نقش هيدروژن در گسترش نظريهٔ كوانتوم

ساختار اتمي نسبتاً سادهٔ هيدروژن يعني اينكه تنها داراي يك پروتون و يك الكترون بود و افزون بر آن، طيف نوري كه از هيدروژن تابيده مي‌شد و يا توسط هيدروژن دريافت مي‌شد، همگي در گسترش نظريهٔ ساختار اتم بسيار كمك‌كار بودند.[۵۳] سادگي ساختار مولكول هيدروژن و كاتيون H۲+ كمك كرد تا شناخت بهتري از پيوندهاي شيميايي بدست آيد. اين دستاورد اندكي پس از بيان نظريهٔ رفتار مكانيك كوانتوم اتم هيدروژن در ميانهٔ دههٔ ۱۹۲۰، بدست آمد.

يكي از اثرها و ويژگي‌هاي كوانتومي كه به خوبي ديده شد (اما در آن هنگامه فهميده نشد) مشاهدات ماكسول در زمينهٔ هيدروژن بود كه نيم قرن پيش از رسيدن به نظريهٔ مكانيك كوانتوم روي داد. ماكسول مشاهده كرد كه ظرفيت گرمايي H۲ در دماهاي زير دماي اتاق به سرعت از انرژي گرمايي گازهاي دو اتمي دور و به تك اتمي‌ها نزديك مي‌شود. برپايهٔ نظريهٔ كوانتوم اين رفتار به فاصلهٔ ميان ترازهاي انرژي دوراني باز مي‌گردد كه بويژه در H۲ به دليل جرم كوچك آن، با هم فاصلهٔ زيادي دارند اين ترازهاي بافاصله، از پخش شدن يكنواخت انرژي گرمايي در حركت دوراني هيدروژن در دماي پايين پيشگيري مي‌كند. گازهاي دو اتمي كه از اتم‌هاي سنگين تري ساخته شده‌اند داراي چنين ترازهاي با فاصلهٔ انرژي نيستند و نمي‌توانند چنين رفتاري را از خود نشان دهند

برچسب‌ها: ،

نظرات (0)

شناسايي هيدروژن و دست‌آوردهاي پس از آن

در سال ۱۶۷۱، رابرت بويل دريافت و توضيح داد كه از واكنش ميان آهن و يك اسيد رقيق باعث توليد گاز هيدروژن مي‌شود.[۴۲][۴۳] پس از او در سال ۱۷۶۶ هنري كاونديش نخستين كسي بود كه گاز هيدروژن را به عنوان يك مادهٔ جداگانه شناخت. ماده‌اي كه نتيجهٔ واكنش شيميايي ميان فلز و اسيد بوده و البته آتش‌گير نيز بوده‌است براي همين وي نام «هواي آتش‌گير» را بر آن نهاد. او گمان برد «هواي آتش‌گير» در حقيقت همان مادهٔ افسانه‌اي «آتش‌دوست» يا phlogiston است.[۴۴][۴۵] آزمايش‌هاي پس از آن در سال ۱۷۸۱ نشان داد كه از سوختن اين گاز، آب پديد مي‌آيد. كاونديش به عنوان كسي كه براي نخستين بار هيدروژن را به عنوان يك عنصر دانست، شناخته مي‌شود.[۴۶][۴۷] در سال ۱۷۸۳ لاوازيه و لاپلاس هنگامي كه يافته‌هاي كاونديش را آزمودند و ديدند كه از سوختن اين گاز، آب پديد مي‌آيد به پيشنهاد لاوازيه نام هيدروژن را براي آن برگزيدند.[۴۷] هيدروژن به معني سازندهٔ آب يا آبزا، از واژهٔ يوناني ὕδρω يا hydro به معني «آب» و γενῆς يا genes به معني «سازنده» ساخته شده‌است.[۴۸]

لاوازيه در آزمايش‌هاي سرشناس خود دربارهٔ بقاي ماده، از واكنش ميان بخار آب با فلز آهني كه در آتش به شدت داغ و دچار تابش شده بود، به توليد هيدروژن دست يافت. اكسيد كردن آهن در يك فرايند بدون هوا با كمك پروتون‌هاي آب در دماي بسيار بالا از واكنش‌هاي زير پيروي مي‌كند:

       Fe +    H۲O → FeO + H۲

    2 Fe + 3 H۲O → Fe۲O۳ + 3 H۲

    3 Fe + 4 H۲O → Fe۳O۴ + 4 H۲

زيركونيم و بسياري ديگر از فلزها اگر همين فرايند را با آب داشته باشند باز به توليد هيدروژن مي‌رسند.

برچسب‌ها: ،

نظرات (0)

ايزوتوپ‌ها

پروتيوم، معمولي‌ترين ايزوتوپ هيدروژن فاقد نوترون است گرچه دو ايزوتوپ ديگر به نام دوتريوم داراي يك نوترون و تريتيوم راديو اكتيو داراي دو نوترون، وجود دارند. دو ايزوتوپ پايدار هيدروژن پروتيوم(H-1) و ديتريوم(D، H-۲) هستند. ديتريوم شامل ۰٫۰۱۸۴-۰٫۰۰۸۲٪ درصد كل هيدروژن است (آيوپاك)؛ نسبتهاي ديتريوم به پروتيوم با توجه به استاندارد مرجع آب VSMOW اعلام مي‌گردد. تريتيوم(T يا H-3)، يك ايزوتوپ پرتوزا (راديواكتيو) داراي يك پرتون و دو نوترون است. هيدروژن تنها عنصري است كه ايزوتوپ‌هاي آن اسمي مختلفي دارند

برچسب‌ها: ،

نظرات (0)

پروتون‌ها و اسيدها

هيدروژن با اكسيد شدن الكترون خود را از دست مي‌دهد درنتيجه H+ بدست مي‌آيد كه تنها داراي يك هسته‌است كه خود آن هسته تنها يك پروتون دارد. به همين دليل H+ را پروتون نيز مي‌نامند. اين ويژگي در بحث واكنش‌هاي اسيدها در خور توجه‌است. برپايهٔ نظريهٔ اسيد و باز برونستد-لاري اسيدها دهندهٔ پروتون و قلياها گيرندهٔ پروتون اند.

پروتون يا H+ را نمي‌توان به صورت تكي در يك محلول يا بلور يوني پيدا كرد، اين به دليل ربايش بسيار بالاي آن به الكترون اتم‌ها يا مولكول‌هاي ديگر است. مگر در دماهاي بسيار بالاي مرتبط با حالت پلاسما. چنين پروتون‌هايي را نمي‌توان از ابر الكتروني اتم يا مولكول جدا كرد بلكه چسبيده به آن‌ها باقي مي‌ماند. البته گاهي از عبارت «پروتون» براي اشاره به هيدروژن با بار مثبت يا كاتيون كه در پيوند با ديگر مواد است هم استفاده مي‌شود.

برچسب‌ها: ،

نظرات (0)

هيدريدها

بيشتر تركيب‌هاي هيدروژن، هيدريد نام دارند. عبارت هيدريد نشان مي‌دهد كه در آن تركيب اتم هيدروژن بار منفي يا آنيون به خود گرفته و به صورت -H نمايش داده مي‌شود. اين حالت زماني پيش مي‌آيد كه هيدروژن با عنصرهايي كه دوست دارند الكترون از دست دهند، تركيب شود. اين مطلب نخستين بار توسط گيلبرت لوويس در سال ۱۹۱۶ براي هيدريدهاي گروه يك و دو پيشنهاد شد؛ پس از آن مورئر، در سال ۱۹۲۰ با كمك الكتروليز ليتيم هيدريد مذاب، درستي اين پديده را نشان داد. همچنين مقدار هيدروژن در آنُد با كمك معادلات استوكيومتري قابل شمارش بود.[۳۷] براي هيدريد عنصرهايي غير از فلزهاي گروه يك و دو، با در نظر گرفتن الكترون‌دوستي پايين هيدروژن، وضعيت كمي متفاوت است. همچنين تركيب BeH۲ در گروه دو، يك پليمري و استثنا است. در ليتيم آلومينيوم هيدريد، آنيون AlH−
۴ مركزهاي هيدريدي را با خود مي‌برد در حالي كه به سختي با Al(III) در پيوند اند.

هيدريدها تقريباً با همهٔ عنصرهاي گروه اصلي ساخته مي‌شوند ولي شمار و آميزش آن‌ها متفاوت است. براي نمونه بيش از ۱۰۰ هيدريد بور دوتايي شناخته شده‌است درحالي كه تنها يك هيدريد آلومينيم دوتايي داريم[۳۸] و هيدريد اينديم دوتايي هنوز شناخته نشده‌است هرچند كه تركيب‌هاي پيچيده‌تر وجود دارند.[۳۹]

در شيمي معدني، هيدريدها به عنوان يك پل ليگاندي يا ليگاند واسطه هم كاربرد دارند؛ به اين ترتيب كه ميان دو مركز فلزي در تركيب‌هاي كمپلس ارتباط برقرار مي‌كنند. اين كاربرد هيبريد بيشتر در ميان عنصرهاي گروه ۱۳ بويژه در هيدريدهاي بور، كمپلكس‌هاي آلومينيم و كربوران‌هاي خوشه‌دار ديده مي‌شود

برچسب‌ها: ،

نظرات (0)

كووالانت و تركيب‌هاي آلي

هيدروژن از سبك ترين گازها است و مي‌تواند با بيشتر عنصرها وارد واكنش شود در حالي كه در حالت مولكولي، H۲ در شرايط استاندارد چندان واكنش پذير نيست. هيدروژن الكترونگاتيوي ۲٫۲ دارد و مي‌تواند با عنصرهايي كه الكترونگاتيوي بيشتري دارند مانند هالوژن‌ها (مانند F، Ca، Br و I) و يا اكسيژن وارد واكنش شود. در تمامي اين واكنش‌ها هيدروژن بار مثبت به خود مي‌گيرد.[۳۰] هيدروژن در تركيب با فلوئور، اكسيژن يا نيتروژن پيوندي غيركووالانسي با توانمندي ميانگين به نام پيوند هيدروژني برقرار مي‌كند. اين پيوند در پايداري بسياري از مولكول‌هاي زيستي نقش اساسي دارد.[۳۱][۳۲] همچنين هيدروژن اين توان را دارد كه با عنصرهايي با الكترونگاتيوي كمتر مانند فلزها و شبه‌فلزها وارد واكنش شود. در اين صورت هيدروژن بار منفي به خود مي‌گيرد. اين گونه تركيب‌ها بيشتر با نام هيدريد شناخته مي‌شوند.[۳۳]

هيدروژن مي‌تواند رشته‌هاي تركيب‌هاي گسترده‌اي را با كربن پديد آورد. اين تركيب‌ها، هيدروكربن نام دارند. بيش از اين، رشته تركيب‌هاي هيدروژن با ناجوراتم‌ها هم وجود دارد كه از هيدروكربن‌ها هم گسترده‌تر است و به دليل ارتباطي كه ميان آن‌ها و اندام‌هاي زنده وجود دارد به آن‌ها تركيب‌هاي آلي گفته مي‌شود.[۳۴] و دانش بررسي ويژگي‌هاي چنين تركيب‌هايي شيمي آلي نام دارد.[۳۵] و چنان كه اين بررسي در زمينهٔ سازوكار اندامك‌هاي زنده باشد زيست‌شيمي خوانده مي‌شود.[۳۶] البته تعريف ديگري هم وجود دارد: برخي بر اين باور اند كه هر تركيبي كه كربن داشته باشد تركيب آلي نام دارد، هرچند، بيشتر اين تركيب‌هاي كربني داراي هيدروژن اند.[۳۴] امروزه ميليون‌ها هيدروكربن در جهان شناخته شده‌است كه براي ساخت بسياري از آن‌ها از فرايندهاي پيچيده‌اي بهره برده شده‌است.

برچسب‌ها: ،

نظرات (0)

حالت‌هاي گوناگون


    هيدروژن فشرده
    هيدروژن مايع
    هيدروژن دوغاب
    هيدروژن جامد
    هيدروژن فلزي

هيدروژن در فاز فلزي، يك ماده تباهيده است، در اين فاز، هيدروژن به شكل يك رساناي الكتريكي رفتار مي‌كند. اين فاز به صورت نظري در سال ۱۹۳۵ پيشبيني شد اما هنوز به روشني ديده نشده است و همچنان اين احتمال وجود دارد كه فازهاي جديدي از هيدروژن جامد، در شرايط استاتيك، پيدا شود

برچسب‌ها: ،

نظرات (0)

ساختار مولكولي

دو اسپين متفاوت براي همپارهاي مولكول دو اتمي هيدروژن وجود دارد كه در آن، تفاوت در اسپين هسته‌ها نسبت به يكديگر است.[۲۰] در ساختار راست‌هيدروژن (اورتوهيدروژن) اسپين دو پروتون هم‌سو است و با عدد كوانتومي اسپين مولكول ۱ (½+½) يك حالت سه‌گانه مي‌سازد. در پاراهيدروژن اسپين‌ها ناهم‌سو است درنتيجه با عدد كوانتومي اسپين ۰ (½–½) يك يگانه را مي‌سازد. در دما و فشار استاندارد، ساختار ۲۵٪ از گاز هيدروژن به صورت پارا و ۷۵٪ آن به صورت راست يا اورتو است كه به آن «ساختار معمولي» هم گفته مي‌شود.[۲۱] نسبت تعادلي هيدروژن پارا به راست (اورتو) به دماي آن بستگي دارد اما چون ساختار راست يك حالت برانگيخته است و تراز انرژي بالاتري نسبت به پارا دارد، ناپايدار است و نمي‌توان آن را پالاييد. در دماي بسيار پايين مي‌توان گفت حالت تعادل تنها از پارا ساخته شده‌است. ويژگي‌هاي گرمايي پاراهيدروژن پالاييده در حالت‌هاي گازي و مايع، با ساختار معمولي بسيار متفاوت است و اين از آنجا است كه ظرفيت گرمايي گردشي آن‌ها متفاوت است.[۲۲] تفاوت‌هاي پارا و راست در مولكول‌هاي ديگري كه هيدروژن دارند و يا در گروه‌هاي عاملي نيز ديده مي‌شود. براي نمونه آب و متيلن چنين اند اما اين تفاوت در ويژگي‌هاي گرمايي آن‌ها بسيار ناچيز است.[۲۳] براي نمونه نقطهٔ ذوب و جوش پاراهيدروژن ۰٫۱ كلوين از هيدروژن راست (اورتو) پايين‌تر است.

با افزايش دما، تغيير ويژگي‌هاي هيدروژن از پارا به راست (اورتو) افزايش مي‌يابد و پس از اندكي H۲ فشرده سرشار از ساختار پُرانرژي اورتو مي‌شود، ساختاري كه با كندي بسيار به ساختار پارا باز مي‌گردد.[۲۴] نسبت اورتو/پارا در هيدروژن فشرده، نكتهٔ كليدي در آماده‌سازي و ذخيرهٔ هيدروژن مايع است كه بايد آن را در نظر داشت. فرايند دگرگوني هيدروژن از راست (اورتو) به پارا گرمازا است و آنقدر گرما توليد مي‌كند كه باعث بخار شدن بخشي از هيدروژن مايع شود. در اين فرايند از آسان‌گرهايي مانند زغال فعال، اكسيد آهن(III)، آزبست پلاتيني، برخي فلزهاي كمياب، تركيب‌هاي اورانيوم، اكسيد كروم(III) و برخي تركيب‌هاي نيكل كمك گرفته مي‌شود.[۲۵] اين آسان‌گرها هنگام خنك سازي هيدروژن افزوده مي‌شوند

برچسب‌ها: ،

نظرات (0)

تراز انرژي الكتروني

تراز انرژي الكترون در اتم هيدروژن در پايين ترين سطح خود يا حالت صفر، ۱۳٫۶- الكترون‌ولت است؛ كه برابر است با يك فوتون فرابنفش با طول موجي نزديك به ۹۲ نانومتر.[۱۷]

تراز انرژي هيدروژن را مي‌توان با كمك مدل اتمي بور، نزديك به دقيق بدست آورد. در مدل بور فرض بر اين است كه الكترون‌ها در اتم مانند زمين كه به گِرد خورشيد مي‌گردد، به گِرد پروتون (هستهٔ اتم) مي‌چرخند. البته نيروي الكترومغناطيسي ميان الكترون‌ها و پروتون‌ها ربايش پديد مي‌آورد مانند سياره‌ها كه به خاطر نيروي گرانش سوي ستاره‌ها رباييده مي‌شوند. در دوران آغازين مكانيك كوانتوم، چنين انگار شده بود كه تكانهٔ زاويه‌اي كميتي گسسته‌است درنتيجه الكترون در مدل بور اجازه داشت در فاصله‌هاي مشخصي از پروتون جاي گيرد و درنتيجه انرژي آن هم با مقدارهاي مشخصي برابر مي‌شد.[۱۸]

براي دريافت توضيح دقيق تري دربارهٔ اتم هيدروژن بايد به رفتار آن در مكانيك كوانتوم نگاه كرد. با توجه به معادلهٔ شرودينگر و فرمول انتگرالي فاينمن مي‌توان رفتار احتمالاتي الكترون به گِرد پروتون را محاسبه كرد.[۱۹] برپايهٔ مكانيك كوانتوم، الكترون در يك اتم هيدروژن در حالت تراز صفر، هيچگونه تكانهٔ زاويه‌اي ندارد، تفاوت ميان همانندسازي گردش الكترون‌ها به منظومهٔ خورشيدي و آنچه در عمل رخ مي‌دهد اينجا است.

برچسب‌ها: ،

نظرات (0)

سوختن

گاز هيدروژن (دي‌هيدروژن يا مولكول هيدروژن)[۱۰] بسيار آتش‌گير است و مي‌تواند در هوا و در بازهٔ گسترده‌اي از غلظت، ميان ۴٪ تا ۷۵٪ حجمي، بسوزد.[۱۱] آنتالپي استاندارد سوختن براي هيدروژن ۲۸۶ كيلوژول بر مول است:[۱۲]

2 H۲(g) + O۲(g) → 2 H۲O(l) + 572 kJ (286 kJ/mol)

اگر هيدروژن با هوا آميخته شود و غلظت آن ميان ۴ تا ۷۴ درصد باشد و يا آميزه‌اي از هيدروژن و كلر با درصد ۵ تا ۹۵ درصد مي‌تواند ماده‌اي انفجاري را پديد آورد. اين آميزه‌هاي گازي با يك جرقه، كمي گرما يا نور خورشيد بي درنگ منفجر مي‌شود. دماي خودآتشگيري هيدروژن، دمايي كه هيدروژن در آن خود به خود در هوا آتش مي‌گيرد، ۵۰۰ درجهٔ سانتيگراد يا ۹۳۲ فارنهايت است.[۱۳] از شعلهٔ سوختن هيدروژن-اكسيژن خالص پرتوهاي فرابنفش تابيده مي‌شود كه براي چشم ناپيدايند. مانند شعله‌اي كه در موتور اصلي شاتل فضايي در اثر سوختن هيدروژن-اكسيژن پديد مي‌آيد. براي رديابي نشتي در هيدروژن در حال سوختن نياز به ابزارهاي رديابي شعله داريم، چنين نشتي‌هايي مي‌توانند بسيار خطرناك باشند. فاجعهٔ آتش‌گيري كشتي هوايي هيندنبرگ و سقوط آن يك نمونهٔ مصيبت‌بار از سوختن هيدروژن است دليل اين آتش‌سوزي مورد بررسي است اما شعله و آتشي كه از بيرون ديده شد به دليل سوختن ديگر مواد روي اين كشتي هوايي بود.[۱۴] چون هيدروژن سبك است و در هوا شناور مي‌شود شعلهٔ آتش هيدروژن خيلي زود بالا رفت و نسبت به سوخت‌هاي هيدروكربني خرابي كمتري به بار آورد. دو-سوم سرنشينان اين فضاپيما از آتش‌سوزي جان سالم به در بردند. بيشتر كشته‌ها به دليل سقوط و يا آتش‌گيري سوخت ديزل بود.[۱۵]

H۲ مي‌تواند با هر عنصر اكسيد شده‌اي وارد واكنش شود همچنين مي‌تواند در دماي اتاق به صورت خود به خودي و البته خطرآفرين با كلر و فلوئور واكنش دهد و هاليدهاي هيدروژن، هيدروژن كلريد و هيدروژن فلوئوريد را پديد آورد. اين هاليدها خود اسيدهاي خطرناكي اند

برچسب‌ها: ،

نظرات (0)
[ ۱ ][ ۲ ]

.:: آخرین مطالب ::.

» نقش هيدروژن در گسترش نظريهٔ كوانتوم ( <~PostDate~> )
» شناسايي هيدروژن و دست‌آوردهاي پس از آن ( <~PostDate~> )
» ايزوتوپ‌ها ( <~PostDate~> )
» پروتون‌ها و اسيدها ( <~PostDate~> )
» هيدريدها ( <~PostDate~> )
» كووالانت و تركيب‌هاي آلي ( <~PostDate~> )
» حالت‌هاي گوناگون ( <~PostDate~> )
» ساختار مولكولي ( <~PostDate~> )
» تراز انرژي الكتروني ( <~PostDate~> )
» سوختن ( <~PostDate~> )