گازهای تخصصی چیست؟ چرا هرسال میلیون ها لیتر از گازهای تخصصی بی بو، بی رنگ، و غالباً نادروخنثی خریداری واستفاده می شود؟
گازهای تخصصی گازهای نادری هستند واگر شیمی دبیرستان را بیاد داشته باشید کریپتون و زنون در گروه عناصر جدول تناوبی قرار دارند. دربالای این عناصر هلیوم، نئون و آرگون قرار دارند. و در زیرآنها رادون و اوگانسون قرار گرفته اند.
تمامی این گازها بیرنگ و بی بو هستند. غالباً این گازها درواکنش های شیمیایی و یا تشکیل ترکیبات نقشی ندارند.
گازهای تخصصی ترکیباتی مانند KrCl₂ or XeF₂, را ایجاد می کنند اما این ترکیبات فعال هستند و ثبات ندارند. این خاصیت واکنش پذیری زنون (XeF₂) را به عنصری مفید وماشینی برای تولید فلورین درسایت های مطلوب دربخش تولید نیمه رساناها تبدیل نموده است.
شماری از ترکیبات تنها درحالت تحریک شده( KrCl, XeF, etc )ثابت هستند. و آنها را اکسپلیکس ها می نامند. این اکسپلکس ها به صورت مکرر در لیزرهای اکسیمر تشکیل و تجزیه می شوند. زنون با متمیوگلوبین پروتئین پیوند ایجاد می کند و در موقع لزوم به عنوان بی حس کننده استفاده می شود. خواص غیرواکنشی کریپتون و زنون برای پیشرانه های فضایی مناسب است زیرا نگرانی از واکنش موتور با فضاپیما را کاهش می دهد.
گازهای تخصصی در جو زمین وجود دارند. در حقیقت شما در همین لحظه در حال تنفس مقداری از آنها هستید. هر دوی این عناصر با استفاده از تقطیر کرایوژنیک با فرآیندهای جمع آوری مشابه به نسبت تقریبی ۱۰ به ۱ کریپتون به زنون از هوا استخراج می شوند. این عناصر در جو هم با این نسبت یافت می شوند.
کریپتون در هوا به نسبت حدود ۱ppm یافت می شود و زنون درهوا کمتر از ۱۰۰ppb است.
با این غلظت های پایین، به راحتی می توان علت دسته بندی آن در گروه گازهای نادر را درک کرد. کریپتون ارزان تر از زنون است. باور می کنید که همواره قیمت کریپتون یک دهم بهای زنون بوده است؟ این اطلاعات البته با صرف نظر از ناپایداری عجیب بازارهای کریپتون و زنون و البته قوانین عرضه و تقاضا حاصل شده است.
گازهای تخصصی در قیاس با دیگر گازها، اتم های سنگینی دارند. کریپتون دارای جرم ۸۴ amu است و زنون جرمی برابر با ۱۳۱ amu دارد که سبب شده است که زنون سنگین ترین گاز پایدار باشد( رادون در نیمه عمر کمتر از ۴ روز خود دچار زوال رادیواکتیو می شود ).
این جرم سنگین تر سبب شده است جابجایی آن سخت شود. آرگون به کرات برای انتقال اتم های هدف برای ایجاد روکش استفاده می شود.
این عنصر ارزان و بهترین انتخاب برای روکش کاری با اتم های سبک است اما بازدهی بیشتر وقتی حاصل می شود که این گاز خنثی دارای جرم اتمی مشابه با اتم هدف باشد.
گازهای تخصصی برای روکش های سنگین تر مانند تیتانیوم استفاده می شود. این جرم موقع حکاکی و قلم زنی روی مواد نیمه رسانا مهم می شود. بیشتر بودن جرم زنون سبب شده است که استفاده از آن در پیشرانه های برقی فضاپیما به صرفه شود.
زنون در این کاربرد یونیزه شده و از فضاپیما با صدها کیلومتر در ثانیه سرعت اجکت می شود. بر اساس قانون سوم نیوتن، هر عملی عکس العملی دارد. و در سرعت های بالا پرتاب شدن مقدار بسیار کمی از جرم می تواند پیشرانه مفیدی ایجاد کند.
در پیشرانه های فضایی نیز می توان از کریپتون استفاده کرد اما به خاطر جرم پایین تر آن، تقریباً دو برابر زنون اتم نیاز هست. اگر از اتم های سبک تر از کریپتون استفاده شود در آن صورت باز هم برای اجکت و ایجاد به اتم های بیشتری نیاز است و جرم های بزرگ منجر به دیفیوژن کندتر هر دو گاز می شود.
این دیفیوژن کندتر سبب عایق سازی بهتر و انتقال حرارت کندتر در موقع استفاده از پنجره های دو یا سه گانه یا حبابی ها می شود. به هر حال قدرت عایق سازی آن از هوا یا آرگون بهتر است.
انرژی یونیزه کننده انرژی مورد نیاز برای برداشتن الکترون از اتم خنثی است. گازهای خنثی بسیار با ثبات هستند و به راحتی الکترون را تسلیم نمی کند.
گروه عناصر گاهی به خاطر این ثبات گازهای خنثی نامیده می شوند. بدیهی است که این کاملا درست نیست زیرا همانطور که در بالا دید شماری از ترکیبات هم با آنها ایجاد می شود. واکنش پذیری گازهای خنثی افزایش و انرژی یونیزه کننده به سمت پایین جدول تناوبی کاهش پیدا می کند. انرژی یونیزه کننده کریپتون کمتر از گازهای( He, Ne, Ar )است و انرژی یونیزه زنون هم از کریپتون کمتر است.
انرژی یونیزاسیون روی قدرت واکنش یون ها هم اثر دارد. با این انرژی یونیزاسیون بیشتر، یونهای تولیدی از اتم های کریپتون قویتر هستند و الکترون ها را گرفته و مواد آنها را زایل می کنند و مثلاً آن را به دیواره تراستر وارد می کنند.
انرژی یونیزه کننده روی کارایی پیشرانه الکتریکی اثر می گذارد زیرا قبل از تزریق از تراسترکریپتون یا زنون باید یونیزه شوند. انرژی یونیزه کمتر در تبدیل زنون به پیشرانه قویتر در قیاس با کریپون و دیگر اتم های دارای انرژی یونیزاسیون موثر است زیرا بخش زیادی از این انرژی صرف پرتاب یونها می شود هر چند باید اتم های کمتری یونیزه شوند.
خواص این یونها در پلاسمای مورد استفاده در ساخت نیمه رساناها هم بسیار مهم است. به خاطر انرژی یونیزاسیون پایین این مواد در قیاس با هالوکربن ها، این دو ماده یعنی زنون و کریپتون به همراه هالوکربن ها برای تاثیر گذاری روی نرخ قلم زنی نیتریدهای سیلیکون، اکسیدهای سیلیکون و لایه های پلی سیلیکون استفاده می شوند. این مواد برای تولید چیپ های حافظه در درایوهای سالید استیت بسیار مهم و حیاتی هستند.
همچنین گازهای تخصصی هر دو به عنوان عوامل تخریب سطحی و مدولاتور پلاسما عمل می کنند و روی ترکیب پلاسما از طریق یونیزه نموده ثانویه اثر دارند. در طول زمان یونیزه سازی ثانویه و تخریب سطحی با استفاده از آرگون انجام شده است زیرا هزینه آن پایین و در دسترس هم بوده است اما زنون و کریپتون توان انتخاب یونهای موجود در پلاسما به روش های دیگر را دارند.
با حرکت به سمت پایین جدول تناوبی در ستون گازهای خنثی که با هلیوم آغاز می شود، ملاحظه می گردد که همه آنها شباهت کمتری از نظر تئوری با گاز ایده آل دارند.
هلیوم اغلب خواهان گاز ایده آل است و گازهای تخصصی با گاز ایده آل به کلی تفاوت دارند. هر دوی این گازها در فشار بالا به شدت متراکم می شوند و زنون تراکم پذیرتر از کریپتون است.
زنون در دمای اتاق و فشار ۱۰۰۰ پاسکال مایعی ما فوق فرار است اگر دما اندکی افت کند، زنون مایع می شود. این تراکم پذیری سبب می شود که زنون به گازی عالی برای استفاده در فضا پیما استفاده شود( این ورای آثار جرم اتمی و انرژی یونیزاسیون ان است که در بالا به ان اشاره کردیم ).
با فشرده سازی این گاز در یک فضای کوچک، سیستم پیشرانه می تواند کوچکتر و سبک تر شود و پیلود بزرگتر و فضاپیما کوچکتری بسازیم.
با استفاده از پیشرانه الکتریکی زنون، فضاپیمای ناسا نه تنها از یک بلکه از دوخرده سیاره دیدار کرد! این ماموریت طولانی تر با استفاده از پیشرانه و خرج های شیمیایی معمولی ممکن نبوده است. بنابراین ارزش این گازهای مفید و بیرنگ و بی بو به خوبی مشاهده می شود و هر سوال دیگری داشتید با ما در میان بگذارید.
