پدیده تبـــادل یــــون برای اولین بار در ســــال 1850 و به دنبال مــشاهده توانایی خاک‌های زراعی در تعویض برخی از یون‌ها مثل آمــــونیوم با یــــون کــلسیم و منیزم موجود در ساختمان آنها گزارش شد. در سال 1870 با انجام آزمایش‌های متعددی ثابت شد که بعضی از کانیهای طبیعی بـخصوص زئولیت‌ها واجـــد توانایی انجام تبــادل یون هستند. در واقع به رزین‌های معـدنی ، زئولیت می‌گویند و این مواد یون‌های سختی آور آب (کلسیم و منیزیم) را حذف مـی‌کردند و به جای آن یون سدیم آزاد می‌کردند از اینرو به زئولیت‌های سدیمی مشهور شدند کـه استفاده از آن در تصفیه آب مزایای زیاد داشت چون احتیاج به مواد شیمیایی نبود و اثرات جانبی هم نداشتند.

اما زئولیت‌های سدیمی دارای مـــحدودیتهایی بودند. ایــن زئولیتها می‌توانستند فقط سدیم را جایگزین کــلـسـیـم و منیزیم محلول در آب نمایند و آنیونهایی از قبیل سولفات ، کلراید و سیلیکات‌ها بدون تغــیـیـر بـاقـی مــی‌مانند. واضح است چنین آبی برای صنایع مطلوب نیست. پس از انجام تحقیقات در اواســط دهه 1930 در هلند زئولیتهایی ساخته شد که به جای سدیم فعال ، هیدروژن فعال داشتند. این زئولیتها که به تعویض کننده‌های کاتیونی هیدروژنی معروف جدید ، سیلـیـس نـداشته و علاوه بر این قادرند همزمان هم سختی آب را حذف کنند و هم قلیائیست آب را کاهش دهند.

برای بهبود تکنولوژی تصفیه آب ، گامهای اساسی در سال 1944 برداشته شد که بــاعـث تولید زرین‌های تعویض آنیونی شد. زرین‌های کاتیونی هیدروژنی تمام کاتیونی آب را حــذف می‌کنند و رزین‌های آنیونی تمام آنیونهای آب را از جمله سیلیس را حذف می‌نمایند ، در نتیجه می‌تـوان با استفاده از هر دو نوع زرین ، آب بدون یون تولید کرد. همچنین پژوهشگران دریـافـتـنـد کـه سیلیکات آلومینیم موجود در خاک قادر به تعویض یونی می‌باشد. این نتیجه گـیـری با تهیه ژل سیلیکات آلومینیم از ترکیب محلول سولفات آلــومـینیم و سیلیکات سدیم به اثبات رسید. بنابراین اولین رزین مصنوعی که ساخته شد سیلیکات آلومینیم بود. و امــروزه اکـثر زرین‌های تعویض یونی که در تصفیه آب بکار می‌روند رزین‌های سنتزی هستند که با پلیمریزاسیون ترکیبات آلی حاصل شده‌اند.


شــیــمــی رزیــن‌ها

رزیــن‌هــای مـوازنه کننده یون ، ذرات جامدی هستند که می‌توانند یونهای نامطلوب در مــحـلول را بـا هـمان مقدار اکی والان از یون مطلوب با بار الکتریکی مشابه جایگزین کنند. رزین‌های تعــویـض یــونی شـامــل بـار مثبت کاتیونی و بار منفی آنیونی می‌باشد بــگـونـه‌ای که از نظر الکتریکی خنثی هستند. موازنه کننده‌ها با محلول‌های الکترولیت ایــن تـفـاوت را دارنـد که فقط یکی از دو یون ، متحرک و قابل تعویض است به عنوان مثال ، یک تعویض کــنـنـده کــاتیونی سولفونیک دارای نقاط آنیونی غیر متحرکی است که شامـل رادیـکـالـهای آنــیونی SO2-3 می‌باشد که کاتیون متحرکی مثل +H یا +Na به آن هستند.

ایـن کـاتـیـونــهـای مـتحرک می‌توانند در یک واکنش تعویض یونی شرکت کنند به همین صورت یک تعویض کــنـنـده آنیونی دارای نقــاط کاتیونی غیر متحرکی است که آنیون‌های متحرکی مثل -Cl یا -OH به آن متصل می‌باشد. در اثــر تــعــویــض یــون ، کــاتــیــون‌هــا یا آنیون‌های موجود در محلول با کاتیون‌ها و آنیون‌های موجود در رزین تعویض می‌شود ، بــگــونــه‌ای کـه هم محلول و هم رزین از نظر الکتریکی خنثی باقی می‌ماند. در اینجا با تعادل جامـد مایـع ســروکــار داریـم بدون آنکه جامد در محلول حل شود. برای آنــکه یـک تعویض کننده یونی جامد مفید باشد باید دارای شرایط زیر باشد:
1. خود دارای یون باشد.
2. در آب غیر محلول باشد.
3. فضای کافی در شبکه تعویض یونی داشته باشد ، بطوریکه یونها بتوانند به سهولت در شبکه جامد رزین وارد و یا از آن خارج شوند.
در مورد رزین‌های کاتیونی هر دانــه رزیــن با آنیـون غیر تحرک و یون متحرک +H را می‌توان همچون یک قطره اسید سولفوریک با غـــلظـت 25% فرض نمود. این
قطره در غشایی قرار دارد که فقط کاتیون می‌تواند از ان عبور نماید.

طبقه بندی رزین‌ها

رزین‌ها بر حسب گروه عامل تعویض متصل به پایه پلیمری رزین به چهار دسته تقسیم می‌شوند:

1. رزین‌های کاتیونی قوی(( SAC) Strongacidis Cation)

2. رزین‌های کاتیونی ضعیف(( WAC) Weak acidis Cation)

3. رزین‌های آنیونی قوی SBA) Strongbasic anion) ))

4. رزین‌های آمونیونی ضعیف WBA) Weak basic anion))

بــطــور کلی رزین‌های نوع قوی در یک محــدوده وسـیــع PH و رزیـن‌های نوع ضعیف در یک محدوده کوچک از PH مناسب هستند. ولـیـکـن با استفاده از رزین‌های نوع ضعیف ، صرفه جویی قابل توجهی در مــصــرف مــوادشیمیایی مورد نیاز برای احیا رزین را باعث می‌شود. رزیــن‌هـای کــاتیونی قــوی قـادر به جذب کلیه کاتیونهای موجود در آب می‌باشد ولی نوع ضعیف قادر به جذب کاتیونــهای هـستند که به قلیائست آب مرتبط است و محصول سیستم اسید کربنیک است.

نوع قوی



Ca(HCO3)2 OR MgSO4 + 2ZSO3H -----> Ca2++2H2CO3 OR Mg2+ + H2SO4

نوع ضعیف



Mg(HCO3)2 OR Ca(HCO3)2 + 2ZCOOH -----> (ZCOO)2+ + Mg(ZCOO)2+Ca + 2H2CO3

مزیت رزین‌های کاتیونی ضعـیف بــازدهی بالای آنها در مقــایـسه با رزینهای کاتیونی قوی می‌باشد ، در نتیجه باعث تولید پساب کمتر در احیا مـکرر می‌گردد. اصولا زمانی که هدف جداسازی کلیه کاتیونهای آب است بکــارگیری تــوام رزیــن کــاتـیونی قوی و ضعیف اقتصادی تر از بکارگیری رزینهای کاتیونی قوی مــی‌بــاشد. رزین‌های آنیونی قوی قادر به جذب کلیه آنیونــهای موجــود در آب بوده ولـــی رزین‌های آنیونی قادر به جذب آنیون اسیدهای قــوی نــظـیر اسـیـدسـولفوریک ، کلریدریک و نیتریک می‌باشد. رزین‌های آنیونی ضعیف مقاومتر از رزینهــای آنـیـونـی قوی بوده و به همین جهت در سیستم‌های تصفیه آب ، رزین‌های آنیونی قوی در پاین دسـت رزیـنـهـای آنیونی ضعیف قرار می‌گیرند.

2HCl OR 2H2SiO3 + 2ZOH -----> 2ZHSio3ZCl + H2O

2HCl OR 2HNO3 + ZOH -----> 2ZCl OR 2ZNO3 + H2O

برخی از کاربردهای رزین‌ها

· رزین‌های کاتیونی سدیمی نه تنها کاتیون‌های سختی آور آب بلکه همه یون‌های فلزی را با سدیم تعویض می‌کنند. برای احیا این نوع رزین‌های کافی است که رزین را با آب نمک شست و شو دهیم تا رزین به فرم اولیه خود برگردد.

· بــا رزیــن‌هــای کــاتیونی چه نوع هیدروژنی و چه نوع سدیمی می‌توان آهن و منگنز را چون بقیه کــاتیونـها حـذف کرد اما به علت امکان آلوده شدن رزین‌ها معمولا مشکلاتی داشته و باید نکاتی را رعایت کرد. اولا بـاید دقت کرد که قبل از حذف یون آهن توسط رزین هیچ هوایی با آب در تماس قرار نگیرد چون در اثر مجاورت با هوا ، آهن و منــگـنـز مـحـلول در اب اکـسیـده شده غیر محلول در می‌آیند و در نتیجه روی ذرات رزین رســوب کــرده و بــاعـث آلــوده شدن رزین می‌گردد.

· با استفاده از رزین‌های تبادل یونی می‌توان لیــزیــن را که جــز اســـیـدآمــینــه ضروری مورد نیاز رژیم غذایی خــوکــها ، مــاکـیان و سایر گونه‌های حیوانی می‌باشد ، را تخلیص کرد. دلیل اهمیت تخلیص این اسـیــد آمینه ، نزدیکتر شدن رژیم غذایی حیوانات به نیازمندیهای آنها در مـصـرف مـواد خـام و ... اسـت با توجه به اینکه مقدار لیزین در دانه‌ها ، بخصوص غلات ناچیز می‌باشد.

· حذف سیلیکا از آبهای صنعتی با استفاده از رزین‌های آنیونی قوی

· حذف آمونیاک از هوا بوسیله زئولیت‌های طبیعی اصلاح شده (کلینوتپلولیت)

آزمایش لوله کاتدی سرآغازی برای کشف ماهیت الکتزون بود . آقای تامسون توسط آزمایش لوله کاتدی توانستند نسبت بار به جرم الکترون را محاسبه نمایند . در ادامه مطلب فایل pdf نحوه محاسبه نسبت بار به جرم الکترون با استفاده ازلوله پرتو کاندی قرار داده شده است.

دانلود فایل

منبع : www.cph-theory.com

ین اصل که به عنوان قانون اول ترمودینامیک شناخته می شود، یکی از قوی ترین اصول علمی است که ظاهرا مویی لای درزش نمی رود. به حدی در تاریخ این اصل علمی، قدرتمند ظاهر شده است که امانوئل کانت، فیلسوف مشهور آلمانی آنرا یک اصل پیش از تجربه می دانست، یعنی شبیه قوانین ریاضی بی نیاز و مستقل ازتجربه. البته نظر کانت در مورد اصول تحلیلی همچون ریاضی درست است، اما در مورد قانون بقای انرژی رد شده است، این قانون واقعا از هفت خوان رستم تجربه رد شده است

فیلسوفان یونان باستان همچون تالس   (Thales of Miletus) و امپدوکلس (Empedocles) اشاراتی فلسفی به قانون پایستگی داشته اند. در قرن شانزدهم، گالیله از طریق حرکت آونگ که انرژی پتانسیل آن به جنبشی و برعکس تبدیل می شود، اشاره کوچکی به این موضوع داشته است. در اواخر همان قرن، لایبنیتز آلمانی (Gottfried Leibniz) اولین تلاش را برای فرموله کردن پایستگی انرژی جنبشی در غیاب اصطکاک انجام داد. در همان زمان قانون بقای تکانه (مومنتوم) حتی با وجود اصطکاک کاربردی شده بود. به زودی مهندسین و شیمیدانها به این نتیجه رسیدند که قانون مومنتوم برای محاسبات عملی کافی نیست. از طرفی فرمول لایبنیتز هم در عمل کارایی چندانی نداشت چون اصطکاک معمولا همه جا بود و انرژی جنبشی گم می شد! پس از کش و قوسهای زیاد سرانجام در سال 1838 کارل فریدریش موهر اولین دکترین پایستگی انرژی را بیان کرد که در آن به کلمه فیزیکی کرافت (انرژی یا کار) اشاره شده است، وی ادامه می دهد که بسته به شرایط، انرژی می تواند به صورت حرکت ، میل ترکیبی شیمیایی، جاذبه، الکتریسیته، نور و مغناطیس ظاهر شده و از یک شکل به اشکال دیگر در آید.
با تلاش دانشمندانی از جمله ژول گرما نیز وارد معادله و صورتی از انرژی شد. در سال 1850 ویلیام رنکین اسکاتلندی برای اولین بار از عبارت ” قانون بقای انرژی” استفاده کرد. فرآیند رسیدن به این قانون در مفهوم ترمودینامیک نیز نتیجه نیم قرن تلاش و سعی و خطا بوده است. با این وجود معنای علمی آن با تلاش دانشمندانی همچون ویلیام رانکین ، جرمان هس روسی، جولیوس مایر آلمانی و از همه مهم تر کلازیوس آلمانی به بار نشست. امروزه پایستگی انرژی به عنوان قانون اول ترمودینامیک شناخته می شود : انرژی یک سیستم منزوی ثابت است. آدمی کمی وسوسه می شود که نظر کانت را در مورد پایستگی انرژی بپذیرد، به نظر می رسد که دانشمندان هر جا که انرژی گم می شده است، با یافتن یک مفهوم یا معادله جدید آن را نجات داده اند! اگر انرژی جنبشی گم شود، مفهوم گرما به داد آن می رسد. اگر گرما گم شود، می توان نور را وارد معادله کرد. اگر همه اینها گم شد، انرژی پتانسیل وارد کارزار می شود. آیا به راستی اینگونه است؟

اگر تبدیل انرژی به صورتهای مختلف یک طرفه باشد این موضوع درست است. فرض کنید انرژی گرمایی گم شود و دانشمندان برای نجات بقای انرژی،نور را عامل آن بدانند. اگر نور نتواند به گرما یا صورت دیگری از انرژی تبدیل شود، معادله جدید صرفا قصد نجات پایستگی انرژی را دارد. اما تا زمانیکه صورتهای مختلف انرژی بتوانند به یکدیگر تبدیل شوند، قانون پایستگی کاملا تجربی و کاربردی است! در طول تاریخ قانون پایستگی انرژی بارها تهدید شده است. برخی از این تهدیدها شبه علمی و برخی کاملا علمی بوده است. در ادامه به بررسی برخی از این تهدیدها می پردازیم

محرکهای دائمی : در دوره ای از تاریخ اروپا رقابتی بین مخترعین برای ساخت یک محرک دائمی ایجاد شده بود. شاید بتوان این تلاش را شبیه کوشش کیمیاگران برای تبدیل فلزی همچون مس به طلا دانست. البته تفاوت آن این است که امروزه با لیزر می توان کیمیاگری کرد و حتی از هیدروژن به طلا رسید، اما هیچکس به فکر ساخت محرک دائم نیست! به نظر می رسید که یک مخترع به نام اورفیرئوس آلمانی که نام واقعیش بسلر بود، سرانجام توانست محرک دائمی را بسازد. ماشین او چرخ بزرگ با اتصالات نسبتا پیچیده ای بود که دائم می چرخید. حتی در آزمایشهای دقیقی که به عمل آمد، معلوم شد که این چرخ چندین روز می چرخد، اما طولی نکشید که حیله مخترع فاش شد. ایشان به طور زیرکانه محفظه ای را طراحی کرده بود که شخصی در آن پنهان می شد و در زمان مناسب چرخ را می چرخاند! در زمانیکه همه از امکان ساخت محرک دائمی نامید شده بودند،در سال 1800میلادی یک مخترع هوشمند ساعتی ساخت که بدون کوک دائما کار می کرد، اما واقعیت این است که کوک آن توسط اختلاف در فشار هوا انجام می شد و خطری برای قانون بقای انرژی ایجاد نمی کرد.

همچنین در سال 1903 میلادی پروفسور استرت دستگاهی موسوم به ساعت رادیومی اختراع کرد که ظاهرا بدون حقه و فریب می تواند حداقل هزار سال از خود تحرک ظریفی نشان دهد. امروزه دیگر کسی برای محرکهای دائمی و نقض قانون بقای انرژی تلاش نمی کند. همانطور که یک جرثقیل نمی تواند خودش را بلند کند، انرژی نیز نمی تواند از هیچ به وجود آید. از اتفاقاتی که سبب گم شدن انرژی در سیستمها می شد، دانشمندان به تعریف سیستم منزوی رسیدند. یعنی سیستمی که تبادل انرژی با محیط خود ندارد. این نوع سیستم در ذهن و نوشتن ساده به دست می آید، اما در آزمایشگاهها موضوع فرق می کند. خیلی باید دقت کنید تا از منزوی بودن و یا میزان تبادل انرژی سیستم با محیط مطمئن شوید. امروزه نقض پایستگی انرژی در یک سیستم به معنای عدم دقت در منزوی کردن آن است. در هر حال دانشمندان ، این مراحل را نیز پشت سر گذاشته بودند اما خبر نداشتند که جرم و انرژی نیز قابل تبدیل به یکدیگرند. معادله مشهور E = MC2اینشتین این آمادگی را برای تعریف دقیق تر سیستم های منزوی داد

در واکنشهای رادیو اکتیویته که اورانیوم به عناصر سرب و هلیوم تجزیه می شود، مقداری از جرم در طرف دوم معادله گم می شود که به صورت کمی طبق معادله یاد شده به انرژی تبدیل میشود. در جوش هسته ای نیز زمانیکه هیدروژن به هلیوم تبدیل می شود، با محاسبات جرم اتمی معلوم می شود که جرم هلیوم حاصله کمتر از هیدروژنهاست. این جرم نیز به انرژی تبدیل می شود. جرم خورشید در هر ثانیه چند تن کم می شود. انرژی معادل آن همان نوری است که به فضا منتشر می کند. البته اگر ترازوی سوپر دقیق داشتیم نیازی نبود که معادله انیشتین را در واکنشهای هسته ای جستجو کنیم. اگر شما یک طبقه بالا بروید، معادل انرژی صرف شده بر جرمتان افزوده می شود و برعکس (آیا می توانید مقدار آن را حساب کنید؟) ! البته نه به این معنا که ذراتی به بدن اضافه می شود، بلکه برجرم تک تک اتمهای بدن اضافه می شود! جرم یک فنر کشیده یا جمع شده معادل انرژی ذخیره شده، بیشتر از همان فنر در حالت عادی است.

تلاشی بتا : این واکنش هسته ای یکی از قویترین تهدیدها در تاریخ، علیه پایستگی انرژی بود. از طرفی یکی از بهترین نمونه ها برای نشان دادن تجربیو کاربردی بودن این قانون است. در یک واکنش رادیو اکتیویته ( مانند تجزیه کربن 14 به نیتروژن 14) نوترون تجزیه شده و به پروتون و الکترون تبدیل می شود. دانشمندان به وضوح دریافتند که سمت راست معادله کاهش انرژی نشان می دهد!در مواجهه با این انحراف، نیلز بور حاضر به پذیرفتن نقض بقای انرژی در سطح زیر اتمی شده بود، در عوض ولفگانگ پائولی اتریشی برای تصحیح انحراف، ذره ای را به سمت راست واکنش اضافه نمود. تا اینجای کار مشکلی نیست، اماپائولی اذعان داشت که این ذره هیچگاه شناسایی نخواهد شد، یعنی دقیقا تلاش برای نجات پایستگی انرژی به هر بهایی! اینکار اشتباه است و امیدوارم در فلسفه علم به آن بپردازیم.

کشف پاد نوترینو یعنی شبیه همان ذره ای که پائولی به واکنش اضافه کرد، فرض علمی و البته شتاب زده بور را باطل کرد. به این ترتیب یک بار دیگر قانون پایستگی انرژی سربلند بیرون آمد. اما آیا این همه ماجراست؟! امروزه خطری بزرگتر در کمین این قانون نشسته است. اگر توپی که همچون قانون اول نیوتن قرار است با سرعت یکنواخت حرکت کند، بدون نیروی شناخته شده ای بر سرعتش اضافه شود، شما چه نتیجه ای می گیرید؟ اولین نتیجه نقض بقای انرژی است، این اتفاق نه برای یک توپ که برای تمامی کهکشانها جاری است. کهکشانها نه تنها از همدیگر دور می شوند، بلکه مدتهاست که بر سرعتشان نیز اضافه می شود. اگر قرار باشد اصول جاری علمی را پایدار نگه داریم، ناچاریم همچون دانشمندان برای آن مسئولی ناشناخته تعریف کنیم:

انرژی تاریک، انرژیی که برخلاف تلاشی بتا سهم آن در واکنش کم نیست و طبق محاسبه دانشمندان بیش از 70 % جهان را تشکیل می دهد و مسئول دور کردن کهکشانها با سرعتی فزاینده از یکدیگر و واپاشی ماده و دنیا در آینده است. طبعا دانشمندان، همچون پائولی نامی برای آن انتخاب کرده و آن را در یک سوی معادله قرار داده اند، اما برخلاف وی به یافتن آندر آینده امیدوارند. ما هم منتظر خواهیم بود

منبع: شبکه فیزیک هوپا

از زمانی که کوه دماوند توسط فوران آتشفشان ساخته شده است، هزاران سال می گذرد. این کوه که بلندترین در خاور میانه و مرتفع ترین قله آتشفشانی آسیاست، همچنان پابرجاست، اما ظاهرا این پایداری و استواری برخلاف علم ترمودینامیک است!

از لحاظ ترمودینامیکی تکه سنگی که در بالای کوه قرار دارد، در حالت ناپایداری به سر می برد و با سقوط و قرار گرفتن در دامنه کوه به حالت پایدارتری می رسد. یک کوه از همین تکه سنگها و خرده اجرامی تشکیل شده که به همین منوال به صورت ناپایداری بر روی همدیگر قرار گرفته اند و پیش بینی ترمودینامیک مسطح شدن خود به خودی تمامی کوههاست. در برخی کتب و دروس آکادمیک، پایداری ترمودینامیکی سیستمها را با دو پارامتر انرژی و آنتروپی توضیح می دهند، بدین ترتیب که سیستمها تمایل به انرژی کمتر و آنتروپی بیشتر دارند. تمایل به آنتروپی بیشتر کاملا درست است و قبلا در مورد آن توضیح داده شد، اما میل سیستمها به انرژی کمتر از بنیان نادرست است  .

با توجه به قانون بقای انرژی ، کاهش انرژی یک سیستم، منجر به افزایش انرژی دیگر سیستمها می شود و تمامی سیستمها نمی توانند همزمان انرژی خود را کاهش دهند. هنگامی که سنگی از بالای کوه سقوط می کند و در دامنه کوه آرام می گیرد، از انرژیش کاسته می شود، اما این انرژی از دست رفته نابود نمی شود و به گرما تبدیل شده و به بخش دیگری از زمین منتقل می شود. در همین فرآیند ، بر میزان آنتروپی زمین افزوده می شود. بنابراین بر طبق اصول ترمودینامیک، کوهها باید از بین بروند، تمامی مواد سوختنی باید بسوزند، یعنی چوب، کاغذ،نفت، زغال سنگ ، لوازم خانه و حتی بدن دوست داشتنی من و شما باید با اکسیژن ترکیب شده و بسوزند! حتی از نظر ترمودینامیک، الماس باید به گرافیت (به زبان ساده زغال) تبدیل شود، همچنین در سطح اتمی، تمامی عناصر سنگین تر و نیز سبک تر از آهن و سرب باید شکافته و یا جوش بخورند و به این دو عنصر تبدیل شوند، آهن و سرب پایدارترین عناصر هستند، اما چرا؟

آیا ترمودینامیک مزخرف می گوید؟! چه کسی باور می کند که الماس به زغال تبدیل شود؟ الماس هزاران سال است که زیر بار فشار و دمای بالا، در اعماق زمین تشکیل شده و توسط آتشفشانها به سطح زمین هدایت شده است و تمام کسانی که با قیمت گزاف آن را خرید و فروش می کنند، نسبت به استحکام و پایداری آن اطمینان 100 درصد دارند. پایداری همچون کمیابی، یکی از مهمترین پارامترهای هر جسم گران و ارزشمندی است، الماس سخت و پایدار است. انسانها همه گونه نگرانی دارند، اما چه کسی حتی در عمق یک جنگل پر از اکسیژن نگران سوختن بدن خویش است؟ درخت سرو زرتشت (ابرقو) حدود 4000 سال زندگی کرده و نسوخته است. این همه عناصر سنگین تر و سبک تر از آهن و سرب بر روی زمین و جهان ، دست نخورده و بدون واکنشهای اتمی وجود دارند. چگونه می توان باور کرد که اتمهای هیدروژن خودبه خود جوش خورده و به عناصر سنگین تر تبدیل شوند؟

همه اینها که گفتیم درست است. کسی ندیده است که الماس خود به خود به زغال تبدیل شود، اما پیش بینی های ترمودینامیک کاملا درست است، نکته اصلی اینجاست که ترمودینامیک در مورد سرعت و زمان وقوع این پیش بینی ها چیزی نمی گوید. باید خیلی خیلی عمر کنید و صبور باشید تا با چشم طبیعی وقوع بسیاری از رویدادهای مورد نظر ترمودینامیک را ببینید. واقعیت این است که در همین لحظه نیز بدن من و شما، همچون کاغذی که من بر روی آن می نویسم و نیز سرو زرتشت در حال سوختن با اکسیژن است، اما سرعت آن به قدری کم است که همچون رشد درختها و گیاهان و زنگ زدن آهن، برای ما قابل تشخیص نیست و اصولا در حالت طبیعی چنین واکنشهایی جایی برای نگرانی نیز ندارد. در شرایط معمولی سوختن یک گرم چوب هزاران سال طول می کشد. علمی که در آن سرعت واکنشها مورد بررسی قرار می گیرد ، سنیتیک است.

یکی از عوامل مهم در سرعت واکنشها ، موضوع مقاله ما، یعنی انرژی اکتیواسیون می باشد که اولین بار توسط شیمیدان سوئدی، سوانت آرنیوس معرفی شد. در مقابل تمامی واکنشها و پیش بینی هایی که ذکر شد، یک سد انرژی وجود دارد که باعث کندی سرعت آنها می شود. هر چه این سد انرژی بزرگتر باشد، پیشرفت واکنش سخت تر و سرعت آن نیز کمتر می شود. وجود این سد انرژی برای صنایع شیمیایی چندان خوشایند نیست، چراکه آنها را مجبور به استفاده از انرژی و هزینه بیشتر برای پیشبرد واکنشها و رسیدن به محصولات می کند ، اما برای من و شما بسیار خوشایند است. اگر چنین سدی نبود، در همین لحظه بدن ما با اکسیژن می سوخت و خاکستر می شد.

برگردیم به سنگی که در بالای کوه جا خوش کرده است. چرا این سنگ بلافاصله سقوط نمی کند؟ چون در مقابل این واکنش یک سد انرژی وجود دارد. شروع سقوط به یک انرژی معادل آن برای گذشتن از این سد نیاز دارد. این مقداربه انرژی اکتیواسیون یا فعالسازی موسوم است که حداقل انرژیبرای شروعچنین واکنشهایی می باشد. برای یک سنگ نسبتا کروی که خیلی سنگین نباشد، نیروی دست یک شخص نیز می تواند انرژی سقوط را تامین کند. هر گاه کسی آن را هل دهد و مانعی در مسیر نباشد، تا ته دره سقوط خواهد کرد. برای سنگهای بزرگتر یک زلزله چنین کاری را انجام خواهد داد. یک جنگل سرسبز و زیبا به خودی خود نخواهد سوخت (به عبارت علمی تر سرعت سوختن آن بسیار کند است)، اما برخورد یک صاعقه یا بی احتیاطی یک فرد در برپا کردن آتش می تواند به یک فاجعه زیست محیطی ختم شود! چرا؟ چون آتش گرفتن بخشی از یک درخت، انرژی اکتیواسیون سوختن آن را تامین می کند، اما موضوع به همین جا ختم نمی شود. سوختن چوب، یک واکنش انرژی زاست و انرژی آزاد شده از سوختن یک درخت می تواند انرژی اکتیواسیون سوختن دیگر درختان را تامین کند و الی آخر!

به این نوع واکنشها زنجیره ای می گویند. واکنشهایی که شروع آنها، انرژی ادامه کار را تامین می کند و به پیش می برد. انفجار یک خانه در اثر نشت گاز نیز بر اساس همین واکنش زنجیره ای انجام می پذیرد. اگر چه خانه ای که پر از گاز شده به خودی خود آتش نمی گیرد، اما کوچکترین بی احتیاطی مانند فشردن کلید برق ، جرقه ای تولید می کند که برای شروع واکنش سوختن چند مولکول گاز کافیست و این یعنی تامین انرژی اکتیواسیون دیگر مولکولها و در ادامه انفجار و آتش سوزی! در چنین مواردی باید در و پنجره ها را باز کرد و با یک حوله خیس و حتی مرطوب کردن پوشاک خود (جهت جلوگیری از جرقه الکتریسته ساکن) ، گاز را از طریق پنجره ها به بیرون از خانه هدایت کرد.

برای برخی واکنشها مانند تبدیل الماس به گرافیت، انرژی اکتیواسیون به حدی زیاد است که عملا سرعت واکنش در شرایط معمول صفر می باشد. البته این برای الماس دوستان خبر خوشی است، اما در صنایع شیمیایی انرژی اکتیواسیون بالا باعث کندی تولید محصول و افزایش هزینه می شود. با این حال آدمی برای این معضل نیز راه حلی پیدا کرده است : کاتالیزور. کاتالیزور ها با تشکیل ترکیبات واسطه سبب کاهش انرژی اکتیواسیون واکنشها شده و در پایان فرآیند، خود به صورت دست نخورده باقی می مانند. واکنشهایی نیز وجود دارند که انرژی اکتیواسیون آنها بسیار کم و حتی صفر است. مثلا واکنش برخورد یک الکترون با پوزیترون که به دو فوتون تبدیل می شود از این نوع است. در شیمی نیز اکثر واکنشهای رادیکالی دارای انرژی اکتیواسیون صفر هستند و به راحتی و با سرعت پیش می روند. نوع سومی از واکنشها دارای انرژیاکتیواسیون منفی هستند.

اگر بخواهیم ساده آن را توضیح دهیم، در این واکنشها دادن انرژی باعث کاهش سرعت یا عدم انجام واکنش می شود و در واقع شما باید به نوعی مقداری انرژی بگیرید تا واکنش به پیش برود. مثلا واکنش ترکیب دورادیکالاتم ید برای تشکیل مولکول آناز این نوع است.انرژی آزاد شده از این ترکیب دوباره اتمها را از همدیگر جدا می کند. برای پیشبرد این واکنش معمولا مقداری گاز آرگون اضافه می کنند تا انرژی آزاد شده را جذب کند. انرژی اکتیواسیون بیشتر واکنش های هسته ای نیز خیلی زیاد است (چرا؟).

مثلا برای جوش هسته ای هیدروژن و تبدیل آن به هلیوم در ستاره هابیش از10میلیون درجه حرارت مورد نیاز است که این مقدار در رآکتورهای آزمایشگاهی به 100 میلیون درجه افزایش پیدا می کند! البته با توجه به اینکه همیشه تخریب بسیار ساده تر از ساختن و آباد کردن است، آدمی نیز سالها پیش واکنش جوش هسته ای هیدروژن را در بمبهای هیدروژنی تکمیل کرده است. در این بمب های ویرانگر که قادرند در یک لحظه بزرگترین شهرها را از نقشه جغرافیا پاک کنند، از یک بمب اتم به عنوان چاشنی یا تامین کننده انرژی اکتیواسیون واکنش استفاده می شود. با این حال چهره آباد کننده این واکنش هنوز خودش را به نمایش انسان در نیاورده است.

با تمام تلاشهایی که تا کنون برای کنترل فرآیند جوش هسته ای انجام گرفته ، متاسفانه هنوز بشر نتوانسته به این انرژی پاک و تقریبا نامحدود دست یابد. رآکتورهای ساخته شده همچون توکامک قادرند برای لحظه ای، جوش هسته ای را به انجام برسانند، اما هنوز پیشبرد زنجیره ای واکنش میسر نشده است. امید می رود که در آینده نزدیک مجموعه  ITER اولین رآکتور همجوشی جهان را که از نوع توکامک خواهد بود در فرانسه بسازند. این مجموعه متشکل است از کشورهای روسیه ، اروپا، ژاپن ،کانادا، چین، ایالات متحده و جمهوری کره. توان خروجی این توکامک 410 مگا وات خواهد بود.

زمانی به این موضوع فکر می کردم که شاید بتوان با تزریق مولکولی ایزوتوپهای هیدروژن (دوتریوم و تریتیوم) از یک نانو پایپ و محصور سازی مغناطیسی پلاسمای آن در در فضای کوچکی که چندین اشعه لیزر بر روی آن همگرا شده به جوش هسته ای دست یافت. امروزه هر نوع جوش هسته ای با لیزرهای پرقدرت مانند لیزر نوا (Nova) امکان پذیر شده است، اما مشکلات بزرگی از جمله انرژی زیاد برای تولید این نوع لیزردر مسیر این فرآیند قرار دارد. در هر حال تولید انرژی از جوش هسته ای مشکل است، اما اگر به شکل صنعتی امکان پذیر شود، علاوه بر دستیابی به یک انرژی نسبتا نامحدود، زمین و طبیعت از شر بسیاری از آلودگیها نجات پیدا می کند! به امید آن روز

منبع :شبکه فیزیک هوپا