SAMAR
12-08-2021, 06:09 PM
نبذة عن غاز الهيدروجين
الهيدروجين هو أخف العناصر وسينفجر بتركيزات تتراوح بين 4-75 في المائة للحجم في وجود ضوء الشمس أو اللهب أو الشرارة، على الرغم من ثبات الهيدروجين فإنه يشكل العديد من الروابط وهو موجود في العديد من المركبات المختلفة، وتوجد ثلاثة نظائر طبيعي ة للهيدروجين: البروتيوم و الديوتيريوم والتريتيوم ولكل منها خصائص مختلفة بسبب الاختلاف في عدد النيوترونات في النواة.
الخواص الكيميائية للهيدروجين
غاز الهيدروجين (H 2 ) شديد الاشتعال ويحترق في الهواء بمدى عريض جدًا من التركيزات بين 4 في المائة و 75 في المائة من حيث الحجم.
المحتوى الحراري للاحتراق للهيدروجين هو -286 كيلو جول / مول ، يمكن أن ينفجر غاز الهيدروجين أيضًا في خليط من الكلور (من 5 إلى 95 بالمائة)، ويمكن أن تنفجر هذه الخلائط استجابةً لشرارة أو حرارة أو حتى ضوء الشمس.
درجة حرارة الاشتعال الذاتي للهيدروجين وهي درجة الحرارة التي يحدث عندها الاحتراق التلقائي هي 500 درجة مئوية.
تنبعث لهب الهيدروجين والأكسجين النقي ضوء فوق بنفسجي ولا يمكن رؤيته بالعين المجردة.
ولذلك فإن اكتشاف تسرب الهيدروجين المحترق أمر خطير ويتطلب كاشف اللهب، لأن الهيدروجين قابل للطفو في الهواء ولهب الهيدروجين يصعد بسرعة ويسبب ضررًا أقل من حرائق الهيدروكربونات.
يتفاعل H 2 مع العناصر المؤكسدة والتي بدورها تتفاعل بشكل عفوي وعنيف مع الكلور والفلور لتكوين هاليدات الهيدروجين المقابلة.
يتكون H 2 من مركبات تحتوي على معظم العناصر على الرغم من ثباتها، عند المشاركة في التفاعلات يمكن أن يكون للهيدروجين شحنة موجبة جزئية عند التفاعل مع المزيد من العناصر الكهربية مثل الهالوجينات أو الأكسجين.
ويمكن أن يكون له شحنة سالبة جزئية عند التفاعل مع عناصر أكثر حساسية للكهرباء مثل الفلزات القلوية.
عندما يرتبط الهيدروجين بالفلور أو الأكسجين أو النيتروجين يمكن أن يشارك في شكل من أشكال الترابط غير التساهمي متوسط القوى (بين الجزيئات) يسمى الترابط الهيدروجين وهو أمر مهم لاستقرار العديد من الجزيئات البيولوجية.
وتُعرف المركبات التي تحتوي على روابط هيدروجينية ب المعادن والفلزات باسم الهيدريدات.
أكسدة الهيدروجين تزيل إلكترونيا وتنتج H + أيون، في كثير من الأحيان يشار إلى H + في المحاليل المائية باسم أيون الهيدرونيوم (H 3 O + )، وهذا النوع ضروري في الكيمياء الحمضية القاعدية.
الخصائص الفيزيائية للهيدروجين
تنشأ العديد من الخصائص الكيميائية لذرة الهيدروجين من صغر حجمها مثل ميلها إلى تكوين روابط تساهمية وقابلية الاشتعال والتفاعل التلقائي مع العناصر المؤكسدة.
الهيدروجين هو أصغر عنصر كيميائي لأنه يتكون من بروتون واحد فقط في نواته، رمزه هو H ورقمه الذري 1، ويبلغ متوسط وزنه الذري 1.0079 amu مما يجعله أخف عنصر.
الهيدروجين هو المادة الكيميائية الأكثر وفرة في الكون وخاصة في النجوم والكواكب الغازية العملاقة، ومع ذلك نادرًا ما يكون الهيدروجين أحادي الذرة على الأرض وذلك بسبب ميله إلى تكوين روابط تساهمية مع معظم العناصر.
عند درجة الحرارة والضغط القياسيين يكون الهيدروجين غازًا ثنائي الذرة غير سام وغير معدني وعديم الرائحة وعديم اللون قابل للاشتعال بدرجة عالية مع الصيغة الجزيئية H 2 .
ينتشر الهيدروجين أيضًا على الأرض في شكل مركبات كيميائية مثل الهيدروكربونات والماء.
يحتوي الهيدروجين على بروتون واحد وإلكترون واحد، وتكون أكثر النظائر شيوعًا البروتيوم ( 1 H) ولا يحتوي على نيوترونات.
للهيدروجين درجة انصهار تبلغ -259.14 درجة مئوية ودرجة غليانها -252.87 درجة مئوية.
كثافة الهيدروجين 0.08988 جم / لتر مما يجعله أقل كثافة من الهواء.
له حالتي أكسدة متميزتين (+1 ، -1) مما يجعله قادرًا على العمل كعامل مؤكسد مختزل.
نصف قطره التساهمي هو 31.5 م.
يوجد الهيدروجين في اثنين من الأيزومرات في جزيئات الهيدروجين ثنائية الذرة والتي تختلف حسب الدوران النسبي لنواتها.
شكل ortho hydrogen له يدور بشكل متوازي.
يحتوي شكل باراهيدروجين على دوران مضاد.
عند درجة الحرارة والضغط القياسيين يتكون غاز الهيدروجين من 75 بالمائة من الهيدروجين و 25 بالمائة من الهيدروجين.
يتوفر الهيدروجين في أشكال مختلفة مثل الهيدروجين الغاز المضغوط والهيدروجين السائل والهيدروجين الطيني وكذلك الأشكال الصلبة والمعدنية.
مشتقات الهيدروجين
يوجد الهيدروجين بشكل طبيعي على شكل ثلاثة نظائر يُشار إليها بـ 1 H ، و 2 H ، و 3 H
1 H تحدث بكثرة بنسبة 99.98 بالمائة ولها الاسم الرسمي بروتيوم.
يُعرف 2 H باسم الديوتيريوم ويحتوي على إلكترون واحد وبروتون واحد ونيوترون واحد (عدد الكتلة = 2)، ويستخدم الديوتيريوم ومركباته كعناوين غير المشعة في التجارب الكيميائية والمذيبات ل 1 H-NMR الطيفي.
يُعرف 3 H باسم التريتيوم ويحتوي على بروتون واحد و 2 نيوترون وإلكترون واحد (عدد الكتلة = 3)، إنه مشع ويتحلل إلى الهيليوم 3 من خلال تسوس بيتا مع عمر نصف يبلغ 12.32 سنة.
استخدامات الهيدروجين
للهيدروجين تطبيقات متعددة سواء في الصناعة أو في الحفاظ على البيئة منذ عدة سنوات.
في مجال الحفاظ على البيئة يتمثل الاستخدام الرئيسي للهيدروجين في إزالة الكبريت الموجود بشكل طبيعي في الزيت لإنتاج وقود أنظف.
الهيدروجين عبارة عن كاشف يستخدم في العديد من القطاعات الصناعية، بما في ذلك المواد الكيميائية وتصنيع ألياف النسيج والزجاج والإلكترونيات والمعادن.
كما أنه يستخدم كوقود لقاذفات الصواريخ.
يُعد الهيدروجين ناقلًا كبيرًا للطاقة النظيفة جنبًا إلى جنب مع خلية الوقود، لأنه يساعد في إنتاج الكهرباء مباشرة على متن المركبات الكهربائية أو في المناطق النائية التي تم قطعها عن شبكة الطاقة.
استخدام الهيدروجين صناعة الفضاء
منذ بداية صناعة الفضاء كان الهيدروجين له دورًا مهمًا كوقود للصواريخ، وهذا لأنه الوقود الذي يركز على أكبر قدر من الطاقة: 1 كجم من الهيدروجين يحتوي على 3 أضعاف الطاقة من 1 كجم من البنزين، ومازال الهيدروجين السائل والأكسجين السائل مجتمعين يستخدمان لإطلاق الصاروخ الأوروبي آريان 5.
استخدامات الهيدروجين في الطاقة
يستخدم الهيدروجين لإنتاج طاقة نظيفة لمجموعة متنوعة من التطبيقات فهو يلبي الحاجة الفورية ويقدم فائدة حقيقية، فهو يستخدم في إمداد الطاقة للمناطق المعزولة غير المتصلة بشبكة الطاقة والمواقع الحساسة التي تتطلب أنظمة طاقة احتياطية موثوقة والشاحنات الرافعات الشوكية والحافلات ومولدات الطاقة المحمولة المستخدمة للأحداث الخارجية.
الهيدروجين والنقل النظيف
يساعد الهيدروجين المستخدم في خلية الوقود على إنتاج الكهرباء مباشرة على متن مركبة بمحرك كهربائي، وهذه المركبات “عديمة الانبعاثات” تطلق الماء فقط.
ويتطلب إنتاج الهيدروجين طاقة، ولهذا السبب يتم الإشارة إلى الهيدروجين على أنه ناقل للطاقة مثل الكهرباء وليس على أنه طاقة أولية، وتشمل أمثلة الطاقة الأولية النفط والكربون أو الفحم والغاز الطبيعي وبعض مصادر الطاقة المتجددة.
استخدامات الهيدروجين في الصناعة
-يستخدم الهيدروجين على نطاق واسع في العديد من التطبيقات الصناعية لإنتاج مواد مختلفة، فهو غاز شديد التفاعل، ففي الإلكترونيات يستخدم الهيدروجين كغاز ناقل (غاز ينقل الغازات النشطة) لتطبيقات متنوعة مثل تصنيع المكونات الإلكترونية. يوفر حماية ممتازة ضد الشوائب والأكسدة.
-الهيدروجين له استخدامات عديدة في مجال الكيمياء الصناعية، على سبيل المثال يمكن دمجه مع النيتروجين لإنتاج نشادر وهو أساس للأسمدة، كما يعمل الهيدروجين كاشف يدخل في تكوين ألياف النسيج مثل النايلون ورغوة البولي يوريثان وعدد من المواد البلاستيكية
-الهيدروجين ضروري في تصنيع الزجاج المسطح المستخدم للشاشات المسطحة، حيث يستخدم معظم الزجاج المسطح عملية التعويم والتي يشكل فيها الهيدروجين عالي النقاء جوًا وقائيًا.
-يستخدم الهيدروجين في علم المعادن في المعالجة الحرارية التي تمكن من إنتاج أجزاء ميكانيكية (تلبيد الأجزاء المقولبة) أو لتغيير خصائصها (تلدين الأجزاء المعدنية).
الهيدروجين هو أخف العناصر وسينفجر بتركيزات تتراوح بين 4-75 في المائة للحجم في وجود ضوء الشمس أو اللهب أو الشرارة، على الرغم من ثبات الهيدروجين فإنه يشكل العديد من الروابط وهو موجود في العديد من المركبات المختلفة، وتوجد ثلاثة نظائر طبيعي ة للهيدروجين: البروتيوم و الديوتيريوم والتريتيوم ولكل منها خصائص مختلفة بسبب الاختلاف في عدد النيوترونات في النواة.
الخواص الكيميائية للهيدروجين
غاز الهيدروجين (H 2 ) شديد الاشتعال ويحترق في الهواء بمدى عريض جدًا من التركيزات بين 4 في المائة و 75 في المائة من حيث الحجم.
المحتوى الحراري للاحتراق للهيدروجين هو -286 كيلو جول / مول ، يمكن أن ينفجر غاز الهيدروجين أيضًا في خليط من الكلور (من 5 إلى 95 بالمائة)، ويمكن أن تنفجر هذه الخلائط استجابةً لشرارة أو حرارة أو حتى ضوء الشمس.
درجة حرارة الاشتعال الذاتي للهيدروجين وهي درجة الحرارة التي يحدث عندها الاحتراق التلقائي هي 500 درجة مئوية.
تنبعث لهب الهيدروجين والأكسجين النقي ضوء فوق بنفسجي ولا يمكن رؤيته بالعين المجردة.
ولذلك فإن اكتشاف تسرب الهيدروجين المحترق أمر خطير ويتطلب كاشف اللهب، لأن الهيدروجين قابل للطفو في الهواء ولهب الهيدروجين يصعد بسرعة ويسبب ضررًا أقل من حرائق الهيدروكربونات.
يتفاعل H 2 مع العناصر المؤكسدة والتي بدورها تتفاعل بشكل عفوي وعنيف مع الكلور والفلور لتكوين هاليدات الهيدروجين المقابلة.
يتكون H 2 من مركبات تحتوي على معظم العناصر على الرغم من ثباتها، عند المشاركة في التفاعلات يمكن أن يكون للهيدروجين شحنة موجبة جزئية عند التفاعل مع المزيد من العناصر الكهربية مثل الهالوجينات أو الأكسجين.
ويمكن أن يكون له شحنة سالبة جزئية عند التفاعل مع عناصر أكثر حساسية للكهرباء مثل الفلزات القلوية.
عندما يرتبط الهيدروجين بالفلور أو الأكسجين أو النيتروجين يمكن أن يشارك في شكل من أشكال الترابط غير التساهمي متوسط القوى (بين الجزيئات) يسمى الترابط الهيدروجين وهو أمر مهم لاستقرار العديد من الجزيئات البيولوجية.
وتُعرف المركبات التي تحتوي على روابط هيدروجينية ب المعادن والفلزات باسم الهيدريدات.
أكسدة الهيدروجين تزيل إلكترونيا وتنتج H + أيون، في كثير من الأحيان يشار إلى H + في المحاليل المائية باسم أيون الهيدرونيوم (H 3 O + )، وهذا النوع ضروري في الكيمياء الحمضية القاعدية.
الخصائص الفيزيائية للهيدروجين
تنشأ العديد من الخصائص الكيميائية لذرة الهيدروجين من صغر حجمها مثل ميلها إلى تكوين روابط تساهمية وقابلية الاشتعال والتفاعل التلقائي مع العناصر المؤكسدة.
الهيدروجين هو أصغر عنصر كيميائي لأنه يتكون من بروتون واحد فقط في نواته، رمزه هو H ورقمه الذري 1، ويبلغ متوسط وزنه الذري 1.0079 amu مما يجعله أخف عنصر.
الهيدروجين هو المادة الكيميائية الأكثر وفرة في الكون وخاصة في النجوم والكواكب الغازية العملاقة، ومع ذلك نادرًا ما يكون الهيدروجين أحادي الذرة على الأرض وذلك بسبب ميله إلى تكوين روابط تساهمية مع معظم العناصر.
عند درجة الحرارة والضغط القياسيين يكون الهيدروجين غازًا ثنائي الذرة غير سام وغير معدني وعديم الرائحة وعديم اللون قابل للاشتعال بدرجة عالية مع الصيغة الجزيئية H 2 .
ينتشر الهيدروجين أيضًا على الأرض في شكل مركبات كيميائية مثل الهيدروكربونات والماء.
يحتوي الهيدروجين على بروتون واحد وإلكترون واحد، وتكون أكثر النظائر شيوعًا البروتيوم ( 1 H) ولا يحتوي على نيوترونات.
للهيدروجين درجة انصهار تبلغ -259.14 درجة مئوية ودرجة غليانها -252.87 درجة مئوية.
كثافة الهيدروجين 0.08988 جم / لتر مما يجعله أقل كثافة من الهواء.
له حالتي أكسدة متميزتين (+1 ، -1) مما يجعله قادرًا على العمل كعامل مؤكسد مختزل.
نصف قطره التساهمي هو 31.5 م.
يوجد الهيدروجين في اثنين من الأيزومرات في جزيئات الهيدروجين ثنائية الذرة والتي تختلف حسب الدوران النسبي لنواتها.
شكل ortho hydrogen له يدور بشكل متوازي.
يحتوي شكل باراهيدروجين على دوران مضاد.
عند درجة الحرارة والضغط القياسيين يتكون غاز الهيدروجين من 75 بالمائة من الهيدروجين و 25 بالمائة من الهيدروجين.
يتوفر الهيدروجين في أشكال مختلفة مثل الهيدروجين الغاز المضغوط والهيدروجين السائل والهيدروجين الطيني وكذلك الأشكال الصلبة والمعدنية.
مشتقات الهيدروجين
يوجد الهيدروجين بشكل طبيعي على شكل ثلاثة نظائر يُشار إليها بـ 1 H ، و 2 H ، و 3 H
1 H تحدث بكثرة بنسبة 99.98 بالمائة ولها الاسم الرسمي بروتيوم.
يُعرف 2 H باسم الديوتيريوم ويحتوي على إلكترون واحد وبروتون واحد ونيوترون واحد (عدد الكتلة = 2)، ويستخدم الديوتيريوم ومركباته كعناوين غير المشعة في التجارب الكيميائية والمذيبات ل 1 H-NMR الطيفي.
يُعرف 3 H باسم التريتيوم ويحتوي على بروتون واحد و 2 نيوترون وإلكترون واحد (عدد الكتلة = 3)، إنه مشع ويتحلل إلى الهيليوم 3 من خلال تسوس بيتا مع عمر نصف يبلغ 12.32 سنة.
استخدامات الهيدروجين
للهيدروجين تطبيقات متعددة سواء في الصناعة أو في الحفاظ على البيئة منذ عدة سنوات.
في مجال الحفاظ على البيئة يتمثل الاستخدام الرئيسي للهيدروجين في إزالة الكبريت الموجود بشكل طبيعي في الزيت لإنتاج وقود أنظف.
الهيدروجين عبارة عن كاشف يستخدم في العديد من القطاعات الصناعية، بما في ذلك المواد الكيميائية وتصنيع ألياف النسيج والزجاج والإلكترونيات والمعادن.
كما أنه يستخدم كوقود لقاذفات الصواريخ.
يُعد الهيدروجين ناقلًا كبيرًا للطاقة النظيفة جنبًا إلى جنب مع خلية الوقود، لأنه يساعد في إنتاج الكهرباء مباشرة على متن المركبات الكهربائية أو في المناطق النائية التي تم قطعها عن شبكة الطاقة.
استخدام الهيدروجين صناعة الفضاء
منذ بداية صناعة الفضاء كان الهيدروجين له دورًا مهمًا كوقود للصواريخ، وهذا لأنه الوقود الذي يركز على أكبر قدر من الطاقة: 1 كجم من الهيدروجين يحتوي على 3 أضعاف الطاقة من 1 كجم من البنزين، ومازال الهيدروجين السائل والأكسجين السائل مجتمعين يستخدمان لإطلاق الصاروخ الأوروبي آريان 5.
استخدامات الهيدروجين في الطاقة
يستخدم الهيدروجين لإنتاج طاقة نظيفة لمجموعة متنوعة من التطبيقات فهو يلبي الحاجة الفورية ويقدم فائدة حقيقية، فهو يستخدم في إمداد الطاقة للمناطق المعزولة غير المتصلة بشبكة الطاقة والمواقع الحساسة التي تتطلب أنظمة طاقة احتياطية موثوقة والشاحنات الرافعات الشوكية والحافلات ومولدات الطاقة المحمولة المستخدمة للأحداث الخارجية.
الهيدروجين والنقل النظيف
يساعد الهيدروجين المستخدم في خلية الوقود على إنتاج الكهرباء مباشرة على متن مركبة بمحرك كهربائي، وهذه المركبات “عديمة الانبعاثات” تطلق الماء فقط.
ويتطلب إنتاج الهيدروجين طاقة، ولهذا السبب يتم الإشارة إلى الهيدروجين على أنه ناقل للطاقة مثل الكهرباء وليس على أنه طاقة أولية، وتشمل أمثلة الطاقة الأولية النفط والكربون أو الفحم والغاز الطبيعي وبعض مصادر الطاقة المتجددة.
استخدامات الهيدروجين في الصناعة
-يستخدم الهيدروجين على نطاق واسع في العديد من التطبيقات الصناعية لإنتاج مواد مختلفة، فهو غاز شديد التفاعل، ففي الإلكترونيات يستخدم الهيدروجين كغاز ناقل (غاز ينقل الغازات النشطة) لتطبيقات متنوعة مثل تصنيع المكونات الإلكترونية. يوفر حماية ممتازة ضد الشوائب والأكسدة.
-الهيدروجين له استخدامات عديدة في مجال الكيمياء الصناعية، على سبيل المثال يمكن دمجه مع النيتروجين لإنتاج نشادر وهو أساس للأسمدة، كما يعمل الهيدروجين كاشف يدخل في تكوين ألياف النسيج مثل النايلون ورغوة البولي يوريثان وعدد من المواد البلاستيكية
-الهيدروجين ضروري في تصنيع الزجاج المسطح المستخدم للشاشات المسطحة، حيث يستخدم معظم الزجاج المسطح عملية التعويم والتي يشكل فيها الهيدروجين عالي النقاء جوًا وقائيًا.
-يستخدم الهيدروجين في علم المعادن في المعالجة الحرارية التي تمكن من إنتاج أجزاء ميكانيكية (تلبيد الأجزاء المقولبة) أو لتغيير خصائصها (تلدين الأجزاء المعدنية).