c (3235)

By92

c (3235)

دانشگاه آزاد اسلامی
واحد رشت
دانشکده علوم پايه
گروه آموزشی شيمی
پايان‌نامه تحصیلی جهت اخذ درجه کارشناسی ارشد
رشته: شیمی گرايش: شیمی تجزیه
عنوان:
محاسبات کوآنتومی برهمکنش یونهای کبالت ، جیوه ، سرب و آلومینیوم با نانولوله های کربنی و بورنیترید
استاد راهنما:
دکتر مجید کیاء
نگارش:
ابوالقاسم بیان
اردیبهشت 1394
سپاسگزاری
از استاد محترم جناب آقاي دكتر مجید کیاء استاد راهنما كه در طول انجام اين اثر در كمال تواضع و سخاوت، ضمن رهنمودهاي ارزنده، منابع لازم را در اختيار اينجانب گذاشتند، كمال تشكر و سپاسگزاري را دارم و همچنين از كليه اساتيد خويش در مقطع كارشناسي ارشد در دانشگاه آزاد اسلامي واحد رشت كه در طول دوران تحصيل از محضرشان كسب علم نموده ام كمال تشكر و سپاسگزاري را دارم.
تقدیم به
همسر عزیزم
و
همه کسانی که در دوران تحصیل مشوق من بوده اند.
فهرست مطالب
عنوانصفحه
چکیده1
فصل اول: مقدمات و تعاریف اولیه
1-1 مقدمه3
1-2 محاسبات کوانتومی7
1-2-1انواع محاسبات کوانتومی7
1-2-2 کاربرد محاسبات کوانتومی8
1-3 یون کبالت و خواص آنها11
1-3-1 کاربرد کبالت14
1- 4 یون جیوه و خواص آن15
1-4-1 کاربرد جیوه17
1-5 یون سرب وخواص آن18
1-5-1 کاربرد سرب22
1-6 یون آلومینیوم و خواص آن28
1-6-1 کاربرد آلومینیوم30
1-7 نانولوله های کربنی و ویژگی های آنها31
1-7-1 کاربرد نانولوله های کربنی32
1-8 نانولوله های بور نیترید33
1-8-1 کاربرد نانو لوله های بور نیتریدو ویژگی های آنها34
فصل دوم: مروری بر اطلاعات لازم
2-1 مقدمه36
2-2 نقاط کوانتومی38
2-3 محاسبه شعاع نانو لوله ها43
2-4 پیوند یونی45
فصل سوم: روش انجام کار
3-1 روش های انجام کار52
3-2 انرژی اتصال59
3-3 ممان دوقطبی61
3-4 محاسبات خواص بنیادی62
3-4-1 بررسی مقادیر انرژی یونش63
3-4-2 بررسی مقادیر الکترونخواهی64
3-4-3 بررسی مقادیر پتانسیل شیمیایی64
3-4-4 بررسی مقادیر سختی و نرمی64
3-5( شکاف بین HOMO و LUMO64
منابع و مأخذ90
فهرست جداول
عنوانصفحه
جدول 1-1 خواص اتمی، فیزیکی و شیمیایی کبالت12
جدول 1-2 خواص حرارتی و الکتریکی کبالت13
جدول 1-3 خواص اتمی، فیزیکی و شیمیایی جیوه16
شکل 1-4 خواص اتمی، فیزیکی و شیمیایی سرب20
جدول 1-5 خواص مکانیکی و حرارتی سرب20
جدول 1-6 خواص اتمی، فیزیکی و شیمیایی آلومینیوم29
جدول 3-1 انرژی ساختارها بعد از قرار گرفتن یون های کبالت(II)، سرب(II)، جیوه(II)، آلومینیم(III)، در داخل نانو لوله‎ها به روشDFT با توابع هیبریدی B3LYP و سری پایه LanL2DZ60
جدول 3-2 ممان دو قطبی ساختار ها، قبل و بعد از برهمکنش یون های کبالت(II)، سرب(II)، جیوه(II)،آلومینیم(III)، با نانولوله ها به روشDFT با توابع هیبریدی B3LYP و سری پایه LanL2DZ برحسب دبای61
جدول 3-3 بررسی خواص بنیادی ساختارها63
جدول 3-4 شکاف بین HOMO – LUMO بعد از قرار گرفتن یونها در داخل نانولوله ها به روش DFT/B3LYP و سری پایه Lanl2DZ برحسب ev65
فهرست اشکال
عنوانصفحه
شکل 1-1 نمایش حرکت الکترون در فضای اطراف هسته در مدل اتمی بور3
شکل 1-2 نمایش پراش دو شکاف4
شکل 1-3 خواص یون کبالت12
شکل 1-4 یون جیوه و خواص آن16
شکل 1-5 یون سرب و خواص آن20
شکل 1-6 یون آلومینیوم و خواص آن30
شکل 2-1 مکانیزم هدایت الکتریکی در یک ترکیب نیمه هادی40
شکل 2-2 خاصیت فوتوالکتروشیمیایی نقاط کوانتومی تحت تابش نور الف) ایجاد جریان آندی در حضور ترکیب الکترون دهنده (D) در محلول ب)ایجاد جریان کاتدی در حضور ترکیب الکترون گیرنده (A) در محلول43
شکل 2-3 روابط میان اضلاع یک مثلث46
شکل 2-4 ارتباط طول بردار کایرال با طول بردارهای m و n46
شکل 2-5 انرژی پتانسیل و فاصله یونی50
شکل 3-1 ساختار بهینه شده نانولوله های مطالعه شده به روشDFT با توابع هیبریدی B3LYP و سری پایه LanL2DZ54
شکل3-2 ساختار بهینه شده نانولوله ها بعد از قرار گرفتن یون های کبالت(II)، سرب(II)، جیوه(II)، آلومینیم(III) در داخل آن ها به روشDFT با توابع هیبریدی B3LYP و سری پایه LanL2DZ60
(1)شکل 3-3- ساختار اوربیتال های HOMO(a) و LUMO(b) و طیف DOS CNT(6-0)& Co(II)67
(2)شکل 3-4-HOMO وLUMO و طیف DOS نانولوله69
(3) شکل 3-5- اوربیتال های HOMO(a) و LUMO(b) وطیف DOS ساختار CNT(5,5)&Pb+270
(4)شکل 3-6- اوربیتال‎های HOMO(a) و LUMO(b)وطیفDOS ساختار CNT(5,5)& Al+371
(5)شکل 3-7- ساختارHOMO وLUMO و طیف DOS نانولوله BNT(6,0)& Al+373
(6)شکل 3-8 ساختارHOMO وLUMO طیف DOS نانولوله BNT(6,0) & Co+274
(7)شکل 3-9 ساختارHOMO وLUMO طیف DOS نانولوله BNT(6,0)& Hg+275
(8)شکل 3-10 HOMO وLUMO و طیف DOS نانولولهBNT(6,0) & Pb2+77
(9) شکل 3- 11-HOMO وLUMO وطیف DOS نانولوله BNnt-Ga &Hg2+78
(10) شکل 3-12- HOMO وLUMO و طیف DOS نانولوله BNNT-Ga& Pb2+79
(11) شکل 3-13- HOMO وLUMO و طیف DOS نانولولهBNNT-Ga&Al3+81
(12) شکل3-14 –HOMO وLUMO و طیف DOS نانولوله BNNT-Ga& Co2+82
(13) شکل3-15 – HOMO وLUMO و طیف DOS نانولوله CNT(5-5) &Al3+84
(14) شکل 3-16- HOMO وLUMO و طیف DOS نانولوله CNT(5-5)&Co2+85
(15) شکل 3-17- HOMO وLUMO و طیف DOS نانولوله CNT(5-5) & Hg2+86
(16) شکل3-18 – HOMO وLUMO و طیف DOS نانولولهCNT(5-5) &Pb2+ 88
محاسبات کوآنتومی برهمکنش یونهای کبالت، جیوه، سرب و آلومینیوم با نانولوله‎های کربنی و بورنیترید
چکیده
در سال های اخیر، استفاده از نانولوله ها به عنوان نانو حامل های انتقال دارو مورد تحقیق و بررسی قرار گرفته است. در این تحقیق از نانولوله های کربنی CNT(5-5) و CNT(6-0) و BNNT(6-0) و BNNT(5-5) dopped Ga استفاده شده است.
ابتدا نانولوله ها به‎وسیله نرم افزارهای Gauss View و Nanotube Modeler ترسیم شده و سپس به‎وسیله نرم افزار Gaussian 09 با روش DFT و سری پایه B3LYP/LanL2DZ محاسبه گردید و سپس یونهای سرب (II) ، کبالت (II) و جیوه (II) و آلومینیم (III) در داخل نانولوله هایی قرار گرفت و به روش ذکر شده محاسبه گردید. نتایج حاصل شامل اطلاعات مربوط به انرژی اتصال، ممان دو قطبی، بارهای اتمی، خواص بنیادی (پتانسیل یونش، الکترونخواهی، پتانسیل شیمیایی و سختی و نرمی) و شکاف انرژی HOMO و LUMO محاسبه و ارزیابی شدند و نتایج زیر بدست آمد. از نظر انرژی اتصال و میزان جذب، نانولوله CNT(5,5) بیشترین برهمکنش و جذب را با یون Pb2+ دارد.
از نظر ممان دو قطبی نانولوله BNNT(5,5)dopped Ga بیشترین ممان دو قطبی را با یون Al3+ نشان داده است و ساختار نانولوله CNT(5-5) با یون Al3+ کمترین ممان دو قطبی را دارا است.
مقادیر انرژی یونش نشان داده که ساختار Hg2+ & BNNT-Ga بیشترین انرژی یونش و ساختار Hg2+ & CNT(6,0) کمترین انرژی یونش و بیشترین واکنش پذیری را دارد.
مقادیر شکاف HOMO و LUMO در یونها قبل از برهمکنش با نانولوله ها زیاد و بعد از برهمکنش آن کاهش پیدا کرده است که این کاهش نشان دهنده انتقال بار و افزایش رسانایی می باشد و در بین ساختارها بعد از قرار گرفتن یون در داخل آنها، ساختار Hg2+ & BNNT-Ga بیشترین شکاف و کمترین رسانایی را دارا هستند.
کلیدواژه ها: محاسبات کوآنتومی، برهمکنش یونها، نانولوله های کربنی و بور نیتریدو DFT
1-1 مقدمه
مدل اتمي بور كه تا پيش از پيدايش مكانيك كوانتومي،كاملترين نظريه در توصيف جهان خُرد بود، نمي توانست در مورد قواعد انتخاب اتم هيدروژن اظهار نظر درستي نمايد. بر طبق چنين قواعدي كه از لحاظ تجربي مشاهده شده بودند، تنها ترازهاي معيني از انرژي ديده مي شوند. در واقع الكترون اتم هيدروژن، هر انرژي دلخواهي ندارد و تنها مقيد به برخي انرژي هاي معين است. نظريه اتمي بور كه امروزه نظريه كوانتوم قديم خوانده مي شود، ريشه هاي در مكانيك كوانتومي نداشت و اصول خود را از مكانيك كلاسيك به وام مي‎گرفت. با اين حال، نظريه بور به وضوح، گسستگي ترازهاي انرژي را در اتم هيدروژن نشان مي داد. در اين نظريه علاوه بر انرژي، اندازه حركت زاويهاي هم كميتي گسسته بود. حتي فضاي حركت الكترون به دور دسته هم محدود به مدارهاي خاص با فاصله معيني از هسته مي‎شد. تمايز نظريه كوانتوم قديم و مكانيك كلاسيك در گسسته بودن مقادير كميتهايي مثل انرژي و اندازه حركت زاويه هاي بود.همان طور كه در شكل 1-1 مي‎بينيد در نظريۀ بور، الكترون روي ترازهايي با انرژي و شعاع معين از هسته قرار دارد.
اين نظريه عدم سقوط الكترون بر روي هسته اتم هيدروژن را نيز توجيه مي نمود. چون الكترون تنها مي تواند در مدارهاي معيني باشد، در گذر از مداري به مدار ديگر، انرژي از خود نشر ميكند كه مقدار آن دقيقاً برابر با انرژي جدا كنندگي اين دو تراز از همديگر است. اوايل قرن بيستم آزمايشات جديدي آغاز شد كه نكاتي را در مورد صحت و سقم مكانيك سيالات آشكار ساخت. يكي از آنها كه ظرفیت گرمای در حجم ثابت و در فشار ثابت اجسام بود.[1و11]
شکل 1-1 نمایش حرکت الکترون در فضای اطراف هسته در مدل اتمی بور
طبق نظريۀ كلاسيك و بر اساس اصل همبخشي سهم ارتعاش ∁_v بايد برابر R باشد اما در عمل وابستگي دمايي زيادي براي ∁_v مشاهده شد. در ابتدا ماكس پلانك بود كه با فرض گسسته بودن مقادير انرژي، توانست مدلي رضايتبخش براي توصيف تابش دمايي از يك كاواك فراهم سازد. نظريه ي وي به دليل اين فرض بسيار عجيب و غيرمتداول كه انرژي مقادير گسسته اي دارد، طرد شد. اما چند سال بعد اَينشتن در آزمايش فتوالكتريك درستي اين فرض را نشان داد. وي طي آزمايشي كه به اثر فتوالكتريك معروف شد نشان داد كه تنها مقادير معيني از انرژي مجاز هستند و انرژي، كميتي گسسته است. در اين آزمايش سطح صاف فلزي مانند N_a را تحت تابش قرار مي دهند و دو سر آن را به دو الكترود وصل مي‎كنند. جريان الكتريكي ناشي از كنده شدن الكترونها باعث ثبت اختلاف ولتاژ ميشود. در اين آزمايش نور رفتار بسيار متفاوتي با آنچه كه در مورد آن دانسته مي شد ارائه داد.[1]
طبق مكانيك كلاسيكي فرض مي شود كه انرژي تابش متناظر با شدت تابش است. بنابراين در آزمايش فتوالكتريك انتظار مي رفت كه با افزايش شدت نور تابيده شده به سطح فلز، جريان بيشتري حاصل آيد. اما در عمل با افزايش شدت نور هيچ تغييري در جريان خروجي حاصل نشد. از سوي ديگر در مكانيك كلاسيك با افزايش فركانس نبايد تغييري در شدت جريان رخ دهد. اما مشاهده شد كه با افزايش فركانس و رسيدن به حد معيني (فركانس آستانه) شدت جريان زياد ميشود. پس آزمايش نشان مي دهد كه انرژي به فركانس بستگي دارد. آينشتن سرانجام رابطۀ زير را براي توصيف اين پديده پيشنهاد نمود:
hv=E_K=hv
در اينجا v_0 فركانس آستانه است كه اگر فركانس تابش vكمتر از آن باشد جذبي صورت نميگيرد و E_k انرژي جنبشي الكترون خروجي از سطح است. وي پيشنهاد نمود كه نور بايد رفتار غير موجي داشته باشد و بايد ذرهاي عمل نمايد. پيش از اين نيز نيوتن ماهيت ذرهاي براي نور قائل بود. اما آزمايش هايي مثل آزمايش يانگ (آزمايش دو شكاف) موجي بودن نور را نشان ميدادند. در آزمايش يانگ با گذشتن نور از دو شكاف در كنار هم الگوي پراشي در پرده مشاهده مي شود كه به سادگي از مكانيك موجي نتيجه گرفته مي‎شود[8و1].
شکل 1-2 نمایش پراش دو شکاف
اما نظريه‎ي كوانتومي بر پايه‎ي گسسته بودن مقادير كميت‎ها به رشد خود ادامه داد و پس از فرمول‎بندي در سال 1925 توسط هايزنبرگ و 1926 توسط شرودينگر تا اوايل دهه چهل، آن قدر مسائل لاينحلي را حل نمود كه قابل تصور نبود. مكانيك كوانتومي نظريه اي كاملاً آماري است و بسياري از قواعد آماري كلاسيك در آن موجود هستند. با اين تفاوت كه آمار در مكانيك كلاسيك براي مجموعه اي از سيستم ها و به دليل جهل ما از وضعيت كامل سيستم استفاده مي‎شد، اما در مكانيك كوانتومي به دليل اين كه پديده‎ها ذاتاً آماري هستند مورد استفاده قرار ميگيرد. حتي آمار كوانتومي براي تك سيستم هاي منفرد وجود دارد. مضاعف بر اين كه احتمال در مكانيك كوانتومي ارجاع به وضعيت حال سيستم ندارد و تنها در مورد پس از انجام عمل اندازه گيري است. اما در مكانيك كلاسيك، احتمال وضعيت فعلي سيستم را تشريح مي‎كند.[8]
به فاجعه ماوراءبنفش معروف شد شكست مطلق مكانيك آماري كلاسيك در توصيف تغييرات مضرّات و آثار سوء کوتاه مدت، میان مدت و بلند مدت مربوط به انواع مختلف آلودگی1 آب، هوا، خاک، پسماندهای خطرناک2، فلزات سنگین و غیره بر کسی پوشیده نیست. امروزه در سراسر گیتی، هزینه هایی گزاف در راستای کنترل و بی خطرسازی آلاینده ها مصرف می گردد و بدیهی است کشور ما نیز با توجه به روند پرشتاب توسعه، از این امر مستثنی نخواهد بود. بنابراین، هرگونه پژوهش مفید در این زمینه ها می تواند کمکی قابل ملاحظه به حفاظت و صیانت از محیط زیست و تضمین سلامت مردم نماید؛ ضمن آنکه پدیده مخرب ریزگردها3 را نیز که استان های کشور به طور جدی با آن دست به گریبان هستند نباید به فراموشی سپرد.
از طرف دیگر، پدیده های مرتبط با مقیاس نانو در بسیاری از فرآیندهای محیط زیستی غالب هستند؛ بنابراین، اینگونه میانکنش ها دارای اهمیت ویژه در حوزه محیط زیست و سلامت انسان می‎باشند. با توجه به اینکه واکنش های رایج در مقیاس نانو، ذاتاً در سطح مولکولی روی می دهند، هماهنگی دقیق در خصوص مطالعه ذراتِ در مقیاس نانو مرتبط با سیستم های طبیعی از یکسو، و قوانین شیمی کوانتومی4 و شیمی محاسباتی5 وجود دارد. [9و7]
مبنای شیمی کوانتومی و شیمی محاسباتی، مدلسازی و انجام محاسبات بسیار پیچیده، طولانی و زمان بر، براساس تحلیل انواع مختلف معادلات شرودینگر6 و دیگر مدلهای ریاضی پیشرفته در مکانیک کوانتومی میباشد که از طریق به کارگیری کامپیوترهای با کیفیت و قدرتمند و استفاده از نرم افزارهای کاملاً تخصصی، مطالعه و پژوهش در این زمینه ها انجام می‎پذیرد.
نظر به اینکه ذرات بسیار ریز مقیاس، ویژگی های خاصی را از خود نشان می‎دهند به طوری که می‎توان آنها را به تفکیک مطالعه کرد و همچنین واکنش های آنها را در ارتباط با سایر نانوذرات بررسی نمود، توجهی خاص به پژوهش در این مسیر معطوف شده است. به ویژه در مورد نانوذرات، بررسی خصوصیاتِ مرتبط با مقیاس اتمیِ اینگونه ذرات در محیط زیست، انواع برهم‎کنش های احتمالی و به خصوص، امکان پیش بینیِ نتایجِ متنوع حاصله و مسیرهای کنترل آنها در محیط زیست، حائز اهمیت فوق العاده است.
در اغلب موارد، نانوذرات با به اصطلاح میزبان‎هایی دیگر نیز مرتبط و همساز می‎باشند؛ بطور مثال، از اینگونه میزبان ها در محیط زیست می توان به نانوذرات فلزی موجود در سولفیدها، هسته های کربنی ترکیبات آلی، سولفیدهای آرسنیک، سولفیدها یا اکسیدهای آهن و همچنین نانوذرات اتمسفری موجود در ریزگردها اشاره نمود.ساختار نانوذرات، پایداری، ویژگی های شیمیایی، بار الکتریکی، حالات الکترونی، خصوصیات مغناطیسی و سرانجام، میانکنش های نانوذرات در محیط زیست، بستگی به نحوه ارتباطات آنها با سایر ذرات، مولکولها و میزبان ها دارد؛ بنابراین، مهندسی مولکولی و درک دقیق اینگونه ارتباطات در سطح اتمی بسیار ضروری است. [6و1]
ب) اهمیت شیمی کوانتومی در محیط زیست:
به منظور مطالعه و دریافت جزئیات ویژه مربوط به موارد فوق الاشاره در هر مکان جغرافیایی و زیست محیطی خاص، لازم است ترکیبی از روش های علمی مدرن در مقیاس نانوذرات به کار گرفته شود؛ در این خصوص، مهمترین تکنیک برای درک کامل فرآیندهای شیمی– فیزیکی مشاهده شده، استفاده از شبیه سازی ها7 و روش های علمی سطح بالا مبتنی بر مکانیک کوانتومی8، شیمی کوانتومی، شیمی محاسباتی و دینامیک مولکولی9 می‎باشد. بعلاوه، با توجه به اینکه دستیابی به بسیاری از ویژگی های ساختاری و الکترونی نانوذرات و چگونگی ارتباطات و واکنش های آنها با سایر ترکیبات در محیط زیست، به صورت آزمایشگاهی بسیار مشکل و حتی در مواردی غیر ممکن است، شبیه سازی های دقیق مولکولی میتوانند به نحوی شایسته و قابل توجه، منجر به درک پدیده ها و فرآیندهای مقیاس نانو و خواص مولکولی شوند که از جمله می توان به طول و زاویه پیوندها، ممان دو قطبی، تفاوت سطوح انرژی، توضیح طیف های مولکولی، پایداری مولکول ها، پیش بینی خواص آروماتیکی، فرکانس ها و شدت خطوط طیفی، مکانیسم واکنشهای الکتروشیمیایی و … اشاره نمود.
از دو دیدگاه تئوریک و کاربردی، بررسی نانوذرات در محیط زیست و برهمکنش های آنها با سایر ترکیبات در مقیاس مکانیک کوانتومی، اهمیت بسیار دارد. در مقایسه با سایر روش های تجربی، فقط مکانیک کوانتومی قادر به دریافت ویژگی های فیزیک وشیمیایی نانوذرات می باشد؛ بر این اساس، مطالعه و کسب اطلاعات در خصوص ویژگی های الکترونی و مغناطیسی، چه از جنبه تأثیرات آنها بر پایداری مواد و هم از نظر نوع واکنش های احتمالی و پیش بینی نتایج حاصله، فقط از طریق محاسبات کوانتومی آبینیشیو10 امکان پذیر است. با توجه ویژه به این موضوع که واکنش های اتم – اتم درون نانوذرات، نحوه واکنش با میزبانها و میانکنش های احتمالی، از طریق به کارگیری روش های مبتنی بر مکانیک کوانتومی و ترمودینامیک آماری11 قابل دستیابی است، بسیار مهم است که با استفاده از اطلاعات دریافت شده از مدل های مکانیک کوانتومی سطح بالا، بتوان سایر روش های مناسب تجربیِ مدلسازی مولکولی مبتنی بر میدان های نیرو12 را نیز توسعه بخشید و مجموعه پارامترها و توابع را تعیین نمود. [5و2]
1-2 محاسبات کوانتومی
1-2-1-انواع محاسبات کوانتومی
بطور کلی روشهای نیمه تجربی عبارتند از:
– روش هوکل توسعه یافته
– روش چشم پوشی از هم پوشانی دیفرانسیلی دو اتمی
– تصحیح شده به روش
– روش ابقاء جزئی همپوشانی دیفرانسیلی دو اتمی
– اصلاح شده روش چشم پوشی از همپوشانی دیفرانسیلی دو اتمی
-اصلاح شده روش چشم پوشی متوسط از همپوشانی دیفرانسیلی
-روش چشم پوشی کامل از هم پوشانی دیفرانسیلی
-روش چشم پوشی از هم پوشانی دیفرانسیلی
-روش اربیتال مولکول هوکل
-روش اربیتال مولکول الکترون آزاد
-روش پاریز – پار- پاپل
روش هارتری – فاک
اساس روش هارتری – فاک بر این روی کرد استوار است که مساله چند الکترونی را از طریق نوعی متوسط گیری از دافعه الکترون – الکترون به یک مسئله تک الکترون تبدیل می کند. این روش از مهمترین و ساده ترین روشها برای تعیین ساختار الکترونی مولکول ها می باشد در واقع معادلات هاتری – فاک یک معادله شرودینگر تغییر یافته است که هامیلتونی کامل به وسیله یک عملگر تقریبی فاک جایگزین شده است. در این روش نمی توان اثر متقابل الکترون ها بر روی یکدیگر را در نظر گرفت و در واقع ارتباط وضعیت و حرکت الکترونها با یکدیگر معلوم نمی شود. با چشم پوشی از دافعه های بین الکترونی، تابع موج مرتبه صفر مساوی با حاصلضرب توابع فضایی تک الکترونی می شود[10و9].
تئوری تابعی چگالی (DFT):
روش نظریه تابعی چگالی (DFT) به عنوان یک روش محاسباتی مناسب برای محاسبه هم بستگی الکترونی رواج یافته است. در آغاز DFT برای استفاده در فیزیک حالت جامد (فیزیک جامدات) بسط داده شده بود و انرژی همبستگی الکترون (در بعضی موارد انرژی تبادلی) به عنوان تابعی از چگالی محاسبه می گردد روش DFT تنها کمی ارزشمندتر از HF می باشد، ولی در بعضی مطالعات شیمی کوانتومی مشاهده شده است که نتایج DFT غیر متمرکز در مورد بعضی خواص شیمیایی مانند ساختمان، انرژی واکنش فرکانس های ارتعاشی به خوبی MP2 روش نسبتاً جدیدی است که در بعضی موارد کاستی هایی هم در آن به چشم می‌خورد که بعضی از آنها عبارتند از:
1- در مورد حالات گذار ضعیف عمل می کند
2- در این روش حالات برانگیخته اساساً قابل بررسی نیستند
3- انجام تصحیحات بصورت قانونمند انجام نمی گیرد.
مهمترین کمیت در این نظریه چگالی الکترونی است و اوربیتالها بعداً به عنوان وسیله ای جهت محاسبه دقیق انرژی های جنبشی معرفی می شوند در این روش همه خواص یک سیستم از جمله انرژی الکترونی حالت پایه یک اتم یا مولکول بر حسب چگالی الکترونی بیان می شود (چگالی الکترونی مربع تابع موجی می‎باشد)[10].
1-2-2 کاربرد محاسبات کوانتومی
با استفاده از اطلاعات حاصل از مدل های شیمی کوانتومی، محاسبات مربوط به دینامیک مولکولی می توانند به مدلسازی دینامیک (وابسته به سایز) نانوذرات در محیط زیست – به ویژه هنگامی که با میزبان های جامد یا سیال تلفیق شده باشند – کمک شایانی نمایند. مدل سازی های مولکولی دارای کاربردهای فراوان در علوم محیط زیست، شیمی محاسباتی، زیست شناسی ریاضی13، شیمی کوانتومی، شیمی انفورماتیک14، شیمی سنجی15، طراحی انواع داروها و دیگر موارد متنوع و مرتبط می‎باشند.
یادآور می‎شود که برای مشخص نمودن وجود عناصر ویژه و همچنین آشکارسازی فلزاتی مانند آهن، آلومینیوم، مس و غیره و تعیین کردن میزان غلظت این فلزات در نمونه های محیط زیستی مورد نظر، دستگاه جذب اتمی16 نیز از قوانین علمی مبتنی بر شیمی کوانتومی و شیمی محاسباتی استفاده می‎نماید.
همچنین، برای مشخص نمودن ساختمان ایزومرهای فضاییِ (استریو ایزومرها) ترکیبات شیمیایی محیط زیستی، از روش های همزمان مبتنی بر شیمی کوانتومی – شیمی محاسباتی و HPLC بهره گیری می‎شود.[10]
از طرف دیگر، به منظور ارزیابی و سنجش در دو حوزه تئوریک و آزمایشگاهیِ تشکیل پسماندهای سمی در جریان فرآیندِ خاکستر نمودن ترکیبات خطرناک در محیط زیست مانند هیدروکربنهای حاوی برم هیدروکربنهای حاوی فلوئور (CFC)، آروماتیک های حاوی کلر (کلروفنولها) و ترکیبات فلزی – آلی17 ، از شیوه های همزمان مبتنی بر شیمی کوانتومی – شیمی محاسباتی و GC / Mass استفاده می گردد.
از دیگر کاربردهای شیمی کوانتومی در حوزه محیط زیست، می توان به بررسی و درک مکانیسم های ردیابی و جا به جایی فلزات آلاینده، حتی با مقادیر کمتر از 10ppm در مقیاس نانو اشاره کرد؛ به ویژه، پژوهش های مرتبط با ذرات معلق موجود در هوا که حامل فلزات سنگین هستند، ریزگردها، پیش بینی واکنش های نامشخص و رفتار مولکولهایی مانندNOx ، SOx، Co، O3 و دیگر ترکیبات شیمیایی در محیط، ذرات خطرناک، مضر و فلزات سنگینِ موجود در کلوئیدها (محیط های آبی) و همچنین نحوه تشکیل بایومینرال ها در طبیعت، از دیگر موارد کاربردی استفاده از شیمی کوانتومی در محیط زیست میباشند.
از دیگر محورهای فعالیتهای پژوهشی در حوزه شیمی کوانتومی و شیمی محاسباتی، به موارد زیر می‎توان اشاره نمود:
– تدوین و توسعه روش های نوین اسپکترومتری مولکولی و اتمی و سیستم‏های18 برای آنالیز و سنجش انواع نمونه‏های مختلف و متنوع محیط زیستی، دارویی، شوینده‏ها و غیره.[10]
– توسعه روش های طیف سنجی نانو ذرات در بررسی و آنالیز نمونه های مختلف محیط زیستی.
– آنالیز کمّی و کیفی انواع نمونه های متنوع محیط زیستی در مقیاس های میکرو و نانو.
– ارائه روش‏های نوین جهت آنالیز متابولیتهای مواد دارویی در مطالعات بیو‏آنالیتیکال و متابولومیکس.
– توسعه و کاربرد روش‏های تجزیه‏ای
– توسعه و کاربرد روش های مختلف تشخیص الگو و طبقه‏بندی در نمونه‏های مختلف محیط زیستی و غذایی.
– توسعه روش‏های میکرو‏استخراج در نمونه های محیط زیستی با استفاده از تکنیک های طیف سنجی و کروماتوگرافی.
– توسعه استفاده از روش های کمومتریکس برای حل مشکلات صنایع آلاینده.
– پژوهش در زمینه روش های کمومتریکس و کاربرد آنها در سنجش و آنالیز نمونه‏های محیط زیستی، دارویی، بیولوژیکی و شوینده ها.
از طرف دیگر، از محاسباتِ مقیاسِ مولکولی میتوان برای بررسی واکنش های بین ترکیبات آلیِ سیستمهای طبیعی (مانند اگزوپلیمرهای دیواره سلولی کوکولیتوفر) و برخی اتمهای خاص موجود در سایر ترکیبات معدنی (مانند نانوذره هسته کربنات کلسیم) و میانکنش های مرتبط با آلاینده های محیط زیست بهره گرفت. [10و2]
مدلسازی، پیش بینیِ نحوه پیشرفت واکنش ها و سنتز آزمایشگاهی نانوذراتِ دوستار محیط زیست و دیگر نانوذراتِ مورد استفاده برای بی خطرسازی پسماندها و آلاینده های خطرناک، از دیگر کاربردهای مهم شیمی کوانتومی و شیمی محاسباتی می باشند. اینگونه مدل های محاسباتی سطح بالا به میزان بسیار قابل توجه، قادر به تقلید رفتار اتمی و مولکولی نانوذراتِ موجود در سیستم های محیط زیستی و چگونگی تشکیل نانوذرات در طبیعت می‎باشند.
خاطرنشان می نماید که از دیدگاه روش شناسی اقتصاد سنجی19 و حسابداری محیط زیست، بی‎خطرسازی موثر پسماندها در مکان تولید با استفاده از روش های علمیِ مطمئن و مقرون به صرفه، نقش به سزایی را در تنزل هزینه های واحدهای صنعتی و کاهش بار آلودگی به دنبال خواهد داشت و حفاظت اصولی از محیط زیست را تضمین خواهد نمود.
از دیگر کاربردهای شیمی کوانتومی، می‎توان به استفاده از آن در دانش ژنتیک و بیوشیمی و بررسی نحوه رفتار ماکرومولکول های زیستی، چگونگی بیان شدن ژنها، مطالعه رفتار سیستم های آنزیمی و نسخه برداری (RNA)، مدل های پیشرفته مربوط به فرآیند جهش20، نحوه پیوند بین آنزیم و سوبسترا، بررسی ساختمان های ثانویه و سوم (سه بعدی) پروتئین ها و سایر موارد مرتبط اشاره نمود؛ موارد ذکر شده، در شاخه‎های ژنتیک کوانتومی21، بیوشیمی کوانتومی22 و شیمیِ ژنوم23 مورد بررسی و پژوهش قرار می‎گیرند. اطلاعات و داده های پایه، از طریق بانک های اطلاعاتی تخصصی مانند NCBI و همچنین، مطالعات آزمایشگاه های ژنتیک قابل حصول می‎باشد. [11]
1-3 یون کبالت و خواص آنها
کُبالت فلزی است سفید با علامت شیمیایی Co، شبیه نیکل ولی با ته رنگ آبی به جای ته رنگ زرد نیکل. از لحاظ شیمیایی فعالتر از نیکل است. در اسید سولفوریک و اسید نیتریک محلول و به کندی تحت تأثیر قلیایی‌ها قرار می‌گیرد. سرعت اکسایش کبالت ۲۵ برابر نیکل است. قدرت آن در سفید کردن آلیاژهای مس کمتر از نیکل بوده، ولی مقادیر کمی از آن در آلیاژهای نیکل- مس ته رنگ زرد نیکل را خنثی و آنها را سفید تر می‌کند. این فلز مانند نیکل دیامغناطیس بوده ولی تقریباً دارای ۳ برابر حداکثر نفوذ پذیری آن است. مانند تنگستن دارای خاصیت اضافه کردن سرخ سختی به آلیاژهای برشکاری است. همچنین به میزان بیشتر از نیکل سخت می‌کند به ویژه در مجاورت کربن، در آلیاژها می‌تواند بیشتر از نیکل ترکیبات شیمیایی دهد.
کبالت در جدول تناوبی:کبالت دارای وزن مخصوص ۷۵۶/۸، نقطه ذوبی برابر ۱۴۹۳ درجه سانتی گراد، سختی برینل ۸۶، رسانایی الکتریکی حدود ۱۶ درصد مس است. استحکام کششی کبالت ریختگی خالص ۲۴ کیلوگرم بر میلیمتر مربع، ولی با اضافه کردن۲۵/۰ درصد کربن به ۵/۴۳ کیلوگرم بر میلیمتر مربع افزایش می‌یابد. این فلز در آلیاژهای برشکاری و فولادهای ابزار در آلیاژهای مغناطیسی بکار می‌رود. بیشتر کبالت موجود در کره زمین در سنگ معدنی آن یافت می شود. کبالت نسبتاً دارای فراوانی کمی در پوسته زمین است و در آب های طبیعی، به عنوان سولفین کبالت (CoS) غیر قابل حل، رسوب می کند. اگرچه سطح میانگین کبالت در خاک حدود ppm8است، ولی خاک هایی با مقدار کبالت به اندکی ppm 1/0 و یا به بزرگی بیش از ppm 70 نیز وجود دارد. کبالت به صورت فلز آزاد یافت نمی شود و عموماً در شکل سنگ معدنی یافت می شود. کبالت معمولاً به تنهایی استخراج نمی شود و معمولا به عنوان محصول جانبی فعالیت های استخراج مس و نیکل تولید می شود. مهم ترین سنگ معدن های کبالت شامل کبالتیت، اریتریت، گلوکودوت و اسکاتریودیت است و این فلز معمولا همراه با سنگ معدن های آهن، نیکل، نقره، سرب و مس یافت می شود. تولید کنندگان اصلی کبالت در جهان جمهوری دمکراتیک کنگو، چین، زامبیا، روسیه و استرالیا هستند. این فلز همچنین در فنلاند، آذربایجان و قزاقستان یافت می شود. تولید جهانی آن 17000 تن در سال است.
برخی از خواص آن به صورت زیر است:
شکل 1-3 خواص یون کبالت
جدول 1-1 خواص اتمی، فیزیکی و شیمیایی کبالت
27عدد اتمی g.mol -19332/58 وزن اتمی یا عدد جرمی pm125 شعاع اتمی30تعداد نوترون ها9/8 g.cm-3 چگالی در C˚ 20g.cm-3 75/7چگالی مایع در نقطه ذوبC˚ 1495 نقطه ذوبC˚ 2927نقطه جوشPm 125شعاع وان دروالسPm 3±126شعاع کوالانسی63(+3e) 72 (+2e)شعاع یونی8ایزوتوپ[Ar] 3d7 4s2پوسته الکترونی2، 15، 8، 2الکترون ها در هر پوستهفرومغناطیسحالت مغناطیسیC˚ 360دمای کوریkJ.mol-1 757انرژی اولین یونیزاسیونkJ.mol-1 3/1666انرژی دومین یونیزاسیون
جدول 1-2 خواص حرارتی و الکتریکی کبالت
J.mol-1.K-1 81/24ظرفیت گرمایی مولیkJ/mol 06/16گرمای ذوبkJ/mol 377گرمای تبخیرW.m-1.K-1 100هدایت حرارتیm.m -1 .K -1µ 0/13انبساط حرارتی در C˚ 25nΩ.m 4/62مقاومت الکتریکی در C˚ 20
آلیاژهای پایه کبالت عموماً به عنوان آلیاژهای مقاوم به سایش، مقاوم به خوردگی و مقاوم به حرارت (مستحکم حتی در دماهای بالا) مطرح می شوند. بیشتر خواص این آلیاژها از طبیعت کریستالوگرافی کبالت ناشی می شود. اثرات استحکام دهی محلول جامد عناصر کروم، تنگستن و مولیبدن به علت تشکیل کاربیدهای فلزی بوده و مقاومت به خوردگی به علت وجود کروم می باشد. عموماً کامپوزیت های نرم تر و چقرمه تر برای کاربردهای دما بالا، مانند پره های توربین های گازی و تیغه توربین بکار رفته و انواع سخت‎تر برای کاربردهای مقاوم به سایش استفاده می شوند. بیشتر آلیاژهای پایه کبالت از آلیاژهای سه تایی کبالت-کروم-تنگستن و کبالت-کروم-مولیبدن ناشی می شوند، که اولین بار بوسیله24 در شروع قرن بیستم کشف شدند. وی استحکام بالا و طبیعت ضد زنگ آلیاژهای دوتایی کبالت-کروم را کشف کرد و سپس تنگستن و مولیبدن را به عنوان عوامل استحکام بخش قوی در سیستم کبالت – کروم معرفی کرد.
آلیاژهای پایه کبالت مقاوم به سایش
آلیاژ های پایه کبالت امروزی، تفاوت اندکی با آلیاژهای25 دارند. تفاوت اصلی آلیاژ های استلایت جدید، محتوی کربن و تنگستن آنها است (بنابر مقدار و نوع کاربید تشکیل شده در ریزساختار در حین انجماد). محتوی کربن، سختی، داکتیلیته و مقاومت به سایش را تحت تاثیر قرار می دهد. همچنین تنگستن نقش مهمی در این خواص بازی می کند.
آلیاژهای پایه کبالت دما بالا
سالهاست که مصرف عمده آلیاژ های دما بالا، در صنعت توربین های گازی بوده است. در مورد توربین های گازی هواپیما، الزامات اصلی مواد، استحکام دما بالا، مقاومت به خستگی حرارتی و مقاومت به اکسیداسیون می‎باشد.[2]
آلیاژهای پایه کبالت مقاوم در برابر خوردگی
اگرچه آلیاژهای پایه کبالت مقاوم در برابر سایش، دارای مقاومت اندکی به خوردگی در محیط های آبی هستند، ولی آنها بوسیله رسوب کاربید مرز دانه ای، کمبود عناصر آلیاژی حیاتی در زمینه (پس از تشکیل کاربیدها یا رسوبات)، در زمینه ریخته گری و جوشکاری و بوسیله جدایش شیمیایی در ریزساختار، محدود می شوند. آلیاژ های پایه کبالت دما بالا (که معمولاً حاوی تنگستن بیشتر از مولیبدن هستند)، با این مزیت که ریزساختار همگن و محتوی کربن کمتر دارند، دارای مقاومت به خوردگی آبی بیشتری هستند.
برای کاربرد صنعتی نیاز به آلیاژهایی است که مقاومت زیادی در محیط های خورنده آبی از خود نشان دهند. [2و1]
1-3-1 کاربرد کبالت
کبالت در بسیاری از آلیاژها (سوپر آلیاژهای مورد استفاده در اجزاء توربین گازی موتورهای هواپیما، آلیاژهای مقاوم در برابر خوردگی، فولادهای تندبر، کاربیدهای سمانته) در آهن رباها و وسایل ضبط مغناطیسی، به عنوان کاتالیست برای صنایع شیمیایی و نفتی و به عنوان عامل خشک کننده برای رنگ ها و جوهرها بکار می رود. کبالت آبی یک بخش مهم پالت هنرمندان است و در صنعت چینی، سفال، شیشه کاری منقوش، کاشی و جواهرات مینا، استفاده می شود.
کبالت آلیاژهای مفید بسیاری را تشکیل می دهد. این فلز با آهن، نیکل و سایر فلزات برای تشکیل آلنیکو که یک آلیاژ با استحکام مغناطیسی استثنایی است آلیاژ می شود. کبالت، کروم و تنگستن ممکن است برای تشکیل استلایت که برای کاربردهای دما بالا، ابزار برش تندبر، و قالب‎ها، استفاده می شود، آلیاژ شوند. کبالت در فولادهای مغناطیسی و ضدزنگ نیز بکار می رود. از این فلز برای آبکاری الکتریکی، به علت سختی و مقاومت به اکسیداسیون بالایش استفاده می شود. نمک های کبالت، برای ایجاد رنگ آبی درخشان دائمی به شیشه، سفال، مینا، کاشی و چینی استفاده می شوند. محلول کلرید کبالت، برای ساختن جوهر استفاده می شود. کبالت برای تغذیه بیشتر حیوانات ضروری است. کبالت-60 یک منبع مهم گاما، ردیاب و عامل رادیوتراپی می باشد. به طور کلی می توان کاربرد های کبالت را به صورت زیر طبقه بندی کرد: پیگمنت های رنگ-کاربیدهای سمانته و فولادهای ابزار-سوپر آلیاژهای پایه نیکل-مواد مغناطیسی-منابع اشعه گاما مصنوعی[3]
در بین این کاربردها پیگمنت رنگ بیشترین مورد مصرف کبالت است. در سوپر آلیاژهای پایه نیکل، کبالت در رنج 15-10% وزنی حضور دارد. که استحکام محلول جامد و کاهش انحلال پذیری آلومینیوم و تیتانیوم را فراهم می کند. نقش کبالت در کاربیدهای سمانته فراهم کردن زمینه پیوندی داکتیل برای ذرات کاربید تنگستن می باشد. از نظر تجاری کاربید های سمانته، حاوی کبالت در محدوده 3 تا 25 % می باشند. در موادی که به عنوان ابزار برش بکار می روند، کاربیدهای سمانته با 12-3% وزنی کبالت استفاده می شوند. کبالت که به طور طبیعی فرومغناطیس است در گروه های متعددی از مواد مغناطیسی دائمی، باعث مقاومت در برابر دیامغناطیس شدن، می شود. اینها شامل آلیاژهای کبالت-نیکل-آلومینیوم (که کبالت در محدوده بین 35-5% وزنی است) و آلیاژهای آهن-کبالت (تقریبا 12-5% وزنی) می باشند. [3]
1- 4 یون جیوه و خواص آن
جیوه که آن را سیماب ( quicksilver ) هم می‌نامند عنصر شیمیایی است که در جدول تناوبی دارای نشان Hg و عدد اتمی 80 می‌باشد. جیوه که فلزی سبک ، نقره‌ای ، سمی و جزء عناصر واسطه است، یکی از دو عنصری می‌باشد که در دماهای معمولی اتاق حالت مایع دارند ( فلز دیگر برم است ) و در دماسنج ها، فشارسنج ها و سایر وسایل علمی کاربرد دارد. جیوه عمدتاً بوسیله کاهش از ماده معدنی26 (سولفور جیوه ) بدست می‌آید. [3]
شکل 1-4 یون جیوه و خواص آن
جدول 1-3 خواص اتمی، فیزیکی و شیمیایی جیوه
عدد اتمی80جرم اتمی59/200نقطه ذوبC˚ 9/38-نقطه جوشC˚ 6/356رنگسفید نقره ایحالت استانداردمایعگروهB 2انرژی یونیزاسیونKj/mol 6/1004شعاع اتمیPm 151شعاع یونیNm(+2) 11/0شکل الکترونی[Xe] 4f14 5d10 6s2الکترونگاتیوی9/1حالت اکسیداسیون2 و 1چگالیg.cm-3 6/13دوره تناوبی6شماره سطح انرژی یونیزاسیون6شعاع کووالانسیpm 5±132
1-4-1 کاربرد جیوه
بیشترین کاربرد جیوه در ساخت مواد شیمیایی صنعتی و کاربردهای برقی و الکترونیکی است. علاوه بر این‌ها از جیوه در دماسنج ها بخصوص برای حرارتهای بالا مورد استفاده قرار می‌گیرد چون به‌آسانی با طلا تولید آمالگام می‌کند، برای تهیه طلا از سنگ معدن مورد استفاده قرار می‌گیرد از جیوه علاوه بر دماسنج ها در فشارسنج ها ، پمپ های انتشار و بسیاری وسایل آزمایشگاهی دیگراستفاده می‌گردد.
نقطه سه گانه جیوه – 8344/38- درجه سانتیگراد – نقطه ثابتی است که بعنوان معیار در مقیاس های بین‌المللی حرارتی ( ITS-90 ) بکار رفته است.
از جیوه گازی در لامپ های بخار جیوه و تابلوهای تبلیغاتی استفاده می‌شود.
کاربردهای متنوع جیوه : سویچ های جیوه ای، حشره کشها، آمالگامها/ داروهای دندان، باتری های جیوه‌ای برای تولید هیدروکسید سدیم و کلر، الکترود در برخی انواع الکترولیز، باتری ها (پیل های جیوه‌ای) و کاتالیزورها.[3]
جیوه را از زمان های بسیار قدیم در چین و هند می شناختند و آن را در گورهای مصریان که 3500 سال پیش ساخته شده پیدا کرده اند. در بعضی نقاط به صورت قطره از سنگ های معدنی ترشح می شود . سنگ معدن اصلی جیوه سولفید جیوه (HgS) معروف به سینابار است.فلز جیوه از حرارت دادن این سولفید آزاد می شود
جیوه تنها فلزی است که در حرارت معمولی به حالت مایع است هر چند گالیم هم در8/29درجه ذوب می‎شود. جیوه به رنگ سفید نقره و رخشنده 6/13 مرتبه از آب سنگین تر است . در حدود 39- درجه به صورت جسم محکم و شکننده ای منجمد می شودو در حدود 357 درجه به جوش می آید . جیوه در ستون الکتروشیمی عناصر خیلی پایین تر از هیدروژن قرار دارد. بنابراین بیشتر فلزها آنرا از محلول نمکش خارج می کنند کاهنده ی بسیارضعیفی است و کاهلی و کمی استعدادش را برای ترکیب با اکسیژن و ناتوانی برای جایگزینی هیدروژن اسیدهای غیراکسیدکننده به همین حساب می گذارند با وجود این اسید نیتریک و اسید سولفوریک گرم و غلیظ طی یک واکنش اکسیداسیون و کاهش با جیوه نیترات جیوه (II) و سولفات جیوه (II) می دهند آلیاژ جیوه را با یک یا چند فلز دیگر را ملقمه می نامند و جیوه با بیشتر فلزها غیر از آهن و پلاتین ملقمه می دهد ملقمه ای از قلع و نقره و روی با جیوه برای پر کردن دندان به کار می رود این ملقمه وقتی تازه تهیه شده باشد نرم است و به راحتی می توان در سوراخ دندان فشردولی بعد از مدت کوتاهی سخت می شود.[11و3]
ترکیب های جیوه: جیوه دو دسته ترکیب تشکیل می دهد که در یکی از انها حالت اکسیداسیون 1+ و در دیگری 2+ است.
کلرید جیوه(I) : جسمی است جامد و سفید با فرمول مولکولی Hg2 Cl2 در آب غیر محلول و در پزشکی به نام کالومل به عنوان ملین مصرف می شود در اثر تابش اشعه ی آفتاب کم کم به جیوه و دی کلرید جیوه (II) تغییر می یابد.
معمولاً بی کلرید جیوه یا سوبلیمه فاسدکننده نامیده می شود.فرمول آن Hg Cl2 است بلورهای سفیدی می دهد که می توان در اثر تصعید کردن تصفیه کرد البته بسیار شدید سمی است.
اکسید جیوه (( HgOIIبه عنوان گندزدا و به نام رسوب سرخ ( Red Precipitate ) مصرف می شود.
1-5 یون سرب وخواص آن
سرب شاید یکی از اولین عناصری باشد که توسط انسان از 3500 سال قبل از میلاد همزمان با کاوش ها باستان شناسی در مصر شناسایی شد. قدیمی ترین قطعه سربی در موزه انگلستان بوده که مربوط به 3800 سال پس از میلاد می باشد.
روش استخراج سرب مربوط به دوره های قبل تر از این تاریخ، معلوم نیست. اگرچه بقایایی از کوره های ابتدایی کشف شده، که در آن مینرال های حاوی سرب را گرما داده (همراه با چوب و ذغال) تا عنصر مورد نظر استخراج شود.
طبق نظر باستان شناسان، قدیمی ترین قومی که سرب را مورد استفاده قرار داده اند مصریها بوده اند که این فلز را برای لعاب ظروف بکار برده و از کانی های نقره دار آن، نقره استخراج می کردند. سپس رومیان و بالاخره ایرانیان، چینی ها، هندوها، روس ها و اعراب از جمله اقوامی بودند که از قدیم الایام سرب را می‎شناختند و از آن استفاده می کردند. وجود آثار سرب و ابزار بجا مانده از آن دوران نشانگر کاربرد قابل توجه این فلز می باشد. به دلیل خاصیت چکش خواری سرب، صنعتگران می توانستند آنرا به خوبی گداخته نموده و به اشکال مختلف مورد نیاز بازار آن زمان درآورند.
شواهدی وجود دارد که چینی ها در حدود 3000 سال قبل از میلاد مسیح ، سرب فلزی را تولید کردند و اکتشافات فنیقی ها 2000 سال پس از میلاد در اسپانیا، نیز نشان دهنده استخراج سرب توسط آنها بوده است.[3و2]
در ایران، سرب از اواخر هزاره سوم قبل از میلاد مسیح شناخته شده و چون ذوب کربنات های سرب آسان است بهره برداری از معادن کربنات سرب بیشتر مورد توجه بوده است. در دوره های قبل از اسلام سرب به عنوان ملات در کارهای ساختمانی، سد سازی و پل سازی و نیز برای ساختن رنگ، نقاشی و مواد دارویی بکار می رفته است. بعد از اسلام، بهره برداری از معادن سرب به دلیل بدست آوردن نقره بوده بطوری که حتی در برخی از کتب این معادن را معادن نقره نامیده اند.
تا قبل از جنگ جهانی دوم، مصرف سرب در ایران ناچیز بوده و از معادن سرب بهره برداری چندانی به عمل نمی آمد، در حالی که پس از جنگ، این قبیل معادن اهمیت یافته و از سرب به عنوان یک محصول صادراتی و ارز آور استفاده شده است.
سرب از نظر فراوانی در پوسته زمین کمتر از مس و روی و سی و یکمین عنصر فراوان در پوسته زمین می‎باشد. عدد اتمی سرب 82 ، به رنگ خاکستری کدر و فلزی سمی، چکش خوار و سنگین ترین عنصر پایدار می باشد. مقاومت به خوردگی خوبی داشته و در مجاورت هوا روی سطح سرب لایه ای از کربنات تشکیل می شود که بقیه فلز را از خورده شدن محافظت می کند. قابلیت ریخته گری خوب سرب به علت نقطه ذوب پایین آن می باشد.
از جمله ویژگی های بسیار مهم سرب که منشا کاربردهای خاص گردیده، مقاومت آن در برابر اسید سولفوریک است. به همین دلیل در کاربردهایی که نیاز به واکنش در حضور اسید سولفوریک می باشد از سرب به عنوان لایه محافظ استفاده می شود. در برابر اسید کلریدریک مقاومت کمتری داشته و در برابر اسید نیتریک (اسید اکسیدان) مقاوم نمی باشد.
شکل 1-5 یون سرب و خواص آن
جدول 1-4 خواص اتمی، فیزیکی و شیمیایی سرب
عدد اتمی82جرم اتمی2/207نقطه ذوبC˚ 327نقطه جوشC˚ 1755شعاع اتمیpm



قیمت: تومان

About the author

92 administrator

You must be logged in to post a comment.