الهيدروجين ( //)،() بالإنگليزية: Hydrogen هوعنصر كيميائي في الجدول الدوري، له الرمز الكيميائي 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 حيث يشكل 75% من حجم الكون يوجد في الماء وكل المركبات العضوية والكائنات الحية. والكيميائيون لم يتوصلوا حتى الآن إلى قرار حول المكان الذي يجب حتى يشغله الهيدروجين في جدول مندلييف الدوري، فهم يضعونه في آن واحد في فصيلتين: في الفصيلة السابعة حيث ينسب إلى الهالوجينات كالفلور والكلور والبروم، وفي الفصيلة الأولى لتشابهه مع الفلزات القلوية كالليثيوم والصوديوم والبوتاسيوم. وقد تم توليف الهيدروجين إصطناعياً في القرن ال16، وذلك عن طريق خلط المعادن بالأحماض القوية وكان هنري كافنيش أول من يعهده كمادة منفصلة

التاريخ

كيفية تكوينه

تكوّن الهيدروجين بعد فترة وجيزة جدّاً بعد الانفجار العظيم ولم تعلودرجة الحرارة بشكل كاف في أي مكان منذ ذلك الحين، أي حتى كلّ الهيدروجين تشكّل فور تشكُّل الفضاء الكوني قبل ١٣ مليار سنة.

الاكتشاف

عهد الهيدروجين لأول مرة كمادة متميزة عن غيرها من الغازات القابلة للاشتعال في 1766 هنري كافيندش، الذي يرجع إليه الفضل في اكتشافه. وكان غاز الهيدروجين أول ما يتم توليفه اصطناعياً عن طريق فيليب فون بوسلاغر وذلك بخلط المعادن بالأحماض القوية. إذ استحضره بعمل حمض كلور الماء أوحمض الكبريت على المعادن، كما بيَّن حتى الماء هوالناتج الوحيد من حرق الهدروجين في الهواء، فهماً حتى جيمس واط James Watt أعرب أنه هوالذي حصل على ماء من احتراق الهدروجين في الوقت نفسه الذي حصل عليه كافنديش.

أما الاسم «هدروجين» فقد أطلقه على هذا الغاز لافوازييهمبيِّناً أنه يولِّد الماء عند احتراقه.

يرافق الهدروجينَ في مركّباته جميعها النظير isotope المدعوديوتريوم deuterium؛ ومسماه يعني (الثاني) باليونانية، ويرمز له بـ D بنسبة مول ديوتريوم لكل 7000 مول هدروجين عادي. اكتشَف هذا النظير الأميركي اوري Urey عام 1932. تنبع أهمية هذا النظير من استعماله مهدئاً للنترونات في المفاعلات النووية، يختلف هذا النظير عن الهدروجين العادي باحتواء نواته على نترون إضافة إلى البروتون في الهدروجين العادي. وهناك نظير آخر للهدروجين يدعى التريتيوم tritium، ومسماه يعني (الثالث) باليونانية ويرمز له بالحرف T. تحوي نواته نترونين إضافة إلى البروتون، وقد اصطنعه العالم ألفاريز Alvarez في جامعة كاليفورنيا بقذف الديوتريوم بوساطة النترونات:

التحضير

تحضيره في المعمل

أ - عمل الحموض الممددة على كثير من المعادن metals، مثل التوتياء والحديد والمغنسيوم والقصدير

ولا تصلح المعادن القلوية والقلوية الترابية في مثل هذه التفاعلات؛ لأنها تطلق الهدروجين بشدة تجعل من الصعب السيطرة على التفاعل. أما المعادن الأخرى مثل الفضة والمضى والزئبق والنحاس فهي لا تطلق الهدروجين بتفاعلها مع الحموض. ولا يستعمل حمض الآزوت في هذا المجال بسبب قوته المؤكسِدة.

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.

ب - عمل هدريدات المعادن القلوية والقلوية الترابية (ماعدا المغنسيوم) على الماء:

وقد يحدث التفاعل السابق عنيفاً خصوصاً طالما استعمال البوتاسيوم والروبيديوم والسيزيوم.

جـ- عمل بخار الماء على بعض المعادن الأخرى:

يعود ذلك إلى حتى هنالك بعض المعادن التي لا تتفاعل مع الماء بصورة محسوسة على الرغم من كونها أعلى من الهدروجين في جدول الترتيب الكهرحركي للعناصر، وذلك بسبب تكون طبقة من هدروكسيد المعدن تمنع استمرار التفاعل ولكن الحرارة الآتية من البخار تجعل هذه الطبقة مسامية ليأخذ التفاعل مجراه كما هوالأمر في المغنسيوم والحديد.

د - عمل بعض المعادن الأمفوتيرية amphoteric على الأسس:

هـ - التحليل الكهربائي لبعض المحاليل المائية الممددة: ففي التحليل الكهربائي لمحلول ممدد من حمض الكبريت أوماءات الصوديوم حيث التفاعل الإجمالي هوالآتي:

ينطلق الهدروجين حول المهبط والأكسجين حول المصعد، وتحتاج العملية إلى طاقة كهربائية عالية نسبياً، وذلك بسبب قوة الرابطة بين الهدروجين والأكسجين في جزيء الماء.

كما حتى التحليل الكهربائي للماء يعتبر من الطرق البسيطة, ولكن تكاليفه عالية لدرجة عدم استخدامه تجاريا. ويحاول الفهماء 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.

تحضيره صناعيا

أ - بكيفية التحليل الكهربائي في المناطق التي تكون فيها الطاقة الكهربائية رخيصة. ففي معظم معامل اصطناع النشادر[ر] الموجودة بالقرب من مساقط المياه يستحصل على الهدروجين من تحليل محاليل مائية ممددة من حمض الكبريت أوهدروكسيد الصوديوم وذلك في خلايا تحليل مصممة على أساس فصل نواتج الكاتود (المهبط) عن نواتج الأنود (المصعد). أما التفاعلان الحاصلان على المسريين فهما:

وتتشكل كميات وافرة من الهدروجين محصولاً ثانوياً عند استحصال Cl2 وNaOH بالتحليل الكهربائي لمحلول ملح الطعام.

ب - إمرار بخار الماء المسخن فوق فحم الكوك المتوهج

يدعى المزيج الغازي الناتج غاز الماءwater gas، وهوذوقيمة صناعية كبرى وقوداً. والتفاعل السابق ماص للحرارة ولهذا يجب حتىقد يكون فحم الكوك متوهجاً حتى يندفع التفاعل نحواليمين .

وإذا كان المراد استعمال الهدروجين المستحصل من هذه العملية في أغراض كيمياوية فإنه يجب التخلص من CO، ويتم ذلك بإضافة بخار ماء حديث إلى المزيج الغازي الناتج:

وهوتفاعل ناشر للحرارة، ولذلك يفضَّل فيه استعمال درجات حرارة متوسطة والاستعانة بوسيط مثل الحديد أوالنحاس لتسريعه. للتخلص من CO2 يمرَّر المزيج الناتج في وسط قلوي، أويضغط ويبرَّد فينحل هذا الغاز عندئذ في الماء.

جـ - من مصافي النفط (البترول) أومن الغاز الطبيعي

يرافق عمليات التكسير المتنوعة للحصول على الغازولين تشكل كميات كبيرة من الهدروجين. وتعدّ هذه الطريقة المصدر الرئيسي للحصول على الهدروجين في الوقت الحاضر. أما في المناطق التي يوجد فيها الغاز الطبيعي بكميات كبيرة فيمكن الحصول على كميات ضخمة من الهدروجين بالحرق الجزئي للميتان:

الخواص

الخواص الفيزيائية

الكتلة الذرية النسبية 1.008، طاقة التأين 13.6 إلكترون فولط، الألفة الإلكترونية 72 كيلوجول مول-1، صيغته الجزيئية H2، نقطة الانصهار -259 ْس، الكتلة الحجمية في الشروط النظامية 0.09كيلوغرام/المتر المكعب، طاقة الرابطة H–H تساوي 436 كيلوجول، طول الرابطة H–H يساوي 74 بيكومتر. ينحل من الهدروجين في الشروط العادية 19.2سم3 في لتر من الماء ،الهيدروجين أخف العناصر الكيميائية على الإطلاق, ويتكون هوونظائره 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.)

اكتشف فريق درس سوفييتي في السابق حتى الهيدروجين يكتسب فجأة لدى تعريضه إلى ضغط يبلغ ثلاثة ملايين ضغط جوي خاصة غريبة وهي أنه يصبح ناقلا للكهرباء كأي فلز من الفلزات المعروفة. فالهيدروجين على ما يظهر هوفلز

الخواص الكيماوية

كهرسلبية الهدروجين 2.1، فهي وسط بين العناصر الكهرسلبية التي تميل إلى ضم إلكترونات إضافية وبين العناصر الكهرجابية التي تميل إلى التخلي عن بعض إلكتروناتها. ولهذا السبب فإن الهدروجين يرتبط في معظم مركّباته برابطة مشهجرة مع العناصر الأخرى.

اتحاده مع الأكسجين

مزيج الأكسجين والهدروجين مستقر عند درجة الحرارة العادية، ولكن زيادة الحرارة - مثل حصول شرارة مثلاً أوإشعال عود ثقاب - يؤدي إلى اتحادهما الذي ينشر نحو58 كيلوحريرة/مول. فإذا عثر المزيج في مكان محصور أدى ذلك إلى حصول انفجار بسبب ازدياد ضغط البخار الناتج في ذلك المكان. ويحصل الانفجار مهما كانت نسبة الهدروجين إلى الأكسجين في المزيج؛ وذلك بسبب كمية الحرارة الضخمة الناتجة، ولكن الانفجارقد يكون أشد حدثا كانت النسبة بين حجم الهدروجين إلى الأكسجين أقرب إلى 2.

مع الكبريت

تنقص حدة التفاعل بين الهدروجين وعناصر الفصيلة VIA بالانتنطق من أعلى الفصيلة إلى أسفلها، ولذلك فإن الاتحاد مع الكبريت بطيء:

ولا يمكن دفع التفاعل نحواليمين بالتسخين لأن التفاعل ناشر للحرارة، ولذلك فإن استحضار كبريتيد الهدروجين بهذه الطريقة غير عملي بتاتاً، ويستعاض عن ذلك بعمل الحموض المعدنية على كبريتيدات المعادن.

مع الهالوجينات

حدة تفاعل الهدروجين مع الفلور شديدة جداً تصل حد الانفجار حتى لوجرى التفاعل عند درجة حرارة الهدروجين السائل:

وتنتشر كمية من الحرارة قدرها 128 كيلوحريرة. وتفاعل الهدروجين مع الكلور أقل حدة؛ إذ يبقى مزيج من الهدروجين والكلور من دون تفاعل إذا لم يعرَّض للضوء أما إذا تعرض للضوء، فإنه ينفجر، ولكن ليس بشدة الاتحاد مع الفلور نفسها:

وتنتشر كمية كبيرة من الحرارة قدرها 44 كيلوحريرة.

ووجد حتى وظيفة الضوء في التفاعل السابق هي تفكيك جزيئات الكلور إلى ذرات فعّالة:

التي تتفاعل مع الهدروجين مكوِّنة حمض كلور الماء. وبمعنى آخر فإن التفاعل (1) هوالتفاعل الإجمالي، ويوضح التفكك السابق ميكانيكية التفاعل.

أما مع البروم فالتفاعل أقل شدة:

وتنتشر كمية حرارة قدرها 17كيلوحريرة. أما مع اليود، فالتفاعل غير كامل:

وتنتشر كمية من الحرارة قدرها 13 كيلوحريرة. وتعطي تفاعلات الهدروجين مع الهالوجينات خير مثال على تغير الفاعلية في فصيلة ما بتغير حجم ذرة العنصر.

مع الآزوت (النتروجين)

يتحد الآزوت مع الهدروجين بصعوبة وفي شروط خاصة مكوِّناً غاز النشادر (الأمونيا):

ويعد هذا التفاعل أبرز تفاعل للهدروجين.

مع الكربون

يتحد الهدروجين مع الكربون عند درجات الحرارة العالية معطياً الميتان:

الذي يؤلف القسم الرئيسي من الغاز الطبيعي المنطلق من الآبار البترولية. وتعود أهمية هذا الغاز إلى كمية الحرارة الكبيرة التي ينشرها باحتراقه مع الهواء أوالأكسجين:

وتنطلق كمية كبيرة من الحرارة قدرها 212 كيلوحريرة.

مع المعادن

يتحد الهدروجين مع معادن الفصيلة الأولى ومعادن الفصيلة الثانية (عدا المغنسيوم والبريليوم) مكوناً مركّبات بلورية ذات بنية أيونية يوجد فيها الهدروجين على شكل أيون سالب H^-.

ز - مع المركّبات العضوية: يقوم الهدروجين بتفاعلات مع كثير من المركّبات العضوية، ويذكر منها:

الاحتراق

ذرة الهيدروجين

الموضوعة الرئيسية: ذرة هيدروجين. 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.

ذرات الغازات التي تتألف من جزيئات ثنائية الذرة عموماً أكثر فاعلية بكثير من الجزيئات نفسها. فذرة الهدروجين H أشد فعالية من جزيء الهدروجين H2، وذرة الآزوت N أشد فاعلية من جزيء الآزوت N2.

يحضّر الهدروجين الذري من الهدروجين العادي، ولكن ذلك يتم بصعوبة بالغة، ذلك حتى التفكك:

ماص للحرارة (103 كيلوحريرة/مول)، ولذلك فإنه من الضروري تسخين الهدروجين العادي إلى درجات حرارة عالية جداً كي يبدأ بالتفكك. ويُحصل على هذه الحرارة العالية بوساطة القوس الكهربائية، كما يمكن تأمين الطاقة الضرورية لهذا التفكك بالأشعة فوق البنفسجية.

يستخدم الهدروجين الذري للحصول على درجات حرارة عالية جداً وذلك باحتراقه مع الأكسجين في ما يدعى بمصباح torch الهدروجين الذري:

وتنتشر كمية كبيرة من الحرارة قدرها 303 كيلوحريرة. يمر الهدروجين الجزيئي بادئ الأمر خلال قوس كهربائية ما يؤدي إلى تفكك قسم منه يتحد مع الأكسجين في رأس المصباح.

إن الطاقة الكبيرة الضرورية لتفكك جزيء الهدروجين وكسر الرابطة المشهجرة التي تربط بين ذرتيه تجعل من الهدروجين غازاً بطيء التفاعل نسبياً مع جزيئات العناصر الأخرى. وبمعنى آخر، فإن الطاقة التنشيطية للهدروجين مرتفعة جداً. وهذا هوالسبب وراء استعمال المواد الوسيطة في التفاعلات التيقد يكون فيها الهدروجين أحد أركان التفاعل. وأفضل هذه المعادن الوسيطة معدنا النيكل والبلاتين، إذ يعتقد حتى جزيء الهدروجين يتفكك إلى ذرتيه على سطح هذه المعادن، ثم يرتبط بذرات المعدن برابطة ضعيفة. وتكون النتيجة أنه يصبح أكثر فعالية وقدرة على التفاعل مع المواد الأخرى.

استخداماته

يتم استخدام كميات كبيرة من الهيدروجين في الصناعة, وخاصة في إنتاج الأمونيا بطريقة هابر وكذلك في هدرجة الزيوت والدهون وإنتاج الميثانول للحصول على المرغرين والمنتجات البترولية وفي بعض عمليات الإرجاع، كما هي الحال في الحصول على التنغستن من WO3، ويستعمل الهدروجين في اللحام. كما يستخدم الهيدروجين في الألكلة الهيدروجينية, السلفرة الهيدروجينية, التكسير الهيدروجيني. وتوجد استخدامات أخرى:

• تصنيع حمض الهيدروكلوريك واللحام وتقليل ركاز الفلزات.
• يستخدم في وقود الصواريخ. فقد اتى في نشرات أبحاث الفضاء الحديثة حتى الهدروجين السائل يعطي، عندما يمزج مع الفلور السائل، دفعاً هائلاً للصاروخ لم يحققه أيّ وقود آخر. واتى هذا الاستعمال نتيجة للتقدم العظيم الذي حققته الهندسة الكيمياوية منذ نهاية القرن العشرين إذ لا يخفى مدى الخطر الذي ينطوي عليه استعمال كميات ضخمة من الهدروجين السائل إذ تكفي شرارة صغيرة لإحداث انفجار هائل.
• 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 حمل في البالونات والمنطاد. وقد كان ذلك حتى وقوع كارثة هايدنبيرج والتي أقنعت العامة بخطورة استخدام الهيدروجين لهذا الغرض.
• يستخدم نظير الهيدروجين الديوتريوم (هيدروجين-2) في تطبيقات الانشطار النووي كمهدئ للنيوترونات لتقليل سرعتها, وأيضا يستخدم في الاندماجات النووية. وتستخدم مركبات الديوتريوم 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.
• يستحصل أكثر من 20 مليون طن هدروجين سنوياً. يستخدم 50٪ منها في عمليات اصطناع النشادر، كما حتى قسماً كبيراً منه يستخدم في اصطناع كيمياويات أخرى، مثال ذلك، الكحول الميتيلي CH3OH وفق التفاعل:

كما يمكن للهيدروجين حتى يحترق في محركات الاحتراق الداخلية, وقد تم تطوير سيارة تعمل باحتراق الهيدروجين تحت إشراف BMW-Chrysler (شاهد سيارة هيدروجينية).

تُعدّ الخلايا الوقودية fuel cells هدروجين - أكسجين وسائل مفيدة لتحويل طاقة التفاعل:

يخرج الهدروجين والأكسجين معاً فوق إلكترودين (مسريين) يحفّزان التفاعل بينهما. والإلكتروليت (الكهرليت)قد يكون حمضاً أوأساساً حسب نمط الخلية. وميزة خلية الوقود أنها تنتج كهرباء والناتج الثانوي فيها الماء فقط. وتشتغل خلايا الوقود باستطاعة أعلى من الطرق التقليدية لتوليد الكهرباء ومردودها أكبر، مثال ذلك محطات توليد الطاقة التي تعمل على النفط. وقد استخدمت خلايا وقود في المركبات الفضائية لأنها موثوقة، ومردودها عالٍ، وحجمها صغير نسبياً بالمقارنة مع الخلايا الكهربائية التقليدية. ويلخص المخطط (1) أبرز استعمالات الهدروجين الصناعية.

كما حتى 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 أوالرياح أوالقوة النووية للحصول على دورة وقود خالية من التلوث.

• ولا تزال الأبحاث جارية ليكون الهيدروجين وقود المستقبل. ويمكن حتىقد يكون هذا حلقة الربط بين اختلاف أنواع الطاقة وكيفية نقلها وتخزينها, فمثلا يمكن حتى يتم تحويلها إلى كهرباء (لحل معضلة تخزين الكهرباء ونقلها), كما يمكن حتى تكون بديلا للوقود الحيوي, أوبديل للغاز الطبيعي ولوقود الديزل. وكل هذا ممكن نظريا بدون أي انبعاثات CO₂ أوأى ملوثات غازية سامة.

تاريخ الهيدروجين

الهيدروجين (في اللغة الفرنسية تعني مكون الماء وفى اللغة الإغريقية تعنى هيدرو "ماء" وجين أي "تكون") تم التعهد عليه لأول مرة كمادة منفصلة عام 1766 م بواسطة هنري كافيندش, فقد عثر عليه أثناء تفاعلات الزئبق مع الأحماض. وبالرغم من أنه افترض خطأ حتى الهيدروجين أحد مكونات الزئبق (وليس أحد مكونات الحمض) فقد استطاع وصف كثير من خصائص الهيدروجين بدقة. وقد منح أنطوان لافوازييه الاسم للهيدروجين كما أثبت حتى الماء يتكون منه مع الأكسجين وكان من أول استخدامات الهيدروجين المنطاد. كما حتى الديوتريوم وهوأحد 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.

تحضيره

يحضر غاز الهيدروجين بعده طرق منها:

• من الغاز الطبيعى أوالغازات البتروليه بالاكسده الجزيئيه أوالتعديل 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.

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 نانومتر.

ويمكن عن طريق نموذج بور حتى 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 هوأنه طبقا لميكانيكا الكم يمكن للإلكترون حتىقد يكون على مسافة ثابتة فقط من البروتون. وعند عمل تصور لذرة الهيدروجين طبقا لهذا النظام فإنه يعطى مستويات الطاقة السليمة وإشعاعاتها.

وجوده في الطبيعة

الهيدروجين هوأكثر العناصر وفرة في الكون, ويمثل نحو75 % من المواد بالكتلة ونحو90 % بعدد الذرات. يحتل الهدروجين المرتبةَ التاسعة بين العناصر الموجودة على سطح الأرض من حيث الوفرة إذا رُتِبت العناصر تبعاً للنسبة الوزنية، أما إذا كان الترتيب تبعاً لعدد الذرات فإنه يحتل المرتبة الثالثة بعد الأكسجين والسيليكون . ومعظم هذا الهدروجين موجود على شكل ماء، ولكن قسماً كبيراً منه يوجد في النفط والمادة الحية بمختلف أنواعها. أما في الصخور فالهدروجين نادر نسبياً إلا ما عثر منه على شكل ماء تبلور مع الأملاح أوممتصاً من قبل الغضار. 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.

+ O → CO + ثلاثة H₂

كما يمكن الحصول على هيدروجين إضافي من أول أكسيد الكربون خلال عملية تبادل ماء غاز.

يرافق الهدروجينَ في مركّباته جميعها النظير isotope المدعوديوتريوم deuterium؛ ومسماه يعني (الثاني) باليونانية، ويرمز له بـ D بنسبة مول ديوتريوم لكل 7000 مول هدروجين عادي. اكتشَف هذا النظير الأميركي أوري Urey عام 1932. تنبع أهمية هذا النظير من استعماله مهدئاً للنترونات في المفاعلات النووية، يختلف هذا النظير عن الهدروجين العادي باحتواء نواته على نترون إضافة إلى البروتون في الهدروجين العادي. وهناك نظير آخر للهدروجين يدعى التريتيوم tritium، ومسماه يعني (الثالث) باليونانية ويرمز له بالحرف T. تحوي نواته نترونين إضافة إلى البروتون، وقد اصطنعه العالم ألفاريز Alvarez في جامعة كاليفورنيا بقذف الديوتريوم بوساطة النترونات:

ونسبة الهدروجين الحر في جوالأرض لا تتجاوز 0.01٪ لخفّته، أما في بعض الكواكب الأخرى فإنه يعتقد بأنه المكوِّن الرئيسي لجوها، وذلك لأن جاذبيتها أقوى من جاذبية الأرض. ويعتقد حتى الهدروجين - في كثير من النجوم بما فيها الشمس - هوالمنبع الرئيسي للطاقة الإشعاعية التي تنتج عن اندماج ذرات الهدروجين وتكوين الهليوم[ر: الاندماج النووي].

مركبات الهيدروجين

الهيدروجين أخف الغازات, يتحد مع معظم العناصر الأخرى ليكون مركبات. الهيدروجين له سالبية كهربية قدرها 2.2 ولذا فإنهقد يكون مركبات حيث أنه أكثر العناصر لا فلزية وأكثرها فلزية أيضا. الحالة اللافلزية يطلق عليها الهيدرايدات وفيهاقد يكون الهيدروجين في صورة أيونات H^- أومادة مذابة في العنصر الآخر (كما في هيدرايد البالاديوم. أما الحالة الفلزية فإنها تحدث عندما يميل الهيدرجين لأنقد يكون رابطة تساهمية حيث حتى أيون H⁺ سيكون تعبير 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 حتى 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 الديوتريوم 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

في الظروف العادية فإن غاز الهيدروجين خليط من نوعين من الجزيئات واللذان يختلفان عن بعضهما بطريقة الدوران حول النواة. وهذان النوعان يعهدان أورثو-هيدروجين، بارا-هيدروجين (وهذا يختلف عن موضوع النظائر - شاهد التالي) الأورثو-هيدروجينقد يكون دوران النواة متوازي (ويكون ثلاثيات)، بينما في البارا-هيدروجينقد يكون الدوران عكس توازي (ويكون أحاديات). وفى الظروف القياسية يتكون الهيدروجين من 25 % من البارا و75 % من الأورثو(والذي يطلق عليه الشكل العادى للهيدروجين). وتعتمد نسبة الإتزان بين هذين الشكلين على الحرارة، ولكن حيث ان الأورثوله طاقة أكبر (في الحالة المثارة لاقد يكون ثابت في حالته النقية. وفى درجات (درجة حرارة الغليان) فإن حالة الإتزات تتكون كلها غالبا من البارا.

وحالة التحول بين النوعين بطيئة ولوتم تبريد الهيدروجين وتكثيفه سريعا، فإنه يحتوى على كميات كبيرة من الأورثو. ومن المهم أثناء تحضير وتخزين الهيدروجين السائل حيث حتى 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 حتى النوعين لهما اختلاف طفيف في الخواص الفيزيائية. فمثلا درجة الذوبان والغليان في البارا-هيدروجين أقل 0.1 كلفن من الشكل العادى.

النظائر

الهيدروجين هوالعنصر 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 الديوتريوم، التريتيوم وهذا على الرغم من حتى هذا ليس معتمد. (كما أنه الرمز P محجوز للعنصر فوسفور وبالتالى لا يمكن استخدامه للبروتيوم)

¹H

أكثر نظائر الهيدروجين ثباتا، وهوأخفها، 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 ديوتريوم أوديوتريوم ويرمز له بالرمز D وله نيترون إضافي في النواة، ويكون الديوتريوم 0.0184 - 0.0082 % من جميع الهيدروجين (IUPAC)، نسبة الديوتريوم إلى البروتيوم تم عملها بواسطة VSMOW والمرجع القياسي هوالماء. والديوتريوم قليل جدًا في الماء، إذ توجد منه ذرة واحدة فقط لقاء 6700 ذرة من البروتيوم.

³H

النظير الثالث الطبيعي للهيدروجين هوتريتيوم 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. وهويتكون باستمرار في الطبقة العليا من الغلاف الجوي (ستراتوسفير) بعمل الأشعة الكونية. وكميته على الأرض ضئيلة جدًا جدًا. فهي أقل من كيلوغرام واحد في الكرة الأرضية كلها.

⁴H

هيدروجين-4 تم تصنيعه بقذف التريتيوم بنواة ديوتريوم سريعة الحركة. ويتحلل عن طريق انبعاث النيترون، وله فترة عمر نصف تساوى 9.93696x10⁻²³ثانية.

⁵H

تم التعهد 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 (الموضوعة) في معامل ريكين اليابانية بتبريد شعاع من عالى-الطاقة من الهيليوم-8 بواسطة الهيدروجين وتم التعهد على تريتون - نواة التريتيوم - والنيوترونات الناتجة من تكسر هيدروجين-7، وبنفس الطريقة يمكن إنتاج والتعهد على هيدروجين-5.

اندماج الهيدروجين في الشمس والنجوم

عن طريق الاندماج النووي تستمد الشمس حرارتها وكذلك النجوم. تندمج ذرات الهيدروجين في درجة حرارة نحو12 مليون درجة مئوية وضغط عالى جدا فيتكون الهيليوم. ويقوم النجم والشمس بذلك التفاعل أثناء 90 % من عمره. بعد ذلكقد يكون الجزء الأكبر من الهيدروجين قد استهلك وتحول إلى هيليوم.

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

• الالتحام المباشر سلسلة تفاعل بروتون-بروتون

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

وعند حساب الطاقة الناتجة فيجب الأخذ في الحسبان تولد أثنين من البوزيترونات في جميع تفاعل يؤدي إلى هيليوم-4 سواء في تفاعل البروتون-بروتون أوفي دورة بيته-فايتزيكر. يتفاعل جميع بوزيترون مع أحد الإلكترونات في الحال عن طريق إفناء إلكترون-بوزيترون وينتجا طاقة إضافية قدرها 1,022 مليون إلكترون فولت. أي أنه يلزم لحساب الطاقة الناتجة حساب نقص الكتلة للأربعة بروتونات التي التحمت مكونة نواة الهيليوم بالإضافة إلى ضعف كتلة الإلكترون. ونقص الكتلة هوالفرق في كتلة المواد الداخلة في التفاعل وهي كتلة أربعة ذرات الهيدروجين (وهي تتكون من أربعة بروتونات وأربعة إلكترونات) وطرح كتلة ذرة الهليوم ⁴He. كما ينتج عن ذلك أيضا نيوترينويأخذ جزءا من الطاقة ويغادر بها الشمس أوالنجم.

وعن طريق الاندماج النووي يفقد الهيدروجين الداخل في التفاعل نحو 0,73 % من كتلته تتحول إلى طاقة وتلك هي مايسمى نقص الكتلة. ويمكن حساب الطاقة الناتجة عن ذلك النقص في الكتلة عن طريق المعادلة الشهيرة لأينشتاين وهي معادلة تكافؤ المادة 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 من بين التفاعلات النووية الأخرى (أنظر طاقة ارتباط). كما يسير توليد الطاقة في النجوم أيضا على نفس المنوال، أي أندماج الهيدروجين. وعندما يقترب استهلاك الهيدروجين في النجم يتبعه اندماج الهيليوم الذي ينتح الكربون ذوكتلة ذرية 12 ثم يتولد الأكسجين وكتلته الذرية 16، إلى غير ذلك تتولد العناصر الأكثر كتلة في الشمس وفي النجوم حتى ينشأ الحديد وكتلته الذرية 57. وتبلغ الطاقة الناتجة عن إنتاج ذرة كربون واحدة نحو1/10 الطاقة الناتجة عند إنتاج ذرة هيليوم واحدة.

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 حتى يقوم محرك كهربائي يعمل بالتيار المتولد من التفاعل الكيميائي ويحرك السيارة. أي حتى عددا كبيرا من سيارات المستقبل يفترض أن يسير بغاز الهيدروجين بدلا عن البنزين.

وتوجد أنواع متعددة من الخلايا الوقود والتي يمكن تصنيفها حسب نوع الكهارل ودرجة الحرارة التي تعمل عليها. عملى 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 نحوتطويرها 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 أوالديزل يمكن شحنها ب أربعة كيلوجرام من الهيدروجين تكفيها للسير مسافة نحو400 كيلومتر. ولكن سرعة تلك السيارات لا زالت منخفضة ولكنها كافية للاستخدام في السرعات العادية للقيادة في المدينة.

أما الوحدات التي يفترض أن تقوم بتوليد الكهرباء في المنازل والبيوت فستكون وحدات كبير مناسبة وتزن عدة أطنان.

الاحتياطات

الهيدروجين غاز له قابلية كبيرة للاشتعال حتى في الهجريزات 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 حتى شعلته في الهواء نظيفة تماما. وعلى هذا فإنه من الصعب فهم حدوث أى احتراق يحدث من تسرب الهيدروجين، كما أنه هناك خطر كبير من حتىقد يكون هناك حريق هيدروجين بدون أى ملاحظة.

شاهد أيضا

• معاكس الهيدروجين
• خلايا وقود
• ذرة هيديروجين
• رابطة هيدروجينية
• قنبلة هيدروجينية
• السيارة الهيدروجينية
• اقتصاد الهيدروجين
• الوقود الهيدروجينيى
• خط هيدروجين
• محطة الهيدروجين
• الجدول الدوري
• الهيدروجين الضوئي
• اكتشاف الهيدروجين
• الهيدروجين السائل

هوامش

ملاحظات

المراجع

وصلات خارجية

• WebElements.com - الهيدروجين
• EnvironmentalChemistry.com - الهيدروجين
• It's Elemental &- الهيدروجين
• صور الهيدروجين
• اكتشاف الهيدروجين
• الهيدروجين خواصه واستخاماته وتتطبيقاته
• اكتشاف الهيدروجين الرحلة الأولى حول العالم بقارب هيدروجيني
• معمل لوس ألاموس القومي - هيدروجين
• معمل ريكين الفهمي للإشعاع، اليابان - أبحاث الهيدروجين الثقيل
• النيوكليدات والنظائر، الطبعة الرابعة عشر: شكل النوكليدات، شركة جنرال إليكتريك، 1989
• Basic Hydrogen Calculations of Quantum Mechanics
• Hydrogen (University of Nottingham)
• High temperature hydrogen phase diagram
• Wavefunction of hydrogen