گاز اکسیژن
اطلاعات اولیه
اکسیژن یکی از عناصر شیمیایی در جدول تناوبی است که نماد آن O و عدد اتمی آن ۸ می‌باشد. این ماده ، یک عنصر حیاتی بوده و همه جا چه در زمین و چه در کل جهان هستی یافت می‌شود. مولکول اکسیژن (O۲ )در زمین از نظر ترمو دینامیکی ، ناپایدار است، ولی توسط عمل فتوسنتز باکتری های بی‌هوازی و در مرحله بعدی توسط عمل فتوسنتز گیاهان زمینی بوجود می‌آید.
پیدایش
اکسیژن، فراوانترین عنصر در پوسته کره زمین است و تخمین هایی در این زمینه وجود دارد که مقدار آن را ۴۶.۷% ذکر می‌کنند. اکسیژن ۸۷% اقیانوسها (به‌صورت آب) و ۲۰% درصد جو زمین (به‌صورت اکسیژن مولکولی O۲ یا ازن) را به خود اختصاص میدهد. ترکیبات اکسیژن مخصوصا اکسید فلزات و سیلیکات‌ها و کربناتها معمولا در خاک و صخره‌ها یافت می‌شوند.
آب یخ‌زده یک جسم سخت متداول بر روی سیارات دیگر و ستاره‌های دنباله‌دار می‌باشد. کلاهک‌های یخ کره مریخ از دی‌اکسید کربن منجمد تولید شده‌اند. ترکیبات اکسیژن در تمام کهکشان یافت می‌شوند و طیف نور اکسیژن اغلب در ستاره‌ها دیده می‌شود.
اکسیژن در سال ۱۷۷۱ میلادی توسط داروساز سوئدی “Karl Wilhelm Scheele” کشف شد، ولی این کشف خیلی سریع شناخته نشد و با اکتشاف مستقل “Joseph Priestley” بطور گسترده تری شناخته شد و توسط “Antoine Laurent lavoisier” در سال ۱۷۷۴ نام‌گذاری شد.
– تاریخچه گاز اکسیژن و ریشه لغوی
واژه اکسیژن در دو واژه یونانی Oxus ( اسید ) و Gennan ( تولید ) ، ساخته شده است؛ (یک اسم بی‌مسما ، چون خیلی از اسیدها اکسیژن ندارند)
خصوصیات قابل توجه
اکسیژن در دما و فشار استاندارد به‌صورت گاز است که حاوی دو اتم اکسیژن به فرمول شیمیایی O۲ می‌باشد. اکسیژن عنصر مهم هواست و از طریق عمل فتوسنتز گیاهان تولید شده و برای دم و بازدم حیوانات لازم است. اکسیژن مایع و جامد یک رنگ آبی کمرنگ داشته و هر دو بسیار پارامگنتیک می‌باشند. اکسیژن مایع معمولا با عمل تقطیر جزئی هوای مایع بدست می‌آید.
کاربردها
اکسیژن به‌عنوان اکسید کننده کاربرد بسیار زیادی داشته ، فقط فلوئور از آن الکترونگاتیوتر است. اکسیژن مایع به‌عنوان اکسید کننده در نیروی حرکتی موشکها استفاده می‌شود. از آنجا که اکسیژن برای دم و بازدم ضروری است، در پزشکی کاربرد دارد. گاهی اوقات کسانی که کوه نوردی می‌کنند یا در هواپیما پرواز می‌کنند، مخازن اکسیژن همراه دارند (به‌عنوان هوا). همچنین اکسیژن در جوشکاری و ساخت فولاد و همچنین متانول کاربرد دارد.
اکسیژن به‌عنوان یک ماده آرامش‌بخش ، سابقه استفاده دارد که تا زمان حال نیز ادامه دارد و بارهای اکسیژن در مهمانی‌ها و مجالس امروزی وجود دارد. در قرن ۱۹ اکسیژن معمولا با اکسید نیترات ترکیب می‌شد که اثر تسکین دهنده دارد.
ترکیبات
به خاطر وجود الکترونگاتیویتی، اکسیژن تقریبا با تمام عناصر دیگر شیمیاپی تشکیل میدهد.
تنها عناصری که تحت عمل اکسیداسیون قرار نمی‌گیرند، گازهای اصیل هستند. یکی از معروفترین این اکسیدها ، اکسید هیدروژن یا آب است H۲O. سایر اکسیدهای معروف دیگر ترکیبات کربن و اکسیژن هستند، مانند دی‌اکسید کربن ( CO۲ ) ، الکلها ( R-OH ) ، آلدئیدها ( R-CHO ) و کربوکسیلیک اسیدها ( R-COOH ).
رادیکالهای اکسیژن مانند کلراتها ، پرکلراتها ، کروماتها ، دی‌کروماتها ، پر منگناتها ، نیتراتها ، اکسید کننده های قوی می‌باشند. خیلی از فلزات مانند آهن با اتم اکسیژن پیوند برقرار می‌کنند: اکسید آهن(Fe۲O۳). ازن (O۳) ، با عمل تخلیه الکترواستاتیکی در حضور مولکول اکسیژن شکل می‌گیرد. مولکول اکسیژن دو تائی O۲۲ نیز شناخته شده ، که جزء کمی از اکسیژن مایع را تشکیل میدهد. اپوکسیدها و اترها موادی هستند که در آن اتم اکسیژن قسمتی از یک حلقه سه‌اتمی هستند.
ایزوتوپها
اکسیژن سه ایزوتوپ پایدار و ده ایزوتوپ رادیو اکتیو دارد. ایزوتوپهای رادیو اکتیوی ، همه نیمه عمری کمتر از سه دقیقه دارند.
هشدارها
اکسیژن در فشارهای نسبی بالا می‌تواند سمی باشد. قرارگرفتن طولانی در معرض اکسیژن خالص می‌تواند برای ریه و سیستم عصبی ، سمی باشد. تاثیرات ریوی شامل آماس (ورم ریه) ، کاهش ظرفیت ریه و آسیب به بافتهای ریوی می‌باشد. تاثیرات بر سیستم عصبی شامل کاهش بینایی تشنج و اغما می‌شود.
همچنین مشتقات خاصی از اکسیژن ، مانند ازن ( O۳ ) ، پروکسید هیدوژن و رادیکالهای هیدروکسیل و سوپراکسیدها بسیار سمی می‌باشند. بدن ، مکانیزمهائی را برای مقابله با این گونه‌ها توسعه داده است. به‌عنوان مثال ، عامل طبیعی glutathione و بیلی‌روبین که حاصل تقسیم طبیعی هموگلوبین است، می‌تواند به‌عنوان یک ضد اکسید عمل کنند. منابع تمرکز یافته اکسیژن باعث احتراق سریع شده و بنابراین در کنار فراورده‌های سوختی ، خطر گسترش سریع آتش سوزی و انفجار وجود دارد.
آتشی که خدمه آپولو ۱۱ را کشت، به این دلیل سریع گسترش پیدا کرد که فشار جوی اکسیژن در حالت معمولی بود، در حالی که هنگام عملیات پرتاب این فشار باید یک سوم فشار جوی معمولی باشد.
سوخت هیدروژن
گاز هیدروژن برای استفاده در موتورهای احتراقی و وسایل نقلیه الکتریکی باتری دار مورد بررسی قرار گرفته است. گاز هیدروژن در دما و فشار طبیعی، یک گاز است و به این علت، انتقال و ذخیره آن از سوخت های مایع دیگر، دشوارتر است. سامانه هایی که برای ذخیره هیدروژن توسعه یافته‌اند، عبارتند از:
با این که تاکنون هیچ سامانه حمل و نقل و توزیع مناسبی برای هیدروژن وجود نداشته، اما توانایی تولید این سوخت از مجموعه متنوعی از منابع و خصوصیت پاک سوز بودن آن، هیدروژن را به سوخت جانشین مناسبی تبدیل کرده است.
هیدروژن یکی از ساده‌ترین و سبک‌ترین سوخت های گازی است که در فشار اتمسفری و دمای جوی حالت گاز دارد. سوخت هیدروژن همان گاز خالص هیدروژن نیست، بلکه مقدار کمی اکسیژن و دیگر مواد را نیز با خود دارد. منابع تولید سوخت هیدروژن شامل گاز طبیعی ، زغال سنگ ، بنزین و الکل متیلیک هستند. فرآیند فتوسنتز در باکتری ها یا جلبک ها و یا شکافتن آب به دو عنصر هیدروژن و اکسیژن به کمک جریان الکتریسیته یا نور مستقیم خورشید از آب، روش های دیگری برای تولید هیدروژن هستند.
در صنعت و آزمایشگاه های شیمی، تولید هیدروژن به طور معمول با استفاده از دو روش شدنی است: ۱- الکترولیز ۲- تولید گاز مصنوعی از بازسازی بخار یا اکسیداسیون ناقص. در روش الکترولیز با استفاده از انرژی الکتریکی، مولکول‌های آب به هیدروژن و اکسیژن تجزیه می‌شوند. انرژی الکتریکی را می‌توان از هر منبع تولید الکتریسیته که شامل سوخت های تجدید پذیر نیز می‌شوند، به دست آورد.
روش دیگر برای تولید گاز مصنوعی، بازسازی بخار گاز طبیعی است. در این روش، می‌توان از هیدروکربن‌های دیگر نیز به عنوان ذخایر تامین مواد استفاده کرد. برای نمونه، می‌توان زغال سنگ و دیگر مواد آلی (بیوماس) را به حالت گازی درآورد و آن را در فرآیند بازسازی بخار برای تولید هیدروژن به کار برد. از طرفی چون هیدروکربن های فسیلی محدود و رو به اتمام هستند، پس بهتر است دید خود را به سمت استفاده از منابع تجدید شونده معطوف کنیم.
گاز هیدروژن می تواند هم از منابع اولیه تجدید پذیر و هم از منابع تجدید ناپذیر تولید شود. امروزه تولید گاز هیدروژن از منابع تجدید پذیر به سرعت مراحل توسعه و رشد خود را می پیماید. این در حالی است که تولید گاز هیدروژن از منابع تجدید ناپذیر به ویژه منابع فسیلی به علت محدود بودن این منابع روز به روز کاهش می یابد.
در طبیعت میکروارگانیسم های بی هوازی در غیاب اکسیژن و با استفاده از پدیده تخمیر، گاز هیدروژن تولید می کنند، ولی مقدار این گاز از نظر کمی پایین است و از نظر اقتصادی برای مصارف صنعتی و خانگی و … قابل توجیه نیست.
گاز هیدروژن در اثر واکنش های تخمیری میکروارگانیسم های زنده، به ویژه باکتری ها و مخمر ها روی بیوماس، تولید می شود. بیوماس از منابع اولیه تجدید پذیر است که از موادی مانند علوفه، ضایعات گیاهان و فضولات حیوانات به دست می آید. در روند تولید گاز هیدروژن، باکتری های بی هوازی با استفاده از پدیده تخمیر، مواد آلی و آب را به گاز هیدروژن تبدیل می کنند. برای تولید هیدروژن به وسیله باکتری ها دو نوع تخمیر وجود دارد: یک نوع تخمیر نوری است که در آن به منبع نور نیاز است و نوع دیگر، تخمیر در تاریکی است که نیازی به نور ندارد. در این واکنش ها منابع کربنی زیادی استفاده می شود که همگی از بیوماس تامین می شوند.
در طبیعت میکروارگانیسم های بی هوازی در غیاب اکسیژن و با استفاده از پدیده تخمیر، گاز هیدروژن تولید می کنند، ولی مقدار این گاز از نظر کمی پایین است و از نظر اقتصادی برای مصارف صنعتی و خانگی و … قابل توجیه نیست؛ از این رو باید با استفاده از روش هایی، بازده تولید گاز هیدروژن را افزایش داد. یکی از روش هایی که می توان بازده تولید گاز هیدروژن را بالا برد، تغییرات ژنتیک در ژنوم این باکتری ها با استفاده از روش های مهندسی ژنتیک و بیوتکنولوژی است. روش دیگر، استفاده از ترکیبی از باکتری های هوازی و بی هوازی در کنار هم است. در این روش چون باکتری های بی هوازی در فرآیند تخمیر تولید اسید های آلی می کنند، رفته رفته محیط واکنش اسیدی می شود و PH پایین می آید؛ از این رو تولید هیدروژن کاهش می یابد. ولی هنگامی که باکتری های هوازی در محیط باشند، از اسید های آلی استفاده و آنها از محیط خارج می کنند؛ در نتیجه راندمان تولید گاز هیدروژن بالا می رود.
مسائل ایمنی
هیدروژن از دیدگاه ایمنی نیز مطمئن و مطلوب است و برای حمل ونقل ، نگهداری و استفاده، خطرناک تر از سوخت های رایج دیگر نیست. به هر صورت مسائل ایمنی همچنان به عنوان یکی از اساسی‌ترین مقوله ها در استفاده از انرژی هیدروژن باقی می ماند.استانداردهای متداول دنیا امنیت استفاده از آن را با سختگیری در طراحی و انجام آزمایش های متعدد فراهم می آورد. همچنین در حوزه نگهداری و حمل آن، استانداردهای بسیاری برای تمام تجهیزات مرتبط تدوین شده است.
اقتصاد هیدروژن
برای هیدروژن به عنوان یک سوخت، سیستم توزیعی مناسبی وجود ندارد. با این که معمولاً انتقال از طریق خط لوله با صرفه‌ترین راه انتقال سوخت‌های گازی است، اما در حال حاضر سیستم خط لوله مناسبی موجود نیست. انتقال هیدروژن به طور خاص از طریق مخزن و تانکرهای گاز صورت می‌گیرد. استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت به یک زیر ساختار برای حمل ونقل و نگهداری و با توجه به مسائل ایمنی و اقتصادی نیاز دارد.
دیدگاه ایجاد یک زیر ساختار که هیدروژن را به عنوان منبع انرژی مورد استفاده قرار میدهد، مفهوم اقتصادی بودن این طرح را پدید آورده که بهترین راه جهت ایجاد تقاضای بیشتر برای تولید و مصرف این انرژی است، زیرا منابع تولید هیدروژن بسیار ارزان و دردسترس هستند. هیدروژن قابلیت بالایی برای تولید انرژی دارد و میزان آلودگی ناشی از مصرف این سوخت در محیط زیست بسیار کم است. این سوخت به عنوان منبعی تجدیدپذیر، پاک و فراوان تر از سوخت فسیلی می تواند کاربرد زیادی برای نیروگاه ها و بخش حمل و نقل داشته باشد.
