غول های گازی

آب سنگین در فیزیک و کاربردهای آن

دنیای ما پر از شگفتی‌هاست به هر طرف که نگاه کنیم یک چیز تازه و جالب در کمین نشسته است تا خود را به ما بشناساند. اما خیلی از موضوعاتی که ساده به نظر می‌رسند در درون خود دنیائی پر از مجهولات را شامل می‌گردند. باید با چشم مسلح به خرد و شعور مسائل بسیار ساده خود نگاهی دوباره بیاندازیم تا دوباره آنها را کشف کنیم شاید بارها و بارها با مراجعه به یک مطلب ساده و پیش‌ پا افتاده ما را به شگفتی وادارد چراکه تا چندی پیش تصور می‌کردیم که همه چیز را در رابطه با آن چیز می‌دانیم ـ اما بعد از اندکی دقت و تأمل به این نتیجه می‌رسیم که مطلب بسیاری ـ هنوز در رابطه با آن وجود دارد که ما نمی‌دانیم. شاید حتی تصورات ما در رابطه با آن موضوع به کلی اشتباه بوده و احتیاج به بازنگری کلی دارد! یکی از همین چیزهای بسیار ساده جهانی به نام آب است بله همین آب ساده که هر روز باید برای زندگی آن‌را بیاشامیم.

اما تا به حال چند بار در رابطه با همین دنیای ساده فکر کرده‌اید؟

شاید بسیاری بگویند که دیگر آب چه چیز پنهانی دارد اما اگر به شما گفته شود آبی وجود دارد که یک گرم آن بیش از یک کیلو طلا قیمت دارد و در شیر آب منزل شما نیز از این آب یافت می‌شود تصور شما باز هم همان خواهد بود که از قبل داشته‌اید یا اکنون با دیدی مشتاقانه‌تر مطلب را دنبال می‌کنید. ممکن است سئوال کنید مگر آب با آب فرق می‌کند؟ بله! جالب است بدانید آن‌قدر آب مختلف داریم که حتی نمی‌توانیم بگوئیم دقیقاً چند نوع هستند! شاید فکر کنید که منظور مواد افزوده شده به آب و یا حل شده در آب خاصیت آن را متفاوت می‌کنند اما منظور ما فقط آب خالص و تقطیر شده است. تعجب بسیاری در این مواقع ـ مانند افرادی است که همیشه آب را به‌عنوان ماده‌ای برای خاموش کردن آتش تصور می‌کردند. اما اگر در یک برنامه تردستی ببینید که شعبده‌بازی با آب سیگار خود را روشن می‌کند چه‌طور؟ بله آب می‌تواند باعث آتش‌سوزی شود! تردستان و شعبده‌بازان اندکی ماده سدیم به سر سیگار خود می‌مالند و هنگامی که سدیم با آب تماس پیدا می‌کند نتیجه‌ای جز برافروختن آتش در پی نخواهد داشت.

حال اگر به شما بگویم که با نوعی آب می‌توان بمبی به مراتب قوی‌تر از بمب اتمی ساخت باز هم فکر می‌کنید که آب یک ماده ساده و شناخته شده است.

اگر گفته شود که در آینده ـ راکتورهائی ساخته خواهد شد که سوخت آن همین آب ساده خواهد بود و هیچ تشعشعات مخرب و ضد محیط زیستی نیز نخواهد داشت، طرز فکر شما چگونه خواهد بود؟

● ایزوتوپ

زمانی که مندلیف تصمیم گرفت تا جدول تناوبی عناصر طبیعی را بر حسب عدد اتمی تنظیم کند ـ مجبور شد تا عناصری را که دارای یک عدد اتمی هستند ولی جرم‌های متفاوت دارند را در یک خانه قرار دهد. لذا به این عناصر هم خانه یا ایزوتوپ گفته می‌شود. ایزوتوپ‌های یک عنصر دارای تعداد پروتون‌های مساوی ولی تعداد نوترون‌های مختلف هستند. گاهی یک عنصر چندین ایزوتوپ دارد.

● هیدروژن

هیدروژن که اولین عنصر جدول مندلیف است در جهان هستی وافرترین عنصر از نظر مقدار می‌باشد.

اما هیدروژن موجود در طبیعت اکثراً از یک پروتون و یک الکترون تشکیل گردیده است. حال اگر همین هسته هیدروژن یک نوترون اضافی داشته باشد به آن ایزوتوپ هیدروژن یا دوتریوم می‌گوئیم. اگر به‌جای یک نوترون ـ دو نوترون وجود داشته باشد به آن تریتیوم می‌گوئیم. بعضی بر این باورند که در طبیعت امکان وجود ایزوتوپ دیگری از هیدروژن‌ با سه نوترون نیز امکان‌پذیر است. که این عنصر بسیار ناپایدار بوده و مانند اورانیوم دارای تشعشعات رادیواکتیو خطرناک است و سریعاً نیز به هسته کوچک‌تر تبدیل می‌شود.

● نگاهی سریع به فیزیک هسته‌ای

در جهان همه چیز از اتم ساخته شده است. اتم‌های مختلف در کنار هم قرار می‌گیرند و مولکول‌های مختلف را تشکیل می‌دهند. هر اتمی که در طبیعت پیدا می‌شود، یکی از ۹۲ نوع اتمی است که به نام عناصر طبیعی شناخته شده‌اند؛ پس هرچه روی زمین وجود دارد، از فلز، پلاستیک، لباس، شیشه گرفته تا مو و غیره، همه ترکیباتی از ۹۲ عنصر طبیعی هستند. جدول تناوبی عناصر، فهرست عناصری است که می‌توان در طبیعت پیدا کرد به اضافه عناصری که به‌دست بشر ساخته شده است. درون هر اتم می‌توان سه ذره ریز پیدا کرد: پروتون، نوترون و الکترون. پروتون‌ها در کنار هم قرار می‌گیرند و هسته اتم را تشکیل می‌دهند، در حالی‌که الکترون‌ها به دور هسته می‌چرخند. پروتون‌ با الکتریکی مثبت و الکترون بار الکتریکی منفی دارد و از آن‌جا که بارهای مخالف، یک‌دیگر را جذب می‌کنند، پروتون و الکترون هم یک‌دیگر را جذب می‌کنند و همین نیرو، سبب پایدار ماندن الکترون‌ها در حرکت به دور هسته می‌گردد. در اغلب حالت‌ها تعداد پروتون‌ها و الکترون‌های درون اتم یکسان است، بنابراین اتم در حالت عادی و طبیعی خنثی است. نوترون، بار خنثی دارد. تعداد پروتون‌های هسته نوع اتم را مشخص می‌کند. برای مثال اگر ۱۳ پروتون و ۱۴ الکترون هم به دور آن بچرخند، یک اتم آلومینیوم خواهید داشت و اگر یک میلیون میلیارد میلیارد اتم آلومینوم را در کنار هم قرار دهید، آن‌گاه نزدیک به پنجاه گرم آلومینیوم خواهید داشت! همه آلومینیوم‌هائی که در طبیعت یافت می‌شوند، AL ۲۷ یا آلومینیوم ۲۷ نامیده می‌شوند.

عدد ۲۷ نشان‌دهنده جرم اتمی است که مجموع تعداد پروتون‌ها و نوترون‌های هسته را نشان می‌دهد. اگر یک اتم آلومینیوم را درون یک بطری قرار دهید و میلیون‌ها سال بعد برگردید، باز هم همان اتم آلومینیوم را خواهید یافت. بنابراین آلومینیوم ۲۷ یک اتم پایدار نامیده می‌شود. بسیاری از اتم‌ها در شکل‌های مختلفی وجود دارند. مثلاً مس دو شکل دارد: مس ۶۳ که ۷۰ درصد کل مس موجود در طبیعت است و مس ۶۵ که ۳۰ درصد بقیه را تشکیل می‌دهد. شکل‌های مختلف اتم، همان‌طوری که گفته شد ـ ایزوتوپ‌ نامیده می‌شوند. هر دو اتم مس ۶۳ و مس ۶۵ دارای ۲۹ پروتون هستند، ولی مس ۶۳ دارای ۳۴ نوترون و مس ۶۵ دارای ۳۶ نوترون است.

هر دو ایزوتوپ خصوصیات یکسانی دارند و هر دو هم پایدارند. اتم‌های ناپایدار تا اوایل قرن بیستم، تصور می‌شد تمامی اتم‌ها پایدار هستند، اما با کشف خاصیت پرتوزدائی اورانیوم توسط بکرل مشخص شد برخی عناصر خاص دارای ایزوتوپ‌های رادیواکتیو هستند و برخی دیگر، تمام ایزوتوپ‌هایشان رادیواکتیو است. رادیواکتیو بدان معنی است که هسته اتم از خود تشعشع ساطع می‌کند. هیدروژن مثال خوبی از عنصری است که ایزوتوپ‌های متعددی دارد و فقط یکی از آنها رادیواکتیو است. هیدروژن طبیعی (همان هیدروژنی که ما می‌شناسیم) در هسته خود دارای یک پروتون است و هیچ نوترونی ندارد. (البته چون یک پروتون در هسته وجود دارد نیازی به نوترون نیست) ایزوتوپ دیگر هیدروژن، هیدروژن دو یا دتریوم است که یک پروتون و یک نوترون در هسته خود جای داده است.

دوتریوم، فقط ۰۱۵/۰ درصد کل هیدروژن را تشکیل می‌دهد و در طبیعت بسیار کمیاب است، با این حال مانند هیدروژن طبیعی رفتار می‌کند. البته از یک جهت با آن تفاوت دارد و آن، سمی بودن دوتریوم در غلظت‌های بالاست. دتریوم هم ایزوتوپ پایداری است، ولی ایزوتوپ بعدی که تریتیوم خوانده می‌شود، ناپایدار است.

تریتیوم که هیدروژن سه نیز خوانده می‌شود، در هسته خود یک پروتون و دو نوترون دارد و طی یک واپاشی رادیواکتیو به هلیوم سه تبدیل می‌شود. این بدان معنی است که اگر ظرفی پر از تریتیوم داشته باشید و آن را بگذارید و یک میلیون سال بعد برگردید، ظرف شما پر از هلیوم سه است. هلیوم سه از دو پروتون و یک نوترون ساخته شده و عنصری پایدار است. در برخی عناصر مشخص، به‌طور طبیعی همه ایزوتوپ‌ها رادیواکتیو هستند. اورانیوم بهترین مثال برای چنین عناصری است که علاوه بر رادیواکتیویته زیاد سنگین‌ترین عنصر رادیواکتیو هم هست که به‌طور طبیعی یافت می‌شود. علاوه بر آن، هشت عنصر رادیواکتیو طبیعی هم وجود دارند که عبارتند از پولوتونیوم، استاتین، رادون، فرانسیم، رادیوم، اکتینیوم، توریم و پروتاکتسینانیوم. عناصر سنگین‌تر از اورانیوم که به‌دست بشر در آزمایشگاه ساخته شده‌اند، همگی رادیواکتیو هستند.

● خصوصیات قابل توجه هیدروژن

هیدروژن سبک‌ترین عنصر شیمیائی 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 Kْ ۲۷۲۰ و نقطه ذوب kْ ۰۲ ۱۴ را می‌سازد.

در صورتی‌که این گاز تحت فشار فوق‌العاده بالائی، مانند شرایطی که در مرکز غول‌های گازی در بین ستارگان وجود دارد، قرار گیرد مولکول‌ها ماهیت خود را از دست داده و هیدروژن به‌صورت فلزی مایع در می‌آید. (هیدروژن فلزی). اما در فشارهای بسیار پائین مانند شرایطی که در فضا یافت می‌شود، به این علت که هیچ راهی برای ترکیب اتم‌هایش وجود ندارد، هیدروژن تمایل دارد تا به‌صورت اتم‌های مجزا در آمده؛ ابرهای (هیدروژنی) تشکیل می‌شود که به شکل‌گیری ستارگان نیز مرتبط می‌باشد. H۲

این عنصر نقش بسیار حیاتی در تأمین انرژی جهان از طریق واکنش پروتون ـ پروتون و چرخه کربن ـ نیتروژن به عهده دارد (این‌ها فرآیندهای هم‌جوشی هسته‌ای هستند که با ترکیب دو اتم هیدروژن به یک اتم هلیم، مقدار بسیار عظیمی از انرژی آزاد می‌کنند). در مرکز خورشید نیز در هر ثانیه ۱۵ میلیون تن ماده به‌صورت انرژی آزاد می‌گردد که فرآیند اصلی آن همین تبدیل چهار اتم هیدروژن به یک اتم هلیوم است. در این بین اندکی از جرم به انرژی تبدیل می‌شود که بنابر رابطه مشهور انیشتین به‌دست می‌آید. E= MC۲ که در آن M جرم تبدیل یافته - E انرژی آزاد شده و C سرعت نور که ۳۰۰ هزار کیلومتر در ثانیه می‌باشد است.

● کاربردها

به مقدار بسیار زیادی هیدروژن در فرآیندها بر (Haber Process) صنعت نیاز می‌باشد، مقدار قابل توجهی برای تولید آمونیاک، هیدروژنه کردن چربی‌ها و روغن‌ها و تولید متانول. سایر مواردی که نیازمند هیدروژن است عبارتند از:

▪ هیدرودیلکیلاسیون، هیدرودیسولفوریزاسیون و هیدروکرکینک

▪ تولید اسید هیدروکلریک، جوشکاری، سوخت‌های موشک و احیاء سنگ معدن فلزی

▪ هیدروژن مایع در تحقیقات سرماشناسی مانند مطالعات ابررسانائی به کار می‌رود.

▪ تریتیوم که در رآکتورهای اتمی تولید می‌شود در ساخت بمب‌های هیدروژنی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

▪ هیدروژن ۵/۱۴ بار از هوا سبک‌تر است و سابقاً به‌عنوان عامل بالا برنده در بالون‌ها و کشتی‌های هوائی مورد استفاده قرار می‌گرفت تا وقتی که فاجعه هیندنبرگ ثابت کرد که استفاده از این گاز برای این منظور بسیار خطرناک است.

▪ دوتریوم به‌عنوان یک کندکننده جهت کاهش حرکت نوترون‌ها در فعالیت‌های هسته‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد، و ترکیبات دوتریوم در شیمی و زیست‌شناسی در مطالعات تأثیرات ایزوتوپ، مورد استفاده واقع می‌شوند.

▪ تریتیوم یک ایزوتوپ طبقه‌بندی شده در علوم زیست‌شناسی است که به‌عنوان یک منبع تشعشع در رنگ‌های نورانی کاربرد دارد.

هیدروژن می‌تواند در موتورهای درون‌سوز به‌جای بنزین ـ سوخته شود و در برهه کوتاهی اتوموبیل‌هائی با سوخت هیدروژنی توسط شرکت Chrysler - BMW تولید شدند. پیل‌های سوختی هیدروژنی، به‌عنوان راه‌کاری برای تولید توان بالقوه ارزان و بدون آلودگی، مورد توجه قرار گرفته است.

● تاریخچه هیدروژن

هیدروژن (فرانسوی) به معنی سازنده آب و واژه یونانی hud?r یعنی ?آب? و gennen یعنی ?تولیدکننده? برای اولین بار در سال ۱۷۷۶ به وسیله هنری کاوندیش به‌عنوان یک ماده مستقل شناخته شده، آنتونی لاوازیه نام هیدروژن را برای این عنصر انتخاب کرد.

● پیدایش

هیدروژن فراوان‌ترین عنصر در جهان است به‌طوری که ۷۵ درصد جرم مواد طبیعی از این عنصر ساخته شده و بیش از ۹۰ درصد اتم‌های تشکیل‌دهنده 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 دقیق است (یک 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 عبارتند از بیشترین اشکال مواد عالی 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 عالی است که اهمیت منابع آن رو به افزایش است. هیدروژن از چندین راه مختلف به‌دست می‌آید، عبور بخار از روی کربن داغ، تجزیه هیدروکربن به وسیله حرارت، واکنش هیدروکسیدسدیم یا پتاسیم بر آلومینیوم، الکترولیز آب یا از جابه‌جائی آن در اسیدها توسط فلزات خاص. هیدروژن تجاری در حجم‌های زیاد معمولاً به وسیله تجزیه گاز طبیعی تولید می‌شود.

● ترکیبات

هیدروژن سبک‌ترین گازها با اکثر عناصر ترکیب شده و ترکیبات مختلف را به وجود می‌آورد. هیدروژن دارای عدد الکترونگاتیویته ۲.۲ است پس هیدروژن هنگامی ترکیبات را می‌سازد که عناصر غیر فلزی‌تر و عناصر فلزی‌تری وجود داشته باشند. در این حالت (غیرفلزی) تشکیل‌دهنده‌ها هیدریدها نامیده می‌شوند، که هیدروژن یا به‌صورت یون‌های H- یا به‌صورت 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+ ‌به‌صورت یک اتم عریان فاقد الکترون در می‌آیند بنابراین تمایل شدیدی به جذب الکترون‌ها به سمت خود دارند. هر دوی این‌ها تولید اسید می‌کنند.

لذا حتی در یک محلول اسیدی می‌توان یون‌هائی مثل (H۳O مثبت) را دید که گوئی پروتون‌ها به جائی محکم به چیزی چسبیده‌اند. هیدروژن با اکسیژن ترکیب شده و تولید آب می‌کند، که در این واکنش مقدار زیادی انرژی را به‌صورتی آزاد می‌کند که باعث انفجار در هوا می‌گردد. به اکسید دوتریوم یا D۲O، که همان‌طوری که اشاره شد معمولاً آب سنگین گفته می‌شود. هم‌چنین هیدروژن با کربن یک‌سری ترکیبات گسترده‌ای را به وجود می‌آورد. به خاطر ارتباط این ترکیبات با چیزهای زنده، این ترکیبات را ترکیبات عالی می‌نامند، و به مطالعه خصوصیات این ترکیبات شیمی عالی گفته می‌شود.

● حالت‌ها

در شرایط عادی گاز هیدروژن ترکیبی از دو نوع متمایز مولکول است که با هم از نظر جهت چرخش الکترون‌ها و هسته تفاوت دارند. این دو شکل به نام ارتو ـ و پارا ـ هیدروژن معروفند. (این مورد با ایزوتوپ‌ها فرق می‌کند به پاراگراف بعد توجه کنید.) در شرایط استاندارد هیدروژن معمولی ترکیبی از ۲۵ درصد شکل پارا و ۷۵ درصد شکل ارتو است. شکل ارتو را نمی‌توان به‌صورت حالت خالص آن تهیه کرد. این دو مدل هیدروژن از نظر انرژی با هم متفاوتند که این مسئله موجب می‌گردد، تا خصوصیات فیزیکی آنها کمی متفاوت باشد. مثلاً نقطه ذوب و جوش پاراهیدروژن تقریباً Kْ۱ پائین‌تر از ارتوهیدروژن است. (به اصطلاح شکل عادی.)

● خواص ایزوتوپ‌های هیدروژن

پروتیوم، معمولی‌ترین ایزوتوپ هیدروژن فاقد نوترون است گرچه دو ایزوتوپ دیگر به نام دوتریوم دارای یک نوترون و تریتیوم رادیواکتیویته دارای دو نوترون، وجود دارند. دو ایزوتوپ پایدار هیدروژن پروتیوم (H - ۱) و دوتریوم (H - ۲ ، D) می‌باشند. دوتریوم شامل ۰۱۸۴۰.۰ ـ ۰۰۸۲.۰% درصد کل هیدروژن است (IUPAC)؛ نسبت‌های دوتریوم به پروتیوم با توجه به استاندارد مرجع آب VSMOW اعلام می‌گردد. تریتیوم (T یا H-۳)، یک ایزوتوپ رادیواکتیو دارای یک پروتون و دو نوترون می‌باشد. هیدروژن تنها عنصری است که ایزوتوپ‌های آن اسمی مختلف دارند.

● هشدارها

هیدروژن گازی است با قدرت اشتعال فوق‌العاده زیاد. این گاز هم‌چنین به شدت با کلر و فلوئور واکنش نشان می‌دهد. O۲D یا آب سنگین برای بسیاری از گونه‌های سمی است. اما مقدار قابل توجهی از آن برای کشتن انسان لازم است. آب سنگین در شیر آب منزل شما در دریاها و هر مکان دیگری که آب باشد وجود دارد ولی با مقداری بسیار اندک.

دکتر بابک وزیری