غاز الهيدروجين2

تحضيره

يحضر غاز الهيدروجين بعده طرق منها:

من الغاز الطبيعى أو الغازات البتروليه بالاكسده الجزيئيه أو التعديل ببخر الماء.
التحليل الكهربى للماء.
اختزال بخار الماء بالكربون (طريقة بوش).
إمرار بخار الماء على الحديد السائل.
أستخلاص الايدروجين من الغازات الصناعية.
تفاعل السليكون مع إيدروكسيد الصوديوم.
كمنتج ثانوى في صناعه الصودا الكاويه بالتحليل الكهربى لكلوريد الصوديوم.
قذف جزيأت الماء بواسطة الكترونات.
تفاعل عناصر المجموعة الأولى مع الماء.

[عدل] 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.
[عدل] وجوده 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.
[عدل] 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..
[عدل] أشكال الهيدروجين

في 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 (والذي يطلق 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 اختلاف طفيف في الخواص الفيزيائية. فمثلا درجة الذوبان والغليان في البارا-هيدروجين أقل 0.1 كلفن من الشكل العادى.
[عدل] النظائر

الهيدروجين هو العنصر الوحيد الذي 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 بدلا 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 استخدامه للبروتيوم)

1H

أكثر نظائر الهيدروجين ثباتا، وهو أخفها[11]، وله نواة ذرة تتكون من بروتون واحد، ويستخدم الاسم بروتيوم للتعبير عن هذا النظير. والهيدروجين الموجود في الماء العادي يتألف بأكمله تقريبًا من البروتيوم.

2H

النظير الثابت الأخر يسمى ديتريوم أو ديوتريوم ويرمز له بالرمز D وله نيترون إضافي في النواة، ويكون الديتريوم 0.0184 - 0.0082 % من كل الهيدروجين (IUPAC)، نسبة الديتريوم إلى البروتيوم تم عملها بواسطة VSMOW والمرجع القياسي هو الماء. والديتريوم قليل جدًا في الماء، إذ توجد منه ذرة واحدة فقط مقابل 6700 ذرة من البروتيوم[11].

3H

النظير الثالث الطبيعي للهيدروجين هو تريتيوم ويرمز له بالحرف T. وتتكون نواة التريتيوم من 2 نيوترون بلإضافة إلى البروتون. وتتحلل عن طريق تحلل بيتا وله فترة نصف عمره (نصف تفككه) تساوى 13.2 سنة. وهو يتكون باستمرار في الطبقة العليا من الغلاف الجوي (ستراتوسفير) بفعل الأشعة الكونية[11]. وكميته على الأرض ضئيلة جدًا جدًا. فهي أقل من كيلوغرام واحد في الكرة الأرضية كلها[11].

4H

هيدروجين-4 تم تصنيعه بقذف التريتيوم بنواة ديتريوم سريعة الحركة. ويتحلل عن طريق انبعاث 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 انبعاث النيترون، وله فترة عمر نصف تساوى 8.01930x10−23 ثانية.

6H

هيدروجين-6 يتحلل عن طريق انبعاث 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.
[عدل] اندماج الهيدروجين في الشمس والنجوم

عن طريق الاندماج النووي تستمد الشمس حرارتها وكذلك النجوم. تندمج ذرات الهيدروجين في درجة حرارة نحو 12 مليون درجة مئوية وضغط عالى جدا فيتكون الهيليوم. ويقوم النجم والشمس بذلك التفاعل أثناء 90 % من عمره. بعد ذلك يكون الجزء الأكبر من الهيدروجين قد استهلك وتحول إلى هيليوم.

يمكن سريان التفاعل الاندماجي بطريقتين، وبواسطتهما يلتحم 4 بروتونات وهي أنوية الهيدروجين فتكون نواة الهيليوم 4He :

الالتحام المباشر تفاعل بروتون-بروتون

العناصر الثقيلة القليلة (الكربون, النتروجين, الأكسجين) عن طريق ما يسمى دورة CNO أو (دورة بيته-فايتزيكر) (CNO-Zyklus).

ولغرض حساب الطاقة الناتجة فيجب الأخذ في الحسبا سواء في تفاعل البروتون-بروتون أو في دورة بيته-فايتزيكر أثنين من البوزيترونات يتفاعلا مع إثنين من [[الإلكترونات في التو عن طريق إفناء إلكترون-بوزيترون وينتجا طاقة إضافية قدرها 1,022 مليون إلكترون فولت. أي أنه يلزم لحساب الطاقة الناتجة حساب فقد الكتلة للأربعة بروتونات بالنسبة لكتلة نواة الهيليوم بالإضافة إلى ضعف كتلة الإلكترون. وفقد الكتلة هو الفرق في كتلة المواد الداخلة في التفاعل وهي كتلة أربعة ذرات الهيدروجين (وهي تتكون من 4 بروتونات وأربعة إلكترونات) وطرح كتلة ذرة الهليوم 4He. كما ينتج عن ذلك أيضا نيوترينو يأخذ جزءا من الطاقة ويغادر بها الشمس أو النجم.

وعن طريق الاندماج النووي تفقد الهيدروجين الداخل في التفاعل نحو 0,73 % من كتلته تتحول إلى طاقة وتلك هي مايسمى نقص الكتلة. ويمكن حساب الطاقة الناتجة عن ذلك الفقد في الكتلة عن طريق المعادلة الشهيرة لأينشتاين التي تكافيئ بين الكتلة والطاقة:

E = mc²

حيث:

m الكتلة

c سرعة الضوء في الفراغ.

وينشأ هذا الفقد في الطاقة من طاقة الارتباط النووي بين البروتونات والنيوترونات (التسمية الجامعة لهما نوكليونات).

ويعتبر الاندماج النووي بين الهيدروجين لإنتاج الهيليوم أكثر التفاعلات النووية منتجة للطاقة، ويتبعه الاندماج النووي في النجوم بما يسمى اندماج الهيليوم الذي ينتح الكربون، وتبلغ لطاقة الناتجة عن إنتاج ذرة كربون واحدة نحو 1/10 من الكاقة الناتجة عند إنتاج ذرة هيليوم واحدة.
[عدل] طاقة الهيدروجين البديلة

من مشروعات المحافظة على البيئة والاستغناء عن الوقود الأحفوري مشروع الستخدام غاز الهيدروجين لإنتاج الطاقة وذلك عن طريق خلايا وقود. وخلية الطاقة تُنتج الكهرباء من خلال تفاعل كيميائي باستخدام الهيدروجين والأوكسجين.

فهذه الخلية الكهروكيميائية تستخدم لإنتاج الطاقة الكهربائية عن طريق تزويد الخلية بغازي الأكسجين والهيدروجين باستمرار. عند المصعد يتأكسد الهيدروجين إلى بروتونات (التي تنتجه داخل وسط كهرل) وإلكترونات (التي تتجه في خارج الخلية إلى الأنود) حيث يلتقي الإثنان مع الأكسجين الذي يختزل ويتكوين تيار كهربائي والماء. والهدف من ذلك أن يقوم محرك كهربائي يعمل بالتيار المتولد من التفاعل الكيميائي ويحرك السيارة. أي أن عددا كبيرا من سيارات المستقبل سوف يسير بغاز الهيدروجين بدلا عن البنزين.

و توجد أنواع متعددة من الخلايا الوقود والتي يمكن تصنيفها حسب نوع الكهارل ودرجة الحرارة التي تعمل عليها. فعلى سبيل المثال تعتبر تلك التي تستخدم مكوثرا ككهرل موصلا للبروتونات أكثر مناسبة للإسخدام في تسيير السيارة الكهربائية بينما تلك التي تستخدم الخزف كموصل لأيونات الأكسجين أفضل للاستخدام المنزلي مثلا للتزويد بالكهرباء والحرارة.

تعتبر تقنية استغلال الهيدروجين لإنتاج الطاقة الكهربائية من أحسن وسائل توليد الطاقة حفاظا على البيئة حيث لا ينتج عنها إلى التيار الكهربائي وماء. لهذا تحظي تلك التقنية الجديدة باهتمام كبير نحو تطويرها وتسخيرها في تسيير السيارات وإمداد المنازل بالتيار الكهربائي. وقد بدأت شركات كبيرة لصناعة السيارات في إنتاج سيارات صغيرة وتعرضها في الأسواق. وبدلا من شحنها بالبنزين أو الديزل يمكن شحنها ب 4 كيلوجرام من الهيدروجين تكفيها للسير مسافة نحو 400 كيلومتر. ولكن سرعة تلك السيارات لا زالت منخفضة ولكنها كافية للاستخدام في السرعات العادية للقيادة في المدينة.

أما الوحدات التي سوف تقوم بتوليد الكهرباء في المنازل والبيوت فستكون وحدات كبير مناسبة وتزن عدة أطنان.
[عدل] الاحتياطات

الهيدروجين غاز له قابلية كبيرة للاشتعال حتى في التركيزات القليلة حتى 4 %. كما أنه يتفاعل بشدة مع الكلور والفلور لينتج أحماض الهيدروهاليك والتي تكون مضرة للرئة والأنسجة. وعند خلطه مع الأكسجين فإن الهيدروجين ينفجر عند الاشتعال. والهيدروجين أيضا له خاصية فريدة هي أن شعلته في الهواء نظيفة تماما. وعلى هذا فإنه من الصعب معرفة حدوث أى احتراق يحدث من تسرب الهيدروجين، كما أنه هناك خطر كبير من أن يكون هناك حريق هيدروجين بدون أى ملاحظة.