انرژی اَکتیواسیون (فعالسازی)

 از زمانی که کوه دماوند توسط فوران آتشفشان ساخته شده است، هزاران سال می گذرد. این کوه که بلندترین در خاور میانه و مرتفع ترین قله آتشفشانی آسیاست، همچنان پابرجاست، اما ظاهرا این پایداری و استواری برخلاف علم ترمودینامیک است!

از لحاظ ترمودینامیکی تکه سنگی که در بالای کوه قرار دارد، در حالت ناپایداری به سر می برد و با سقوط و قرار گرفتن در دامنه کوه به حالت پایدارتری می رسد. یک کوه از همین تکه سنگها و خرده اجرامی تشکیل شده که به همین منوال به صورت ناپایداری بر روی همدیگر قرار گرفته اند و پیش بینی ترمودینامیک مسطح شدن خود به خودی تمامی کوههاست. در برخی کتب و دروس آکادمیک، پایداری ترمودینامیکی سیستمها را با دو پارامتر انرژی و آنتروپی توضیح می دهند، بدین ترتیب که سیستمها تمایل به انرژی کمتر و آنتروپی بیشتر دارند. تمایل به آنتروپی بیشتر کاملا درست است و قبلا در مورد آن توضیح داده شد، اما میل سیستمها به انرژی کمتر از بنیان نادرست است.

با توجه به قانون بقای انرژی ، کاهش انرژی یک سیستم، منجر به افزایش انرژی دیگر سیستمها می شود و تمامی سیستمها نمی توانند همزمان انرژی خود را کاهش دهند. هنگامی که سنگی از بالای کوه سقوط می کند و در دامنه کوه آرام می گیرد، از انرژیش کاسته می شود، اما این انرژی از دست رفته نابود نمی شود و به گرما تبدیل شده و به بخش دیگری از زمین منتقل می شود. در همین فرآیند ، بر میزان آنتروپی زمین افزوده می شود. بنابراین بر طبق اصول ترمودینامیک، کوهها باید از بین بروند، تمامی مواد سوختنی باید بسوزند، یعنی چوب، کاغذ،نفت، زغال سنگ ، لوازم خانه و حتی بدن دوست داشتنی من و شما باید با اکسیژن ترکیب شده و بسوزند! حتی از نظر ترمودینامیک، الماس باید به گرافیت (به زبان ساده زغال) تبدیل شود، همچنین در سطح اتمی، تمامی عناصر سنگین تر و نیز سبک تر از آهن و سرب باید شکافته و یا جوش بخورند و به این دو عنصر تبدیل شوند، آهن و سرب پایدارترین عناصر هستند، اما چرا؟

آیا ترمودینامیک مزخرف می گوید؟! چه کسی باور می کند که الماس به زغال تبدیل شود؟ الماس هزاران سال است که زیر بار فشار و دمای بالا، در اعماق زمین تشکیل شده و توسط آتشفشانها به سطح زمین هدایت شده است و تمام کسانی که با قیمت گزاف آن را خرید و فروش می کنند، نسبت به استحکام و پایداری آن اطمینان ۱۰۰ درصد دارند. پایداری همچون کمیابی، یکی از مهمترین پارامترهای هر جسم گران و ارزشمندی است، الماس سخت و پایدار است. انسانها همه گونه نگرانی دارند، اما چه کسی حتی در عمق یک جنگل پر از اکسیژن نگران سوختن بدن خویش است؟ درخت سرو زرتشت (ابرقو) حدود ۴۰۰۰ سال زندگی کرده و نسوخته است. این همه عناصر سنگین تر و سبک تر از آهن و سرب بر روی زمین و جهان ، دست نخورده و بدون واکنشهای اتمی وجود دارند. چگونه می توان باور کرد که اتمهای هیدروژن خودبه خود جوش خورده و به عناصر سنگین تر تبدیل شوند؟

همه اینها که گفتیم درست است. کسی ندیده است که الماس خود به خود به زغال تبدیل شود، اما پیش بینی های ترمودینامیک کاملا درست است، نکته اصلی اینجاست که ترمودینامیک در مورد سرعت و زمان وقوع این پیش بینی ها چیزی نمی گوید. باید خیلی خیلی عمر کنید و صبور باشید تا با چشم طبیعی وقوع بسیاری از رویدادهای مورد نظر ترمودینامیک را ببینید. واقعیت این است که در همین لحظه نیز بدن من و شما، همچون کاغذی که من بر روی آن می نویسم و نیز سرو زرتشت در حال سوختن با اکسیژن است، اما سرعت آن به قدری کم است که همچون رشد درختها و گیاهان و زنگ زدن آهن، برای ما قابل تشخیص نیست و اصولا در حالت طبیعی چنین واکنشهایی جایی برای نگرانی نیز ندارد. در شرایط معمولی سوختن یک گرم چوب هزاران سال طول می کشد. علمی که در آن سرعت واکنشها مورد بررسی قرار می گیرد ، سنیتیک است.

یکی از عوامل مهم در سرعت واکنشها ، موضوع مقاله ما، یعنی انرژی اکتیواسیون می باشد که اولین بار توسط شیمیدان سوئدی، سوانت آرنیوس معرفی شد. در مقابل تمامی واکنشها و پیش بینی هایی که ذکر شد، یک سد انرژی وجود دارد که باعث کندی سرعت آنها می شود. هر چه این سد انرژی بزرگتر باشد، پیشرفت واکنش سخت تر و سرعت آن نیز کمتر می شود. وجود این سد انرژی برای صنایع شیمیایی چندان خوشایند نیست، چراکه آنها را مجبور به استفاده از انرژی و هزینه بیشتر برای پیشبرد واکنشها و رسیدن به محصولات می کند ، اما برای من و شما بسیار خوشایند است. اگر چنین سدی نبود، در همین لحظه بدن ما با اکسیژن می سوخت و خاکستر می شد.

برگردیم به سنگی که در بالای کوه جا خوش کرده است. چرا این سنگ بلافاصله سقوط نمی کند؟ چون در مقابل این واکنش یک سد انرژی وجود دارد. شروع سقوط به یک انرژی معادل آن برای گذشتن از این سد نیاز دارد. این مقداربه انرژی اکتیواسیون یا فعالسازی موسوم است که حداقل انرژیبرای شروعچنین واکنشهایی می باشد. برای یک سنگ نسبتا کروی که خیلی سنگین نباشد، نیروی دست یک شخص نیز می تواند انرژی سقوط را تامین کند. هر گاه کسی آن را هل دهد و مانعی در مسیر نباشد، تا ته دره سقوط خواهد کرد. برای سنگهای بزرگتر یک زلزله چنین کاری را انجام خواهد داد. یک جنگل سرسبز و زیبا به خودی خود نخواهد سوخت (به عبارت علمی تر سرعت سوختن آن بسیار کند است)، اما برخورد یک صاعقه یا بی احتیاطی یک فرد در برپا کردن آتش می تواند به یک فاجعه زیست محیطی ختم شود! چرا؟ چون آتش گرفتن بخشی از یک درخت، انرژی اکتیواسیون سوختن آن را تامین می کند، اما موضوع به همین جا ختم نمی شود. سوختن چوب، یک واکنش انرژی زاست و انرژی آزاد شده از سوختن یک درخت می تواند انرژی اکتیواسیون سوختن دیگر درختان را تامین کند و الی آخر!

به این نوع واکنشها زنجیره ای می گویند. واکنشهایی که شروع آنها، انرژی ادامه کار را تامین می کند و به پیش می برد. انفجار یک خانه در اثر نشت گاز نیز بر اساس همین واکنش زنجیره ای انجام می پذیرد. اگر چه خانه ای که پر از گاز شده به خودی خود آتش نمی گیرد، اما کوچکترین بی احتیاطی مانند فشردن کلید برق ، جرقه ای تولید می کند که برای شروع واکنش سوختن چند مولکول گاز کافیست و این یعنی تامین انرژی اکتیواسیون دیگر مولکولها و در ادامه انفجار و آتش سوزی! در چنین مواردی باید در و پنجره ها را باز کرد و با یک حوله خیس و حتی مرطوب کردن پوشاک خود (جهت جلوگیری از جرقه الکتریسته ساکن) ، گاز را از طریق پنجره ها به بیرون از خانه هدایت کرد.

جرقه‌های ایجاد شده توسط سایش فولاد بر روی چخماق انرژی فعالسازی لازم برای آغاز احتراق چراغ بونزن را فراهم می‌کند. پس از آغاز احتراق، انرژی حاصل از واکنش، انرژی فعالسازی لازم برای ادامهٔ آن را فراهم می‌کند.

برای برخی واکنشها مانند تبدیل الماس به گرافیت، انرژی اکتیواسیون به حدی زیاد است که عملا سرعت واکنش در شرایط معمول صفر می باشد. البته این برای الماس دوستان خبر خوشی است، اما در صنایع شیمیایی انرژی اکتیواسیون بالا باعث کندی تولید محصول و افزایش هزینه می شود. با این حال آدمی برای این معضل نیز راه حلی پیدا کرده است : کاتالیزور. کاتالیزور ها با تشکیل ترکیبات واسطه سبب کاهش انرژی اکتیواسیون واکنشها شده و در پایان فرآیند، خود به صورت دست نخورده باقی می مانند. واکنشهایی نیز وجود دارند که انرژی اکتیواسیون آنها بسیار کم و حتی صفر است. مثلا واکنش برخورد یک الکترون با پوزیترون که به دو فوتون تبدیل می شود از این نوع است. در شیمی نیز اکثر واکنشهای رادیکالی دارای انرژی اکتیواسیون صفر هستند و به راحتی و با سرعت پیش می روند. نوع سومی از واکنشها دارای انرژیاکتیواسیون منفی هستند.

اگر بخواهیم ساده آن را توضیح دهیم، در این واکنشها دادن انرژی باعث کاهش سرعت یا عدم انجام واکنش می شود و در واقع شما باید به نوعی مقداری انرژی بگیرید تا واکنش به پیش برود. مثلا واکنش ترکیب دورادیکالاتم ید برای تشکیل مولکول آناز این نوع است.انرژی آزاد شده از این ترکیب دوباره اتمها را از همدیگر جدا می کند. برای پیشبرد این واکنش معمولا مقداری گاز آرگون اضافه می کنند تا انرژی آزاد شده را جذب کند. انرژی اکتیواسیون بیشتر واکنش های هسته ای نیز خیلی زیاد است (چرا؟).

مثلا برای جوش هسته ای هیدروژن و تبدیل آن به هلیوم در ستاره هابیش از۱۰میلیون درجه حرارت مورد نیاز است که این مقدار در رآکتورهای آزمایشگاهی به ۱۰۰ میلیون درجه افزایش پیدا می کند! البته با توجه به اینکه همیشه تخریب بسیار ساده تر از ساختن و آباد کردن است، آدمی نیز سالها پیش واکنش جوش هسته ای هیدروژن را در بمبهای هیدروژنی تکمیل کرده است. در این بمب های ویرانگر که قادرند در یک لحظه بزرگترین شهرها را از نقشه جغرافیا پاک کنند، از یک بمب اتم به عنوان چاشنی یا تامین کننده انرژی اکتیواسیون واکنش استفاده می شود. با این حال چهره آباد کننده این واکنش هنوز خودش را به نمایش انسان در نیاورده است.

با تمام تلاشهایی که تا کنون برای کنترل فرآیند جوش هسته ای انجام گرفته ، متاسفانه هنوز بشر نتوانسته به این انرژی پاک و تقریبا نامحدود دست یابد. رآکتورهای ساخته شده همچون توکامک قادرند برای لحظه ای، جوش هسته ای را به انجام برسانند، اما هنوز پیشبرد زنجیره ای واکنش میسر نشده است. امید می رود که در آینده نزدیک مجموعه  ITER اولین رآکتور همجوشی جهان را که از نوع توکامک خواهد بود در فرانسه بسازند. این مجموعه متشکل است از کشورهای روسیه ، اروپا، ژاپن ،کانادا، چین، ایالات متحده و جمهوری کره. توان خروجی این توکامک ۴۱۰ مگا وات خواهد بود.

زمانی به این موضوع فکر می کردم که شاید بتوان با تزریق مولکولی ایزوتوپهای هیدروژن (دوتریوم و تریتیوم) از یک نانو پایپ و محصور سازی مغناطیسی پلاسمای آن در در فضای کوچکی که چندین اشعه لیزر بر روی آن همگرا شده به جوش هسته ای دست یافت. امروزه هر نوع جوش هسته ای با لیزرهای پرقدرت مانند لیزر نوا (Nova) امکان پذیر شده است، اما مشکلات بزرگی از جمله انرژی زیاد برای تولید این نوع لیزردر مسیر این فرآیند قرار دارد. در هر حال تولید انرژی از جوش هسته ای مشکل است، اما اگر به شکل صنعتی امکان پذیر شود، علاوه بر دستیابی به یک انرژی نسبتا نامحدود، زمین و طبیعت از شر بسیاری از آلودگیها نجات پیدا می کند! به امید آن روز!

نویسنده : احمد مصدر- عضو پیوسته بیگ بنگ

منابع بیشتر : pdf , Activation energy , hupaa , youtube ,  video , ITER

نقل از بیگ بنگ

عطف به عتف - نگاهی به پژوهش و ISI در ایران

امید عمومی - نامه به ریاست جمهوری

مرز بین ایمان و تجربه  

نامه سرگشاده به حضرت آیت الله هاشمی رفسنجانی

آخرین مقالات