نبذة عن غاز الهيدروجين
الهيدروجين هو أخف العناصر وسينفجر عند تركيزات تتراوح بين 4-75 في المائة من الحجم تحت تأثير ضوء الشمس أو اللهب أو الشرارة ، على الرغم من استقرار الهيدروجين ، فإنه يشكل العديد من الروابط ويوجد في العديد من المركبات المختلفة ، وهناك ثلاثة نظائر طبيعية للهيدروجين: البروتيوم والديوتيريوم والتريتيوم ، ولكل نظير خصائصه المميزة بسبب الاختلاف في عدد النيوترونات في النواة
الخواص الكيميائية للهيدروجين
- يمكن للغاز الهيدروجين (H2) أن يشتعل بشدة في الهواء عند تركيزات تتراوح بين 4 في المائة و 75 في المائة من حجمه
- محتوى الحرارة اللازمة لاحتراق الهيدروجين هو -286 كيلو جول/مول، ويمكن أن ينفجر غاز الهيدروجين أيضا في خليط يحتوي على الكلور بنسبة تتراوح بين 5 إلى 95 في المئة، وهذه الخلائط قد تنفجر بسبب شرارة أو حرارة أو حتى ضوء الشمس. درجة الحرارة التي يشتعل فيها الهيدروجين تلقائيا تساوي 500 درجة مئوية
- يتم إصدار ضوء فوقالبنفسجي من لهب الهيدروجين والأكسجين النقي، ولا يمكن رؤيته بالعين المجردة
- – لذلك، يعد اكتشاف تسرب الهيدروجين المحترق أمرًا خطيرًا، ويتطلب استخدام كاشف اللهب، لأن الهيدروجين قابل للتطفيف في الهواء، ويحترق بسرعة ويسبب ضررًا أقل من حرائق الهيدروكربونات
- يتفاعل الهيدروجين (H2) مع العناصر المؤكسدة، ومن ثم تتفاعل هذه العناصر بشكل عفوي وعنيف مع الكلور والفلور لتكوين هاليدات الهيدروجين المقابلة.
- يتألف H2 من مركبات تحتوي على معظم العناصر، وعلى الرغم من ثباته، يمكن للهيدروجين أن يحمل شحنة جزئية موجبة عند المشاركة في التفاعلات مع المزيد من العناصر الكهربائية مثل الهالوجينات أو الأكسجين
- قد يحمل هذا الشيء شحنة سالبة جزئية عند تفاعله مع عناصر أكثر حساسية للكهرباء مثل الفلزات القلوية
- عندما يتشكل ترابط للهيدروجين مع الفلور أو الأكسجين أو النيتروجين، يمكن أن يشارك في إنشاء شكل من أشكال الترابط غير التساهمي متوسط القوى (بين الجزيئات) ويسمى الترابط الهيدروجين، وهو أمر مهم لاستقرار العديد من الجزيئات البيولوجية
- يطلق على المركبات التي تحتوي على روابط هيدروجينية مع المعادن والفلزات اسم الهيدريدات
- يقوم أكسدة الهيدروجين بخلع الإلكترونات وإنتاج أيونات H+، وعادةً ما يشار إلى H+ في المحاليل المائية باسم أيون الهيدرونيوم (H3O+)، وهذا النوع من الأيونات يلعب دورًا أساسيًا في الكيمياء الحمضية-القاعدية.
الخصائص الفيزيائية للهيدروجين
- تتميز ذرة الهيدروجين بعدة خصائص كيميائية نتيجة صغر حجمها، حيث تميل لتشكيل روابط تساهمية وتتمتع بقابلية عالية للاشتعال والتفاعل التلقائي مع العناصر المؤكسدة.
- الهيدروجين هو أصغر عنصر كيميائي لأنه يتألف فقط من بروتون واحد في نواته، ويتم رمزته بالحرف H وله الرقم الذري 1، كما يبلغ وزنه الذري المتوسط 1.0079 amu مما يجعله العنصر الأخف وزنًا
- الهيدروجين هو المادة الكيميائية الأكثر وفرة في الكون، وخاصة في النجوم والكواكب الغازية العملاقة، ومع ذلك، فإن الهيدروجين نادرًا ما يكون أحادي الذرة على الأرض بسبب ميله إلى تكوين روابط تساهمية مع معظم العناصر الأخرى
- عندما تكون درجة الحرارة والضغط على المستوى القياسي، يكون الهيدروجين غازًا ثنائي الذرة غير سام وغير معدني وعديم الرائحة واللون، ويمكن أن يشتعل بسهولة عند درجة حرارة عالية، ويتم تمثيله بالصيغة الجزيئية H2
- ينتشر الهيدروجين أيضًا على سطح الأرض على شكل مركبات كيميائية مثل الهيدروكربونات والماء.
- الهيدروجين يحتوي على بروتون واحد وإلكترون واحد، والنظير الأكثر شيوعًا هو البروتيوم (1H) الذي لا يحتوي على نيوترونات
- تبلغ درجة انصهار الهيدروجين -259.14 درجة مئوية ودرجة غليانها -252.87 درجة مئوية
- يبلغ كثافة الهيدروجين 0.08988 جم/لتر، مما يجعله أخف وزنًا من الهواء
- له حالتي أكسدة مميزتين (+1، -1) مما يجعله قادرًا على العمل كعامل مؤكسد مختزل
- نصف قطره التساهمي هو 31.5 م.
- توجد الهيدروجين في اثنين من الأيزومرات في جزيئات الهيدروجين ثنائية الذرة، والتي تختلف حسب الدوران النسبي لنواتها
- يدور شكل الهيدروجين الأورثو بشكل متوازي.
- يحتوي شكل باراهيدروجين على دوران مضاد.
- عند درجة حرارة وضغط قياسيين، يتكون غاز الهيدروجين من 75% من الهيدروجين و 25% من الهليوم
- يتواجد الهيدروجين بعدة أشكال مختلفة مثل الهيدروجين الغاز المضغوط والهيدروجين السائل والهيدروجين الطيني، بالإضافة إلى الأشكال الصلبة والمعدنية.
مشتقات الهيدروجين
يتواجد الهيدروجين بشكل طبيعي على شكل ثلاثة نظائر مختلفة، وهي 1H و2H و3H
- تتحدث البروتيوم بكثرة بنسبة 99.98٪، وهو يحمل الرمز H1.
- الديوتيريوم المعروف أيضًا باسم 2H يحتويحتوي على إلكترون واحد وبروتون واحد ونيوترون واحد (عدد الكتلة = 2)، ويستخدم كعنوان غير مشع في التجارب الكيميائية والمذيبات لطيف الرنين النووي المغناطيسي للبروتون الأحادي النووي.
- يعرف 3 H باسم التريتيوم، ويتألف من بروتون واحد ونيوترونين اثنين وإلكترون واحد (عدد الكتلة = 3)، وهو مشع ويتحلل إلى الهيليوم 3 من خلال تسوس بيتا، ويبلغ عمر نصفه 12.32 سنة.
استخدامات الهيدروجين
- للهيدروجين تطبيقات متعددة سواء في الصناعة أو في الحفاظ على البيئة منذ عدة سنوات
- في المجال البيئي، يتم استخدام الهيدروجين بشكل رئيسي لإزالة الكبريت الموجود بشكل طبيعي في النفط لإنتاج وقود أنظف.
- يستخدم الهيدروجين ككاشف في العديد من الصناعات، من بينها الكيميائية وتصنيع الألياف النسيجية والزجاج والإلكترونيات والمعادن.
- كما أنه يستخدم كوقود لقاذفات الصواريخ.
- يتم اعتبار الهيدروجين كمحمل كبير للطاقة النظيفة بجانب خلايا الوقود، حيث يتم استخدامه لإنتاج الكهرباء مباشرة في المركبات الكهربائية أو في المناطق النائية التي لا تصلها شبكات الطاقة
استخدام الهيدروجين صناعة الفضاء
منذ بداية صناعة الفضاء كان الهيدروجين له دورًا مهمًا كوقود للصواريخ، وهذا لأنه الوقود الذي يركز على أكبر قدر من الطاقة: 1 كجم من الهيدروجين يحتوي على 3 أضعاف الطاقة من 1 كجم من البنزين، ومازال الهيدروجين السائل والأكسجين السائل مجتمعين يستخدمان لإطلاق الصاروخ الأوروبي آريان 5.
استخدامات الهيدروجين في الطاقة
يتم استخدام الهيدروجين لتوليد طاقة نظيفة لمجموعة متنوعة من التطبيقات. يلبي الهيدروجين الحاجة الفورية ويقدم فوائد حقيقية. يستخدم في توفير الطاقة للمناطق المعزولة غير المتصلة بشبكة الكهرباء، والمواقع الحساسة التي تتطلب نظم طاقة احتياطية موثوقة، وفي الشاحنات والرافعات الشوكية والحافلات ومولدات الطاقة المحمولة المستخدمة في الأحداث الخارجية.
الهيدروجين والنقل النظيف
- يساعد الهيدروجين المستخدم في خلية الوقود على إنتاج الكهرباء مباشرة داخل مركبة تعمل بمحرك كهربائي، وهذه المركبات `عديمة الانبعاثات` تطلق الماء فقط
- إن إنتاج الهيدروجين يتطلب طاقة، ولذلك يعتبر الهيدروجين ناقلًا للطاقة مثل الكهرباء، وليس مصدرًا أساسيًا للطاقة، وتشمل أمثلة المصادر الأساسية للطاقة النفط والفحم والغاز الطبيعي، بالإضافة إلى بعض مصادر الطاقة المتجددة.
استخدامات الهيدروجين في الصناعة
يستخدم الهيدروجين على نطاق واسع في العديد من التطبيقات الصناعية لإنتاج مواد مختلفة، فهو غاز شديد التفاعل، وفي مجال الإلكترونيات يستخدم الهيدروجين كغاز ناقل (غاز ينقل الغازات النشطة) لتطبيقات متنوعة مثل تصنيع المكونات الإلكترونية، ويوفر الهيدروجين حماية ممتازة ضد الشوائب والأكسدة.
يتميز الهيدروجين باستخدامات عديدة في مجال الكيمياء الصناعية، حيث يمكن دمجه مع النيتروجين لإنتاج النشادر الذي يعد أساساً للأسمدة، ويستخدم الهيدروجين أيضًا في تكوين ألياف النسيج مثل النايلون ورغوة البولي يوريثان وعدد من المواد البلاستيكية
يعتبر الهيدروجين ضروريا في صناعة الزجاج المسطح، الذي يستخدم في صناعة الشاشات المسطحة، حيث يستخدم معظم الزجاج المسطح عملية التعويم التي يتم فيها استخدام الهيدروجين عالي النقاء كغاز وقائي
– يستخدم الهيدروجين في علم المعادن لإجراء المعالجة الحرارية، التي تمكن من تصنيع أجزاء ميكانيكية (عن طريق اللحام) أو تغيير خصائص الأجزاء المعدنية (عن طريق التلدين).