الهيدروجين
الاسم مشتق من اليونانية حيث أن هيدرو تعني ماء وجين تعني تكوّن. يسمى في الترجمات الحديثة المَوْهَن، على وزن فعلن من المَاه، أي الماء، رمزه الكيميائي العربي م) هو عنصر كيميائي في الجدول الدوري ويرمز له بالرمز H وله الرقم الذري 1. وفي ظروف الضغط والحرارة القياسية فإنه غاز عديم اللون والرائحة, لا فلزي, وحيد التكافؤ, سريع الاشتعال, ثنائي الذرة. الهيدروجين أخف الغازات وأكثرها تواجدا في الكون. يوجد في الماء وكل المركبات العضوية والكائنات الحية.
يتم تحضير الهيدروجين في المعمل 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. كما أنه توجد طريقة أخرى تتضمن استخدام الجلوكوز والسوربيتول, والذي يتم في درجة حرارة منخفضة, واستخدام عامل حفاز جديد.
الخواص
الهيدروجين أخف العناصر الكيميائية على الإطلاق, ويتكون هو ونظائره من إلكترون مفرد وبروتون. وفي درجة الحرارة والضغط القياسيين يقوم الهيدروجين يتكوين 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.)
ذرة الهيدروجين
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.
استخداماته
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:
تصنيع حمض الهيدروليك واللحام وتقليل ركاز الفلزات.
يستخدم في وقود الصواريخ.
له قدرة على التوصيل الحراري أعلى من أي غاز آخر, ولذا فإنه يستخدم إبريد المواتير في المولدات الكهربية في محطات الطاقة .
يساعد الهيدروجين السائل في أبحاث الحراريات المنخفضة, متضمنة دراسات الموصلات الكهربية الفائقة.
نظرا لأنه أخف من الهواء بأربعة عشر مرة, فقد تم استخدامه بتوسع كعامل رفع في البالونات والمنطاد. وقد كان ذلك حتى وقوع كارثة هايدنبيرج والتي أقنعت العامة بخطورة استخدام الهيدروجين لهذا الغرض.
يستخدم نظير الهيدروجين الديتريوم (هيدروجين-2) في تطبيقات الانشطار النووي كمهدئ للنيوترونات لتقليل سرعتها, وأيضا يستخدم في الاندماجات النووية. وتستخدم مركبات الديتريوم في الكيمياء والأحياء في دراسات تفاعلات تأثير النظائر.
يستخدم التريتيوم (هيدروجين-3) والذي يتم الحصول عليه في المفاعلات النووية في عمل القنابل الهيدروجينية. كما يستخدم أيضا لتعيين النظائر في علوم الأحياء ومصدر إشعاع في الدهانات الضوئية.
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.
تاريخ الهيدروجين
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.
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.
التواجد في الطبيعة
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.
CH4 + H2O → CO + 3 H2
كما يمكن الحصول على هيدروجين إضافي من أول أكسيد الكربون خلال عملية تبادل ماء غاز.
مركبات الهيدروجين
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.
أشكال الهيدروجين
فى 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 ( والذى يكلق 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 إختلاف طفيف في الخواص الفيزيائية . فمثلا درجة الذوبان والغليان في البارا-هيدروجين أقل 0.1 كلفن من الشكل العادى .
النظائر
الهيدروجين هو العنصر الوحيد الذى 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 بلدا 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 إستخدامه للبروتيوم )
1H
أكثر نظائر الهيدروجين ثباتا و له نواة ذرة تتكون من بروتون واحد ، ويستخدم الإسم بروتيوم للتعبير عن هذا النظير .
2H
النظير الثابت الأخر يسمى ديتريوم وله نيترون إضافى في النواة ، ويكون الديتريوم 0.0184 - 0.0082 % من كل الهيدروجين (IUPAC) ، نسبة الديتريوم إلى البروتيوم تم عملها بواسطة VSMOW والمرجع القياسي هو الماء .
3H
النظير الثالث الطبيعي للهيدروجين هو تريتيوم . وتتكون نواة التريتيوم من 2 نيوترون بلإضافة إلى البروتون . وتتحلل عن طريق تحلل بيتا وله فترة عمر نصف تساوى 13.2 سنة .
4H
هيدروجين-4 تم تصنيعه بقذف التريتيوم بنواة ديتريوم سريعة الحركة . ويتحلل عن طريق إنبعاث 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 إنبعاث النيترون ، وله فترة عمر نصف تساوى 8.01930x10-23 ثانية .
6H
هيدروجين-6 يتحلل عن طريق إنبعاث 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 .
الاحتياطات
الهيدروجين غاز له قابلية كبيرة للإشتعال حتى في التركيزات القليلة حتى 4 % . كما أنه يتفاعل بشدة مع الكلور والفلور لينتج أحماض الهيدروهاليك والتى تكون مضرة للرئة والأنسجة . وعند خلطه مع الأكسجين فإن الهيدروجين ينفجر عند الإشتعال . والهيدروجين أيضا له خاصية فريدة هى أن شعلته في الهواء نظيفة تماما . وعلى هذا فإنه من الصعب معرفة حدوث أى إحتراق يحدث من تسرب الهيدروجين ، كما أنه هناك خطر كبير من أن يكون هناك حريق هيدروجين بدون أى ملاحظة .
