‌آیند بنابراین تمایل شدیدی به جذب الکترونها به سمت خود داردند. هر دوی اینها تولید اسید می‌کنند. لذا حتی در یک محلول اسیدی می‌توان یونهایی مثل H۳O+ را دید که گویی پروتونها به جایی محکم به چیزی چسبیده اند.
هیدروژن با اکسیژن ترکیب شده و تولید آب می‌کند، H۲O، که در این واکنش مقدار زیادی انرژی را بصورتی آزاد می‌کند که، باعث انفجار در هوا می‌گردد. به اکسید دوتریوم یا D۲O، که معمولاً آب سنگین گفته می‌شود. همچنین هیدروژن با کربن یک سری ترکیبات گسترده‌ای را بوجود می‌آورد. بخاطر ارتباط این ترکیبات با چیزهای زنده، این ترکیبات را ترکیبات آلی می‌نامند، و به مطالعه خصوصیات این ترکیبات شیمی آلی گفته می‌شود.

هشدارها  

هیدروژن گازی است با قدرت افروزش بسیار زیاد. این گاز همچنین به شدت با کلر و فلوئور واکنش نشان می‌هد. D۲O، یا آب سنگین برای بسیاری از گونه‌های سمی است. اما مقدار قابل توجهی از آن برای کشتن انسان لازم است.



معرفی عناصر جدول مندلیف :

هلیم 

اطلاعات اولیه 

هلیم ، عنصر شیمیایی است که در جدول تناوبی با نشان He و عدد اتمی 2 وجود دارد. هلیم که گاز بی‌اثر بی‌رنگ و بی‌بویی است، دارای پایین‌ترین نقطه جوش در میان عناصر است و تنها تحت فشار بسیار زیاد به حالت جامد در می‌آید. این عنصر بصورت گاز تک‌اتمی یافت می‌شود، از نظر شیمیایی خنثی می‌باشد و بعد از هیدروژن فراوانترین عنصر در جهان به حساب می‌آید.

هلیم در جو زمین به میزان بسیار کم براثر فرسایش مواد معدنی خاصی یافت شده ، در بعضی از آبهای معدنی هم وجود دارد. هلیم در گازهای طبیعی خاصی بصورت مقادیر قابل تهیه تجاری وجود دارد و از آن بعنوان گاز بالابرنده در بالونها ، مایع سردکننده سرمازا در آهنرباهای ابر رسانا و گاز وزن افزا در غواصی در آبهای عمیق استفاده می‌گردد. 

تاریخچــــــــه 

هلیم ( از واژه یونانی helios به معنی خورشید ) درسـال 1868 توسط "Pierre Janssen" فرانســوی و "Norman Lockyer" انگلیسی که مستقل از هم فعالیت می‌کردند، کشف شد. هر دوی آنها هنگام یک خورشید گرفتگی در همان سال ، مشغول مطالعه بر روی نور خورشید بودند و بطور طیف‌نمایی متوجه خط انتشار عنصر ناشناخته ای شدند. "Eduard Frankland" ضمن تایید یافته‌های Janssen ، نام این عنصر را با توجه به نام خدای خورشید در یونان ،Helios پیشنهاد کرد و چون انتظار می‌رفت این عنصر جدید ، فلز باشد، پسوند ium – را به آن افزود.

"William Ramsay" سال 1895 این عنصر را از clevite جدا نمود و در نهایت متوجه غیر فلز بودن آن گشت، اما نام این عنصر تغییری نکرد. "Nils Langlet" و "Per Theodor Cleve" شیمیدانان سوئدی که بطور مستقل از Ramsay کار می‌کردند، تقریبا" در همان زمان موفق به جداسازی هلیم از Clevite شدند.

سال 1907 "Thomas Royds" و "Thomas Royds" موفق به اثبات این واقعیت شدند که ذرات آلفا ، هسته‌های اتم هلیم می‌باشند. "Heike Kamerlingh Onnes" فیزیکدان آلمانی درسال 1908 اولین مایع هلیم را بوسیله سرد کردن این گاز تا 9K بدست آورد و به سبب این کار بزرگ ، جایزه نوبل را به او اهداء کردند.

سال 1926، یکی از شاگردان او به نام "Willem Hendrik Keesom " برای اولین بار هلیم را بصورت جامد تبدیل نمود. 

پیدایــــــــش 

هلیم بعد از هیدروژن فراوانترین عنصر در جهان است و تقریبا" 20% ماده ستارگان را تشکیل می‌دهد. این گاز همچنین دارای نقش مهمی در واکنشهای پروتون – پروتون و چرخه کربن در ستارگان است که تشکیل دهنده بیشترین انرژی آنها می‌باشد. فراوانی هلیم بیشتر از آن است که با تولید توسط ستارگان توجیه شود، اما با مدل انفجار بزرگ (Big Bang ) سازگار است و اکثر هلیم موجود در جهان در سه دقیقه اول شکل‌گیری جهان بوجود آمده‌اند.

این عنصر در جو زمین و به مقدار 1 در 000 00 2 وجود داشته ، بعنوان یک محصول فروپاشی در کانی‌های رادیواکتیو گوناگونی یافت می‌شود؛ بخصوص این عنصر در کانی‌های اورانیوم و توریم مانند clevites ،pitchblende، carnotite ، monazite و beryl ، بعضی از آبهای معدنی ( در بعضی از چشمه های ایسلند به میزان 1 در 1000 هلیم وجود دارد )، در گازهای آتشفشانی و در گازهای طبیعی خاصی در آمریکا (که بیشتر هلیم تجاری جهان از این منطقه بدست می‌آید) دیده می‌شود.

هلیم را می توان از طریق بمباران لیتیم با بور بوسیله پروتونهای سریع تولید نمود. 

خصوصیات قابل توجه 

هلیم در دما و فشار طبیعی بصورت گازی تک‌اتمی وجود دارد و فقط در شرایط بسیار غیر عادی متراکم می‌شود. هلیم دارای پایین‌ترین نقطه ذوب در میان عناصر است و تنها مایعی است که با کاهش دما به جامد تبدیل نمی‌شود و در فشار استاندارد تا دمای صفر مطلق به حالت مایع باقی می‌ماند؛ (تنها با افزایش فشار می‌توان آنرا به جامد تبدیل نمود.)

در واقع دمای بحرانی که بالاتر از آن بین حالات مایع و گاز هیچ تفاوتی وجود ندارد، تنها 19,5K است. He-4 و He-3 جامد از این نظر که یک محقق می‌تواند با استفاده از فشار حجم آنها را بیش از 30% تغییر دهد، منحصر به فرد هستند. ظرفیت گرمایی ویژه گاز هلیم بسیار زیاد است و بخار آن بسیار متراکم می‌باشد، بطوری‌که در صورت گرم شدن در دمای اطاق سریعا" منبسط می‌گردد.

هلیم جامد فقط در فشار بالا و در تقریبا" 100 مگا پاسکال در 15- درجه کلوین است که بین دمای پایین و بالا یک جابجایی انجام می‌دهد که در آن ، اتمها دارای آرایشهای به‌ترتیب مکعبی و شش‌ضلعی می‌شوند. در یک لحظه از این دما و فشار ، حالت سومی بوجود می‌آید که در آن ، اتمها آرایشی مکعبی به خود می‌گیرند، در حالیکه جرم آن در مرکز قرار دارد.

تمامی این حالات از نظر انرژی و چگالی مشابه هستند و دلایل این تغییرات به جزئیات چگونگی شکل‌گیری اتم‌ها بر می‌گردد. 

کاربردهـــــــا 

هلیم بیشتر بعنوان گازی بالابرنده در بالونها استفاده می‌شود که از آنها به‌ترتیب برای تبلیغات ، تحقیقات جوی ، شناسایی‌های نظامی و بعنوان یک چیز بدیع استفاده می‌شود. بعلاوه هلیم دارای قدرت بالابرندگی 92,64% هیدروژن است، اما بر خلاف آن قابل اشتعال نبوده ، بنابراین ایمن‌تر از هیدروژن به‌حساب می‌آید. 
سایر کاربردهای آن 

  • هلیم – اکسیژن برای تنفس در محیطهای پرفشار مثل لباس غواصی یا زیردریائیها بکار می‌رود، چون هلیم ساکن است و کمتر از نیتروژن ، در خون قابل حل می‌باشد و 2,5 مرتبه سریعتر ازنیتروژن منتشر می‌شود. این مسئله موجب کاهش مدت زمان لازم برای از بین بردن گاز در هنگام فشارزدایی می‌شود و خطر خواب نیتروژنی را از بین می‌برد و احتمال تمرکز آن مثل حبابهای متصل وجود ندارد.
  • دارای پایین‌ترین نقطه ذوب و جوش در میان عناصر است که این خصوصیت ، مایع هلیم را به خنک کننـده ای ایده‌آل برای مقاصدی که دمای بسیار پایین نیاز دارند، تبدیل می‌کند، از جمله آهنرباهای ابررسانا و تحقیقات سرما شناسی که در آنها دمای نزدیک به صفر مطلق نیاز است.
  • هلیم بعنوان یک خنثی و حامل بعنوان مثال در گاز رنگ‌کاری)) مورد استفاده قرار می‌گیرد.
  • همجوشی هیدروژن به هلیم انرژی لازم برای بمبهای اتمی را تامین می‌کند.
  • از هیدروژن همچنین برای موشکهای با سوخت مایع فشرده ، بعنوان حفاظ گاز در جوشکاری برقی ، بعنوان گازی محافظ برای تولید بلورهای سیلیکون و ژرمانیم ، بعنوان عامل خنک کننده برای رآکتورهای اتمی و برای تونلهای بادی فراصوتی استفاده می‌شود.
  • همزمان با پیشرفت تکنولوژی MRI) magnetic resonance imaging) در مصارف پزشکی ، استفاده از هلیم مایع در MRI رو به افزایش است.

ترکیبات 

هلیم اولین عنصر در گروه گازهای بی‌اثر است و برای بسیاری از اهداف عملی واکنش‌ناپذیر می‌باشد. اما در اثر تخلیه الکتریکی یا بمباران الکترونی ، ترکیباتی را با تنگستن ، ید ، فلوئور ، گوگرد و فسفر بوجود می‌آورد.
 
ایزوتوپهــــــــــا 

معمولترین ایزوتوپ هلیم ، He-4 می‌باشد که هسته آن ، دارای دو پروتون و دو نوترون است. چون تعداد نوکلئونها عجیب است، این یک آرایش اتمی غیرعادی پایدار به‌حساب می‌آید، یعنی نوکلئونها در لایه‌های کامل آرایش یافته‌اند. بسیاری از هسته‌های سنگین‌تر بر اثر انتشار هسته‌های He-4 متلاشی می‌شوند، فرآیندی که فروپاشی آلفا نامیده شده ، به همین علت هسته‌های هلیم را ذرات آلفا می‌نامند و بیشتر هلیم زمین با این فرآیند تولید می‌شود.

دومین ایزوتوپ هلیم ، He-3 است که هسته آن تنها دارای یک نوترون می‌باشد. علاوه بر اینها هلیم چندین ایزوتوپ سنگین تر رادیواکتیو دارد. He-3 عملا" در سطح زمین ناشناخته است، چون منابع درونی هلیم ، زمانیکه ذرات آلفا و هلیم اتمسفری در دوران زمین شناسی نسبتا" کوتاهی وارد فضا می‌شوند، فقط ایزوتوپ He-4 تولید می‌کنند.

He-3و He-4 هر دو در انفجار بزرگ (Big Bang) تولید شده‌اند و بعد از هیدروژن ، فراوانترین عنصر موجود در طبیعت هلیم است. هلیم اضافی بوسیله همجوشی هیدروژن درون هسته‌های اختری و از طریق فرآیندی که زنجیره پروتون – پروتون نامیده می‌شود، تولید می‌گردد. 

گونه‌هــــــــا 

هلیم مایع ( He-4) به دو صورت یافت می‌شود : He-4II و He-4I که در نقطه تحول فعالی در دمای 1768,2K و در فشار بخار آن مشترک هستند. He-4I ( بالای این نقطه) مایعی نرمال است، اما He-4II ( پایین این نقطه) شبیه هیچ یک از مواد شناخته شده نمی‌باشد. 
وقتی در دمای بالاتر از 1768,2K و در فشار بخار خود ( به اصطلاح نقطه لامدا ) سرد شد، تبدیل به یک ابر شار به نام هلیم مایع II می‌گردد 
( برعکس هلیم مایعI که نرمال است) که به علت تاثیرات کوانتومی ، ویژگیهای غیر عادی زیادی داشته ، یکی از اولین نمونه‌های مشاهده شده از اثرات کوانتومی است که درمقیاس macroscopic عمل می‌کند.

چون این تاثیر متکی به تراکم بوزونها( bosons ) است، این تحولات در He-3 در دمایی پایین‌تر از He-4 رخ می‌دهد، اما هسته‌های He-3 فرمیونها 
( fermions ) هستند که نمی‌توانند جداگانه متراکم شوند، ولی در جفتهای بوزونی باید اینگونه باشند. چون این دگرگونی منظم است، بدون گرمای نهان در نقطه لامدا این دو نوع مایع هرگز همزیستی نمی‌کنند.

هلیم II دارای ویسکوزیته صفر است و خاصیت هدایت حرارتی آن از تمام مواد دیگر بیشتر است. بعلاوه هلیم II پدیده ترمومکانیکال را بروز می‌دهد؛ اگر دو ظرف حاوی هلیمII بوسیله یک لوله بسیار باریک به هم متصل باشند و یکی از آنها را گرم کنیم، جریانی از هلیم II به طرف ظرف گرم شده بوجود می‌آید. بر عکس در پدیده مکانیک حرارتی ، سرد کردن هلیم II که در حال خارج شدن از لوله باریک است، باعث ایجاد جریان اجباری هلیم II در لوله ای باریک می‌شود.

تغییرات حرارتی وارده بر هلیم II ، همانند آنچه که در تغییرات تراکم صدا وجود دارد ( پدیده ای که " صدای دوم " نامیده می‌شود ) سرتاسر این مایع انتشار می‌یابد.سطوح سختی که با هلیم II در تماسند، بوسیله لایه نازکی به قطر 50 تا 100 اتم پوشیده می‌شوند که در طول آن می‌تواند جریان بدون اصطکاک این مایع انجام پذیرد؛ در نتیجه نگهداری هلیم II در ظرف باز ، بدون خارج شدن این مایع از لبه آن امکان پذیر نیست.

جابجائی‌های فراوان هلیم II بوسیله لایه آن با سرعت ثابت انجام می‌شود که فقط به دما بستگی دارد. در آخر اینکه یک حجم زیادی از هلیم II بصورت یک واحد گردش نخواهد داشت. در عوض تلاش برای گردش آنها منجر به vortice های کوچک بدون اصطکاکی در این مایع خواهد شد. 

هشدارهـــــا 

محفظه‌هایی که با هلیم گازی در دمای 5 تا 10 کلوین پر شده‌اند، باید طوری نگهداری شوند که گویی دارای هلیم مایع هستند، چون گرم شدن این گاز در دمای اطاق منجر به افزایش شدید فشار آن می‌گردد.