عنصر الهيدروجين

الهيدروجين :

الرمز  H 

العدد الذرّي1

تصنيف العنصر : لا فلز

الكثافة : 0 °س، 101.325 كيلو باسكال

                                        نقطة الانصهار :          13.81  ك، - 259.34  °س

نقطة الغليان : 20.28  ك، - 252.87 °س

يعود الفضل في اكتشاف الهيدروجين إلى العالم هنري كافيندش وذلك عام 1766 حيث عرف الهيدروجين لأوّل مرّة كمادّة متميّزة عن غيرها من الغازات القابلة للاشتعال.

ما هو الهيدروجين ؟

يقع الهيدروجين في الجدول الدوري ضمن عناصر الدورة الأولى وفوق عناصر المجموعة الأولى. في الظروف القياسيّة من الضغط والحرارة فإنّ الهيدروجين عبارة عن غاز عديم اللون والرائحة، سريع الاشتعال، غير سام، ثنائي الذرّة أحادي التكافؤ له الصيغة الجزيئيّة H2. أكثر نظائر الهيدروجين وفرةً هو البروتيوم، الذي له الرمز 1H ويتألّف من بروتون واحد فقط دون وجود نيوترونات في النواة.

يعدّ الهيدروجين أخفّ العناصر الكيميائيّة وأكثرها وفرةً في الكون، حيث يشكّل 75% من حجم الكون. إنّ أغلب الهيدروجين الموجود على الأرض يكون على شكل جزيئي وذلك بدخوله على شكل رابطة تساهمية في بنية الماء وأغلب المركبات العضويّة.

خصائص غاز الهيدروجين

كأي عنصرٍ كيميائي يمتلك غاز الهيدروجين العديد من الخصائص الفيزيائية والكيميائية ومنها:

-         يتواجد في الحالة الغازية في الحالة الطبيعية وتحت الضغط الجوّي الطبيعي، بالإمكان تحويله لسائل ليتم استخدامه كوقود عن طريق تطبيق ضغط كبير عليه، أو عن طريق القيام بتبريده.

-         لا يمتلك لوناً ولا طعماً ولا رائحة، ويضاف له بعض الروائح عند استخدامه كوقود ليتمكّن المستخدم من ملاحظة أي انبعاثٍ له.

-         يعد مادةً غير سامّة.

-         يمتلك درجة غليان منخفضة بسبب ضعف قوى التجاذب ما بين جزيئات، تتراوح قيمتها بين −252.77 و−249.49 درجةٍ مئوية.

الوفرة الطبيعية على الارض :

ضمن الشروط الطبيعيّة على الكرة الأرضيّة فإنّ عنصر الهيدروجين يوجد بالشكل الحرّ على نمط غازي ثنائي الذرة H2 ولكن بشكل نادر جداً، حيث يشكّل جزء واحد من المليون بالنسبة للحجم في الغلاف الجوّي. ينتج غاز الهيدروجين طبيعيّاً من بعض البكتريا والطحالب. بالمقابل، فإنّ عنصر الهيدروجين يوجد بوفرة كبيرة على سطح الأرض وذلك عندما يرتبط على شكل مركّبات كيميائيّة مثل الهيدروكربونات والماء، حيث يعدّ بذلك ثالث أكثر العناصر وفرةً على سطح الأرض وذلك بعد الأكسجين والسيليكون. إنّ أكثر من نصف المعادن المكتشفة لحدّ الآن تحوي في تركيبها على الهيدروجين.

الاستخدامات :

1-  تطبيقات في العمليّات الكيميائيّة

يدخل الهيدروجين كعنصر أساسي في العديد من العمليّات وذلك في الصناعات الكيميائيّة والنفطيّة. من أكبر الاستخدامات للهيدروجين هو دخوله في تصنيع الأمونيا من خلال عملية هابر-بوش وكذلك في عمليّات تحسين نوعيّة الوقود الأحفوري مثل عملية نزع الكبريت المهدرج والتكسير الهيدروجيني بالإضافة إلى كونه عامل أساسي في عمليّة الهدرجة. يستخدم الهيدروجين كعامل اختزال في العديد من التطبيقات منها استخدامه لاختزال الخامات المعدنيّة.

2-  تطبيقات فيزيائيّة وهندسيّة

يستخدم الهيدروجين كغاز واقي في عمليات اللحام مثل عملية اللحام الهيدروجيني الذرّي. كما يستخدم الهيدروجين في أبحاث التبريد العميق بما فيها دراسات حول الموصليّة الفائقة , نظراً لأن له مقاومة مائع ولزوجة منخفضة، يستخدم الهيدروجين في تبريد المولّدات التور بينية.

يستعمل مزيج من غاز الهيدروجين مع غاز النيتروجين من أجل الكشف عن وجود تسريبات دقيقة في الأنظمة المستخدمة في الصناعات الكيميائيّة ومحطّات توليد الطاقة وفي صناعة السيّارات والمركبات الفضائيّة. يسمح استخدام غاز الهيدروجين في الاتحاد الأوروبي كمادّة للكشف عن تسريبات أغلفة الأغذية وله رقم إي (E 949)، كما يستفاد من خواصه الاختزاليّة.

3-  طاقة الهيدروجين البديلة

نتيجة الاضمحلال التدريجي لمصادر الطاقة المعتمدة على الوقود الأحفوري ظهرت اقتراحات بالاتجاه نحو مصادر طاقة بديلة تعتمد على الهيدروجين، فظهرت دراسات حول التوجّه نحو اقتصاد الهيدروجين من أجل استخدام الهيدروجين كحامل مستقبلي للطاقة. مع العلم أن تكاليف هذا التوجّه من بنية تحتية هيدروجينية مرتفعة جداً. تجدر الإشارة إلى أنّ الهيدروجين نفسه لا يعدّ عمليّاً ضمن ضوء التطبيقات الحالية مصدراً للطاقة، إنّما هو عبارة عن حامل للطاقة، وذلك أنّ اعتباره مصدر للطاقة يكون في مفاعلات الاندماج النووي، والتي لا تطبّق عمليّاً في شكل واسع.

من المشاكل التي تواجه العمل في استخدام الهيدروجين كحامل للطاقة هو كثافة الطاقة بالنسبة للحجم للهيدروجين السائل، حيث أنّها أقلّ من أيّ مصدر طاقة تقليدي، مع العلم أنّ كثافة الطاقة بالنسبة للكتلة أعلى من مصادر الطاقة التقليديّة. فعلى سبيل المقارنة بين الهيدروجين ووقود السيارات (البنزين)، فإنّ كثافة الطاقة بالنسبة للكتلة للهيدروجين

أعلى منها للبنزين بأكثر من ضعفين، حيث تعادل 33.3 كيلوواط ساعي لكل كيلوغرام هيدروجين مقابل 12.7 كيلوواط ساعي لكل كيلوغرام بنزين. بالمقابل، فإنّ كثافة الطاقة بالنسبة للحجم للهيدروجين أقلّ بحوالي أربع مرات منها للبنزين، حيث تعادل 2360 كيلو واط ساعي لكلّ متر مكعب هيدروجين سائل مقابل 8760 كيلو واط ساعي لكل متر مكعب بنزين.

من مشروعات المحافظة على البيئة والاستغناء عن الوقود الأحفوري مشروع استخدام غاز الهيدروجين لإنتاج الطاقة وذلك عن طريق خلايا وقود. وخليّة الطاقة تُنتج الكهرباء من خلال تفاعل كيميائي باستخدام الهيدروجين والأكسجين، ومن أحد التطبيقات، والذي لا يزال ضمن الدراسة، الاستخدام في إنتاج السيّارات الهيدروجينيّة.

التسمية :

في عام 1783، قام العالم أنطوان لافوا زييه بمنح العنصر المكتشف اسم الهيدروجين، وذلك باشتقاق التسمية من الإغريقيّة، حيث أن لفظة هيدرو تعني ماء ولفظة جين تعني مكوّن أو مولّد أو مشكّل، وذلك عندما قام هو وبيير لا بلاس بإعادة تجربة كافنديش بتشكيل الماء عند حرق الهيدروجين .

النظائر :

للهيدروجين ثلاثة نظائر رئيسيّة وهي 1H ويدعى البروتيوم وله الرمز H، و2H ويدعى ديوتيريوم وله الرمز D، و3H ويدعى تريتيوم وله الرمز T. وبذلك يعدّ الهيدروجين العنصر الوحيد الذي لنظائره أسماءً مختلفة، حيث أن أسماء نظائر باقي العناصر يشار إليها باسم العنصر مرفقاً بعدد النيوترونات في النواة.

نظائر الهيدروجين: البروتيوم والديوتيريوم والتريتيوم .

الخواص الكيميائية : 

الاحتراق

احتراق غاز الهيدروجين مع الأكسجين في محرّك مكوك الفضاء الرئيسي.

إنّ غاز الهيدروجين سريع الاشتعال ويحترق في الهواء ضمن مجال كبير من التركيز يتراوح بين 4% و 75% تركيز حجمي. إنّ المحتوى الحراري القياسي للاحتراق بالنسبة لغاز الهيدروجين يبلغ −286 كيلو جول/مول.

يمكن أن يتشكّل مزيج انفجاري مع الهواء بتراكيز منخفضة من الهيدروجين وذلك بوجود مصدر حراري أو نتيجة تماس كهربائي. إن درجة حرارة الاشتعال الذاتي للهيدروجين تبلغ 500°س. يصدر الهيدروجين بتفاعله مع كمّيّات كبيرة من الأكسجين عند الاحتراق لهباً لا يرى بالعين المجرّدة، لأنّ له إصدار في منطقة الأشعّة فوق البنفسجيّة، ممّا يتطلّب وجود كواشف خاصّة للهب من أجل الكشف عن الهيدروجين المحترق. في الشروط العادية يحترق الهيدروجين بلهب أزرق يشبه لهب احتراق الغاز الطبيعي.

المركّبات الكيميائيّة :

العضويّة والتساهميّة

يتفاعل غاز الهيدروجين مع العناصر المؤكسدة التي لها كهر سلبية كبيرة مثل الأكسجين حيث يتشكل الماء عن طريق مخلوط هيدروجين وأكسجين. كما يتفاعل مع الفلور والكلور ليشكّل الهاليدات الموافقة: فلوريد وكلوريد الهيدروجين، والتي تعدّ من الأحماض الأكّالة. في هذه المركّبات يكون للهيدروجين شحنة جزئيّة موجبة، وغالباً ما تكون له عدد أكسدة مقداره +1. عند ارتباط الهيدروجين مع الأكسجين أو النتروجين أو الفلور فإنّ الهيدروجين يشكّل نوعاً من أنواع الروابط الكيميائيّة التي تدعى رابطة هيدروجينية، والتي لها أهمّيّة كبيرة في استقرار الجزيئات الحيويّة. يشكّل الهيدروجين مع الكربون بالإضافة إلى عدة ذرّات غير متجانسة أخرى طيفاًً واسعاً من المركّبات الكيمائيّة التي تدعى الهيدروكربونات، والتي تصنّف تحت المركّبات العضويّة

الهيدريدات

يشكّل الهيدروجين مركّبات أيضاً مع عناصر لها كهرسلبيّة ضعيفة نسبياً مثل الفلزّات وأشباهها، حيث يحمل الهيدروجين في المركّبات الناتجة شحنة جزئيّة سالبة H−. تدعى هذه المركّبات باسم الهيدريدات.

غالباً ما يطلق اسم الهيدريدات عند ارتباط الهيدروجين مع عناصر المجموعة الأولى والثانية كما في مركبات هيد ريد الليثيوم وهيد ريد الصوديوم وهيد ريد الروبيديوم بالإضافة إلى هيد ريد الكالسيوم. هنالك حالات قليلة يرتبط فيها الهيدروجين على شكل هيد ريد مع فلزّات أخرى مثل الألومنيوم كما في هيد ريد الألومنيوم وفي هيد ريد ألومنيوم الليثيوم.

الأحماض

إنّ أكسدة الهيدروجين تؤدّي إلى فقدان إلكترون ليعطي جسيم +H والذي لا يحتوي على أيّ إلكترون آخر وتتكوّن نواته من بروتون واحد، لذلك يدعى +H باسم البروتون، والذي له أهمّيّة كبيرة في تكوين الأحماض حسب نظرية بر ونستد-لوري والتي تكون فيها الأحماض مانحة للبروتون في حين أن القواعد مستقبلة للبروتون.

لا يمكن عزل البروتون في الأوساط المائيّة حيث يوجد على شكل أيون الهيدرونيوم +H3O. على أرض الواقع يوجد الهيدروجين على شكل أيونات أوكسونيوم أخرى في الأوساط الحمضيّة ومع مذيبات أخرى.

الأكاسيد

يعدّ الماء من الناحية الكيميائيّة النظريّة أكسيداً للهيدروجين، كما يعدّ الماء الأكسجيني، والذي اسمه العلمي بيروكسيد الهيدروجين H2O2 عبارة عن بيروكسيد للهيدروجين.

هناك أيضاً مركّب أكسجيني آخر للهيدروجين يعرف باسم ثلاثي أكسيد ثنائي الهيدروجين (أو تري وكسيدان) وله الصيغة H2O3.