الكاتب: جابر اليوسف - - عدد المشاهدات: 563
محتويات
الهيدروجين (بالانجليزية: Hydrogen، ورمزه الكيميائي: H): هو أحد عناصر الجدول الدوري في الكيمياء، وعدده الذري (1)، ويتميز بأنه غاز لا فلزي وبلا رائحة ولا لون، وذلك في ظروف الضغط والحرارة القياسية، كما يعتبر سريع الاشتعال وأحادي التكافؤ.
والهيدروجين يعد أكثر الغازات تواجداً في الكون إذ يشكل 75 بالمئة من حجم الكون، وهو اخف الغازات ويوجد في الكائنات الحية وكل المركبات العضوية وفي الماء. ولم يتوصل الكيميائيون بعد الى قرار حاسم حول المكان الذي يجب أن يشغله الهيدروجين في جدول مندلييف الدوري.
ووضع الكيميائيون الهيدروجين في فصيلتين في آن واحد: في الفصيلة الأولى لتشابهه مع الفلزات القلوية كالليثيوم والصوديوم والبوتاسيوم، وفي الفصيلة السابعة حيث ينسب إلى الهالوجينات كالفلور والكلور والبروم. وتم توليف الهيدروجين إصطناعياً في القرن السادس عشر ، وذلك عن طريق خلط المعادن بالأحماض القوية وكان هنري كافنيش أول من يعرفه كمادة منفصلة.
تشير احدى النظريات العلمية الى أن الهيدروجين تكوّن بعد فترة وجيزة جدّاً بعد الانفجار العظيم ولم تعلو درجة الحرارة بشكل كاف في أي مكان منذ ذلك الحين، أي أن كلّ الهيدروجين تشكّل فور تشكُّل الفضاء الكوني قبل ١٣ مليار سنة.
لأول مرة عرّف الهيدروجين مادةً متميزةً عن غيرها من الغازات القابلة للاشتعال في 1766 هنري كافيندش، الذي يرجع إليه الفضل في اكتشافه. وكان غاز الهيدروجين أول ما يتم توليفه اصطناعياً عن طريق فيليب فون بوسلاغر وذلك بخلط المعادن بالأحماض القوية.
يتم تحضير الهيدروجين في المعمل (المختبر) عن طريق تفاعل الأحماض مع الفلزات مثل الزنك. أما لتحضير الهيدروجين بكميات كبيرة للاستخدامات الصناعية فيتم ذلك عن طريق تعديل البخار بالغاز الطبيعي. كما أن التحليل الكهربائي للماء يعتبر من الطرق البسيطة، ولكن تكاليفه عالية لدرجة عدم استخدامه تجاريا. ويحاول العلماء هذه الأيام الوصول لطرق جديدة لإنتاج الهيدروجين، وأحد هذه الطرق يتضمن استخدام الطحالب. وتوجد طريقة أخرى تتضمن استخدام الجلوكوز والسوربيتول، والذي يتم في درجة حرارة منخفضة, واستخدام عامل مساعد (محفز) جديد.
الهيدروجين أخف العناصر الكيميائية على الإطلاق، ويتكون هو ونظائره من إلكترون مفرد وبروتون. وفي درجة الحرارة والضغط القياسيين يقوم الهيدروجين يتكون غاز ثنائي الذرة، H2، ودرجة غليانه 20.27 K ودرجة ذوبانه 14.02 K. وتحت ظروف الضغط العالية, كالتي توجد في مركز كوكب المارد الغازي يفقد الهيدروجين خواصه ويصبح فلزا سائلا (راجع الهيدروجين الفلزي). وتحت ظروف الضغط المنخفض كالتي توجد في الفضاء, يميل الهيدروجين لأن يتواجد في شكل ذرات مفردة، نظرا لعدم وجود ظروف مناسبة لها لأن تتحد, تتكون سحب من الهيدروجين H2 عند تكون النجوم.
ويلعب الهيدروجين دورا حيويا في الكون عن طريق تفاعل بروتون-بروتون ودورة كربون-نيتروجين. (وهذه عمليات انصهار نووي تطلق كميات هائلة من الطاقة خلال اتحاد ذرات الهيدروجين لتكوين الهيليوم).
اكتشف فريق بحث سوفييتي في السابق أن الهيدروجين يكتسب فجأة لدى تعريضه إلى ضغط يبلغ ثلاثة ملايين ضغط جوي خاصة غريبة وهي أنه يصبح ناقلا للكهرباء كأي فلز من الفلزات المعروفة. فالهيدروجين على ما يبدو هو فلز
ذرة الهيدروجين هي ذرة عنصر الهيدروجين. وتتكون من إلكترون وحيد سالب الشحنة, يدور حول بروتون موجب الشحنة, والذي يعتبر نواة ذرة الهيدروجين. وحركة الإلكترون ثابتة في دورانها حول النواة عن طريق قوى كولوم.
يتم استخدام كميات كبيرة من الهيدروجين في الصناعة, وخاصة في إنتاج الأمونيا بطريقة هابر وكذلك في هدرجة الزيوت والدهون وإنتاج الميثانول. كما يستخدم الهيدروجين في الألكلة الهيدروجينية, السلفرة الهيدروجينية, التكسير الهيدروجيني. وتوجد استخدامات أخرى:
كما يمكن للهيدروجين أن يحترق في محركات الاحتراق الداخلية, وقد تم تطوير سيارة تعمل باحتراق الهيدروجين تحت إشراف BMW-Chrysler (شاهد سيارة هيدروجينية). كما أن خلايا الوقود الهيدروجينية تستخدم لإنتاج قوة ذات انبعاثات أقل من محركات الاحتراق الداخلي الهيدروجينية. وتعتبر الانبعاثات الصادرة من محركات الاحتراق الداخلي الهيدروجينية والخلايا الهيدروجينية متعادلة مع الانبعاثات التي تصدر أثناء إنتاج الهيدروجين. وقد يؤدى هذا لحدوث تغير في كهرباء المستقبل حيث سيتم الاعتماد على التحليل الكهربائي للماء باستخدام قوى الشمس أو الرياح أو القوة النووية للحصول على دورة وقود خالية من التلوث.
ولا تزال الأبحاث جارية ليكون الهيدروجين وقود المستقبل. ويمكن أن يكون هذا حلقة الربط بين اختلاف أنواع الطاقة وكيفية نقلها وتخزينها, فمثلا يمكن أن يتم تحويلها إلى كهرباء (لحل مشكلة تخزين الكهرباء ونقلها), كما يمكن أن تكون بديلا للوقود الحيوي, أو بديل للغاز الطبيعي ولوقود الديزل. وكل هذا ممكن نظريا بدون أي انبعاثات CO2 أو أى ملوثات غازية سامة.
الهيدروجين (في اللغة الفرنسية تعني مكون الماء وفى اللغة الإغريقية تعنى هيدرو "ماء" وجين أي "تكون") تم التعرف عليه لأول مرة كمادة منفصلة عام 1766 م بواسطة هنري كافيندش, فقد عثر عليه أثناء تفاعلات الزئبق مع الأحماض. وبالرغم من أنه افترض خطأ أن الهيدروجين أحد مكونات الزئبق (وليس أحد مكونات الحمض) فقد استطاع وصف كثير من خصائص الهيدروجين بدقة. وقد أعطى أنطوان لافوازييه الاسم للهيدروجين كما أثبت أن الماء يتكون منه مع الأكسجين وكان من أول استخدامات الهيدروجين المنطاد. كما أن الديتريوم وهو أحد نظائر الهيدروجين تم اكتشافه بإشراف هارولد سي يوري بتقطير عينة من الماء عدة مرات. وقد حصل يوري على جائزة نوبل لاكتشافه عام 1934 م. وقد تم اكتشاف النظير الثالث (التريتيوم) في نفس العام.
يحضر غاز الهيدروجين بعده طرق منها:
مستويات الطاقة الإلكترونية
الطاقة الأرضية للإلكترون الموجود في ذرة الهيدروجين تساوى 13.6 إلكترون فولت والتي تعادل تقريبا فوتون من المنطقة فوق البنفسجية تقريبا 92 نانو متر.
ويمكن عن طريق نموذج بور أن يتم حساب مستويات طاقة الهيدروجين بطريقة شبه دقيقة. ويتم هذا بجعل الإلكترون يدور حول البروتون مثلما تدور الأرض حول الشمس. ولكن الأرض لها مدار ثابت حول الشمس محكوم بقوى الجاذبية بين الأرض والشمس, أما الإلكترون فإنه يحتفظ بمداره تحت تأثير القوة الكهرومغناطيسية. كما يوجد فرق آخر بين نظامي الشمس الأرض والبروتون الإلكترون هو أنه طبقا لميكانيكا الكم يمكن للإلكترون أن يكون على مسافة ثابتة فقط من البروتون. وعند عمل تصور لذرة الهيدروجين طبقا لهذا النظام فإنه يعطى مستويات الطاقة الصحيحة وإشعاعاتها.
الهيدروجين هو أكثر العناصر وفرة في الكون, ويمثل نحو 75 % من المواد بالكتلة ونحو 90 % بعدد الذرات. ويتواجد هذا العنصر بوفرة كبيرة في النجوم والكواكب الغازية العملاقة ولكنه شحيح للغاية في غلاف الأرض (1 جزء في المليون بالحجم). أكثر المصادر شيوعا لهذا العنصر هي الماء والذي يتكون من ذرتي هيدروجين وذرة أكسجين (H2O). كما توجد مصادر أخرى تتضمن معظم أشكال المواد العضوية (كل أشكال الحياة المعروفة) متضمنة الفحم والغاز الطبيعي وأنواع الوقود الحفري الأخرى. الميثان (CH4) يعتبر مصدرا مهما للهيدروجين.
يمكن تحضير الهيدروجين بعدة طرق كتمرير البخار على الكربون الساخن وتحلل الهيدروكربونات بالحرارة وتفاعلات القواعد القوية في محاليلها المائية مع الألومنيوم والتحليل الكهربائي للماء وتفاعلات تبادل الأحماض مع الفلزات.
ويتم إنتاج الهيدروجين بصورة كبيرة عن طريق إعادة تكوين البخار للغاز الطبيعي في درجات حرارة عالية (700-110 °C), حيث يتفاعل البخار مع الميثان لينتج أول أكسيد الكربون والهيدروجين.
كما يمكن الحصول على هيدروجين إضافي من أول أكسيد الكربون خلال عملية تبادل ماء غاز.
الهيدروجين أخف الغازات, يتحد مع معظم العناصر الأخرى ليكون مركبات. الهيدروجين له سالبية كهربية قدرها 2.2 ولذا فإنه يكون مركبات حيث أنه أكثر العناصر لا فلزية وأكثرها فلزية أيضا. الحالة اللافلزية يطلق عليها الهيدرايدات وفيها يكون الهيدروجين في صورة أيونات H- أو مادة مذابة في العنصر الآخر (كما في هيدرايد البالاديوم. أما الحالة الفلزية فإنها تحدث عندما يميل الهيدرجين لأن يكون رابطة تساهمية حيث أن أيون H+ سيكون عبارة عن نواة بدون إلكترونات وبالتالي سيكون لها قدرة كبيرة على جذب الإلكترونات لها. وفي الحالتين تتكون الأحماض. وعلى هذا فإنه حتى في حالة المحاليل الحمضية يمكن أن ترى أيونات مثل الهيدرونيوم (H3O+) حيث يتعلق البورتون بعنصر أخر.
يتحد الهيدروجين مع الأكسجين لتكوين الماء H2O, وتنبعث كمية كبيرة من الطاقة, كما أنه يحترق في الهواء ويحدث انفجارا. أكسيد الديتريوم D2O، يسمى الماء الثقيل. ينتج الهيدروجين مركبات كقيرة مع الكربون. ونظرا لارتباط هذه المركبات بالكائنات الحية فإن هذه المركبات يطلق عليها مركبات عضوية, ودراسة خواص هذه المركبات يطلق عليها الكيمياء العضوية..
في الظروف العادية فإن غاز الهيدروجين خليط من نوعين من الجزيئات واللذان يختلفان عن بعضهما بطريقة الدوران حول النواة. وهذان النوعان يعرفان أورثو-هيدروجين، بارا-هيدروجين (وهذا يختلف عن موضوع النظائر - شاهد التالي) الأورثو-هيدروجين يكون دوران النواة متوازي (ويكون ثلاثيات)، بينما في البارا-هيدروجين يكون الدوران عكس توازي (ويكون أحاديات). وفى الظروف القياسية يتكون الهيدروجين من 25 % من البارا و 75 % من الأورثو (والذي يطلق عليه الشكل العادى للهيدروجين). وتعتمد نسبة الإتزان بين هذين الشكلين على الحرارة، ولكن حيث ان الأورثو له طاقة أكبر (في الحالة المثارة لا يكون ثابت في حالته النقية. وفى درجات (درجة حرارة الغليان) فإن حالة الإتزات تتكون كلها غالبا من البارا.
وحالة التحول بين النوعين بطيئة ولو تم تبريد الهيدروجين وتكثيفه سريعا، فإنه يحتوى على كميات كبيرة من الأورثو. ومن المهم أثناء تحضير وتخزين الهيدروجين السائل حيث أن التحول بين أورثو-بارا ينتج حرارة أكبر من طاقة تبخره ويتم فقد كميات كبيرة من الهيدروجين بالتبخر بهذه الطريقة بعد عدة أيام من تسييله. ولذا فإنه يتم استخدام عوامل حفازة لتحولات أورثو-بارا خلال تبريد الهيدروجين. كما أن النوعين لهما اختلاف طفيف في الخواص الفيزيائية. فمثلا درجة الذوبان والغليان في البارا-هيدروجين أقل 0.1 كلفن من الشكل العادى.
الهيدروجين هو العنصر الوحيد الذي له أسماء مختلفة لنظائره. (خلال الدراسات الأولى للمواد المشعة، كان يطلق على النظائر المشعة أسماء مختلفة عن العناصر، ولكن لا يتم استخدام هذه الأسماء حاليا، وبالرغم من ذلك فإن الرادون تم تسميته على اسم أحد نظائره). يتم استخدام الرمز D بدلا من 2H، الرمز T بدلا من 3H وذلك للتعبير عن الديتريوم، التريتيوم وهذا على الرغم من أن هذا ليس معتمد. (كما أنه الرمز P محجوز للعنصر فوسفور وبالتالى لا يمكن استخدامه للبروتيوم)
1H
أكثر نظائر الهيدروجين ثباتا، وهو أخفها . وله نواة ذرة تتكون من بروتون واحد، ويستخدم الاسم بروتيوم للتعبير عن هذا النظير. والهيدروجين الموجود في الماء العادي يتألف بأكمله تقريبًا من البروتيوم.
2H
النظير الثابت الأخر يسمى ديتريوم أو ديوتريوم ويرمز له بالرمز D وله نيترون إضافي في النواة، ويكون الديتريوم 0.0184 - 0.0082 % من كل الهيدروجين (IUPAC)، نسبة الديتريوم إلى البروتيوم تم عملها بواسطة VSMOW والمرجع القياسي هو الماء. والديتريوم قليل جدًا في الماء، إذ توجد منه ذرة واحدة فقط مقابل 6700 ذرة من البروتيوم.
3H
النظير الثالث الطبيعي للهيدروجين هو تريتيوم ويرمز له بالحرف T. وتتكون نواة التريتيوم من 2 نيوترون بلإضافة إلى البروتون. وتتحلل عن طريق تحلل بيتا وله فترة نصف عمره (نصف تفككه) تساوى 13.2 سنة. وهو يتكون باستمرار في الطبقة العليا من الغلاف الجوي (ستراتوسفير) بفعل الأشعة الكونية[11]. وكميته على الأرض ضئيلة جدًا جدًا. فهي أقل من كيلوغرام واحد في الكرة الأرضية كلها.
4H
هيدروجين-4 تم تصنيعه بقذف التريتيوم بنواة ديتريوم سريعة الحركة. ويتحلل عن طريق انبعاث النيترون، وله فترة عمر نصف تساوى 9.93696x10−23 ثانية.
5H
تم التعرف على هيدروجين-5 في عام 2001 بقذف الهيدروجين بالأيونات الثقيلة. ويتحلل عن طريق انبعاث النيترون، وله فترة عمر نصف تساوى 8.01930x10−23 ثانية.
6H
هيدروجين-6 يتحلل عن طريق انبعاث النيترون، وله فترة عمر نصف تساوى 3.26500x10−22 ثانية.
7H
تم الحصول على هيدروجين-7 في عام 2003 (المقالة) في معامل ريكين اليابانية بتبريد شعاع من عالى-الطاقة من الهيليوم-8 بواسطة الهيدروجين وتم التعرف على تريتون - نواة التريتيوم - والنيوترونات الناتجة من تكسر هيدروجين-7، وبنفس الطريقة يمكن إنتاج والتعرف على هيدروجين-5.
اندماج الهيدروجين في الشمس والنجوم
عن طريق الاندماج النووي تستمد الشمس حرارتها وكذلك النجوم. تندمج ذرات الهيدروجين في درجة حرارة نحو 12 مليون درجة مئوية وضغط عالى جدا فيتكون الهيليوم. ويقوم النجم والشمس بذلك التفاعل أثناء 90 % من عمره. بعد ذلك يكون الجزء الأكبر من الهيدروجين قد استهلك وتحول إلى هيليوم.
يمكن سريان التفاعل الاندماجي بطريقتين، وبواسطتهما يلتحم 4 بروتونات وهي أنوية الهيدروجين فتكون نواة الهيليوم 4He :
ولغرض حساب الطاقة الناتجة فيجب الأخذ في الحسبا سواء في تفاعل البروتون-بروتون أو في دورة بيته-فايتزيكر أثنين من البوزيترونات يتفاعلا مع إثنين من [[الإلكترونات في التو عن طريق إفناء إلكترون-بوزيترون وينتجا طاقة إضافية قدرها 1,022 مليون إلكترون فولت. أي أنه يلزم لحساب الطاقة الناتجة حساب فقد الكتلة للأربعة بروتونات بالنسبة لكتلة نواة الهيليوم بالإضافة إلى ضعف كتلة الإلكترون. وفقد الكتلة هو الفرق في كتلة المواد الداخلة في التفاعل وهي كتلة أربعة ذرات الهيدروجين (وهي تتكون من 4 بروتونات وأربعة إلكترونات) وطرح كتلة ذرة الهليوم 4He. كما ينتج عن ذلك أيضا نيوترينو يأخذ جزءا من الطاقة ويغادر بها الشمس أو النجم.
وعن طريق الاندماج النووي تفقد الهيدروجين الداخل في التفاعل نحو 0,73 % من كتلته تتحول إلى طاقة وتلك هي مايسمى نقص الكتلة. ويمكن حساب الطاقة الناتجة عن ذلك الفقد في الكتلة عن طريق المعادلة الشهيرة لأينشتاين التي تكافيئ بين الكتلة والطاقة:
حيث:
وينشأ هذا الفقد في الطاقة من طاقة الارتباط النووي بين البروتونات والنيوترونات (التسمية الجامعة لهما نوكليونات).
ويعتبر الاندماج النووي بين الهيدروجين لإنتاج الهيليوم أكثر التفاعلات النووية منتجة للطاقة، ويتبعه الاندماج النووي في النجوم بما يسمى اندماج الهيليوم الذي ينتح الكربون، وتبلغ لطاقة الناتجة عن إنتاج ذرة كربون واحدة نحو 1/10 من الكاقة الناتجة عند إنتاج ذرة هيليوم واحدة.
من مشروعات المحافظة على البيئة والاستغناء عن الوقود الأحفوري مشروع الستخدام غاز الهيدروجين لإنتاج الطاقة وذلك عن طريق خلايا وقود. وخلية الطاقة تُنتج الكهرباء من خلال تفاعل كيميائي باستخدام الهيدروجين والأوكسجين.
فهذه الخلية الكهروكيميائية تستخدم لإنتاج الطاقة الكهربائية عن طريق تزويد الخلية بغازي الأكسجين والهيدروجين باستمرار. عند المصعد يتأكسد الهيدروجين إلى بروتونات (التي تنتجه داخل وسط كهرل) وإلكترونات (التي تتجه في خارج الخلية إلى الأنود) حيث يلتقي الإثنان مع الأكسجين الذي يختزل ويتكوين تيار كهربائي والماء. والهدف من ذلك أن يقوم محرك كهربائي يعمل بالتيار المتولد من التفاعل الكيميائي ويحرك السيارة. أي أن عددا كبيرا من سيارات المستقبل سوف يسير بغاز الهيدروجين بدلا عن البنزين.
وتوجد أنواع متعددة من الخلايا الوقود والتي يمكن تصنيفها حسب نوع الكهارل ودرجة الحرارة التي تعمل عليها. فعلى سبيل المثال تعتبر تلك التي تستخدم مكوثرا ككهرل موصلا للبروتونات أكثر مناسبة للاستخدام في تسيير السيارة الكهربائية بينما تلك التي تستخدم الخزف كموصل لأيونات الأكسجين أفضل للاستخدام المنزلي مثلا للتزويد بالكهرباء والحرارة.
تعتبر تقنية استغلال الهيدروجين لإنتاج الطاقة الكهربائية من أحسن وسائل توليد الطاقة حفاظا على البيئة حيث لا ينتج عنها إلى التيار الكهربائي وماء. لهذا تحظي تلك التقنية الجديدة باهتمام كبير نحو تطويرها وتسخيرها في تسيير السيارات وإمداد المنازل بالتيار الكهربائي. وقد بدأت شركات كبيرة لصناعة السيارات في إنتاج سيارات صغيرة وتعرضها في الأسواق. وبدلا من شحنها بالبنزين أو الديزل يمكن شحنها ب 4 كيلوجرام من الهيدروجين تكفيها للسير مسافة نحو 400 كيلومتر. ولكن سرعة تلك السيارات لا زالت منخفضة ولكنها كافية للاستخدام في السرعات العادية للقيادة في المدينة.
أما الوحدات التي سوف تقوم بتوليد الكهرباء في المنازل والبيوت فستكون وحدات كبير مناسبة وتزن عدة أطنان.
الهيدروجين غاز له قابلية كبيرة للاشتعال حتى في التركيزات القليلة حتى 4 %. كما أنه يتفاعل بشدة مع الكلور والفلور لينتج أحماض الهيدروهاليك والتي تكون مضرة للرئة والأنسجة. وعند خلطه مع الأكسجين فإن الهيدروجين ينفجر عند الاشتعال. والهيدروجين أيضا له خاصية فريدة هي أن شعلته في الهواء نظيفة تماما. وعلى هذا فإنه من الصعب معرفة حدوث أى احتراق يحدث من تسرب الهيدروجين، كما أنه هناك خطر كبير من أن يكون هناك حريق هيدروجين بدون أي ملاحظة.
