| تبليغات | X |
|
|
عنصر پنجم بور ! بورون(بور) عنصر شیمیایی است که در جدول تناوبی دارای نشان B و عدد اتمی 5 می باشد.این عنصر شبه فلز سه ظرفیتی به مقدار فراوان در سنگ معدن بوره (borax) وجود دارد.این عنصر به دو شکل«ایزوتوپ) یافت می شود: بورون خیر بلورین که بصورت پودر قهوه ای رنگ و بورون فلزی که سیاه رنگ است.نوع فلزی آن سخت بوده ( 3/9 در مقیاس Mohs) که رسانای خوبی در حرارت اطاق نمی باشد. بورون هرگز بصورت آزاد در طبیعت یافت نمی شود.
خصوصیات قابل توجه بورون کمبود الکترون داشته و دارای یک اربیتالp آزاد است. ترکیبات بورون رفتاری همانند لوئیس اسیدها دارند و به سرعت ، جهت ارضا میل بورون به جذب الکترون به گونه های دارای الکترون زیاد می چسبند. ازویژگیهای ظاهری این عنصر گسیل اشعه مادون قرمز است.در حرارتهای استاندارد بورون رسانای الکتریکی ضعیفی است اما در حرارت بالا خاصیت هدایت الکتریکی خوبی دارد. خاصیت کشش پذیری بورون از تمامی عناصر شناخته شده بیشتر است. از نیترید بورون می توان درساخت موادی به سختی الماس استفاده نمود.از این نیترید بعنوان عایق استفاده می گردد اما خاصیت هدایت حرارتی شبیه یک فلز دارد.این عنصر همچنین دارای خاصیت روان کننده مثل گرافیت است. بورون مانند کربن دارای توانایی ایجاد شبکه های مولکولی با پیوند کووالانسی است.
کاربردها مهمترین ترکیب بورون از نظر اقتصادی تترابورات سدیم «Na2B4O))7 5H2((O) یا بوراکس است که به میزان بسیار زیادی در ساخت عایقهای فایبر گلاسی وسفید کننده پربورات سدیم بکار می رود.سایر کاربردها: بورون غیر بلورین به سبب رنگ سبز مخصوصی که دارد در فشفشه های نورافشان بکار می رود. اسید بوریک ترکیب مهمی است که در محصولات پارچه ای مورد استفاده قرار می گیرد. ترکیبات بورون دردر ترکیبات آلی و تولید شیشه های borosilicate کاربرد وسیعی دارند. سایر ترکیبات بعنوان نگهدارنده های چوب مورد استفاده قرار می گیرند و ویژگی خاصی که در این مورد دیده می شود درجه پایین سمی بودن آنها است. بورون- 10به عنوان سپری در برابر تشعشعات و نوترون یاب در کنترل رآکتورهای اتمی بکار گرفته می شود. مفتولهای بورون موادی سبک و بسیار مقاوم هستند و عمدتا" در سازه های پیشرفته هوا-فضا کاربرد دارند. مطالعه بر روی ترکیبات بورون در حال انجام است تا از آنها در مواردگسترده دیگری از جمله غشاهای نفوذ پذیر قند ، دریافتگرهای کربوهیدرات و bioconjugates استفاده شود. مطالعه بر روی کاربردهای دارویی نیز در حال انجام است از جمله درمان با جذب نوترون بورون و تولید دارو.سایر ترکیبات بورون نیز نوید بخش معالجه ورم مفاصل (آرتروز) هستند.
بورون ! تاریخچه ترکیبات بورون ( از ریشه عربی Buraqو فارسی بوره) هزاران سال پیش شناخته شده اند.در یونان باستان ، وابسته به سنگ معدنی به نام natron بود که علاوه بر سایر نمکهای معمول ، حاوی بورات نیز بود.لعابهای بوراکس درچین ،از 300 بعد از میلاد بکار می رفته و در روم باستان نیز از ترکیبات بورون در تولید شِشه استفاده می شده است. Sir Humphrt Davy,Gay-LussacوL.J.Thenard در سال 1808 این عنصر را با درصد خلوص 50 جدا کردند.آنها این ماده را بعنوان یک عنصر نپذیرفتند.در ســا ل1824 Jٱٱ Jacob Berzelius بورون را بعنوان یک عنصرشناسایی کرد.W.Weintraub شیمیدان آمریکایی اولین کسی بود که سال 1909 موفق به تولید بورون خالص شد.
پیدایش آمریکا وترکیه بزرگترین تولیدکنندگان بورون هستند.این عنصر در طبیعت به صورت اصلی خود یافت نمی شود بلکه بصورت ترکیب در بوراکس، اسید بوریک ، بورات کلسیم ،کرنیت ، ulexite و بوراتس وجود دارد.بوریک اسید گاهی در آب چشمه های آتشفشانی یافت می شود. Ulexite نوعی کانی است که بطور طبیعی خصوصیات فیبرهای نوری را دارا می باشد. از نظر اقتصادی منابع مهم آن ، سنگ معدن راسوریت اوره (kernite) و تینکال( سنگ معدن باروکس) است که هر دوی آنها در صحرای موهاوی در کالیفرنیا وجود دارند( در این محل باروکس مهمترین منبع است).ترکیه محل دیگری است که میزان بسیار زیادی از این عنصر در آن وجود دارد. بورون خالص به آسانی تهیه نمی شود.ابتدایی روش برای تهیه آن ، کاهش اکسید بور با فلزاتی چون منیزیوم یا آلومینیوم بود.اما این محصول تقریبا" همیشه با بورید فلزات آلوده می شد.(با این وجود این واکنش بسیار چشمگیر است)بورون خالص را می توان با کاهش hologenide های بورون ناپایدار بوسیله هیدروژن و در حرارت بالا تهیه نمود. در سال 1997 بورون بلورین ( خلوص 99%) هر گرم 5 دلار و نوع بی شکل آن هر گرم 2 دلار قیمت داشت. ایزوتوپها بورون دارای دو ایزوتوپ طبیعی پایدار اسB-11 (1/80%) و B-10(9/19%).نتایج بسیار متفاوت در رشته وسیعی از11 δB-، آنرا در آبهای طبیعی بین 16- تا 59+ برآورد می کند.(؟)شکنش ایزوتوپی بورون بوسیله واکنشهای تبادلی گونه های بورون (B«OH3 و B(OH4) کنترل می شود.همچنین ایزوتوپهای بورون در خلال تبلور معدنی ، در طی تغییرات فازی H2O nv سیستمهای آب گرمایی( hydrothermal) و دگرگونی آب گرمائی سنگ شکنش می یابند.این تاثیر آخری (ترجیحا خروج گونه یون 10B(OH)4 ) احتمالا" باعث غلظت بالای 11B در آب دریا به نسبت پوسته های اقیانوسی و قاره ای است.
هشدارها بورون عنصری و بوراتها سمی نیستند لذا هنگام سروکار با آنها نیاز به ملاحظات خاصی نیست.بعضی از ترکیبات هیدروژن –بورون سمی هستند که هنگام کار با آنها نیاز به توجهات ویژه ای می باشد.
کربن کربن عنصری شیمیائی در جدول تناوبی است، با نشان C و عدد اتمی ۶. کربن عنصری غیر فلزی و فراوان، چهارظرفیتی ودارای سه آلوتروپ میباشد: الماس (سختترین کانی شناخته شده) گرافیت(یکی از نرمترین مواد) Covalend bound sp1 orbitals are of chemical interest only فولریت (فولرین ها، مولکولهایی در حد بیلیونیوم متر هستند که در شکل ساده آن، 60 اتم کربن یک لایه گرافیتی با ساختمان 3 بعدی منحنی، شبیه به روروئک (روروئکی که قسمت جلوی آن مانند چوب اسکی خم شده)، تشکیل میدهند . دوده چراغ از سطوح کوچک گرافیت تشکیل شده. این سطوح بصورت تصادفی توزیع شده، به همین دلیل کل ساختمان آن همسانگرد (ایزوتروپیک) است. چنین کربنی همسانگرد و مانند شیشه محکم است. لایههای گرافیت آن مانند کتاب مرتب نشده اند، بلکه مانند کاغذ خرد شده میباشند. الیاف کربن شبیه کربن شیشهای میباشند. تحت مراقبتهای ویژه (کشیدن الیاف آلی و کربنی کردن) میتوان لایههای صاف کربن را در جهت الیاف مرتب کرد. هیچ لایه کربنی در جهت عمود بر محور الیاف قرار نمیگیرد. نتیجه الیافی با استحکام بیشتر از فولاد میباشد . کربن در تمامی جانداران وجود داشته و پایه شیمی آلی را تشکیل میدهد.همچنین این غیرفلز ویژگی جالبی دارد که میتواند با خودش و انواع زیادی از عناصر دیگر پیوند برقرار کند(تشکیل دهنده بیش از ده میلیون ترکیب).در صورت ترکیب با اکسیژن تولید دی اکسید کربن میکند که برای رویش گیاهان، حیاتی میباشد.در صورت ترکیب با هیدروژن ترکیبات مختلفی بنام هیدرو کربنها را بوجود میآورد که به شکل سوختهای فسیلی، در صنعت بسیار بنیادی هستند. وقتی هم با اکسیژن و هم با هیدروژن ترکیب گردد ،گروه زیادی از ترکیبات را از جمله اسیدهای چرب را میسازند که برای حیات و استر، که طعم دهنده بسیاری از میوهها است، ضروری است.ایزوتوپ C-14 به طور متداول در سن یابی پرتوزایشی کاربرد دارد.
ویژگیهای درخور نگرش کربن به دلایل زیادی قابل توجه است. اشکال مختلف آن شامل یکی از نرمترین (گرافیت) و یکی از سختترین (الماس) مواد شناخته شده توسط انسان میباشد. افزون بر این، کربن میل زیادی به پیوند با اتمهای کوچک دیگر از جمله اتمهای دیگر کربن، داشته و اندازه بسیار کوچک آن امکان پیوندهای متعدد را بوجود میآورد. این خصوصیات باعث شکل گیری ده میلیون ترکیبات کربنی شده است .ترکیبات کربن زیر بنای حیات را در زمین میسازند و چرخه کربن – نیتروژن قسمتی از انرژی تولید شده توسط خورشید و ستارگان دیگر را تأمین میکند. کربن در اثر مهبانگ (انفجار بزرگ آغازین) حاصل نشده، چون این عنصر برای تولید نیاز به یک برخورد سه مرحلهای ذرات آلفا (هسته اتم هلیم) دارد. جهان در ابتدا گسترش یافت و به چنان به سرعت سرد شد که امکان تولید آن غیر ممکن بود. به هر حال، کربن درون ستارگانی که در رده افقی نمودار H-R قرار دارند، یعنی جائی که ستارگان هسته هلیم را با فرایند سه گانه آلفا به کربن تبدیل میکنند، تولید شد.
کاربردها کربن بخش بسیار مهمی در تمامی موجودات زنده است و تا آنجا که میدانیم بدون این عنصر زندگی وجود نخواهد داشت(به برتر پنداری کربن مراجعه کنید).عمدهترین کاربرد اقتصادی کربن، فرم هیدروکربنها میباشد که قابل توجهترین آنها سوختهای فسیلی، گاز متان و نفت خام است.نفت خام در صنعت پتروشیمی برای تولید محصولات زیادی از جمله مهمترین آنها بنزین، گازوئیل و نفت سفید بکار میرود که از طریق فرآیند تقطیر در پالایشگاهها بدست میآیند. از نفت خام مواد اولیه بسیاری از مواد مصنوعی، که بسیاری از آنها در مجموع پلاستیک نامیده میشوند، شکل میگیرد.
دیگر کاربردها : ایزوتوپ C-14 که در 27 فوریه 1930 کشف شد در سن یابی کربن پرتوزا مورد استفاده است. گرافیت در ترکیب با خاک رس بهعنوان مغز مداد بکار میرود. الماس جهت تزئین ونیز در متهها و سایر کاربردهایی که سختی آن مورد استفاده است کاربرد د ارد. برای تولید فولاد، به آهن کربن اضافه میکنند. کربن در میله کنترل در واکنشگاههای اتمی بکار میرود. گرافیت به شکل پودر و سفت شده بهعنوان ذغال چوب برای پخت غذا ،در آثار هنری و موارد دیگر مورد استفاده قرار میگیرد. قرصهای ذغال چوب در پزشکی که به صورت قرص یا پودر وجود دارند برای جذب سم از دستگاه گوارشی مورد استفاده اند. خصوصیات ساختمانی و شیمیایی فولرن به شکل ریزتیوب کربن، کاربردهای بالقوه امیدوار کنندهای در رشته در حال شکل گیری نانوتکنولوژی دارد.
تاریخچه کربن (واژه لاتین carbo به معنی ذغال چوب) در دوران پیشاتاریخ کشف شد و برای مردم باستان که آن را از سوختن مواد آلی در اکسیژن ضعیف تولید میکردند، آشنا بود.(تولید ذغال چوب).مدت طولانی است که الماس بهعنوان مادهای زیبا و کمیاب به حساب میآید. فولرن ،آخرین آلوتروپ شناخته شده کربن در دهه 80 بهعنوان محصولات جانبی آزمایشات پرتو مولکولی کشف شدند.
دگرگونهها (آلوتروپها) تاکنون چهار شکل گوناگون از کربن شناخته شده است: غیر متبلور(آمورف)، گرافیت، الماس و فولرن . کربن در نوع غیر بلورین آن اساسا گرافیت است اما بصورت ساختارهای بزرگ بلورین وجود ندارد.این شکل کربن، بیشتر بصورت پودر است که بخش اصلی موادی مثل ذغال چوب و سیاهی چراغ (دوده) را تشکیل میدهد. در فشار و دمای اتاق کربن به شکل گرافیت پایدارتر است که در آن هر اتم با سه اتم دیگر بصورت حلقههای شش وجهی- درست مثل هیدروکربنهای معطر - به هم متصل شده اند. هردو گونه شناخته شده از گرافیت، آلفا (شش ضلعی) و بتا (منشور شش وجهی که سطوح آن لوزی است) خصوصیات فیزیکی همانند دارند تنها تفاوت آنها در ساختار بلوری آنها میباشد. گرافیتهای طبیعی شامل بیش از 30% نوع بتا هستند در حالیکه گرافیتهای مصنوعی تنها حاوی نوع آلفا میباشند. نوع آلفا از طریق فرآوری مکانیکی میتواند به بتا تبدیل شود و نوع بتا نیز براثر دمای بالای ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد دوباره بصورت آلفا بر میگردد. گرافیت به سبب پراکندگی ابر pi هادی الکتریسیته است. این ماده نرم بوده و ورقههای آن که اغلب بهوسیله اتمهای دیگر تفکیک شده اند، تنها بهوسیله نیروهای وان در والس به هم چسبیدهاند به گونهای که به راحتی یکدیگر را کنار میزنند. در دما و فشارهای خیلی بالا کربن به صورت الماس پایدار است که در آن هر اتم با چهار اتم دیگر پیوند دارد.الماس ساختار مکعبی همانند سیلسیم و ژرمانیم دارد و (به سبب نیروی پیوندهای کربن – کربن) با نیترید بور همالکترون(BN) در کنارهم بوده و سخت ترین جسم از نظر مقاومت در برابر سایش به شمار میرود. تبدیل الماس به گرافیت در حرارت اتاق به قدری کند است که محسوس نیست. در برخی شرایط کربن به شکل لونسدالیت (lonsdalite) متبلور میشود که مشابه الماس ولی شش ضلعی است. فولرین ساختاری مثل گرافیت دارد اما بجای بخشهای تماما" شش ضلعی، حاوی پنج ضلعیها (یا احتمالا" هفت ضلعیهای) اتمهای کربن نیز میباشند که ورقه را به شکل کره، بیضی یا استوانه بوجود میآورند. ویژگیهایی از فولرین با نام فولرین باکمینستر (buckminsterfullerene) هم نامیده میشوند هنوز بخوبی بررسی نشده اند. اینگونه ساختار را به گونه کوتاه شده، گلولههای باکی (buckyballs) هم نامیده اند. کل نامگان فولرین برگرفته از نام باکمینستر فولر (Buckminster Fuller)، توسعه دهنده گنبد میلهای میباشد که از ساختار گلولههای باکی تقلید کرد.
کربن کربن پیدایش تقریبا" ده میلیون ترکیبات کربنی که برای دانش شناخته شدهاند وجود دارد که هزاران نوع آنها در فرآیندهای حیاتی و واکنشهای آلی بسیار مهم اقتصادی، ضروری میباشند.این عنصر به مقدار فراوان در خورشید، ستارگان، ستارههای دنباله دار و نیز در جو بیشتر سیارات یافت میشود.بعضی از شهابسنگها حاوی الماسهای میکروسکپی هستند که در زمانیکه منظومه شمسی هنوز یک دیسک گازی شکل بود شکل گرفته اند.کربن به صورت ترکیب با سایر عناصر در جو زمین وجود دارد و در همه گونه آب حل میشود.کربن به همراه مقادیر کمتر کلسیم، منیزیم و آهن، عنصر اصلی سازنده جرم زیادی از سنگ کربنات (سنگ آهک، دولمیت، سنگ مرمر و ...) میباشد. این عنصر در صورت ترکیب با هیدروژن تولید ذغال سنگ، نفت خام و گاز طبیعی میکند که آنها را هیدرو کربن مینامند. گرافیت به مقدار فراوان در نیویورک و تکزاس، امریکا، روسیه، مکزیک، گرینلند و هند یافت میشود. الماس طبیعی در کیمبرلیت معدنی موجود درچینهها یا ستونهای سنگهای آذرین یافت میشوند.بیشترین الماس در افریقا بویژه افریقای جنوبی، نامیبیا، بوتسوانا، جمهوری کنگو و سیرالئون وجود دارد. همچنین کانادا، قسمتهای قطبی روسیه، برزیل و بخشهای غربی و شرقی استرالیا دارای الماس میباشد.
ترکیبات غیر آلی معروفترین اکسید کربن، دی اکسید کربن (CO2) است که به مقدار کمتری در اتمسفر زمین وجود دارد. این اکسید توسط موجودات زنده، و برخی موارد دیگر تولید شده و مورد استفاده قرار میگیرد. آب مقدار کمی اسید کربنیک تولید میکند اما دی اکسید کربن مانند بیشتر ترکیباتی که دارای پیوندهای ساده چندگانه با اکسیژنهای روی یک کربن هستند، ناپایدار است. به هر حال، از طریق این واسطه، یونهای کربنات با تشدید تثبیت شده، بوجود میآیند. تعدادی از مواد معدنی مهم، کربناتها هستند که معروفترین آنها کلسیت است. دی سولفید کربن، (2 CS)، هم مانند آن میباشد. اکسیدهای دیگر آن، مونوکسید کربن (CO) و زیراکسید (suboxide) نادر C3O2 هستند.مونوکسید کربن که گازی بی رنگ و بی بو است بهوسیله اکسیده شدن ناقص بوجود میآید.هر یک از این مولکولها دارای یک پیوند سه گانه و نسبتا" قطبی هستند که ناشی از تمایل به یک پیوند دائمی با مولکولهای هموگلوبین میباشد به طوریکه این گاز بسیار سمی است. سیانید (CN-) دارای ساختار و رفتاری بسیار شبیه به یون هالید بوده و نیترید سیانوژن (CN2) نیز به آن مربوط است . کربن با فلزات قوی، کاربید C- , و یا استیلید C22- ; بوجود میآورد که با متان و استیلن همراه بوده و هر دوی آنها اسیدهای به طور باور نکردنی پائتیک اسید هستند. در کل ،کربن با الکترو نگاتیوی 5/2 به تشکیل پیوندهای کووالانسی تمایل دارد. تعداد کمی از کاربیدها مثل کربوراندوم و Sic، که شبیه الماس میباشند، بصورت شبکههای کوالانسی هستند.
زنجیره کربن در ساختار اتمی هیدروکربنها، گروهی از اتمهای کربن (اشباع شده با اتمهای هیدروژن) تشکیل یک زنجیره میدهند.روغنهای فرار زتجیرههای کوچک تری دارند.چربیها دارای زنجیرههای بلندتر و پارافینها زنجیرههایی بیاندازه بلندی دارند .
چرخه کربن فرآیند مداوم ترکیب و آزادسازی کربن و اکسیژن که در آن انرژی و حرارت ذخیره و دفع میشود را چرخه کربن میگویند.فروگشت (کاتابولیسم) + فراگشت (آنابولیسم) = دگرگشت (متابولیسم). (واژهها از فرهنگستان زبان و ادب فارسی). به چرخه کربن مراجعه کنید
ایزوتوپها اتحادیه بین المللی شیمی کاربردی و محض در سال 1961 ایزوتوپ کربن- 12 را برای اوزان اتمی اتخاذ کرد.کربن- 14 رادیوایزوتوپی است با نیمه عمر 5715 سال و برای تاریخ یابی رادیو کربن چوب، نقاط باستانشناسی و نمونهها کاربرد بسیار زیادی دارد. کربن دارای دو ایزوتوپ پایدار طبیعی میباشد: (C-12(%98.89 و C-13(%1.11) .نسبت این ایزوتوپها در؟ به نسبت الگوی VPDB (Vienna Pee Dee Belemnite from the Peedee Formation of South Carolina). d C-13 در اتمسفر 7 -؟ است است. هنگام فتوسنتز، کربنی که در بافت گیاه تثبیت میشود، به طور قابل ملاحظهای به C-13 موجود در جو بستگی دارد. دو حالت برای توزیع مقادیر dC-13 در گیاهان خشکی وجود دارد که ناشی از تفاوتهایی است که گیاهان در واکنشهای فتوسنتز بکار میبرند.بیشتر گیاهان خشکی، گیاهان مسیر C3 هستند و دارای ارزشهای dC-13 بوده که بین 24- و 34- قرار دارند(؟).دومین گروه از گیاهان (گیاهان مسیر C4) میباشند که ترکیبی از گیاهان آبی، صحرایی، شوراب زار و مرغزارهای استوایی هستند، و دارای ارزشهای dC-13 بین 6- و 19- میباشند. یک گروه واسطه (CAM plants)، متشکل از جلبک و گلسنگ، دارای ارزشهای dC-13 میباشد که بین 12- و 23-؟ هستند. dC-13 گیاهان و موجودات زنده دادههای سودمندی درباره مواد مغذی و ارتباطات شبکه غذایی ارائه میکند.
هشدارها ترکیبات کربن گستره وسیعی از آثار سمی دارند.مونوکسید کربن (C O) موجود در اگزوز موتورهای درونسوز و سیانید (CN) که گاهی اوقات در آلودگیهای معدنی وجود دارد برای پستانداران بسیار سمی هستند. بسیاری از ترکیبات دیگر کربن نه تنها سمی نیستند بلکه در واقع برای زیست ضروری میباشند.گازهای آلی مثل اتیلن (H2C=CH2) و اتان و (HCCH)، و متان (CH4) در صورت مخلوط شدن با هوا قابلیت انفجار و اشتعال خطرناکی پیدا میکنند.
عناصر گروه اول جدول تناوبي اين شش عنصر را با نام فلزات قليايي(alkali metals) نيز مي شناسيم، همگي داراي آرايش الكتروني لايه ي آخر مشابهي هستند، همگي به ns1 ختم مي شوند و به همين خاطر داراي واكنش پذيري بسيار زيادي هستند، چون آن ها مي توانند در واكنش هاي شيميايي آن 1 الكترون لايه ظرفيت خود را از دست بدهند و به يون مثبت(كاتيون) تبديل گردند، انسان ها در گذشته از محلول خاكستر چوب براي از بين بردن چربي ها استفاده مي كردند و نام آنرا قليا ناميده بودند، پس از تحقيقات متمادي مشخص گرديد كه در خاكستر چوب از عناصر گروه اول وجود دارد و به همين دليل نام عناصر گروه اول را فلزات قليايي گذاشتند. عناصر گروه اول فلزاتي بسيار نرم مي باشند كه به راحتي با چاقو بريده مي شوند و سطح آن ها داراي جلاي فوق العاده زيادي مي باشد، با اكسيژن هوا به آساني واكنش مي دهند و اكسيد فلز مربوطه را توليد مي كنند به همين علت آن ها را در آزمايشگاه درون نفت نگهداري مي كنند، لازم به ذكر است كه فلزات قليايي از بالا به پايين يا به عبارت ديگر با افزايش عدد اتمي نرم تر مي شوند. عناصر گروه اول به ترتيب عبارتند از: Li Na K Rb Cs Fr از بالا به پايين واكنش پذيري اين عناصر افزايش مي يابد. انرژي نخستين يونش اين عناصر بسيار كم و پايين است و از بالا به پايين اين انرژي كاهش مي يابد اما انرژي دومين يونش فلزات قليايي بسيار بالاست به گونه اي كه تاكنون تركيبات دو يا چند ظرفيتي در اين عناصر ديده نشده است. سديم فراوان ترين عنصر قليايي مي باشد و پس از آن پتاسيم قراردارد و بقيه عناصر اين گروه نسبتا كمياب مي باشند و فرانسيم هم كه عنصري راديواكتيو يا پرتوزا مي باشد. از آلياژ سديم و پتاسيم در رآكتورهاي هسته اي براي سردكردن و انتقال حرارت استفاده مي شود.
عناصر گروه دوم جدول تناوبي اين شش عنصر را با نام فلزات قليايي خاكي مي شناسيم، چون اين عناصر در پوسته ي زمين يافت مي شوند. همگي به ns2 ختم مي شوند بنابر اين، نسبت به فلزات قليايي واكنش پذيري كم تري دارند، چون از دست دادن دو الكترون(در فلزات قليايي خاكي) سخت تر از ازدست دادن يك الكترون مي باشد. سختي و چگالي و دماي ذوب جوش اين عناصر از عناصر گروه اول بيش تر مي باشد. همانند عناصر گروه اول از بالا به پايين واكنش پذيري شان زياد مي شود به گونه اي كه بريليم عملا در آب بي اثر است، منيزيم فقط با آب جوش واكنش مي دهد و با آب سرد واكنش بسيار كمي دارد اما كلسيم علاوه بر واكنش با آب جوش با آب سرد نيز واكنش مي دهد. منيزيم در صنعت هواپيماسازي مورد استفاده قرار مي گيرد، آلياژ منيزيم و آلومينيوم كه براي ساخت هواپيما مورد استفاده قرار مي گيرند با نام آلياژ سبك شناخته مي شوند. بريليم در كاني معروف به بريل با فرمول Be3Al2 يافت مي شود. منيزيم دومين فلز فروان در هيدروسفر يا آب هاي دريا مي باشد. كلسيم به صورت سنگ آهك، مرمر و ... در طبيعت موجود است، كلسيم فراوان ترين فلز قليايي خاكي مي باشد. استرانسيوم و باريم بيشتر به صورت سولفات يافت مي شوند و راديم، عنصر آخر گروه دوم هم كه يك عنصر راديواكتيو مي باشدكه از تغييراتي در اورانيوم –238 به وجود مي آيد.
عناصر گروه هاي سوم تا دوازدهم اين فلزات را عناصر واسطه مي نامند، فلزات واسطه به دوسته ي كلي تقسيم مي شوند: 1- فلزات واسطه خارجي: اين دسته از فلزات را مي توان در خود جدول تناوبي مشاهده نمود ، در عناصر واسطه خارجي زير لايه ي d در حال پرشدن مي باشد، اين عناصر نسبت به فلزات گروه اول و دوم سختي، چگالي و دماي ذوب و جوش بالاتري دارند، همه فلزات (اعم از قليايي، قليايي خاكي و واسطه و فلزات اصي دسته p) جامد مي باشند به جز جيوه كه در دماي اتاق به حالت مايع مي باشد و يك استثناء به شمار مي آيد. در آرايش الكتروني اين عناصر بي نظمي هاي متعددي ديده مي شود، براي مثال دو نمونه از اين بي نظمي ها در دو عنصر Cr و Cu ديده مي شوند، گروه يازدهم يا IB با نام فلزات سكه ساز نيز شناخته مي شوند كه شامل سه عنصر مس، نقره و طلا مي باشد، البته در بين فلزات واسطه خارجي نامگذاري هاي ديگري نيز وجود دارد كه به صورت دسته اي صورت گرفته اند و نظمي بين اين دسته بندي ها ديده نمي شود، براي مثال دو نمونه از اين دسته بندي ها عبارتند از: - فلزات پلاتيني: كه شامل شش عنصر پالاديم، پلاتين، روديم، ايريديم، روتنيم و اوسميم مي باشد. - تريادها يا فلزات فرومانتيك يا دسته ي سه تايي ها: كه شامل آهن، كبالت و نيكل سه عنصر كه در نامگذاري آيوپاك در يك گروه قرار گرفته اند و در تناوب چهارم جدول تناوبي و گروه هاي هشتم و نهم و دهم قراردارند.
2- فلزات واسطه داخلي: با مشاهده ي جدول تناوبي دو دسته از عناصر را مشاهده مي كنيد كه جدا از جدول تناوبي و در پايين تصوير قرار گرفته اند، اينها همان عناصر واسطه ي داخلي هستند كه عناصر دسته ي اول خواصي مشابه فلز لانتان دارند و به لانتانيدها مشهور هستند و عناصر دسته ي دوم خواصي مشابه فلز اكتينيم دارند و به اكتينيدها معروف شده اند. از آن جا كه قرار دادن لانتانيد ها و اكتينيدها در خانه هاي پلاك 57 و 89 ميسرنمي شد، اين دو گروه در پايين جدول تناوبي و به صورت جداگانه اما با ارجاع به دو عنصر لانتانيم(لانتان) و اكتينيم قرارگرفته اند. الف)لانتانيدها: در اين عناصر زيرلايه ي 4f در حال پرشدن مي باشد و شامل عناصر از عدد اتمي 58 تا 71 مي باشند.
ب)اكتينيدها: در اين عناصر زيرلايه ي 5f در حال پرشدن مي باشد و شامل عناصر از عدد اتمي 90 تا 103 مي باشد، براي مطالعه ي اكتينيدها ساختارهسته نسبت به آرايش الكتروني عناصر از اهميت بيش تري برخوردار مي باشد، مشهورترين اكتينيد كه امروزه بحث هاي زيادي را در اقتصاد و سياست و علم به خود اختصاص داده است اورانيوم مي باشد كه از آن انواع استفاده هاي صلح آميز و غير صلح آميز(براي ساخت سلاح هاي شيميايي) مي شود.
عناصر گروه هاي سيزدهم تا هجدهم در همه ي اين عناصر زيرلايه ي p در حال پرشدن مي باشد و به همين علت آن ها را عناصر اصلي دسته p مي نامند، و آرايش الكتزوني لايه ي آخر آن ها به ترتيب عبارتند از:
از بين اين شش گروه، سه گروه داراي نام هاي مشخصي هستند: كالكوژن ها(گروه 16)، هالوژن ها(گروه 17)، گازهاي نجيب يا بي اثر يا كامل يا نادر(گروه 18). در بين اين شش گروه، سه نوع ماده مشاهده مي شود: نافلز، شبه فلز و فلز كه ازنظر گوناگوني مواد، عناصر اصلي دستهp داراي گوناگوني زيادي هستند. گروه 13 داراي دو نوع ماده: شبه فلز و فز مي باشد. گروه هاي 14 و 15 و 16 داراي سه نوع ماده به ترتيب از بالا به پايين نافلز، شبه فلز و فلز مي باشند، گروه 17 با نام هالوژن ها شناخته مي شود و همگي نافلز مي باشند و همانطور كه مي دانيد همه ي نافلزات به جز برم(استثناء) يا جامد هستند يا گاز. و گروه 18 كه با نام هاي مختلفي مانند گاز نجيب شناخته مي شوند به حالت گازي شكل مي باشند و از نظر نوع ماده نافلز هستند.
الف) گروه 17(هالوژن ها) عناصر گروه هفدهم با نام عناصر هالوژن يا نمك ساز شناخته مي شوند و به اين علت به اين نام مشهورند كه با اكثر فلزات همچون فلزات قليايي يا قليايي خاكي واكنش مي دهند و نمك توليد مي كنند. عناصر اين گروه عبارتند از: F Cl Br I At كه فلوئور و كلر در دماي اتاق در حالت گازي مي باشند و برم هم كه تنها استثناي نافلزي مي باشد به حالت مايع است و يد و استاتين هم به حالت جامد مي باشد. هالوژن ها واكنش پذيرترين نافلزات هستند كه لايه ي آخرشان به ns2 np5 ختم مي شوند كه مي توانند به راحتي يك الكترون بگيرند و به آرايش گاز نادر بعد از خود برسند و به آنيون(يون با بار منفي) تبديل شوند. فلوئور 08/0 % ليتوسفر يا همان پوسته ي جامد زمين را تشكيل مي دهد و مهمترين كاني آن فلوئورين مي باشد. كلر 19% ليتوسفر را تشكيل مي دهد و معروف ترين تركيب آن NaCl مي باشد. برم بيش تر به صورت برميد سديم، برميد پتاسيم، برميدمنيزيم و ... يافت مي شود. يد در تركيب هايي چون يدات سديم و ... يافت مي شود. استاتين هم كه يك عنصر راديواكتيو مي باشد.
ب) گروه 18(گازهاي نجيب) اين گروه از جدول تناوبي نام هاي مختلفي هم چون گازهاي كامل(بعلت اينكه آرايش الكتروني آن ها در لايه آخر كامل مي باشد)، گازهاي نادر(بعلت اينكه تركيبات نسبتا كمي دارند)، گازهاي نجيب يا noble gasses(بعلت اينكه تمايلي به شركت در واكنش هاي شيميايي ندارند)و گازهاي بي اثر(بعلت اينكه در واكنش هاي شيميايي شركت نمي كنند) دارند. اين گروه شامل عناصر نافلزي زير مي باشد: He Ne Ar Kr Xe Rn همگي اين عناصر به جز هليم در لايه ي آخر خود داراي آرايش ns2np6 مي باشند كه اين آرايش كامل بوده و به علت تكميل بودن لايه ظرفيت اين عناصر تمايلي به شركت در واكنش هاي شيميايي ندارند. هليم هم كه در تناوب اول جدول تناوبي قرار گرفته به 1s2 ختم مي شود كه يك آرايش كامل در لايه ي ظرفيت مي باشد. گرچه اين عناصر تركيبات كمي دارند اما مصارف صنعتي زيادي دارند، براي مثال نئون براي ساخت تابلوهاي تبليغاتي ، از آرگن در جوشكاري و ... استفاده مي شود.
لیتیم
تاریخچــــــــــــه لیتیم را (واژه یونانی lithos به معنی سنگ) ، "Johann Arfvedson" در سال 1817 کشف کرد. "Arfvedson" این عنصر جدید را هنگامیکه در سوئد مشغول تجزیه و تحلیل بود، با مواد معدنی اسپادومین و لپدولیت دریک کانی پتالیت کشف نمود. "Christian Gmelin" در سال 1818 ، اولین کسی بود که شاهد قرمزرنگ شدن نمک لیتیم در شعله آتش بود. اما هر دوی این افراد ، در جداسازی این عنصر از نمکش ناکام ماندند. این عنصر را برای اولین بار "W.T. Brande" و "Humphrey Davy" با استفاده از الکترولیز اکسید لیتیم جدا کردند. تولید تجاری فلز لیتیم در سال 1923 بوسیله شرکت آلمانی Metallgesellschaft AG و با استفاده از الکترولیز کلرید لیتیم و کلرید پتاسیم مذاب محقق گشت. ظاهرا" نام لیتیم به این علت انتخاب شد که این عنصر در یک ماده معدنی کشف شد، در حالیکه سایر فلزات قلیایی اولین بار در بافتهای گیاهی دیده شدهاند.
اطلاعات کلی لیتیم ، عنصر شیمیایی است، با نشان Li و عدد اتمی 3 که در جدول تناوبی به همراه فلزات قلیایی در گروه 1 قرار دارد. این عنصر در حالت خالص ، فلزی نرم و به رنگ سفید خاکستری میباشد که بهسرعت در معرض آب و هوا اکسید شده ، کدر میگردد. لیتیم ، سبکترین عنصر جامد بوده ، عمدتا" در آلیاژهای انتقال حرارت ، در باطریها بکار رفته ، در بعضی از تثبیتکنندههای حالت mood stabilizers مورد استفاده قرار میگیرد.
خصوصیات قابل توجه لیتیم ، سبکترین فلزات و دارای چگالی به اندازه نصف چگالی آب است. این عنصر همانند همه فلزات قلیایی بهراحتی در آب واکنش داده ، به سبب فعالیتش هرگز در طبیعت بصورت آزاد یافت نمیشود. با این وجود ، هنوز هم واکنشپذیری آن از سدیم کمتر است. وقتی لیتیم روی شعله قرار گیرد، رنگ زرشکی جالبی تولید میکند، اما اگر به شدت بسوزد، شعلههایی سفید درخشان ایجاد میکند. هنچنین لیتیم ، عنصری تکظرفیتی است.
کاربردهــــــــا لیتیم ، بهعلت گرمای ویژه اش ( بالاتر از تمامی جامدات) در انتقال حرارت مورد استفاده قرار میگیرد. بهعلت خاصیت electrochemical ، ماده مهمی در آند باطریها محسوب میشود. سایر کاربردها: نمکهای لیتیم ، مثل کربنات لیتیم ( Li2CO3 ) و سیترات لیتیم ، تثبیتکنندههای حالت هستند که در درمان بیماریهای متضاد نقش دارند. لیتیم کلرید و لیتیم برمید ، بهشدت رطوبت را جذب میکنند، لذا در خشک کنندهها بهکرات کاربرد دارند. استارات لیتیم ، یک ماده لیز کننده کلی در دمای بالا و برای تمامی مقاصد به شمار میرود. لیتیم ، عاملی آلیاژ ساز است که در تولید ترکیبات آلی مورد استفاده قرار گرفته ، نیز دارای کاربردهای اتمی میباشد. گاهی اوقات از لیتیم در ساخت شیشه و سرامیک استفاده میگردد، مانند شیشههای 200 اینچی تلســـــکوپ در Mt. Palomat. در فضاپیماها و زیردریائی ، برای خارج کردن دیاکسید کربن ازهوا از هیدروکسید لیتیم استفاده میشود. از آلیاژ این فلز با آلومینیوم ، کادمیم ، مس و منگنز در ساخت قطعات هواپیماهای بلند پرواز استفاده میگردد.
پیدایـــــــــش لیتیم بسیار پراکنده است، اما بهعلت واکنشپذیری زیادی که دارد، در طبیعت بصورت آزاد وجود ندارد و همیشه بصورت ترکیب با یک یا چند عنصر یا ترکیب دیگر دیده میشود. این فلز بخش کوچکی از کلیه سنگهای آذرین را تشکیل داده ، نیز در بسیاری از شورابهای طبیعی وجود دارد. تولید لیتیم از پایان جنگ جهانی دوم بهشدت افزایش یافت. این فلز در سنگهای آذرین از سایر عناصر جدا میشود و از آب چشمههای معدنی هم بدست میآید. لپدولیت ، اسپادومین ، پتالیت و امبلی گونیت ، مهمترین مواد معدنی حاوی لیتیم هستند. در آمریکا ، لیتیم را از شورابهای واقع در Searles Lake خشکیده در کالیفرنیا ، مناطقی از Nevada و نقاط دیگر بازیافت میکنند. این فلز که همانند سدیم ، پتاسیم و سایر اعضاء گروه فلزات قلیایی ، ظاهری سیمگون دارد، با روش الکترولیز از یک مخلوط لیتیم و کلرید پتاسیم گداخته تولید میشود. قیمت هر پوند لیتیم در سال 1997 ، 300 دلار آمریکا بود. جداسازی آن بصورت زیر است:
کاتد: *Li+* + e → Li آند: -Cl-* → 1/2 Cl2 (gas) + e
ایزوتوپهـــــــــا لیتیم ، بطور طبیعی متشکل از 2 ایزوتوپ پایدار Li-7 و Li-6 است که Li-7 فراوانتر است ( وفور طبیعی 5/92%). 6 رادیوایزوتوپ هم برای آن وجود دارد که پایدارترین آنها ، Li-8 با نیمه عمر 838 هزارم ثانیه و Li-9 با نیمه عمــــــــــــــــر 3/178 هزارم ثانیه میباشد. مابقی ایزوتوپهای رادیواکتیو ، نیمه عمرهایی کمتر از 8,5 هزارم ثانیه داشته یا ناشناختهاند. ایزوتوپهای لیتیم طی یک سری فرآیندهای طبیعی مختلف از جمله تشکیل مواد معدنی ( رسوب شیمیایی) ، متابولیسم ،(جابجائی یونی ،(در برخی از خاکهای معدنی که Li-6 به Li-7 ترجیح داده شده است در مکانهای octahedral ، لیتیم جایگزین منیزیم و آهن میشود) ، hyperfiltration و دگرگونی صخرهها ، بطور اساسی شکسته میشوند.
هشدارهــــــــا لیتیم همانند فلزات قلیایی دیگر در حالت خالص ، شدیدا" آتش زا و در معرض هوا و مخصوصا" آب تا حدی انفجاری است. این فلز همچنین خورنده بوده ، لذا باید توجه خاص داشت و از تماس آن با پوست بدن اجتناب کرد. در صورت ذخیره ، باید آنرا در هیدروکربن مایع قابل اشتعالی مانند نفت نگهداری نمود. لیتیم ، هیچگونه نقش بیولوژیکی نداشته ، تا حدی سمی محسوب میشود.
فلزات قليايي
عناصر گروه اول جدول تناوبی که به فلزات قلیایی معروفند، در لایه ظرفیت الکترونی دارای آرایش ns1 هستند که n ، شماره دوره آنها است. آخرین عنصر به نام فرانسیم ، رادیواکتیو است که در اینجا مورد بحث قرار نمیگیرد. این عناصر ، فلزات نقرهفام رنگی هستند. آنها بسیار نرم بوده و به آسانی با چاقو بریده میشوند. سطح درخشان آنها در معرض هوا به علت اکسیداسیون کدر میشود. این عناصر بشدت واکنش پذیر هستند. واکنش پذیری آنها از بالا به پایین گروه یعنی از Li به Cs افزایش مییابد و از این لحاظ شبیه عناصر سایر گروهها هستند.
منابع فلزات قلیایی این فلزات بدلیل واکنشپذیری زیاد بطور آزاد در طبیعت یافت نمیشوند و معمولا بصورت ترکیب با سایر عناصر هستند. منبع اصلی سدیم ، هالیت یا Nacl است که بصورت محلول در آب دریا یا بصورت رسوب در بستر دریا یافت میشود. پتاسیم بصورت فراوان در اکثر معادن بصورت کانی سیلویت (Kcl) یافت میشود و همچنین از آب دریا هم استخراج میگردد. فلزات قلیایی بسیار واکنشپذیر هستند و آنها را نمیتوان با جانشین کردن سایر فلزات بصورت آزاد تهیه کرد. فلزات قلیایی بصورت فلز آزاد را میتوان از الکترولیز نمکهای مذاب آنها تهیه کرد.
خواص فیزیکی فلزات قلیایی از چند جهت با بقیه فلزات تفاوت دارند. آنها نرم بوده و دارای نقطه ذوب و نقطه جوش پایین هستند. دانسیته پایینی دارند، بطوریکه دانسیته K و Na و Li از دانسیته آب پایینتر است. آنتالپی استاندارد ذوب و تبخیر کمتری دارند. به علت داشتن فقط یک الکترون در لایه ظرفیت معمولا پیوندهای فلزی ضعیفی ایجاد میکنند. این فلزات وقتی در معرض شعله قرار میگیرند، رنگ آن را تغییر میدهند. وقتی عنصری در مقابل شعله قرار میگیرد، حرارت شعله انرژی کافی برای برانگیختن الکترون لایه ظرفیت را به لایههای بالاتر فراهم میکند. الکترون در بازگشت به حالت پایه انرژی منتشر میکند و این انرژی دارای طول موج منطقه مرئی است که باعث میشود رنگ ایجاد شده در شعله دیده شود. شعاع یونی در فلزات قلیایی خاکی در مقایسه با شعاع اتمی آنها خیلی کوچکتر است. چون اتم یک الکترون در لایه S خود دارد که عدد کوانتومی آن با عدد کوانتومی لایه داخلی متفاوت است. بنابراین این لایه نسبتا دور از هسته است. وقتی اتم این الکترون را از دست داده و به یون تبدیل میشود، الکترونهای باقیمانده در تراز نزدیک نسبت به هسته قرار دارند. بعلاوه افزایش بار مؤثر هسته آنها را بیشتر بطرف هسته جذب میکند. بنابراین اندازه یون کاهش مییابد.
خواص شیمیایی فلزات قلیایی عامل کاهنده قوی هستند. پتانسیل الکترود منفی آنها نشانگر میل شدید آنها برای از دست دادن الکترون در تبدیل به کاتیون در محلول است. آنها میتوانند اکسیژن ، کلر ، آمونیاک و هیدروژن را احیا کنند. در اثر واکنش با اکسیژن هوا اکسید شده و تیره میشوند. بنابراین در زیر نفت نگهداری میشوند. بعلت واکنش با آب و تولید هیدروژن و هیدروکسید قلیایی نمیتوان آنها را زیر آب نگهداری کرد. واکنش با آب از بالا به پایین ، به شدت واکنش با آب افزوده میشود. لیتیم به آرامی با آب واکنش داده و حبابهای هیدروژن آزاد میکند. سدیم بشدت و همراه با مشتعل شدن با آب واکنش نشان داده و با شعله نارنجی میسوزد. پتاسیم در اثر برخورد با آب به شدت مشتعل شده و با شعله بنفش میسوزد. سزیم در آب ته نشین شده و به سرعت تولید هیدروژن میکند. آزاد کردن هیدروژن همراه با ایجاد امواج ضربهای شدید است که میتواند باعث شکستن محفظه شیشهای شود. Na در آمونیاک حل شده و ایجاد محلول آبی تیره میکند که بعنوان عامل کاهنده در واکنشها استفاده میشود. در غلظتهای بالا رنگ محلول برنزی شده و جریان الکتریکی را همانند فلز هدایت میکند. چند مورد غیر عادی در شیمی Li دیده میشود. کوچک بودن اندازه کاتیون Li در نشان دادن خاصیت کووالانسی در برخی ترکیبات و ایجاد پیوند دیاگونالی با منیزیم از آن جمله است.
اکسیدها فلزات قلیایی در اثر واکنش با اکسیژن هوا ترکیب جامد یونی به فرمول M2O تولید میکنند. هر چند که Na غیر از این ، ترکیب پروکسید ( NA2O2 ) بعنوان فراورده عمده و پتاسیم هم سوپر اکسید ( K2O ) را بطور عمده تولید میکند.
هیدروکسیدها هیدروکسید فلزات قلیایی ، جامدات یونی به فرم کریستالی در رنگ سفید و فرمول MOH است. قابل حل در آب هستند و همه بجز LiOH آبدار میشوند. محلول آبی آنها باز قوی است. اسیدها را خنثی کرده و نمک تولید میکنند.
هالیدها هالیدهای این فلزات ، همه جامد یونی به فرم کریستالی و به رنگ سفید بوده و قابل حل در آب هستند، جز LiF که بعلت داشتن انرژی شبکه بالا که ناشی از جاذبه الکتروستاتیکی بین یون کوچک +Li و -F است.
حالت اکسایش این فلزات حالت اکسایش 0 و 1+ دارند. تمام ترکیبات شناخته شده آنها بر پایه +M است. اولین انرژی یونش آنها پایین است، زیرا الکترون آخرین لایه به خوبی الکترونهای لایه داخلی توسط جاذبه هسته محافظت نمیشود، بنابراین آسان تر برداشته میشود. انرژی دومین یونش بالا است، زیرا الکترون بعدی از لایه کامل برداشته میشود. همچنین بوسیله هسته ، بخوبی جذب میشود. انرژی یونیزاسیون از بالا به پایین با افزایش عدد اتمی و افزایش تعداد لایهها بعلت دور شدن الکترون ظرفیت از هسته کاهش مییابد.
اطلاعات صنعتی هیدروکسید ، کلرید و کربنات سدیم ، از جمله ترکیبات شیمیایی مهم صنعتی هستند. هیدروکسید سدیم از الکترولیز آب شور اشباع شده در پیل با کاتد فولادی و آند تیتانیوم تولید میشود. کربنات سدیم با فرآیند سالوی تهیه میشود. در این فرآیند کلرید سدیم قابل حل در آب به بیکربنات سدیم نامحلول تبدیل شده و بعد از صاف کردن و حرارت دادن به کربنات سدیم تبدیل میشود. به هر حال محصول اصلی در این فرآیند کلرید کلسیم است و فرآیند رسوبگیری و حرارت و تهیه کربنات سدیم به کارخانه بستگی دارد. فرایند سالوی رفته رفته جای خود را به تهیه کربنات سدیم از جداسازی و تلخیص کربنات سدیم موجود به معادن میدهد.
و ديد كلي درباره ليتيم عمومي نام , Lithium علامت اختصاری , Li شماره , 3 گروه شیمیایی: فلز قلیایی گروه , تناوب , بلوک 1«IA), 2 , s جرم حجمی , سختی 535 kg/m3, 0.6 رنگ سفيد نقره اي و خاكستري
خواص اتمي وزن اتمی: 6.941 amu شعاع اتمی 145 «167» pm شعاع کووالانسی 134 pm شعاع وندروالس 182 pm ساختار الکترونی He]2s1] -e بازای هر سطح انرژی 2, 1 درجه اکسیداسیون (اکسید) 1 ( بازقوی ) ساختار کریستالی بدنه مکعب مرکزی
خواص فيزيكي حالت ماده جامد غیر مغناطیسی) نقطه ذوب 453.69 K (356.97 °F) نقطه جوش 1615 K (2448 °F) حجم مولی 13.02 ש»10-6 ««متر مکعب بر مول گرمای تبخیر 145.92 kJ/mol گرمای همجوشی 3 kJ/mol فشار بخار 1.63 E-8 Pa (453.7K) سرعت صوت 6000 m/s (293.15K)
متفرقه الکترونگاتیویته 0.98 (درجه پاولینگ) ظرفیت گرمایی ویژه 3582 J/kg*k رسانائی الکتریکی 10.8 106/m اهم رسانائی گرمایی 84.7 W/m*K 1st پتانسیل یونیزاسیون 520.2 kJ/mol 2nd پتانسیل یونیزاسیون 7298.1 kJ/mol 3rd پتانسیل یونیزاسیون 11815.0 kJ/mol
بريليم و همه چيز درباره آن تاریخچـــــــــــــه کلمه بریلیم از واﮊه یونانی beryllos beryl گرفته شده . زمانی بریلیم را گلوسینیم می نامیدند ( از واﮊه یونانی glykys به معنی شیرین ) که علت آن طعم شیرین نمکهای آن بود در سال 1798 ونکولین این عنصر را بصورت اکسید در بریل «کانی» ( Be3Al2Si6O18 ) و به در زمرد کشف کرد . در سال 1828 فردریک وهلر و آ.آ. بوسی (A.A.Bussy) بطور جداگانه این فلز را از طریق واکنش پتاسیم روی کلرید بریلیم بدست آوردند.
پیدایـــــــــش بریلیم در 30 کانی مختلف یافت می شود که مهمترین انها برتراندیت ، زمرد ، بریل «کانی» زرد و فناکیت هستند. اشکال ارزشمند بریل زمرد کبود و زمرد است . مهمترین منابع تجاری بریلیم و ترکیبات آن بریل و برترندیت (Bertrandite) می باشد. اخیرا" با روش کاهیدن فلورید بریلیم با فلز منیزیم تولید کلان این فلز انجام می شود.فلز بریلیم تا سال 1957 به آسانی بدست نمی آمد. جداسازی : Isolation BeF2 + Mg --> MgF2 + Be
ایزوتوپها بریلیم تنها یک ایزوتوپ پایدار دارد (Be-9) بریلیم کیهانی (Be-10) توسط پراش ذرات اتمی اکسیژن و نیتروﮊن بوسیله اشعه کیهانی در جو حاصل می شود.چون بریلیم تمایل دارد در محلولهایی با PH زیذ 5/5 باشد ( وبیشتر بارانها PH زیر 5 دارند) این عنصر می تواند از طریق حل شدن در آب باران در زمین جابجا شود.وقتی باران بیشتر قلیایی شود برلیم از محلول خارج می شود. Be-10 کیهانی با این روش در سطح خاک جمع می شود و نیمه عمر نسبتا" طولانی آن (5/1 میلیون سال ) امکان می دهد تا قبل از فرسایش بصورت B-10 ( بور-10) مدت زیادی در سطح خاک باقی بماند. Be-10 و محصولات جانبی آن برای سنجس فرسایش خاک ، شکل گیری خاک از سنگپوش ، گسترش خاکهای لاتریک همچنین گوناگونیهای فعالیت خورشیدی و عمر Ice core بکار می رود.ای ن واقعیت که Be-7 و Be-8ناپایدارند پیامدهای اساسی بدنبال دارد به این معنی که عناصر سنگینتر از بریلیم با همجوشی هسته ای در انفجار بزرگ (big Bang ) حاصل نشده اند. بعلاوه سطوح انرﮊی هسته ای بریلیم 8 به گونه ای است که کربن می تواند در ستاره ها تولید شود پس وجود حِات را ممکن می سازد.( به فرایند سه گانه آلفا و سنتز هسته ای انفجار بزرگ مراجعه کنید.)
کاربـــــــــــردها بریلیم در تولید بریلیم- مس بعنوان عامل آلیاﮊ ساز بکار می رود. این عنصر قابلیت جذب حرارت زیادی دارد. آلیاﮊ بریلیم – مس به علت خصوصیات هدایت برقی و حرارتی ، استقامت و سختی زیاد ، غیرمغناطیسی بودن ، مقاومت در برابر زنگ خوردگی و فرسایش کاربردهای زیادی دارد.از جمله این کاربردها تولید : الکترودهای جوش نقطه ای ، فنر ، ابزارهای فاقد جرقه واتصالهای برقی است . آلیاﮊ بریلیم – مس به جهت مقاومت چند جانبه ، سبکی و خمش ناپذیری در حرارتهای متغیر ، در صنایع دفاعی و هوافضا مثل سازه های بخشهای سبک وزن در هواپیماهای با سرعت بالا ، موشکها ، ماشینهای فضائی و ماهواره های ارتباطی بکار می رود. ورقه های نازک بریلیم در عکسبرداری با اشعه X نورهای مرئی را فیلتر کرده و باعث آشکار شدن تنها اشعه xِ می شود. بریلیم در زمینه پرتو نگاری با اشعه X جهت بازساخت مدارهای یکپارچه میکروسکپی مورد استفاده قرار می گیرد. چون از نظر جذب نوترون حرارتی واکنش سنجی پایینی دارددر صنعت نیروی هسته ای از این عنصر در رآکتورهای اتمی بعنوان بازتابنده و کندساز استفاده می شود. همچنین بریلیم در ساخت ترازنما، تجهیزات کامپیوتری مختلف ، فنرهای ساعت و وسایلی که نیازمند مقاومتهای چند جانبه ، سبکی و استحکام است بکار می رود. اکسید بریلیم برای مصارف بسیاری که نیازمند هدایت حرارت خوب ، مقاومت زیاد ، استحکام نقطه ذوب بالا هستند کاربرد دارد و از اکسید بریلیم بعنوان عایق استفاده مِ کنند. ترکیبات بریلیم زمانی در لامپهای فلورسنت کاربرد داشتند اما ادامه این کاربرد به علتبریل «کانی»وز ( بیماری ناشی از مسمومیت توسط بریلیم) در بین کارگران سازنده این لامپها متوقف شد.
هشدارهـــــــــا بریلیم و نمک آن موادی سمی و احتمالا" سرطان زا هستند.بریل «کانی»وز یک بیماری مزمن ریوی است که در اثر تماس بریلیم ایجاد می شود.بیماری حاد بریلیم به صورت آماس ریه برای اولین بار در سال 1993 در اروپا و در سال 1943 در آمریکا گزارش شد.موارد بریلوز حاد اولین بار در سال 1946در بین کارگران کارخانجات لامپهای فلورسنت در ماساچوست دیده شد.این بیماری از بسیاری جهات شبیه بیماری سارکوئیدز است و تمایز علائم آنها اغلب دشوار است. گرچه سال 1949 استفاده از ترکیبات بریلیم در لامپهای فلورسنت متوقف شد ، مواجهه با این عنصر در صنایع هسته ای و هوافضا ، تصفیه فلز بریلیم ، ذوب آلیاﮊهای حاوی بریلیم ، تولید محصولات الکترونیکی و پرداختن با سایر مواد حاوی بریلیم همچنان وجود دارد.درگذشته محققین بریلیم و ترکیبات آنرا می چشیدند تا در صورت طعم شیرین وجود این عنصر را تایید کنند امروزه با ایجاد تجهیزات مدرن برای تشخیص این عنصر دیگر نیازی به انجام این کار خطرناک نیست و نباید چشیدن این ماده را امتحان کرد.با بریلیم و ترکیبات آن باید با کمال احتیاط رفتار شود و هنگام انجام هرگونه فعالیتی که احتمال آزاد شدن گرد بریلیم هست احتیاط خاصی بکار برد.( احتمال سرطان ریه در صورت تماس طولانی با بریلیم وجود دارد.) در صورت بکاربردن روشهایی می توان از این عنصر بطور ایمن استفاده کرد . قبل از آشنایی با روشهای استفاده صحیح از این عنصر نباید به فعالیت با آن بپردازیم.
تاثيرات بريليم بر سلامتي انسان استنشاق بریلیم خطرناک است . تاثیر آن به میزان و زمان مواجهه با این عنصر دارد.اگر بریلیم موجود در سطح هوا افزایش یابد ( بیشتر ازμg/m 1000) وضعیت بحرانی بوجود خواهد آمد.این وضعیت همانند آماس ریه است و بیماری بریلیوم حاد نامیده می شود.استانداردهای هوای محیط کار و اجتماع در جلوگیری از بیماریهای حاد ریوی موثرند.تعدادی از مردم به بریلیم حساسیت دارند( 1 تا 15 درصد) این افراد ممکن است واکنشهای التهابی را در دستگاه تنفسی خود احساس کنند .این حالت بیماری بریلیم حاد (CBD) و ممکن است سالها پس از مواجهه با سطح بالاتر از استاندارد بریلیم در افراد بوجود آید( بیشتر ازμg/m 2) این بیماری باعث احساس ضعف ، خستگی و مشکلات تنفسی می شود.همچنین می تواند باعث بی اشتهائی ، کاهش وزن ، بزرگی بخش راست قلب و در موارد پیشرفته بیماریهای قلبی شود.حساسیت به بریلیم در بعضی افراد ممکن است فاقد علامت باشد. عموم مردم مستعد ابتلا به به بریلیم حاد نیستند چون میزان بریلیم در سطح هوا بطور طبیعی بسیار پایین است( μg/m 00002/0- 00003/0) در بلع بریلیم هیچگونه عارضه ای ثبت نشده چون روده و معده انسان مقدار بسیار کمی از این عنصر را جذب می کنند.زخم معده در سگهایی که در غذایشان بریلیم بوده دیده شده است. بریلیم در صورت تماس با پوستی که دارای بریدگی یا خراش است ممکن است است ایجاد زخم یا لک نماید. تماس طولانی با بریلیم نیز ممکن است باعث ابتلا به سرطان گردد. سازمان بهداشت و خدمات انسانی آمریکا و آژانس بین المللی تحقیقات سرطان این کشور سرطان زایی بریلیم را تایید کرده اند. نمایندگی حفاظت از محیط زیست آمریکا EPA برآورد کرده که تماس با بریلیم در مدت عمر با میزان μg/g04/0 می تواند یک نفر از هر هزار نفررا به سرطان مبتلا کند. هیچ مطالعه ای درباره تاثیر برلیم روی بچه هایی که در معرض آن هستند صورت نگرفته اما به نظر می رسد تاثیرات سلامتی برلیم روی بچه ها همانند بزرگسالان باشد.نمی دانیم آیا بچه ها در آسیب پذیری نسبت به برلیم با بزرگسالان تفاوت دارند.نمی دانیم آیا مواجهه با برلیم ـاثیری بر نارسائیِ جنین یا سایر تاثیرات پیشرفته در مردم خواهد داشت.بررسی اثرات پیشرفته در حیوانات قاطع نیستند. میزان بریلیم را می توان در ادرار یا خون اندازه گیری کرد. اما میزان بریلیم موجود در خون یا ادرار نشان دهنده میزان یا مدت تماس با این عنصر نیست . میزان بریلیم همچنین می تواند در نمونه های ریه یا پوست اندازه گیری کرد. این آزمایشات را معمولا"در مطب دکتر نمی توان انجام داد اما دکتر می تواند نمونه ها را به آزمایشگاهی که انجام دهنده اینگونه آزمایشات است ارسال کند. یکی دیگر از آزمایشات خون ، آزمایش تکثیر لنفوسیت بریلیم خون است که نشان دهنده حساسیت ب[ بریلیم است و دارای ارزش پیش بینی برای CBD است. میزان عادی بریلیم که احتمالا" صنایع به هوا می فرستند دارای ترتیب μg/m01/0بطور میانگین دوره 30 روزه یا μg/m 2 در هوای اطاق کار برای 8 ساعت شیفت کاری می باشد.
اجمالي درباره بريليم... عمومي نام, علامت اختصاری, شماره )Beryllium(, Be, 4 گروه شیمیایی فلزات قلیائی خاکی گروه, تناوب, بلوک 2 «IIA), 2, s جرم حجمی, سختی 1848 kg/m3, 5.5 رنگ خاکستری روشن فلزی
خواص اتمي وزن اتمی 9.01218 amu شعاع اتمی 112 pm شعاع کوالانسی 90 pm شعاع واندروالس ناشناخته pm نظم الکترونی [He]2s2 -e بازای هر سطح انرژی 2, 5 درجه اکسیداسیون «اکسید) 2 «آمفوتریک) ساختار کریستالی هشت گوشه
خواص فيزيكي حالت ماده جامد «دیا مگنتیک) نقطه ذوب 1551.15 K نقطه جوش 3243.15 K حجم مولی 4.85 ש»10-6 ««متر مکعب بر مول گرمای تبخیر 292.40 kJ/mol گرمای هم جوشی 12.20 kJ/mol فشار بخار 4180 Pa سرعت صوت 13000 m/s
متفرقه الکترونگاتیویته 1.57 «واحد پاولینگ) ظرفیت گرمای ویژه 1825 J/kg*K رسانائی الکتریکی 31.3 106/m اهم رسانائی حرارتی 201 W/m*K 1st پتانسیل یونیزاسیون 899.5 kJ/mol 2nd پتانسیل یونیزاسیون 1757.1 kJ/mol 3rd پتانسیل یونیزاسیون 14848.7 kJ/mol
جدول تناوبي و عناصر داخل آن جدول تناوبی
جدول تناوبی عناصر شیمیایی نمایشی از عناصر شیمیایی است که براساس ساختار الکترونی مرتب شده است، بطوریکه بسیاری از خواص شیمیایی بصورت منظم در طول جدول تغییر نماید. جدول اولیه بدون اطلاع از ساختار داخلی اتمها ساخته شد: اگر عناصر را بر حسب جرم اتمی آنها مرتب نمائیم، و آنگاه نمودار خواص معین دیگر آنها را بر حسب جرم اتمی رسم نمائیم، میتوان نوسان یا تناوب این خواص را بصورت تابعی از جرم اتمی مشاهده نمود. اولین کسی که توانست این نظم را مشاهده نماید، یک شیمیدان آلمانی به نام Johann Wolfgang D?einer بود. او متوجه تعدادی تثلیث از عناصر مشابه شد:
نمونه تثلیث ها عنصر جرم اتمی چگالی ------ عنصر جرم اتمی چگالی Cl 35.5 1.56 g/L ------ Ca 40.1 1.55 g/cm3 Br 79.9 3.12 g/L ------ Sr 87.6 2.6 g/cm3 I 126.9 4.95 g/L ------ Ba 137 3.5 g/cm3
و به دنبال او، شیمیدان انگلیسی John Alexander Reina Newlands متوجه گردید که عناصر از نوع مشابه در فاصلههای هشت تایی یافت می شوند، که آنها را با نتهای هشتگانه موسیقی شبیه نمود، هرچند که قانون نتهای او مورد تمسخر معاصرین او قرار گرفت. سرانجام شیمیدان آلمانی Lothar Meyer و شیمیدان روسی Dmitry Ivanovich Mendeleev تقریبا بطور همزمان اولین جدول تناوبی را، با مرتب نمودن عناصر بر حسب جرمشان، توسعه دادند( ولی مندلیف تعداد کمی از عناصر را خارج از ترتیب صریح جرمی، برای تطابق بهتر با خواص همسایگانشان رسم نمود – این کار بعدها با کشف ساختار الکترونی عناصر در اواخر قرن نوزدهم و اوایل قرن بیستم توجیه گردید). فهرست عناصر بر اساس نام، علامت اختصاری و عدد اتمی موجود میباشد. شکل زیر جدول تناوبی عناصر شناخته شده را نمایش میدهد. هر عنصر با عدد اتمی و علامتهای شیمیایی. عناصر در یک ستون ("گروه") از لحاظ شیمیایی مشابه می باشند. تعداد لایه الکترون در یک اتم تعیین کننده ردیفی است که در آن قرار می گیرد. هر لایه به زیرلایه های متفاوتی تقسیم میشود، که هر اندازه عدد اتمی افزایش می یابد، این لایه ها به ترتیب زیر:
1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p 8s 5g 6f 7d 8p ...
براساس ساختار جدول پر میشوند. از آنجائیکه الکترونهای خارجی ترین لایه، خواص شیمیایی را تعیین مینمایند، این لایه ها در میان گروهای یکسان مشابه اند.عناصر همجوار با یکدیگر در یک گروه، علیرغم اختلاف مهم در جرم، دارای خواص فیزیکی مشابه میباشند. عناصر همجوار با یکدیگر در یک ردیف دارای جرم های مشابه ولی خواص متفاوت میباشند.
برای مثال، عناصر بسیار نزدیک به نیتروژن (N) در ردیف دوم کربن(C) و اکسیژن(O) میباشند. علیرغم تشابه آنها در جرم ( که بصورت ناچیزی در واحد جرم اتمی تفاوت دارند)، دارای خواص بینهایت متفاوتی هستند، همانطور که با بررسی فرمهای دیگر میتوان ملاحظه نمود: اکسیژن دو اتمی یک کاز است که سوختن را تشدید می نماید، نیتروژن دو اتمی یک گاز است که سوختن را تشدید نمی کند، و کربن یک جامد است که میتواند سوزانده شود( بله، میتوان الماس را سوزاند!).
در مقایسه، عناصر بسیار نزدیک به کلر (Cl) در گروه یکی مانده به آخر در جدول «هالوژنها) فلوئور( F) و برم( Br) میباشند. علیرغم تفاوت فاحش جرم آنها در گروه، فرمهای دیگر آنها دارای خواص بسیار مشابه میباشند: آنها بسیار خورنده ( بدین معنی که تمایل خوبی برای ترکیب با فلزات، برای تشکیل نمک هالاید فلز)؛ کلر و فلوئور گاز هستند، درحالیکه برم یک مایع با تبخیر بسیار کم میباشد؛ کلر و برم بسیار رنگی هستند.
عدد اتمی عدد اتمی ( Z )، اصطلاحی است که در شیمی و فیزیک برای بیان تعداد پروتونهای موجود در هسته اتم به کار میرود.
عدد اتمی اصولا شماره محل هر اتم در جدول تناوبی میباشد. وقتی مندلیف، عناصر شیمیائی شناخته شده را بر اساس تشابهاتشان در شیمی مرتب کرد، متوجه شد که قرار دادن دقیق آنها بر اساس جرم اتمی، ناهماهنگیهای را بوجود میآورد. او متوجه شد که اگر ید و تلوریوم بر اساس جرم اتمیشان قرار بگیرند، ترتیبشان غلط به نظر می رسد و وقتی در جدول در جای مناسب قرار خواهند گرفت که جابجا شوند. با قرار دادن آنها بر اساس نزدیکتر بودن خواص شیمیائی، شماره آنها در جدول تناوبی، همان عدد اتمی آنها بود. به نظر میرسید که این عدد تقریبا با جرم اتم نسبت دارد، اما همانطور که تفاوت جرم _ خواص شیمیای نشان داد، بازتاب خاصیت دیگری به جز جرم بود.
عجیب بودن این ترتیب، بالاخره بعد از تحقیقات Henry Gwyn Jeffries Moseley در سال1913 تشریح شد. موسلی کشف کرد که ارتباط دقیقی بین طیف بازتاب اشعه X عناصر و محل صحیح آنها در جدول تناوبی وجود دارد. بعدا نشان داده شد که عدد اتمی مساوی بار الکتریکی هسته میباشد- به عبارت دیگر تعداد پروتونها-؛ و این بار الکتریکی است که خواص شیمیائی عناصر را بوجود میآورد، نه جرم اتمی.
جرم اتمی دیدکلی اتمها ذرات بسیار کوچکی هستند که تک تک آنها را نمیتوان وزن کرد. یک جنبه بسیار مهم از کار دالتون کوشش او برای تعیین جرمهای نسبی اتمها بود. دالتون سیستم سنجش خود را برمبنای اتم هیدروژن گذاشت و جرم همه اتمهای دیگر را با جرم اتم هیدروژن مقایسه کرد.
دالتون و تعیین جرم اتمی اکسیژن از آب آب ماده مرکبی است که ازلحاظ جرمی % 88.8 هیدروژن و % 11.2 اکسیژن دارد. دالتون بطور نادرست پذیرفته بود که آب از یک اتم اکسیژن با یک اتم هیدروژن ترکیب شده است. براین مبنا ، نسبت جرم یک اتم اکسیژن تنها به یک اتم هیروژن تنها ، 88.8 یعنی تقریبا 8 به 1میشد. با تخصیص جرم اختیاری 1 به اتم هیدروژن ، جرم نسبی 8 برای اتم اکسیژن به دست میآید. فرمولی را که دالتون برای آب بکار گرفته بود، نادرست بود. در واقع یک اتم اکسیژن با دو اتم هیدروژن ترکیب میشود. بنابراین جرم یک اتم اکسیژن تقریبا 8 برابر جرم دو اتم هیدروژن است. اگر به یک اتم هیدروژن جرم 1اختصاص داده شود، جرم دو اتم هیدروژن 2 خواهدشد، و بر این مقیاس جرم نسبی یک اتم اکسیژن 8 برابر 2 یعنی 16 میشود.
وزن اتمی گرچه دالتون در تعیین جرمهای نسبی اشتباه کرده بود، اما اعتبار معرفی این مفهوم و تشخیص اهمیت آن را باید از آن دالتون بدانیم. این مقادیر را وزنهای اتمی نامیدهاند. این واژه از لحاظ معنی درست نیست، زیرا باید جرم ارجاع شود نه وزن ، اما بر اثر کاربرد طولانی مجاز شمره میشود.
واحد جرم اتمی هر گونه مقیاس برای جرم اتمی نسبی باید بنابر مقداری اختیاری باشد که به یک اتم انتخابی استاندارد نسبت داده میشود. دالتون اتم هیدروژن را به عنوان اتم استاندارد انتخاب کرد و مقدار یک را به آن نسبت داد. در سالهای بعد شیمیدانان اکسیژن طبیعی را به عنوان استاندارد انتخاب کردند و وزن اتمی آن را دقیقا 16 در نظر گرفتند. استانداردی که امروزه بکار میرود، اتم 612C است. واحد جرم اتمی ( که نماد SI آن U است) به عنوان یک دوازدهم جرم اتم 612C تعریف میشود. بنابراین با این مقیاس جرم اتم 612C دقیقا 12U است. اما جرم یک اتم را نمیتوان با این مقادیر محاسبه کرد. به استثنای 11H (که هسته ان تنها یک پروتون دارد) ، حاصل جمع جرمهای ذراتی که یک هسته را میسازند، همواره بیشتر از جرم واقعی هسته است.
انرژی اتصال هسته انیشتین نشان داد که جرم و انرژی همارز هستند. این تفاوتهای جرمی ، برحسب انرژی ، آنچه را که انرژی اتصال هسته نامیده میشود، توجیه میکند. اگر جداکردن اجزای هسته ممکن باشد انرژی اتصال ، انرژی لازمه برای چنین کاری است. عکس این فرایند یعنی متمرکز شدن نوکلئونها در یک هسته ، موجب آزاد شدن انرژی اتصال میشود که همراه با کاهش جرم است.
تعیین جرمهای اتمی با استفاده از طیفسنج جرمی جرمهای اتمی با استفاده از طیف سنج جرمی معین میشود. غالبا عناصر موجود در طبیعت مخلوطی از ایزوتوپها هستند. در این موارد ، با طیف سنج جرمی میتوان مقدارنسبی هر ایزوتوپ موجود در عنصر و همچنین جرم اتمی هر ایزوتوپ را معین کرد. دادههای آزمایشی در مورد کلر نشان میدهد که این عنصر مرکب از % 75.77 اتمهای 1735Cl ( باجرم 34.969 u) و % 24.23 اتمهای 1735Cl (با جرم 36.266 u ) است. هر نمونه از کلر که از یک منبع طبیعی به دست آمده باشد، شامل این دو ایزوتوپ با همین نسبت است.
جرم اتمی ایزوتوپهای طبیعی وزن اتمی عنصر کلر میانگین جرمهای اتمی توزین شده ایزوتوپهای طبیعی این عنصر است. این میانگین را نمیتوانیم با جمع کردن جرمهای ایزوتوپها و تقسیم کردن آن بر 2 به دست بیاوریم. مقداری که به این طریق به دست میآید تنها در صورتی درست است که عنصر کلر شامل تعدادی مساوی از اتمهای دو ایزوتوپ باشد. برای به دست آوردن میانگین وزنی باید جرم اتمی هر ایزوتوپ را در کسر فراوانی آن ضرب کنیم و مقادیر حاصله را با هم جمع کنیم. کسر فراوانی معادل اعشاری در صد فراوانی است. مقدار پذیرفته شده برای کلر 35.453±0.001U است. هیچ اتم کلری ، جرم 35.453 u ندارد، اما فرض چنین اتمی آسانتر است. درطبیعت چند نوع اتم کربن .ج.د دارد. اتم کربن 12 ، که به عنوان استاندارد برای وزنهای اتمی بکار گرفته میشود، فراوانترین نوع آن است. هر گاه درصدها و جرمهای همه انواع کربن را به حساب آوریم، جرم نسبی میانگین برای کربن موجود در طبیعت 12.011 میشود و این مقداری است که به عنوان وزن اتمی کربن ثبت میشود.
انرژی یونش انرژی لازم برای جدا کردن سستترین الکترون از یک اتم منفرد گازی شکل و درحالت پایه یک عنصر را «انرژی اولین یونش» آن عنصر مینامند. (A(g) → A(g)+ + e(g نماد (g) نشان دهنده حالت گازی عنصر و یون مربوطه است.
علامت انرژیهای یونش در تعیین انرژیهای یونش عناصر برای بیرون کشیدن الکترون از اتم ، انرژی مصرف میشود، زیرا این امر متضمن فائق آمدن بر جاذبه متقابل هسته و الکترون است. پس چون سیستم ، در این فرآیند ، انرژی جذب میکند، انرژیهای یونش علامت مثبت دارند. مثلا میتوان انرژی اولین یونش سدیم را به صورت زیر نمایش داد:
(Na(g) → Na(g)+ + e(g
::496Kj+ = اولین یونش سدیم واحد انرژی یونش انرژی یونش برای هر الکترون منفرد بر حسب الکترون ولت (اتم/ev) و برای یک مول الکترون (6.02x1023 الکترون) که از یک مول اتم (6.02x1023 اتم) عنصر جدا شود، Kj/mol بیان میگردد. ترتیب انرژی یونش در عناصر یک دوره انرژی یونش در یک دوره از چپ به راست بتدریج افزایش مییابد. به آن قسمتهایی از منحنی که به عناصر دوره دوم (از Li تا Ne) ، دوره سوم (ازNa تا Ar) و الی آخر تعلق دارد. توجه کنید که انرژی یونش به این سبب افزایش مییابد که اتمها بتدریج کوچکتر میشوند و بار مؤثر هسته بتدریج افزایش مییابد، در نتیجه جدا کردن الکترون بتدریج دشوارتر میشود.
ترتیب انرژی یونش در عناصر یک گروه در عناصر نماینده ، بطور کلی انرژی یونش بین عناصر یک گروه از بالا به پایین کاهش مییابد. عناصر گروه (Cs ، Rb ، K ، Na ، Li) و عناصر گروه صفر (Rn ، Xe ، Kr، Ar، Ne ، He) بصورت مینیمم و ماکسیمم منحنی نشان داده شدهاند. در هر گروه بتدریج از اتمی به اتم پایینتر میرویم ، بار هسته ، افزایش مییابد، اما اثر آن تا حد زیادی از طریق افزایش تعداد الکترونهای پوسته زیرین که اثر پوششی دارند، حذف میشود. در حالیکه اتمها بزرگتر میشوند، الکترونی که باید یونیده شود، در فاصلهای دورتر از هسته قرار میگیرد، در نتیجه جدا شدن الکترون آسانتر شده ، انرژی یونش کاهش مییابد.
انرژی یونش عناصر واسطه در یک دوره به سرعت مشابه با عناصر نماینده افزایش پیدا نمیکند. انرژی یونش عناصر واسطه درونی ، کم و بیش ثابت میماند. در این دو دسته عناصر ، الکترون متمایز کننده به پوستههای درونی اضافه میشود. افزایش اثر پوششی حاصل ، وضعیت انرژی یونش در عناصر واسطه و واسطه درونی را توجیه میکند. اتم فلزات در واکنشهای شیمیایی معمولا الکترون از دست میدهند و به یونهای مثبت تبدیل میشوند. اتم غیرفلزات معمولا به این ترتیب عمل نمیکنند. بنابراین فلزات عناصری با انرژی یونش نسبتا کم و غیرفلزات عناصری با انرژی یونش نسبتا زیادند.
انرژی دومین یونش بحثهای ما تاکنون مربوط به انرژی اولین یونش بوده است. انرژی دومین یونش هر عنصر انرژی لازم برای جدا کردن یک الکترون از یون +1 آن عنصر است.
(A(g) → A(g)2+ + e(g
انرژی سومین یونش انرژی سومین یونش بیان کننده انرژی مورد نیاز برای جدا کردن یک الکترون از یون +2 آن عنصر است. جدا کردن یک الکترون منفی از اتم خنثی طبعا آسانتر از جدا کردن الکترون از ذره دارای یک بار مثبت و آن هم به نوبه خود آسانتر از جدا کردن الکترون از ذره دارای دو بار مثبت است. در نتیجه انرژی سومین یونش بزرکتر از انرژی دومین یونش و آن هم بزرگتر از انرژی اولین یونش است.
انرژی چهارمین یونش و بالاتر از آنجا که انرژی چهارمین یونش و بالاتر ، به غایت زیاد است، یونهای بالاتر از +3 بندرت در شرایط عادی وجود دارند. همانگونه که انتظار میرود برای هر عنصر انرژی یونش از اولین تا چهارمین زیاد میشود.
جهش در تمام مراحل پس ازجدا شدن الکترونهای والانس ، افزایش انرژی مورد نیاز برای یونش بعدی بصورت جهشی است.
واکنش پذیری فلزات واکنش پذیری فلزات در گوشه پایین سمت چپ جدول تناوبی دیده میشوند. واکنش پذیری ، بر حسب از دست دادن الکترون ، بتدریج که از این گوشه به طرف بالا یا به سمت راست حرکت میکنیم، کاهش مییابد.
آمریکیوم آمریکیوم عنصر شیمیایی است که در جدول تناوبی با نشان Am و عدد اتمی 95 وجود دارد .تمام ایزوتوپهای این عنصر مصنوعی رادیو اکتیو هستند. این عنصر به گروه اکتینیدها تعلق دارد . این عنصر با قرینه سازی Americas و Europium نامگذاری شد . آمریکیوم چهارمین عنصر ترااورانیمی بود که کشف شد .ایزوتوپ Am-24 توسط گلن تی سیبورک ِ جیمز ِ مورگان و آلبرت گیورسو اواخر سال 1944 هنگام جنگ در آزمایشگاه متالوژی دانشگاه شیکاگو ودر نتیجه واکنشهای جذب نوترون پی در پی توسط ایزوتوپهای پلوتونیوم در راکتورهای اتمی شناخته شد. درخشش فلز آمریکیوم تازه تهیه شده از پلوتونیوم یا نپتونیومی که با همین روش تهیه شده سفید و براقتر است. ظاهرا این عنصر انعطاف پذیرتر از اورانیوم یا نپتونیوم است و در هوای خشک با درجه حرارت اتاق به کندی کدر می شود. با آمریکیوم باید با دقت زیادی رفتار شود تا از آلودگی انسانی جلوگیری گردد. فعالیت آلفا از Am-241 تقریبا سه برابر رادیوم است. وقتی با مقدار گرمی Am-241 سروکار داریم فعالیت شدؤد گاما ما را در معرض مشکلات جدی قرار می دهد. Am-241 بعنوان منبعی قابل حمل برای رادیوگرافی گاما بکار رفته است. مقدار جزیی از آمریکیوم 241 برای اندازه گیری ضخامت شیشه در این صنعت و بعنوان منبعی برای یونیزاسیون دستگاههای اعلام حریق مورد استفاده قرار می گیرد.
کالیفرنیم کالیفرنیم ششمین عنصر فرا اورانیوم کشف شده در جدول تناوبی است.این عنصر دارای نشان Cf و عدد اتمی 98 می باشد.نام این عنصر از نام ایالت کالیفرنیا و دانشگاه کالیفرنیا – برکلی بر گرفته شده است. کشف کالیفرنیم در 17 مارس 1950 بوسیله hompson ، Street ، Albert Ghiorso و Glenn T. Seaborg ، محققان UC برکلی اعلام شد.این عنصر بوسیله بمباران مقادیر میکروگرمی Cm242 با MeV35 یونهای هلیم در سیکلوترون 60 اینچی آزمایشگاه برکلی ایجاد گردید. کالیفرنیم (III) تنها یون پایدار در محلولهای آبی است و تمامی تلاشها برای برای کاهش یا اکسیده کردن کالیفرنیم (III ) باشکست مواجه شده است .ایزوتوپ Cf-249 از فروپاشی اشعه بتای Bk-249 حاصل می شود درحالیکه ایزوتوپهای سنگین تر بر اثر برتابش شدید نوترون در این واکنشها بوجود می آیند.
ایزوتوپ کالیفرنیم 252 ( گسیلگر بسیار قوی نوترون) به علت خاصیت رادیواکتیو شدید و برخی کاربردهای خاص معروف است.یک میکروگرم آن در هر دقیقه 170 میلیون نوترون آزاد می کند که خطرات بیولوژیکی جدی را باعث می گردد بنابراین هنگام کار با کالیفرنیم باید ازمحافظ استفاده کرد.
جدا سازی کالیفرنیم به شکل فلزی آن هنوز تحقق نیافته است.چون کالیفرنیم منبعی غنی از نوترون می باشد انتظار کاربردهای زیادی از آن می رود . تا کنون از آن در اندازه گیری رطوبت نوترون و در تشخیص لایه های حاوی آب و نفت استفاده شده است.کالیفرنیم همچنین بعنوان یک منبع قابل حمل برای کشف فلزاتی نظیر طلا و نقره ، با استفاده از تحلیل فعل و انفعالات موجود در محل بکار می رود.امروزه Cf-252 توسط O.R.N.L به قیمت هر میلی گرم 10 دلار به فروش مِ رسد.در ماه می سال 1975 بیش از 63 میلی گرم از آن تولید وبه فروش رسید.یک فرضیه این است که شاید کالیفرنیم در انفجارات ستاره ای خاصی بوجود می آید چون فروپاشی رادیو اکتیو Cf-254 ( نیمه عمر 55 روز) با خصوصیات منحنیهای نوری چنین انفجاراتی که با تلسکوپ رویت شده تطبیق دارد.بهرحال این فرضیه مورد تردید است.
جدول جايگزين .. عناصر شماره گذاری شده با رنگ آبی ، در دمای اتاق مایع هستند؛ عناصر شماره گذاری شده با رنگ سبز ، در دمای اتاق بصورت گاز می باشند؛ عناصر شماره گذاری شده با رنگ سیاه، در دمای اتاق جامد هستند. عناصر شماره گذاری شده با رنگ قرمز ترکیبی بوده و بطور طبیعی یافت نمی شوند(همه در دمای اتاق جامد هستند). عناصر شماره گذاری شده با رنگ خاکستری ، هنوز کشف نشدهاند (و بصورت کم رنگ نشان داده شدهاند تا گروه شیمیایی را که در آن قرار می گیرند، مشخص نماید). هيدروژن عنصر شماره يك جدول هیدروژن سبک ترین عنصر شیمیایی بوده با معمول ترین ایزوتوپ آن که شامل تنها یک پروتون و الکترون است. در شرایط فشار و دمای استاندارد هیدروژن یک گاز،H2، دو اتمی با نقطه جوش 20.27° K و نقطه ذوب 14.02° 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 می آید. (رجوع شود به هیدروژن فلزی). اما در فشار های بسیار پایین مانند شرایطی که در فضا یافت می شود، به این علت که هیچ راهی برای ترکیب اتمهایش وجود ندارد، هیدروژن تمایل دارد تا بصورت اتم های مجزا در آمده؛ابرهای H2 (هیدروژنی) تشکیل می شود که به شکل گیری ستارگان نیز مرتبط می باشد. این عنصر نقش بسیار حیاتی در تامین 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 می کنند.)
کاربردها به مقدار بسیار زیادی هیدروژن در فرآیند هابر (Haber Process) صنعت نیاز می باشد، مقدار قابل توجهی در برای تولید آمونیاک، هیدروژنه کردن چربیها و روغنها، و تولید متانول. سایر مواردی که نیازمند هیدروژن است عبارتند از: هیدرودیلکیلاسیون (hydrodealkylation)، هیدرودیسولفوریزاسیون (hydrodesulfurization) و هیدروکرکینک (hydrocracking) تولید اسید هیدروکلریک،جوشکاری،سوختها ی موشک و احیاء سنگ معدن فلزی هیدروژن مایع در تحقیقات سرما شناسی مانند مطالعات ابررسانایی بکار می رود. تریتیوم که در رآکتورهای اتمی تولید می شود در ساخت بمبهای هیدروژنی مورد استفاده قرار می گیرد. هیدروژن چهارده و نیم بار از هوا سبکتر است و سابقا بعنوان عامل بالا برنده در بالونها و کشتیهای هوایی مورد استفاده قرار می گرفت تا وقتیکه فاجعه هیندنبرگ ثابت کرد که استفاده از این گاز برای این منظور بسیار خطرناک است. دوتریوم بعنوان یک کند کننده جهت کاهش حرکت نوترونها در فعالیت های هسته ای مورد استفاده قرار می گیرد، و ترکیبات دوتریوم در شیمی و زیست شناسی در مطالعاتتاثیرات ایزوتوپ، مورد استفاده وافع می شوند. تریتیوم که یک ایزوتوپ طبقه بندی شده در علوم زیست شناسی است که بعنوان یک منبع تشعشع در رنگهای نورانی کاربرد دارد. هیدروژن می تواند در موتورهای درون سوز سوخته شود و در برهه کوتاهی اتومبیلهایی با سوخت هیدروژنی توسط شرکت Chrysler-BMW تولید شدند. پیل های سوختی هیدروژنی، بعنوان راه کاری برای تولید توان بالقوه ارزان و بدون آلودگی، مورد توجه قرار گرفته است.
تاریخچه هیدروژن «فرانسه به معنی سازنده آب و واژه یونانی hudôr یعنی "آب" و gennen یعنی "تولید کننده") برای اولین بار در سال 1776 بوسیله هنری کاوندیش بعنوان یک ماده مستقل شناخته شده، آنتونی لاوازیه نام هیدروژن را برای این عنصر انتخاب کرد.
پیدایش هیدروژن فراوانترین عنصر در جهان است بطوریکه 75% جرم مواد طبیعی از این عنصر ساخته شده و بیش از 90% اتمهای تشکیل دهنده آنها اتم های هیدروژن است. این عنصر به مقدار زیاد و به وفور در ستارگان و سیارات غولهای گازی یافت می شود. به نسبت فراوانی زیاد آن در جاهای دیگر، هیدروژن در اتمسفر زمین بسیار رقیق است(1 ppm برحسب حجم). متعارف ترین منبع برای این عنصر در زمین آب است که از دو قسمت هیدروژن و یک قسمت اکسیژن (H2O) ساخته شده است. منابع دیگر عبارتند از بیشترین اشکال مواد آلی که در اندام تمام موجودات زنده شناخته شده وجود دارند، زغال،سوخت فسیلی و گاز طبیعی. متان ( CH4)، که یکی از محصولات فرعی فساد ترکیبات آلی است که اهمیت منابع آن رو به افزایش است. هیدروژن از چندین راه مختلف بدست می آید، عبور بخار از روی کربن داغ، تجزیه هیدروکربن بوسیله حرارت، واکنش هیدروکسید سدیم یا پتاسیم بر آلومینیوم، الکترولیز آب یا از جابجائی آن در اسیدها توسط فلزات خاص. هیدروژن تجاری در حجمهای زیاد معمولا بوسیله تجزیه گاز طبیعی تولید می شود.
ترکیبات هیدروژن سبک ترین گازها با اکثر عناصر ترکیب شده و ترکیبات مختلف را بوجود می آورد. هیدروژن دارای عدد اکترونگاتیویته 2.2 است پس هیدروژن هنگامی ترکیبات را می سازد که عناصر غیر فلزی تر و عناصر فلزی تری وجود داشته باشند. در این حالت(غیر فلزی) تشکیل دهنده ها هیدریدها نامیده می شوند، 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 می آیند بنابراین تمایل شدیدی به جذب الکترونها به سمت خود داردند. هر دوی اینها تولید اسید می کنند. لذا حتی در یک محلول اسیدی می توان یونهایی مثل H3O+ را دید که گویی پروتونها به جایی محکم به چیزی چسبیده اند. هیدروژن با اکسیژن ترکیب شده و تولید آب می کند، H2O، که در این واکنش مقدار زیادی انرژی را بصورتی آزاد می کند که، باعث انفجار در هوا میگردد. به اکسید دوتریوم یا D2O، که معمولا آب سنگین گفته می شود. همچنین هیدروژن با کربن یک سری ترکیبات گستردهای را بوجود می آورد. بخاطر ارتباط این ترکیبات با چیزهای زنده، این ترکیبات را ترکیبات آلی می نامند، و به مطالعه خصوصیات این ترکیبات شیمی آلی گفته می شود.
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- و پارا- هیدروژن معروفند. (این مورد با ایزوتوپها فرق می کند به پاراگراف بعد توجه کنید.) در شرایط استاندارد هیدروژن معمولی ترکیبی از 25% شکل پاراو 75% شکل ارتو است. شکل ارتو را نمی توان بصورت حالت خالص آن تهیه کرد. این دو مدل هیدروژن از نظر انرژی با هم متفاوتند که این مسئله موجب می گردد، تا خصوصیات فیزیکی آنها کمی متفاوت باشد. مثلا نقطه ذوب و جوش پاراهیدروژن تقریبا 0.1 K ° پائین تر از ارتوهیدروژن است. (به اصطلاح شکل عادی.)
ایزوتوپها پروتیوم ، معمولی ترین ایزوتوپ هیدروژن فاقد نوترون است گرچه دو ایزوتوپ دیگر به نام دوتریوم دارای یک نوترون و تریتیوم رادیو اکتیویته دارای دو نوترون، وجود دارند. دو ایزوتوپ پایدار هیدروژن پروتیوم(H-1) و دیتریوم(D ، H-2) می باشند. دیتریوم شامل 0.0184-0.0082% درصد کل هیدروژن است «IUPAC)؛ نسبتهای دیتریوم به پروتیوم با توجه به استاندارد مرجع آب VSMOW اعلام میگردد. تریتیوم(T یا H-3)، یک ایزوتوپ رادیواکتیو دارای یک پرتون و دو نوترون می باشد. هیدروژن تنها عنصری است که ایزوتوپ های آن اسمی مختلفی دارند. هشدارها هیدروژن گازی است با قدرت اشتعال فوق العاده زیاد. این گاز همچنین به شدت با کلر و فلوئور واکنش نشان می هد. D2O، یا آب سنگین برای بسیاری از گونه های سمی است. اما مقدار قابل توجهی از آن برای کشتن انسان لازم است.
درباره پيوند هيدروژني پيوند هيدروژني
هرگاه هیدروژن به اتمی با الکترونگاتیوی زیاد مثل فلوئور ، اکسیژن یا نیتروژن متصل گردد، شرایطی برای بوجود آمدن نوع بسیاری مهمی جاذبه بین مولکولی مثبت ـ منفی که آن را پیوند هیدروژنی میگویند حاصل میشود. به عبارت دیگر ، اتم هیدروژن یک مولکول و زوج الکترون غیر مشترک مولکول دیگر متقابلا همدیگر را جذب میکنند و پیوندی تشکیل میشود که به پیوند هیدروژنی ، Hydrogen Bond مرسوم است.
اطلاعات اولیه
جاذبه بین مولکولی دربرخی از ترکیبات هیدروژندار بطور غیرعادی قوی است. این جاذبه در ترکیباتی مشاهده میشود که درآنها بین هیدروژن و عناصری که اندازه کوچک و الکترونگاتیویته زیاد دارند، پیوند هیدروژنی وجود دارد. پیوند هیدروژنی نه تنها بین مولکولهای یک نوع ماده ، بلکه بین مولکولهای دو ماده متفاوت که توانایی تشکیل پیوند هیدروژنی را دارند نیز برقرار میشود.
نحوه تشکیل پیوند هیدروژنی
پیوند هیدروژنی بر اثر جاذبه اتم هیدروژن اندک مثبت موجود در یک مولکول و اتم بسیار الکترونگاتیو موجود در مولکول دیگر (یا در محل دیگر همان مولکول اگر مولکول به قدر کافی بزرگ باشد که بتواند روی خود خم شود) تولید میگردد. جا به جا شدن یک جفت الکترون به سمت عنصر بسیار الکترونگاتیو نیتروژن ، اکسیژن یا فلوئور موجب میشود که این اتمها دارای بار منفی جزئی شوند.
در این صورت پیوند هیدروژنی پلی است میان دو اتم شدیدا الکترونگاتیو با یک اتم هیدروژن که از طرفی بطور کووالانسی با یکی از اتمهای الکترونگاتیو و از طرف دیگر بطور الکترواستاتیکی (جاذبه مثبت به منفی) با اتم الکترونگاتیو دیگر پیوند یافته است. استحکام پیوند هیدروژنی یکدهم تا یکپنجاهم قدرت یک پیوند کوالانسی متوسط است.
شرایط تشکیل پیوند هیدروژنی بالا بودن الکترونگاتیوی اتمهای متصل به هیدروژن: برهمین اساس است که فلوئور (الکترونگاتیوترین عنصر) ، قویترین پیوند هیدروژنی و اکسیژن (الکترونگاتیوتر از نیتروژن) ، پیوند هیدروژنی قویتری درمقایسه با نیتروژن تشکیل میدهد. همچنین بار مثبت زیاد بر روی اتم هیدروژن ، زوج الکترون مولکول دیگر را بشدت جذب میکند و کوچک بودن اندازه اتم هیدروژن سبب میشود که ملکول دوم بتواند به آن نزدیک شود. کوچک بودن اتمهای متصل به هیدروژن : پیوند هیدروژنی واقعا مؤثر فقط در ترکیبات فلوئور ، اکسیژن و نیتروژن تشکیل میشود. با وجود اینکه دو اتم نیتروژن و کلر ، الکترونگاتیوی برابر دارند، چون اتم کلر از اتم نیتروژن بزرگتر است بر خلاف نیتروژن ، کلر پیوند هیدروژنی ضعیفی تشکیل میدهد.
توجیه خواص غیرعادی برخی از مواد وجود خواص غیرعادی برخی از مواد در حالت جامد یا مایع از جمله بالا بودن دماهای ذوب و جوش ، نشان میدهد که نیروهای جاذبه بین مولکولی در آنها به اندازهای زیاد است که نمیتوان آن را به تأثیرهای متقابل ضعیف بین مولکولی نسبت داد. آشناترین این نوع مواد ، فلوئورید هیدروژن ، آب و آمونیاک است که بسیاری از خواص آنها از جمله دماهای جوش و ذوب آنها از دماهای جوش و ذوب ترکیبهای مشابه خود ، برای مثال PH3H2SHCL بطور غیرمنتظرهای بالاتر است. شاید تصور شود که علت این وضعیت غیر عادی ، قطبیت به نسبت زیاد این مولکولهاست. البته تا اندازهای همین طور است. اما بررسی دقیق این پدیده غیر عادی نشان میدهد که باید نیروی جاذبه قویتر از نیروهای جاذبه دوقطبی _ دوقطبی بین مولکولهای آنها برقرار باشد. اگر به ساختار الکترونی مولکولهای NH2H2OHF توجه شود، میتوان به موردهای مشترک بین آنها پی برد. این وجه اشتراک ، وجود دست کم یک پیوند کوالانسی با اتم هیدروژن و یک اوربیتال هیبریدی ناپیوندی دو الکترونی اتم مرکزی بسیار الکترونگاتیو در هر یک از آنهاست.
اتمهای NOF الکترونگاتیوی بالایی دارند با هیدروژن پیوند کوالانسی بشدت قطبی بوجود میآورند، بطوری که هیدروژن به میزان قابل توجهی خصلت یک پروتون را پیدا میکند. جفت الکترون ناپیوندی و قابل واگذاری روی اتم الکترونگاتیو H ، این امکان را پدید میآورد که اتم هیدروژن در نقش پل ، اتمهای الکترونگاتیو دو مولکول را به یکدیگر متصل کند و نیروی جاذبه بین مولکولی بوجود میآید که به پیوند هیدروژنی مرسوم است.
خواص ترکیبات دارای پیوند کووالانسی ترکیباتی که مولکولهای آنها از طریق پیوند هیدروژنی به همدیگر پیوستهاند، علاوه بر دارا بودن نقاط جوش بالا ، بطور غیرعادی در دمای بالا ذوب میشوند و آنتالپی تبخیر ، آنتالپی ذوب و گرانروی آنها زیاد است.
علت شناور بودن یخ یخ روی آب شناور میماند، زیرا به هنگام انجماد ، منبسط میشود. سبب این انبساط پیوند هیدروژنی میان مولکولهای خمیده آب است ساختار خمیده یا زاویهای مولکول آب ناشی از آرایش چهار وجهی چهار جفت الکترون در لایه ظرفیت یک اتم است. ساختار زاویهای مولکول آب و پیوند هیدروژنی میان مولکولهای آب به آن معنی است که هر مولکول آب میتواند حداکثر با چهار مولکول آب دیگر پیوند هیدروژنی داشته باشد. پس آب مایع را میتوان به صورت خوشههایی از مولکولهای آب تصورکرد، خوشههایی که با پیوند هیدروژنی از مولکولهای آب ساخته شدهاند و دائم در حال حرکتند. شمار مولکولها در هر خوشه و سرعت حرکت خوشهها به دما بستگی دارد. با سرد شدن آب ، مجموعههایی از مولکولهای آب که بسرعت در حرکتاند، کند میشوند و در نقطه انجماد به یکدیگر قلاب شده ساختمان سه بعدی منبسط شدهای را بوجود میآورند. این ساختمان گستردهتر موجب میشود که تراکم یخ کمتر از آب باشد. ذوب شدن یخ در حدود 15% انرژی پیوندهای هیدروژنی را میشکند و این امر سبب فرو ریختن ساختار میشود. در نتیجه مایعی متراکم حاصل می گردد.
چرا نقطه جوش آب بالا است؟ خاصیت عجیب دیگر آب ، نقطه جوش نسبتا زیاد آن است. تقریبا تمام ترکیبات هیدروژندار مجاور اکسیژن و اعضای خانواده آن یعنی CH4NH3H2SH2SeH2TePH3HCL در دمای اتاق به حالت گازی هستند. اما آب مایع است. برای آنکه یک مولکول به حالت بخار در آید، باید انرژی جذب کند تا بتواند خود را از قید مولکولهای دیگر آزاد کند. چون آب مایع با پیوند هیدروژنی به صورت خوشههایی از مولکولها در میآید، برای شکسته شدن پیوندهای هیدروژنی آن ، انرژی زیادی لازم است.
اما همه پیوندهای هیدروژنی شکسته نمیشوند و خوشههایی از مولکولهای آب حتی در نزدیکی 1000 درجه سانتیگراد هنوز وجود دارند. وقتی آب گرم میشود، آشفتگی گرمایی پیوند هیدروژنی را میگسلد تا آنکه در بخار آب ، فقط جزء کوچکی از شمار پیوندهای هیدروژنی موجود در آب مایع یا جامد باقی میماند. اگر پیوند محکم میان مولکولی از قبیل پیوند هیدروژنی وجود نداشته باشد، مواد معمولا بنا به جرم مولکولی خود به جوش میآیند.
جرمهای مولکولی بزرگتر برای جوش آمدن به دمای زیادتری نیازمندند. عمدتا به این دلیل که ابرهای الکترونی بزرگتر آسانتر و پیچیده میشوند و این امر ، منجر به نیروهای لاندن بین مولکولی قویتر میشود.
کاربردهای پیوند هیدروژنی
پیوندهای هیدروژنی در بسیاری از مواد یافت میشوند. پدیدههایی از قبیل چسبناک شدن آبنبات سفت ، دیرتر خشک شدن الیاف پنبهای از الیاف نایلونی ، نرم شدن پوست با نایلون ، ناهنجارهای ظاهری در ماهیت آب ، همگی ناشی از همین پیوندهای هیدروژنی است.
پیوند هیدروژنی در تعیین ساختار و خواص مولکولهای سیستمهای زنده نقش اساسی دارد. اجزای مارپیچ آلفا در ساختار پروتئینها و اجزای مارپیچ دوگانه در ساختار DNA توسط پیوند هیدروژنی بهم میپیوندند. تشکیل و گسسته شدن پیوندهای هیدروژنی در تقسیم یافتن و سنتز پروتئینها توسط آن دارای اهمیت اساسی است.
اتم هيدروژن .. دید کلی
اتم هیدروژن سادهترین اتمها میباشد، و همین امر سبب میشود که هرگاه مطالعهای در مورد ساختار اتمها انجام شود، ابتدا این مطالعه در مورد اتم هیدروژن شروع میشود. بعد از اینکه نتیجه گیریها در مورد اتم هیدروژن با نتایج تجربی و عملی موجود موافق بود، یعنی صحت و درستی تئوری یا نظریه در مورد اتم هیدروژن از نظر تجربی تأیید گردید، مطالعه را به اتمهای دیگر تعمیم میدهند. به عنوان مثال کوانتش ترازهای انرژی ، اولین بار در مورد اتم هیدروژن به اثبات رسید، سپس در مورد اتمها دیگر نیز مطالعه شد.
مشخصات اتم هیدروژن ساختمان اتم هیدروژن از یک هسته و یک الکترون تشکیل شده است. معلوم شده است که قطر اتم هیدروژن تقریبا یک آنگسترم است و الکترون در این اتم با انرژی 13.6 الکترون ولت (هر الکترون ولت معادل 1.6x10-19 ژول است) به هسته مقید است.
طیف اتم هیدروژن طیف مربوط به اتم هیدروژن که توسط طیف سنج منشوری یا طیف سنج توری پراش حاصل میشود، متشکل از تعدادی خطوط تیزه گسسته ، و روشن در زمینه سیاه است. این خطوط تصویرهای شکاف هستند. در حقیقت ، طیف تمام عناصر شیمیایی که به شکل گاز تک اتمی هستند، مرکب از چنین خطوط روشن است. این طیف به طیف خطی معروف است. در این صورت طیف گسیلی ناشی از اتم هیدروژن ، که یک طیف خطی روشن است، مشخصه هیدروژن است. طیف اتم هیدروژن به نواحی مختلف تقسیمبندی میشوند، که هر کدام از این نواحی به افتخار دانشمندانی که آنها را اولین بار تعیین کردهاند، به نام آن ثبت شده است. اولین ناحیه فرابنفش است که به سری لیمان معروف است. ناحیه دوم ، ناحیه مرئی است که به سری بالمر معروف است. ناحیه سوم ، ناحیه فروسرخ است که سری پاشن نامیده میشود.
ایزوتوپهای هیدروژن هیدروژن با عدد اتمی یک و عدد جرمی یک ، یکی از ایزوتوپهای اتم هیدروژن است. این نوع ایزوتوپ فاقد نوترون است.
دوتریم با فرمول شیمیایی 21H که عدد اتمی آن یک بوده و عدد جرمیاش برابر 2 است. این ایزوتوپ دارای یک نوترون است. این نوع هیدروژن را هیدروژن سنگین نیز میگویند.
دیدگاه کوانتومی اتم هیدروژن از آنجا که اتم هیدروژن سادهترین اتمهاست، بنابراین ابتدا معادله شرویدینگر در مورد اتم هیدروژن حل میشود. سپس این نتایج با تغییراتی در معادله شرودینگر در مورد عناصر دیگر تعمیم داده میشود. بر اساس جوابهای معادله شرودینگر ترازهای انرژی اتم هیدروژن حاصل میشوند. به هر تراز اتمی یک عدد کوانتومی اصلی که با n نشان داده میشود، تعریف میکنند، در حالت پایه الکترون اتم هیدروژن در تراز n = 1 قرار دارد. اگر هیدروژن بوسیله عواملی مانند میدان خارجی تحریک شود، در این صورت الکترون تحریک شده و به تراز بالاتر میرود که در اینحالت اصطلاحا گفته میشود که اتم هیدروژن برانگیخته شده است. از آنجا که حالت برانگیخته حالت پایداری نیست، لذا الکترون از قوسی به تراز اولیه بر میگردد. اختلاف انرژی این دو تراز توسط اتم به صورت تابش الکترومغناطیسی ، گسیل میگردد. بر اساس اینکه تعداد انرژی الکترون برانگیخته و یا اختلاف انرژی دو تراز پایه و برانگیخته چقدر باشد، طول موج تابش الکترومغناطیسی حاصل متفاوت خواهد بود. به این ترتیب طیفی حاصل میگردد که به طیف اتم هیدروژن معروف است.
فرق دیدگاه کوانتومی و دیدگاه کلاسیکی اتم هیدروژن در دیدگاه فیزیک کلاسیک ، اتم هیدروژن دارای طیف پیوسته است، در صورتی که دیدگاه کوانتومی طیف گسستهای را پیش بینی میکند. این گسسته بودن طیف از کوانتومی بودن انرژی الکترون در ترازهای اتمی حاصل میگردد. شایان ذکر است که ایزوتوپهای هیدروژن از مطالعه طیف اتم هیدروژن شناسایی شدهاند. به عنوان مثال اختلاف بین طیف هیدروژن و طیف دو ترسیم (که در آن جرم هسته تقریبا دو برابر جرم پروتون است) سبب شد که یوری و همکارانش در سال 1932 دوتریم را کشف کنند.
هلیم و تمام دانستنيهاي مربوط به آن.. اولين گاز نجيب
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.
تاريخچه 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.
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.
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.
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.
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 از نیتروژن 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.
|
___________________________
براي تبادل لينك با ما ابتدا عنوان وبلاگ ما را با نام : هما سعادت در وبلاگ خود قرار دهيد سپس از طريق نظرات اطلاع دهيد تا ما هم شما را لينك نماييم
|
نوشته شده توسط هما سعادت| پنجشنبه بیست و یکم شهریور 1387 | | 
