آشنایی کامل با ایزوتوپ های هیدروژن و کاربردهای آنها
عنصر هیدروژن در سال ۱۷۷۶ توسط دانشمندی به نام «Henry Cavendish» کشف و به دنیا معرفی شد. این عنصر فراوان‌ترین عنصر در جهان است و ماده اصلی تشکیل دهنده آب‌های کره زمین، هوا و حتی خود کره زمین به شمار می‌رود.
ایزوتوپهای هیدروژن در واقع در عدد اتمی (تعداد پروتون‌ها) یکسان بوده و عدد جرمی (مجموع نوترون و پروتون موجود در هسته، که علت تفاوت نیز تعداد متفاوت نوترون‌ها است) متفاوتی دارند. با وجود فراوانی عنصر هیدروژن در جهان، اما تنها 0.14% از وزن پوسته زمین را هیدروژن تشکیل داده است. این عنصر دارای وزن بسیار ناچیزی بوده و سبک‌ترین عنصر شناخته شده تا به امروز به حساب می‌آید.
خواص فیزیکی و شیمیایی ایزوتوپ های هیدروژن
عنصر هیدروژن در حالت طبیعی دارای عدد اتمی یک است که به معنای وجود یک پروتون درون هسته است. همچنین هیدروژن دارای یک الکترون بوده که در اطراف هسته در حال گردش است.
- در حالت طبیعی عنصر هیدروژن، نوترونی ندارد که به این ایزوتوپ هیدروژن، «پروتیوم» می‌گویند. این ایزوتوپ با درصد فراوانی 99.98، فراوان‌ترین نوع در میان ایزوتوپهای هیدروژن است که با نماد ۱H نیز شناخته می‌شود.
- ۲H که با نام «دوتریوم» معروف است در هسته خود یک نوترون و یک پروتون دارد.
- ۳H یا Tجزء ایزوتوپهای هیدروژن به شمار رفته و با نام «تریتیوم» شناخته می‌شود. این دو، ایزوتوپهای طبیعی هیدروژن هستند. این عنصر در دمای اتاق به صورت گاز یافت می‌شود و نقطه دوب آن منهای ۲۵۹.۳۴ درجه سانتی گراد و نقطه جوش آن ۲۵۲.۸۷ درجه سانتی گراد است.
عنصر هیدروژن به شدت اشتعال‌زا بوده و از این جهت بسیار مورد توجه است. البته باید هنگام استفاده از آن نیز بسیار با دقت عمل کرد. در حقیقت خواص شیمیایی ایزوتوپهای هیدروژن تفاوت چندانی با هم نداشته و تفاوت اصلی در خواص فیزیکی آنها ایجاد می‌شود.
کاربردهای مختلف گاز هیدروژن
شاید برای شما هم این سوال پیش آمده باشد با این حجم فراوانی از این گاز، کاربردهای هیدروژن در صنایع مختلف چیست؟ هیدروژن در صنایع الکترونیک، سوختی، صنایع نفتی، داروسازی، ژنراتورهای نیروگاهی، صنایع نظامی و … کاربرد دارد. بنابراین وسعت کارایی گاز هیدروژن بسیار زیاد است که در این مطلب قصد داریم تعدادی از آنها را توضیح دهیم.
1 . تولید سوخت از ایزوتوپ های هیدروژن
از هیدروژن به عنوان یک سوخت پاک یاد می‌شود و همۀ کشورها در تلاش هستند تا از این منبع فراوان به عنوان جایگزین سوخت‌های فسیلی استفاده کنند. بسیاری از این کشورها نیز در این راه پیشتاز بوده و توانسته‌اند خودروهایی بسازند که بر پایه این سوخت پاک کار می‌کنند. این فناوری روز به روز در حال گسترش است و دانشمندان ما نیز برای ساخت و بهره‌بردن از هیدروژن در تلاش هستند. البته مزایا و معایب سوخت هیدروژن نیز هنگام ساخت این خودرو‌ها باید در نظر گرفته شود.
علاوه بر موارد ذکر شده از هیدروژن به عنوان یک پالایش کننده نیز استفاده می‌شود. در پالایشگاه‌های نفت خام برای پالایش آلودگی‌هایی نظیر گوگرد از گازوئیل، از عنصر هیدروژن استفاده می‌شود. استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت مبدل‌ها، برای تولید برق نیز بسیار رایج است.
2 .تولید متانول
در فرآیند تولید متانول، از گاز هیدروژن استفاده می‌شود. در این فرآیند، گاز هیدروژن به همراه گاز کربن دی اکسید، تحت دما و فشاری خاص و با استفاده از کاتالیزهای مخصوص تبدیل به متانول می‌شود.
متانول نیز جزء سوخت‌های پاکی است که جهانیان در تلاش جایگزین کردن آن به جای سوخت‌های فسیلی هستند. همچنین متانول در تولید پلاستیک، رنگ، رزین و … کاربرد دارد.
3 . ساخت بالن
استفاده از گاز هیدروزن در بالن‌ها به علت سبک بودن این گاز نسبت به هوا، بسیار رایج است. البته به علت خطر انفجار و حوادثی این چنینی، استفاده از این گاز به عنوان سوخت پروازی در بالن‌ها چند سالی است که محدود شده و بیشتر از گاز هلیوم که مانند هیدروژن وزن کم‌تری نسبت به هوا دارد، استفاده می‌شود. زیرا گاز هلیوم جزء گازهای نجیب بوده و اشتعال‌پذیری بسیار ناچیزی دارد.
4 .تولید کودهای شیمیایی
مهم‌ترین ترکیبی که از هیدروژن و نیتروژن ساخته می‌شود، آمونیاک است. آمونیاک با فرآیند هابر- بوش در مقیاس‌های بزرگ تولید شده و به مصارف کشاورزی می‌رسد؛ زیرا اساس بیشتر کودهای شیمیایی آمونیاک یا اسید نیتریک است. (اسید نیتریک حاصل اکسیداسیون کاتالیزوری آمونیاک است.)
5 . صنایع الکترونیک
از گاز هیدروژن در ساخت قطعات الکتریکی استفاده می‌شود که مهم‌ترین دلیل استفاده از آن در این صنعت، محافظت محصولات الکترونیکی در برابر ناخالصی و اکسیداسیون است.
6. صنعت شیشه سازی
در ساخت شیشه‌های تخت، نیاز به یک اتمسفر محافظ است که توسط گاز هیدروژن تشکیل می‌شود.
7 . صنعت فضایی
فضانوردان به دنبال سوختی بودند تا موشک‌ها را با قدرت و برد بیشتری به فضا پرتاب کند. با به کارگیری هیدروژن در صنعت موشک‌سازی این اتفاق افتاد. در حال حاضر نیز مخلوط هیدروژن با اکسیژن به عنوان بهترین سوخت فضاپیماها و موشک‌ها شناخته می‌شود.
8 . کاربردهای دیگر هیدروژن
همان طور که بیان کردیم کاربردهای ایزوتوپهای هیدروژن و به صورت کلی گاز هیدروژن، بسیار زیاد است که در ادامه به صورت فهرست‌وار به آنها اشاره می‌کنیم:
- تولید تجهیزات آزمایشگاهی
- فرآیندهای نشت‌یابی در صنعت
- به عنوان ماده خنک کننده در صنایع مختلف
- فرآیندهای صنعتی مانند هیدرو دی سولفوریزیشن
- در لیزرهای شیمیایی نیز کاربرد فراوان دارد.
- ایزوتوپهای هیدروژن به عنوان گاز حامل در کروماتوگرافی استفاده می‌شود.
- احیای شیمیایی
- در پزشکی و شیمی درمانی
- در فرآیند تولید آب با خلوص بالا
- در صنایع شیمیایی برای آلکیل‌زدایی یا هیدروژن‌دار کردن
- در صنایع پتروشیمی
نقش بیولوژیکی گاز هیدروژن
هیدروژن به عنوان یک عنصر اساسی در زندگی شناخته می‌شود که در آب، مهم‌ترین عامل حیات و همچنین در همه مولکول‌های موجودات زنده وجود دارد. اگرچه این عنصر به تنهایی کاری انجام نمی‌دهد، اما در همه ترکیبات مهم بدن مانند ترکیبات کربن‌دار یافت می‌شود.
روش های تولید گاز هیدروژن
از سه روش می‌توان گاز هیدروژن را تولید کرد و سپس در صورت لزوم، از آن ایزوتوپهای هیدروژن را استخراج کرد. سه ایزوتوپ هیدروژن گفته شده به طور طبیعی در طبیعت یافت می‌شوند. ولی می‌توان ایزوتوپهای هیدروژن دیگری با عدد جرمی‌های بالاتر تولید کرد که با نام ایزوتوپهای هیدروژن مصنوعی شناخته می‌شوند.
· روش گرفتن از آب
در این روش به وسیله برقکافت آب، مولکول‌های هیدروژن را از اکسیژن جدا می‌کنند.
· روش سدیم هیدروکسید با آلومینیوم
این روش یکی از ساده‌ترین روش‌های تولید گاز هیدروژن است که در آزمایشگاه به راحتی قابل انجام است.
· روش هیدروکلریک اسید با فلز روی
حباب‌های حاصل از واکنش این دو ماده، هیدروژن خالص است. البته هنگام انجام این روش دقت کافی را به خرج دهید، زیرا اسیدها بسیار خطر آفرین هستند.
هیدروژن و ایزوتوپهای هیدروژن ماده‌ای حیاتی و بسیار مهم برای بشر هستند. این عنصر دارای خواص بی نظیر و کاربردهای فراوانی است که بشر تا به امروز بسیاری از آنها را کشف کرده است. استفاده از هیدروژن به عنوان یک سوخت پاک می‌تواند یک دستاورد بسیار مهم برای بشر باشد. زیرا اگر بتوان هیدروژن را جایگزین سوخت‌های فسیلی کرد، می‌توان امید داشت کره زمین از آلودگی بیشتر حفظ خواهد شد. همچنین تولید برق به وسیله هیدروژن می‌تواند انسان‌ها را از دردسر تمام سوخت‌های آلوده کننده از جمله مازوت، راحت گرداند.
