بحث عن عنصر الهيدروجين

كان العلماء ينتجون الهيدروجين منذ سنوات قبل أن يتم التعرف عليه كعنصر. تشير السجلات المكتوبة إلى أن روبرت بويل أنتج غاز الهيدروجين في وقت مبكر من عام 1671 أثناء تجربته مع الأحماض الحديدية. تم التعرف على الهيدروجين لأول مرة كعنصر مستقل بواسطة هنري كافنديش في عام 1766.

يتكون الهيدروجين، الذي يتألف من بروتون واحد وإلكترون واحد، من أبسط العناصر وأكثرها وفرة في الكون، ويقدر أن 90٪ من المادة الظاهرية في الكون يتكون من الهيدروجين.

مفهوم الهيدروجين

يتم احتراق الهيدروجين في معظم النجوم لإنتاج الطاقة، وهذه العملية المعروفة باسم الاندماج تدرس كمصدر للطاقة المحتمل للاستخدام على الأرض، ومن المتوقع أن تستمر إمدادات الشمس من الهيدروجين لمدة خمسة مليارات سنة أخرى.

الأهمية التجارية للهيدروجين

– الهيدروجين هو عنصر تجاري مهم، حيث يتم دمج كميات كبيرة منه مع النيتروجين من الهواء لإنتاج الأمونيا (NH3) من خلال عملية تسمى عملية هابر، كما يتم إضافة الهيدروجين إلى الزيوت والدهون مثل زيت الفول السوداني من خلال عملية تسمى الهدرجة، ويستخدم الهيدروجين السائل في دراسة الموصلات الفائقة، وعندما يتم زيادة الأكسجين السائل يصنع وقود صاروخي ممتاز.

يتفاعل الهيدروجين مع العناصر الأخرى لتشكيل العديد من المركبات. بعض العناصر الشائعة هي: الماء (H2O)، الأمونيا (NH3)، الميثان (CH4)، سكر الطاولة (C12H22O11)، بيروكسيد الهيدروجين (H2O2)، وحمض الهيدروكلوريك (HCl).

مكونات الهيدروجين

الهيدروجين يحتوي على ثلاثة أشكال مختلفة من الذرات المعروفة باسم النظائر، وأبسط هذه النظائر هو البروتيوم الذي يتكون من ذرة هيدروجينية واحدة فقط. والنظير الثاني المستقر والمعروف باسم الديوتيريوم اكتشُف عام 1932، وأما النظير الثالث المعروف باسم التريتيوم فتم اكتشافه عام 1934.

معلومات إحصائية عن عنصر الهيدروجين

الوفرة المقدرة في القشرة الأرضية: 1.40 × 103 ملليغرام لكل كيلوغرام

الوفرة المقدرة للمحيطات: 1.08 × 105 ملليغرام للتر

عدد النظائر المستقرة: 2 (عرض جميع بيانات النظائر)

طاقة التأين: 13.598 فولت

حالات الأكسدة: +1 ، -1

شكل عنصر الهيدروجين ووصفه

العنصر الأول في الجدول الدوري. في الظروف العادية، يكون على شكل غاز عديم اللون والرائحة وغير المشبع، ويتكون من جزيئات ثنائية الذرة، H2. تتكون ذرة الهيدروجين، الرمز H، من نواة ذات وحدة موجبة الشحنة وإلكترون واحد. عددها الذري هو 1 ووزنها الذري هو 1.00797 جم/مول. إنها واحدة من المركبات الرئيسية للمياه والمواد العضوية، وتنتشر على نطاق واسع ليس فقط في الأرض بل في الكون كله.

هناك ثلاثة نظائر هيدروجينية: البروتيوم، وهو عنصر ذو كتلة 1، يتواجد في أكثر من 99.985٪ من العناصر الطبيعية. والديوتيريوم، وهو عنصر ذو كتلة 2، يوجد في الطبيعة بنسبة تقريبية 0.015٪، في حين يظهر التريتيوم، وهو عنصر ذو كتلة 3، بكميات صغيرة في الطبيعة، ولكن يمكن إنتاجه بشكل مصطنع عن طريق تفاعلات نووية مختلفة.

استخدامات عنصر الهيدروجين

يستخدم الهيدروجين بشكل رئيسي في تخليق الأمونيا، ويتم استخدامه أيضا بشكل متزايد في تحسين الوقود، مثل التكسير بالهيدروجين والتخلص من الكبريت. ويتم استهلاك كميات كبيرة من الهيدروجين في الهدرجة الحفزية للزيوت النباتية غير المشبعة للحصول على الدهون الصلبة. كما يتم استخدام الهيدرجة في تصنيع المنتجات الكيميائية العضوية. ويتم استخدام كميات كبيرة من الهيدروجين كوقود صاروخي، حيث يتم استخدامه بالاقتران مع الأكسجين أو الفلور كدافع صاروخي يدفعه الطاقة النووية.

يمكن حرق الهيدروجين في محركات الاحتراق الداخلي.  يتم النظر في خلايا الوقود الهيدروجينية كوسيلة لتوفير الطاقة ، ويتم إجراء البحوث على الهيدروجين كوقود رئيسي محتمل في المستقبل.  على سبيل المثال ، يمكن تحويلها من وإلى الوقود من الوقود الحيوي ، ومن وإلى الغاز الطبيعي ووقود الديزل ، من الناحية النظرية مع عدم وجود انبعاثات لثاني أكسيد الكربون أو المواد الكيميائية السامة.

خواص عنصر الهيدروجين

يزن الهيدروجين الجزيئي 2.01594 جم ولديه كثافة قدرها 0.071 جم/لتر عند درجة حرارة 0 درجة مئوية وضغط جوي واحد، وكثافته النسبية مقارنة بكثافة الهواء هي 0.0695. الهيدروجين هو الأكثر قابلية للاشتعال من جميع المواد المعروفة، ويذوب بشكل أفضل في المذيبات العضوية بدلا من الماء. كما أن العديد من المعادن تمتص الهيدروجين، ويمكن أن يتسبب امتصاص الهيدروجين من الصلب في هشاشة الفولاذ وتعطل معدات المعالجة الكيميائية.

عند درجة الحرارة العادية، لا يعتبر الهيدروجين مادة تفاعلية للغاية، ما لم يتم تنشيطه بطريقة ما، على سبيل المثال، بواسطة محفز مناسب، وعند درجات حرارة عالية، يكون رد الفعل عاليًا.

على الرغم من أن الهيدروجين الجزيئي يتفاعل عموما ويتحول إلى ذرات حرة في درجات حرارة مرتفعة، إلا أن الهيدروجين الذري يعتبر عامل اختزال قوي حتى عند درجة الحرارة العادية. يتفاعل مع أكاسيد وكلوريد العديد من المعادن مثل الفضة والنحاس والرصاص والبزموت والزئبق لإنتاج المعادن النقية. يقلل بعض الأملاح إلى حالتها المعدنية مثل النترات والنتريت وسيانيد الصوديوم والبوتاسيوم. يتفاعل مع العناصر والمعادن وغير المعادن لإنتاج هيدريدات مثل الصوديوم الأمونيوم والبوتاسيوم الهيدروجين الكبريت والفوسفين. ينتج الهيدروجين الذري بيروكسيد الهيدروجين H2O2 مع الأكسجين. .

العناصر التي يتفاعل معها الهيدروجين لتكوين عناصر أخرى

يتفاعل الهيدروجين الذري مع المركبات العضوية لتشكيل خليط معقد من المنتجات ؛  مع etilene ، C2H4 ، على سبيل المثال ، المنتجات هي الإيثان ، C2H6 ، والبوتان ، C4H10.  الحرارة المنبعثة عندما تتحد ذرات الهيدروجين لتكوين جزيئات الهيدروجين للحصول على درجات حرارة عالية في لحام الهيدروجين الذري.

يتفاعل الهيدروجين مع الأكسجين لتكوين الماء، ويكون هذا التفاعل بطيئًا جدًا عند درجة الحرارة المحيطة، ولكن يمكن تسريعه باستخدام عامل محفز مثل البلاتين أو شرارة كهربائية، وهذا يؤدي إلى حدوث تفاعل عنيف وانفجار.

الآثار الصحية للهيدروجين

– آثار التعرض للهيدروجين: النار: سريعة الاشتعال. تفاعلات كثيرة يمكن أن تتسبب في الحريق أو الانفجار.

– الانفجار: مخاليط الغاز / الهواء قابلة للانفجار.

– طرق التعرض: يمكن امتصاص هذه المادة في الجسم عن طريق الاستنشاق.

– الاستنشاق: تتسبب تراكيز عالية من هذا الغاز في نقص الأكسجين في البيئة، وقد يعاني الأفراد الذين يتنفسون هذا الهواء من عدة أعراض، بما في ذلك الصداع، وطنين الأذنين، والدوخة، والنعاس، وفقدان الوعي، والغثيان، والتقيؤ، والاكتئاب لجميع الحواس، وقد يتحول لون بشرتهم إلى اللون الأزرق، وفي بعض الحالات قد يؤدي ذلك إلى الوفاة.

لا يتوقع أن يؤدي الهيدروجين إلى حدوث طفرات أو تأثيرات سامة على الجينات أو التشوهات الخلقية أو التأثيرات السامة على الإنتاجية. قد تتفاقم حالات الجهاز التنفسي الموجودة مسبقًا عند التعرض المفرط للهيدروجين. يزيد خطر الاستنشاق عند فقد الاحتواء، حيث يتم الوصول إلى تركيزات ضارة من هذا الغاز في الهواء بسرعة كبيرة.

الأخطار الجسدية للهيدروجين

يتم خلط الغاز بشكل جيد مع الهواء، وتتكون المخاليط المتفجرة بسهولة، حيث يكون الغاز أخف وزناً من الهواء.

الأخطار الكيميائية للهيدروجين

قد يؤدي التسخين إلى احتراق أو انفجار عنيف، حيث يتفاعل بشكل عنيف مع الهواء والأكسجين والهالوجين والمواد المؤكسدة القوية التي تشكِّل خطر الحريق والانفجار. وتُعزِّز هذه التفاعلات بشكل كبير عند استخدام المحفِّزات المعدنية مثل البلاتين والنيكل.

تركيزات عالية من بعض المواد الكيميائية في الهواء يمكن أن تؤدي إلى نقص الأكسجين وخطورة فقد الوعي أو الموت، لذلك يجب فحص محتوى الأكسجين قبل الدخول إلى المنطقة، ولا يوجد تحذير للرائحة إذا كانت التركيزات السامة موجودة، ويجب قياس تركيزات معينة من الهيدروجين باستخدام كاشف غاز مناسب (حيث أن كاشف الغاز الطبيعي القابل للاشتعال غير مناسب لهذاالغرض).

الإسعافات الأولية عند التعرض للهيدروجين بنسبة كبيرة

النار: في حالة إيقاف الإمدادات، إذا لم يكن ذلك ممكنا ولا يوجد خطر على البيئة المحيطة، فدع النار تحترق. أما في حالات أخرى فيجب إخماد النار باستخدام رذاذ الماء أو المسحوق أو ثاني أكسيد الكربون. وفي حالة وقوع انفجار، يجب الحفاظ على برودة الأسطوانة عن طريق رشها بالماء ومكافحة النار من موقف محمي، وفي حالة الاستنشاق يجب التعرض للهواء النقي والراحة وربما الحاجة إلى التنفس الاصطناعي وتلقي الرعاية الطبية، وفي حالة الجلد يجب الحصول على العناية الطبية.

الآثار البيئية للهيدروجين

الهيدروجين في البيئة: الهيدروجين يشكل 0.15٪ من قشرة الأرض، وهو المكون الرئيسي للمياه. توجد نسب مختلفة من الهيدروجين، مثل بخار الماء، في الغلاف الجوي بنسبة 0.5 جزء في المليون. الهيدروجين أيضا عنصر في مكونات الكتلة الحيوية، حيث يشكل 14٪ من الوزن.

الاستقرار البيئي: يحدث الهيدروجين بشكل طبيعي في الجو، وسيتم تبديد الغاز بسرعة في المناطق جيدة التهوية.

التأثير على النباتات أو الحيوانات: ترتبط أي تأثير على الحيوانات بالبيئات التي تعاني من نقص الأكسجين، ولا يتوقع وجود أي تأثير ضار على النباتات إلا في حالة وجود صقيع ناجم عن انبعاث الغازات السريعة التوسع.

التأثير على الحياة المائية: ليس هناك حاليًا دليل على تأثير الهيدروجين على الحياة المائية.