شیمی آلی

شیمی آلی بخشی از دانش شیمی است که به بررسی هیدروکربن‌ها می‌‌پردازد. به همین دلیل به آن شیمی ترکیبات کربن نیز گفته می‌شود.
پسوند «آلی» یادگار روزهایی است که مواد شیمیایی را بسته به این که از چه منبعی به دست می‌آمدند، به دو دسته معدنی و آلی تقسیم می‌کردند. مواد معدنی آنهایی بودند که از معادن استخراج می‌شدند و مواد آلی آنهایی که از منابع گیاهی یا حیوانی یعنی از موادی که توسط موجودات زنده تولید می‌شدند، به دست می‌آمدند. در واقع تا پیرامون سال ۱۸۵۰ بسیاری از شیمیدانان معتقد بودند که خاستگاه مواد آلی باید موجودات زنده باشند و در نتیجه این مواد را هرگز نمی‌توان از مواد معدنی سنتز نمود.

موادی که از منابع آلی به دست می‌آیند، در یک خصوصیت مشترکند: همه آنها دارای عنصر کربن هستند.

ادامه نوشته

شکافت هسته ای

شکافت هسته‌ای (به انگلیسی: Nuclear fission) فرآیندی است که در آن یک اتم سنگین مانند اورانیوم به دو اتم سبکتر تبدیل می‌شود. وقتی هسته‌ای با عدد اتمی زیاد شکافته شود، بر پایه فرمول اینشتین، مقداری از جرم آن به انرژی تبدیل می‌شود. از این انرژی در تولید برق (در نیروگاه هسته‌ای) یا تخریب (سلاح‌های هسته‌ای) استفاده می‌شود.

اوتوهان زمانی که قصد داشت از بمباران اورانیوم با نوترون آن را به رادیم تبدیل کند دریافت که به اتم بسیار کوچک‌تری دست یافته‌است.در تمام واکنش‌های هسته‌ای که تا ان زمان شناخته شده بود تنها ذرات کوچک از هسته جدا می‌شدند اما این بار یک تقسیم بزرگ رخ داده بود. لایز میتنر و اوتو فریش دریافتند که فراوردهٔ این بمباران نوترونی باریم است و جرم هر اتم اورانیم هنگام تبدیل شدن به ذرات کوچک‌تر به اندازهٔ یک پنجم جرم یک پروتون کاهش می‌یابد و این جرم مطابق رابطهٔ اینشتین E=mc² به انرژی تبدیل شده‌است.به خاطر شباهت این پدیدهٔ تقسیم هسته با تقسیم سلولی میتنر و فریش آن را شکافت نامیدند.مقالهٔ این یافته در یازدهم فوریهٔ ۱۹۳۹ در نشریهٔ نیچر با عنوان «واکنش هسته‌ای نوع جدید» منتشر شد.

در تصویر اتم اورانیم-۲۳۵ دیده می‌شود که پس از برخورد یک نوترون متلاشی شده و پرتوهای رادیو اکتیو از خود صادر می‌کند.سپس به دو عنصر باریم-۱۴۱ و کریپتون-۹۲ تقسیم شده و به پایداری می‌رسدودر ضمن سه عدد نوترون دیگر آزاد می‌کند که هر یک موجب شکافت یک هستهٔ اورانیوم دیگر می‌شوند واین واکنش زنجیره‌ای مرتب ادامه پیدا می‌کند .

اگر نوترون منفردی به یک قطعه ایزوتوپ ²³⁵U نفوذ کند، در اثربرخورد به هسته اتم ²³⁵U ، اورانیوم به دو قسمت شکسته می‌شود که اصطلاحا شکافت هسته‌ای نامیده می‌شود.

در واکنشهای شکافت هسته‌ای مقادیر زیادی نیز انرژی آزاد می‌گردد (در حدود 200Mev)، اما مسئله مهمتر اینکه نتیجه شکستن هسته ²³⁵U ، آزادی دو نوترون است که می‌تواند دو هسته دیگر را شکسته و چهار نوترون را بوجود آورد. این چهار نوترون نیز چهار هسته ²³⁵U را می‌شکند. چهار هسته شکسته شده تولید هشت نوترون می‌کنند که قادر به شکستن همین تعداد هسته اورانیوم می‌باشند. سپس شکست هسته‌ای و آزاد شدن نوترونها بصورت زنجیروار به سرعت تکثیر و توسعه می‌یابد. در هر دوره تعداد نوترونها دو برابر می‌شود، در یک لحظه واکنش زنجیری خود بخودی شکست هسته‌ای شروع می‌گردد. در واکنشهای کنترل شده هسته‌ای تعداد شکست در واحد زمان و نیز مقدار انرژی بتدریج افزایش یافته و پس از رسیدن به مقداری دلخواه ثابت نگهداشته می‌شود.

انرژی شکافت هسته‌ای

کشف انرژی هسته‌ای در جریان جنگ جهانی دوم صورت گرفت و اکنون برای شبکه برق بسیاری از کشورها هزاران کیلو وات تهیه می کند (نیروگاه هسته ای). بحران انرژی بر اثر بالارفتن قیمت نفت در سال 1973 استفاده از انرژی شکافت هسته‌ای بیشتر وارد صحنه کرد. در حال حاضر ممالک اروپایی انرژی هسته‌ای را تنها انرژی می‌داند. که می‌تواند در اکثر موارد جایگزین نفت شود. استفاده از انرژی شکافت هسته‌ای که بر روی یک ماده قابل احتراق کانی که بصورت محدود پایه گذاری می‌شود. برای سایر کشورها خطرات بسیار دارد در حال حاضر تولید الکتریسته با استفاده از شکافت هسته‌ای کنترل شده به میزان زیادی توسعه یافته و مورد قبول واقع شده است. تولید انرژی هسته‌ای در کشورهای توسعه یافته بخش مهمی از طرح انرژی ملی را تشکیل می‌دهد.

انرژی بستگی هسته‌ای

می‌توان تصور کرد که جرم هسته ، M ، با جمع کردن Z (تعداد پروتونها) ضربدر جرم پروتون و N تعداد نوترونها ضربدر جرم نوترون بدست می‌آید.

M = Z×M_p + N×M_n

از طرف دیگر M همیشه کمتر از مجموع جرمهای تشکیل دهنده‌های منزوی هسته است. این اختلاف به توسط فرمول انیشتین توضیح داده می‌شود که رابطه بین جرم و انرژی هم ارزی جرم و انرژی را برقرار می‌سازد. اگر یک دستگاه مادی دارای جرم باشد در این صورت دارای انرژی کلی E است. E = M C² که در آن C سرعت نور در خلا و M جرم کل هسته مرکب از نوکلئونها و E مقدار انرژیی است که در اثر فروپاشی جرم M تولید می‌شود. بنابر این اصول انرژی هسته‌ای بر آزاد سازی انرژی پیوندی هسته استوار است. هر سیستمی که دارای انرژی پیوندی بیشتر باشد پایدار می‌باشد. در واقع جرم مفقود شده در واکنشهای هسته‌ای طبق فرمول E = M C² به انرژی تبدیل می‌شود. پس انرژی بستگی اختلاف جرم هسته و جرم نوکلئونهای تشکیل دهنده آن است، که معرف کاری است که باید انجام شود تا نوکلئونها از هم جدا شوند.

مواد شکافتنی

مواد ناپایدار برای اینکه به پایداری برسند، انرژی گسیل می‌کنند تا به حالت پایدار برسد. معمولا عناصری شکافت پذیر هستند که جرم اتمی آنها بالای 150 باشد ،²³⁵U و ²³⁸U در معادن یافت می‌شود. 99.3 درصد اورانیوم معادن ²³⁸U می‌باشد.و تنها 7% آن ²³⁵U می‌باشد. از طرفی ²³⁵U با نوترونهای کند پیشرو واکنش نشان می‌دهد. ²³⁸Uتنها با نوترونهای تند کار می‌کند، البته خوب جواب نمی‌دهد. بنابر این در صنعت در نیروگاههای هسته‌ای ²³⁵U به عنوان سوخت محسوب می‌شود. ولی به دلایل اینکه در طبیعت کم یافت می‌شود. بایستی غنی سازی اورانیوم شود، یعنی اینکه از 7 درصد به 1 الی 3 درصد برسانند.

شکافت ²³⁵U

در این واکنش هسته‌ای وقتی نوترون کند بر روی ²³⁵U برخورد می کند به ²³⁶U تحریک شده تبدیل می‌شود. نهایتا تبدیل به باریوم و کریپتون و 3 تا نوترون تند و 177 Mev انرژی آزاد می‌شود. پس در واکنش اخیر به ازای هر نوکلئون حدود 1 Mev انرژی آزاد می‌شود. در واکنشهای شیمیایی مثل انفجار به ازای هر مولکول حدود 30 Mev انرژی ایجاد می‌شود. لازم به ذکر است در راکتورهای هسته‌ای که با نوترون کار می‌کند، طبق واکنشهای به عمل آمده 2 الی3 نوترون سریع تولید می‌شود. حتما این نوترونهای سریع باید کند شوند.

شیمی هسته ای

ذرات بنیادی : شامل الکترون ٬ پروتون ٬ و نوترون است.برای ذرات بنیادی دو حالت می توان در نظر گرفت ذره ی بنیادی که تشکیل دهنده ی هسته است و یا تولید شده از هسته است. تعداد زیادی از این ذرات که در تئوری محاسبات مکانیک کوانتومی در واکنش های هسته ای کشف شدند. ذرات بنیادی را می توان به روش های مختلف بر اساس پایداری یا جرم آنها تقسیم بندی کرد: 1- ذرات انرژی 2- ذرات جرمی و از نظر پایداری 1- ذرات پایدار 2- ذرات ناپایدار . ذرات جرمی به دو دسته ی سنگین و سبک تقسیم می شوند. الکترون و پروتون ذرات پایداری هستند اما نوترون و پوزیترون ذرات نا پایداری هستند.ویا مثلا الکترون و پروتون ذرات جرمی اما فوتون γ ٬ نوترینو جرم ندارند.و همین طور گراویتون ذره ای که حامل نیروی ثقل است بدون جرم است. ذرات سبک مثل الکترون و پوزیترون و ذرات سنگین مثل پروتون و نوترون و ذرات متوسط مثل مزون ها .  اولین ذره ی زیر اتمی که کشف شد الکترون بود. دانشمندی به نام پرین در سال 1885 برای الکترون خصلت منفی پیشنهاد کرد. تامسون ثابت کرد که الکترونها یکی از اجزای ثابت تشکیل دهنده ی همه ی انواع مواد است. بار الکتریکی الکترون 4.8*10-10          که به عنوان مقدار استاندارد برای بار الکتریکی پیشنهاد شد. الکترون ذره ی بسیار کوچکی است که شعاع ان 2.82x10-15 متر می باشد.  پروتون : بار الکتریکی آن 1.6x10-19 کولن است رادرفورد اولین کسی است که پروتون را به صورت مصنوعی ساخت.واکنش مربوطه عبارت است از : N714 + H24 ........>O817 + H11  نوترون : چادویک از طریق واکنش مقابل نوترون را تولید کرد : Be94 + He42 .........> C126 + n10  نوترون خارج از هسته ناپایدار است و سریعا تجزیه می شود: n10 .........> H11 +e0-1 +ט  پوزیترون : در واقع ضد ذره ی یک الکترون است که عملا وجود آن در سال 1932 در اشعه ی کیهانی ثابت شد. این کار توسط Anderson انجام گرفت. جرم آن شبیه الکترون و بارش نیز همان بار الکترون با علامت مثبت است. Sr8138 ..........> Rb8138 +β+  خود ذره ناپایدار است. در واکنش متقابل با الکترون تبدیل به انرژی می شود و فوتون ازاد می کند این فرایند واکنش انهدام نامیده می شود. در کل در واکنش های هسته ای وقتی ذره ای باردار تشکیل می شود یک ذره ی مخالف آن هم باید وجود داشته باشد. از لحاظ تئوری وجود پوزیترون را دانشمندی به نام دیراک از طریق معادلات مکانیک موجی پیش بینی کرد.  نوترینو و انتی نوترینو : به طور تئوریک پائولی در تجزیه ی پوزیترون وجود نشر نوترینو را مسلم فرض کرده بود.پروتون .........> نوترون + پوزیترون + نوترینو               نوترون .........> پروتون + الکترون + انتی نوترینو     t½ برای نوترون ده دقیقه است ولی در محیط آزاد(هوا به علت واکنشی که با مواد می دهد در حد 102- تا 104- می باشد. لپتن ها جزء اجرام سبک و هادرون ها شامل ذرات متوسط و سنگین هستند. هادرون ها : 1- مزون ها ( ذرات متوسط ) 2- بار یون ها ( ذرات سنگین )  هسته ی اتم : تامسون در سال 1898 نظریه ی اتمی خود را ارائه داد او تعدادی ذراتی منفی در نظر گرفت که در اطراف کره ای از بار مثبت حرکت می کنند. مدل اتمی رادرفورد : بر اساس واکنش متقابل ذره ی α با هسته های اتمی فرضیه ای درباره ی اتم ارائه داد 1- اتم شامل یک هسته ی مرکزی با بار مثبت است. 2- اندازه ی هسته ی اتم در مقایسه با اندازه ی کل اتم بسیار کوچک است. 3- الکترون ها در اطراف هسته توزیع شده اند و تعداد آنها معادل با بار مثبت هسته است. 4- بیشتر جرم اتم مربوط به هسته است و 5- فضاهای خالی زیادی در اتم وجود دارد که این فضا بین هسته و الکترون ها است. بار هسته را به چه طریق می توان به دست آورد ؟ به کمک طیف اشعه ی X که برای اولین بار دانشمندی به نام موزلی این کار را انجام داد. موزلی یک جریانی از اشعه ی کاتدی (جریانی از الکترون ها ) به یک عنصر هدف برخورد می کند در این حالت اشعه ی X تولید می شود. این اشعه ی تولید شده با استفاده از بلور پتاسیم فرو سیانید به عنوان توری پراش مورد ارزیابی و تجزیه و تحلیل قرار می دهند و بعد اشعه ی حاصل را روی صفحه ی عکاسی ثبت می کنند به این ترتیب طیف X­ray به دست می اید. الگوی طیف اشعه ی X مستقیما به طول موج اشعه ی X مربوط است بنابراین می توانیم با توجه به مکان نسبی خطوط فرکانس های تابش مربوطه را حساب کنیم.ט=C/λ  ט=a( Z- b )2  ٫ aوb ثابتهای نسبی هستند و اینها را از طریق عدد اتمی (Z) عنصر هدف به دست می آوریم.  شعاع هسته : هسته ی اتم شکل کروی دارد علت کروی بودن آن اثر کشش سطحی آن است. شعاع مقادیر بسیار کمی دارد و در محدوده ی 10-12 تا 10-13 قرار می گیرد .  انرژی بستگی هسته : مقدار انرژی است که اگر هسته از نوکلئونهای خود ساخته شود آن انرژی آزاد می شود مثلا اگر لیتیم از کنار هم قرار گرفتن سه پروتون و چهار نوترون به دست آید مقداری انرژی بستگی آزاد می شود که این مقدار مربوط به تبدیل جرم به انرژی است. جرم یک اتم مربوط به ایزوتوپ پایدار همیشه کمتر از مجموع جرمهای پروتون ها نوترون ها و الکترون هایی است که اتم را می سازند این اختلاف جرم را به عنوان کاهش جرم می شناسیم که آنرا با ΔM نشان می دهند.انرژی بستگی بیانگر میزان پایداری هسته است.