نویسنده: سحر حسینی

پردیس فناوری کیش_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه مهندسی شیمی

آنچه که باید درباره مبانی شیمی کوانتوم بدانید

مقدمه

کوانتوم مکانیک شاخه‌ای از علم فیزیک است که دنیای ذرات بسیار کوچک را مورد بررسی قرار می‌دهد. این شاخه از فیزیک، نتایجی عجیب را در پی دارد که در دنیای واقعی قابل توجیه نیستند. در مقیاس الکترونی و اتمی، بسیاری از معادلات فیزیک کلاسیک که توصیف‌کننده نحوه حرکت اجسام هستند، نمی‌توانند فیزیک مسائل را توصیف کنند. در فیزیک کلاسیک، یک جسم در یک لحظه مشخص، در مکانی مشخص قرار می‌گیرد. این در حالی است که در کوانتوم مکانیک الکترون‌ها در فضایی احتمالی قرار دارند. در حقیقت احتمال وجود آن‌‌ها در نقطه‌ $$A$$، برابر با عددی مشخص بوده و در نقطه $$B$$، این احتمال عددی متفاوت است.

سه اصل انقلابی

فیزیک کوانتوم از ریاضیاتی برخوردار است که آزمایش‌های غیر قابل توصیف در مکانیک کلاسیک را توجیه می‌کند. سرآغاز این علم به ابتدای قرن بیستم و به زمانی باز می‌گردد که آلبرت انیشتین مقاله‌اش را در مورد نسبیت چاپ کرد. نسبیت انیشتین توصیف‌کننده نحوه حرکت اجسام در سرعت‌های بسیار بالا است. برخلاف نسبیت، فیزیک کوانتوم را نمی‌توان به دانشمندی خاص نسبت داد، چرا که فیزیکدانان بسیاری در توسعه آن نقش داشته‌اند.

در بین سال‌های ۱۹۰۰ تا ۱۹۳۰ سه اصل انقلابی توسط دانشمندان، توسعه داده شدند که با استفاده از آزمایش به تدریج مورد پذیرش جامعه علمی قرار گرفتند. این سه اصل، کوانتیزه بودن مشخصه‌های ماده، ذره‌ای بودن نور و موجی بودن ماده است.

کوانتیزه بودن مشخصه‌ها

ویژگی‌هایی خاص همچون موقعیت، سرعت و رنگ ممکن است به مقداری مشخص قابل اندازه‌گیری باشند؛ همچون حالتی را در نظر بگیرید که می‌خواهیم شماره تلفنی را بگیریم. در این حالت شماره‌ها به صورت مجزا و پشت سر هم وارد می‌شوند. این اصل با اصول مکانیک کلاسیک در تناقض است. در حقیقت در مکانیک کلاسیک ویژگی‌ها در یک طیف قرار می‌گیرند. به منظور توصیف حالت گسستگی ویژگی‌ها دانشمندان از کلمه کوانتیزه بودن آن ویژگی استفاده می‌کنند.

ذره‌های نور

نور در مواردی رفتاری ذره‌ای را از خود نشان می‌دهد. در ابتدا پذیرش ذره‌ای بودن نور مشکل به نظر می‌رسید، چراکه پس از ۲۰۰ سال آزمایش، دانشمندان به این نتیجه رسیده بودند که نور از جنس موج است. این فرض دقیقا همانند حالتی است که سنگی را در آب انداخته و در نتیجه آن موج تشکیل شود. در حالت کلی قله‌های نور (با توجه به موجی بودن آن) می‌توانند با یکدیگر جمع شوند که منجر به افزایش شدت آن شده و یا از هم کم شوند که منجر به ایجاد تاریکی می‌شود.

منبع نور را می‌توان همچون توپی در نظر گرفت که با نظم مشخصی به مرکز بستری از آب ضربه می‌زند. رنگ نور وابسته به فاصله بین قله‌ها است؛ توجه داشته باشید که این فاصله معادل با سرعت ضربه زدن توپ به آب است.

موج‌های ماده

ماده نیز می‌تواند رفتاری موجی از خود نشان دهد. این گزاره خلاف آزمایش‌هایی است که در مدت زمان ۳۰ سال انجام شده بود. این بیان نیز بسیار عجیب به‌نظر می‌رسد. در ادامه موجی بودن ماده و همچنین دو مورد بیان شده در بالا را با جزئیات بیشتری توضیح می‌دهیم.

کوانتیزه بودن مشخصه‌ها

در سال ۱۹۰۰، فیزیکدانی آلمانی به نام ماکس پلانک به دنبال توضیح رابطه بین رنگ نور تابش شده از اجسام داغ و دمای آن‌ها بود. او با توجه به رنگ نور‌های تابش‌شده، تلاش کرد تا این رابطه بین طیف نور و دمای جسم را فرمول‌بندی کند. پلانک نهایتا به این نتیجه رسید که ترکیبی از رنگ‌های خاص تابیده می‌شوند. در حقیقت او دریافت که نور به صورت ضریبی ثابت از مقداری ثابت تابش می‌شود. این گفته معادل با آن است که بگوییم نور به صورت ضریبی از رنگ‌های ثابت منتشر می‌شود! این گفته مغایر با فرض موجی بودن نور است؛ چرا که نور به صورت موجی بوده و باید طیفی پیوسته از رنگ‌ها را از خود ساطع کند.

چه چیزی مانع اتم‌ها برای تابش پیوسته رنگ‌ها می‌شود؟ این امر بسیار عجیب به نظر می‌رسد و خود پلانک فرض کوانتیزه بودن را تنها حقه‌‌ای ریاضیاتی می‌داند. معادله‌ای که پلانک به منظور توصیف رفتار تابشی جسم داغ ارائه داد، حاوی عددی است که بعد‌ها در علم فیزیک بسیار موثر بود. این عدد تحت عنوان ثابت پلانک شناخته می‌شود.

فرض کوانتیزه بودن نور راهی را باز کرد که دانشمندان با استفاده از آن توانستند دیگر رازهای فیزیک را نیز کشف کنند. در سال ۱۹۰۷ انیشتین و پلانک فرضیاتی را در نظر گرفتند و با استفاده از آن‌ها توانستند علت افزایش متفاوت دمای اجسام مختلف به ازای وارد کردن مقدار حرارتی یکسان به آن‌‌ها را توضیح دهند.

از ابتدای دهه ۱۸۰۰، علم طیف‌سنجی نشان داده بود که عناصر مختلف، طیف‌های خاصی از نور را جذب یا دفع می‌کنند. از این رو طیف‌سنجی، روشی قابل استناد به منظور تعیین جنس اجرامی هم‌چون ستارگان محسوب می‌شد که در فاصله‌ای بسیار دور از زمین قرار دارند. دانشمندان همواره این سوال را در ذهن داشتند که عناصر مختلف، طیف‌های خاصی از نور را نشر یا جذب می‌کنند. در سال ۱۸۸۸، «یوهانس ریدبرگ» (Johannes Rydberg)، دانشمند سوئدی، معادله‌ای را بدست آورد که با استفاده از آن امکان توجیه خطوط طیفی اتم هیدروژن وجود داشت؛ با این حال هیچکس نمی‌دانست که چرا این معادله کار می‌کند.

اولین سرنخ‌ها به منظور پاسخ به این سوال توسط نیلز بور شناسایی شد. او در سال ۱۹۱۳ فرض کوانتیزه بودن طیف‌ها توسط پلانک را به مدل اتمی رادرفورد اضافه کرد. رادرفورد فرض کرده بود که الکترون‌ها همچون سیاره‌های منظومه شمسی به دور هسته خود دوران می‌کنند. اما با اضافه کردن فرض کوانتیزه بودن توسط بور، او فرض کرد که الکترون‌ها در مدار‌هایی مشخص محدود شده‌اند. در حقیقت الکترون‌ها میان این خطوط جابجا می‌شوند.

برای نمونه فرض کنید الکترونی در مداری مشخص قرار دارد. در این صورت این الکترون می‌تواند انرژی گرفته و به ۱ یا چند لایه بالاتر صعود کند. اگر این الکترون انرژی از دست دهد، به مدارهای پایین‌تر سقوط خواهد کرد. در حقیقت این صعود یا سقوط الکترون‌ها است که منجر به جذب یا تولید نور با رنگ‌های مختلف می‌شود. این تصور از اتم، سرآغاز کشف رفتار‌های کوانتومی ذرات زیراتمی بود. از این رو می‌توان گفت مدل اتمی بور نقطه عطفی در توسعه مکانیک کوانتوم محسوب می‌شود.

ذرات نور

در سال ۱۹۰۵، آلبرت انیشتین مقاله‌ای را با عنوان «نقطه نظری ذهنی در مورد تولید و تغییر شکل نور» (Concerning an Heuristic Point of View Toward the Emission and Transformation of Light) منتشر کرد او فرض کرد نور به صورت موجی نیست و به صورت‌ بسته‌هایی از انرژی منتشر می‌شود. انیشتین فرض کرد که میزان انتشار بسته‌های انرژی وابسته به مود ارتعاشی اتم‌ها است. این جمله معادل نگاهی است که نیلز بور چند سال بعد در مورد پرش یا سقوط الکترون‌ها بیان کرد. اگر بسته‌های انرژی بیان شده توسط انیشتین را به ثابت پلانک تقسیم کنیم، نوع رنگ نور بدست خواهد آمد.

این نوع نگاه به انرژی نور، انیشتین را به سمتی هدایت کرد که ۹ پدیده مختلف را توضیح دهد. یکی از این پدیده‌ها، رنگ‌هایی بودند که از سیم داغ منتشر می‌شد. این رنگ‌ها توسط پلانک گزارش داده شده بودند. او همچنین رابطه میان نور‌های رنگ مختلف و میزان الکترون جدا شده از سطح فلزات را در بستری تحت عنوان اثر فوتوالکتریک توضیح داد. جالب است بدانید که انیشتین جایزه نوبل فیزیک را در سال ۱۹۲۱ به دلیل توضیح این اثر و نه به دلیل ارائه نسبیت عام بدست آورد.

دو دهه پس از انتشار مقاله انیشتین، فوتون واژه‌ای بود که فیزیکدانان به منظور توصیف بسته‌های انرژی از آن استفاده می‌کردند. این نامگذاری، نتیجه کار‌های «آرتور کامپتون» (Arthur Compton) در سال ۱۹۲۳ بود. او نشان داد که نور پراکنده شده، در نتیجه تابش پرتویی الکترونی به آن، رنگی می‌شود. در حقیقت این کار نشان می‌دهد که ذرات نور (فوتون) به ذرات ماده (الکترون) برخورد می‌کنند که تایید‌کننده نظر انیشتین است. پس از کار کامپون واضح بود که نور هم رفتاری موجی و هم رفتاری ذره‌ای دارد. از این رو دوگانگی موجی-ذره‌ای نور نیز یکی دیگر از ستون‌های مکانیک کوانتومی بود که با این فرض ایجاد شد.

امواج ماده

از زمان کشف الکترون در سال ۱۸۹۶، شواهد مبتنی بر ساخت مواد بر اساس ذرات بنیادی‌تر، به آرامی در حال شکل‌گیری بود. حتی امروزه نیز با کشف دوگانگی موجی-ذره‌ای، این سوال برای دانشمندان وجود دارد که آیا ماده تنها به صورتی ذره‌ای رفتار می‌کند؟

حال تصور کنید که فرض دوگانگی برای ماده جامد نیز درست باشد. اولین دانشمندی که در مورد پاسخ به این سوال پیشرفت قابل توجهی داشت، «لویی دو بروی» (Louis de Broglie) بود. در سال ۱۹۲۴، این دانشمند از معادله ارائه شده در نسبیت خاص انیشتین به نحوی استفاده کرد که می‌شد با آن هم ذره‌ای بودن و هم موجی بودن ماده را نشان داد.

در سال ۱۹۲۵ دو دانشمند به طور جداگانه تلاش می‌کردند تا با استفاده از توضیح دو بروی، نحوه حرکت الکترون‌ها اطراف اتم را توصیف کنند (پدیده‌ای که با استفاده از ریاضیات مکانیک کلاسیک قابل توجیه نبود). در آلمان، ورنر هایزنبرگ با استفاده از توسعه مفهومی تحت عنوان مکانیک ماتریسی شروع به توصیف نحوه حرکت الکترون کرد. فیزیکدان اتریشی، اروین شرودینگر نیز در اتریش با ایجاد بستری تحت عنوان مکانیک موجی به بررسی حرکت الکترون‌ها پرداخت. شرودینگر در سال ۱۹۲۶ نشان داد که روش خلق شده توسط او معادل با روش مکانیک ماتریسی است.

توصیف هایزنبرگ-شرودینگر از اتم، که بیان می‌کرد الکترون‌ها همچون امواج در اطراف هسته حرکت می‌کنند، جایگزین مدل‌های اتمی بور و رادرفورد شد. یکی از الزامات مدل جدید ارائه شده این بود که دو سمت امواجی که تشکیل‌دهنده الکترون است، باید به یکدیگر برسد. در این حالت تنها مقادیری صحیح را می‌توان برای قله‌ها و دره‌های امواج مذکور در نظر گرفت.

در توصیف هایزنبرگ-شرودینگر از اتم، الکترون‌ها از تابع موج پیروی می‌کنند و به جای مدار، اوربیتال‌ها را اشغال می‌کنند. بر خلاف مدار‌های دایره‌ای مدل بور، اوربیتال‌های اتمی دارای شکل‌های مختلفی از جمله کره‌ای، دمبلی و دیگر اشکال پیچیده هستند.

در سال ۱۹۲۷، «والتر هیتلر» (Walter Heitler) و «فریتز لاندن» (Fritz London) مکانیک کوانتوم را با این هدف توسعه دادند که نحوه پیوند بین اوربیتال‌های اتم‌ها را توضیح دهند. پیوند بین اوربیتال‌های اتمی منجر به تولید مولکول‌ها می‌شود. این توضیح نیز بدون استفاده از مکانیک موجی امکان‌پذیر نبود. توضیح نحوه ایجاد پیوندهای مولکولی، شاخه‌ای تحت عنوان شیمی کوانتومی را بوجود آورد.

اصل عدم قطعیت

در سال ۱۹۲۷، هایزنبرگ دیگر نقش مهمش را در فیزیک کوانتومی ایفا کرد. او عنوان کرد که با توجه به موجی بودن ذرات، بعضی از ویژگی‌های الکترون همچون سرعت و مکان را می‌توان تا حد محدودی تعیین کرد. در حقیقت هرچه دقت اندازه‌گیری یک پارامتر برای یک ذره بیشتر باشد، دقت اندازه‌گیری پارامتری دیگری کم خواهد بود. به این بیان، اصل عدم قطعیت هایزنبرگ گفته می‌شود. جالب است بدانید که این اصل را می‌توان برای اجسامی که در مقیاس بزرگ با آن‌ها سروکار داریم نیز به‌کار برد.

طبق اصل عدم قطعیت هایزنبرگ، اگر دقت اندازه‌گیری سرعت یک توپ بیسبال برابر با ۰.۱ مایل بر ساعت باشد، در این صورت در بهترین حالت، دقت اندازه‌گیری موقعیت توپ مذکور برابر با 0.000000000000000000000000000008 میلیمتر خواهد بود!

کاربرد‌های فیزیک کوانتوم

امروزه استفاده از دستگاه‌های الکترونیکی اجتناب‌ناپذیر شده است. یکی از قطعاتی که به‌منظور پردازش اطلاعات از آن استفاده می‌شود، ترانزیستور است. می‌توان گفت علمکرد ترانزیستور بر اساس فیزیک کوانتوم است. همان‌طور که در بالا بیان شد، الکترون‌ها خواص موجی و ذره‌ای را با هم دارند. در حقیقت الکترون موجی است که در اطراف هسته در حال چرخش است. از این رو می‌توان از مسیر و سرعت این موج به‌منظور شناسایی رسانایی یا نارسانایی یک فلز بهره برد. به‌طور دقیق‌تر می‌توان گفت با دست‌کاری این موج (تغییر ناخالصی یا تحریک الکتریکی) می‌توان یک ماده را بین حالت رسانا و نارسانا نوسان داد. این حالات معادل با صفر و یک در دنیای دیجیتال هستند.

همان‌طور که می‌دانید یکی از ابزار‌های پرکاربرد در تلفن همراه، سیستم موقعیت‌یاب جهانی یا جی پی اس است. اساس کار جی پی اس مبتنی بر مفاهیم کوانتوم مکانیک است. در حقیقت یک سیستم موقعیت‌یاب، مبتنی بر ماهواره‌ها و ساعت‌های اتمی کار می‌کند. به بیانی دقیق‌تر، در هر لحظه موقعیت ماهواره به تلفن همراه مخابره می‌شود. به‌منظور شناسایی دقیق یک موقعیت باید محاسبات هندسی مربوط به تمامی ماهواره‌ها انجام شده، سپس نقطه اشتراک آن‌ها به عنوان موقعیت نهایی اعلام می‌شود. هماهنگی میان ماهواره‌ها با استفاده از ساعت‌هایی اتمی انجام می‌شود. نحوه کارکرد ساعت‌های اتمی مبتنی بر فیزیک کوانتومی است. در حقیقت یک ثانیه برابر با ۹,۱۹۲,۶۳۱,۷۷۰ بار نوسان موجی است که منجر به برانگیخته شدن الکترون در اتم سزیم می‌شود.

احتمالا این تجربه را داشته‌اید که فلش خود را به کلی پاک کنید. شاید برایتان جالب باشد که این فرآیند با استفاده از پدیده‌ای تحت عنوان تونل‌زنی کوانتومی انجام می‌شود. این پدیده حالتی را توصیف می‌کند که در آن یک الکترون می‌تواند از میان یک لایه نارسانا عبور کرده که به آن اصطلاحا تونل‌زنی کوانتومی گفته می‌شود. تونل‌زنی کوانتومی تنها با استفاده از کوانتوم مکانیک قابل توجیه بوده و فیزیک کلاسیک نمی‌تواند آن را توجیه کند.

البته تنها کاربرد این پدیده در پاک کردن فلش نیست! برای نمونه در دهه ۷۰ میلادی مهندسان شرکت IBM موفق به ساخت میکروسکوپی شدند که با استفاده از آن برای اولین بار امکان مشاهده اتم‌ها به‌صورت مجزا فرآهم شد. البته این پدیده می‌تواند جنبه‌هایی منفی نیز داشته باشد. برای نمونه این پدیده در پردازنده‌های سرعت بالا پتانسیل ایجاد اتصال کوتاه را فرآهم می‌کند که می‌تواند به کل دستگاه آسیب برساند.

پردیس فناوری کیش_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه مهندسی شیمی

خوردگی فلزات در شیمی

 

مقدمه

پردیس فناوری کیش_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه مهندسی شیمی

طیف سنجی جذب اتمی (AAS)

 

مقدمه

اسپکتروسکوپی جذب اتمی (AAS) تکنیکی برای شناسایی و اندازه گیری ترکیبات عنصری یک نمونه از طریق مطالعه انر‍ژی تابشی به وسیله اتم ها است. در این سری از مقالات قصد داریم در مورد اسپکتروسکوپی جذب اتمی (AAS) ، اجزای این میکروسکوپ، قانون حاکم بر آن (قانون بیر-لامبرت)، انواع این میکروسکوپ و خطاهای ایجاد شده در آن بحث کنیم. در طیف‌سنجی به صورت مطالعه برهمکنش بین نور و ماده تعریف می‌شود به مطالعه ماده و خواص آن، با بررسی نورجذب شده از ماده مورد نظر می پردازد. اساس این روش بر این اصل استوار است که میزان پرتوی جذب شده هنگام عبور از نمونه، متناسب با غلظت عنصر مورد نظر است. این روش توانایی آنالیز حدود ۷۵ عنصر فلزی و شبه فلزی را دارا است. ولی توانایی آنالیز مواد غیر فلزی را بصورت مناسب ندارد.

اسپکتروسکوپی جذب اتمی (AAS) در زمینه های مختلف علمی، تحقیقاتی و تشخیصی مانند بیوشیمی، بهداشت محیط، زمین شناسی، داروسازی، شیمی، پزشکی به کار برده می شود. اجزای تشکیل دهنده محصولات اسپکتروسکوپی جذب اتمی (AAS)یا Atomic Absorption Spectroscopy شامل منبع تابش ، مونوکروماتورها و فیلترها ، اتمایزرها ، دتکتورها و نمایشگر خروجی می باشد. در اسپکتروفتومتر جذب اتمی AAS ، عنصر مورد نظر باید اتمیزه شده و سپس در مسیر پرتوهای خروجی از منبع تابش قرار گیرد. باتوجه به میزان جذب می توان مقادیر عناصر فلزی و شبه فلزی را در ترکیبات مختلف اندازه گیری نمود.

اساس کار اسپکتروسکوپی جذب اتمی (AAS)

اساس این تکنیک، استفاده از دستگاه جذب برای ارزیابی غلظت آنالیت در نمونه است؛ لذا نیازمند رابطه‌ای بین میزان نور جذب شده توسط نمونه و غلظت نمونه هستیم که همان قانون بیر لامبرت است. به طور خلاصه الکترون‌های اتم‌ها با جذب طول موج مشخصی (انرژی) می‌توانند به سطوح بالاتر انرژی بروند و برای مدت کوتاهی به حالت برانگیخته در بیایند. می‌دانیم که این مقدار انرژی جذب شده برای هر اتم با اتم دیگر متفاوت است. به زبان دیگر هر عنصری فقط به یک طول موج مشخص پاسخ می‌دهد. باریک بودن پرتو نور در این روش موجب می‌شود تا انرژی خاصی تولید شود و این روش بسیار دقیق و انتخاب پذیر باشد. هنگامی که اتم برانگیخته به حالت پایه برمی‌گردد طول موج مشخصی از خود ساطع می‌کند با اندازه‌گیری میزان جذب نمونه و رسم منحنی کالیبراسیون و قانون بیر لامبرت پی به میزان مجهول در نمونه می‌بریم.

آشنایی با دستگاه اسپکتروسکوپی جذب اتمی (AAS)

این دستگاه دارای ۵ قسمت اساسی است: ۱. منبع تابش ۲. اتم ساز ۳. مونوکروماتور ۴. دتکتور ۵. ثبات منبع تابش از مهمترین خصوصیاتش توانایی تولید باریکه‌ای از تابش با توان کافی و پایدار است. منابع در این روش باید خطی باشند مثل هالو کاتد لامپ‌ها hollow cathode lamps.

 

منبع تابش

هر منبع تابش (Radiation Source) باید بتواند خط طیفی (طول موج) عنصر مورد نظر را نشر کند، از شدت طیفی بالایی در مرکز طیف خطی عنصر برخوردار باشد، هدایت نوری بالایی داشته باشد و شدت تابشی آن در زمان طولانی ثابت باشد. به عبارتی دیگر منبع تابشی باید توان تولید باریکه ای از تابش با توان کافی و پایدار برای آنالیت مورد نظر را داشته باشد.

لامپ های کاتدی توخالی( HCL,Hallow cathode lamp) متداول ترین منابع تابشی هستند. این لامپ ها معمولا از یک کاتد توخالی استوانه ای از جنس عنصر مورد نظر می باشد. اعمال پتانسیل بین دو الکترود سبب یونش گاز و در نتیجه ایجاد جریان می شود. توخالی بودن کاتد سبب تجمع بیشتر الکترون ها و افزایش شدت نور تولیدی می شود. کاتیون های گازی با انرژی جنبشی مناسب سبب کندن تعداد اتم های فلزی از سطح کاتد می شوند و ابر اتمی تشکیل می شود که بخشی از آنها در حالت تهییج طیف نشری مشخصه فلز را نشر می کنند. عموما بیشتر این لامپ ها تک عنصری هستند یعنی جنس کاتد آنها فقط شامل یک عنصراست. اما گاهی ازعناصری مناسب برای ساخت یک آلیاژ کاتدی استفاده می شود که در این صورت، یک لامپ برای اندازه گیری دویا چند عنصر نیز به کار برده می شود.

 

شدت نشر به مقدار زیادی تحت تاثیر دما قرار می گیرد. به همین علت اتم سازها، نقش بسیار تعیین کننده ای در  آنالیز و اندازه گیری های طیف سنجی نشر اتمی دارند. اتم سازها در روش های نشری ضمن حلال زدایی، تبخیر و اتمی کردن نمونه، وظیفه تهییج اتم ها را نیز بر عهده دارند و بنابراین به عنوان منبع تابش نیز عمل می کنند. طیف سنجی نشر اتمی بر اساس منابع تهییج به چند دسته کلی زیر تقسیم می شوند:

• طیف سنجی نشر اتمی شعله

• طیف سنجی نشر اتمی پلاسما

• طیف سنجی نشر اتمی قوس و جرقه

• طیف سنجی نشر اتمی تخلیه تابش

انواع لامپ های منبع تابش در اسپکتروسکوپی جذب اتمی (AAS)

لامپ تخلیه بدون الکترود (Elrctrodeless Discharge Lamps, EDL) از منابع تابشی دیگری هستند که شدت نوری تا دوبرابر HCL فراهم می کنند و پهنای باند باریک تری دارند. EDL شامل یک لوله کوارتزی حاوی گاز بی اثر آرگون و مقادیر کمی از فلز یا نمک فلزی عنصر موردنظر است. در این لامپ هیچ الکترودی استفاده نشده ولی در عوض به یک منبع فرکانس رادیویی یا ماکروویو برای تهییج و یونیزه کردن اتم های آرگون نیاز است. شتاب اتم های یونیزه آرگون در میدان رادیویی و برخورد آنها با فلز سبب تولید اتم های آزاد فلز می گردد.

لامپ های EDL به زمان بیشتری برای پایدار شدن نیاز دارند و به اندازه HCL قابل اعتماد نیستند. تعداد کمی (در حدود پانزده فلز) از این نوع لامپ به صورت تجاری موجود هستند. برای فلزاتی مانند ارسنیک (As)، کادمیوم (Cd) و سلنیوم (Se) به خاطر شدت نور بیشتر حد تشخیص بهتری از HCL فراهم می کند.

اتم ساز

جذب نور نشرشده از منبع تابش توسط اتم های آزاد یک عنصر در حالت گازی صورت می گیرد. وظیفه اصلی یک اتم ساز (Atomizer) تولید اتم های آزاد مولکول ها یا یون های موجود در نمونه است. این قسمت برای دستگاه AAS بسیار با اهمیت است زیرا حساسیت اندازه گیری مستقیما با اتمی شدن آنالیت در نمونه و در نتیجه کارایی اتم ساز متناسب است.

روش های اتمی کردن متفاوتی تاکنون ارائه شده است. براساس نوع اتم ساز اسپکتروسکوپی جذب اتمی (AAS) به زیرمجموعه هایی تقسیم می شود که متداول ترین آنها اسپکتروسکوپی جذب اتمی (AAS) شعله و اسپکتروسکوپی جذب اتمی (AAS) الکتروترمال هستند.

مونوکروماتور

به طور کلی یک مونوکروماتور یا تکفام ساز (Monochromator) پرتو چندفام را به پرتو تک فام تبدیل می کند. این عمل معمولا با استفاده از منشور (Prism) و توری یا گریتینگ (Grating) صورت می گیرد. وظیفه اصلی مونوکروماتور دراسپکتروسکوپی جذب اتمی (AAS) جداسازی طول موج موردنظر (تابش رزونانسی عنصر کاتدی) از بقیه خطوط نشری ست که مواد موجود در کاتد یا گاز پرکننده منبع تابشی از خود ساطع می کنند.

قدرت جداسازی مونوکروماتور در  AAS چندان مهم نیست چون استفاده از منبع تابش ویژه هر عنصر فلزی این روش را تا حد زیادی گزینش پذیر کرده است. در هر صورت عرض شکاف های خروجی و ورودی به منظور افزایش حساسیت پهنای باند مناسب و مزاحمت های طیفی باید بهینه شوند.

آشکارساز

آشکارسازها (Detector) سیگنال نوری را در یک طول موج ویژه اندازه گیری می کنند. به این صورت که شدت نور دریافت شده از مونوکروماتور را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند. رایج ترین آشکارساز مورد استفاده در اسپکتروسکوپی جذب اتمی (AAS)، لوله های فوتو تکثیر کننده (Photomultiplier tube, PMT) هستند. اساس کار PMT بهره گیری از پدیده فوتوالکتریک است که در آن الکترون بعد از جذب انرژی، یک پرتو الکترومغناطیس از خود گسیل می کند. توانایی آشکارسازی PMT در محدوده نور مریی، ماورا بنفش و مادون قرمز نزدیک (۲۰۰ تا ۸۰۰ نانومتر)  قرار دارد.

آشکارساز PMT از یک لوله شیشه ای خلاء که در آن فوتوکاتد و به دنبال آن چندین دینود (Dynode) قراردارد، تشکیل شده است. فوتوکاتد با موادی که به راحتی یونیده می شوند، پوشیده شده است. این مواد معمولا مخلوطی از فلزات قلیایی مانند آلیاژ سزیم-انتیموان، که با برخورد نور الکترون گسیل می کنند، هستند. سپس این الکترون های گسیل شده بسوی یک دینود شتاب داده می شوند. با برخورد الکترون با دینود، الکترون های ثانویه ای با ضریب مشخص تولید می شود. هدایت الکترون های تولید شده در دینود اول به دینود دوم، که پتانسیل بیشتری دارد، سبب تولید تعداد بیشتری الکترون آزاد می شود. معمولا در هرPMT  تا ۱۰ دینود استفاده می شود که چون به صورت متوالی تعداد الکترون ها در هر دینود افزایش می یابد در نهایت حتی از سیگنال های ضعیف نیز پالس بلندی تولید می شود.

ثبات

برای خواندن سیگنال نیاز به صفحه نمایشی ست که بتواند اطلاعات رسیده از دستگاه را پردازش کند. وسایل بازحوانی (readout devices) دستگاه های الکترونیکی هستند که داده های حوزه الکتریکی را به اطلاعات قابل فهم برای مشاهده کننده فراهم می کنند. داده های آنالوگ جمع آوری شده با این دستگاه توسط یک مبدل (transducer) به فرمت دیجیتالی تبدیل می شوند که سپس این سیگنال به صورت دنباله ای از علامت یا اعداد در یک ثبات نمایش داده می شود. ثبات ها به شکل های مختلف پرینتر، شمارنده های دیجیتالی،  صفحه نمایش کامپیوتر و پانل های ال سی دی موجود می باشند.

در این دستگاه نور از یک منبع مناسب به نام هالو کاتد لامپ تولید و از سیستم تک رنگ کننده به یک آشکار ساز جهت داده می شود. از انجایی که هر اتم طول موج خاصی را جذب می کند برای اندازه گیری هر عنصر منبع نورهمان عنصر بکار می رود. نمونه مورد نظر در حلال خاصی بصورت محلول در آمده و توسط شعله , کوره گرافیتی و یا سیستم هیدرید به اتم آزاد و خنثی تبدیل میشود. پس از عبور پرتوی تک رنگ , مقداری از این پرتو توسط اتم های آزاد جذب می شود و از شدت آن کم می گردد. آشکارساز مقدار نور جذب شده به وسیله نمونه را با اندازه گیری شدت نور قبل و بعد از خروج از نمونه اندازه گیری می کند .با محاسبه مقدار پرتوی جذب شده توسط آشکارساز و به وسیله منحنی های کالیبراسیون میتوان غلظت عنصر مجهول در محلول را محاسبه کرد.این تکنیک ساده بوده و از دقت, صحت, تکرارپذیری و سرعت بالایی برخوردار است.

مراحل آنالیز اسپکتروسکوپی جذب اتمی (AAS)

1. نمونه ها برای آنالیز باطیف سنج جذب اتمی ابتدا می بایست به صورت محلول هموژن شفاف در آیند.

2. یک محلول بلانک یا شاهد باید تهیه گردد. یعنی حلالی با مقدار صفر از عنصر مورد آنالیز با جذب اتمی.

3. یک سری از محلول های استاندارد می بایست تهیه گردد، این استاندارد ها حاوی غلظت های مشخص ولی متفاوت از عناصر مورد آنالیز می باشند. این استاندارد ها جهت ساخت منحنی کالیبراسیون کاربرد دارند.

4. مقدار محلول بلانک یا شاهد باید توسط دستگاه اتمیک ابزوربشن خوانده شود. این به معنای مقدار جذب صفر برای غلظت هیچ است.

5. همه استاندارد ها یک به یک باید با دستگاه Atomic Absorption خوانده شوند.

6. برای محلول بلانک و دیگر استاندارد ها همراه مقادیر جذب آنها می بایست یک نمونه منحنی کالیبراسیون رسم شود.

7. نمونه مجهول نیز توسط دستگاه جذب اتمی آنالیز شود، براساس مقایسه مقدار جذب این نمونه و مقایسه با مقادیر منحنی کالیبراسیون مقدار جذب نمونه مجهول، معلوم می شود.

پردیس فناوری کیش_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه مهندسی شیمی

همه چیز درباره طیف سنجی نشر اتمی (AES)

 

مقدمه

طیف‌سنجی نشر اتمی (AES) روشی برای تجزیه و تحلیل شیمیایی است که از شدت نور تابیده شده از شعله، پلاسما، قوس یا جرقه در طول موج ویژه استفاده می‌کند تا مقدار عنصر را در یک نمونه مشخص کند. طول موج خط طیف اتمی در طیف انتشار، هویت عنصر را نشان می‌دهد در حالی که شدت نور تابیده شده با تعداد اتم‌های عنصر متناسب است.

اساس کار طیف سنجی نشر اتمی

اساس روش های طیف سنجی نشر اتمی (Atomic Emission Spectroscopy)  با نام اختصاری AES اندازه گیری شدت نشر یون یا مولکول در حالت گازی است. یون ها یا مولکول های گازی شکل که الکترون های لایه ظرفیت آنها بر اثر گرما، واکنش شیمیایی یا جریان الکتریکی تهییج می شوند، تابش های مشخصی در طول موج های مرئی و ماوراء بنفش دارند. مانند طيف جذبی، در طيف نشری هر عنصر نیز طول موج هاي معينی وجود دارد كه از ويژگی های مشخصه آن عنصر است. يعنی طيف های نشری و جذبی هيچ دو عنصري مثل هم نيست. اندازه گیری تابش نشر شده عنصر مورد نظر کاربرد زیادی در آنالیز کمی و کیفی عناصر فلزی و شبه فلزی دارد. شکل زیر شمای کلی فرایند جذب و نشر اتمی بین دو تراز انرژی را نشان می دهد.

 

شدت نشر خودبخودی تابشی توسط یک اتم از رابطه زیر بدست می آید:

I_em=A_jihν_jiN_{j                                        (1)}

که در آن I_em شدت نور تابشی، A_ji احتمال انتقال برای نشرخودبخودی، h ثابت پلانک، ν_ji فرکانس تابشی و N_j تعداد اتم در حالت برانگیخته است. تعداد اتم های برانگیخته و در نتیجه شدت نشر متناسب با غلظت اتم ها ست. بنابراین رسم شدت نشر بر حسب غلظت یک خط صاف خواهد بود (در غلظت های پایین)..

اگر تعادل ترمودینامیکی برقرار باشد رابطه توزیع بولتزمن برای غلظت اتم ها در حالت برانگیخته و پایه به صورت زیر بیان خواهد شد:

N_j/N_o=(g_j/g_o)e^-Ej/kT                                              (2)

که در آن N_j و N_o تعداد اتم ها در حالت برانگیخته (ترازj ) و تراز پایه، g_j و g_o وزن های آماری این ترازها، Ej اختلاف انرژی تراز برانگیخته و پایه، K ثابت بولتزمن و T دما ( برحسب کلوین) هستند.

در طیف سنجی نشر اتمی، تابش نشر شده توسط اتم های تهییج شده متناسب با غلظت اتم ها ست در صورتی که در جذب اتمی تابش جذب شده به وسيله اتم های تحريک نشده تعيين می شود. تعداد اتم های تهییج شده نسبت نمایی با دما دارد. بنابراین شدت نشر که به تعداد اتم های تهییج شده بستگی دارد به مقدار زيادی تحت تاثير دما قرار می گيرد. در حالی که در طیف سنجی جذب اتمی، که تعداد اتم های تهییج نشده بااهمیت است، شدت جذب مستقيما تحت تاثير دمای اتم ساز قرار نمی گيرد.

دستگاهوری طیف سنجی نشر اتمی

طیف سنجی نشر اتمی از نظر دستگاهوری (Instrumentation) شبیه طیف سنجی جذب اتمی ست جز این که به منبع تابشی در روش نشری نیازی نیست. به همین علت به راحتی با خاموش کردن منبع تابشی (معمولا HCL) می توان یک طیف سنجی جذب شعله را به یک طیف سنجی نشرشعله تبدیل کرد. اما بیشتر روش های نشری به دلیل استفاده از منابع اتمی کننده و تهییجی اختصاصی تری مانند پلاسما، قوس، جرقه و لیزر طراحی های پیچیده تری دارند. اجزا کلی یک طیف سنج نشری در شکل زیر نشان داده شده است.

 

منبع تابش

همان طور که گفته شد تعداد اتم های تهییج شده طبق توزیع بولتزمن نسبت نمایی با دما دارند (رابطه 2). بنابراین شدت نشر به مقدار زيادی تحت تاثير دما قرار می گيرد. به همین علت اتم سازها، نقش بسیار تعیین کننده ای در  آنالیز و اندازه گیری های طیف سنجی نشر اتمی دارند. اتم سازها در روش های نشری ضمن حلال زدایی، تبخیر و اتمی کردن نمونه، وظیفه تهییج اتم ها را نیز بر عهده دارند و بنابراین به عنوان منبع تابش نیز عمل می کنند. طیف سنجی نشر اتمی بر اساس منابع تهییج به چند دسته کلی زیر تقسیم می شوند:

• طیف سنجی نشر اتمی شعله

• طیف سنجی نشر اتمي پلاسما

• طیف سنجی نشر اتمي قوس و جرقه

• طیف سنجی نشر اتمی تخلیه تابش

طیف سنج

همان طور که گفته شد طیف های نشری بسیار پیچیده تر و شلوغ تر از طیف های جذبی هستند. بنابراین طیف سنج (Spectrometer) در نشر اتمی اهمیت بسیار ویژه تری نسبت به روش های جذب دارد. ضمن اینکه همه عناصر موجود در نمونه نیز بعد از تهییج در منبع تابش به طور همزمان طیف نشری خود را منتشر می کنند. بنابراین واضح است که از این روش برای اندازه گیری چند عنصری استفاده شود.

برای طیف سنجی نشر اتمی شعله، که دمای کمتری دارد و برای آنالیز عناصر قلیایی و قلیایی که طیف نشری ساده ای دارند به کار می رود، از فیلتر فومتر برای تفکیک طول موج استفاده می شود.

تفکیک طول موج برای طیف های بسیار پیچیده نشری حاصله از پلاسما، قوس و جرقه الکتریکی که دمای بالاتر دارند، نیاز به وسایل نوری پیشرفته تری دارد. این تجهیزات باید بتوانند تفکیک طول موجی بالا (حداقل 0.01nm)، محدوده دینامیکی گسترده، شناسایی و انتخاب صحیح طول موج، پایداری بالا در برابر تغییرات محیطی و تصحیح زمینه آسانی داشته باشند.

طیف سنج ها در این دستگاه ها شامل تک فام ساز، آشکارساز و یک مبدل هستند. طیف سنج ها بر اساس عملکردشان در تفکیک طول موج و در نتیجه آنالیز عنصری به دو نوع ترتيبی (Sequential) و همزمان (Simultaneous) تقسیم می شوند.

طیف سنج ترتیبی (Sequential spectrometer)

در دستگاه های ترتیبی در هر زمان شدت نشری یک عنصر اندازه گیری می شود یعنی به صورت متوالی و پشت سرهم شدت خط نشری عناصر مورد نظر یک به یک اندازه گیری می شود. طیف سنج های ترتیبی اغلب شامل یک گریتینگ (grating) یا توری هستند که با چرخش کنترل شده طول موج های مورد نظر را به ترتیب بر روی شکاف خروجی متمرکز می کند. در این نوع دستگا ها آشکارساز در هر زمان فقط یک طول موج را اندازه گیری می کند و معمولا هم از آشکار ساز PMT استفاده می شود. برای اندازه گیری چند عنصر دستگاه های ترتیبی زمان بسیار بیشتری برای آنالیز مورد نیار است بنابراین اگرچه این دستگاه ها ساده تر و ارزان تر هستند ولی مصرف نمونه بیشتر و زمان آنالیز بالاتری دارند.

طیف سنج همزمان (simultaneous spectrometers)

طیف سنج های همزمان یا چند کاناله (multichannel) شدت خط نشری همه عناصر مورد نظر در یک زمان اندازه گیری می شود. تابش از میان توری های چند رنگ کننده گذر می کند و روی شکاف هاي گوناگون بازتابانده می شود به گونه اي که هر شکاف طول موج ویژه اي را پدید می آورد. دونوع عمومی دارند: چندرنگ کننده ها (Polychromator) و اسپکتروگراف (Spectrograph). پلی کروماتورها برای اندازه گیری و آنالیز همزمان چند عنصر استفاده شده و از چندین آشکار ساز PMT برای اندازه گیری شدت طیفی استفاده می کنند. عمومی ترین آرایش یا چیدمان یک اسپکترومتر چند کاناله با آشکار ساز PMT به دایره رولند (Rowland circle) معروف است که در شکل زیر به صورت شماتیک نشان داده شده است:

 

اسپکتوگراف ها شامل یک سری آشکارسازهای کوچک فوتوحساس هستند.  این  آشکارسازهای به گونه ای در کنار هم قرار گرفته اند که تمام عناصر یک دسته پرتو پاشیده شده از مونوکروماتور را هم زمان اندازه گیری می کند. دو نوع آشکار ساز دستگاه انتقال بار (Charge transfer devices) شامل دستگاه شارژ تزریقی (Charge-Injection Devices, CID) و دستگاه شارژ جفتی (Charge-Coupled Devices, CCD) از انواع متداول آشکارسازهای مورد استفاده در اندازه گیری های چند کاناله همزمان هستند.

در وسایل انتقال بار برخورد فوتون با سطح دیود تولید جفت های حفره- الکترون می کند. حفره-الکترون های مثبت به طور آزادانه در نیمه هادی نوع P حرکت می کند اما الکترون ها در خارن های ذخیره می شوند. هر خازن دارای یک الکترود کوچک نیز هست که با اعمال پتانسیل مثبت به این الکترود سبب می شود الکترون های تولید شده در زیر لایه عایق به دام بیافتند. با جاگذاری درست الکتردهای فلزی به راحتی یک آرایه دو بعدی ایجاد می شود. تفاوت CCD و CID  در نوع بازخوانی آنهاست. در CCD بازخوانی به صورت انتقال پیاپی بار به آمپلی فایر صورت می گیرد اما در CID بازخوانی با انتقال بار بین الکترودهای مجاور انجام می شود. این سبب می شود نوع CID دسترسی تصادفی سریعتر  و  زمان های انتگرال گیری بیشتری را داشته باشد.

نکات آنالیزی روش های طیف سنجی نشر اتمی

• امکان آنالیز کمی و کیفی عناصر فلزی و شبه فلزی

• برای بیشتر عناصرحد تشخیص در محدوده (g/mL, mg/μL) یا ppm و (g/μL) یا ppb

• امکان اندازه گیری مستقیم نمونه های جامد ( روش قوس و جرقه الکتریکی)

• اندازه گیری هم زمان چند عنصری

• عدم نیاز به منبع تابش نور

• مزاحمت نشری در آنالیزهای کمی

• تجهیرات گرانتر و شرایط اپراتوری پیچیده تر  نسبت به روش های طیف سنجی جذب اتمی

پردیس فناوری کیش_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه مهندسی شیمی

کروماتوگرافی مایع, ویژگی ها و کاربردهای آن

مقدمه

کروماتوگرافی مایع با عملکرد بالا از جمله روش‌های کروماتوگرافی برای جداسازی مواد به شمار می‌آید. این جدایش بر اساس برهم‌کنش نمونه با فازهای ساکن و متحرک انجام می‌گیرد. از آن‌جایی که ترکیب‌های مختلفی را می‌توان برای فازهای ساکن و متحرک به هنگام جدا کردن یک مخلوط بکار برد، روش‌های مختلف کروماتوگرافی نیز وجود دارند که بر مبنای حالت فیزیکی این فازها بنا شده‌اند. کروماتوگرافی مایع و کروماتوگرافی ستونی مایع-جامد، معمول‌ترین روش‌های کروماتوگرافی هستند که از فاز متحرک مایع استفاده می‌کنند که این فاز، به آرامی با عبور از یک فاز ساکن جامد، با عمل فیلتراسیون، اجزا مختلف را از یکدیگر تفکیک می‌کند. کروماتوگرافی مایع با علمکرد بالا یا کروماتوگرافی HPLC را می‌توان نوع پیشرفته کروماتوگرافی مایع با بازده، سرعت و کارایی بیشتر دانست.

شمای کلی از کروماتوگرافی مایع

اجزای یک مخلوط، بر اساس تمایل هر جزء به فایل مایع، در ستون، جداسازی می‌شوند. بنابراین، اگر اجزا، قطبیت متفاوتی داشته باشند و فاز ساکنی با قطبیت شدید از میان ستون عبور کند، یکی از اجزا نسبت به بقیه، با سرعت بیشتری از داخل ستون عبور خواهد کرد. از آن‌جایی که مولکول‌های یک ترکیب، به صورت گروهی حرکت می‌کنند، ترکیبات به صورت باندهایی جداگانه و مشخص در ستون از یکدیگر متمایز هستند. اگر اجزای جدا شونده، رنگی باشند، در زمان کروماتوگرافی، باندهای رنگی متناظر با هر گروه قابل تشخیص خواهند بود. در غیر اینصورت، همچون «کروماتوگرافی مایع با عملکرد بالا» (High Performance Liquid Chromatography)، حضور باندهای متناظر هر گروه را به کمک سایر روش‌ها همچون طیف‌سنجی ماورابنفش-مرئی شناسایی می‌کنند.

نحوه جایگذاری اجزا در کروماتوگرافی مایع

در یک مخلوط دو جزئی با عبور فاز ساکن از میان ستون،‌ هر دو جزء به صورت باندهایی مجزا از یکدیگر جدا می‌شوند. زمانی که هر جزء از ستون، شویش شود، هر کدام را می‌توان بسته به نوع روش مورد نظر،‌ جداسازی و بررسی کرد. بر اساس نوع قطبیت فازهای ساکن و متحرک،‌ قطبیت‌های نسبی هر دو جزء قابل تعیین است.

آماده‌سازی ستون کروماتوگرافی مایع

در این بخش، توضیحات کوتاهی در خصوص آماده‌سازی ستون در یک کروماتوگرافی مایع داده می‌شود و در ادامه متن، به طور دقیق‌تر، کروماتوگرافی HPLC مورد بررسی قرار می‌گیرد. فاز ساکن در «کروماتوگرافی ستونی» (Column Chromatography)، به طور معمول، یک جاذب جامد است. این جامد می‌تواند اجزای مایع و گازی را در سطح خارجی خود حفظ کند. ستونی که به طور معمول در کروماتوگرافی ستونی از آن بهره می‌گیرند همانند پیپت پاستور است که در کروماتوگرافی ستونی با مقیاس پایین مورد استفاده قرار می‌گیرد. بخش نازک خروجی را با پشم شیشه یا صفحه‌ای متخلخل پر می کنند تا مواد پرشده داخل ستون را حفظ کند. در ادامه، جامد جاذب (به طور معمول سیلیکا) را به صورت فشرده به داخل لوله شیشه‌ای می‌فرستند تا ستون را تکمیل کند. پر کردن ستون با فاز ساکن باید با دقت کافی انجام شود تا توزیع یکنواختی از مواد در داخل ستون صورت بگیرد.

این توزیع یکنواخت برای جلوگیری از ایجاد حباب یا کانالی‌شدن در ستون انجام می‌شود. در انتهای آماده‌سازی ستون، حلال مورد استفاده در فاز متحرک را از میان ستون خشک عبور می‌دهند. چنین ستونی را «تَرشده» (Wetted) می‌نامند. زمانی که ستون، به خوبی آماده شد، نمونه را در بالای ستون قرار می‌دهند.

اساس کار کروماتوگرافی HPLC

اجزای مولکولی در کروماتوگرافی HPLC،‌ دو دسته مهم را به نام آنالیت و ماتریکس تشکیل می‌دهند. آنالیت، اجزای مولکولی مورد نظر و ماتریکس، سایر اجزای نمونه هستند. بمنظور انجام کروماتوگرافی HPLC نمونه را به یک فاز متحرک وارد می‌کنند تا از میان فاز ساکن عبور کند. فاز متحرک را با شاخصه‌های مختلفی همچون ترکیب اجزا، انحلال‌پذیری، خواص فرابنفش، ویسکوزیته و امتزاج‌پذیری با سایر حلال‌ها توصیف می‌کنند.

فاز ساکن می‌تواند توده‌ای از مایع متراکم، لایه‌ای مایع بر سطحی جامد یا یک لایه «بین سطحی» (InterFacial) بین مایع و جامد باشد. در کروماتوگرافی HPLC فاز ساکن به طور معمول به صورت یک ستون پرشده با اجزای کوچک متخلخل است که فاز متحرک مایع، به کمک یک پمپ از میان آن عبور می‌کند. در حقیقت، توسعه کروماتوگرافی HPLC با توسعه ستون‌های جدید همراه بود که این امر نیازمند اجزای جدید، فازهای ساکن جدید و دستورالعمل‌های بهبودیافته برای پرکردن ستون است. تصویری از یک دستگاه کروماتوگرافی HPLC در زیر نشان داده شده است.

شرح دستگاه کروماتوگرافی HPLC

اجزای اصلی یک دستگاه کروماتوگرافی HPLC در زیر نشان داده شده است. نقش پمپ در این دستگاه، حرکت دادن فاز متحرک با یک نرخ جریانی مشخص بر حسب میلی‌لیتر بر دقیقه است. وظیفه «انژکتور» (Injector)، تزریق نمونه مایع به جریان فاز متحرک است. ستون دستگاه، مهم‌ترین بخش دستگاه کروماتوگرافی با عملکرد بالا را تشکیل می‌دهد. فاز ساکن در ستون نیز اجزای نمونه مورد نظر را از یکدیگر جدا می‌کند. از آشکارساز بمنظور شناسایی مولکول‌های شویش شده از ستون بهره می‌گیرند. همچنین، از یک کامپیوتر برای تحلیل و ارزیابی داده‌ها استفاده می‌کنند. در حقیقت، از کامپیوتر نه‌ تنها برای کنترل پارامترهای دستگاه بلکه برای ارزیابی «زمان بازداری» (Retention Time)، اجزای نمونه و آنالیز مقداری بهره می‌گیرند.

ستون کروماتوگرافی

بر اساس خواص فاز ساکن در ستون، از مکانیسم‌های جدایش مختلفی در کروماتوگرافی استفاده می‌شود که از آن جمله می‌توان به «کروماتوگرافی فاز نرمال» (Normal Phase Chromatography)، «کروماتوگرافی فاز معکوس» (Reverse Phase Chromatography)، «کروماتوگرافی تبادل یونی» (Ion Exchange Chromatography)، «کروماتوگرافی اندازه طردی» (Size Exclusion Chromatography) و «کروماتوگرافی میل ترکیبی» (Affinity Chromatography) اشاره کرد.

کروماتوگرافی فاز نرمال

در این روش، ستون را با ذرات قطبی معدنی پر و از یک فاز متحرک ناقطبی برای عبور از میان فاز قطبی استفاده می‌کنند. از کروماتوگرافی فاز نرمال به طور عمده برای خالص‌سازی نمونه‌های خام، جداسازی نمونه‌های به شدت قطبی یا جداسازی تحلیلی با کروماتوگرافی لایه نازک بهره می‌گیرند. یکی از مشکلات استفاده از این روش این است که آب، حلالی قوی برای کروماتوگرافی فاز نرمال به شمار می‌آید و وجود آب در فاز متحرک به طور محسوسی بر بازداری نمونه تاثیر گذار است. در جدول زیر، نوع فازهای متحرک و ساکن در کروماتوگرافی فاز نرمال و معکوس آورده شده است.

کروماتوگرافی فاز معکوس

در کروماتوگرافی فاز معکوس، فاز ساکن، دارای خاصیت «آب‌گریز» (Hydrophobic) است درحالیکه فاز متحرک خاصیتی قطبی دارد. همانطور که در جدول بالا نیز نشان داده شده، نوع قطبیت فازها، عکس کروماتوگرافی فاز نرمال است. نوع برهم‌کنش‌ها در کروماتوگرافی HPLC با فاز معکوس (RP-HPLC) را به صورت نیروهای آب‌گریز در نظر می‌گیرند. این نیروها نتیجه انرژی حاصل از تغییر در ساختار‌های دوقطبی حلال است. جدایش مواد به طور عمده ناشی از تقسیم شدن آنالیت بین فاز ساکن و متحرک ذکر می‌شود.

مولکول‌های حل‌شونده در تعادل بین فاز ساکن آب‌گریز و فاز متحرک با قطبیت جزئی هستند. هر قدر مولکول آب‌گریز (ناقطبی) باشد، زمان بازداری طولانی‌تری خواهد داشت درحالیکه ترکیبات معدنی یونیزه شده، یون‌های معدنی و مولکول‌های فلزی قطبی،‌ زمان بازداری کمی دارند.

کروماتوگرافی تبادل یونی

مکانیسم تبادل یونی، بر اساس برهم‌کنش الکترواستاتیک بین یون‌های آبدار از نمونه و گروه‌های عاملی با بار مخالف فاز ساکن بنا شده است. دو مکانیسم برای جداسازی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در یک مکانیسم، به هنگام شویش، از فاز متحرک با یون‌هایی استفاده می شود که با یون‌های آنالیت جایگزین شوند و این یون‌ها را به خارج از ستون هدایت می‌کنند.

مکانیسم دیگر، شامل اضافه کردن ریجنت کمپلکس کننده به فاز ساکن برای تغییر اجزای نمونه از حالت اولیه خود است. با انجام چنین فرآیندی بر روی مولکول‌ها، عمل شویش انجام می‌شود. علاوه بر تبادل یون‌ها، تبادل یونی فاز ساکن می‌تواند برخی از مولکول‌ها را به صورت خنثی نگه‌دارد. این فرآیند با میزن بازداری در تشکیل کمپلکس‌ها مرتبط می‌شود. یون‌های ویژه‌ای همچون فلزات واسطه می‌توانند بر رزین‌های تبادل کاتیونی قرار بگیرند و با پذیرفتن جفت‌الکترون‌های ناپیوندی، لیگاندهای «دهنده» (Donor) را بپذیرند.

کروماتوگرافی‌های تبادل یونی امروزی، امکان تحلیل‌های مقداری در غلظت‌های پایین حل‌شونده را دارند. از آن‌ها می‌توان بمنظور آنالیز نمونه‌های محلول در آب آنیون‌های معدنی استفاده کرد. کاتیون‌های فلزی و آنیون‌های معدنی به طور عمده توسط برهم‌کنش‌های یونی با رزین‌های تبادل یونی، از یکدیگر جدا می‌شوند.

یکی از کاربردهای صنعتی کروماتوگرافی تبادل یونی، در صنایع غذایی است که برای تعیین اجزای شامل نیتروژن، گوگرد، فسفر و یون‌های هالید از آن‌ بهره می‌گیرند. همچنین، این روش می‌تواند برای تعیین یون‌های معدنی و آلی در آب‌ها استفاده شود.

کروماتوگرافی اندازه طردی

«کروماتوگرافی اندازه طردی» (Size Exclusion Chromatography)، روشی برای جداسازی مولکول‌ها بر اساس اندازه است. از این روش به طور معمول برای جداسازی درشت‌مولکول‌ها از مولکول‌های کوچکتر استفاده می‌شود. بعد از تزریق آنالیت به ستون، مولکول‌هایی که از اندازه حفرات فاز ساکن کوچکتر باشند، به داخل ذرات متخلخل وارد می‌شوند در بین کانال‌های تودرتوی فاز ساکن جریان پیدا می‌کنند اما مولکول‌های بزرگ‌تر، مسیر طولانی‌تری را برای خروج باید طی کنند و در نتیجه، دیرتر از ستون خارج می‌شوند.

با توجه به این‌که حجم مولکولی با جرم مولکولی مرتبط است، انتظار می‌رود که زمان بازداری، به نحوی با جرم مولکولی مواد پلیمری مرتبط باشد.

آشکارسازها در کروماتوگرافی HPLC

آشکارسازهایی که در کروماتوگرافی مایع مورد استفاده قرار می‌گیرند، بیشتر شامل آشکارسازیهای ماوربنفش-مرئی هستند. شاخصه‌های اساسی آشکارسازها در کروماتوگرافی مایع عبارتند از:

• «گستره دینامیکی» (Dynamic Range)

• «شاخص پاسخ» (Response Index)

• گسترده دینامیکی خطی

• پاسخ آشکارساز

• حساسیت

در میان این آشکارسازها،‌ معروف‌ترین و اقتصادی‌ترین روش، استفاده از آشکارسازهای ماورابنفش (UV) و ضریب شکست نور (RI) است. این آشکارسازها محدوده شناسایی منطقی گسترده‌ای دارند.

آشکارساز RI

آشکارسازهای RI از اولین آشکارسازهای تجاری بودند که مورد استفاده قرار گرفتند. این روش به طور ویژه در کروماتوگرافی HPLC بر اساس اندازه کاربرد دارد و اندازه‌گیری آن به طور مستقیم به غلظت پلیمر وابسته و مستقل از جرم مولکولی است. برخی از شاخصه‌های RI در زیر آورده شده است:

• حساسیت: $${10}^{-6}g/mL$$

• گسترده دینامیکی خطی: $${10}^{-6}–{10}^{-14}g/mL$$

• شاخص پاسخ: 0/97-1/3

آشکارساز UV

آشکارسازهای ماورابنفش تنها برای موادی کاربرد دارند که نور ماورا بنفش را در طول موج منبع نوری جذب می‌کنند. لازم به ذکر است که بسیاری از ترکیبات، نور را در دامنه ماورا بنفش (180-350 نانومتر) جذب می‌کنند که از آن‌جمله می‌توان به مواد پیوندهای یگانه یا موادی با الکترون غیراشتراکی اشاره کرد. رابطه بین شدت نور ماورابنفش گذرنده از سلول و غلظت حل‌شونده را بوسیله «قانون بیر» (Beer’s Law) می‌توان بیان کرد:

$$I_T=I_0{e}^{kcl}$$

$$ln\left(I_T\right)=ln\left(I_0\right)(-kcl)$$

از آشکارسازهای ماورابنفش به طور موثر در کروماتوگرافی فاز معکوس و تبادل یونی بهره می‌گیرند. آشکارسازهای ماورا بنفش، حساسیت بالا و قیمت مناسبی دارند و کار کردن با آن‌ها ساده است. به همین دلیل، آشکارسازهای ماورا بنفش، بیشترین استفاده را در کروماتوگرافی HPLC دارند.

طیف‌سنجی جرمی

روش دیگری موسوم به طیف‌سنجی جرمی، مزایایی خاصی نسبت به سایر روش‌ها دارد. طیف جرمی را می‌توان به سرعت بدست آورد و تنها مقادیر کمی از ماده برای نمونه‌گیری و تحلیل لازم است. علاوه بر این، داده‌ای که از این روش بدست می‌آید، اطلاعات مفیدی را در خصوص ساختار مولکول در اختیار ما قرار می‌دهد. از ترکیب کروماتوگرافی HPLC و طیف‌سنج جرمی بمنظور شناسایی ویژه و تعیین مواد شیمیایی استفاده می‌شود. ذکر این نکته لازم است که ترکیب کروماتوگرافی مایع با طیف‌سنج جرمی قدری دشوار است چراکه در ابتدا باید تمامی حلال خارج شود.

مزایای استفاده از کروماتوگرافی HPLC

مهم‌ترین جنبه بهره‌‌گیری از کروماتوگرافی HPLC امکان «تجزیه و تحلیل دسته‌ای» (Batch Analysis) مواد چندجزئی است. حتی در صورتیکه نمونه مورد نظر، شامل مخلوط هم باشد، از این روش می‌توان برای جداسازی، شناسایی و اندازه‌گیری ماده مطلوب استفاده کرد. در ادامه قصد داریم تا با سه مورد از مزایای کروماتوگرافی HPLC آشنا شویم.

امکان آزمایش نمونه‌های متنوع

از مزایای کروماتوگرافی با عملکرد بالا این است که می‌توان نمونه‌های متنوعی را از مولکول‌های زیستی تا یون‌ها، به کمک آن مورد آزمایش قرار داد. تنوع استفاده از نمونه‌ها و دقت بالای این روش به آزمایشگاه‌ها این امکان را می‌دهد تا نمونه‌های مختلف را با صرف هزینه کمتر و دقت بالا، مورد آزمایش قرار دهند.

شرایط آزمایش قابل تنظیم

یکی از دلایلی که می‌توان از کروماتوگرافی HPLC برای بررسی نمونه‌های مختلف استفاده کرد،‌ امکان تنظیم آن برای شرایط مختلف است. همانطور که در متن به آن اشاره شد، جدایش مواد به کمک فاز ساکن انجام می‌شود. این فاز، در ستون کروماتوگرافی دستگاه قرار دارد و به طور معمول، ۴ نوع مختلف و تجاری از آن وجود دارد که بسته به نوع آزمایش، می‌توان از این فازها کمک گرفت.

معمول‌ترین فاز ساکن،‌ جداسازی به کمک فاز معکوس است. اما یک کارشناس کروماتوگرافی ممکن است از سایر روش‌ها همچون فاز نرمال، تبادل یونی یا اندازه طردی بهره بگیرد که شرایط استفاده از هرکدام را در این آموزش بیان کردیم.

کارایی بالا در کروماتوگرافی HPLC

پیش از رونق استفاده از این روش، کروماتوگرافی لایه نازک (TLC) رواج داشت. کروماتوگرافی لایه نازک بر پایه حرکت مواد از طریق گرانش بنا شده بود در حالیکه در HPLC، فشار پمپ برای حرکت سیال بکار گرفته می‌شود که همین مورد سبب می‌شود مواد در بازه زمانی ۱۰-۳۰ دقیقه و با دقت بالا، آزمایش شوند. علاوه بر این، بیشتر دستگاه‌های کروماتوگرافی HPLC به صورت خودکار عمل می‌کنند. به عبارت دیگر، زمانی که نمونه به دستگاه وارد شود، سایر عملیات به طور خودکار انجام خواهد شد. این امر به کارشناس کروماتوگرافی کمک می‌کند تا سریع‌تر و ساده‌تر، نتایج مورد نظر را تحت بررسی قرار دهد.

پردیس فناوری کیش_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه مهندسی شیمی

کروماتوگرافی گازی و هر آن چه که باید درباره آن بدانید

مقدمه

کروماتوگرافی گازی (Gas Chromatography, GC) برای جداسازی و آنالیز ترکیبات فرار به کار می رود. اجزای یک نمونه تبخیر شده، با تقسیم بین یک فاز متحرک گازی و فاز ساکن جداسازی می شوند. نمونه های جامد یا مایع ابتدا باید به بخار یا گاز تبدیل شوند و سپس با کروماتوگرافی گازی اجزاء آن را جداسازی و شناسایی کرد. شرط جداسازی در این روش آنست که نمونه مورد نظر با حرارت دادن و تبدیل شدن به گاز تجزیه نشود. کروماتوگرافی گازی یک تکنیک قوی ست که امکان جداسازی ترکیبات بسیار پیچیده را در حداقل زمان ممکن فراهم می کند.

کروماتوگرافی گازی به دو دسته گاز-مایع (gas-liquid chromatography, GLC) و گاز-جامد ( gas-solid chromatography, GSC) تقسیم می شود. اساس روش GLC، که کاربرد بسیار گسترده تری دارد، تقسيم آناليت بين فاز متحرك گازی و يك فاز مايع تثبيت شده بر سطح يك جامد بی اثر است. روش GSC بر پايه فاز ساكن جامدی بنا شده است كه در آن بازداری آناليت ها نتيجه جذب سطحی فیزیکی است. به علت بازداری نیمه دائمی ترکیبات فعال یا قطبی که سبب دنباله دار شدن پیک ها می شود، روش GSC کاربرد محدودی دارد.

برخلاف بیشتر روش های کروماتوگرافی فاز متحرک برهم کنشی با مولکول های آنالیت نداشته و فقط نقش انتقال آنالیت در ستون را به عهده دارد. از این رو به فاز متحرک در GC گاز حامل (Carrier gas) نیز می گویند. هر مولکولی که برهم کنش بیشتری با فاز ساکن داشته باشد و بیشتر جذب ستون شود، دیرتر از ستون خارج می شود. با توجه به اهمیت فشار و دما در کروماتوگرافی گازی اغلب از حجم بازداری به جای زمان بازداری استفاده می شود.

آشنایی با دستگاه کروماتوگرافی

اولین دستگاه کروماتوگرافی گازی از نوع گاز-مایع در سال 1955 وارد بازار شد و از آن پس بالغ بر صد مدل مختلف توسط شرکت های مختلف ارائه شده است که بر حسب امکانات و لوازم جانبی دستگاه، قیمت های متنوعی دارند. شمای کلی دستگاه های GC در شکل بالا نشان داده شده است. قسمت های اصلی دستگاه های GC عبارتند از:

مخزن گاز حامل

فاز متحرک یا گاز حامل تنها وظیفه انتقال نمونه از ستون را به عهده دارد. به طور کلی گاز حامل باید نسبت به نمونه و حلال بی اثر باشند، خلوص بالایی داشته و در دسترس باشد، ارزان بوده و مناسب آشکارساز مورد استفاده باشد.

هلیوم، آرگون، نيتروژن و هيدروژن به عنوان گاز حامل به کار برده می شوند. گاز حامل باید خالص، بدون رطوبت و عاری از اکسیژن باشد. خلوص گاز حامل مهم ترین ویژگی آن است زیرا وجود ناخالصی در گاز حامل سبب ایجاد نویز (noise) شده و بر حساسیت تاثیر می گذارد و در نتیجه دقت کمی آنالیز را کاهش می دهد.

حضور ترکیباتی مانند آب و اکسیژن سبب مشکلاتی در آنالیز خواهد شد. حضور اکسیژن باعث اکسداسیون و تغییر حجم بازداری شده و در نتیجه تفکیک پذیری را کاهش می دهد و اگر فاز ساکن قطبی باشد به فاز ساکن صدمه وارد کند. آب به دلیل هیدروژناسیون می تواند هم به فاز ساکن و هم نمونه آسیب برساند.

نوع گاز حامل تاثیر زیادی در کارایی ستون و زمان آنالیز دارد. گاز حامل سبکی مانند هیدروژن با سرعت زیادی که دارد باعث کاهش کارایی ستون می شود و زمان آنالیز را کاهش می دهد، در عوض گاز حامل نیتروژن که سنگین تر است سبب افزایش کارایی ستون شده ولی زمان آنالیز را افزایش می دهد. در واقع در حجم بهينه و مناسب، نیتروژن بالاترین کارایی را دارد. گاز هليم خطری ندارد و از راندمان آن در سرعت های بالا نیز كاسته نمی شود. هیدروژن به علت قابلیت انفجار و مشکلات نگهداری آن کمتر مورد توجه است.

اگرچه هلیوم گاز متداولی برای GC است ولی استفاده از آن به علت گران بودن قیمت، با محدودیت همراه است. در حجم بهينه و مناسب، نیتروژن بالاترین کارایی را دارد ولی در سرعت بالا از کارایی آن کاسته می شود. بنابراین برای آنالیز معمول، غالبا نیتروژن به عنوان گاز حامل به کار می رود.

گازی که به دستگاه و در نتیجه به ستون وارد می شود باید فشار و سرعت جریان مشخص و ثابتی داشته باشد. برای این منظور لوازم جانبی مانند کنترل کننده جریان، رگلاتور های فشار، روتامتر و غیره برای تنظیم و کنترل فشار و سرعت جریان گاز حامل استفاده می شود. روتامتر یک وسیله برای اندازه گیری دبی مایعات و گازها ست. فشار ورودی در دستگاه GC 10-50 psiبالاتر از فشار اتاق است. سرعت جریان گاز حامل برای برای ستون های پرشده 25-150  میلی لیتر بر دقیقه و برای ستون های مویین 0.1-25 میلی لیتر بر دقیقه است.  میزان سرعت جریان گاز حامل به قطر ستون و  نوع گاز بستگی دارد.

سيستم تزريق نمونه

نمونه های مورد آنالیز توسط سیستم تزریق نمونه یا انژکتور (Injector) به ستون وارد می شوند. نمونه پس از ورود به injector به بخار تبديل شده، با فاز متحرك مخلوط شده و سپس برای جداسازی وارد ستون مي شود. برای دست یابی به کارایی بالای ستون، نمونه باید در اندازه مناسب و به صورت توده ای (plug) از بخار، وارد ستون شود. تزرق آرام و اندازه نامناسب نمونه باعث پخش شدن آن در ستون و جداسازی ضعیف می شود.

تزریق می تواند به صورت دستی با سرنگ های مخصوص انجام شود یا به صورت اتوماتیک. تمامی دستگاه های مدرن امروزی دارای سیستم تزریق اتوماتیک نمونه (auto sampler) هستند. ستون های مویی گنجایش خیلی کمی برای نمونه دارند و تزریق بیش از ظرفیت ستون سبب سرریز شدن (over loading) می شود بنابراین روش های تزریق مختلفی دارند.

تزریق نمونه های گازی بیشتر از طریق شیر (valve) با نام اختصاصی (gas sampling valve, GSV) انجام می شود. این شیرها معمولا یک حلقه نمونه (sample loop) دارند که به نسبت حجمی که باید تزریق گردد، می توانند اندازه های مختلفی داشته باشند.

در ستون های مویی مقدار کم نمونه لازم است و بعضی مواقع این مقدار نمونه آنقدر کم است که میکرو سرنگ های معمول قادر به تزریق آن مقادیر نخواهد بود. در این حالت از سیستم تقسیم کننده نمونه (split injector) استفاده می شود که فقط بخش کوچکی از نمونه تزریق شده وارد ستون شود. سرعت جریان و دمای تزریق از موارد مهم در سیستم های تزریقی است.

ستون ها و آون

ستون مهم ترین قسمت دستگاه های کروماتوگرافی ست که نقش اصلی جداسازی را بر عهده دارد. به طور کلی در GC دو نوع ستون به کار می رود. ستون های پرشده یا فشرده (packed column) و ستون های مویی (capillary column).

ستون های پرشده اولین نوع ستون های مورد استفاده بوده و از جنس لوله های فلزی یا شیشه ای هستند که با ذرات جامد کاملا پر می شوند. ستون های از جنس فولاد بسیار مقاوم هستند ولی باید توسط کارخانه سازنده پر شوند. ستون های مسی انعطاف پذیر بوده،  به راحتی پر می شوند و به شکل مارپیچ درآیند ولی به علت تشکیل اکسید مس در جداره ستون امکان کاتالیز برخی واکنش ها وجود دارد. ستون های شیشه ای اگرچه شکننده هستند ولی به علت شفاف بودن، تشخیص حباب های هوا در ستون امکان پذیر است. ستون های پرشده معمولا بین 2 تا 3 متر طول و 2-4 میلی مترقطر داخلی هستند. ماده پرکننده باید ذرات کروی یکنواخت با قدرت مکانیکی خوب، سطح ویژه مناسب و بی اثر در دماهای بالا باشد.

ستون های مویی به شکل لوله های باز از جنس شیشه های کوارتزی یا فلزی هستند که فاز ساکن به صورت یک لایه فیلم نازک روی دیواره داخلی  ستون قرار گرفته است. این ستون ها به دو دسته کلی تقسیم می شوند:

لوله ای باز دیوار اندود (Wall coated open tubular, WCOT)

سطح داخلی ستون با لایه بسیار نازکی از فاز ساکن پوشانده شده است. از متداول ترین نوع WCOT ستون های لوله باز سیلیس جوش خورده (Fused silica open tubular, FSOT) است که از سیلیس حاوی مقادیر کم اکسدهای فلزی  ساخته شده و با پوشش پلی ایمیدی کاملا انعطاف پذیر بوده و می توان آنها را به صورت مارپیچ یا حلقه در آورد.

لوله ای باز تکیه گاه اندود (Support coated open tubular, SCOT)

در این نوع ستون سطح درونی لوله بالایه نازکی از مواد نگهدارنده مانند خاک دیاتومه  (به ضخامت تقریبی 30 میکرومتر) پوشانده می شود و سپس فاز ساکن بر روی آن قرار داده می شود.  ستون های SCOT ظرفیت پذیرش مقدار بیشتری از نمونه را دارد زیرا به دلیل ضخامت فاز ساکن دیرتر از ستون های WCOT اشباع می شوند.

طول ستون های مویی از 15 تا 50 متر و قطر داخلی آنها از 0.15 تا 0.55 میکرومتر متغیر است.

انتخاب ماده مناسب به عنوان فاز ساکن برای یک جداسازی خوب و کارایی مناسب بسیار با اهمیت است. فاز ساکن باید از نظر شیمیایی بی اثر بوده و پایداری حرارتی خوبی داشته باشد.  برای فازهای ساکن مایع باید فراریت کمی نیز داشته باشند به طوری که نقطه جوش مایع حداقل 100 درجه سانتی گراد بالاتر از ماکزیمم دمای عملی ستون باشد. متداول ترین فازهای ساکن مورد استفاده برای ستون های پرشده از خاك طبيعي یا دياتومه تهیه می شوند. فازهای ساکن متداول معمولا از جنس پلی سیلوکسان ها یا پلی اتیلن گلیکول هستند که پایداری حرارتی تا 350 درجه سانتی گراد را دارند. فازهای ساکن بر حسب پیوند شیمیایی به دو دسته کلی قطبی و غیر قطبی تقسیم می شوند.

دمای ستون پارامتر بسیار با اهمیتی ست که باید با دقت چند دهم سانتی گراد برای کارهای دقیق کنترل شود. بنابراین ستون باید در یک سیستم پایش دما یا آون قرار داده شود. دماي ستون بايد چند درجه بالاتر از نقطه جوش دير جوش ترين جزء موجود در نمونه باشد.  کنترل دمایی به دو صورت ایزوترمال (isothermal) یا تک دما و گرادیانی یا برنامه ریزی شده (programming) انجام می شود.

در روش ایزوترمال در طول آنالیز دما ثابت بوده و تغییر نمی کند و بيشتر زماني استفاده مي شود كه در نمونه فقط يك ماده مورد شناسايي وجود دارد يا اگر چند ماده وجود دارد، نقطه جوش آنها نزديك به هم است. در کنترل دمایی برنامه ریزی شده دمای ستون به طور پیوسته یا مرحله ای در طول آنالیز تغییر می کند و در مواقعي استفاده مي شود كه اجزاء موجود در نمونه گستره وسيعي از نقطه جوش دارند.

آشكارساز

شناسایی تمامی اجزاء شیمیایی نمونه ای که به ستون تزریق شده و یا یک گروه یا جزء ویژه از نمونه، وظیفه اصلی آشکارساز در GC است. در واقع آشکارساز با حضور اجزاء موجود در گاز حاملی که به آشکارساز می رسد، پاسخ الکتریکی می دهد. اگر آشکارسازی بتواند به تمام انواع نمونه های موجود پاسخ قوی دهد یک آشکارساز عمومی (universal) و اگر فقط به گروه یا ترکیبات ویژه ای واکنش نشان دهد، یک آشکارساز انتخابی ست.

یک آشکارساز ایده آل در GC باید حساسیت مناسب داشته، پایدار باشد، و از دقت، صحت و تکرارپذیری مناسبی برخوردار باشد. ضمنا باید زمان پاسخ مناسبی داشته باشد که با سرعت عبور اجزا با گازحامل از آشکارساز بتواند واکنش نشان دهد. حد تشخیص (detection limit) و گستره خطی (linearity range) آشکارساز برای آنالیزهای کمی بسیار اهمیت دارد.

آشکارساز یونش شعله ای (Flame ionization detector, FID)

آشکارساز یونش شعله ای یا FID متداول ترین آشکارساز مورد استفاده در GC است که از یک شعله هوا/هیدروژن برای پیرولیز ترکیبات آلی و یک جمع کننده (collector) برای جمع آوری یون ها و الکترون های تولید شده از فرایند پیرولیز تشکیل شده است. جریان الکتریکی حاصل از یونیزه شدن اتم های کربن با یک امپلی فایر تقویت می شود. پاسخ آشکارساز به نسبت هوا/هیدروژن و گاز حامل وابسته است. حساسيت و گستره خطی بالا، نویز پایین و سهولت استفاده از مزایای این آشکارساز است.

ترکیبات آلی حاوی گروه هاي عاملي مانند كربونيل، الكل، هالوژن و آمين، يون هاي بسيار كمي توليد مي كنند و يا اصلا توليد نمي كنند. و هم چنین به گازهای احتراق ناپذیرشامل SO₂, NO_x ،CO₂  وH₂O حساس نیست و برای ترکیبات غیرآلی نیز پاسخی ندارد. چون این آشکارساز به آب و اکسیدهای نیتروژن و گوگرد حساس نیست تجزیه نمونه های آلی شامل این ترکیبات بسیار مفید است.

آشکارساز گرما رسانندگی (Thermal Conductivity Detector, TCD )

آشکارساز گرما رسانندگی یا TCD یک آشکارساز عمومی ست که برای شناسایی هم ترکیبات آلی و هم معدنی به کار می رود. اساس آن تغییرپذیری هدایت گرمایی یک گاز است که به وسیله تغییر مقاومت فلزی واقع در یک محفظه گرمایش سنجیده می شود.

این آشکار ساز دارای دو محفظه گرمایشی کاملا مشابه هستند که هرکدام یک فیلامان از جنس تنگستن، طلا یا پلاتین هستند که به طور الکتریکی گرم می شوند. گاز حامل خالص از یک محفظه و گاز خارج شده از ستون حاوی نمونه از محفظه دیگر عبور می کنند. حضور مقادیر کم نمونه سبب تغییر هدایت پذیری شده و در نتیجه فیلامان نمونه داغتر ار فیلامان گازحامل می شود و این باعث اختلاف مقاومت و اختلاف جریان بین دو فیلامان می شود. آشکارساز میزان اختلاف جریان بین دو محفظه را ثبت نموده به صورت پیک نشان می دهد. هیدروژن و هلیم تا ده بار هدایت پذیری بیشتری از ترکیبات آلی دارند.

گازهای هلیم و هیدروژن بیشترین اختلاف را ایجاد می کنند و بنابراین حساسیت بیستری دارند. گاز نیتروژن تفاوت کمی در هدایت گرمایی ایجاد می کند بنابراین برای استفاده با این آشکارساز چندان مناسب نیست. از مزایای این آشکارساز عدم تخریب نمونه و پاسخ به تمامی ترکیبات آلی و معدنی ست. در مقایسه با آشکارساز های دیگرحساسیت بالایی ندارند.

آشکارساز الکترون گیرانداز  (Electron capture detector, ECD)

در آشکارساز الکترون گیرانداز  یا ECD نمونه خروجی از ستون وارد یک سل شیشه ای می شود که اتم های رادیو اکتیو نشر کننده β مانند ⁶³Ni دوپه شده است. الکترون نشر شده از اتم های رادیواکتیو سبب یونیزاسیون گاز حامل شده و در غیاب گونه های آلی یک جریان ثابتی از الکترون ایجاد می شود. در حضور گونه های گیرنده الکترون، این جریان ثابت کاهش می یابد. کاهش جریان متناسب با غلظت گونه های گیرنده الکترون است. از هلیم و هیدروژن به عنوان گاز حامل نمی توان استفاده کرد چون یونیزه نمی شوند. این آشکارساز بسیار گزینش پذیر است و به مولکول های دارای گروه های الکترونگاتیو مانند هالوژن ها، کینون ها، گروه های نیترو و پراکسیدها حساس است اما پاسخی برای گرو های الکل، آمین و هیدروکربنی ندارد. ECD یک آشکارساز مهم و متداول در آنالیز و اندازه گیری حشره کش های کلردار است. از عیوب این آشکارساز گستره خطی کم آن است.

سه آشکارساز FID, TCD و ECD متداول ترین آشکارسازهای مورد استفاده در GC هستند. برحسب موارد خاص آشکارسازهای گزینش پذیر بسیاری معرفی و ساخته شده اند.

آشکارساز طیف سنج جرمی (Mass Spectrometry detectors):

آشکارساز طیف سنج جرمی یکی از قوی ترین آشکارسازهای مورد استفاده در GC است که تلفیقی از روش GC و طیف سنج جرمی است. استفاده از نام اختصاری GC-MS در سال های اخیر متداول تر شده است. در طیف سنج جرمی جداسازی یون ها بر اساس نسبت جرم به بار (m/z) آنها و تحت تاثیر میدان های الکتریکی و مغناطیسی صورت می گیرد. در واقع اجزای نمونه پس از جداسازی در ستون کروماتوگرافی و حذف گاز حامل، وارد محفظه یونش طیف سنج جرمی می شوند و با استفاده از میدان های الکتریکی و مغناطیسی شناسایی کمی و کیفی اجزاء نمونه براساس m/z صورت می گیرد. در كروماتوگرافي گازي- طيف سنج جرمي (GC-MS)، خروجی ستون GC وارد طیف سنج جرمی می شود. بنابراین GC-MS فقط قادر به شناسایی و اندازه گیری ترکیباتی ست که بتوان به GC تزریق کرد یعنی ترکیبات فرار یا ترکیباتی که با مشتق سازی یا حلال های خاص امکان فرار بودن پیدا می کنند.

امروزه دستگاه GC را می توان با دو طیف سنج جرمی متوالی (tandem) تلفیق کرد که این روش تلفیقی GC-MS/MS تکنیک بسیار قوی برای شناسایی اجزاء یک مخلوط است.

آنالیز کمی و کیفی با کروماتوگرافی گازی

جهت شناسايي کیفی مواد با GC از زمان بازداریt_R  استفاده مي شود. زمان بازداری زماني است كه طول مي كشد تا جسم ازآشکارساز خارج شود، يعني از زمان تزريق نمونه تا زمان ظاهرشدن پيك ها روي دستگاه كه براي هر جزئی در نمونه تحت شرايط ثابت، مقداري ثابت است. از مقايسه زمان بازداری  نمونه یا جزء معلوم با زمان بازداری  نمونه مجهول، مي توان اجزاي موجود در نمونه مجهول را تشخيص داد. شاخص بازداری کواتس (kovats retention index) نیز یک برای شناسایی ترکیبات مجهول به خصوص الکان ها کاربرد ویژه ای دارد. در واقع کتابخانه های از شاخص های بازداری مواد ایجاد شده اند که با داشتن شاخص بازداری ترکیب مجهول، امکان شناسایی آن فراهم می شود.

اندازه گیری کمی معمولا بر اساس سطح زیر منحنی (Area under curve, AUC) هر پیک انجام می شود. با رسم سطح زیر پیک نمونه های استاندارد برحسب غلظت آنها، و مقایسه سطح یر پیک  نمونه مجهول غلظت آن تخمین زده می شود.

نکات

– جداسازی و آنالیز ترکیبات فرار و ترکیباتی که امکان تبدیل شدن به گاز بدون تجزیه شدن را دارند.

–  سريع و ساده

– قابلیت اندازه گیری کمی و شناسایی کیفی

– ترکیباتی که نقاط جوش نزدیک به هم دارند و جداسازی آنها به روش تقطیر مقدور نیست توسط GC قابلیت جداسازی و اندازه گیری را دارند.

– امکان جداسازی ترکیبات پیچیده در حداقل زمان

 کاربرد کروماتوگرافی گازی

فارماکولوژی: آنالیز مواد باقیمانده و حلال ها در محصولات میانی و نهایی، سنجش داروها، اندازه گیری ناخالصی ها و مواد فرار

كشاورزی و صنایع غذایی: آنالیز باقیمانده سموم ، حشره کش ها، قارچ کش ها و .. ، آنالیز عطر و اسانس، تشخیص تقلب مواد عذایی (Food adulteration) ، پروفایل اسیدهای چرب و ..

محیط زیست: آنالیز ترکیبات فرار در منابع آبی و پساب ها، آنالیز هوا و مانیتورینگ آلاینده های اتمسفری، باقیمانده سموم و…

پتروشیمی: آنالیز گازهای پالایشگاه، میعانات گازی و …

صنایع آرایشی بهداشتی

پردیس فناوری کیش_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه مهندسی شیمی

آنچه که باید در مورد جدول تناوبی بدانید

مقدمه

جدول تناوبی عنصرهای شیمیایی یا جدول مندلیف به انگلیسی: Periodic table یا periodic table of elements)، نمایش جدولی عنصرهای شیمیایی بر پایهٔ عدد اتمی، آرایش الکترونی و ویژگی‌های شیمیایی آن‌ها است. ترتیب جایگیری عنصرها در این جدول از عدد اتمی (شمار پروتون‌های) کمتر به سوی عدد اتمی بالاتر است. شکل استاندارد این جدول ۱۸ × ۷ است؛ عنصرهای اصلی در بالا و دو ردیف کوچکتر از عنصرها در پایین جای دارد. می‌توان این جدول را به چهار مستطیل شکست، این چهار بلوک مستطیلی عبارتند از: بلوک اس در سمت چپ، بلوک پی در راست، بلوک دی (فلزات واسطه) در وسط و بلوک اف (فلزات واسطهٔ داخلی) در پایین. ردیف‌های این جدول، دوره و ستون‌های آن، گروه های جدول تناوبی نام دارند. همچنین گاهی برخی از این گروه‌ها نام‌های ویژه‌ای دارند. برای نمونه گروه هالوژن‌ها و گازهای نجیب از آن جمله‌اند. هدف از ساخت جدول تناوبی، چه به شکل مستطیلی و چه به شکل‌های دیگر، بررسی بهتر ویژگی‌های شیمیایی عنصرها بوده‌است. این جدول، کاربرد زیادی در دانش شیمی و پردازش رفتار عنصرها دارد.

جدول تناوبی با نام دیمیتری مندلیف شناخته شده‌است، با اینکه پیشروان دیگری پیش از او وجود داشته‌اند. او این جدول را در سال ۱۸۶۹ منتشر کرد. این، نخستین جدولی بود که به این گستردگی مرتب شده بود. مندلیف این جدول را تهیه کرد تا ویژگی‌های دوره‌ای آنچه که بعدها «عنصر» نام گرفت را بهتر نشان دهد. وی توانسته بود برخی ویژگی‌های عنصرهایی که هنوز کشف نشده بود را پیش‌بینی کند و جای آن‌ها را خالی گذاشته بود. کم‌کم با پیشرفت دانش، عنصرهای تازه‌ای شناسایی شد و جای خالی عنصرها در جدول پُر شد. با شناسایی عنصرهای نو و گسترش شبیه‌سازی‌های نظری دربارهٔ رفتار شیمیایی مواد، جدول آن روز مندلیف بسیار گسترده‌تر شده‌است.

همهٔ عنصرهای شیمیایی از عدد اتمی ۱ (هیدروژن) تا ۱۱۸ (اوگانسون) شناسایی یا ساخته شده‌اند. دانشمندان هنوز به دنبال ساخت عنصرهای پس از اوگانسون هستند و البته این پرسش را پیش رو دارند که عنصرهای تازه‌تر چگونه جدول را اصلاح خواهند کرد. همچنین ایزوتوپ‌های پرتوزای بسیاری هم در آزمایشگاه ساخته شده‌است.

ویژگی های ظاهری جدول تناوبی

همهٔ نسخه‌های جدول تناوبی تنها دربردارندهٔ عنصرهای شیمیایی هستند و مخلوط، ترکیب یا ذرهٔ زیراتمی در آن‌ها جایی ندارد. هر عنصر شیمیایی یک عدد اتمی یکتا دارد و این عدد برابر با شمار پروتون‌ها در هستهٔ اتم آن عنصر است. اتم‌های گوناگون یک عنصر می‌توانند شمار نوترون‌های متفاوتی داشته باشند. در این حالت به آن‌ها ایزوتوپ گفته می‌شود. برای نمونه کربن سه ایزوتوپ طبیعی دارد. همهٔ ایزوتوپ‌های کربن ۶ پروتون، و بیشتر آن‌ها ۶ نوترون دارند؛ اما یک درصد آن‌ها ۷ نوترون و شمار بسیار کمتری از آن‌ها ۸ نوترون دارند. ایزوتوپ‌ها در جدول تناوبی به صورت جداگانه، نمایش داده نمی‌شوند؛ بلکه میانگین آن‌ها به عنوان جرم اتمی در زیر عنصر درج می‌شود. برای عنصرهایی که هیچ ایزوتوپ پایداری ندارند، جرم اتمی پایدارترین یا متداول‌ترین ایزوتوپ آن‌ها درون پرانتز نوشته می‌شود.

در جدول تناوبی استاندارد عنصرها به ترتیب عدد اتمی (شمار پروتون‌ها در هسته)، به صورت صعودی مرتب شده‌اند. هر ردیف تازه در جدول، که یک دوره یا تناوب نامیده می‌شود، با افزوده شدن نخستین الکترون به یک لایهٔ الکترونی تازه آغاز می‌شود. عنصرهایی که در یک ستون جدول (گروه) جای گرفته‌اند، همگی در لایهٔ آخر الکترونی خود دارای تعداد الکترون‌های برابر هستند؛ به عبارت دیگر آرایش الکترونی لایهٔ آخر آن‌ها یکسان است. مانند اکسیژن و سلنیم که هر دو در یک ستون هستند و هر دو چهار الکترون در لایهٔ بیرونی آرایش الکترونی خود یعنی تراز p دارند. عنصرهایی که ویژگی‌های شیمیایی مشابه دارند، معمولاً در یک گروه از جدول قرار می‌گیرند. اما در بلوک f عنصرهایی که در یک دوره هستند نیز ویژگی‌های مشابهی را نشان می‌دهند. در نتیجه به آسانی می‌توان ویژگی‌های شیمیایی یک عنصر را با آگاهی از عنصرهای پیرامونی‌اش پیش‌بینی کرد.

تا سال ۲۰۱۵، جدول تناوبی ۱۱۸ عنصر داشته‌است که ۱۱۴ عنصر به صورت رسمی از سوی اتحادیه بین‌المللی شیمی محض و کاربردی پذیرفته و نامگذاری شده‌اند. ۹۸ عنصر از مجموع ۱۱۸ عنصر در طبیعت یافت می‌شوند و از آن میان، ۸۴ مورد، عنصرهای پایدار یا دارای نیم‌عمر بیش از سن زمین هستند. در حالی که ۱۴ عنصر باقی‌مانده نیم‌عمر کوتاهی دارند یا به عبارت دیگر پرتوزا هستند. در حال حاضر، این عنصرها تنها بر اثر انجام واکنش هسته‌ای در عنصرهای دیگر به وجود می‌آیند و فراوانی ناچیزی دارند. تمام عنصرهای با عدد اتمی ۹۹ تا ۱۱۲ (که مابین اینشتینیم و کوپرنیسیم قرار دارند) و نیز دو عنصر فلروویوم و لیورموریوم، در طبیعت پدید نیامده‌اند، بلکه در آزمایشگاه ساخته شده‌اند. سپس آیوپاک آن‌ها را به‌طور رسمی پذیرفته‌است. گزارش شده که عنصرهای ۱۱۳، ۱۱۵، ۱۱۷ و ۱۱۸ هم در آزمایشگاه ساخته شده‌اند، اما هنوز آیوپاک آن‌ها را تأیید نکرده‌است. برای همین، این عنصرها هنوز بر پایهٔ عدد اتمی‌شان شناخته می‌شوند. تاکنون عنصری سنگین‌تر از کالیفرنیم (عنصر ۹۸) در طبیعت به صورت خالص در اندازهٔ قابل مشاهده، پیدا نشده‌است. تا سال ۲۰۱۸ هنوز عنصری با عدد اتمی بزرگتر از ۱۱۸ ساخته نشده‌است.

روش دسته‌بندی

عنصرها در جدول تناوبی به صورت افقی (چپ به راست) در دوره‌های ۱ تا ۷ و به صورت عمودی (بالا به پایین) در گروه‌های ۱ تا ۱۸ دسته‌بندی می‌شوند. هم‌چنین دسته‌بندی دیگری بر اساس لایهٔ الکترونی در حال پر شدن وجود دارد که بر اساس آن، عنصرها در بلوک‌های s و p و d و f قرار می‌گیرند.

گروه

یک گروه یا خانواده، یک ستون عمودی از جدول تناوبی است. عنصرهای یک گروه معمولاً ویژگی‌های نزدیک به هم بیشتری نسبت به عنصرهای یک دوره یا بلوک دارند. دانش مکانیک کوانتوم که دربارهٔ ساختار اتمی پژوهش می‌کند، نشان می‌دهد که چون عنصرهای موجود در یک گروه همگی از آرایش الکترونی یکسانی در لایهٔ آخر الکترونی برخوردارند؛  بنابراین ویژگی‌های شیمیایی مشابهی از خود نشان می‌دهند و هرچه عدد اتمی آن‌ها بالاتر می‌رود، این مشابهت‌ها افزایش پیدا می‌کند.  با این حال گاهی در بلوک d و f همانندی‌های عنصرهای یک دوره به اندازهٔ همانندی‌ها در یک گروه مهم هستند. به همانندی (شباهت) در یک دوره، همانندی افقی و در یک گروه، همانندی عمودی گفته می‌شود.

بر اساس یک قرارداد جهانی، گروه‌ها از ۱ تا ۱۸ شماره‌گذاری شده‌اند که گروه شمارهٔ یک را نخستین گروه از چپ (فلزهای قلیایی) و آخرین گروه را گروه نخست از راست (گازهای نجیب) در نظر گرفته‌اند. در گذشته، شمارهٔ گروه‌ها را با عددهای رومی نشان می‌دادند. همچنین در آمریکا برای گروه‌های بلوک اس و پی یک حرف A و برای عنصرهای بلوک دی یک حرف B در کنار شمارهٔ رومی گروه می‌گذاشتند. برای نمونه گروه چهار به صورت IVB و گروه چهاردهم (یا عنصرهای گروه کربن) به صورت IVA نمایش داده می‌شد. در اروپا هم همین روش به کار می‌رفت، با این تفاوت که حرف A برای گروه‌های پیش از گروه ۱۰ و حرف B برای عنصرهای گروه ۱۰ و گروه‌های پس از آن بکار می‌رفت. در سال ۱۹۸۸ آیوپاک سامانهٔ نام‌گذاری تازه‌ای را پیشنهاد کرد و روش‌های پیشین همگی فراموش شد.

ویژگی‌های عنصرهای یک گروه مانند شعاع اتمی، انرژی یونش و الکترون‌دوستی مشابه یکدیگر هستند. از بالا به پایین، شعاع اتمی عنصرها افزایش می‌یابد، در نتیجه الکترون‌های لایهٔ آخر در فاصلهٔ دورتری از هسته جای می‌گیرند، چون ترازهای انرژی بیشتری پُر شده‌اند. از بالا به پایین، انرژی یونش کاهش می‌یابد. چون الکترون‌ها کمتر به هسته پیوند خورده‌اند و آسان‌تر می‌توان آن‌ها را جدا کرد. با تحلیل مشابه، از بالا به پایین الکترون‌دوستی عنصرها کاهش می‌یابد. چون فاصلهٔ میان الکترون‌های لایهٔ آخر و هسته افزایش می‌یابد.  البته در این میان استثناهایی هم وجود دارد. برای نمونه در گروه ۱۱ الکترون‌دوستی از بالا به پایین افزایش می‌یابد.

دوره

یک دوره در جدول تناوبی، یک ردیف افقی از این جدول است. با اینکه عنصرها در یک گروه همانندی‌های بسیاری دارند، اما بخش‌هایی از دوره‌ها هستند که از اهمیتی بیش از گروه‌ها برخوردارند. مانند بلوک F، جایی که لانتانیدها و آکتینیدها دو مجموعهٔ افقی از عنصرهای جدول را می‌سازند.

عنصرها در یک دوره همانندی‌هایی از لحاظ شعاع اتمی، انرژی یونش، الکترون‌دوستی و الکترون‌خواهی (مقدار انرژی آزاد شده هنگامی که یک الکترون به یک مولکول یا اتم خنثی افزوده می‌شود) از خود نشان می‌دهند. در یک دوره از چپ به راست، شعاع اتمی کاهش می‌یابد. این پدیده، به این دلیل است که با افزایش عدد اتمی در یک دوره، شمار لایه‌های الکترونی ثابت است، اما شمار پروتون‌ها افزایش می‌یابد. برای همین الکترون‌ها بیشتر به سوی هسته کشیده می‌شوند. کاهش شعاع اتمی باعث افزایش انرژی یونش می‌شود (از چپ به راست). هرچه پیوندها در یک عنصر محکم‌تر باشد، انرژی بیشتری هم برای جداسازی یک الکترون نیاز است. الکترون‌دوستی مانند انرژی یونش رفتار می‌کند و از چپ به راست افزایش می‌یابد. چون کشش هسته بر روی الکترون‌ها افزایش می‌یابد. همچنین مقدار الکترون‌خواهی هم در طول یک دوره اندکی تغییر می‌کند. فلزها (عنصرهای سمت چپ دوره) معمولاً نسبت به نافلزها (سمت راست دوره) الکترون‌خواهی پایین‌تری دارند. این قانون برای گازهای نجیب برقرار نیست.

بلوک

چون لایهٔ آخر الکترونی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است، جدول تناوبی به بخش‌هایی وابسته به این لایه‌های الکترونی تقسیم شده‌است. به هر یک از این بخش‌ها یک بلوک می‌گویند. بلوک اس دربردارندهٔ دو گروه نخست جدول (فلزهای قلیایی و قلیایی خاکی) و دو عنصر هیدروژن و هلیم است. بلوک پی دربردارندهٔ شش گروه آخر جدول، گروه‌های ۱۳ تا ۱۸ آیوپاک (۳A تا ۸A در نامگذاری آمریکایی) است. همهٔ شبه‌فلزات و نافلزها در این بلوک جای می‌گیرند. بلوک دی دربردارندهٔ گروه‌های ۳ تا ۱۲ آیوپاک (۳B تا ۸B در نامگذاری آمریکایی) و همهٔ فلزات واسطه است. بلوک اف که بیشتر در پایین بدنهٔ اصلی جدول جای می‌گیرد دربردارندهٔ لانتانیدها و اکتینیدها است.

تاریخچه

در سال ۱۷۸۹ آنتوان لاووازیه فهرستی از ۳۳ عنصر شیمیایی را منتشر کرد. او این عنصرها را زیر نام‌های گازی، فلزی، نافلزی و خاکی دسته‌بندی کرده بود.  سپس در دههٔ ۱۷۹۰ یرمیا بنیامین ریشتر جدول وزن معادل را تهیه کرد. به این منظور، مقدار وزنی اسیدهایی که با یک مقدار مشخص باز ترکیب می‌شدند و نیز مقدار فلزهایی که با مقدار مشخصی اسید ترکیب می‌شدند را اندازه‌گیری کرد. در سال ۱۸۲۹ یوهان ولفگنگ دوبرآینر دریافت که بسیاری از عنصرها را می‌توان بسته به ویژگی‌های شیمیایی آنها، در دسته‌های سه‌تایی بخش‌بندی کرد. برای نمونه لیتیم، سدیم و پتاسیم را با هم در دستهٔ فلزهای واکنش‌پذیر نرم گذاشت. همچنین او متوجه شد که وقتی عنصرها را به ترتیب وزن اتمی دسته‌بندی می‌کند، وزن عنصر دوم (میانی) تقریباً برابر است با میانگین وزن عنصر پیش و پس از خود (عنصر اول و سوم). این پدیده به نام قانون سه‌تایی یا سه‌تایی دوبرآینر شناخته شد. شیمیدان آلمانی لئوپولد گملین با همین روش ادامه داد و تا سال ۱۸۴۳ توانست ده دستهٔ سه‌تایی، سه دستهٔ چهارتایی و یک دستهٔ پنج‌تایی را شناسایی کند. در سال ۱۸۵۷ ژان باتیست آندره دوما توانست ارتباط‌هایی میان دسته‌های گوناگون فلزها به دست آورد. تا این دوره شیمی‌دانان گوناگون توانسته بودند ارتباط‌های گوناگونی میان دسته‌های کوچک عنصرها به دست آورند؛ اما هیچ‌یک جدول کلی ارائه نکرده‌بودند.

در ۱۸۵۸ شیمیدان آلمانی فریدریش آگوست ککوله مشاهده کرد که کربن همواره با چهار اتم پیرامون خود پیوند برقرار می‌کند. برای نمونه در متان یک کربن با چهار هیدروژن پیرامون خود پیوند خورده‌است. این مفهوم کم‌کم با نام والانس یا الکترون‌های ظرفیت شناخته شد. منظور از والانس یک اتم، تعداد اتم‌هایی است که با آن اتم پیوند می‌خورند.

در ۱۸۶۲ یک زمین‌شناس فرانسوی به نام الکساندر-امیل بگویه دو شانکورتوآ یک نمای اولیه از جدول تناوبی را منتشر کرد و نام آن را «مارپیچ خاکی» یا «مارپیچ» گذاشت. او نخستین کسی بود که متوجه ویژگی‌های تناوبی عنصرها شد و آن‌ها را به ترتیب عدد اتمی از کمتر به بیشتر در یک استوانهٔ مارپیچ مرتب کرد. همچنین او نشان داد که عنصرهایی که ویژگی‌های مانند هم دارند در فاصله‌ای ثابت از هم قرار دارند (شمار عنصرهای میان آن‌ها همیشه ثابت است). جدول او برخی یون‌ها و ترکیب‌ها را هم دربرداشت. مقاله‌ای که او دربارهٔ جدول خود منتشر کرد، بیش از دانش شیمی، به مطالب مربوط به زمین‌شناسی پرداخته بود. برای همین تا پیش از جدول دیمیتری مندلیف توجه کمی را به خود جلب کرد.

در ۱۸۶۴ شیمی‌دان آلمانی، جولیوس لوتار میر جدولی ساخته‌شده از ۴۴ عنصر را بر پایهٔ الکترون‌های لایهٔ ظرفیت (والانس) ارائه کرد. این جدول نشان می‌داد که عنصرهایی که ویژگی‌های مانند هم دارند، معمولاً الکترون‌های ظرفیت برابر هم دارند. هم‌زمان شیمیدان انگلیسی، ویلیام آدلینگ هم جدولی ساخته‌شده از ۵۷ عنصر منتشر کرد. جدول آدلینگ بر پایهٔ وزن اتمی بود که چندین جای خالی و نکتهٔ غیرمعمول در آن دیده می‌شد. او متوجه مفهوم تناوبی بودن جرم اتمی در میان عنصرها و مسئلهٔ گروه‌بندی عنصرها در جدول شده بود  اما هرگز پیگیر ادامهٔ آن نشد. او در ۱۸۷۰ عنصرها را برپایهٔ الکترون‌های لایهٔ ظرفیت (والانس) مرتب کرد و به عنوان جدول پیشنهادی خود ارائه کرد.

شیمی‌دان انگلیسی جان نیولندز از سال ۱۸۶۳ تا ۱۸۶۶ مجموعه مقالاتی را منتشر کرد. او در این مقاله‌ها توضیح می‌داد که هنگامی که عنصرها به ترتیب از عدد اتمی کمتر به بیشتر مرتب شوند در دسته‌های هشت‌تایی ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی مشابهی را تکرار می‌کنند. او این تناوب و تکرار هشت‌تایی را به هشتگان‌های موسیقی همانند کرد. قانون هشتگان‌های نیولندز از سوی همکارانش احمقانه دانسته شد و جامعهٔ شیمی حاضر به انتشار کار او نشد.  برخلاف این برخورد، نیولندز داده‌های جدول هشتایی خود را جمع‌آوری کرد و از آن برای پیش‌بینی عنصرهای ناشناخته مانند ژرمانیم بهره برد.  جامعهٔ شیمی پنج سال پس از آنکه جدول تناوبی مندلیف به جهان معرفی شد، به کار نیولندز بها داد.

در سال ۱۸۶۷ یک شیمیدان زادهٔ دانمارک به نام گوستاووس هینریشس یک جدول تناوبی مارپیچ پیشنهاد کرد. این جدول برپایهٔ طیف اتمی، وزن و شباهت‌های شیمیایی بود. جدول او به عنوان کاری «منحصربه‌فرد»، «درخور توجه» و البته «تودرتو و پیچیده» دانسته شد. چنین توصیفاتی مانع از شناسایی و پذیرش عمومی جدول او شد.

جدول مندلیف

استاد روس شیمی، دیمیتری مندلیف و شیمی‌دان آلمانی، ژولیوس لوتار میر، هر یک به صورت مستقل جدولی را به ترتیب در سال‌های ۱۸۶۹ و ۱۸۷۰ منتشر کردند.  جدول مندلیف، نخستین نسخه از کار او بود؛ درحالی که جدولی که میر منتشر کرد، نسخهٔ گسترش یافتهٔ جدول پیشین او بود که در سال ۱۸۶۴ منتشر کرده بود.  هر دو نفر، عنصرها را در ردیف‌ها و ستون‌ها به ترتیب وزن اتمی فهرست کرده بودند. در هر دو جدول در آغاز یک ستون یا ردیف، ویژگی‌های عنصرها به صورت مرتب تکرار می‌شد.

مندلیف در این جدول دو انتخاب مهم انجام داده بود که باعث شد تا جدول او مورد پذیرش عمومی قرار گیرد: نخست اینکه جای عنصرهایی را که هنوز شناسایی نشده بود، خالی گذاشته بود.  مندلیف نخستین شیمی‌دانی نبود که چنین کرده بود، اما نخستین کسی بود که با توجه به ردپایی که از جدول داشت، جای عنصرها را پیش‌بینی کرده بود. عنصرهایی مانند گالیم و ژرمانیم عنصرهایی بودند که بعداً شناسایی شدند. انتخاب دوم مندلیف در جای‌گذاری و دسته‌بندی عنصرها بود، او گاهی ویژگی وزن اتمی را نادیده گرفته بود و به جای آن، عنصرها را با توجه به ویژگی‌های شیمیایی جای‌گذاری کرده بود. عنصرهایی مانند تلوریم و ید از این دست بودند. بعدها با پیشرفت علم معلوم شد که مندلیف نادانسته عنصرها را به ترتیب افزایش عدد اتمی و بار هسته مرتب کرده بود.

اهمیت عدد اتمی در جای‌گذاری عنصرها در جدول تناوبی نادیده گرفته می‌شد تا این‌که وجود و ویژگی‌های پروتون و نوترون در هسته شناسایی شد.

گسترش جدول تناوبی

مندلیف در سال ۱۸۷۱ جدول خود را به روز کرد و جزئیات بیشتری از عنصرهایی که جای آن‌ها را پیش‌بینی می‌کرد، ارائه داد. او باور داشت که این عنصرها وجود دارند، اما هنوز شناسایی نشده‌اند. با گذر زمان و شناسایی عنصرهایی که به صورت طبیعی یافت می‌شوند، جاهای خالی کم‌کم پر شد. باور عمومی چنین است که آخرین عنصر شناسایی شده‌ای که به صورت طبیعی پدید می‌آید، فرانسیم است که در سال ۱۹۳۹ شناسایی شد. مندلیف این عنصر را «اکا-سزیم» (اکا به معنی همانند) نامیده بود.  پس از آن، در سال ۱۹۴۰ عنصر پلوتونیم به صورت آزمایشگاهی تولید شد؛ اما در سال ۱۹۷۱ دانشمندان به این نتیجه رسیدند که این عنصر به صورت طبیعی ساخته می‌شود.

جدول تناوبی پرکاربرد امروزی  که به نام جدول تناوبی استاندارد یا جدول تناوبی متداول نیز شناخته می‌شود، جدولی است که به شیمی‌دان آمریکایی هوراس گرووز دمینگ نسبت داده می‌شود. دمینگ در ۱۹۲۳ دو نسخهٔ کوتاه (نسخهٔ مندلیفی و ۱۸ ستونی ) جدول تناوبی را منتشر کرد.  بعدها در سال ۱۹۲۸ نسخهٔ ۱۸ ستونی جدول دمینگ به صورت گسترده در دسترس مدرسه‌های آمریکا قرار گرفت. تا دههٔ ۱۹۳۰ جدول دمینگ در بسیاری از کتاب‌ها و دانشنامه‌های شیمی در دسترس بود. همچنین برای سال‌ها توسط انتشارات علمی سرجنت-ولچ منتشر می‌شد.

با پیشرفت دانش مکانیک کوانتوم و افزایش دانش دربارهٔ الکترون‌ها و نقش آن‌ها در اتم، روشن شد که جای‌گیری عنصرها در هر دوره (ردیف) از جدول تناوبی با پر شدن یکی از لایه‌های الکترونی همسنگ است. اتم‌های بزرگتر، الکترون‌ها و در نتیجه زیرلایه‌های بیشتری دارند. پس با افزایش شمارهٔ دوره، طول دوره‌های جدول بیشتر می‌شود.

در ۱۹۴۵، دانشمند آمریکایی گلن سیبورگ گفت که الکترون‌ها در اکتینیدها مانند لانتانیدها بلوک اف از لایه‌های الکترونی را پر می‌کنند. چرا که پیش از آن فرض می‌شد که الکترون‌های لایهٔ آخر این عنصرها در بلوک دی جای می‌گیرند. همکار سیبورگ به او توصیه کرد که چنین مطلبی را منتشر نکند و آیندهٔ کاری خود را به خطر نیندازد. با این حال، او پیشنهاد خود را ارائه داد که از سوی جامعهٔ علمی درست دانسته شد. سیبورگ به تلاش خود ادامه داد و در سال ۱۹۵۱ توانست جایزهٔ نوبل شیمی را به خاطر کار بر روی اکتینیدها از آن خود کند.

پردیس فناوری کیش_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه مهندسی شیمی

آشنایی با رشته شیمی آلی , ویژگی ها و کاربردهای آن

مقدمه

شیمی آلی زیر مجموعه‌ای از دانش شیمی است که دربارهٔ ترکیبات کربن یا مواد آلی سخن می‌گوید، عنصر اصلی که با کربن ترکیبات آلی را تشکیل می‌دهند، هیدروژن می‌باشد.

در گذشته به موادی که ریشه گیاهی یا حیوانی داشتند، مواد آلی (ارگانیک) می‌گفتند اما امروزه مواد آلی را می‌توان از طریق روش‌های صنعتی و آزمایشگاهی و به کمک مواد معدنی نیز سنتز کرد. در فرهنگ‌های فارسی معنای کلمه «آلی» مربوط به اندام‌های موجود زنده و هر موجودی که دارای آلات، اجزا، یا اندام‌های متعدد باشد، آمده است.

شیمی آلی شالوده زیست‌شناسی و پزشکی است. ساختمان موجودات زنده به غیر از آب، عمدتاً از مواد آلی ساخته شده‌اند، مولکول‌های مورد بحث در زیست‌شناسی مولکولی همان مولکول‌های آلی هستند. امروزه ما در عصر کربن زندگی می‌کنیم، هر روزه روزنامه‌ها و مجلات، ذهن ما را متوجه ترکیبات کربن نظیر کلسترول، چربی‌های اشباع نشده، هورمون‌ها، استروئیدها، حشره کش‌ها و فرومون‌ها می‌نماید. در دهه‌های گذشته به خاطر نفت، جنگ‌های متعددی راه افتاده‌است، همچنین دو فاجعه نازک شدن لایه اوزون که عمدتاً به خاطر وجود کلروفلوئوروکربن‌ها می‌باشد و پدیده گازهای گلخانه‌ای که ناشی از حضور متان، کلروفلوئوروکربن‌ها و دی‌اکسید کربن است، زندگی انسان‌ها را به خطر انداخته‌است.

ماهیت

موادی که از منابع آلی بدست می‌آیند، در یک ویژگی مشترک هستند و آن اشتراک در دارا بودن عنصر کربن است. دو منبع بزرگ مواد آلی که از آن‌ها مواد آلی با ترکیبات ساده، تأمین می‌شوند، نفت و زغال سنگ هستند، این دو ماده فسیلی در مفهوم قدیمی آلی بوده و حاصل تجزیه جانوران و گیاهان هستند. این ترکیبات ساده به عنوان مصالح ساختمانی، در ساختن ترکیبات بزرگتر و پیچیده‌تر مصرف می‌گردند. شیمی آلی، شیمی ترکیبات کربن با سایر عناصر به ویژه هیدروژن، اکسیژن، نیتروژن، هالوژن‌ها و غیر فلزات دیگر نظیر گوگرد و فسفر است. هم‌چنین فلزاتی مثل منیزیم، مس و پالادیم هم در برخی ترکیب‌های آلی حضور دارند. الکل‌ها، اترها، هیدروکربن‌ها، آلدئیدها، کتون‌ها، کربوکسیلیک اسیدها، ترکیبات آلیفاتیک حلقوی، ترکیبات آروماتیک (مانند بنزن)، آمین‌ها، فنل‌ها، درشت مولکول‌ها و بسپارها (پلیمر) و نظیر آن‌ها جزء مواد آلی بوده و مباحث شیمی آلی را به خود اختصاص داده‌اند.

کاربردها

امروزه از مواد آلی و دانش شیمی آلی در رنگ سازی، کاغذ و جوهرسازی، مواد غذایی، پوشاک، پتروشیمی، مواد پلاستیکی و لاستیکی، داروسازی، پزشکی و ده‌ها صنعت دیگر بهره می‌برند. افزون بر بیست میلیون ترکیب شناخته شدهٔ کربن وجود دارد و هر ساله نیم میلیون مولکول جدید به خانواده مواد آلی اضافه می‌شوند.

ساختمان و ویژگی های مواد آلی

آرایش و درشتی مولکول‌های مواد آلی

تا حدود سال ۱۸۵۰ میلادی بسیاری از دانشمندان بر این باور بودند که منشأ مواد آلی، جانداران و گیاهان هستند، آن‌ها تصور می‌کردند که مواد آلی را هرگز نمی‌توان از مواد معدنی و غیر آلی تولید نمود. دانشمندان همواره دنبال پاسخ به این پرسش بودند که چه ویژگی در ترکیبات کربن وجود دارد که آن‌ها را از ترکیبات مربوط به صد و چند عنصر دیگر جدول تناوبی متمایز کرده‌است. تعداد بسیاری از ترکیبات کربن وجود دارند که مولکول‌های آن‌ها می‌توانند بسیار بزرگ و پیچیده باشند. تعداد ترکیباتی که دارای عنصر کربن هستند چندین برابر بیشتر از تعداد ترکیبات بدون کربن است. مولکول‌های آلی شامل هزاران اتم شناخته شده‌اند و ترتیب قرار گرفتن اتم‌ها حتی در مولکول‌های نسبتاً کوچک نیز بسیار پیچیده‌است.

ویژگی منحصر به فرد کربن

اتم‌های کربن می‌توانند به میزانی که برای اتم هیچ عنصر دیگری مقدور نیست، به یکدیگر متصل شوند. همچنین اتم‌های کربن می‌توانند زنجیرهایی شامل هزاران اتم یا حلقه‌هایی با اندازه‌های متفاوت ایجاد نمایند، زنجیرها و حلقه‌ها می‌توانند دارای شاخه و پیوندهای عرضی باشند، به اتم‌های کربن این زنجیرها و حلقه‌ها، اتم‌های دیگری نیز می‌تواند وصل شود، این اتم‌ها معمولاً هیدروژن، فلوئور، کلر، برم، ید، اکسیژن، نیتروژن، گوگرد، فسفر و سایر اتم‌های مختلف می‌باشند. هر آرایش مختلف از اتم‌ها مربوط به ترکیب متفاوتی است و هر ترکیب یک سری خواص شیمیایی و فیزیکی خاص خود را دارد، از این رو غیرمنتظره نیست که امروزه ده‌ها میلیون ترکیب شناخته شده کربن وجود داشته باشد.

پیوند شیمیایی

بررسی ساختمان مولکول‌ها را باید با بحث دربارهٔ پیوندهای شیمیایی یعنی نیروهایی که اتم‌ها را در یک مولکول نگاه می‌دارند، شروع نمود. دو نوع پیوند یونی و کووالانسی، پیوندهایی هستند که به وسیله آن اتم‌ها با یکدیگر اتصال برقرار می‌کنند. از میان این دو پیوند، پیوند کووالانسی، پیوند متداول در ترکیبات کربن است و مهمترین پیوند در مطالعه شیمی آلی است.

بازارکار

مشاغل زیر به طور مستقیم به این رشته تحصیلی ارتباط دارد و دانش آموختگان در صورت فعالیت در این شغل بیشترین ارتباط را بین رشته تحصیلی و شغل خود برقرار خواهند کرد :

شیمی دان پژوهشگر استاد دانشگاه معلم

همچنین برخی از مشاغل، ظرفیت جذب افراد مختلف از تخصص های گوناگون را دارا می باشند. در این مشاغل، هر فرد علاوه بر تسلط بر مهارت های مربوط به آن شغل، لازم است به فراخور صنعت و نوع کسب و کاری که در آن مشغول به کار است، دارای دانش تخصصی مربوطه نیز باشد: 

کارشناس / مدیر آموزش کارگزار بیمه

پردیس فناوری کیش_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه مهندسی شیمی

طلا چیست؟ ویژگی ها و کاربردهای آن

معرفی

طلا با نشان شیمیایی Au نام یک عنصر است. طلا فلزی نرم و چگال و شکل‌پذیر به رنگ زرد روشن و براق است که در مجاورت هوا و آب زنگ نمی‌زند و تیره نمی‌شود. از نظر شیمیایی، طلا فلزی واسطه است که در گروه ۱۱ جدول تناوبی جای دارد و یکی از کم واکنش‌ترین عنصرهای جامد در شرایط استاندارد است. پس می‌توان این فلز را به صورت خالص در طبیعت به صورت دانه‌ای یا تکه‌ای در میان سنگ‌ها، کانی‌های بلوری شده و مواد ته نشینی آبرفتی پیدا کرد. همچنین در میان کانی‌ها به صورت ترکیبی با دیگر عنصرها به ویژه تلوریم دیده شده اما فراوان نیست. نماد شیمیایی این عنصر، Au از نام لاتین آن aurum به معنی «درخشش سپیده دم» گرفته شده‌است.

ارزش طلا به دلیل کمیابی آن، کاربرد پذیری آسان، تصفیه راحت، مقاومت در مقابل زنگ زدن و خوردگی، رنگ متمایز، واکنش‌ناپذیری با دیگر عناصر است؛ ویژگی‌هایی که در کمتر فلز دیگری دیده می‌شود. همچنین این فلز این قابلیت را دارد که تا حد رشته‌های بسیار کوچکی درآید که این خاصیت در ساخت جواهرات کاربرد بسیار مهمی دارد.طلا از آغاز تاریخ مکتوب بشر همواره فلزی گران‌بها و محبوب بوده‌است که برای ضرب سکه، ساخت جواهرات و کاربردهای هنری استفاده می‌شده‌است. در گذشته سیاست مالی بسیاری از کشورها بر پایه استاندارد طلا استوار بود یعنی پول هر کشوری معادل مقدار مشخصی از طلا بود. استاندارد طلا از آغاز جنگ جهانی اول در بیشتر کشورهای اروپایی و پس از آن به تدریج در کشورهای دیگر کنار گذاشته شد و سیاست پول بی‌پشتوانه جایگزین آن شد.

طلا علاوه بر کاربرد سرمایه‌ای و استفاده در جواهرات کاربردهای گوناگون دیگری از جمله : دندان‌پزشکی، تولید شیشه‌های رنگی و صنایع الکترونیک دارد و با توجه به رسانایی الکتریکی بالا در سیم‌کشی الکتریکی کاربرد دارد.

طلا در برابر بیشتر اسیدها پایدار است اما در تیزاب سلطانی (نیترو-هیدروکلریک اسید) حل می‌شود دلیل برگزیدن نام «تیزاب سلطانی» برای توانایی حل کردن طلا است. افزون بر این طلا در محلول‌های آلکالینی سیانور که در معدن کاری کاربرد دارد، و در جیوه با ساخت آلیاژ ملغمه هم حل می‌شود. نیتریک اسید که توان حل کردن نقره و فلزهای پایه را دارد در برابر طلا ناتوان است. این ویژگی نیتریک اسید در آزمون اسید برای شناسایی و تأیید طلا به کار می‌آید.

طلا معمولاً به صورت آلیاژ همراه با فلزات دیگر استفاده می‌شود. مس رایج‌ترین فلز برای ساخت آلیاژ طلاست و گاهی از فلزات دیگری مثل نقره، نیکل، و پالادیم هم استفاده می‌شود. درصد طلای موجود در هر مصنوع فلزی به عنوان عیار طلا نامیده می‌شود که معمولاً از واحد ۲۴ یا واحد ۱۰۰۰ بیان می‌شود. مثلاً طلای ۱۸ عیار (۷۵۰) حاوی ۷۵ درصد طلاست و طلای ۹۰۰ شامل ۹۰ درصد طلاست.

شکل ظاهری

طلا شکل کریستالی ویژه‌ای ندارد (اصطلاحاً آمورف یا بی شکل). در طبیعت معمولاً در میان سنگ‌های آتشفشانی و گاهی در میان رسوبات رودخانه‌ای و دریاچه‌ای یافت می‌شود. در سنگ‌های آتشفشانی به شکل دندریتی دیده می‌شود و در رسوبات به صورت دانه‌های ریز و درشت. اولین و بارزترین مشخصهٔ طلا، رنگ زرد و برق فلزی آن است. اما در موارد بسیار زیادی ممکن است با طلای ابلهان یا پیریت اشتباه گرفته شود. مهم‌ترین تفاوت در زمان این تشخیص، خاصیت چکش خواری طلا است. در حالی که پیریت با ضربهٔ چکش، خرد می‌شود، طلا در برابر ضربه تنها کمی تغییر شکل می‌دهد. لازم به ذکر است طلا از نظر کریستالوگرافی در رده FCC قرار دارد.

خصوصیات

طلا شکل‌پذیرترین ماده‌است. یک گرم از این عنصر را می‌توان آن قدر چکش زد تا به اندازهٔ یک ورق با مساحت یک متر مربع پهن شود یا یک اونس را به اندازهٔ ۳۰۰ پا پهن کرد. برگهٔ طلا می‌تواند آن قدر نازک شود تا در پایان شفاف شود در این صورت نور گذرا از آن به رنگ آبی مایل به سبز خواهد بود چون طلا به شدت نور زرد و قرمز را باز می‌تاباند. چنین ورقه‌های نیمه شفافی به خوبی پرتوهای فروسرخ را باز می‌تاباند، این ویژگی در پوشش‌های محافظ در برابر پرتوهای فروسرخ یا پرتوهای گرمایی مانند لباس‌های محافظ در برابر گرما یا در برابر خورشید مانند لباس فضانوردان به کار می‌آید

طلا می‌تواند با بسیاری از فلزها آلیاژ شود. این آلیاژها در بدست آوردن سختی و نرمی‌های گوناگون، دمای ذوب مناسب، پدید آوردن رنگ دلخواه و دیگر کاربردهای فلزشناسی مورد نیازند. طلا رسانای خوب گرما و جریان برق است. از نظر شیمیایی رطوبت هوا و واکنشگرهای ناب خورنده بر آن بی‌اثرند. به همین دلیل در ساخت سکه و گوهرسازی بسیار مناسب است و البته می‌توانند پوشش مناسب برای دیگر فلزهای واکنش پذیر باشد. دارای میل ترکیبی بسیار پایینی است و در برابر بیشتر اسید و بازها ایستادگی می‌کند. می‌توان گفت طلا عنصری حل نشدنی است هرچند که در تیزاب سلطانی می‌توان آن را حل کرد.

اکسیدهای معمول طلا عبارتند از طلای یک و سه بار مثبت یا طلا(I) و طلا(III). یون‌های طلا در محلول به آسانی کاهیده می‌شوند در صورت افزودن هر فلز دیگری در نقش عامل کاهش، می‌بینیم که فلز افزوده اکسید و حل می‌شود در مقابل فلز جامد طلا در ظرف ته‌نشین می‌شود.

طلای پالودهٔ باکیفیت، بی بو، بی مزه و پایدار در برابر خوردگی است. طلا چگالی بالایی دارد، یک مترمکعب از آن ۱۹٬۳۰۰ kg وزن دارد. برای مقایسه: چگالی سرب 11,340 kg/m^۳ و چگالی سنگین‌ترین عنصر یعنی اسمیم 22,610 kg/m^۳ است.

رنگ

در حالی که بیشتر فلزهای پالوده (خالص) به رنگ خاکستری، نقره‌ای یا سفید اند، طلا به رنگ زرد است. این رنگ نشان می‌دهد که چه میزان الکترون‌های تراز والانسی آزادند و در شمار انبوه به این سو و آن سو می‌روند (پلاسمون). بسامد این جابجایی‌ها در بیشتر فلزها در بازهٔ فرابنفش است اما برای طلا در بازهٔ نور دیدنی (مرئی) می‌افتد. این به دلیل اثرهای نسبیتی-کوانتومی در ابر الکترونی پیرامون اتم طلا است.

رنگ پیش‌بینی شده توسط مدل کوانتومی (غیرنسبیتی) برای طلا سفید و همانند نقره است، اما وارد کردن اثرات اختلالی نسبیتی می‌تواند رنگ زرد خاص فلز طلا بر خلاف رنگ سفید یا نقره‌ای بیشتر فلزات دیگر را توجیه کند. همان‌طور که در شکل دیده می‌شود، طیف نور بازتاب‌شده از فلزاتی نظیر نقره (Ag) یا آلومینیوم (Al) در بازهٔ طول موج نور مرئی (۴۰۰ تا ۸۰۰ نانومتر) ثابت بوده و این فلزات همهٔ رنگ‌ها را با شدت یکسان بازتاب می‌کنند و بنابراین سفید دیده می‌شوند. اما طلا، نور آبی (طول موج‌های حدود ۴۰۰ نانومتر) را بیشتر از بقیه رنگ‌ها جذب کرده و در نتیجه زرد رنگ دیده می‌شود.

آلیاژهای رنگی طلا مانند طلای قرمز را می‌توان با افزودن اندکی مس و نقره بدست آورد. مثلث کناری رنگ‌های گوناگون آلیاژهای نقره-طلا-مس را نشان می‌دهد. آلیاژهای دیگر طلا مانند نیکل و پالادیم هم در گوهرسازی تجاری مهم اند چون با کمک آن‌ها به آلیاژ طلای سفید دست می‌یابیم. افزودنی‌های دیگر مانند منگنز، آلومینیم، آهن، ایندیم و… می‌توانند رنگ‌های دیگری از طلا بدست آوردند که چندان معمول نیست و کاربردهای دیگری دارد.

طلای سبز : در صورت ترکیب فلز طلا با فلز روی، رنگ طلا به سمت رنگ سبز میل می‌کند و هرچه درصد فلز روی بالاتر رود میزان سبزی هم بیشتر می‌شود.

طلای بنفش: از ترکیب فلزهای طلا و آلومینیوم با نسبت یک اتم طلا در مقابل دو اتم آلومینیوم فلزی با رنگ جذاب ارغوانی ایجاد خواهد شد. در واقع ۷۹ درصد ترکیب فوق طلا است که ۱۸ عیار ارزیابی می‌شود.

کاربردها

جواهرسازی

به دلیل نرمی بالای طلای خالص (عیار ۲۴) آن را با فلزهای دیگر آلیاژ می‌کنند تا استحکام، شکل‌پذیری و خواص دیگر آن بهبود یابد. مس رایجترین فلز در آلیاژهای طلاست و باعث قرمزتر شدن رنگ آلیاژ می‌شود. میزان طلای موجود در هر آلیاژ از واحد ۲۴ یا واحد ۱۰۰۰ بیان می‌شود. طلای ۱۸ عیار به معنی ۱۸ واحد طلا و ۶ واحد فلز دیگر و طلای ۹۰۰ به معنی ۹۰۰ واحد طلا و ۱۰۰ واحد فلز دیگر است.

طلای با عیار ۱۸ که دارای ۲۵٪ مس باشد در طلاسازی سنتی و باستانی روسیه دیده شده‌است. این طلا که قرمز رنگ است برای عموم مردم کاربرد ندارد. طلای ۱۴ با آلیاژ طلا-مس رنگی همانند برخی آلیاژهای برنز دارد که از هر دوی آن‌ها در ساخت نشان پلیس استفاده می‌شود. از آمیختن طلا با آهن به طلای آبی و از طلا با آلومینیم به طلای بنفش می‌رسیم. این رنگ‌های طلا مگر در کارهای بسیار ویژهٔ گوهرسازی، کاربرد چندانی ندارند. طلای آبی تُرد است و به سختی می‌توان با آن کار کرد.

طلای ۱۸ و ۱۴ که تنها از آلیاژ طلا-نقره ساخته شده باشند رنگ زرد مایل به سبز دارند و با نام طلای سبز شناخته می‌شوند. طلای سفید از آمیختن طلا با فلزهای سفیدرنگ مثل نقره، پالادیم یا نیکل بدست می‌آید. البته رنگ درخشان طلای سفید رنگ واقعی آن نیست بلکه به دلیل روکش رودیم (فلزی از گروه پلاتین) است که بر روی آن کشیده می‌شود. از انواع رایج طلای سفید، طلای ۱۸ عیار دارای ۱۷٫۳٪ نیکل، ۵٫۵٪ روی و ۲٫۲٪ مس است که به رنگ نقره دیده می‌شود.

با توجه به قیمت بالای پالادیم (معمولاً یک‌سوم تا نصف قیمت طلا) آلیاژهای پالادیم از آلیاژهای نیکل طلای سفید گران‌بهاتر هستند. طلای سفید با عیار بالا نسبت به نقره و نقرهٔ استرلینگ، در برابر خوردگی پایداری بسیار بیشتری دارد. پیشهٔ ویژه‌ای در ژاپن وجود دارد که در آن تلاش می‌شود به صورت لایه لایه رنگ‌های گوناگون به طلا دهند با کمک آن ابزارهای چیدمان چوبی را زیبا کنند. در سمت چپ یک نمونه از این رنگ آمیزی‌های لایه لایه با طلا را می‌توانید ببینید.

پزشکی

رپایهٔ نشانه‌های به جای مانده، طلا کهن‌ترین داروی دوران باستان بوده‌است (در یکی از منابع مربوط به پزشکان شمن) همچنین دیوسکوریدس هم آن را می‌شناخته‌است. در قرون وسطی باور بر این بود که طلا برای سلامتی مفید است و نمی‌شود ماده‌ای به این زیبایی و کمیابی به بدن آسیب برساند. امروزه هم برخی علوم خفیه و پزشکی جایگزین بر این باورند که طلا توان درمان دارد. «طلا کردن» در لغتنامه دهخدا این‌گونه تعریف شده‌است. «به اصطلاح اطبا آنچه بر اندام مالند رقیق آن را طلا و غلیظ آن را ضماد گویند و شعرا مطلق بر مالیدن و اندودن اطلاق کنند.» برخی از نمک‌های طلا ویژگی ضد التهابی دارند و در داروسازی و درمان ورم مفاصل و بیماری‌های مانند آن کاربرد دارند. داروهای تزریقی که پایهٔ طلا دارند کمک می‌کنند تا درد و ورم روماتیسم مفصلی و سل بهبود یابد. تنها نمک‌ها و ایزوتوپ‌های پرتوزای طلا ارزش دارویی دارند و فلز خالص طلا برای بدن کاری نمی‌کند.

آلیاژهای طلا در دندان‌پزشکی بازسازی به ویژه در پر کردن دندان و روکش همیشگی دندان (بجای یک دندان واقعی) کاربرد دارد. نرمی آلیاژهای طلا کمک می‌کند تا رویهٔ بالایی دندان آسیای پرشده با دندان بالا سری خود بیشتر هماهنگ شود و در مجموع نسبت به دیگر مواد پرکننده نتیجهٔ بهتری بدست آید. در برخی فرهنگ‌ها، دندان‌های پیشین را روکش طلا می‌کنند و این کار را می‌پسندند و برخی آن را نادرست می‌دانند.

طلای-۱۹۸ با نیمه‌عمر ۲٫۷ روز در درمان برخی گونه‌های سرطان و بیماری‌های دیگر با کمک پزشکی هسته‌ای به کار می‌آید.

خوردنی و نوشیدنی

طلا به صورت یک افزودنی با شمارهٔ E175 می‌تواند به خوراکی‌ها افزوده شود.

1. برگ طلا به صورت گَرد یا پوسته پوسته در پخت یا برای زیبایی روی برخی خوراکی‌های رده بالا و نوشیدنی افراد برجسته و ویژه بکار می‌رود. همچنین در قرون وسطی شاهان و افراد برجسته برای نشان دادن میزان برخورداری میزبان یا با این باور که چیزی چنین ارزشمند و کمیاب باید برای سلامتی مفید باشد، در نوشیدنی‌ها یا خوراکی‌ها از گَرد یا پوسته‌های طلا استفاده می‌کردند.

2. Danziger Goldwasser به آلمانی یعنی آب طلای Danziger، یا Goldwasser به معنی آب طلا، نام یک نوشیدنی گیاهی سنتی آلمانی (لیکور) است که امروزه در گدانسک، لهستان، شواباخ و آلمان تولید می‌شود و دارای اندکی برگ طلا است. همچنین نوشیدنی‌های کوکتل دارای برگ طلا هم در دسترس است که نزدیک به ۱۰۰۰ دلار قیمت دارند. یادآوری می‌شود که فلز طلا در ساختار شیمیایی بدن جایی ندارد، هیچ ارزش خوراکی یا مزه‌ای هم ندارد و اصولاً بدن متوجه ورود آن نمی‌شود.

صنعت

• طلا را می‌توان ریسید و آن را نخ کرد و در گل‌دوزی بکار برد.

• طلا می‌تواند رنگ قرمز پررنگ و شدیدی را پدید آورد برای همین به عنوان عامل رنگی در ساخت شیشه‌های یاقوتی از آن بهره برده می‌شود.

• چون طلا یک بازتابندهٔ خوب پرتوهای الکترومغناطیسی مانند فروسرخ، نور دیدنی و موج‌های رادیویی است. به عنوان پوشش محافظ بسیاری ماهواره‌ها به کار می‌آید. همچنین در صفحه‌های محافظ فروسرخ در لباس‌های مقاوم در برابر گرما، کلاه لباس‌های فضانوردی و در هواپیماهای جنگ الکترونیک مورد نیاز است.

• در عکاسی برای جابجایی رنگ‌های چاپ سیاه-سفید نقره برمید، به تُن‌های قهوه‌ای یا آبی یا برای افزایش پایداری آن، طلا بکار برده می‌شود. کاربرد طلا در چاپ‌های قرمز-قهوه‌ای برای پدید آوردن رنگ قرمز است. شرکت کوداک چندین فرمول برای رنگدانه‌های گوناگون طلا (کلرید طلا) منتشر کرده‌است.

• از طلا به عنوان یک عامل بازتابنده در لایهٔ رویی سی‌دی‌های با عمر بلند طلایی استفاده می‌شود.

• گاهی در خودروسازی هم از طلا استفاده می‌شود. برای نمونه در مدل اف۱ مک لارن، طلا برای موتور، کارکرد سپرگرمایی دارد. برای همین درون موتور از برگه‌های نازک طلا استفاده می‌شود.

• طلا را می‌توان بسیار نازک کرد تا حدی که شفاف شود و نور از آن بگذرد. این ویژگی طلا برای یخ زدایی شیشهٔ اتاقک خلبان برخی هواپیماها بکار می‌آید. به این ترتیب که جریان برق از این لایهٔ نازک طلا می‌گذرد و به دلیل مقاومت طلا، گرما تولید می‌شود. این گرما برای پیشگیری از یخ زدگی شیشه کافی است.

• در گوهرسازی از لحیم طلا برای پیوند یک سنگ قیمتی به طلا بهره برده می‌شود. در این فرایند باید اندازهٔ قیراط گوهر، رنگ طلا و فرمول آلیاژ طلا با هم متناسب باشد. لحیم طلا دارای سه ردهٔ آسان، معمولی و سخت است.

الکترونیک

شمار الکترون‌های آزاد در فلز طلا، ۵٫۹۰×۱۰^۲۲ cm^−۳ است. طلا رسانای خوب جریان برق است که در جاهایی که با انرژی بالا روبروییم کاربرد دارد. در میان عنصرها تنها نقره و مس دارای رسانایی در یکای حجم بالاتر از طلایند اما طلا به دلیل پایداری اش در برابر خوردگی نسبت به این دو عنصر برتری دارد. برای نمونه می‌توان از سیم‌کشی پروژهٔ منهتن نام برد.

طلا در برابر حملهٔ مواد کلری آسیب‌پذیر است اما پایداری بالای آن در برابر اکسیدشدگی و خوردگی در محیط غیرکلری و اسیدهای غیرکلری باعث کاربرد صنعتی گستردهٔ این عنصر شده‌است. طلا در اتصالات برقی مانند کابل یواس‌بی صدا و تصویر به صورت یک لایهٔ پوششی نازک بکار می‌رود. البته کاربرد طلا در این زمینه در مقایسه با فلزهای جایگزین مانند قلع بسیار مورد بحث است. برخی از حرفه‌ای‌های صنعت صدا و تصویر بر این باورند که کاربرد طلا در اتصالات برای بسیاری از کاربران ضروری نیست و این کار تنها برای بازاریابی انجام می‌شود. به هر حال در اتصال‌های برقی کشویی یا در کلیدهایی که محیط بسیار نمور یا خورنده‌است یا در کاربردهایی که از دست رفتن ارتباط هزینهٔ زیادی به بار می‌آورد مانند فضاپیماها، موتور هواپیمای جت، ابزارهای مخابراتی یا برخی رایانه‌ها از طلا به فراوانی بهره برده می‌شود. همچنین شکل‌پذیری بالای این عنصر، سمی نبودن، رسانایی بالای آن در برگزیدنش مؤثر است. در پیوند بخش‌های گوناگون ابزارهای نیمه رسانا هم طلا به کار می‌رود.

استخراج طلا

با توجه به غلظت بسیار پایین طلا در بیشتر معادن، استخراج این فلز معمولاً در ذخایر بزرگی که به راحتی قابل معدن‌کاری هستند، مقرون به صرفه است. به‌طور کلی سنگ‌هایی که نیم میلیگرم در هر کیلوگرم (یک قسمت در هر دو میلیون قسمت) طلا داشته باشند می‌توانند برای استخراج اقتصادی باشند. بیشتر معادن روباز سنگ‌هایی با غلظت طلای یک تا پنج میلی‌گرم/کیلوگرم دارند اما در معادن زیرزمینی غلظت طلا حداقل ۳ میلی‌گرم/کیلوگرم است. میانگین هزینه‌های نقدی استخراج طلا در سال ۲۰۰۷ برای هر اونس تروا ۳۱۷ دلار و میانگین مجموع هزینه‌ها ۴۰۱ دلار بوده‌است. البته این هزینه‌های در معادن مختلف بسیار متغیر است. در حالی‌که میانگین قیمت طلا در همین سال ۶۰۳ دلار و کل تولید طلا نیز ۲۴۷۱ تن بود.

مصرف

۵۰٪ طلای تولیدی در جهان در گوهرسازی، ۴۰٪ در سرمایه‌گذاری و ۱۰٪ در صنعت کاربرد دارد.

بیشتر طلای بکار رفته در کالاهای هنری، گوهرسازی و… بازیافت می‌شود و در یک چرخه قرار می‌گیرد اما بخشی از طلای بکار رفته در فضاپیماها و ابزارهای الکترونیک هرگز بازیافت نمی‌شود. طلای بکار رفته در این بخش در قالب برگ‌های بسیار نازک و سیم‌های بسیار باریک است برای همین این بخش درصد کوچکی از کل مجموعه را از آن خود می‌کند. حقیقت این است که مقدار طلا در جهان تقریباً ثابت است تنها دارندگان آن جابجا می‌شود. برآورد می‌شود که ۸۵٪ طلایی که تا به حال از معدن‌ها بدست آمده هنوز در دسترس است و در بخش‌های بازیافت شدنی در جریان است و ۱۵٪ آن در کاربردهای صنعتی برگشت ناپذیر برای همیشه از چرخه بیرون رفته‌است.

هند به تنهایی بزرگترین مصرف‌کننده طلا در جهان است. هندی‌ها ۲۵ درصد طلای جهان را می‌خرند. چیزی نزدیک به سالی ۸۰۰ تُن و البته بیشتر آن را هم در گوهرسازی بکار می‌برند. همچنین هند بزرگترین واردکنندهٔ طلا نیز هست. برای نمونه در سال ۲۰۰۸ هندی‌ها نزدیک به ۴۰۰ تن طلا وارد کردند. خانواده‌های هندی نزدیک به ۱۸،۰۰۰ تن طلا پیش خود دارند که ۱۱٪ سرمایهٔ همگانی را از آن خود کرده و ارزشی برابر با ۹۵۰ میلیارد دلار دارد.

آلودگی

تولید طلا با آلودگی‌هایی همراه‌است. سنگ معدن این عنصر علاوه بر طلا گاهی با سیانید سدیم یا جیوه هم همراه‌است. سیانید ماده‌ای به شدت زهرآگین است که اندکی از آن می‌تواند به آسانی هر جانوری را از پای درآورد. بخشی از سیانید همراه با طلا چه در کشورهای پیشرفته و چه در کشورهای در حال توسعه به بیرون نشت کرده و از راه رودخانه‌ها باعث آلودگی و مرگ آبزیان شده‌است. زیست شناسان این رویدادها را فاجعه‌های گستردهٔ زیست‌محیطی دانسته‌اند. هنگامی که از جیوه برای تولید طلا استفاده می‌شود، مقدارهای بسیار اندک ترکیبات جیوه هم می‌تواند وارد آب و آلودگی گستردهٔ آن شود. جیوه بدین وسیله و از راه خوراک‌های دریایی و ماهی‌ها به صورت متیل جیوه وارد چرخهٔ خوراک انسان می‌شود. مسمومیت جیوه باعث از کار افتادگی یا پایین آمدن کارایی بدون درمان مغز انسان می‌شود.

سی تُن سنگ معدن، زباله می‌شود تایک حلقهٔ انگشتر بدست آید. زباله‌های سنگ معدن طلا منبع بسیاری از عنصرهای سنگین مانند کادمیم، سرب، روی، مس، آرسنیک، سلنیم و جیوه‌است. اگر این عنصرها غلظت بیش از یک ppm در آب داشته باشند، آن آب برای خوراک انسان مناسب نخواهد بود. زباله‌های سنگ معدن طلا را به عنوان زباله‌های بلندمدت خطرناک در کنار ضایعات هسته‌ای در نظر می‌گیرند.

همچنین صنعت بیرون کشیدن طلا از سنگ معدن آن، بسیار انرژی بر است (۲۵ کیلووات ساعت برق برای یک گرم طلای تولیدی).

پردیس فناوری کیش_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه مهندسی شیمی

زغال سنگ چیست و نحوه تشکیل و کاربردهای آن

 

معرفی

زغال‌سنگ نام کانی سیاه‌رنگی است که از پسماند مواد گیاهی دوران‌های قدیم زمین‌شناختی (میلیون‌ها سال پیش) تشکیل شده‌است و به‌عنوان سوخت و نیز مادهٔ اولیهٔ برخی صنایع شیمیایی برای تولید گاز، کُک، روغن، قطران و غیره استفاده می‌شود.

البته برخی از زمین‌شناسان معتقدند که زغال‌سنگ کانی نیست. بخش بزرگی از جِرم زغال‌سنگ کربن است. از دیگر ترکیبات زغال‌سنگ هیدروژن، نیتروژن، اکسیژن و گوگرد است. انواع زغال‌سنگ در دوران‌های گوناگون زمین‌شناسی و تحت شرایط مختلفی به وجود آمده‌اند. پوده (تورب)، نخستین مرحله تشکیل زغال‌سنگ است.

پس از آن به ترتیب لیگنیت، زغال‌سنگ نیمه بیتومینه، زغال‌سنگ بیتومینه و زغال‌سنگ آنتراسیت با درجات مختلف درون‌داشت مواد تشکیل‌دهنده قرار دارند.

زغال‌سنگ از فشرده شدن و تحمل گرما برخی گیاهان به وجود می‌آید که اکثراً از گیاه سرخس می‌باشد

مراحل تشکیل زغال سنگ

زغال‌سنگ کانی پر انرژی است، که از بقایای درختان، بوته‌ها و سایر گیاهان زندهٔ میلیون‌ها سال پیش به وجود می‌آید. نشو و نمای این گیاهان در دوره‌هایی که آب و هوای زمین ملایم و مرطوب بود، صورت گرفت. زغال‌سنگ، یک سنگ رسوبی است. به زغال‌سنگ ابتدایی که پوک است و مواد فرار زیادی دارد تورب می‌گویند تورب نامرغوبترین نوع زغال‌سنگ است قسمت اعظم این ذخایر تقریباً ۲۵۰ میلیون سال پیش پدید آمدند. سپس اوضاع برای رشد سرخس‌های دانه‌دار گرمسیری بسیار عظیم و درختان بدون گل غول پیکر، در باتلاق‌های وسیع فراهم شد. این گیاهان بعد از خشک شدن و از بین رفتن به داخل باتلاق‌ها می‌افتادند و بر اثر خروج اکسیژن، فساد بی‌هوازی تسریع می‌شد. پوشش گیاهی به ماده‌ای لجن مانند، به نام پیت (Peat) تبدیل شد. پیت در زیر فشار خشک و سخت شد و به زغال‌سنگ پیت (لنیت یا لیگنیت، که به زغال‌سنگ قهوه‌ای نیز موسوم است) تبدیل شد. فشار بیشتر و گذشت زمان، زغال‌سنگ قیردار را به وجود آورد، که هر ۶ متر ضخامت رسوب گیاهان نخستین به ۰٫۳ متر زغال‌سنگ تبدیل شده بود که به آن بیتومین می‌گویند و در نهایت سخت‌ترین و مرغوب‌ترین نوع زغال‌سنگ، یعنی آنتراسیت (Anthracite) را به وجود آورد.

انواع زغال سنگ

آنتراسیت

 

آنتراسیت زغال سخت، سیاه و براقی که مرغوبترین کیفیت را دارد یعنی شامل کمترین مقدار آب و مواد فرار و بیشترین محتوی کربن است و با شعله کوچک و آبی‌رنگ و بدون دود می‌سوزد. آنتراسیت آخرین فراورده تغییر و تبدیل مواد گیاهی از طریق سلسله مراحل زغال نارس، لینیت و زغال بیتومینه است.

آنتراسیت، که اغلب به عنوان زغال سنگ نامیده می شود، زغال سنگ سخت و جمع و جور است که دارای یک بلور متالستیک است. این دارای بالاترین مقدار کربن، کمترین ناخالصی ها و بالاترین تراکم انرژی تمام انواع زغال سنگ به جز گرافیت است و بالاترین رتبه از زغال سنگ است.

آنتراسیت بیشترین نوع زغال سنگ دگرگون شده است ( اما هنوز هم نشان دهنده دگرگونی پایین است)، که در آن میزان کربن بین 92 تا 98 درصد است. اصطلاح برای آن دسته از انواع زغال سنگ استفاده می شود که در هنگام گرم کردن زیر نقطه ی احتراق از بخار یا سایر بخارات هیدروکربنی خنثی نمی کنند. انتراسیت با مشکلاتی روبرو است و با شعله های کوتاه، آبی و دودی مواجه می شود.

آنتراسیت به درجه استاندارد طبقه بندی می شود که عمدتا در تولید برق و درجه بالا (HG) و فوق العاده بالا (UHG) استفاده می شود که استفاده اصلی آن در بخش متالورژی است. انتراسیت حدود 1 درصد از ذخایر زغال سنگ جهانی را تشکیل می دهد و تنها در چند کشور در سراسر جهان استخراج می شود. چین اکثریت تولید جهانی را تشکیل می دهد؛ تولید کنندگان دیگر روسیه، اوکراین، کره شمالی، آفریقای جنوبی، ویتنام، انگلستان، استرالیا، کانادا و ایالات متحده هستند. کل تولید در سال 2010 به 670 میلیون تن رسید آنتراسیت میتواند کدورت آب را برطرف کند و کمی هم آهن و منگنز را از بین می برد.

بیتومینوس

این نوع حاوی حدود 45% تا 86% درصد کربن می‌باشد. این ماده در ایالات متحده آمریکا 100 میلیون تا 300 میلیون سال قدمت دارد. معمولا از بیتومینوس برای تولید برق در نیروگاه‌ها استفاده می‌شود. همچنین از آن هم به عنوان سوخت و هم به عنوان مواد اولیه در صنعت آهن و فولاد استفاده می‌شود. حدود 53% از منابع این ماده مربوط به این نوع می‌باشد.

ساب بیتومینوس (نیمه بیتومین)

این ماده حدود 35% تا 45% کربن دارد و بر اثر سوختن حرارت کمتری نسبت به بیتومینوس تولید می‌کند. این نوع، حدود 30% از ذخایر زغال سنگ جهان را شامل می‌شود و بیشتر در صنعت سیمان کاربرد دارد.

زغال سنگ قهوه‌ای

لیگنیت، نوعی زغال سنگ به رنگ قهوه‌ای مایل به سیاه است، که درجه زغال‌شدگی آن، بین زغال نارس و زغال بیتومینه می‌باشد. قدرت حرارتی زغال قهوه‌ای کمتر از ۸۳۰۰ بی.تی. یو است. معمولاً اثراتی از ساخت اولیه گیاهی در آن پیدا می‌باشد. ذخیره ته‌نشستی از سنگواره‌های کربنی، جامد، سیاه مایل به قهوه‌ای و آتشگیر است.

روش های استخراج زغال سنگ

تعیین شیوه مناسب برای استخراج زغال‌سنگ به متغیرهای مختلفی وابسته است. ویژگی‌های زمین‌شناسی و محیطی نقشی مهم در این بین ایفا می‌کنند، اما در نهایت عمق و غنای رگه، تعیین‌کننده همه چیز است. براساس مکانی که رگه قرار گرفته (بستر سودآور زغال‌سنگ)، استخراج این کانی ممکن است نیاز به گزینه‌های مختلفی داشته باشد.

معدنکاری زغال‌سنگ به‌طور معمول به ۲ روش انجام می‌شود: معدنکاری سطحی و حفاری‌های عمیق. تکنیک‌های مختلفی برای هرکدام از این ۲ شیوه بهره‌برداری از معادن زغال‌سنگ وجود دارد، اما در نهایت مطالعات امکان‌سنجی باید تعیین کند که کدام فرآیند،‌ بهترین است. این مطالعات براساس شرایط زمین‌شناسی منطقه‌ای ازجمله ویژگی‌های مکانی، پیوستگی رگه‌های زغال‌سنگ، ضخامت،‌ ساختار،‌ کیفیت،‌ عمق و شدت آن انجام می شود.

استخراج زیرزمینی

در استخراج زیر سطحی دو روش اصلی وجود دارد: روش اتاق_ستون و روش جبهه کار طولانی

در روش اتاق_ستون، شبکه‌ای از اتاق‌ها در شکاف معدن ایجاد می‌شود و ستون‌هایی از زغال سنگ به منظور جلوگیری از ریزش سقف در هر اتاق ایجاد شده و رها می‌شود و سپس ذخایر آن استخراج می‌شود. این ستون‌ها حدود 40% از حجم معدن را شامل می‌شوند. هر چند این coal گاهی در مراحل بعدی قابل بازیابی است. این امر می‌تواند تحت عنوان فرآیندی به اسم “عقب نشینی معدن” حاصل شود. در این فرآیند با عقب نشینی کارگران، ذخایر از ستون‌ها استخراج می‌شود، سپس سقف سقوط می‌کند و در نهایت معدن متروک می‌شود.

روش جبهه کار طولانی با استفاده از برش‌های مکانیکی استخراج کامل از شکاف معدن صورت می‌گیرد. در این روش قبل از شروع فرآیند استخراج باید برنامه‌ریزی دقیقی انجام گیرد تا اطمینان حاصل شود زمین‌شناسی مطلوبی در تمام بخش‌های معدن وجود دارد. انتخاب روش استخراج معدن معمولا بر اساس ملاحظات اقتصادی است. در بعضی مواقع از هر دو روش بالا به صورت ترکیبی استفاده می‌شود.

استخراج سطحی

در روش سطحی به‌طور کلی از طریق حرکت به سمت ذخایر زغال‌سنگ انجام شده و در آن حفاری‌های عمیق انجام نمی‌شود. این شیوه کار شامل ۳ تکنیک مختلف است: روش روباز، سطح‌برداری و انفجار قله کوه. به‌طور کلی، این ۳ روش شامل شکستن و انتقال خاک و سنگ‌های روی معدن از طریق انفجار است. این روند تا زمانی ادامه پیدا می‌کند که رگه‌های زغال‌سنگ آشکار شوند. در این روش از کامیون‌ها و خاکبردارها برای حمل ضایعات و خاکبرداری استفاده می‌شوند. در هر صورت، در این روش‌ها درصد بالاتری از ذخایر زغال‌سنگ استخراج می‌شود.
معدنکاری لایه‌برداری به‌ویژه زمانی که بدنه کانسنگ‌ها در نزدیکی سطح زمین است، عاقلانه به نظر می‌رسد. این اقدام از طریق استفاده از برخی ماشین‌آلات بزرگ در سطح زمین انجام می‌شود. آنها لایه‌های عظیمی از خاک و سنگ را را جابه‌جا می‌کنند تا به ذخایر معدنی برسند و پس از آن شروع به بهره‌برداری از زغال‌سنگ‌ها می‌کنند. معدنکاری روباز از طریق انفجار و انتقال باطله‌ها انجام می‌شود.

در این روش حفاری‌های عمیق‌تری انجام شده و در سطح زمین چاله‌هایی ایجاد می‌شود. شکستن قله کوه نیز نیازمند انفجارهایی است تا باطله‌ها را از نقاط مرتفع کوه انتقال دهد و به این طریق به رگه‌های زغال‌سنگ برسند که گاهی ۴۰۰ متر زیرزمین هستند.
مهمترین ایراد معدنکاری سطحی آن است که این روش، سطح وسیعی از زمین را از بین می‌برد و برای رسیدن به زغال‌سنگ، چشم‌انداز و زیستگاه طبیعی را تخریب می‌کند.

استخراج سطحی، جایگزینی مناسب

در این حال، می‌توان ادعا کرد که عمر معدنکاری زیرزمینی به انتها رسیده و تکنیک‌های معدنکاری سطحی جای خود را بیش از پیش در صنعت معدن جهان باز می‌کنند. در معدنکاری سطحی می‌توان با روش‌های اقتصادی‌تری اقدام به استخراج ذخایر زغال‌سنگ کرد. یکی از مهم‌ترین مزایای این روش‌ها، صرفه‌جویی در زمان است. مهم‌ترین دلایل کاهش زمان، نیاز نداشتن به حفاری‌های گسترده و انتقال خاکبرداری‌ها به سطح زمین است. فعالیتی که معمولا زمان و البته انرژی زیادی را در گذشته به خود اختصاص می‌داد. معدنکاری سطحی بر خلاف حفاری‌های عمیق این امکان را فراهم می‌کند که به سرعت استخراج شروع شود و با شروع آن هم میزان استخراج بسیار بالاتر و سریع‌تر است. خاکریزهای تولیدی این روش هم بسیار هموار و باثبات هستند و خطر نشست وجود ندارد ضمن اینکه به طور همزمان نیز امکان بهره‌برداری از لایه‌های مجزا را فراهم می‌کند.

البته بسیاری از فعالان محیط‌زیست به شدت از معدنکاری سطحی انتقاد می‌کنند. به گفته آنها، روش‌های معدنکاری سطحی، به دلیل از بین بردن وسیع پوشش گیاهی و اثر گذاشتن بر جانوران ناحیه، به شدت بر اکوسیستم‌های منطقه اثر می‌گذارند. یکی از مهم‌ترین مخاطرات این روش بهره‌برداری و استخراج، احتمال افزایش خطر سیلاب است (به دلیل تخریب پوشش گیاهی نواحی).
در سال‌های گذشته، بسیاری از مناطقی که در آنها معدنکاری سطحی انجام شده بود، طعمه سیلاب‌ها شده‌اند. البته تخریب محیط‌زیست و اثرگذاری بر گیاهان و جانوران آن منطقه در استخراج‌های زیرزمینی هم وجود دارد؛ هر چند دامنه و میزان آن به این سطح نمی‌رسد. از دیگر انتقادهای شدید نسبت به استخراج‌های سطحی، ایجاد آلودگی هوا و صوتی بوده است. علاوه بر آن، آلوده کردن آب و خاک هم از دیگر مشکلات این روش‌ها است.

با این حال پیشرفت صنعت ماشین‌آلات سنگین سبب شده که امکان بهره‌برداری کم صدا و با آلودگی کمتر فراهم شود. تنها مشکلی که هنوز راه‌حل قطعی برای آن پیدا نشده است، تخریب پوشش گیاهی و اثر آن بر جانوران منطقه است. شاید یکی از راهکارهای آن ایجاد دوباره پوشش گیاهی یا موانع مصنوعی برای انحراف جریان‌های سیلابی باشد. اما در هر صورت، در زمان تصمیم‌گیری برای انتخاب شیوه مناسب استخراج باید از کارشناسان محیط‌زیست مشورت خواست تا با بررسی آن منطقه خاص امکان استخراج سطحی منابع تعیین شود.