يتناول هذا المنشور الخواص المختلفة لعنصر الهيدروجين ونظائره. وكذلك التفاعلات الكيميائية وطرق التحضير. بالإضافة إلى تاريخ الاكتشاف والتواجد الطبيعي والاستخدامات المتعددة له.
ما هو الهيدروجين؟
ويطلق على أيون الهيدروجين الموجب (H+) إسم البروتون، لأن التركيب الإلكتروني لأكثر نظائره استقرارا (البروتيوم) يتكون من إلكترون واحد وبروتون واحد. وعندما يتأين إلى أيون موجب يفقد الإلكترون، ولا يتبقى منه سوى بروتون واحد، لذلك يسمى بروتون.
الخواص
| الخاصية | القيمة |
|---|---|
| الرمز | H |
| رمز الجزيء | H2 |
| العدد الذري | 1 |
| الوزن الذري (العدد الكتلي) | 1.008 جم/مول |
| التكافؤ | أحادي |
| عدد الإلكترونيات | 1 |
| عدد البروتونات | 1 |
| عدد النيوترونات | 0 |
| التصنيف | لا فلز |
| المجموعة الرأسية | الأولى |
| الدورة الأفقية | الأولى |
| مستوى الطاقة الرئيس | K |
| مستوى الطاقة الفرعي | S |
يتميز الهيدروجين بعدد من الخصائص الفيزيائية وهي كالتالي:
| الخاصية | القيمة |
|---|---|
| اللون | عديم اللون |
| الذوبان | غير ذائب في الماء |
| الطور | غاز |
| الكثافة | 0.08375 كجم/م3 |
| السعة الحرارية | 28.836 جول/(مول*كلفن) |
| نقطة الانصهار | -259.34 درجة مئوية° |
| نقطة الغليان | -252.87 درجة مئوية° |
| الرائحة والطعم | عديم الرئحة والطعم |
| الضغط الجوي | 760 مم زئبق |
| درجة الحرارة | 25 درجة مئوية |
| سرعة الصوت | 1281 م/ث |
| التوصيل الحراري | 0.181 واط/(م*كلفن) |
| السعة الحرارية النوعية | 14.29 جول/(جم*كلفن). |
نظائر عنصر الهيدروجين
| النظير | عدد النيوترونات | الوفرة الطبيعية | نصف العمر (سنة) | الاستقرارية |
|---|---|---|---|---|
| بروتيوم (H-1) | 0 | 99.98%[1] | طويل | ثابت |
| ديتريوم (H-2) | 1 | 0.015%[2] | طويل | ثابت |
| تريتيوم (H-3) | 2 | عنصر نادر[2] | 12.32 | تحلل بالانبعاث بيتا إلى هيليوم-3 |
| هيدروجين-4 (H-4) | 3 | - | قصير جدًا | غير مستقر |
المخاطر:
| نوع الخطر | الوصف |
|---|---|
| الاشتعال | الهيدروجين قابل للاشتعال بسهولة، ومزيج من الهيدروجين والأكسجين بنسبة 4:1 يمكن أن يشتعل عند 570 درجة مئوية. |
| الانفجار | يمكن أن يحدث انفجار إذا اشتعل مزيج من الهيدروجين والأكسجين. |
| الاختناق | الهيدروجين أخف من الهواء، لذلك يمكن أن يتراكم في الأماكن المغلقة ويحل محل الأكسجين، مما يؤدي إلى الاختناق. |
| السمية | الهيدروجين ليس سامًا بطبيعته، ولكن يمكن أن يشكل مخاطر صحية عند التعرض لتراكيز عالية. |
طرق تحضير وإنتاج الهيدروجين
يمكن تحضير الهيدروجين، وهو أخف العناصر، وإنتاجه بطرق مختلفة. فيما يلي بعض العناصر الشائعة، بالإضافة إلى المعادلات الكيميائية المقابلة لها:
1. تحضير الهيدروجين في المختبر: يتم تحضيره في المختبر عن طريق تفاعلات المعادن مع الأحماض. أو من خلال تفاعل هيدريدات المعادن مع الماء. ويمكن تحضير الهيدروجين أيضا عبر التحليل الكهربي للماء.
تفاعل المعادن مع الأحماض:
- الزنك مع حامض الكبريتيك: \[\ce{Zn + H2SO4 → ZnSO4 + H2}\]
- المغنيسيوم مع حمض الهيدروكلوريك: \[\ce{Mg + 2HCl → MgCl2 + H2}\]
تفاعل هيدريدات المعادن مع الماء:
- هيدريد الكالسيوم مع الماء: \[\ce{CaH2 + 2H2O → Ca(OH)2 + 2H2}\]
التحليل الكهربائي للماء: \[\ce{2H2O (l) + $\text{Electricity}$ → 2H2 (g) + O2 (g)}\]
2. إنتاج الهيدروجين صناعيا: يمكن إنتاج الهيدروجين صناعيا من غاز الميثان؛ وذلك بإصلاحه بالبخار، أو عن طريق الأكسدة الجزئية له.
إصلاح غاز الميثان بالبخار (SMR):
\[\ce{CH4 (g) + 4H2O (g) → CO2 (g) + 4H2 (g) + $\text{Heat}$}\]الأكسدة الجزئية للميثان:
\[\ce{CH4 (g) + ½O2 (g) → CO (g) + 2H2 (g) + $\text{Heat}$}\]تغويز الكتلة الحيوية:
\[\ce{C6H12O6 (s) + O2 (g) → CO2 (g) + CH4 (g) + H2O (g) + $\text{Heat}$}\]التفاعلات اللاحقة تحول مكونات الكتلة الحيوية إلى غاز غني بالهيدروجين.
التحليل الكهربائي:
\[\ce{2H2O (l) + $\text{Electricity}$ → 2H2 (g) + O2 (g)}\]3. التحضير باستخدام التقنيات الناشئة:
تقسيم المياه الكهروكيميائية الضوئية:
- تقوم المحفزات المنشطة بالضوء بتقسيم جزيئات الماء مباشرة إلى هيدروجين وأكسجين.
تقسيم المياه الحرارية الكيميائية:
- تعمل الدورات الكيميائية ذات درجات الحرارة العالية على تحلل الماء إلى هيدروجين وأكسجين.
إنتاج الهيدروجين البيولوجي:
- تقوم الكائنات الحية الدقيقة بتحويل المواد العضوية إلى هيدروجين من خلال التخمير.
ملاحظات إضافية:
يُستخدم أحيانًا نظام الترميز اللوني لتصنيف الهيدروجين بناءً على طريقة إنتاجه والبصمة الكربونية. يمثل الهيدروجين الأخضر التحليل الكهربائي المدعوم بمصادر الطاقة المتجددة، في حين يتم استخلاص الهيدروجين الرمادي والأزرق من الوقود الأحفوري بدرجات متفاوتة من احتجاز الكربون وتخزينه.
يعتمد اختيار طريقة إنتاج الهيدروجين على عوامل مثل التكلفة وتوافر الموارد والأثر البيئي.
تفاعلات الهيدروجين:
يتم تحديد الخصائص الكيميائية إلى حد كبير بواسطة المحتوى الحراري لتفكك الرابطة. يشكل جزيء الهيدروجين رابطة H-H ، وهذه الرابطة المنفردة لديها أعلى محتوى داخلي للرابطة بين ذرتين من عنصر.
الهيدروجين خامل في درجة حرارة الغرفة بسبب المحتوى الحراري للرابطة العالية ، وبالتالي ، يتم تحضيره في درجات حرارة عالية جدًا في قوس كهربائي أو تحت إشعاعات فوق بنفسجية. يحتوي الهيدروجين على تكوين إلكتروني 1s1 ، وبالتالي يمكنه التفاعل إما بفقدان إلكترون وتشكيل أيون H + ، أو اكتساب إلكترون وتشكيل H- أيون. يشترك الهيدروجين في الإلكترونات مع عناصر أخرى ويشكل رابطة تساهمية.
1. تفاعلات التفكك: يتفكك جزيء واحد من الهيدروجين إلى ذرتين (H2 → 2H) عندما يتم توفير طاقة مساوية أو أكبر من طاقة التفكك (أي كمية الطاقة المطلوبة لكسر الرابطة التي تجمع الذرات في الجزيء). تبلغ طاقة تفكك الهيدروجين الجزيئي 104000 سعرة حرارية لكل مول - مكتوبًا 104 كيلو كالوري / مول (مول: الوزن الجزيئي معبرًا عنه بالجرام ، وهو غرامان في حالة الهيدروجين). يتم الحصول على طاقة كافية ، على سبيل المثال ، عندما يتلامس الغاز مع خيوط تنجستن بيضاء ساخنة أو عند إنشاء تفريغ كهربائي في الغاز. إذا تم توليد الهيدروجين الذري في نظام تحت ضغط منخفض ، فإن الذرات سيكون لها عمر كبير - على سبيل المثال ، 0.3 ثانية عند ضغط 0.5 ملليمتر من الزئبق. الهيدروجين الذري شديد التفاعل.
2. تفاعلات تكوين الهيدريدات: يتحد مع معظم العناصر لتكوين الهيدرات (على سبيل المثال ، هيدريد الصوديوم ، NaH) ، ويقلل من الأكاسيد المعدنية ، وهو تفاعل ينتج المعدن في حالته الأولية. تحفز أسطح المعادن التي لا تتحد مع الهيدروجين لتكوين هيدرات مستقرة (على سبيل المثال ، البلاتين) إعادة اتحاد ذرات الهيدروجين لتكوين جزيئات الهيدروجين وبالتالي يتم تسخينها لتتوهج بواسطة الطاقة التي يطلقها هذا التفاعل.
يمكن أن يتفاعل الهيدروجين الجزيئي مع العديد من العناصر والمركبات ، ولكن في درجة حرارة الغرفة تكون معدلات التفاعل منخفضة جدًا بحيث لا تكاد تذكر. يرتبط هذا الخمول الظاهر جزئيًا بطاقة التفكك العالية جدًا للجزيء. ومع ذلك ، في درجات حرارة مرتفعة ، تكون معدلات التفاعل مرتفعة.
3. تفاعلات الهلجنة(الكلورة): يمكن أن تتسبب الشرارات أو بعض الإشعاعات في تفاعل خليط من الهيدروجين والكلور بشكل متفجر لإنتاج كلوريد الهيدروجين ، كما هو موضح في المعادلة: \[\ce{H2 + Cl2 → 2HCl}\]
4. الأكسدة: تتفاعل مخاليط الهيدروجين والأكسجين بمعدل قابل للقياس فقط فوق 300 درجة مئوية ، وفقًا للمعادلة: \[\ce{2H2 + O2 \xrightarrow{300 °C} 2H2O}\]
مثل هذه المخاليط التي تحتوي على 4 إلى 94 في المائة من الهيدروجين تشتعل عند تسخينها إلى 550 درجة - 600 درجة مئوية أو عند ملامستها لمحفز أو شرارة أو لهب. يعتبر انفجار مزيج 2: 1 من الهيدروجين والأكسجين عنيفًا بشكل خاص.
5. تفاعلات الهيدروجين مع المعادن والفلزات: تتفاعل جميع المعادن واللافلزات تقريبًا مع الهيدروجين في درجات حرارة عالية. في درجات الحرارة والضغط المرتفعين ، يختزل الهيدروجين من أكاسيد معظم المعادن والعديد من الأملاح المعدنية للمعادن. على سبيل المثال ، يتفاعل غاز الهيدروجين وأكسيد الحديد ، وينتج عنه الحديد المعدني والماء. \[\ce{H2 + FeO → Fe + H2O}\]
يختزل غاز الهيدروجين كلوريد البلاديوم لتشكيل معدن البلاديوم وكلوريد الهيدروجين. \[\ce{H2 + PdCl2 → Pd + 2HCl}\]
يتم امتصاص الهيدروجين في درجات حرارة عالية من قبل العديد من المعادن الانتقالية (سكانديوم ، 21 ، من خلال النحاس ، 29 ؛ الإيتريوم ، 39 ، من خلال الفضة ، 47 ؛ الهافنيوم ، 72 ، من خلال الذهب ، 79) ؛ ومعادن الأكتينيوم (الأكتينيوم ، 89 ، من خلال اللورنسيوم ، 103) وسلسلة اللانثانويد (اللانثانوم ، 57 ، من خلال اللوتيتيوم ، 71) لتشكيل هيدرات صلبة تشبه السبائك. غالبًا ما تسمى هذه الهيدريدات الخلالية لأنه ، في كثير من الحالات ، تتسع الشبكة البلورية المعدنية لتلائم الهيدروجين المذاب دون أي تغيير آخر.
تاريخ اكتشاف عنصر الهيدروجين
تم اكتشاف عنصر الهيدروجين في القرن الثامن عشر. كان أول شخص اكتشف وجود الهيدروجين هو الكيميائي الإنجليزي هنري كافنديش في عام 1766. اكتشف كافنديش أن الغاز الذي كان ينتج عن تفاعل الزنك مع حمض الهيدروكلوريك كان مختلفًا عن الغازات الأخرى المعروفة في ذلك الوقت. أطلق على هذا الغاز اسم "الهواء الخفيف".
في عام 1781، أظهر الكيميائي الفرنسي أنطوان لافوازييه أن الهيدروجين هو عنصر أساسي، وليس مزيجًا من الغازات الأخرى. أطلق على الهيدروجين اسم "عنصر الماء" لأنه كان موجودًا في الماء.
في عام 1800، تمكن الكيميائي الإنجليزي ويليام وولر من فصل الهيدروجين عن الماء عن طريق عملية كهربائية. أدى هذا الاكتشاف إلى تطوير استخدام الهيدروجين في التحليل الكهربائي.
في القرن التاسع عشر، تم إجراء المزيد من الأبحاث على الهيدروجين. تم اكتشاف أن الهيدروجين هو أخف عنصر في الكون. كما تم اكتشاف أن الهيدروجين هو العنصر الأكثر وفرة في الكون.
في القرن العشرين، تم استخدام الهيدروجين في مجموعة متنوعة من التطبيقات الجديدة، بما في ذلك الطيران والطاقة النووية.
في الوقت الحالي، يعتبر الهيدروجين من أكثر المواد الواعدة في مجال الطاقة. يمكن استخدام الهيدروجين كوقود نظيف وفعال.
استخدامات الهيدروجين وتطبيقاته
- يستخدم الهيدروجين في تصنيع الأمونيا وتصنيع الأسمدة النيتروجينية.
- هدرجة الزيوت النباتية غير المشبعة لتصنيع دهون الفاناسباتي.
- يتم استخدامه في تصنيع العديد من المركبات العضوية ، مثل الميثانول.
- كلوريد الهيدروجين مادة كيميائية مفيدة للغاية ويتم تحضيرها من الهيدروجين.
- يمكن للهيدروجين أن يقلل العديد من أكاسيد المعادن إلى معادن عن طريق العمليات المعدنية.
- يستخدم الهيدروجين كوقود للصواريخ في العديد من أنشطة أبحاث الفضاء.
- يتم تجربة وقود الهيدروجين في صناعة السيارات باستخدام خلايا وقود الهيدروجين.
أسئلة شائعة حول الهيدروجين
هل الهيدروجين غاز أم سائل؟
الهيدروجين غاز عند درجة حرارة وضغط عاديين، لكنه يتكثف إلى سائل عند سالب 423 درجة فهرنهايت (ناقص 253 درجة مئوية).
هل يمكن إستخدام الهيدروجين كوقود؟
نعم، يمكن استخدام الهيدروجين كوقود لمحركات الاحتراق الداخلي وخلايا الوقود.
ما هي مصادر إنتاج الهيدروجين؟
يمكن إنتاج الهيدروجين من مصادر محلية متنوعة، بما في ذلك الوقود الأحفوري والكتلة الحيوية والتحليل الكهربائي للماء بالكهرباء.
ما هو أفضل مصدر لإنتاج غاز الهيدروجين؟
الوقود الأحفوري هو المصدر المهيمن للهيدروجين الصناعي.
ما المقصود بالهيدروجين الأخضر؟
يُعرَّف الهيدروجين الأخضر بأنه هيدروجين ينتج عن طريق تقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين باستخدام الكهرباء المتجددة.
ماذا يُقصد بالهيدروجين المسال؟
يتم تسييل الهيدروجين الغازي عن طريق تبريده إلى ما دون -253 درجة مئوية (−423 درجة فهرنهايت)، عندها يطلق عليه اسم الهيدروجين المسال.