مهدی هادی پور/مدرسه شهید نصیری/کلاس05

امواج الکترومغناطیسی

دید کلی

در مکانیک کلاسیک و ترمودینامیک تلاش ما بر این است که کوتاهترین وجمع و جورترین معادلات یا قوانین را که یک موضع را تا حد امکان بطور کامل تعریف می‌کنند معرفی کنیم. در مکانیک به قوانین حرکت نیوتن و قوانین وابسته به آنها ، مانند قانون گرانش نیوتن، و در ترمودینامیک به سه قانون اساسی ترمودینامیکرسیدیم. در مورد الکترومغناطیس ، معادلات ماکسول به عنوان مبنا تعریف می‌شود. به عبارت دیگر می‌توان گفت که معادلات ماکسول توصیف کاملی از الکترو‌مغناطیس بدست می‌دهد و علاوه برآن اپتیک را به صورت جزء مکمل الکترومغناطیس پایه گذاری می‌کند. به ویژه این معادلات به ما امکان خواهد داد تا ثابت کنیم که سرعت نور در فضای آزاد طبق رابطه (C = 1/√μ₀ ε₀) به الکترومغناطیس|کمیتهای صرفا الکتریکی و مغناطیسی مربوط می‌شود.

یکی از نتایج بسیار مهم معادلات ماکسول ، مفهوم طیف الکترومغناطیسی است که حاصل کشف تجربی موج رادیویی است. قسمت عمده فیزیک امواج الکترومغناطیسی را از چشمه‌های ماورای زمین دریافت می‌کنیم و در واقع همه آگاهیهای که درباره جهان داریم از این طریق به ما می‌رسد. بدیهی است که فیزیک امواج الکترومغناطیسی خارج از زمین در گسترده نور مرئی از آغاز خلقت بشر مشاهده شده‌اند. 

تعریف امواج الکترومغناطیسی

امواج الکترومغناطیسی یک رده از امواج است که دارای مشخصات زیر است:

• امواج الکترومغناطیسی دارای ماهیت و سرعت یکسان هستند و فقط از لحاظ فرکانس ، یا طول موج باهم تفاوت دارند
• در طیف امواج الکترومغناطیس هیچ شکافی وجود ندارد. یعنی هر فرکانس دلخواه را می‌توانیم تولید کنیم.
• برای مقیاسهای بسامد یا طول موج ، هیچ حد بالا یا پائین تعیین شده‌ای وجود ندارد.
• از جمله منابع زمینی امواج الکترومغناطیسی می‌توان به امواج دستگاه رله تلفن ، چراغهای روشنایی و نظایر آن اشاره کرد.
• این امواج برای انتشار خود نیاز به محیط مادی ندارند.
• قسمت عمده این فیزیک امواج دارای منبع فرازمینی هستند.
• امواج الکترومغناطیسی جزو امواج عرضی هستند.

گستره امواج الکترومغناطیسی

امواج الکترومغناطیسی از طولانی‌ترین موج رادیویی ، با طول موج‌های معادل چندین کیلومتر ، شروع شده پس از گذر از موج رادیویی متوسط و کوتاه تا نواحی کهموج ، فروسرخ و مرئی امتداد می‌یابد. بعد از ناحیه مرئی فرابنفش قرار دارد که خود منتهی به نواحی اشعه ایکس ، اشعه گاما و اشعه کیهانی می‌شود. نموداری از این طیف که در آن نواحی قراردادی طیفی نشان داده می‌شوند در شکل آمده است که این تقسیم بندی‌ها جز برای ناحیه دقیقا تعریف شده مرئی لزوما اختیاری‌اند. 

یکاهای معروف فیزیک امواج الکترومغناطیسی

• طول موج λ بنا به تناسب مورد ، برحسب متر و همچنین میکرون یا میکرومتر μm ، واحد آنگستروم A و واحد ایکس XU نشان داده می‌شود.
  
  
• با بکار بردن متر به عنوان واحد طول ، طول موجهای نوری بایستی بنا به تناسب برحسب ، nm سنجیده شوند، ولی هنوز آنگستروم یک واحد رسمی بوده و به عنوان متداول ترین واحد درطیف نمایی بکار برده می‌شود.
  
  
• واحد XU ابتدا به شکل مستقل طوری تعریف شده بود که رابطه آن با آنگستروم به صورت 1A = XU 1002.060بود. این واحد اکنون دقیقا معادل ^10-10 یا m 10^-13 تعریف شده است.
  
  
• علی رغم طبقه بندی عمومی تابش با طول موج ، کمیت مهم از نظر ساختار اتمی و مولکولی فرکانس <ν = c/λ_vacΔE = hv به اختلاف انرژی ΔE بین دو حالت ساکن دستگاه مربوط است. در طول موجهای کوتاهتر مناسب‌تر آن است که به جای ν واحد متناسب با آن یعنی عدد موجیδ = 1/λ_vac = c/v جایگزین شود. مؤلفین مختلف واحدهای مختلفی را برای عدد موجیمانند ΄ν ، K و δ بکار می‌برند که همگی یکسان‌اند، در این بحث علامت δ انتخاب شده است، زیرا امکان اشتباه آن با خود ν و یا سایر ثابتها کم است.
  
  
• واحد عدد موجی یک بر سانتیمتر است که گاهی کایزر (K) نامیده می‌شود. واحد کوچکتر آن میلی کایزر است که (mk) واحد مناسبی برای ساختار فوق ریز و کارهای مربوط به عرض خطی است. هر چند که متخصصین طیف نمایی فرکانس رادیویی برای این قبیل کمیتها واحد فرکانس یعنی MHz را بکار می‌برند (MHz 29.979=mk 1 ).
  
  
• انرژی موج را بر حسب واحد الکترون ولت (ev) بیان می‌کنند که انرژیهای فوتونی خیلی بالا (مربوط به طول موجهای خیلی کوتاه) یک الکترون ولت معادل 1.6x10^-19J است.

طیف نمایی و امواج الکترومغناطیسی

• ناحیه مرئی یا نور مرئی (4000-7500 آنگستروم) توسط نواحی فروسرخ از طرف طول موجهای بلند ، فرابنفش از طرف طول موجهای کوتاه ، محصور شده است. معمولا این نواحی به قسمتهای فروسرخ و فرابنفش دور و نزدیک ، با محدوده‌هایی به ترتیب در حدود 30 میکرومتر و 2000 آنگستروم تقسیم می‌شوند که نواحی مزبور دارای شفافیت نوری برای موادی شفاف از جمله منشورها و عدسیها می‌باشند.
  
  
• تا این اواخر ناحیه مرئی متشکل از فروسرخ تا فرابنفش نور توسط گافهایی از نواحی رادیویی و اشعه ایکس سوا می‌شدند که در آنها بر انگیزش و آشکار سازی تابش با طول موجهای متناسب ممکن نبوده است. اختراع رادار در سالهای جنگ (45 - 1938) راه ورود به نواحی امواج خیلی کوتاه رادیویی یا کهموج را باز کرد، در حالی که در همان زمان طیف شناسان فروسرخ دامنه فعالیت خود را تا به نواحی طول موجهای بلندتر توسعه می‌دادند. این دو ناحیه هم اکنون ابعاد کوچکتر از میلیمتر روی هم می‌افتند.
  
  
• گاف طول موج کوتاه ، بخاطر جالب بودنش برای متخصصین فیزیک پلاسما و اختر فیزیک به خوبی پر شده است. هم اکنون حدود طیف نمایی نوری به زیر 2 آنگستروم رسیده است در حالی که مرز پرتوهای ایکس نرم تا 50 آنگستروم می‌رسند. تشخیص بین پرتو نوری و پرتو ایکس ، در ناحیه پوشش فوق الذکر بر منشأ خطوط طیفی مبتنی است.
  
  
• طیف نمایی نوری با گذار‌های الکترونهای خارجی یا ظرفیتی و طیف نمایی اشعه ایکس با گذارهای الکترونهای داخلی مربوط می‌کند. طیفهای نوری ، طول موجهای خیلی کوتاه از الکترونهای خارجی عناصری با درجه یونش بسیار بالا بوجود می‌آیند.

کاربرد‌های امواج الکترومغناطیسی

• کاربردهای امواج الکترومغناطیسی در مخابرات: از این جمله می‌توان فیبر نوری ، دستگاه رله تلفن ، موجبرها ، ماهواره و ... اشاره کرد.
  
  
• کاربرد‌های امواج الکترو‌مغناطیسی در نظامی: مانند بمب الکترومغناطیسی ، انواع رادار ، ردیابهای موشک و ... .
  
  
• کاربردهای امواج الکترو مغناطیسی در پزشکی: از قبیل عکسبرداری مغناطیسی ، رادیولوژی ، سونوگرافی با لیزر ، کاربرد اشعه ایکس و گاما در فیزیک پزشکی و ... .
  
  
• کاربردهای امواج الکترومغناطیسی در صنعت: انواع برشکاریهای لیزری ، قطار الکترو‌مغناطیسی و صندلی مغناطیسی و ... .
  
  
• کاربردهای امواج الکترومغناطیسی در اخترشناسی: با مطاله طیف الکترومغناطیسی گسیل شده از جو می‌توان به ساختار اجرام آسمانی پی‌برد.

رضا پورابراهیم/مدرسه شهید نصیری/کلاس05

طول موج

طول موج فاصله بین دو نقطه نظیر هم روی یک موج است. بطور معمول طول موج را از یک قله موج تا قله‌ی دیگر آن اندازه می‌گیرند.

دید کلی

بیشتر ما موجهای روی دریا را دیده‌ایم. این موجها بیش از آنکه به ساحل برسند، آب دریا را موج دار می‌کنند. به بالاترین نقطه‌های این موجها قله‌ی موج و به پایین‌ترین نقطه‌های آنها دره‌ی موج می‌گویند. فاصله بین یک قله موج تا قله‌ی دیگر را طول موج می‌نامند. 

موجهای صدا

همه شکلهای انرژی متحرک ، از جمله صدا ، نور و گرما بصورت موج حرکت می‌کنند. همه‌ی آنها ، درست مانند موجهای دریا ، طول موجی دارند. برای مثال ، وقتی موجهای صدا در هوا حرکت می‌کنند، در فشار هوا تغییر اندکی بوجود می‌آورند. قله‌های موجهای صدا در نقطه هایی واقع می شوند که فشار هوا به بیشترین حد خود می‌رسد. گوشهای ما ، تغییر فشار هوا را دریافت می‌کنند و پیامی به مغز می‌فرستند. 

طول موجهای متفاوت

طول موج نیز مانند بسامد (میزان بالا و پایین رفتن موج) ، روی ویژگیهایی موج تأثیر می‌گذارد؛ زیرا این دو باهم ارتباط نزدیک دارند. برای مثال ، موجهای صدای کم بسامد نسبت به موجهای صدای پر بسامد ، طول موج بزرگتری دارند. همچنین طول موج نور سرخ از طول موج نور آبی بزرگتر است. نور بخشی از گستره‌ی موجهای انرژی است که شامل موجهای رادیویی ، ریزموجها (مایکروویوها) ، پرتوهای فرو سرخ ، پرتوهای فرابنفش ، پرتوهای ایکس و پرتوهای گاما می‌شود که همه‌ی آنها با سرعت 300 هزار کیلومتر بر ثانیه حرکت می‌کنند. همه اینها باهم طیف الکترومغناطیس را تشکیل می‌دهند. 

طول موج و بسامد

اگر سرعت موج (بر حسب متر بر ثانیه) را بر بسامد آن (بر حسب هرتز) تقسیم کنید، طول موج آن بر حسب متر بدست می‌آید. برای مثال که به سرعت 344 متر بر ثانیه حرکت می‌کند و بسامد آن 688 هرتز است، طول موجی برابر 5/0 متر دارد. 

طیف الکترومغناطیسی

طیف الکترومغناطیسی شامل گستره‌ی بسیار وسیعی از موجهای انرژی است که همه مانند هم حرکت می‌کنند. امواج الکترومغناطیسی طیف بسیار وسیعی از طول موجهای بسیار کوچک تا بسیار بزرگ را در بر‌ می‌گیرند. این امواج را با توجه به اندازه طول موج به هفت دسته‌ مختلف تقسیم‌بندی می‌کنند که شامل امواج گاما با طول موجهایی کوچکتر از سانتیمتر تا امواج رادیویی با طول موج بزرگتر از ۱۰ سانتیمتر را شامل می‌شوند. همانطور که در شکل بالا ملاحظه می‌شود محدوده امواج نوری که قابل دیدن توسط چشم انسان می‌باشند، محدوده بسیار کوچکی از این طیف گسترده است. با حرکت از سمت امواج رادیویی به سمت امواج گاما ، همزمان با کاهش طول موج ، فرکانس آن و در نتیجه انرژی موج افزایش می‌یابد. چون بخشهای گوناگون طیف ، طول موجهای متفاوتی دارند، ویژگیهای آنها نیز متفاوت است. برای مثال موجهای نوری را می‌توانیم ببینیم، و پرتو ایکس بخشی از طیف است که از اجسام جامد ، مانند پوست‌ها ، عبور می‌کنند. 

کاربرد امواج ، طول موجهای متفاوت

موجهای رادیویی در فرستنده‌های رادیویی کار می‌کنند. موجهای رادیویی با بسامد بسیار زیاد (UAF) مربوط به موجهای تلویزیون هستند. ریزموجهای بلندتر در رادار به کار می‌روند. ریزموجهای کوتاه در اجاق مایکروویو به کار می‌روند. پرتوهای فروسرخ در دوربینهای حساس به گرما به کار می‌روند. نور مرئی از سرخ تا بنفش برای رؤیت به رنگهای مختلف و پرتوهای فرابنفش در تختهای مخصوص حمام آفتاب به کار می‌روند. پرتوهای ایکس برای نگاه کردن به درون اجسام بکار می‌روند و از پرتوهای گاما برای آشکارسازی ترک در فلز به کار می‌رود. پلیس‌ها اغلب برای تشخیص سرعت خودروها از رادار استفاده می‌کنند. موجهای رادار که از تفنگی شلیک می‌شوند، به وسیله‌ی نقلیه‌ای که در حال حرکت است می‌خورند و بر می‌گردند. بسامد موج برگشتی سرعت وسیله‌ی نقلیه را مشخص می‌کند. 

رضا زارعی/مدرسه شهید نصیری/کلاس05

اشعه ماوراء بنفش چیست؟

انسان از قرن­ها پیش اعتقاد داشت که نور خورشید می‌تواند از اشاعه عفونت­ها جلوگیری کند. در سال 1877 دو محقق انگلیسی به نام­های دانز و بلونت دریافتند که تکثیر میکروارگانیسم­ها زمانی که تحت تابش نور آفتاب قرار می‌گیرند، متوقف می‌شود. تحقیقات بعدی نشان داد که عامل این پدیده طیف غیرقابل رؤیت اشعه خورشید با طول موج 254 نانومتر است. در پی این کشف، امکان طراحی و ساخت دستگاه­های مولد اشعه باکتری­کش میسر گردید. امروزه این نوع اشعه که باعث جلوگیری از فعالیت باکتری­ها می‌گردد، به عنوان اشعه ماورای بنفش"UV" شناخته شده است. تحقیقات جدید در مورد تأثیر این پرتو بر روی میکروارگانیسم­ها منجر به ساخت سیستم­های جدید ضدعفونی برای مایعات، هوا و همچنین سطح اجسام گردید. بدین ترتیب، ضدعفونی بدون استفاده از مواد شیمیایی میسر شد و ضدعفونی در مواردی که قبلاً مشکل و یا غیر ممکن بود نیز امکان پذیر گردید. امروزه ضدعفونی با اشعه ماورای بنفش، نه فقط به عنوان یک روش با ارزش و موثر شناخته شده، بلکه در خیلی از موارد به عنوان مکمل سایر روش­های ضدعفونی به‌کار گرفته می‌شود.

تعریف ماورای بنفش:

اصطلاح UV برداشتی از نام انگليسی Ultravioletبه مفهوم Ultraدر زبان لاتين "ماورا يا فرا" و Violet به مفهوم "بنفش" که در طيف نور مرئی کوتاه­ترين طول موج را دارا می­باشد.

کاربردهای اشعه فرابنفش:

برای ضدعفونی کردن آب­ها، تخریب نسوج، تخریب باکتری­ها، تحريک­پذيری شديد روی اعضای حسی سطحی، سطوح کار، فضای آزمایشگاه­ها، بیمارستان­ها و صنایع غذایی مورد استفاده قرار می­گیرد.

لامپ‌های فلورسنت اشعه ماورای بنفش:

لامپ‌های فلورسنت قادرند با یونیزه نمودن بخار جیوه، تابش فرابنفش تولید کنند. لایه‌ای فسفری در داخل تیوب همراه با جذب تابش فرابنفش است که آن را تبدیل به نور مرئی می‌نماید.

مزایای کاربرد اشعه ماورای بنفش:

• رفع موثر آلودگی میکروبی بدون آلودگی شیمیایی و ضدعفونی موثر میکروارگانیسم­های مقاوم در برابر کلر و اُزون
• عدم ایجاد ترکیبات جانبی مضر و بیماری‌زای شیمیایی
• عدم ایجاد طعم و بوی شیمیایی
• عدم تغییر در کیفیت فیزیکی و شیمیایی
• عدم ایجاد عوارض فوری و حساسیت
• عدم تخریب محیط زیست، نابودسازی انگل­های مقاوم به ضدعفونی كننده­های شيميايی مانند کریپتوسپور و ژیاردیا

مکانیسم ضدعفونی با اشعه ماورای بنفش:

اشعه ماورای بنفش، میکروارگانیسم­ها را به وسیله اثر متقابل شیمیایی غیرفعال نمی‌کند، بلکه آن­ها را به وسیله جذب نور توسط خودشان غیرفعال می­نماید که باعث واکنش فتوشیمیایی می‌شود. اشعه UV در دیواره سلولی میکروارگانیسم­ها نفوذ کرده و اسیدهای نوکلئیک و دیگر مواد سلولی حیاتی را مورد هدف قرار می­دهد. برای از بین بردن میکروارگانیسم­های کوچک مانند باکتری­ها و ویروس­ها مقداری اشعه ماورای بنفش لازم است، اما برای از­ بین بردن و غیر­فعال کردن پروتوزآها مانند ژیاردیا انرژی اشعه مورد نیاز، چندین برابر انرژی لازم برای غیرفعال کردن باکتری­ها و ویروس­ها می‌باشد.

نحوه مقاومت بدن در برابر اشعه ماورای بنفش

جهت حفاظت از اثرات مخرب تابشماورای بنفش بدن انسان گاهی (با توجه به نوع پوست و نژاد)، از خود نوعی رنگدانه (پیگمان) قهوه‌ای آزاد می‌کند.

توصیه‌­های علمی:

امروزه بعضی از محصولات به اصطلاح Sunscreenمانند ضدآفتاب‌ها دارای ترکیباتی از قبیل دی‌اکسیدتیتانیوم، اکسید روی و آووبنزونهستند که باعث محافظت بدن در برابر تابش انواع اشعه­ها می­شوند. همچنین استفاده از عینک­هایی با لنز­های پلاستیکی ترجیحاً از جنس پلی‌کربنات به جای لنزهای شیشه­ای توصیه می­شود.

رضا زارعی/مدرسه شهید نصیری/کلاس05

برنز

برنز بطور معمول ترکيبي است از مس و قلع و ممکن است حاوي مقادير کمي از سرب يا آرسنيک باشد. نسبت قلع به مس معمولا بين 5 درصد به 15 درصد است. برنز تا حدودي يک لغت عمومي است که به طيف گسترده اي ازآلياژهاي مس منسوب ميشود. با وجود اينکه مس و قلع بطور طبيعي بوجود مي آيند، اين دو سنگ معدن به ندرت با هم يافت ميشوند. برنز زنگار بوجود مي آورد اما مثل مس خالص زنگ نميزند. گرچه واژه برنز در ابتدا به هرگونه آلياژ مس که حاوي قلع بود اطلاق ميشد، اکنون عموما براي توصيف انواع آلياژهاي مس شامل برنز آلومينيوم، برنز منگنز يا برنز سيليکون استفاده ميشود.

قلع مورد استفاده در آلياژ برنز محصول فرعي کسيتريت( cassiterite)معدني است که يک اکسيد قلع معدني ميباشد وبا دارا بودن حدود 5 درصد قلع، آن را به يک محصول نسبتا نادر تبديل ميکند. کسيتريت در رسوبات پلاسر يا آبرفتي يافت مي شود.

عصر برنز

عصر برنز، دوره اي در توسعه يک تمدن بود؛ درست زماني که در صنعت فلزکاري تکنيک هايي براي ذوب و خالص سازي مس ، قلع و آرسنيک از سنگهاي معدني طبيعي، بوجود آمده بودند. اولين آلياژ فلز برنز، از مس و آرسنيک در سال 4200 قبل از ميلاد مسيح درآسياي صغير (آناتوليا) بوجود آمد و آلياژهاي مس - قلع توسط سومريان باستان در سال 3500 پيش از ميلاد مسيح (اوايل عصر برنز 3500-2000 پيش از ميلاد مسيح) در دره دجله و فرات عراق امروزي حاصل شدند. ساکنان درهايندوس (رود سند) نيزعصر برنزخودرادر حدود3300 سالقبلازميلادآغازکردند.

با کشف برنز جنگاوري به طرز چشمگيري تغيير کرد. با اضافه کردن آرسنيک و قلع، سختي مس به طور قابل توجهي افزايش يافته بود و هيچيک ازگرزهاي سنگي آن دوران با تسليحاتي که اين ترکيب توليد مي کرد، برابري نمي کردند. برنز همچنين در زره نيز استفاده شد که نسبت به ضربات سلاح ها غيرقابل نفوذ بود.

برنز در حدود سال 2000 پيش از ميلاد مسيح در چين پديدار شد. ريخته گري هاي اوليه برنز چيني با ريختن فلزمايعگداختني در قالب هاي شني، خاکي يا سنگي ساخته شدند. در طول اين دوران برنز براي ساختن اشياء هنري، سکه ها، جواهر و ابزار بکار مي رفت. برنز همچنين به طور گسترده در مصر باستان استفاده مي شد و ريخته گري ها براي ساخت قطعات تزئيني بزرگ معماري، بکار برده مي شدند. برنز همچنين بخاطر اينکه سخت تر از آهنوبسيار مقاوم در برابرخوردگي بود، براي ساخت سلاح مورد استفاده قرار مي گرفت.

مهدی هادی پور/مدرسه شهید نصیری/کلاس05

انواع برنج

برنج دریاسالار: شامل ۳۰٪ روی همراه با ۱٪ قلع

برنج آلفا: شامل کمتر از ۳۵٪ روی، که از آن می توان برای کارهایی با فشار بالا، ضربه و سرد استفاده کرد. ساختار کریستالی این نوع برنج FCC است .

برنج بتا: شامل ۴۵٪ تا ۵۰٪ روی که سختی و مقاومت بیشتری نسبت به گرما و فشار و ضربه دارد.

 برنج آلفاـبتا: شامل ۳۵٪ تا ۴۵٪ روی مناسب برای گرما

برنج آلومینیومی: که شامل آلومینیوم است و مقاومت زیادی در برابر خوردگی دارد که از آن در ساخت سکه های اروپایی استفاده می کنند .

 برنج آرسنیکی: شامل آرسنیک. آلومینیوم است که در ساخت دیگ‌های بخار کاربرد دارد .

برنج فشنگی: شامل ۳۰٪ روی برنج معمولی: شامل ۳۷٪ روی، ارزان و مناسب برای کارهای بدون گرما (سرد)

برنج عالی: شامل ۳۵٪ روی و ۶۵٪ مس، با قابلیت انعطاف پذیری بالا، استفاده شده در ساخت فنر و پیچ ها.

 برنج سربی: همان برنج آلفاـبتا همراه با مقداری سرب است.

برنج پست: شامل ۲۰٪ روی است، با رنگ زرد نزدیک به طلا

برنج دریایی: شبیه به برنج دربا سالار با ۴۰٪ روی و ۱٪ قلع

برنج سفید: شامل بیش از ۵۰٪ روی ، بسیار شکننده

برنج طلایی: که نرم ترین فلز برنج است با ۹۵٪ مس و ۵٪ روی که در ساخت مهمات جنگی کاربرد دارد.

آلیاژ برنج

برنج ها آلیاژهای مس وروی می باشند که براساس تغییرات ترکیبی ورنگ ظاهری به برنج زرد وبرنج قرمز وبرنج سرب،برنج سیلیسیم،برنج قلع،برنج های نیکلی(ور شو)تقسیم می شوند.
خواص فیزیکی:
٣٢ % در درجه حرارت انجماد و در حدود / حد حلالیت روی در مس برابر ۵مهم α ٣۵ % در درجه حرارت محیط می باشد از این رو فاز محلول جامد ترین شبکه میکروسکوپی موجود در آلیاژ برنج است. و همانطور که در دیاگرم مس وروی نشان داده شده است

اکثر آلیاژهای برنج دارای دامنه انجماد بسیار کم بوده ووجود فلزات دیگر در مس عملاً باعث پائین آمدن نقطه ذوب می شود و هر قدر دامنه انجماد کمتر باشد،سیالیت آلیاژ بهتر خواهد بود ولی این امر معمولاً با زیادشدن حجم انقباض متمرکز همراه است و کاملاً برای ریخته گری مناسب می باشند واز نقطه نظر شبکه محلولهای جامد مس و روی دارای خواص زیر می باشند:
الف)محلول جامد α : این شبکه در سرما چکش خوار می باشد ولی چکش خواری آن در گرما  منوط به نداشتن سرب در آلیاژ است(به دلیل تشکیل سرب مایع در گرما)
  ب)محلول جامد β  : در این شبکه وجود سرب کمتر مزاحم می باشد وشبکه خاصیت چکش خواری  خود را در گرما حفظ می کند.
  ج)محلول جامد  : γاین شبکه سخت و شکننده است و خواص عمومی شبکه را دارد .
باید مقدار فلز روی از γ بوده وبرای به وجود آمدن شبکه β اگر مقدار فلز روی از ۵٠ %کمتر ابشد آلیاژ در ناحیه
۵٠ %تجاوز کند.به همین دلیل مقدار فلز روی در برنج ها مواره کمتر از ۴٧ %است ورنگ برنج به مقدار روی
بستگی دارد.
تشکیل شده باشد در این صورت خواص مکانیکی با افزایش فلزروی بالا میα اگر برنج تنها از محلول جامد
تشکیل شده باشد β و α رود سپس با افزایش بیش از حد روی دوباره کاهش می یابد.اگر برنج از شبکه
مقدار درصد تغییر شکل به کم شدن ادامه می دهد در حالیکه سختی پیوسته زیاد می شود.
در جدول زیر آورده شده است: α تاثیر روی در محلول جامد
دسته بندی آلیاژهای مس:
آلیاژهای مس مانند آلومینیم به دو دسته آلیاژهای کارپذیر(نوردی)وریختگی تقسیم می گردند.هر دسته از
این آلیاژها نیزبر حسب شرایط ترکیبی وعناصر آلیاژی می توانند عملیات حرارتی پذیر یا عملیات حرارتی
ناپذیر باشند.
انواع برنجهای کارپذیر(نوردی)فقط حاوی مس وروی می باشند وعناصردیگردرحد ناخالصی در آنها وجود دارد
وبرنجهای آلیاژی علاوه بر مس و روی حاوی عناصر دیگری نظیر سیلیسم،آهن،
قلع،و سرب و… نیز هستند وبیشتر از طریق ریخته گری شکل می گیرند.
برنجهای مخصوص:
اگر به آلیاژ مس وروی سایر عناصر اضافه شوند به طورکلی خواص مکانیکی برنج بالا می رود واین نوع
را α+β ویا α آلیاژها را برنج مخصوص می نامند.و بالطبع نمی توان فقط ساختمانهای ساده محلول جامد
انتظار داشت.
عناصری مانند سرب،قلع،آهن،منگنز،نیکل وغیره دربرنج همواره به عنوان عنصر آلیاژی یا عنصر ناخالصی
١% تجاوز نمی کند. – حضور دارند.ومقدار این عناصر هیچگاه از حدود ٢
آلیاژ مس و روی را برنج می گویند. بر حسب درصد روی در مس می توان برنجهای متفاوتی را به دست آورد.
هر چه درصد روی در مس افزایش یابد سختی و استحکام این آلیاژ بیشتر می شود و رنگ برنج از قرمز به
٧ گرم بر سانتی متر مکعب در مذاب / ۴١٩ و چگالی ١۴ C زرد کم رنگ متمایل می شود. روی با نقطه ذوب
٨ گرم بر سانتی متر مکعب معمولاً به صورت غیر همگن یا غیر / ١٠٨٣ و وزن مخصوص ٩ C مس با نقطه ذوب
یکنواخت قرار می گیرند که مشکل اساسی جدایش را به وجود می آورد . چون روی تا ٣٢ % می تواند در
میگویند که شامل یک ساختمان α در مس وجود داشته باشد به آن برنج αدمای محیط به صورت تک فازی
تجارتی تا ٣۶ % روی دارند و α تک فازی کریستالهای محلول جامد روی و مس می باشد. معمولاً برنجهای
به دو گروه تقسیم می شوند :
قرمز که شامل ۵ الی ٢٠ % روی می باشد. α زرد که شامل ٢٠ الی ٣۶ % روی می باشدو برنج α برنج
در تهیه آلیاژهای برنج می توان دو روش را مورد استفاده قرار داد:
١-از هاردنر مس و روی استفاده نمود. لازم است در این روش مس را تحت فلاکس پوششی ذوب کرده و
بعد هاردنر را در چند مرحله به مذاب وارد نمود.
٢-استفاده از روی خالص که لازم است مس را تحت فلاکس پوششی ذوب نموده فوق گداز آن را پایین
آورده و روی را در چند مرحله به مذاب وارد نموده و کاملاً آن را مخلوط نمود. از دیاگرام مس و روی می توان
فهمید که دامنه انجماد برنجها کوتاه و سیالیت خوبی دارند.
برای ساخت برنج ٢٠ % روی لازم است مس مورد نیاز را همراه با فلاکس پوششی که شیشه
می باشد ذوب نموده و چون از روی خالص استفاده می شود بایستی فوق گداز را پایین آورده و این مقدار
روی را در چندین مرحله ( معمولاً در ٣ نوبت مناسب است ) به مذاب وارد کنیم. به دلیل نقطه ذوب و وزن
٧ گرم بر سانتی متر مکعب می باشد و / ١٠٨٣ و چگالی آن ٩ C مخصوص متفاوت این دو فلز که نقطه مس
٧ گرم بر سانتی متر مکعب باعث جدایش این دو فلز از یکدیگر / ۴١٩ و وزن مخصوص ١۴ C روی با نقطه ذوب
شده و پدیده جدایش را به وجود می آورند و لذا بایستی حتماً این مذاب را توسط ابزار خوب مخلوط نموده و
اقدام به ذوب ریزی نمود.

برنجها آلياژهای مس وروی می باشند که براساس تغييرات ترکيبی ورنگ ظاهری به برنج زرد وبرنج قرمز وبرنج سرب،برنج سيليسيم،برنج قلع،برنج های نيکلی(ور شو)تقسيم می شوند.

خواص فيزیکی:

٣٢ % در درجه حرارت انجماد و در حدود / حد حلاليت روی در مس برابر ۵ مهم α ٣۵ % در درجه حرارت محيط می باشد از این رو فاز محلول جامد ترین شبکه ميکروسکوپی موجود در آلياژ برنج است. و همانطور که در دیاگرم مس وروی نشان داده شده است اکثر آلياژهای برنج دارای دامنه انجماد بسيار کم بوده ووجود فلزات دیگر در مس عملاً باعث پائين آمدن نقطه ذوب می شود و هر قدر دامنه انجماد کمتر باشد،سياليت آلياژ بهتر خواهد بود ولی این امر معمولاً با زیاد شدن حجم انقباض متمرکز همراه است و کاملاً برای ریخته گری مناسب می باشند واز نقطه نظر شبکه محلولهای جامد مس و روی دارای خواص زیر می باشند:

این شبکه در سرما چکش خوار می باشد ولی چکش خواری آن در گرما : αالف)محلول جامد منوط به نداشتن سرب در آلياژ است(به دليل تشکيل سرب مایع در گرما) در این شبکه وجود سرب کمتر مزاحم می باشد وشبکه خاصيت چکش خواری : β ب)محلول جامد خود ار در گرما حفظ می کند. را دارد γ این شبکه سخت و شکننده است و خواص عمومی شبکه :γج)محلول جامد

باید مقدار فلز روی از γ بوده وبرای به وجود آمدن شبکه β اگر مقدار فلز روی از ۵٠ %کمتر ابشد آلياژ در ناحيه ۵٠ %تجاوز کند.به همين دليل مقدار فلز روی در برنج ها مواره کمتر از ۴٧ %است ورنگ برنج به مقدار روی بستگی دارد. تشکيل شده باشد در این صورت خواص مکانيکی با افزایش فلزروی بالا می α اگر برنج تنها از محلول جامد تشکيل شده باشد β و α رود سپس با افزایش بيش از حد روی دوباره کاهش می یابد.اگر برنج از شبکه مقدار درصد تغيير شکل به کم شدن ادامه می دهد در حاليکه سختی پيوسته زیاد می شود. در جدول زیر آورده شده است: α تاثير روی در محلول جامد

دسته بندی آلياژهای مس:

آلياژهای مس مانند آلومينيم به دو دسته آلياژهای کارپذیر(نوردی)وریختگی تقسيم می گردند.هر دسته از این آلياژها نيزبر حسب شرایط ترکيبی وعناصر آلياژی می توانند عمليات حرارتی پذیر یا عمليات حرارتی ناپذیر باشند.انواع برنجهای کارپذیر(نوردی)فقط حاوی مس وروی می باشند وعناصردیگردرحد ناخالصی در آنها وجود دارد وبرنجهای آلياژی علاوه بر مس و روی حاوی عناصر دیگری نظير سيليسم،آهن،

رضا پورابراهیم/مدرسه شهید نصیری/کلاس05

سوپر آلیاژها

معرفي تكنولوژي سوپرآلياژ و ميزان كاربرد آن در جهان و ايران
دكتر هاشمي مشاور سازمان گسترش و نوسازي صنايع ايران در زمينة معرفي مواد جديد مطالبي را بیان نموده است كه قسمت اول آن مربوط به معرفي سوپر آلياژها ميباشد و در زیر آورده شده :
معرفي وكاربردها 
سوپرآلياژها در واقع آلياژهايي مقاوم در برابر حرارت، خوردگي و اكسيداسيون ميباشند كه به لحاظ تركيب شيميايي شامل سه گروه پايه نيكل، نيكل-آهن و پايه كبالت ميباشند. اولين استفاده از سوپرآلياژها در ساخت توربينهاي گازي، طرحهاي تبديل ذغال‌سنگ، صنايع شيميايي و صنايعي كه نياز به مقاومت حرارتي و خوردگي داشتهاند بوده است. 

امروزه تناژ وسيعي از قطعات مصرفي در توربينهاي گازي از جنس سوپرآلياژها ميباشند. در ذيل به بعضي از مصارف اين قطعات اشاره شده است: 

- توربينهاي گازي هواپيما

- توربينهاي بخار نيروگاه‌هاي توليد برق

- ساخت قالب‌هاي ريختهگري و ابزارهاي گرمكار

- مصارف پزشكي و دندانپزشكي

- فضاپيماها

- تجهيزات عمليات حرارتي

- سيستمهاي نوتروني و هستهاي

- سيستمهاي شيميايي و پتروشيمي

- تجهيزات كنترل آلودگي

- تجهيزات و كورههاي نورد فلزات

- مبدلهاي حرارتي تبديل ذغال سنگ

به منظور انتخاب سوپرآلياژها جهت مصرف در كاربردهاي فوق لازم است خواص فني نظير شكلپذيري، استحكام، مقاومت خزشي، استحكام خستگي و پايداري سطحي در نظر گرفته شوند. 

تقسيم‌بندي سوپرآلياژها برحسب روش توليد 

با توجه به نحوة توليد ميتوان سوپرآلياژها را به چهار گروه كلي تقسيم‌بندي نمود كه عبارتنداز:

1) سوپرآلياژهاي كارپذير 

سوپرآلياژهاي كارپذير در حقيقت گروهي از سوپر آلياژها هستند كه قابليت كار مكانيكي دارند و از روشهاي مكانيكي ميتوان به آنها شكلداد. به منظور توليد مقاطع معيني از سوپرآلياژهاي كارپذير، اولين گام آن است كه شمشهاي سوپرآلياژها به دليل حضور عناصر فعال(عناصري كه سريع در مجاورت هوا اكسيد ميشوند) در شرايط خاصي تهيه شوند. فرايندهاي ذوب در خلاء در مورد تهيه سوپرآلياژهاي پايه نيكل و پايه آهن جزء ضروريات مي­باشد. اما در مورد سوپرآلياژهاي پايه كبالت امكان ذوب در هوا وجود دارد. اين فرايند به طور خلاصه شامل ذوب القائي تحت خلاء (VIM)، ذوب مجدد قوس الكتريكي در خلاء (VAR) و ذوب مجدد با سرباره (ESR)، فرايندهاي ترمومكانيكي و 


متالورژي پودر ميباشند. 

پس از تهيه شمشآلياژهاي كارپذير به يكي از روش‌هاي فوق عمليات شكلدهي صورت ميگيرد. عمليات شكل­دهي سوپرآلياژها نيز ميتواند توسط عمليات متداول كليه آلياژهاي فلزي انجام پذيرد. سوپرآلياژهاي پايه آهن، كبالت و نيكل را ميتوان به صورت مفتول، صفحه، ورق، نوار، سيم و اشكال ديگر توسط فرايندهاي نورد، اكستروژن و آهنگري توليد نمود. معمولاً عمليات شكلدهي در دماي بالا صورت ميگيرد و تعداد كمي از سوپرآلياژها را ميتوان به صورت سرد شكل‌دهي نمود. ساختارهاي يكنواخت و ريزدانهاي كه از شكل‌دهي سرد حاصل ميشود نسبت به ساختارهاي شكلدادن گرم ارجحيت دارند. 

عمليات ترموديناميكي بر روي سوپرآلياژها معمولاً در حدود 1000-950 درجه سانتيگراد انجام ميشود كه به اين ترتيب در حين شكل دادن عمليات حرارتي نيز صورت ميگيرد. 

2) سوپرآلياژهاي متالورژي پودر 
بسياري از انواع آلياژهاي كارپذير از طريق فرايندهاي متالورژي پودر توليد ميگردند. امروزه قطعات متالورژي پودر از جنس سوپرآلياژ با دانسيته كامل از طريق روش‌هاي اكستروژن يا پرسكاري ايزواستاتيك گرم (HIP) توليد ميگردند. مهمترين اين قطعات قيچيها و سوزنهاي جراحي ميباشند. 

فرايندهاي متالورژي پودر به‌دليل داشتن مزاياي زير بر فرايندهاي ريختهگري ترجيح داده ميشوند هر چند كه معايبي را نيز به همراه خواهند داشت: 

- يكنواختي در تركيب شيميايي و ساختار كريستالي

- ريز بودن اندازه دانههاي كريستالي

- كاهش جدايشها

- راندمان بالاتر از نظر مصرف مواد

اما مشكلاتي نظير حضور گاز باقيمانده، آلودگي كربني و آخال‌هاي سراميكي باعث ميگردد كه در برخي موارد نيز فرايندهاي شمش‌ريزي و ترمومكانيكي متداول صورت پذيرند. 

3) سوپرآلياژهاي پلي‌كريستال ريختگي 

وجود محدوديت‌هاي تكنولوژيكي سبب محدود شدن رشد صنعت سوپرآلياژ مي‌گردد و بنابراين با پيدايش فرايندهاي جديد توليد، اين صنعت نيز روز به روز توسعه مييابد.





تعداد زيادي از فرايندها را ميتوان در توليد قطعات سوپرآلياژ با اندازه نزديك به قطعة نهايي مورد استفاده قرار داد اما اساساً اين قطعات توسط فرايند ريختهگري دقيق توليد ميگردند. 

محدوده تركيب شيميايي سوپرآلياژهاي ريختگي بسيار گستردهتر از سوپرآلياژهاي كارپذير بوده و بنابراين خواص متنوعتري نيز از اين طريق قابل حصول خواهند بود هر چند كه انعطاف‌پذيري و مقاومت به خستگي در فرآيندهاي كار مكانيكي بهتر از ريختهگري خواهد بود، اما امروزه با توسعه فرآيندهاي جديد ريختهگري و انجام عمليات حرارتي متعاقب، خواص سوپرآلياژهاي ريختگي نيز افزايش يافته است. 

4) سوپرآلياژهاي تككريستالي انجماد جهتدار 
به‌منظور توسعه توربينهاي گازي مصرفي در هواپيماها و افزايش دماهاي كاري و كارآيي موتورها، به‌طور مداوم روشهاي توليد سوپرآلياژها در حال بهبود است. 

قسمت‌هاي بحراني توربينها معمولاً شامل پرههاي تحت فشار بالا، هواكشها و ديسكها ميباشند. در طول 15 سال گذشته تحقيقات بسياري در زمينه افزايش راندمان توربينها صورت گرفته است و عمده اين تحقيقات بر امكان افزايش دماي ورودي، فشاركاري و كاهش هزينههاي توليد استوار بوده است. توسعه فرايند انجماد جهتدار به‌منظور توليد تك‌كريستالي‌هاي ريختگي سبب شده تا بتوان از اين طريق پرههاي توربين را با دانههاي جهتدار در راستاي اعمال تنش توليد نمود و به اين ترتيب علاوه بر خواص پايدار حرارتي، استحكام خستگي، استحكام خزشي و انعطاف‌پذيري نيز افزايش يابند. 

با توسعه اين تكنولوژي، امروزه در توربينهاي مصرفي در نيروگاه‌هاي برق نيز از قطعات تك‌كريستال از جنس سوپرآلياژها استفاده به‌عمل ميآيد. 

در سالهاي اخير شركت هواپيمايي PWA يكي از پيشگامان توليد سوپرآلياژها مي‌باشد و توليد آلياژهاي PWA 1480 به صورت تك‌كريستال توسط اين شركت، سبب افزايش عمركاري هواپيماي جنگي F-100 گرديده است. 

تقسيم‌بندي سوپرآلياژها برحسب تركيب شيميايي 

به طور كلي اين آلياژها شامل سه گروه پايه نيكل، پايه آهن و پايه كبالت ميباشند كه بسته به درجه حرارت كاربردي مورد استفاده قرار ميگيرند 

1) سوپرآلياژهاي پايه نيكل 
امروزه آلياژهاي نيكل در حالت‌هاي "تك‌فازي"، "رسوب سختي شده" و "مستحكم‌شده توسط رسوبات اسيدي و كامپوزيتها" در مصارف صنعتي مختلف مورد استفاده قرار ميگيرند. 

سوپرآلياژهاي پايه نيكل پيچيدهترين تركيباتي ميباشند كه در قطعات دماي بالا به كار ميروند. در حال حاضر 50 درصد وزن موتورهاي هواپيماهاي پيشرفته از جنس اين آلياژها ميباشد. خصوصيات اصلي آلياژهاي نيكل، پايداري حرارتي و قابليت مستحكم شدن ميباشد. 

بسياري از اين آلياژها حاوي 10 الي 20 درصد كرم، حداكثر 8 درصد آلومينيوم و تيتانيم، 5 تا 15 درصد كبالت و مقادير كمي موليبدن، نيوبيم و تنگستن ميباشند. 

دو گروه اصلي از آلياژهاي آهن- نيكل كه ميزان نيكل آنها بيشتر از مقدار آهن است عبارت از گروهIncoloy 706 و Inconel 718 ميباشند. 

اين آلياژها معمولاً حاوي 3 تا 5 درصد نيوبيم ميباشند و در رديف آلياژهاي پايه نيكل قرار ميگيرند. آلياژهاي پايه نيكل معمولاً تا دماي 650 درجه سانتيگراد استحكام خود را حفظ ميكنند. اما در دماهاي بالاتر به سرعت استحكام خود را از دست ميدهند. 

2) سوپرآلياژهاي پايه آهن 

سوپرآلياژهاي پايه آهن نشات گرفته از فولادهاي زنگ نزن آستينتي ميباشند كه داراي زمينهاي از محلول جامد آهن و نيكل بوده و براي پايداري زمينه نياز به حداقل 25 درصد نيكل است.





- گروه‌هاي متعددي از اين آلياژها تاكنون مشخص گرديدهاند كه هر يك با مكانيزمهاي خاصي مستحكم ميشوند. برخي از اين آلياژها نظير 57-V و 286-A حاوي 25 تا 35 درصد وزني نيكل ميباشند و استحكامشان به دليل حضور آلومينيوم و تيتانيم مي‌باشد. 

- گروه دوم آلياژهاي پايه آهن كه آلياژهايX750 و Incoloy901 نمونههاي آن ميباشند، حداقل 40 درصد وزني نيكل داشته و همانند گروههاي با نيكل بالاتر استحكام بخشي توسط سختي رسوبي صورت ميگيرد. 

- گروه ديگر اين آلياژها بر پايه آهن- نيكل- كبالت ميباشند و استحكام اين گروه در محدوده 650 درجه سانتيگراد مناسب بوده و ضريب انبساط حرارتي آنها پايين ميباشد. اين آلياژها شامل Incoloy با شمارههاي 903، 907، 909، 1-1- PyrometCTX و 3-PyrometCTX و غيره ميباشند. 

3) سوپرآلياژهاي پايه كبالت 
سوپرآلياژهاي كارپذير پايه كبالت برخلاف ساير سوپرآلياژها مكانيزم استحكام بخشي متقاوتي دارند و خواص حرارتي خوبي در دماي حدود 1000 درجه سانتيگراد خواهند داشت. 

سوپرآلياژهاي پايه كبالت حاوي كرم، مقاومت به خوردگي و اكسيداسيون خوبي داشته و هم چنين قابليت جوشكاري و مقاومت به خستگي حرارتي آنها نسبت به آلياژهاي پايه نيكل بالاتر ميباشد. از طرف ديگر امكان ذوب و ريختهگري اين آلياژ، در هوا با اتمسفر آرگون مزيت ديگري نسبت به ساير سوپرآلياژها كه نياز به خلاء دارند مي­باشد.

سه گروه اصلي آلياژهاي پايه كبالت را ميتوان به صورت ذيل در نظر گرفت: 

- آلياژهايي كه در دماهاي بالا در محدودة 650 تا 1150 درجه سانتيگراد مورد استفاده قرار ميگيرند كه شامل آلياژهايS-816، 25HAYNES، 188 25HAYNES، 55625HAYNES، 50UMCO ميباشند.

- آلياژهايي كه تا حدود 650 درجه سانتيگراد به كار ميروند نظيرTN3MP، 159 MP

- آلياژ مقاوم به سايش B 6 Stellite

آلياژ 2525HAYNES بيشترين كاربرد را در ميان آلياژهاي كارپذير پايه كبالت داشته اشت و در ساخت قطعات گرمكار نظير توربينهاي گازي، اجزاء راكتورهاي هستهاي، ايمپلنت‌هاي جراحي و غيره مورد استفاده قرار گرفتهاند. آلياژهاي گروه پايه كبالت كه شامل كرم- تنگستن- كربن ميباشند معروف به آلياژهاي Satellite بوده كه به شدت مقاوم به سايش ميباشند. 

اين گروه معمولاً در مواردي كه مقاومت سايشي در درجه حرارت‌هاي بالا مورد نياز باشد به كار ميروند. در واقع سختي اين مواد در دماي بالا حفظ شده و در مواقعي كه نميتوان در حين كار روغنكاري انجام داد به خوبي مورد استفاده قرار ميگيرند. 

بازار سوپرآلياژها

شايد بتوان گسترش بازار سوپرآلياژها را در دنيا مربوط به صنايع هوا _ فضا در نظر گرفت كه با توجه به رشد روزافزون اين صنعت و قطعات يدكي آن در سطح جهان پيش بيني ميگردد كه تنها بازار قطعات يدكي هواپيماها بالغ بر 4،5 ميليارد دلار باشد، بررسيها حاكي از آنست كه تا سال 2015 تعداد 16000 فروند هواپيماي جديد با موتورهاي توربين گازي وارد بازار ميشوند كه نيمي از وزن اين 

موتورها از جنس سوپر آلياژ خواهد بود. 

بر اساس آمارهاي تخميني موجود در ايران، سوپرآلياژها سالانه به ميزان 80 ميليون دلار در سه وزارتخانة نفت، نيرو و دفاع مورد استفاده قرار ميگيرند.

رضا زارعی/مدرسه شهید نصیری/کلاس05

CFC ها موادی هستند که صدها مصرف گوناگون دارند. زیرا آنها تقریبا غیر سمی و مقاوم در برابر شعله بوده ، براحتی تجزیه نمی‌شوند. به خاطر چنین پایداری ، آنها تا 150 سال باقی خواهند ماند. گازهای CFC به آرامی تا ارتفاعات 40 کیلومتری صعود کرده و در آنجا تحت نیروی عظیم تشعشعات ماورای بنفش خورشید شکسته شده ، عنصر شیمیایی کلر را آزاد می‌کنند.

بعد از آزادی هر اتم کلر قبل از برگشت به زمین که سالها طول می‌کشد، حدود صد هزار مولکولاوزون را از بین می‌برد. سه و شاید پنج درصد لایه ازن در سطح جهان تاکنون توسط گازهای CFCتخریب شده است.

با تخریب ازن در لایه‌های بالای اتمسفر ، کره زمین اشعه ماورای بنفش دریافت می‌کند که موجب بروز سرطان پوست ، بیماری آب مروارید چشم و تضعیف سیستم دفاعی بدن می‌شود. با نفوذ بیشتر اشعه ماورای بنفش از لایه‌های اتمسفر ، اثرات آن روی سلامتی بدتر شده ، بهره‌دهی محصولات کشاورزی و جمعیت ماهی‌ها کاهش خواهد یافت و آسایش هر فرد روی این سیاره تحت تاثیر قرار خواهد گرفت.

تهدید اکوسیستم‌ها

کشورهای پیشرفته بیش از هفتاد هزار ماده شیمیایی مختلف تولید می‌کنند که بیشتر آنها بطور کامل از نظر ایمنی آزمایش نشده‌اند. استفاده نامحتاطانه از این مواد ، مواد غذایی و آب و هوای ما را آلوده کرده ، اکوسیستمهایی را که ما به آنها متکی هستیم، شدیدا" تهدید می‌کند.

راهیابی مواد شیمیایی به محیط زیست

مواد شیمیایی به بخش جدا نشدنی از زندگی روزانه ما تبدیل گشته‌اند. ما از وسایل رفاهی مانندپلاستیکها ، پودرهای رختشویی و آروزولها که از مواد شیمیایی ساخته شده‌اند، استفاده می‌کنیم. ولی اغلب از هزینه پنهانی که ناشی از آنهاست بی‌خبریم. نهایتا آنها از طریق محلهای دفن زباله ، زهکشیها و فاضلابها به آب و یا زمین راه پیدا می‌کنند.

مواد سمی در پلاستیک‌ها

اگر چه مصرف کنندگان به ندرت محصولات پلاستیکی را که روزانه ساخته می‌شود و بسته بندی‌ که در آن خرید می‌کنند، به مساله آلودگی سمی ربط می‌دهند، باید دانست که اکثر مواد شیمیایی که در تولید و ساخت پلاستیکها مورد استفاده قرار می‌گیرند، بسیار سمی هستند. برحسب درجه بندیEPA باید دانست که از 20 ماده شیمیایی که تهیه آنها موجب تولید بیشترین مقدار کل مواد زاید خطرناک می‌شود، پنج ماده شیمیایی از شش مورد اولی ، موادی هستند که بطور مستمر در صنایع پلاستیک‌سازی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

مهدی هادی پور/مدرسه شهیدنصیری/کلاس05

دید کلی

با توجه به اینکه اشعه گاما دارای تشعشع الکترومغناطیسی می‌باشد، آن فاقد بار و جرم سکون است. اشعه گاما موجب برهمکنشهای کولنی نمی‌گردد و لذا آنها برخلاف ذرات باردار بطور پیوسته انرژی از دست نمی‌دهند. معمولا اشعه گاما تنها یک یا چند برهمکنش اتفاقی با الکترونها یا هسته‌های اتم‌های ماده جذب کننده احساس می‌کند. در این برهمکنش‌ها اشعه گاما یا بطور کامل ناپدید می گردد یا انرژی آن بطور قابل ملاحظه‌ای تغییر می‌یابد. اشعه گاما دارای بردهای مجزا نیست، به جای آن ، شدت یک باری که اشعه گاما بطور پیوسته با عبور آن از میان ماده مطابق قانون نمایی جذب کاهش می‌یابد. 

فروپاشی گاما

در فروپاشی گاما ، هنگامی که یک هسته تحت گذارهایی از حالات برانگیخته بالاتر به حالات برانگیخته پایین‌تر یا حالت پایه آن می‌رود، تشعشع الکترومغناطیسی منتشر می‌گردد. معادله عمومی فروپاشی گاما بصورت زیر است: 

که در آنX و X^* به ترتیب نشان دهنده حالت پایه (غیر برانگیخته) و حالت با انرژی بالاتر است. قابل ذکر است که این فروپاشی با هیچ گونه تغییر در عدد جرمی(A) و عدد اتمی (Z) همراه نیست. 

حالت برانگیخته هسته و حالت با انرژی پایین حاصل شده در اثر نشر پرتو گاما ، فقط زمانی به عنوان ایزومر هسته‌ای در نظر گرفته می‌شود که نیمه عمر حالت برانگیخته به اندازه‌ای طولانی باشد که بتوان آن را به سادگی اندازه گیری نمود. زمانی که این حالت وجود داشته باشد، فروپاشی گاما به عنوان یک گذار ایزومری توصیف می‌گردد. اصطلاحات حالت نیمه پایدار یا حالت برانگیخته برای توصیف گونه‌ها در حالات انرژی بالاتر از حالت پایه نیز به کار می‌رود. 

حالتهای فروپاشی گاما

• نشر اشعه گامای خالص :
  در این حالت فروپاشی گاما ، اشعه گامای منتشر شده بوسیله یک هسته از یک فرآیند فروپاشی گاما برای کلیه گذارها بین ترازهای انرژی که محدوده انرژی آن معمولا از 2 کیلو الکترون ولت تا 7 میلیون الکترون ولت می‌باشد، تک انرژی است. این انرژیهای گذارها بین حالت کوانتومی هسته بسیار نزدیک هستند. مقدار کمی از انرژی پس زنی هسته با هسته دختر (هسته نهایی) همراه می‌باشد، ولی این انرژی معمولا نسبت به انرژی اشعه گاما بسیار کوچک بوده و می‌توان از آن صرفنظر کرد.
  
  
• حالت فروپاشی بصورت تبدیل داخلی :
  در این حالت فروپاشی ، هسته برانگیخته با انتقال انرژی خود به یک الکترون اربیتال برانگیخته می‌گردد، که سپس آن الکترون از اتم دفع می‌شود. اشعه گاما منتشر نمی‌شود. بلکه محصولات این فروپاشی هسته در حالت انرژی پایین یا پایه ، الکترونهای اوژه ، اشعه ایکس و الکترونهای تبدیل داخلی می‌باشد. الکترونهای تبدیل داخلی تک انرژی هستند. انرژی آنها معادل انرژی گذار ترازهای هسته‌ای درگیر منهای انرژی پیوندی الکترون اتمی می‌باشد.
  
  با توجه به اینکه فروپاشی تبدیل داخلی منجر به ایجاد یک محل خالی در اربیتال اتمی می‌شود، در نتیجه فرآیندهای نشر اشعه ایکس و نشر الکترون اوژه نیز رخ خواهد داد.
  
  
• حالت فروپاشی بصورت جفت :
  برای گذارهای هسته‌ای با انرژی‌های بزرگتر از 1.02 میلیون الکترون ولت تولید جفت اگر چه غیر معمول است اما یک حالت فروپاشی محسوب می‌شود. در این فرآیند ، انرژی گذرا ابتدا برای بوجود آمدن یک جفت الکترون – پوزیترون و سپس برای دفع آنها از هسته بکار می‌رود.
  
  انرژی جنبشی کل داده شده به جفت معادل اختلاف بین انرژی گذار و 1.02 میلیون الکترون ولت مورد نیاز برای تولید جفت است. پوزیترون تولید شده در این فرآیند نابود خواهد شد.

رضا پورابراهیم/مدرسه شهید نصیری/کلاس 05

اطلاعات اولیه

مایع شدن گازها در شرایطی صورت می‌گیرد که نیروهای جاذبه بین مولکولی بتوانند موجب پیوستن مولکولهای گاز به یکدیگر شوند و آن را بصورت مایع در آورند. اگر فشار زیاد باشد، مولکولها به یکدیگر نزدیک هستند و اثر نیروهای جاذبه همراه در تعارض با حرکت مولکولهای گاز است، پس دمای پایین که در آن ، انرژی جنبشی متوسط مولکولها کم است، به مایع شدن کمک می‌کند.

هر چه دما پایین‌تر رود و فشار فزونی پذیرد، رفتار یک گاز ، بیش از پیش از وضع ایده‌آل دورتر می‌شود و با تغییر بیشتر این شرایط ، در نهایت گاز به مایع تبدیل می‌شود. 

دمای بحرانی

هر چه دمای گاز بالاتر باشد، مایع شدن آن مشکل‌تر است و باید فشار بالاتری اعمال شود. برای هر گاز ، دمایی وجود دارد که بالاتر از آن ، هر چند هم فشار را زیادتر کنیم، مایع شدن آن گاز ناهمگن است. این دما را دمای بحرانی آن گاز می‌نامند. 

فشار بحرانی

فشار بحرانی ، کمترین فشار لازم برای مایع کردن یک گاز در دمای بحرانی آن است. 

اثر دمای بحرانی

دمای بحرانی یک گاز ، نشانه ای از قدرت نیروهای جاذبه بین مولکولی آن گاز است. ماده ای که نیروهای جاذبه ضعیف دارد، دارای دمای بحرانی پایین است؛ بالاتر از این دما ، حرکت مولکولی آن قدر شدید است که نمی‌گذارد نیروهای نسبتا ضعیف بین مولکولی ، مولکولها را در حالت مایع نگه دارد. اندازه نیروهای جاذبه بین مولکولی نیز با همین ترتیب زیاد می‌شود.

هلیم که نیروهای جاذبه ضعیف دارد، فقط در پایین‌تر از 3,5K می‌تواند به صورت مایع وجود داشته باشد. اما آب که دارای نیروهای جاذبه قوی است، می‌تواند تا دمای 2,647K به مایع تبدیل شود. از ثابت‌های بحرانی برای برآورد ثابتهای معادله وان‌دروالسی استفاده شده است. 

شرایط مایع کردن گازها

پیش از آنکه بتوانیم بسیاری از گازها را مایع کنیم، لازم است آنها را تا پایین‌تر از دمای معمولی ( حدود 295K ) سرد کنیم. در مایع کردن گازها به روش صنعتی ، از اثر ژول - تامسون برای سرد کردن آنها استفاده می‌شود. هرگاه گاز متراکم شده ای را بگذاریم منبسط شود و به فشار پایین‌تری برسد، گاز سرد می‌شود. به هنگام انبساط در مقابل نیروهای جاذبه بین مولکولی کار صورت می‌گیرد. انرژی مصرف شده برای انجام این کار باید از انرژی جنبشی خود مولکولها گرفته شود. از این رو دمای گاز کاهش می‌یابد. این اثر در سالهای 1852 تا 1862 بوسیله "ژول" و "ویلیام تامسون" (لرد کلوین) مورد بررسی قرار گرفته است. 

مراحل مایع شدن هوا

مایع شدن هوا بدین ترتیب صورت می‌گیرد که نخست هوای سرد متراکم شده را منبسط می‌کنند تا دمای هوا به سطح پایین‌تری برسد. این هوای سرد شده را برای سرد کردن هوای متراکم شده ای که وارد می‌شود، بکار می‌گیرند. انبساط این هوای متراکم شده ، منتج به حصول دمای پایین‌تر می‌شود. هوای سرد منبسط شده بار دیگر به اتاق تراکم بازگردانده می‌شود و سرانجام از سرد کردن و تراکم پی در پی ، هوای مایع حاصل می‌شود. 

انرژی هسته‌ای در ایران

انرژی هسته‌ای در ایران

نويسنده: امیر بهادر رهنما

شعبه کلاس:مدرسه شهید نصیری-کلاس 05

مقدمه

كشورهاي برخوردار از فن‌آوري اتمي كه نگران دستيابي ساير كشورهاي در حال توسعه به اين فن‌آوري استراتژيك بودند، مبادرت به ايجاد ساختاري در زير مجموعه سازمان ملل متحد نمودند تا از اين طريق به كنترل ديگران بپردازند. در اين بين پيمان‌هاي مختلفي از جمله پيمان منع گسترش سلاح‌هاي هسته‌اي (NPT)، پيمان منع جامع آزمايش‌هاي هسته‌اي (CTBT)، معاهده منع سلاح‌هاي شيميايي (CWC) و ... طرح وبه تصويب رسيد. ماهيت تمام پيمان‌هاي فوق به صورتي است كه كشورها را به دو دسته داراها (كشورهاي داراي سلاح‌هاي هسته‌اي) و ندارها (كشورهاي فاقد سلاح‌هاي هسته‌اي) تقسيم مي‌كند. با اين حال تعداد قابل توجهي از كشورهاي جهان از جمله جمهوري اسلامي ايران علي‌رغم ناعادلانه بودن اين پيمان‌ها فقط به انگيزه صلح‌طلبي تلاش كردند تا به تكنولوژي هسته‌اي دست يابند

خواص تناوبی عنصرها

مندلیف پس از سالها مطالعه متوجه شده که اگر عنصرها را بر حسب افزایش تدریجی جرم آنها در ردیفهای کنار یکدیگر بگذارد و آنهایی را که خواص فیزیکی و شیمیایی نسبتاً مشابه دارند در یک گروه زیر یکدیگر قرار دهد، عنصرها به ترتیبی سازماندهی می شوند که خواص آنها با نظم و ترتیب خاص تغییر می کند. اما در جدول مندلیف در چند مورد نیز بی نظمی هایی مشاهده می شد، زیرا او مجبور بود در مواردی در یک ستون قرار دادن عنصرهایی با خواص مشابه . ترتیب قرار گرفتن عنصرها بر اساس افزایش جرم نادیده بگیرد.

جواد ستایش مدرسه شهید نصیری کلاس 05

الوتروپی یا چند شکلی خاصیتی از عناصر شیمیایی مشخصی است که درحالت های فیزیکی یکسان (گاز ‚ مایع

‚ جامد) دارای دو یاچند شکل مختلف هستند. برخی از شکل های الوتروپی یا الوتروپ ها بر اثر تفاوت های تعداد اتم های

موجود در یک مولکول یک عنصر میباشد. همانند اکسیژن معمولی با فرمول O2و اکسیژن سه اتمی یا اوزون با فرمول O3

همچنین الوتروپی میتواند به علت چیدمان متفاوت اتم ها در ساختار بلورین یا غیر بلورین (بی نظم) یک عنصر باشد.

به طور مثال کربن در شکل های الوتروپی بلورین متفاوت به صورت الماس و گرافیت وجود دارد. خاصیت بلوری در دو یا

چند شکل با اصطلاح چند ریختی (Polymorphism) شناخت میشوند.

تعداد دیگری از عناصر از جمله قلع ‚ اهن ‚ سلنیوم ‚ فسفر و گوگرد دارای الوتروپ هایی هستند که به علت چیدمان

متفاوت اتم های ان ها حاصل میشود. 

به نام خدا

نویسندگان : رضا آقایی و محمد جهانی

موضوع: در باره سرب استفنات و نحوه ساخت آن

سرب استفنات (lead styphnate) از مواد بسیار مفیدی در امر تخریب است که امروزه از آن در چاشنی ها استفاده می گردد حساسیت این ماده همانند استیلید نقره است و دارای سرعت انفجاری برابر با ۴۹۰۰ متر بر ثانیه است این ماده هم خانواده سرب پیکرات است ولی به مراتب ایمن تر و قوی تر از آن است ساخت این ماده پر خرج بوده و دارای مراحل زیادی است و می بایستی از مواد شیمیایی با درجه خلوص بسیار بالا استفاده کرد
این ماده برخلاف اسید پیکریک با فلزات واکنش نداده و کاملا در آب و متیل الکل(متانول) محلول است حساسیت آن نسبت به فولمینات جیوه و نیترید سرب کمتر است و جزو مواد انفجاری با حساسیت زیاد طبقه بندی می شود
این ماده یکی از گزینه های عالی برای چاشنی ها و دیگران تجهیزات انفجاری است.

ساخت این ماده به دو روش میسر است

۱- استفاده از استفنات اسید
۲- استفاده از استفنات منیزیم
من شخصا روش اول را پیشنهاد می کنم چون به نظر من مواد تشکیلی دارای درجه خلوص بالایی است ولی بهر حال در صورت نیاز می توانم روش دوم را نیز توضیح دهم.(روش دوم ساده تر است در صورتی که استفنات منیزیم پیدا شود)
علت اصلی که تولید این ماده را از روش اول توضیح می دهم آن است که در روش اول می بایستی استفنات اسید تولید شود که خود این ماده را نیز می توان در ترکیبات مفید دیگری نیز وارد کرد و ترکیبات سودمندی را بدست آورد.(پتاسیم استفنات-نقره استفنات و...)

مواد و تجهیزات مورد نیاز:

۱- رزورسینول (resorcinol) ۱۰۰ گرم
(این ماده از لحاظ ساختاری شبیه به فنول است با این تفاوت که یک گروه OH اضافه تر دارد)
۲- اسید نیتریک ۶۵% ۳۰۰ سی سی
۳- اسید سولفوریک ۹۸% ۳۰۰ سی سی
۴- اکسید سرب (II) ۴۰ گرم
۵- دماسنج ۱ عدد
۶- دستکش
۷- کاغذ یا پارچه صافی
۸- بشر ۱۰۰۰ سی سی ۲ عدد
۹- همزن شیشه ای
۱۰- متانول ۴۰۰ سی سی

در مرحله اول شما می بایستی استفنات اسید را تهیه کنید که طرز تهیه آن همانند طریقه ساخت اسید پیکریک است با این تفاوت که شما می بایستی بجای استفاده از آسپیرین و حل کردن آن در محلول اسید مستقیما رزورسینول را به اسید سولفوریک گرم اضافه کنید و سپس عینا تکرار مراحل تولید اسید پیکریک را تکرار کنید
در صورت نیاز به تولید این ماده نیز می پردازم
مراحل زیر را از تولید و خشک کردن استفنات اسید به بعد توضیح می دهم

۱- ۵۰ گرم استفنات اسید را در ۴۰۰ میلی لیتر متانول گرم حل می کنیم و با استفاده از هم زن شیشه ای محلول را هم می زنیم تا استفنات کاملا در اتانول حل شود(در صورتی که هنوز مقداری استفنات اسید در ته ظرف باقی ماند به مقدار متانول اضافه می کنیم)
۲- به آرامی ۴۰ گرم اکسید سرب را به محلول اضافه کرده و به مدت ۳۰ دقیق محلول را هم می زنیم.
۳-اجازه می دهیم تا محلول به مدت ۱ ساعت در جایی مطمین باقی بماند تا کریستال های سرب استفنات بطور کامل رسوب شود.
۴-با استفاده از کاغذ صافی یا پارچه محلول را فیلتر کرده و سرب استفنات را جدا می کنیم
۵- اجازه می دهیم تا رسوب به مدت ۴۸ ساعت در دمای اتاق در مکانی امن قرار گیرد تا خشک شود.

پس از گذشت این زمان ماده ما آماده است و می توان آن را در چاشنی و دیگر لوازم انفجار دیگر پر کرد.
این ماده را جهت نگهداری می بایستی همانند فولمینات جیوه و دیگر ترکیبات در آب نگهداری کرد

به نام خدا

نویسندگان : رضا آقایی و محمد جهانی

موضوع: تاریخچه پیدایش پلی اورتان و پلی یوریا2

عدم حساسیت نسبت به رطوبت:

برخلاف پلی یورتان که نسبت به رطوبت هوا و سطح حساس بوده و در اثر واکنش با رطوبت، ایجاد گاز دی اکسید کربن و متعاقباً کف یا نوک سوزنی می نماید، پلی یوریا تحت تاثیر رطوبت واقع نمی شود.واکنش بین دو جزء پلی یوریا به قدری سریع انجام می گیرد که این مواد فرصت واکنش یا رطوبت را پیدا نمی کنند. این مورد خصوصاً در شرایط جوی حاد و شرجی از مزایای این پوشش به شمار می رود. در مجموع پلی یوریا یک محافظ بتون کارا به حساب می آید. ابداعات جدید به ترکیبی از اپوکسی و پلی یوریا جهت مصارف آب بندی زیر زمین، پل ها، پارگین ها و کف پوش ها دست یافته است. از آنجایی که این سیستم ها زمان سخت شدن طولانی تری خواهند داشت، می توان از فیلترهایی چون ذرات سنگ، آهن یا کوارتز جهت بهبود اصطکاک وسایط نقلیه و خواص ضد لغزش در پیاده روها استفاده نمود.

چسبندگی عالی:

حتا اگر سطح اعمال پوشش مرطوب باشد، پلی یوریا به مراتب بهتر از پلی یورتان عمل خواهد کرد. نکته جالب توجه این است که پلی یوریا بدون تاثیر پذیری با ایجاد واکنش بر ریو یخ و آب نیز قابل اعمال می باشد. اگرچه اعمال هر پوششی بر روی سطوح خیس، بدون برایمر یا آماده سازی می تواند تاثیراتی بر چسبندگی سیستم داشته باشد. سیستمی که شامل آماده سازی کامل سطح باشد، چسبندگی را خصوصاً در شرایط بحرانی چون اعمال بر روی بتون مرطوب در کف پوش ها و یا پوشش داخلی مخازن بهبود می دهد. این مورد شامل اعمال بر روی فلز، چوب و بافته geotextille نیز هست.پلی یوریا در تست های چسبندگی بسیار خوب عمل می کند. به دلیل همین چسبندگی، تراوش ناپذیری و مقاومت در برابر شارژهای الکتریکی، نتیجه تست های جدایش کاتدی مطلوب و قابل قبول است.

مقدار جدایش کاتدی پلی یورتان در عرض 30 روز و در دمای 23 ، مطابق استاندارد DIN-30671 کمتر از mm12 می باشد، این مقدار در مورد پلی یوریا به کمتر از mm4 تقلیل یافته است.

مقاومت کششی عالی:

پیش از این پلی یورتان ها، درصد افزایش طول بیشتر و مدول کمتر از پلی یوریا ها داشتند، اما در حاضل حاضر پیشرفت های علم شیمی منجر به انواع پلی یوریاهایی به نرمی و الا ستیسیته شده است.
 
پلی یوریاهای جدید با نیروی کمتری کشیده می شوند و همپای پلی یورتان ها در برابر سوراخ شدن و پارگی مقاومت می نمایند. درصد افزایش طول و مقاومت کششی عالی پلی یوریا باعث ایجاد پل بر روی ترک ها و پر کردن شکاف های سطح شده و از ضعف پوشش د ر این حالات جلوگیری می نماید. مطابق استاندارد ASTMC-836 مقدار قابل قبول Crack bridging 4/1 میلی متر است. این در حالی است که این مقدار در پلی یوریا به 5 میلی متر افزایش می یابد (این تست در دماهای c 25- و c50+ تکرار شده و هیچ گونه آثار جدایش و یا کاهش چسبندگی رویت نشده است. همین مقاومت کششی بالا، پلی یوریا را برای استفاده در مواردی که سطح ممکن است در طی زمان تغییر جهت دهد و یا زمانی که تنش های شدید اعمال می شود، ایده آل می نماید.

درصد مواد فرار در حد صفر:

درصد مواد فرار بسیار کم یا صفر پلی یوریا سبب شده است که این محصول در مواردی که عدم آلودگی و سمیت پوشش از اهمیت خاصی برخوردار است. بسیار خوب عمل کند. این خاصیت پلی یوریا امکان استفاده از آن را در فضاهای کاری محدود فراهم می آورد. پلی یوریا امکان استفاده از آن را در فضاهای کاری محدود فراهم می آورد. پلی یوریا به دلیل voc پایین، در تماس با آب آشامیدنی، کاربردهای پزشکی، لوازم بهداشتی، صنایع غذایی و سیستم های تبرید، قابل مصرف می باشد.تا سال های اخیر، بسیاری از تولید کنند گان مواد غذایی و نوشیدنی ها به دلیل بهداشتی نبودن محیط و نداشتن تایید یه مجبور به توقف تولید و یا پرداخت جریمه های سنگین برای ادامه کار بودند. در حال حاضر پلی یوریا بهترین راه حل برای کف، دیوارها و ... این کارخانجات است

مقاومت سایشی بالا:

پلی یوریا در محیط های بسیار ساینده به خوبی عمل می کند. مقاومت آن در برابر سوراخ شدن، پارگی، ضربه و سایش این محصول را برای پوشش سطح تحت سایش مانند انبارش و حمل محصولات زغال سنگی، پس مانده های هسته ای، زباله ها، دستگاه هم زن سیمان، خطوط آهن و مسیرهای ریلی، صنایع قایق ساز، کف پوش کامیون ها و دیگر مواد مناسب می نماید.

در مقایسه مقاومت سایشی پلی یوریا با پلی یورتان و اپوکسی مطابق استاندارد ASTM-D4060 مقاومت سایشی پلی یوریا 5/6 برابر پلی یورتان و 16 برابراپوکسی گزارش شده است.

مقاومت در برابر حرارت و آتش:

در این مورد پلی یوریا نسبت به پلی یورتان دارای مزایایی است. پلی یوریا مقاومت حرارتی خوبی دارد. پلی یوریای سخت در مقابل گرما تغییر شکل نداده و شره نمی کند. در این عین این که انعطاف پذیری خود را حفظ کرده و در مقابل ضربه مقاومت بالایی از خود نشان می دهد. در این موارد پلی یورتان ها تمایل به شره کردن دارند. چنانچه این محصول در معرض شعله آتش قرار گیرد، پلی یوریا بهتر از اکثر پلیمرها عمل نموده و دود کم و پخش شعله پایین دارد.

دوام طولانی مدت:

بسیاری از پلی یوریاها بر پایه ایزوسیانات های الیفاتیک هستند که مقاومت آب و هوایی و دوام رنگی بالایی دارند.محصولاتی که بر پایه ایزوسیانات های آروماتیک هستند، دوام رنگی نداشته و در معرض نور به سمت گچی شدن و یا تیره شدن رنگ تمایل دارند. پیشرفت های علمی اخیر در زمینه تکنولوژی محصولات آلیفاتیک منجر به توسعه فرمول های جدید آسپارتیک شده است. این پلی یوریاهای آلیفاتیک - اسپارتیک با یک لایه بسیار نازک 125-75 میکرونی، دوام رنگی و مقاومت در برابر UV را تامین نماید. این ضخامت در سیستم هایی که استفاده از پلی یوریای الیفاتیک به تنهایی مد نظر است تا 500 میکرون افزایش خواهد داشت. نکته قابل توجه این است که علی رغم تغییر رنگ پلی یوریای اروماتیک درتست های Weathering این تغییرات فقط محدود به سطح بوده و در سایر خواص مکانیکی و شیمیایی و فیزیکی پوشش تغییری ایجاد نمی شود.

حفاظت محیطی:

زمان سخت شدن سریع پلی یوریا، امکان اعمال آن را بر روی سطوح آماده سازی شده با حداقل اتلاف زمانی امکان پذیر می نماید.بنابراین می توان پلی یوریا را جهت پوشش دیوارها و کف پوش های در تماس با مواد شیمیایی، اسیدهای رقیق ، قلیاها، محلول های نمک ، حلال های عالی و روغن ها استفاده نمود.

پلی یوریا سد محکمی در برابر ریز و آلوده سازی محیط زیست توسط مواد فوق ایجاد می نماید. در این گونه مصارف پلی یوریا خود را با شکل خطوط لوله ، انشعابات و اتصالات، تطابق داده و این سازه ها را کاملاً سیل و آب بندی می نماید. همچنین می توان در شرایط فوق العاده خورنده از پلی یورتان های آلیفاتیک یا رویه اپوکسی در سیستمهای فوق استفاده نمود.

سازگاری با محیط زیست:

علی رغم وجود گروه های ایزوسیانات در فرمولاسیون پلی یوریا، این ماده به عنوان محصول سازگار با محیط طراحی شده، هیچ گونه آسیبی به محیط ومجریانی که از تجهیزات ایمنی مناسب استفاده کرده اند وارد نمی کند. پلی یوریا در هیچ یک از مراحل تولید، انبارش، نقل وانتقال، کاربرد و یا مصرف، آلودگی ایجاد نمی کند. برخی از گریدهای پلی یوریا دارای تاییدیه  مصرف در تماس با آب آشامیدنی و پلنت های موادغذایی می باشند. نتیجه تست Gas Analysis شرکت sgs بر روی پلی یوریا بدین صورت گزارش شده است که درصد گاز HCN متصاعد شده از پلی یوریا در حالت مشتعل صفر بوده است.

انعطاف پذیری در فرمولاسیون:

معمولاً پوشش های پلی یوریا، به دلیل زمان ژلشدن سریعشان ( تا 5 ثانیه و متعاقباً تاثیر پذیری پوشش در برابر رطوب سطح یا محیط، معروف شده اند. اگرچه امکان تولید گریدهای مختلف پلی یوریا با زمان ژل شدن طولانی تر نیز وجود دارد. در این صورت پوشش فرصت می یابد که یکنواخت شده و سطحی صاف و براق ایجاد نماید.این حصولات gel  Slow در مصارفی که نما و پرداخت کار از اهمیت ویژه ای برخوردار بوده و یا محصول خود تراز شده و یا نفوذ کننده مد نظر باشد، مورد استفاده قرار می گیرند. پیشرفت در فرموله کردن افزودنی های جدید باعث تامین مزایا و خواص اعجاب انگیزی در پلی پوریا شده است.افزودنی های مخصوص بهبود چسبندگی ، نیاز به پرایمر را به حداقل رسانده اند. این مزیت باعث حذف مرحله اعمال پرایمر، کاهش هزینه های اعمال و زمان پروسه اعمال خواهد بود. همچنین افزودنی های مقاومuv، طول عمر بیشتر را در شرایط قرارگیری در معرض نور خورشید، تضمین می نمایند. تنظیمات فرمول، امکان مصرف پلی پوریا را در هر موردی فراهم می آورند. فرمول های استاندارد در حال حاضر امکان انتخاب بهترین و مناسب ترین گیرد را برای مصرف کننده تامین می نماید. امکان تغییر میزان سختی، انعطاف پذیری، مقاومت شیمیایی، مقاومت در برابر اشعه uv مقاومت حرارتی و ... با تغییر فرمولاسیون وجود دارد.

 
 سطوح قابل اعمال

پلی یوریا بر روی سطوح فلزی، بتونی، بافته geotxtile ، چوبی ، فایبر گلاس، سنگی ، فوم های پلی یورتان، پشم های معدنی، آجری، در زیر سطح زمین، روی سطح زمین، در آب شور و شیرین و ... قابل اعمال است.

کاربردهای پلی یوریا

پلی یوریا در صنایع مختلف کاربرد دارد. از جمله این صایع عبارتند از : صنعت پتروشیمی، صنایع تولید نیرو، صنایع نظامی، صنایع استخراج معدن، تاسیسات عام المنفعه، پوشش سقف و کف، صنایع دریایی، صنایع کشاورزی، صنایع اتومبیل سازی، ساخت و ساز، فوم و کامپوزیت و ...

نتیجه گیری

در دنیای امروزی، پلی یوریا اثبات کرده است. که انتخابی موثر کارا و اقتصادی در صنعت پوشش های محافظتی و ضد خوردگی و صنایع مرتبط به حساب می آید. تولید محصولاتی با خواص بهبود یافته و پیشرفته ترین تجهیزات اعمال و پاشش جهت حصول بهترین کیفیت و تامین خواسته مصرف کنندگان، هر روز بر محبوبیت و مقبولیت این پوشش در صنایع جهان می افزایند. گروه پوشش های محافظتی جنوب، با پیشینه 30 سال فعالیت در تولید، اجرا، خدمات و مشاور در صنعت کنترل خوردگی و پوشش های محافظتی، در سال گذشته موفق به اخذ نمایندگی از شرکت Nukote یکی از مهم ترین و پیشرفته ترین تامین کنندگان پوشش های صنعتی و پوشش های محافظتی جنوب، با در اختیار داشتن مدرن ترن تجهیزات اعمال و پاشش، متخصصین و کادر فنی کار آمد، مجریان با تجربه و پیمانکاران متخصص، پیشرفته ترین تکنولوژی های پوشش و همچنین پشتیبانی فنی گسترده، در کنار سایر فعالیت هایش در این صنعت، تامین، مشاوره و اجرای گریدهای مختلف پوشش پلی یوریا را نیز در سراسر ایران به عهده دارد.

به نام خدا

نویسندگان : رضا آقایی و محمد جهانی

موضوع: تاریخچه پیدایش پلی اورتان و پلی یوریا

نیاز مبرم به حفاظت سطوح در برابر خوردگی، تلاش های وسیعی را جهت فرموله کردن محصولات پوششی با خواص متنوع، در صنعت امروز می طلبد. در طی سالیان اخیر، دانشمندان و مهندسین شیمی نوآوری هایی را در صنعت پلیمر عرضه نموده اند تا جوابگوی این نیاز باشند.
از جمله پیشرفته ترین این پلیمرهای توسعه یافته، پوشش های مدرن پلی یورتان و پلی یوریامی هستند. از آنجایی که یک سیستم ایده آل حفاظت از خوردگی باید در کلیه مراحل اعمال، نصب و سویس با محیط زیست سازگار بوده دوام و مقاومت بالایی در برابر شرایط محیطی، صدمات مکانیکی و مواد شیمیایی داشته باشد و همچنین از نظر هزینه مواد، اجرا، تعمیرات و نگهداری، مقرون به صرفه باشد، پوشش های پلی یورتان و خصوصاً پلی یوریای 100 درصد جامد، به دلیل خواص ویژه خود، کلیه این نیازها را برآورده می نمایند.

پلی یوریا، راهبر انقلابی عظیم در فن آوری پوشش

تاریخچه پوشش های پلی یورتان به پایان سال 1930 و کشف پلیمریزاسیون افزایشی دی ایزوسیانات، توسط اتوبایر و همکاران بر می گردد. همین واکنش، کلید تولید پلی یورتان و پلی یوریا گردید.پلی یورتان، حاصل همین واکنش، کلید تولید یورتان و پلی یوریا گردید. پلی یورتان، حاصل واکنش گرمازا بین دی یا پلی ایزوسیانات با ترکیبات حاوی گروه های هیدروکسیل چون پلی ال می باشد.اما اغلب دی یا پلی ایزوسیانات ها می تواند با ترکیبات حاوی هیدروژن فعال، چون آمین ها، واکنش بسیار سریع تری داشته باشند. این واکنش مبنای  تشکیل ساختمانی پلی یورتا است. از آنجا که وجود زنجیره پلی یوریا در بسیاری از محصولات پلی یورتان، به دلیل مصرف آمین ها به عنوان  extender زنجیر و یا جزء رزین که به صورت جزیی یا کلی به جای پلی ال قرار می گیرد، غیر قابل پیش بینی نیست، اصطلاح (پلی یورتان) و یا (یورتان) جهت توصیه کلیه پلیمرهایی که حاصل واکنش دی یا پلی ایزوسیانات هستند و از جمله (پلی یورتا) مصرف می شده است. بنابراین صنعت پوشش مابین محصولات پوششی بر پایه ایزوسیانات / آمین و ایزوسیانات / چل یال در طی سالیان گذشته تفاوتی قایل نبوده است و این سیستم های پوششی کلا با نام پوشش های پلی یورتان معروف بوده اند.

این بحث تا سال 1989 که شرکت Texaco chemical (Huntsman) پوشش های الاستومری پلی یوریای 100 درصد جامد قابل پاشش را بر پایه پلی اتر آمین جفامین، به عنوان محصولی ویژه با مزایا و مشخصات فوق العاده به بازار عرضه نمود، ادامه داشت. از آن پس الاستومر پاششی پلی یوریای 100 درصد جامد به عنوان یک تکنولوژی پیشرفته جدید پذیرفته شد و متعاقباً انجمن توسعه پلی یوریا(PDA) در سال 2000 تاسیس یافت. مطابق استاندارد های این انجمن محصولی پلی یوریا نام میگیرد که محتوی پلی ال هیدرول آن از 80 درصد کمتر نباشد. بنابراین بین این دو پارامتر می توان سیستمی از ترکیب یا هیبرید پلی یوریا/ پلی یورتان داشت.

پلی یورتان و پلی یوریا - تشابه و تفاوت

شیمی پلی یورتان بر اساس واکنش گرمازا بین دی یا پلی ایزوسیانات و ترکیبات حاوی گروه پایانی هیدروکسیل، چون پلی ال ها، می باشد. شیمی پلی یوریا بر پایه واکنش گرما زا بین دی یا پلی ایزوسیانات با ترکیبات حاوی هیدروژن فعال چون آمین ها می باشد. این تفاوت ساختار، زمان واکنش بسیار سریع و متعاقباً زمان ژل شدن، خشک شدن سطحی و خشک شدن کامل سریع تر پلی یوریا را نسبت به پلی یورتان توجیه می نماید. باند C-N در ساختار پلی یوریا از باندc-o در الاستومر پلی یورتان قوی تر است. این خاصیت باعث حصول دوام حرارتی بهتر پلی یوریا نسبت به پلی یورتان می شود. در نتیجه سیستم پلی یوریای 100 درصد جامد دوام حرارتی و خواص ضد شوره بهتری را در برابر الاستومر پلی یورتان بروز می دهد. پوشش های الاستومر پلی یوریای 100 درصد جامد، شامل ساختار بلوکی نرم و سخت است.جزء دی ایزوسیانات به عنوان hard block و پلی اترآمین جفامین به عنوان soft block عمل می نمایند. خصوصاً آمین ها به طور اعم از ستون فقرات پلی اکسی پروپیلن نرم و انعطاف پذیر برخوردارند که بر خلاف پلی یورتان منجر به حصول طبیعت هیدروفوبیک / ضد آب پلی یوریا می گردد. نکته کلیدی در فناوری پوشش های آلاستومر پلی یورتا این است که واکنش آمین / دی ایزوسیانات تقریباً فوری انجام می گیرد( زمان ژل شدن 3 تا 10 ثانیه) که این واکنش سریع بودن حضور کاتالیست صورت می پذیرد. این واکنش دهی سریع تر از زمانی است که ایزوسیانات فرصت می یابد تا با رطوبت و آب وارد واکنش شود(واکنشی که منجر به تولید حباب های دی اکسید کربن می گردد) بنابراین پلی یوریا در مناطق شرجی و یا بر روی سطوح مرطوب قابل اعمال خواهد بود. پوشش پلی یوریا نبست به رطوبت حساس نبوده و عیوب مرتبط با رطوبت چون ایجاد حباب، کف و تورم را بروز نمی دهد.اگر چه توجه به این نکته ضروری است که جهت حصول حفاظت از خوردگی بلند مدت، اعمال هیچ یک از سیستم های پوششی بر روی سطوح مرطوب یا خیس توصیه نمی گردد، مگر این که با استفاده از پرایمر مخصوص از میزان چسبندگی به سطح اطمینان حاصل شود. عدم وجود کاتالیست جهت سخت شدن و طبیعت اتوکاتالیست پلی یورتا، باعث تامین خواص عالی در معرض نور uv و یا دماهای بالا می شود، چرا که وجود کاتالیست در سیستم، تخریب و افت خواص پلیمر را در شرایط مزبور افزایش می دهد. حفظ خواص فیزیکی پلی یوریای آلیفاتیک در شرایط مختلف جوی، بهتر از پلی یورتان الیفاتیک است که حاوی کاتالیست می باشد.اگرچه در سیستم های الاستومر پلی یوریای آروماتیک تمایل به زرد گرایی پلی اتر آمین و سایر واکنش گرهای آمینی ، کمی بیشتر از پلی یورتان های بر پایه هیدروکسیل پلی ال می باشد.

خواص کلی در پلی یوریای خالص به شرح زیر است:

خواص هیدروفوبیک که امکان انجام واکنش و سخت شدن در حضور رطوبت و همچنین امکان اعمال بر روی یخ، آب و سطوح سرد - بدون نیاز به پیش گرم کردن - فراهم می سازد.

مقاومت شیمیایی بالا دارد

دارای مقاومت مکانیکی فوق العاده است.

خواص فیزیکی عالی دارد، شامل کشش، درصد افزایش طول، سایش و ...

پلی یوریای خالص در عرض چند ثانیه وارد واکنش می شود، در عرض 2-1 ساعت به 75 درصد میزان سخت شدن کامل خود می رسد و در عرض 24 ساعت کاملاً سخت می شود. در مقابل آن، پلی یورتان خالص ضعف های دارد:

هیدروفوب نیست و در حضور رطوبت و شرایط جوی مرطوب و شرجی، با رطوبت وارد واکنش منفی می شود.در نتیجه روی سطوح سرد قابل اعمال نمی باشد.

مقاومت شیمیایی بالایی ندارد.
مقاومت مکانیکی فوق العاده ای ندارد.
خواص فیزیکی ضعیف تری از خود بروز می دهد.
چسبندگی ضعیفی به سطوح داشته و دایماً نیاز به مصرف پرایمر جهت بهبود چسبندگی دارد.
در عرض چند دقیقه تا ساعت وارد واکنش شده، در عرض 6-3 ساعت به 75 درصد میزان سخت شدن کامل خود می رسد و در عرص 73-24 ساعت کاملاً سخت می شود.
همین تفاوت های چشمگیر، رمز برتری و تفوق پلی یوریا محسوب می شود.

خواص و مزایای پلی یوریا:

زمان واکنش سریع

زمان واکنش سریع پلی یوریا(5 تا 15 ثانیه) سریع تر از کلیه محصولات پوششی رقیب می باشد. این پوشش اتوکالیست، به دلیل واکنش دهی سریعش با رطوبت محیط یا سطح وارد واکنش نشده و بر روی سطوح سرد یا مرطوب فلزی، بتونی، چوبی، فوم پلی یورتان و ...قابل اعمال است. در ضمن داشتن این خاصیت، امکان طولانی تر کردن زمان ژل شدن پلی یوریا از 20 ثانیه تا چند دقیقه ، جهت مصرف در موارد مورد نیاز نیز وجود دارد. زمان واکنش و خشک شدن سریع پلی یوریا از مهم ترین مزایای این پوشش به حساب می آید. خصوصاً در مواردی که برگشت به سرویس سریع سازه پس از اعمال پوشش یک فاکتور بحرانی است، پلی یوریا این امکان را در اسرع وقت فراهم می نماید. خشک شدن کامل پلی یوریا در عرض چند ساعت صورت می پذیرد، این در حالی است که مدت زمان اعمال و خشک شدن دیگر محصولات پوششی هفته ها به طول می انجامد. از آنجا که پلی یوریا در عرض چند ساعت صورت می پذیرد، این در حالی است که مدت زمان اعمال و خشک شدن دیگر محصولات پوششی هفته ها به طول می انجامد. از آنجا که پلی یوریا به عنوان پوشش ضد خوردگی استاندارد در صنعت جهت پوشش خطوط لوله مطرح شده است. تجهیزات ویژه پوشش خطوط لوله (lathe) امکان اعمال پوشش در حجم های بالا و با سرعت زیاد را فراهم آورده است.تجهیزات اعمال متحرک، اعمال پوشش را در نقاط استراتژیک با کاهش هزینه های حمل و نقل امکان پذیر می نماید. همچنین تعمیرات بسیار سریع فاکتور بسیار جذابی برای مصرف کنند گان به حساب می آید.

در سراسر دنیا در بسیاری از خطوط لوله از جمله petroleum pipelineTrans-Alaska و Natural Gas Pipelines در se آسیا و pipelines petroleum در چین از پلی یوریا جهت پوشش استفاده شده است که نتیجه این پروژه ها اعمال و بهره برداری سریع، کاهش هزینه ها، بهبود کیفی و کارایی به حداقل رساندن هزینه تعمیر و نگهداری بوده است.

به نام خدا

نویسندگان : محمد معتدل و نعمتی

موضوع: زغال فعال شده (Avtivate Carbon) چیست ؟

اصطلاح زغال فعال شده نشان دهنده یک سری از مواد جذب کننده سطحی , با جنسی زغالی و شکل کریستالی می باشد که در ساختار داخلی آن روزنه های زیادی وجود دارد.زغال فعال شده دارای کاربردهای زیادی است, از جمله مصارف آن:

- تصفیه آبها ( آب شرب, آب آکواریومها, آبهای صنعتی), از نظر رنگ و بو و طعم
- رنگزدایی از قند و شکر
- بازیافت طلا
- بهسازی رنگ و طعم در نوشیدنی ها و آب میوه ها
- استفاده در دستگاههایی مثل: تصفیه کننده های هوا, خوش بو کننده ها, تصفیه کننده های صنعتی و ...

تولید زغال فعال شده

فعال سازی شیمیایی:

این شیوه بیشتربرای مواردی است که مواد اولیه آن چوب و یا زغال سنگ نارس(Peat) می باشد. مواد اولیه را با یک عامل آبگیر مانند اسید فسفریکP2O5 یا کلرید زنیکZnCl2 آغشته می کنند تا مادهای خمیری حاصل شود. این مادهرا در بازه دمایی500 - 800 درجه سانتیگراد حرارت میدهند تا کربن فعال شود.
زغال فعال شدهحاصل را بعد از شستشو خشک و به پودر تبدیل می کنند.
زغال فعال شدهبدست آمده توسط این روش, دارای منافذ باز زیادی است و برای جذب مولکول های بزرگ بسیارمناسبند.

 
فعال سازی توسط بخار(C + H2O) :

این روش بیشتر برای موادهای اولیه ای چون چوب نیم سوخته, زغال سنگ و پوست نارگیل که زغالی شده اندبه کار می رود. فعال سازی دربازه دمایی800 - 1100 درجهسانتیگراد و در حضور بخار انجام می شود.
در آغاز موادزغالی با بخار به گاز تبدیل می شوند که به واکنشwater-gazمعروف است:

 →CO + H2 - 175.440KJ/(KgMol
 
(2CO + O2
(2H2 + O2

 
این واکنش گرماگیراست و گرمای مورد نیاز توسط سوختن ناقصCO وH2 بصورت زیر تامین می شود:

 → 2CO2 + 393.790 KJ/(KgMol → 2H2O + 396.650 KJ/(KgMol

در ضمن هوا به مقدار مورد نیاز وارد واکنش می شود تا زغالنسوزد
.
زغال های فعال شده ی تولید شده توسط این روش معمولادارای منافذ ریزند و برای جذب مواد از مایعات و گازها مناسبند.

 
ویژگی های جذبی و فیزیکی

ویژگی های جذبی :

(1 سطح: با استفاده ازN2 حدود منافذ سطحی زغال فعال شده را اندازه می گیرند.هر چه سطح زغال فعال شده بیشنرباشد, قسمتهای جاذب نیزبیشترند.
2) اندازهمنافذ: تعیین اندازه های یکزغال فعال شده میتواند راهی مناسب برای تشخیص خصوصیات آن باشد.که درIUPAC منافذ بر اساس اندازه به صورت زیر دسته بندی شدهاند:
Micropores r<1nm
Mesopores r 1-25nm
Micropores r>25
کهmesopore ها برای جا به جایی وMicropore ها برای جذب موادهستند.
3) تخلخل: یکی از راههایاندازه گیری میزان تخلخل در توده ای از زغال فعال شده, استفاده از میزان جذبCCl4 خالص در حالت گازی می باشد. 
  
 
بازیافت زغال فعال شده

به مرور زمان و استفاده از زغال فعال شده, سطح آن از مواد آلایندهاشباع می شود. زغال فعال شدهیک محصول گران است و در عین حال میتواند در چرخه بازیافت قرار گیرد و مجددا مورداستفاده قرار گیرد. بازیافتزغال فعال شده, هزینه کمینسبت به تولید اولیه دارد و دارای قیمت ارزانتری نیز می باشد.زغال فعال شده مواداورگانیک را از محیط اطرافش جذب می کند, که عمل انتقال آلاینده از فاز مایع( آب) به فاز جامد( کربن) صورت می گیرد.نیروی جاذبه ای باعث تشکیل یکپیوند بین آلاینده و کربن و چسبیدن آنها به هم می شود.
علاوه بر این باکتری هایی به سطح خارجی زغال فعال شده می چسبند و بخشی ازآلاینده ها را جذب و مصرف می کنند.
جذب منجر بهپخش یک گاز یا ترکیب در شبکه متخلخل زغال فعال شده می گردد, جایی که یک واکنششیمیایی یا یک ثبات فیزیکی روی می دهد. به عنوان مثال ازنO3
در قسمتی که جذب می شود, قسمتی از زغال فعال شده رااکسید میکند, و3O بهO2 تبدیل می شود و ازن در ساختار کربن اندوخته و گردآوری نمیشود.
جذب در زغال فعال شده دارای3 مرحلهاست:

1- تماس ذرات آلاینده محلول در مایع( آب) با ذرات زغالفعال شده
2- پخش شدن ذرات آلاینده در شبکه متخلخل زغال فعالشده
3- جذب ذرات آلاینده به زغال فعال شده و بوجودآمدن یک پبوند برگشت ناپذیرسختی و مقاومتدر برابر حرارت و فشار: زغال های فعال شده دارای سختی های متفاوتی هستند کهمربوز به مواد اولیه و شیوه تهیه آنها می باشد. بنا به درجه سختی, هر یک از آنهاکاربردهای متفاوتی دارند.

2 اصول و فنون گوناگونی در ساخت و تولید زغالهای فعالشده وجود دارد که به3 اصلبستگی دارد:

- نوع ماده اولیه
- مشخصات فیزیکیمورد نظر برای محصول(زغالفعال شده)
- مشخصات جذبیبرای کاربردهای مختلف

به نام خدا

نویسندگان : محمد معتدل و نعمتی

موضوع: تخریب و تولید غیر کاتالیزی اوزون

واکنش تشکیل گرمای کافی برای تعیین دما در این منطقه از جو را تولید می کند. بالای استراتوسفر ، هوا بسیار رقیق است و غلظت مولکولها به اندازه ای کم است که بیشتر اکسیژن به صورت اتمی وجود دارد ، که از تفکیک مولکول های o2 به وسیله فوتونهای UV-C نور خورشید به وجود آمده اند. برخورد نهایی اتم های اکسیژن به تشکیل مجدد مولکولهای o2 منتهی می شود ، و  این مولکولها مجددا بر اثر جذب نور خورشید تفکیک می شوند.

در این مطلب ، تشکیل اوزون در استراتوسفر و تخریب غیر کاتالیزی آن مورد تجزیه و تحلیل قرار میگیرد. به طوری که خواهیم دید واکنش تشکیل گرمای کافی برای تعیین دما در این منطقه از جو را تولید می کند. بالای استراتوسفر ، هوا بسیار رقیق است و غلظت مولکولها به اندازه ای کم است که بیشتر اکسیژن به صورت اتمی وجود دارد ، که از تفکیک مولکول های o2 به وسیله فوتونهای UV-C نور خورشید به وجود آمده اند. برخورد نهایی اتم های اکسیژن به تشکیل مجدد مولکولهای o2 منتهی می شود ، و  این مولکولها مجددا بر اثر جذب نور خورشید تفکیک می شوند.
در استراتوسفر ،‌ شدت نور UV-C خیلی کمتر است زیرا قسمت عمده آن به وسیله اکسیژن موجود در بالای استراتوسفر جذب می شود و چون چگالتر است غلظت اکسیژن مولکولی خیلی بیشتر است. به این دلایل ، قسمت عمده اکسیژن استراتوسفری به جای اکسیژن اتمی به صورت o2 وجود دارد. از آنجا که غلظت مولکولهای o2 نسبتا زیاد است و غلظت اکسیژن اتمی خیلی کم است ،‌ محتملترین سرنوشتی که برای اتمهای اکسیژن استراتوسفری ایجاد شده به وسیله تجزیه نور شیمیایی o2 وجود دارد این است که با مولکولهای اکسیژن دو اتمی برخورد کنند و به این ترتیب اوزون حاصل شود:

          گرما +O3  >---------- O  + O2

 در واقع ، این واکنش منبع تمام اوزون موجود در استراتوسفر است. به هنگام روز ،‌ اوزون به طور پیوسته به وسیله این فرآیند در حال تشکیل شدن است و سرعت تشکیل آن به مقدار نور UV و غلظت مولکولهای اکسیژن در یک ارتفاع معین بستگی دارد. در پایین استراتوسفر وفور O2 خیلی بیشتر از وفور آن در بالای استراتوسفر است زیرا چگالی هوا با نزدیک شدن به سطح زمین به طور فزاینده ای افزایش می یابد. اما در این سطح مقدار نسبتا کمی از اکسیژن تفکیک می شود و از این رو مقدار کمی اوزون تشکیل می شود زیرا تقریبا تمام UV پر انرژی از نور خورشید پیش از رسیدن به این ارتفاع حذف شده است. به این دلیل لایه اوزون خیلی زیاد به پایین تر از استراتوسفر گسترش نمی یابد. بر عکس در بالای استراتوسفر شدت UV-C بیشتر است اما هوا رقیق تر است و بنابراین اوزون نسبتا کمی تولید می شود زیرا اتم های اکسیژن به جای برخورد با تعداد کم مولکول های O2 دست نخورده با یکدیگر برخورد می کنند. در نتیجه چگالی اوزون در جایی که حاصلضرب شدت UV-C و غلظت O2   حد اکثر است به حداکثر می رسد. این حداکثر چگالی اوزون در بالای مناطق حاره در حدود 25 کیلومتری در بالای عرضهای جغرافیایی میانی (همان طور که در نمودار در شکل1 نمایش داده شده است) در21 کیلومتری و در بالای مناطق زیر قطبی در 18 کیلومتری مشاهده می شود. بیشتر اوزون در منطقه ای بین 15 و 35 کیلومتری ، یعنی قسمت تحتانی و میانی استراتوسفر که همچنین به عنوان لایه اوزون شناخته می شود ، واقع شده است.

 
توجه کنید که منطقه حداکثر چگالی اوزون خیلی پایین تر از ارتفاع 35 کیلومتری است که در آنجا حداکثر غلظت اوزون مشاهده می شود( شکل2الف را ببینید). در ارتفاعات بالاتر، هوابه اندازه ای رقیق است که حتی با وجود بیشتر بودن نسبت مولکولهای اوزون به مولکولهای هوا (یعنی غلظت بیشتر است) ، تعداد مطلق مولکولهای اوزون در لیتر در مقایسه با جمعیت این مولکولها در هوای چگالتر در ارتفاعات کمتر به میزان قابل توجهی کاهش یافته است. در سطوح پایین تر جو اوزون بیشتری در حجم هوا وجود دارد (چگالی بیشتر) اما تعداد دیگر مولکولهای هوا خیلی بیشتر از مولکولهای اوزون است ـ بنابر این غلظت کمتری از اوزون وجود دارد.

برای جذب انرژی گرمایی تولید شده در برخورد بین اکسیژن اتمی (O) و O2 که به تشکیل اوزون منتهی می شود ، مولکول سومی ، که آن را با M نشان می دهیم مانند N2 مورد نیاز است بنابر این واکنش بالا به طور واقع بینانه تر به صورت زیر نوشته می شود:

گرما > O3  + M + ----------  O  + O2  + M

      آزاد شدن گرما به وسیله این واکنش سبب می شود که دمای استراتوسفر همان طور که در شکل 2-3 ب نشان داده شده از دمای هوای بالا و پایین آن بیشتر باشد. در واقع استراتوسفر به عنوان منطقه ای در فضا تعریف شده که بین این دو دما قرار گرفته است. از روی شکل 2 ب توجه کنید که در استراتوسفر ، هوا در یک ارتفاع معین خنک تر از هوایی است که در بالای آن قرار دارد. نام عمومی این پدیده وارونگی دما است. از آنجا که هوای خنک چگالتر از هوای گرم است به علت نیروی گرانش ، هوای خنک خود به خود صعود نمی کند در نتیجه اختلاف هوا در جهت عمودی در استراتوسفر در مقایسه با اختلاف هوا در تروپوسفر فرایندی بسیار کند است. بنابراین هوا در این منطقه طبقه طبقه شده است و نام استراتوسفر از اینجا گرفته شده است.
نتایج بررسیها  نشان می دهد که فوتونهای نور در گستره مرئی و حتی در قسمتهایی از گستره زیر قرمز نور خورشید انرژی کافی برای جدا کردن یک اتم اکسیژن از مولکول O3 را دارند. اما اوزون با جذب نور خورشید اگر چه در این نواحی طول موج مقداری جذب به وسیله O3وجود دارد تفکیک نمی شود. اما نور UV با طول موجهای کوتاه تر از nm 320 که به وسیله اوزون جذب میشود در انجام واکنش تفکیک موثر است. از این رو تنها جذب فوتون UV-C یا UV-B به وسیله مولکول اوزون در استراتوسفر به تخریب آن مولکول منجر می شود:

( O2  +  O >---------- O3 + UV  ( < 320 nm

آرایش الکترونی اتم های اکسیژن تولید شده در واکنش اوزون با نور UV با آرایش الکترونی اتم اکسیژن در پایین ترین انرژی آن تفاوت دارد. اتمها یا مولکولهایی که به طور گذرا در چنین وضعی هستند گفته می شود که در یک حالت بر انگیخته به سر می برد و نماد آنها با یک ستاره به صورت بالاوند (*) مشخص می شود. این قبیل اتمها یا مولکولها در مقایسه با آرایش الکترونها در پایین ترین انرژی که از آن به عنوان حالت پایه یاد می شود یک مقدار انرژی اضافی دارند. در صورتی که اتم یا مولکول برانگیخته به سرعت با اتم یا مولکول دیگری وارد واکنش نشود این انرژی اضافی معمولا تلف می شود.
اکثر اتم های انرژی تولید شده در استراتوسفر به وسیله تجزیه نور شیمیایی اوزون یا O2 متعاقبا با مولکولهای دست نخورده O2 وارد واکنش شده اوزون از نو تشکیل می شود. تعدادی از اتم های اکسیژن نیز با مولکولهای دست نخورده اوزون ترکیب شده و این مولکولها با تبدیل شدن به O2 تخریب می شوند:

2O2 >---------- O3  +  O

 این واکنش به طور ذاتی کند است زیرا انرژی فعالسازی   kJmol 18 برای این واکنش تا حدودی قابل توجه است و در نتیجه تعداد برخوردهای محدودی با انرژی کافی برای انجام این واکنش صورت می گیرد.

خلاصه مطالب بالا به این صورت است که اوزون در استراتوسفر در طول روز طی یک رشته واکنشهایی که به طور همزمان صورت می گیرند به طور پیوسته تشکیل و تجزیه می شود و از نو به وجود می آید. اوزون در استراتوسفر به این علت تولید می شود که در آنجا به مقدار کافی UV-C از نور خورشید وجود دارد تا تعدادی از مولکولهای O2 را به اتمهای اکسیژن تفکیک کند و اکثر این اتمها با دیگر مولکولهای O2 برخورد می کنند و مولکول اوزون به وجود می آید. گاز اوزون UV-B و UV-C را از نور خورشید حذف می کند اما در جریان این عمل یا در واکنش با اتم های اکسیژن به طور گذرا تخریب می شود. اوزون در پایین تر از استراتوسفر تشکیل نمی شود زیرا در آنجا UV-C لازم برای تولید اتم های O که برای تشکیل O3 مورد نیاز است وجود ندارد. UV-C قبلا در استراتوسفر به وسیله O2 و O3 جذب شده است. در بالای استراتوسفر برتری با اتم های اکسیژن است که با دیگر اتم های اکسیژن برخورد کرده مولکولهای O2 از نو تشکیل می شوند. فرآیندهای تولید وتخریب اوزون در شکل 3 خلاصه شده است.

حتی در لایه اوزون استراتوسفر O3 گازی نیست که بیشترین فراوانی را داشته باشد یا حتی یک گونه اکسیژن دار عمده به حساب نمی آید. غلظت آن هرگز از ppm 10 تجاوز نمی کند ( شکل 2الف را ببینید ). در واقع اگر قرار باشد تمام اوزون استراتوسفر را در سطح زمین تحت فشار اتمسفر جمع آوری کنیم ضخامت این لایه فقط mm 3ر0 خواهد بود. از این رو واژه "لایه اوزون" نا مناسب است. در هر حال این غلظت کم اوزون کافی است تا تمام UV-C باقیمانده و قسمت عمده UV-B باقیمانده را از نور خورشید پیش از رسیدن آن به جو تحتانی حذف کند. احتمالا واژه "حفاظ اوزون" مناسب تر از "لایه اوزون" باشد.

به نام خدا

نویسندگان : محمد معتدل و نعمتی

موضوع: رزین های مبادله کننده یون

مقدمه

پدیده تبادل یون برای اولین بار در سال 1850 و به دنبال مشاهده توانایی خاک‌های زراعی در تعویض برخی از یون‌ها مثل آمونیوم با یون کلسیم و منیزم موجود در ساختمان آنها گزارش شد. در سال 1870 با انجام آزمایش‌های متعددی ثابت شد که بعضی از کانیهای طبیعی بخصوص زئولیت‌ها واجد توانایی انجام تبادل یون هستند. در واقع به رزین‌های معدنی ، زئولیت می‌گویند و این مواد یون‌های سختی آور آب (کلسیم و منیزیم) را حذف می‌کردند و به جای آن یون سدیم آزاد می‌کردند از اینرو به زئولیت‌های سدیمی مشهور شدند که استفاده از آن در تصفیه آب مزایای زیاد داشت چون احتیاج به مواد شیمیایی نبود و اثرات جانبی هم نداشتند.

اما زئولیت‌های سدیمی دارای محدودیتهایی بودند. این زئولیتها می‌توانستند فقط سدیم را جایگزین کلسیم و منیزیم محلول در آب نمایند و آنیونهایی از قبیل سولفات ، کلراید و سیلیکات‌ها بدون تغییر باقی می‌مانند. واضح است چنین آبی برای صنایع مطلوب نیست. پس از انجام تحقیقات در اواسط دهه 1930 در هلند زئولیتهایی ساخته شد که به جای سدیم فعال ، هیدروژن فعال داشتند. این زئولیتها که به تعویض کننده‌های کاتیونی هیدروژنی معروف جدید ، سیلیس نداشته و علاوه بر این قادرند همزامان هم سختی آب را حذف کنند و هم قلیائیست آب را کاهش دهند.

برای بهبود تکنولوژی تصفیه آب ، گامهای اساسی در سال 1944 برداشته شد که باعث تولید زرین‌های تعویض آنیونی شد. زرین‌های کاتیونی هیدروژنی تمام کاتیونی آب را حذف می‌کنند و رزین‌های آنیونی تمام آنیونهای آب را از جمله سیلیس را حذف می‌نمایند ، در نتیجه می‌توان با استفاده از هر دو نوع زرین ، آب بدون یون تولید کرد. همچنین پژوهشگران دریافتند که سیلیکات آلومینیم موجود در خاک قادر به تعویض یونی می‌باشد. این نتیجه گیری با تهیه ژل سیلیکات آلومینیم از ترکیب محلول سولفات آلومینیم و سیلیکات سدیم به اثبات رسید. بنابراین اولین رزین مصنوعی که ساخته شد سیلیکات آلومینیم بود. و امروزه اکثر زرین‌های تعویض یونی که در تصفیه آب بکار می‌روند رزین‌های سنتزی هستند که با پلیمریزاسیون ترکیبات آلی حاصل شده‌اند.

شیمی رزین‌ها

رزین‌های موازنه کننده یون ، ذرات جامدی هستند که می‌توانند یونهای نامطلوب در محلول را با همان مقدار اکی والان از یون مطلوب با بار الکتریکی مشابه جایگزین کنند. رزین‌های تعویض یونی شامل بار مثبت کاتیونی و بار منفی آنیونی می‌باشد بگونه‌ای که از نظر الکتریکی خنثی هستند. موازنه کننده‌ها با محلول‌های الکترولیت این تفاوت را دارند که فقط یکی از دو یون ، متحرک و قابل تعویض است به عنوان مثال ، یک تعویض کننده کاتیونی سولفونیک دارای نقاط آنیونی غیر متحرکی است که شامل رادیکالهای آنیونی SO2-3 می‌باشد که کاتیون متحرکی مثل +H یا +Na به آن هستند.

این کاتیونهای متحرک می‌توانند در یک واکنش تعویض یونی شرکت کنند به همین صورت یک تعویض کننده آنیونی دارای نقاط کاتیونی غیر متحرکی است که آنیون‌های متحرکی مثل -Cl یا -OH به آن متصل می‌باشد. در اثر تعویض یون ، کاتیون‌ها یا آنیون‌های موجود در محلول با کاتیون‌ها و آنیون‌های موجود در رزین تعویض می‌شود ، بگونه‌ای که هم محلول و هم رزین از نظر الکتریکی خنثی باقی می‌ماند. در اینجا با تعادل جامد مایع سروکار داریم بدون آنکه جامد در محلول حل شود. برای آنکه یک تعویض کننده یونی جامد مفید باشد باید دارای شرایط زیر باشد:

1. خود دارای یون باشد.
2. در آب غیر محلول باشد.
3. فضای کافی در شبکه تعویض یونی داشته باشد ، بطوریکه یونها بتوانند به سهولت در شبکه جامد رزین وارد و یا از آن خارج شوند.

در مورد رزین‌های کاتیونی هر دانه رزین با آنیون غیر تحرک و یون متحرک +H را می‌توان همچون یک قطره اسید سولفوریک با غلظت 25% فرض نمود. این قطره در غشایی قرار دارد که فقط کاتیون می‌تواند از ان عبور نماید. شکل زیر تصویر یک دانه رزین و تصویر معادل یک قطره اسید سولفوریک 25% نشان می‌دهد.

طبقه بندی رزین‌ها
رزین‌ها بر حسب گروه عامل تعویض متصل به پایه پلیمری رزین به چهار دسته تقسیم می‌شوند:

1. رزین‌های کاتیونی قوی SAC) StrongacidisCation)
2. رزین‌های کاتیونی ضعیف WAC) Weak acidis Cation)
3. رزین‌های آنیونی قوی SBA) Strongbasic anion)
4. رزین‌های آمونیونی ضعیف WBA) Weak basicanion

بطور کلی رزین‌های نوع قوی در یک محدوده وسیع PH و رزین‌های نوع ضعیف در یک محدوده کوچک از PH مناسب هستند. ولیکن با استفاده از رزین‌های نوع ضعیف ، صرفه جویی قابل توجهی در مصرف مواد شیمیایی مورد نیاز برای احیا رزین را باعث می‌شود. رزین‌های کاتیونی قوی قادر به جذب کلیه کاتیونهای موجود در آب می‌باشد ولی نوع ضعیف قادر به جذب کاتیونهای هستند که به قلیائست آب مرتبط است و محصول سیستم اسید کربنیک است.

نوع قوی
Ca(HCO3)2 OR MgSO4 + 2ZSO3H -----> Ca2++2H2CO3 OR Mg2+ + H2SO4

نوع ضعیف
Mg(HCO3)2 OR Ca(HCO3)2 + 2ZCOOH -----> (ZCOO)2+ + Mg(ZCOO)2+Ca + 2H2CO3

مزیت رزین‌های کاتیونی ضعیف بازدهی بالای آنها در مقایسه با رزینهای کاتیونی قوی می‌باشد ، در نتیجه باعث تولید پساب کمتر در احیا مکرر می‌گردد. اصولا زمانی که هدف جداسازی کلیه کاتیونهای آب است بکارگیری توام رزین کاتیونی قوی و ضعیف اقتصادی تر از بکارگیری رزینهای کاتیونی قوی می‌باشد. رزین‌های آنیونی قوی قادر به جذب کلیه آنیونهای موجود در آب بوده ولی رزین‌های آنیونی قادر به جذب آنیون اسیدهای قوی نظیر اسید سولفوریک ، کلریدریک و نیتریک می‌باشد. رزین‌های آنیونی ضعیف مقاومتر از رزینهای آنیونی قوی بوده و به همین جهت در سیستم‌های تصفیه آب ، رزین‌های آنیونی قوی در پاین دست رزینهای آنیونی ضعیف قرار می‌گیرند.

2HCl OR 2H2SiO3 + 2ZOH -----> 2ZHSio3ZCl + H2O

2HCl OR 2HNO3 + ZOH -----> 2ZCl OR 2ZNO3 + H2O

برخی از کاربردهای رزین‌ها

• رزین‌های کاتیونی سدیمی نه تنها کاتیون‌های سختی آور آب بلکه همه یون‌های فلزی را با سدیم تعویض می‌کنند. برای احیا این نوع رزین‌های کافی است که رزین را با آب نمک شست و شو دهیم تا رزین به فرم اولیه خود برگردد.
• با رزین‌های کاتیونی چه نوع هیدروژنی و چه نوع سدیمی می‌توان آهن و منگنز را چون بقیه کاتیونها حذف کرد اما به علت امکان آلوده شدن رزین‌ها معمولا مشکلاتی داشته و باید نکاتی را رعایت کرد. اولا باید دقت کرد که قبل از حذف یون آهن توسط رزین هیچ هوایی با آب در تماس قرار نگیرد چون در اثر مجاورت با هوا ، آهن و منگنز محلول در اب اکسیده شده غیر محلول در می‌آیند و در نتیجه روی ذرات رزین رسوب کرده و باعث آلوده شدن رزین می‌گردد.
• با استفاده از رزین‌های تبادل یونی می‌توان لیزین را که جز اسید آمینه ضروری مورد نیاز رژیم غذایی خوکها ، ماکیان و سایر گونه‌های حیوانی می‌باشد ، را تخلیص کرد. دلیل اهمیت تخلیص این اسید آمینه ، نزدیکتر شدن رژیم غذایی حیوانات به نیازمندیهای آنها در مصرف مواد خام و ... است با توجه به اینکه مقدار لیزین در دانه‌ها ، بخصوص غلات ناچیز می‌باشد.
• حذف سیلیکا از آبهای صنعتی با استفاده از رزین‌های آنیونی قوی
• حذف آمونیاک از هوا بوسیله زئولیت‌های طبیعی اصلاح شده (کلینوتپلولیت)