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[SUP]-19[/SUP] 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 [SUP]2[/SUP][SUB]1[/SUB]H 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.
چگونگی تولید شدن هیدروژن:
هیدروژن از چندین راه مختلف بدست میآید، عبور بخار از روی کربن داغ، تجزیه هیدروکربن بهوسیله حرارت، واکنش هیدروکسید سدیم یا پتاسیم بر آلومینیوم، الکترولیز آب یا از جابجایی آن در اسید ها توسط فلزات خاص.
هیدروژن تجاری در حجمهای زیاد معمولاً بهوسیله تجزیه گاز طبیعی تولید میشود.
از آنجا كه هيدروژن گازي در زمين وجود ندارد , ما بايد آن را بسازيم . ما با جدا كردن هيدروژن از آب , تراكم زيست يا گاز طبيعي از منابع محلي هيدروژن مي سازيم .
دانشمندان حتي كشف كرده اند كه بعضي جلبكها و باكتريها هيدروژن توليد مي كنند. توليد هيدروژن در حال حاضر بسيار گران است . اما فنون جديدي براي اينكار در حال توسعه است.
کاربرد ها:
هيدروژن مي تواند براي خدمات رفاهي مركزي برزگ يا دستگاههاي كوچك با كاربرد محلي توليد شود . هر منطقه اي از كشور يا دنيا منبعي دارد كه بتواند براي ساختن هيدروژن بكار گرفته شود . انعطاف پذيري هيدروژن يكي از امتيازات عمده آن است .
برخی دیگر از موارد استفاده از هیدروژن عبارتند از:
· به مقدار بسیار زیادی هیدروژن در فرایند هابر (Haber Process) صنعت نیاز است، مقدار قابل توجهی در برای تولید آمونیاک، هیدروژنه کردن چربی ها و روغن ها، و تولید متانول.
· آلکیل زدایی آبی (هیدرودیلکیلاسیون hydrodealkylation)، گوگردزدایی آبی (هیدرودیسولفوریزاسیون، hydrodesulfurization) و هیدروکرکینک (hydrocracking)
· تولید اسیدهیدروکلریک،جوشکاری، سوخت های موشک و احیاء سنگ معدن فلزی
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[SUP]-19[/SUP] 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 [SUP]2[/SUP][SUB]1[/SUB]H 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.
چگونگی تولید شدن هیدروژن:
هیدروژن از چندین راه مختلف بدست میآید، عبور بخار از روی کربن داغ، تجزیه هیدروکربن بهوسیله حرارت، واکنش هیدروکسید سدیم یا پتاسیم بر آلومینیوم، الکترولیز آب یا از جابجایی آن در اسید ها توسط فلزات خاص.
هیدروژن تجاری در حجمهای زیاد معمولاً بهوسیله تجزیه گاز طبیعی تولید میشود.
از آنجا كه هيدروژن گازي در زمين وجود ندارد , ما بايد آن را بسازيم . ما با جدا كردن هيدروژن از آب , تراكم زيست يا گاز طبيعي از منابع محلي هيدروژن مي سازيم .
دانشمندان حتي كشف كرده اند كه بعضي جلبكها و باكتريها هيدروژن توليد مي كنند. توليد هيدروژن در حال حاضر بسيار گران است . اما فنون جديدي براي اينكار در حال توسعه است.
کاربرد ها:
هيدروژن مي تواند براي خدمات رفاهي مركزي برزگ يا دستگاههاي كوچك با كاربرد محلي توليد شود . هر منطقه اي از كشور يا دنيا منبعي دارد كه بتواند براي ساختن هيدروژن بكار گرفته شود . انعطاف پذيري هيدروژن يكي از امتيازات عمده آن است .
برخی دیگر از موارد استفاده از هیدروژن عبارتند از:
· به مقدار بسیار زیادی هیدروژن در فرایند هابر (Haber Process) صنعت نیاز است، مقدار قابل توجهی در برای تولید آمونیاک، هیدروژنه کردن چربی ها و روغن ها، و تولید متانول.
· آلکیل زدایی آبی (هیدرودیلکیلاسیون hydrodealkylation)، گوگردزدایی آبی (هیدرودیسولفوریزاسیون، hydrodesulfurization) و هیدروکرکینک (hydrocracking)
· تولید اسیدهیدروکلریک،جوشکاری، سوخت های موشک و احیاء سنگ معدن فلزی
· هیدروژن مایع در تحقیقات سرماشناسی مانند مطالعات ابررسانی بکار میرود. · تریتیوم که در رآکتور های اتمی تولید میشود در ساخت بمبهای هیدروژنی مورد استفاده قرار میگیرد. · هیدروژن چهارده و نیم بار از هوا سبکتر است و سابقا بهعنوان عامل بالا برنده در بالون ها و کشتی های هوایی مورد استفاده قرار میگرفت تا وقتیکه فاجعه هیدنبرگ ثابت کرد که استفاده از این گاز برای این منظور بسیار خطرناک است. · دوتریم بهعنوان یک کند کننده جهت کاهش حرکت نوترونها در فعالیتهای هستهای مورد استفاده قرار میگیرد، و ترکیبات دوتریوم در شیمی و زیست شناسی در مطالعات تآثیرات ایزوتوپ، مورد استفاده وافع میشوند. · تریتیوم که یک ایزوتوپ طبقه بندی شده در علوم زیستشناسی است که بهعنوان یک منبع تشعشع در رنگهای نورانی کاربرد دارد. · هیدروژن میتواند در موتور های درون سوز سوخته شود و یا در پیلهای هیدروژنی انرژی بصورت برق تولید کند.تاکنون چند خودرو آزمایشی توست شرکتهای مختلف اتومبیل سازی از جمله BMW و Mercedes Benz ،Toyota ،Opel و ... (پیل هیدروژنی) تولید شدند. پیل های سوختی هیدروژنی، بهعنوان راه کاری برای تولید توان بالقوه ارزان و بدون آلودگی، مورد توجه قرار گرفته است.
انقلاب هیدروژنی:
شیمیدانان برای ساختن هیدروژن از گیاهان راهی جدید یافته اند، راهی که به تهیه هیدروژن با مقدار زیاد و ارزان می انجامد و مقدار آن به حدی خواهد بود که بتوان از آن به عنوان سوختی سبز (تمیز) استفاده کرد.گروهی از محققان محلول گلوکز را که از بافتهای گیاهی بدست آمده بود تا دمای 200 درجه سلسیوس و تحت فشار حرارت دادند، کاتالیزگر مورد استفاده در این آزمایش خرده های پولونیوم (Po) پخش شده درون لایه ای اسمزی از آلومینیوم اکسید بود. این فرآیند گلوکز را به هیدروژن، کربن دی اکسید و مقدار کمی متان تبدیل می کند. در این آزمایش چنانچه به جای گلوکز از متانول استفاده شود نتایج به مراتب بهتر خواهد بود. متانول (به عنوان سوختهای زیستی) از منابع گیاهی مانند ذرت و گندم بدست می آیند. اما باز هم هدروژن نسبت به این سوختها به مراتب بهتر و سالمتر است.راههای دیگری نیز برای بدست آمردن هیدروژن وجود دارد، به طور مثال: استفاده از الکتریسیته برای تجزیة مولکولهای آب، همچنین می توان هیدروژن را از گلوکز و تحت بخار فشرده استخراج کرد، اما هزینة آن بسیار بالاست. راه دیگر تجزیة باکتریائی پسماندهای زیستی به هیدروژن است( مانند تخمیر نشاسته ) اما مشکل آنست که در کارخانجات و صنایع این کار عملی نیست.
انقلاب هیدروژنی:
شیمیدانان برای ساختن هیدروژن از گیاهان راهی جدید یافته اند، راهی که به تهیه هیدروژن با مقدار زیاد و ارزان می انجامد و مقدار آن به حدی خواهد بود که بتوان از آن به عنوان سوختی سبز (تمیز) استفاده کرد.گروهی از محققان محلول گلوکز را که از بافتهای گیاهی بدست آمده بود تا دمای 200 درجه سلسیوس و تحت فشار حرارت دادند، کاتالیزگر مورد استفاده در این آزمایش خرده های پولونیوم (Po) پخش شده درون لایه ای اسمزی از آلومینیوم اکسید بود. این فرآیند گلوکز را به هیدروژن، کربن دی اکسید و مقدار کمی متان تبدیل می کند. در این آزمایش چنانچه به جای گلوکز از متانول استفاده شود نتایج به مراتب بهتر خواهد بود. متانول (به عنوان سوختهای زیستی) از منابع گیاهی مانند ذرت و گندم بدست می آیند. اما باز هم هدروژن نسبت به این سوختها به مراتب بهتر و سالمتر است.راههای دیگری نیز برای بدست آمردن هیدروژن وجود دارد، به طور مثال: استفاده از الکتریسیته برای تجزیة مولکولهای آب، همچنین می توان هیدروژن را از گلوکز و تحت بخار فشرده استخراج کرد، اما هزینة آن بسیار بالاست. راه دیگر تجزیة باکتریائی پسماندهای زیستی به هیدروژن است( مانند تخمیر نشاسته ) اما مشکل آنست که در کارخانجات و صنایع این کار عملی نیست.