الهيدروجين هو عنصر كيميائي غازي الشكل، لا طعم له ولا لون ولا رائحة، ورمزه في الجدول الدوري هو H، وعدده الذري هو 1.
كما هو الحال في الجدول الدوري، فإنه العنصر الأول، حيث لا يحتوي ذراته سوى على إلكترون واحد فقط بشحنة سالبة، وبروتون واحد فقط بشحنة موجبة.
رمز الهيدروجين في الجدول الدوري
- وفقا للمبادئ العلمية، تحتوي جميع الذرات في الكون على ثلاثة مكونات، وهي الإلكترون الذي يحمل شحنة سالبة.
- والنيوترون هو ذو شحنة متعادلة، والبروتون هو ذو شحنة موجبة، ومع ذلك، يعتبر عنصر الهيدروجين هو العنصر الوحيد الذي يخالف هذا القاعدة.
- على الرغم من أن جميع الذرات تستوجب هذا القاعدة، ومع ذلك، الذرة الهيدروجينية تتكون فقط من جزئين.
- إلكترون واحد فقط، وبروتون واحد فقط، ولا يحتوي على أي نيوترونات.
- وبسبب ذلك، يعتبر الهيدروجين العنصر الكيميائي الأول في الجدول الدوري.
- وهو جدول العناصر الكيميائية، لأنه يحتوي على أقل العناصر من حيث كثافة العدد الذري.
شاهد أيضًا: الهيدروجين وقود المستقبل pdf
اكتشاف عنصر الهيدروجين وسبب تسميته
- العالم هنري كافيندش هو الشخص الذي اكتشف عنصر الهيدروجين في عام 1766م.
- اكتشف الهيدروجين لأول مرة كعنصر يتميز بخواصه الغازية الفريدة، حيث لا يشتعل.
- في عام 1783، أطلق العالم الشهير أنطوان لافوازييه اسما على هذا العنصر الجديد الذي تم اكتشافه، وهو الهيدروجين.
- تأتي هذه التسمية من اللغة الإغريقية، حيث أن كلمة هيدرو تعني الماء، وكلمة جين تعني المولد.
- في هذا السياق، قام العالم بيير بتجربة تكرار تجربة العالم كافنديش لإنتاج الماء عند احتراق الهيدروجين.
الهيدروجين العنصر الأكثر وفرة في الكون
- الهيدروجين متواجد في العديد من العناصر الحيوية، فهو يوجد في مياه المحيطات والبحار والأنهار.
- يشكل جزءا من تركيب الماء، ويوجد في الغلاف الجوي وفي جميع الأنسجة النباتية والحيوانية، وكذلك في البترول.
- يتواجد في العديد من المركبات الكربونية التي لا تعد ولا تحصى، ويستخدم الهيدروجين بشكل رئيسي في صناعة الأمونيا.
خصائص عنصر الهيدروجين
من الخصائص التي يتميز بها عنصر الهيدروجين ما يلي:
- الهيدروجين هو غاز عديم اللون والطعم والرائحة، ويمكن أن يشتعل.
- يعد الهيدروجين واحدا من العناصر الأكثر وفرة في الكون، وعلى الرغم من ذلك، يوجد في قشرة الأرض بنسبة تقدر بحوالي 0.14% من الوزن.
- يتميز الهيدروجين الجزيئي (H2) بنقاط انصهار وغليان منخفضة جدا.
- حيث يصل درجة انصهاره إلى حوالي 259.20 درجة مئوية.
- وتصل درجة غليانه إلى 252.77 درجة مئوية، ويعود ذلك إلى قوة الجذب الضعيفة بين جزيئاته.
- الهيدروجين شفاف للضوء المرئي، وأيضا للأشعة تحت الحمراء والمرئية، والأشعة فوق البنفسجية ذات الأطوال الموجية الأقل من 1800 أنغستروم.
- للهيدروجين وزن جزيئي أقل من جميع الغازات، وهذا يؤدي إلى امتلاك جزيئاته سرعة أعلى في درجة حرارة محددة.
- تنتشر بسرعة أكبر من الهيدروجين وبالتالي يتوزع الطاقة الحركية بشكل أسرع في الهيدروجين.
- عند مقارنته بالغازات الأخرى، على سبيل المثال، يتمتع الهيدروجين بأعلى قدرة توصيل للحرارة.
استخدامات غاز الهيدروجين
يشكل غاز الهيدروجين أهمية كبيرة في العديد من الاستخدامات، ومنها:
- يعد غاز الهيدروجين وقودا نظيفا للمستقبل في نظر بعض الأفراد.
- تعتبر خلايا الوقود التي تعمل بالطاقة الهيدروجينية مصدرا نظيفا للطاقة.
- وتستخدم حاليا في عدد من السيارات والحافلات.
- يستخدم الهيدروجين في إنتاج المواد الكيميائية، مثل صناعة الأمونيا التي تستخدم في الأسمدة الزراعية، ويستخدم في صناعة البلاستيك والأدوية أيضا.
- يتم استخدام الهيدروجين في عمليات تكرير النفط لإزالة الكبريت من الوقود.
- يستخدم في صناعة الزجاج لحماية والحفاظ على الصفائح المسطحة الزجاجية من التأكسد أثناء عملية التصنيع.
- في صناعة الإلكترونيات، يتم استخدام الهيدروجين ويدخل في إنتاج رقائق السيليكون.
- إنتاج الميثانول.
- تصنيع حموض الهيدروكلوريك واللحام وتقليل تراكيز المعادن.
- يستخدم الهيدروجين كوقود للصواريخ، فقد أظهرت الأبحاث الفضائية الحديثة أن الهيدروجين السائل عند مزجه مع الفلور السائل يوفر قوة دفع هائلة للصاروخ، وهي قوة لم تتحقق بأي وقود آخر.
- له قدرة كبيرة على نقل الحرارة بشكل أفضل من أي غاز آخر، وبالتالي يستخدم في تبريد المحركات في محطات توليد الطاقة الكهربائية.
- نظرا لأنه أخف من الهواء بمعدل أربعة عشر مرة، فإنه يمكن استخدامه بنجاح كبير في رفع البالونات والمناطيد.
- وكان ذلك يحدث حتى وقوع كارثة هايدلبرج التي أثارت قلق الجمهور بسبب خطورة استخدام الهيدروجين لهذا الهدف.
الطرق المختلفة لتحضير الهيدروجين
يتم تحضير غاز الهيدروجين بعدة طرق منها الطرق التالية:
- يمكن الحصول على المواد الإنشائية المتطورة من الغاز الطبيعي أو الغازات البترولية عن طريق التأكسد الجزيئي أو التعديل ببخار الماء.
- التحليل الكهربائي للماء.
- استخلاص بخار الماء باستخدام الكربون، وهو يعرف بطريقة بوش.
- إمرار بخار المياه على الحديد السائل.
- استخلاص الهيدروجين من الغازات الصناعية.
- التفاعل بين السليكون وإيدروكسيد الصوديوم.
- كمنتج ثانوي في صناعة الصودا الكاوية باستخدام تحليل كهربائي لكلوريد الصوديوم.
- قذف جزيئات الماء بواسطة الإلكترونات.
- تتفاعل عناصر المجموعة الأولى في الجدول الدوري مع الماء.
شاهد أيضًا: فوق أكسيد الهيدروجين ومخاطرة
تفاعل الهيدروجين في النجوم والشمس
تحصل الشمس على حرارتها من خلال عملية الاندماج النووي، وهذا ينطبق أيضا على النجوم. تحدث عملية الاندماج عندما يتم دمج ذرات الهيدروجين في درجات حرارة تصل إلى 12 مليون درجة مئوية وتحت ضغط شديد الارتفاع، ويتكون الهيليوم. بعد ذلك، يتم استهلاك كمية كبيرة من الهيدروجين وتحويلها إلى هيليوم.
يمكن أن يحدث التفاعل الاندماجي بطريقتين، وباستخدامهما يتم دمج 4 بروتونات، وهي تمثل أنوية الهيدروجين، مما يؤدي إلى تكوين نواة الهيليوم 4He
- الالتحام المباشر، وهي سلسلة تفاعل بروتون-بروتون.
- العناصر القليلة الثقيلة (الكربون، الأكسجين، النيتروجين) عن طريق دورة CNO أو (دورة بيته-فايتزيكر).
من خلال الاندماج النووي، يفقد الهيدروجين المشارك في هذا التفاعل حوالي 0.73٪ من كتلته ويتحول إلى طاقة، وتسمى هذه العملية نقص الكتلة.
يمكن حساب الطاقة التي تنتج نتيجة لتلك النقص في الكتلة باستخدام المعادلة المعروفة لأينشتاين، والمعروفة أيضا باسم معادلة تكافؤ الطاقة والمادة.
احتياطات استخدام غاز الهيدروجين
- الهيدروجين هو واحد من الغازات التي يمكن أن تشتعل بسهولة، بغض النظر عن تركيزه حتى لو كان 4% فقط.
- كما أنه يتفاعل بشدة مع الفلور والكلور، مما يؤدي إلى تكوين حموض الهيدروكلوريك، والتي تعرف بأضرارها على الرئة والأنسجة.
- عند تفاعله مع الأكسجين، يحدث انفجار الهيدروجين عند الاشتعال.
- الهيدروجين لديه خواص مميزة، ومن بين هذه الخواص خاصية فريدة، حيث يكون له شعلة نظيفة تماما في الهواء، وتنتج هذه الخاصية صعوبة في اكتشاف أي حريق يحدث نتيجة تسرب الهيدروجين، وهذا يشكل خطرا كبيرا.
- تكمن أكبر المخاطر في حدوث حريق هيدروجين دون أي ملاحظة.
الهيدروجين الطاقة البديلة
- استخدام غاز الهيدروجين لإنتاج الطاقة، هو أحد مشاريع الحفاظ على البيئة وخطوة للتخلص من الوقود الأحفوري.
- يتم إنتاج الكهرباء عن طريق خلايا الوقود وخلية الطاقة، حيث تحدث تفاعلات كيميائية باستخدام الهيدروجين والأوكسجين، ويستخدم هذا التفاعل لتوليد الطاقة الكهربائية.
- استخدام تقنية الهيدروجين لإنتاج الطاقة الكهربائية يعتبر واحدا من أفضل الأساليب المستخدمة لتوليد طاقة نظيفة تحافظ على البيئة.
- فهذه التقنية الجديدة تنتج فقط تيارا كهربائيا ومياه، ولذلك فإن هذه التقنية الجديدة تحظى بالكثير من الاهتمام فيما يتعلق بتطويرها واستخدامها في تشغيل السيارات وتوفير التيار الكهربائي للمنازل.
- بدأت بالفعل بعض الشركات الكبيرة في صناعة السيارات في إنتاج سيارات صغيرة وطرحها في الأسواق.
- في هذا النوع من السيارات، لا يتم استخدام البنزين أو الديزل، بل يمكن شحنها بكمية 4 كيلوجرامات من الهيدروجين، وتستطيع القيام بمسافة تقدر بحوالي 400 كيلومتر.
- ومع ذلك، لا تزال سرعة هذا النوع من السيارات منخفضة ولكنها تكفي للقيادة بسرعة عادية في المدينة.
شاهد أيضًا: كلوريد الهيدروجين وحمض الهيدروكلوريك
في ختام المقال، تناولنا العديد من المعلومات حول الهيدروجين، بدءا من رمزه في الجدول الدوري واستخداماته المتعددة وخصائصه، ونأمل أن يكون المقال قد نال إعجابكم.
