الهدروجين

هدروجين

Hydrogene - Hydrogène

الهدروجين

الهدروجين hydrogen غاز لا لون له ولا طعم ولا رائحة، رمزه الكيمياوي H وهو أبسط عنصر معروف؛ إذ تتألف نواة ذرته من بروتون وحيد، وبنيته الإلكترونية 1S1، يمكن أن يصنف ويوضع في فصيلة المعادن القلوية[ر: القلويات] لأنه يحوي إلكتروناً واحداً في طبقة التكافؤ يمكن أن يتخلى عنه، أو مع فصيلة الهالوجينات لأن له القدرة على أخذ إلكترون واحد وذلك بالمشاركة على الأغلب.

ولا يضم الهدروجين إلكتروناً آخر إلى مداره مكوِّناً مركّباً شاردياً إلا في حالة واحدة فقط، وذلك عندما يتحد مع معدن قلوي أو قلوي ترابي، لتكوّن هدريدات مثل NaH وCaH₂؛ إذ تغلب على هذه المركبات الصفة الأيونية (الشاردية).

وجوده في الطبيعة

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 وجد منه على شكل ماء تبلور مع الأملاح أو ممتصاً من قبل الغضار.

على الرغم من أن هذا العنصر عرف منذ نحو القرن الخامس عشر إلا أن العالم الإنكليزي كافنديش[ر] Cavendish هو أول من اكتشفه ودرسه دراسة علمية عام 1781؛ إذ استحضره بفعل حمض كلور الماء أو حمض الكبريت على المعادن، كما بيَّن أن الماء هو الناتج الوحيد من حرق الهدروجين في الهواء، علماً أن جيمس واط James Watt أعلن أنه هو الذي حصل على ماء من احتراق الهدروجين في الوقت نفسه الذي حصل عليه كافنديش.

أما الاسم «هدروجين» فقد أطلقه على هذا الغاز لافوازييه[ر] مبيِّناً أنه يولِّد الماء عند احتراقه.

يرافق الهدروجينَ في مركّباته جميعها النظير isotope المدعو ديتريوم deuterium؛ واسمه يعني (الثاني) باليونانية، ويرمز له بـ D بنسبة مول ديتريوم 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، واسمه يعني (الثالث) باليونانية ويرمز له بالحرف T. تحوي نواته نترونين إضافة إلى البروتون، وقد اصطنعه العالم ألفاريز Alvarez في جامعة كاليفورنيا بقذف الديتريوم بوساطة النترونات:

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

تحضير الهدروجين

إن العامل المهم في تحضير أي عنصر في المختبر هو سهولة التحضير، أما في الصناعة فالكلفة هي العامل الرئيسي.

أولاً - في المختبر

أ - فعل الحموض الممددة على كثير من المعادن metals، مثل التوتياء والحديد والمغنزيوم 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 والذهب والزئبق والنحاس فهي لا تطلق الهدروجين بتفاعلها مع الحموض[ر: الأكسدة والإرجاع]. ولا يستعمل حمض الآزوت في هذا المجال بسبب قوته المؤكسِدة.

ب - فعل هدريدات المعادن القلوية والقلوية الترابية (ماعدا المغنزيوم) على الماء:

وقد يكون التفاعل السابق عنيفاً خصوصاً في حال استعمال البوتاسيوم والروبيديوم والسيزيوم.

جـ-  فعل بخار الماء على بعض المعادن الأخرى:

يعود ذلك إلى أن 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 هو الأمر في المغنزيوم والحديد.

د - فعل بعض المعادن الأمفوتيرية amphoteric على الأسس:

هـ - التحليل الكهربائي لبعض المحاليل المائية الممددة:

ففي التحليل الكهربائي لمحلول ممدد من حمض الكبريت أو ماءات الصوديوم حيث التفاعل الإجمالي هو الآتي:

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

ثانياً - صناعياً

أ - بطريقة 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 أو هدروكسيد 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، وهو ذو قيمة صناعية كبرى وقوداً[ر: غازات الوقود]. والتفاعل السابق ماص للحرارة ولهذا يجب أن يكون فحم الكوك متوهجاً حتى يندفع التفاعل نحو اليمين[ر: التوازن الكيمياوي].

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

وهو تفاعل ناشر للحرارة، ولذلك يفضَّل فيه استعمال درجات حرارة متوسطة والاستعانة بوسيط مثل الحديد أو النحاس لتسريعه. للتخلص من CO₂ يمرَّر المزيج الناتج في وسط قلوي، أو يضغط ويبرَّد فينحل هذا الغاز عندئذ في الماء.

جـ - من مصافي النفط (البترول) أو من الغاز الطبيعي

يرافق عمليات التكسير المختلفة 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 الفيزيائية للهدروجين

الكتلة الذرية النسبية 1.008، طاقة التأين 13.6 إلكترون فولط، الألفة الإلكترونية 72 كيلو جول مول^-1، صيغته الجزيئية H₂، نقطة الانصهار -259 ْس، ونقطة الغليان -253 ْس؛ مما يدل على أن قوى فان درفالس التي تربط بين جزيئاته ضعيفة جداً، 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، وهو أخف الغازات على الإطلاق، فهو أخف من الهواء بأربع عشرة مرّة، ولهذا فإن المناطيد تملأ به. بيد أن قابليته للاشتعال أدت إلى تفضيل الهليوم عليه[ر. الغازات الخاملة].

الخواص الكيمياوية للهدروجين

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 مشتركة مع العناصر الأخرى.

أ - اتحاده مع الأكسجين: مزيج الأكسجين والهدروجين مستقر عند درجة الحرارة العادية، ولكن زيادة الحرارة - مثل حصول شرارة مثلاً أو إشعال عود ثقاب - يؤدي إلى اتحادهما الذي ينشر نحو 58 كيلو حريرة/مول. فإذا وجد المزيج في مكان محصور أدى ذلك إلى حصول انفجار بسبب ارتفاع ضغط البخار الناتج في ذلك المكان. ويحصل الانفجار مهما كانت نسبة الهدروجين إلى الأكسجين في المزيج؛ وذلك بسبب كمية الحرارة الضخمة الناتجة، ولكن الانفجار يكون أشد كلما كانت النسبة بين حجم الهدروجين إلى الأكسجين أقرب إلى 2.

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

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

جـ - مع الهالوجينات: حدة تفاعل الهدروجين مع الفلور شديدة جداً تصل حد الانفجار حتى لو جرى التفاعل عند درجة حرارة الهدروجين السائل:

وتنتشر كمية من الحرارة قدرها 128 كيلو حريرة. 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 أن 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) هو التفاعل الإجمالي، ويوضح التفكك السابق ميكانيكية التفاعل.

أما مع البروم فالتفاعل أقل شدة:

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

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

د - مع الآزوت (النتروجين): يتحد الآزوت مع الهدروجين بصعوبة وفي شروط خاصة مكوِّناً غاز النشادر (الأمونيا)[ر: النشادر]:

ويعد هذا التفاعل أهم تفاعل للهدروجين.

هـ - 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 أو الأكسجين:

وتنطلق كمية كبيرة من الحرارة قدرها 212 كيلو حريرة.

و - مع المعادن: يتحد الهدروجين مع معادن الفصيلة الأولى ومعادن الفصيلة الثانية (عدا المغنزيوم 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:

الهدروجين الذري

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 أن 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 المشتركة التي تربط بين ذرتيه تجعل من الهدروجين غازاً بطيء التفاعل نسبياً مع جزيئات العناصر الأخرى. وبمعنى آخر، فإن الطاقة التنشيطية للهدروجين مرتفعة جداً. وهذا هو السبب وراء استعمال المواد الوسيطة في التفاعلات التي يكون فيها الهدروجين أحد أركان التفاعل. وأفضل هذه المعادن الوسيطة معدنا النيكل والبلاتين، إذ يعتقد أن 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.

استعمالات الهدروجين

يستعمل الهدروجين وقوداً لمحركات الصواريخ الضخمة فقد جاء في نشرات أبحاث الفضاء الحديثة أن الهدروجين السائل يعطي، عندما يمزج مع الفلور السائل، دفعاً هائلاً للصاروخ لم يحققه أيّ وقود آخر. وجاء 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.

يستحصل أكثر من 20 مليون طن هدروجين سنوياً. يستخدم 50٪ منها في عمليات اصطناع النشادر، كما أن قسماً كبيراً منه يستخدم في اصطناع كيمياويات أخرى، مثال ذلك، الكحول الميتيلي CH₃OH وفق التفاعل:

ويستعمل أيضاً في هدرجة الزيوت النباتية[ر: الهدرجة] للحصول على المرغرين والمنتجات البترولية وفي بعض عمليات الإرجاع، كما هي الحال في الحصول على التنغستن من WO₃، ويستعمل الهدروجين في اللحام.

جرت أبحاث كثيرة في السنوات الأخيرة على الهدروجين لاستعماله وقوداً. فعندما يحترق الهدروجين في الهواء تنتج طاقة كبيرة، تتميز بنظافتها مما يحول دون تلوث البيئة. وقد صنعت سيارات يستعمل فيها الهدروجين وقوداً بدل البنزين (الوقود السائل المستعمل في السيارات). وقد يخطر على البال أن نقل الهدروجين من مكان إلى آخر خطر، إلا أنه يمكن امتصاصه بالعديد من السبائك المعدنية ما يجعل نقله آمناً.

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

إلى طاقة كهربائية[ر: خلية الوقود]. يخرج الهدروجين والأكسجين معاً فوق إلكترودين (مسريين) يحفّزان التفاعل بينهما. والإلكتروليت (الكهرليت) يكون حمضاً أو أساساً 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 استعملت خلايا وقود في المركبات الفضائية لأنها موثوقة، ومردودها عالٍ، وحجمها صغير نسبياً بالمقارنة مع الخلايا الكهربائية التقليدية. ويلخص المخطط (1) أهم استعمالات الهدروجين الصناعية.

هيام بيرقدار

خلية الوقود ـ الماء ـ الهدرجة.

ـ موفق شخاشيرو، الكيمياء العامة واللاعضوية (المطبعة الجديدة، دمشق 1981ـ1982)

ـ فيليب ماثيوس، الكيمياء المتقدمة 2 العضوية واللاعضوية، ترجمة هيام بيرقدار (المنظمة العربية للتربية والثقافة والعلوم، دمشق 2000).

-   H. J. EMELEUS and A.G.SHARPE, Modern Aspects of Inorganic Chemistry, 4th edition (New Delhi UBS-1992).

التصنيف : الكيمياء و الفيزياء

النوع : علوم

المجلد: المجلد الواحد والعشرون

رقم الصفحة ضمن المجلد : 409

آخر أخبار الهيئة :

معجم المصطلحات

الأطلس الجغرافي

البحوث الأكثر قراءة

اصدارات الموسوعة العربية

أسماء الباحثين

هل تعلم ؟؟

• - هل تعلم أن الأبلق نوع من الفنون الهندسية التي ارتبطت بالعمارة الإسلامية في بلاد الشام ومصر خاصة، حيث يحرص المعمار على بناء مداميكه وخاصة في الواجهات

• - هل تعلم أن الإبل تستطيع البقاء على قيد الحياة حتى لو فقدت 40% من ماء جسمها ويعود ذلك لقدرتها على تغيير درجة حرارة جسمها تبعاً لتغير درجة حرارة الجو،

• - هل تعلم أن أبقراط كتب في الطب أربعة مؤلفات هي: الحكم، الأدلة، تنظيم التغذية، ورسالته في جروح الرأس. ويعود له الفضل بأنه حرر الطب من الدين والفلسفة.

• - هل تعلم أن المرجان إفراز حيواني يتكون في البحر ويتركب من مادة كربونات الكلسيوم، وهو أحمر أو شديد الحمرة وهو أجود أنواعه، ويمتاز بكبر الحجم ويسمى الش

• هل تعلم أن الأبسيد كلمة فرنسية اللفظ تم اعتمادها مصطلحاً أثرياً يستخدم في العمارة عموماً وفي العمارة الدينية الخاصة بالكنائس خصوصاً، وفي الإنكليزية أب

• - هل تعلم أن أبجر Abgar اسم معروف جيداً يعود إلى عدد من الملوك الذين حكموا مدينة إديسا (الرها) من أبجر الأول وحتى التاسع، وهم ينتسبون إلى أسرة أوسروين

• - هل تعلم أن الأبجدية الكنعانية تتألف من /22/ علامة كتابية sign تكتب منفصلة غير متصلة، وتعتمد المبدأ الأكوروفوني، حيث تقتصر القيمة الصوتية للعلامة الك

شراء النسخة الورقية