الهيدروجين ما هو الغاز. الهيدروجين - ما هذه المادة؟ الخصائص الكيميائية والفيزيائية للهيدروجين

في النظام الدوري ، لها موقعها الخاص الذي يعكس الخصائص التي تعرضها وتتحدث عن هيكلها الإلكتروني. ومع ذلك ، من بين كل ذرة خاصة واحدة تحتل خليتين في وقت واحد. وهي تقع في مجموعتين من العناصر المتعارضة تمامًا في خصائصها الظاهرة. هذا هيدروجين. هذه الميزات تجعلها فريدة من نوعها.

الهيدروجين ليس مجرد عنصر ، ولكنه أيضًا مادة بسيطة ، وكذلك جزء لا يتجزأ من العديد من المركبات المعقدة ، وهو عنصر حيوي وعضوية. لذلك ، فإننا ننظر في خصائصه وخصائصه بمزيد من التفصيل.

الهيدروجين كعنصر كيميائي

الهيدروجين هو عنصر من المجموعة الأولى من المجموعة الفرعية الرئيسية ، وكذلك المجموعة السابعة من المجموعة الفرعية الرئيسية في الفترة الصغيرة الأولى. تتكون هذه الفترة من ذرتين فقط: الهيليوم والعنصر الذي ندرسه. دعونا نصف السمات الرئيسية لموضع الهيدروجين في النظام الدوري.

1. الرقم التسلسلي للهيدروجين هو 1 ، وعدد الإلكترونات هو نفسه ، على التوالي ، وعدد البروتونات هو نفسه. الكتلة الذرية 1.00795. هناك ثلاثة نظائر لهذا العنصر بأعداد كتلتها 1 ، 2 ، 3. ومع ذلك ، تختلف خصائص كل منها اختلافًا كبيرًا ، نظرًا لأن الزيادة في الكتلة حتى بمقدار واحد للهيدروجين تتضاعف على الفور.
2. حقيقة أنه يحتوي على إلكترون واحد فقط على السطح الخارجي يسمح له بإظهار كل من خصائص الأكسدة والاختزال بنجاح. بالإضافة إلى ذلك ، بعد التبرع بالإلكترون ، يظل مدارًا حرًا ، يشارك في تكوين روابط كيميائية وفقًا لآلية المتبرع المتلقي.
3. الهيدروجين عامل اختزال قوي. لذلك ، تعتبر المجموعة الأولى من المجموعة الفرعية الرئيسية هي المكان الرئيسي ، حيث تتصدر المعادن الأكثر نشاطًا - القلويات.
4. ومع ذلك ، عند التفاعل مع عوامل الاختزال القوية ، مثل المعادن ، على سبيل المثال ، يمكن أن يكون أيضًا عامل مؤكسد يقبل الإلكترون. تسمى هذه المركبات الهيدريدات. على هذا الأساس ، فإنه يرأس المجموعة الفرعية للهالوجينات التي تتشابه معها.
5. نظرًا لكتلته الذرية الصغيرة جدًا ، يعتبر الهيدروجين أخف عنصر. بالإضافة إلى ذلك ، فإن كثافته منخفضة جدًا أيضًا ، لذا فهو أيضًا معيار للخفة.

وبالتالي ، من الواضح أن ذرة الهيدروجين فريدة تمامًا ، على عكس جميع العناصر الأخرى. وبالتالي ، فإن خصائصه خاصة أيضًا ، والمواد البسيطة والمعقدة المتكونة مهمة جدًا. دعنا نفكر فيها أكثر.

مادة بسيطة

إذا تحدثنا عن هذا العنصر كجزيء ، فيجب أن نقول إنه ثنائي الذرة. وهذا يعني أن الهيدروجين (مادة بسيطة) غاز. ستُكتب صيغته التجريبية على شكل H 2 ، والصيغة الرسومية - من خلال صيغة واحدة سيجما بوند HH. آلية تكوين الرابطة بين الذرات تساهمية غير قطبية.

1. إعادة تشكيل غاز الميثان بالبخار.
2. تغويز الفحم - تتضمن العملية تسخين الفحم إلى 1000 درجة مئوية ، مما يؤدي إلى تكوين الهيدروجين والفحم عالي الكربون.
3. التحليل الكهربائي. لا يمكن استخدام هذه الطريقة إلا للمحاليل المائية للأملاح المختلفة ، حيث لا تؤدي الذوبان إلى تصريف المياه عند الكاثود.

الطرق المعملية لإنتاج الهيدروجين:

1. التحلل المائي لهيدرات المعادن.
2. تأثير الأحماض المخففة على المعادن النشطة والنشاط المتوسط.
3. تفاعل المعادن الأرضية القلوية والقلوية مع الماء.

لجمع الهيدروجين الناتج ، من الضروري إبقاء أنبوب الاختبار مقلوبًا رأسًا على عقب. بعد كل شيء ، لا يمكن جمع هذا الغاز بنفس طريقة جمع ثاني أكسيد الكربون ، على سبيل المثال. هذا هيدروجين ، أخف بكثير من الهواء. يتطاير بسرعة ، وينفجر عند مزجه مع الهواء بكميات كبيرة. لذلك ، يجب قلب الأنبوب. بعد ملئه ، يجب إغلاقه بسدادة مطاطية.

للتحقق من نقاء الهيدروجين المُجمع ، يجب إحضار عود ثقاب مضاء إلى الرقبة. إذا كان القطن أصمًا وهادئًا ، فإن الغاز يكون نظيفًا ، مع الحد الأدنى من شوائب الهواء. إذا كان مرتفعًا وصفيرًا ، فهو متسخ وبه نسبة كبيرة من المكونات الأجنبية.

مجالات الاستخدام

عندما يتم حرق الهيدروجين ، يتم إطلاق كمية كبيرة من الطاقة (الحرارة) بحيث يعتبر هذا الغاز الوقود الأكثر ربحية. بالإضافة إلى ذلك ، فهي صديقة للبيئة. ومع ذلك ، فإن استخدامه في هذا المجال محدود حاليًا. ويرجع ذلك إلى المشاكل غير المدروسة وغير المحلولة المتعلقة بتركيب الهيدروجين النقي ، والذي سيكون مناسبًا للاستخدام كوقود في المفاعلات والمحركات والأجهزة المحمولة ، فضلاً عن غلايات التدفئة السكنية.

بعد كل شيء ، تعتبر طرق الحصول على هذا الغاز باهظة الثمن ، لذا من الضروري أولاً تطوير طريقة خاصة للتوليف. واحد سيسمح لك باستلام المنتج بتنسيق صوت عاليوبأقل تكلفة.

هناك العديد من المجالات الرئيسية التي يتم فيها استخدام الغاز الذي نفكر فيه.

1. التوليفات الكيميائية. بناءً على الهدرجة ، يتم الحصول على الصابون والسمن والبلاستيك. بمشاركة الهيدروجين ، يتم تصنيع الميثانول والأمونيا ، وكذلك المركبات الأخرى.
2. في صناعة المواد الغذائية - كمادة مضافة E949.
3. صناعة الطيران (بناء الصواريخ ، بناء الطائرات).
4. مجال انتاج الطاقة.
5. علم الارصاد الجوية.
6. وقود من نوع صديق للبيئة.

من الواضح أن الهيدروجين مهم بقدر ما هو وفير في الطبيعة. تلعب المركبات المختلفة التي تشكلها دورًا أكبر.

مركبات الهيدروجين

هذه مواد معقدة تحتوي على ذرات الهيدروجين. هناك عدة أنواع رئيسية من هذه المواد.

1. هاليدات الهيدروجين. الصيغة العامة هي الحلال. أهمية خاصة فيما بينها هو كلوريد الهيدروجين. إنه غاز يذوب في الماء ليشكل محلول حمض الهيدروكلوريك. يستخدم هذا الحمض على نطاق واسع في جميع التركيبات الكيميائية تقريبًا. وكلاهما عضوي وغير عضوي. كلوريد الهيدروجين مركب له الصيغة التجريبية HCL وهو واحد من أكبر المركبات من حيث الإنتاج في بلدنا سنويًا. تشتمل هاليدات الهيدروجين أيضًا على يوديد الهيدروجين وفلوريد الهيدروجين وبروميد الهيدروجين. كل منهم يشكلون الأحماض المقابلة.
2. متطايرة كلها تقريبا غازات سامة جدا. على سبيل المثال ، كبريتيد الهيدروجين والميثان والسيلان والفوسفين وغيرها. ومع ذلك ، فهي شديدة الاشتعال.
3. الهيدريدات مركبات بها معادن. إنهم ينتمون إلى فئة الأملاح.
4. الهيدروكسيدات: القواعد والأحماض والمركبات المتذبذبة. يتضمن تكوينها بالضرورة ذرات الهيدروجين ، واحدة أو أكثر. مثال: هيدروكسيد الصوديوم والبوتاسيوم 2 و H 2 SO 4 وغيرها.
5. هيدروكسيد الهيدروجين. يُعرف هذا المركب باسم الماء. اسم آخر لأكسيد الهيدروجين. تبدو الصيغة التجريبية هكذا - H 2 O.
6. بيروكسيد الهيدروجين. هذا هو أقوى عامل مؤكسد ، صيغته H 2 O 2.
7. مركبات عضوية عديدة: هيدروكربونات ، بروتينات ، دهون ، دهون ، فيتامينات ، هرمونات ، زيوت عطرية وغيرها.

من الواضح أن تنوع مركبات العنصر الذي ندرسه كبير جدًا. هذا يؤكد مرة أخرى أهميته العالية بالنسبة للطبيعة والإنسان ، وكذلك لجميع الكائنات الحية.

هو أفضل مذيب

كما ذكر أعلاه ، فإن الاسم الشائع لهذه المادة هو الماء. يتكون من ذرتين هيدروجين وأكسجين ، مترابطين بواسطة روابط تساهمية قطبية. جزيء الماء هو ثنائي القطب ، وهو ما يفسر العديد من خصائصه. على وجه الخصوص ، حقيقة أنه مذيب عالمي.

تحدث جميع العمليات الكيميائية تقريبًا في البيئة المائية. يتم أيضًا إجراء التفاعلات الداخلية لاستقلاب البلاستيك والطاقة في الكائنات الحية بمساعدة أكسيد الهيدروجين.

يعتبر الماء أهم مادة على هذا الكوكب. من المعروف أنه لا يمكن لأي كائن حي أن يعيش بدونه. على الأرض ، يمكن أن توجد في ثلاث حالات تجميع:

• سائل
• غاز (بخار) ؛
• صلبة (جليد).

اعتمادًا على نظير الهيدروجين الذي يمثل جزءًا من الجزيء ، هناك ثلاثة أنواع من الماء.

1. ضوء أو بروتيوم. نظير عدد كتلته 1. الصيغة هي H 2 O. هذا هو الشكل المعتاد الذي تستخدمه جميع الكائنات الحية.
2. ديوتيريوم أو ثقيل ، صيغته D 2 O. تحتوي على النظير 2 H.
3. ثقيل للغاية أو التريتيوم. تبدو الصيغة مثل T 3 O ، والنظير 3 H.

تعتبر احتياطيات مياه البروتيوم العذبة على هذا الكوكب مهمة للغاية. إنه موجود بالفعل في العديد من البلدان. يتم تطوير طرق لمعالجة المياه المالحة من أجل الحصول على مياه الشرب.

بيروكسيد الهيدروجين علاج عالمي

هذا المركب ، كما ذكر أعلاه ، هو عامل مؤكسد ممتاز. ومع ذلك ، مع وجود ممثلين أقوياء ، يمكن أيضًا أن تتصرف كمخفض. بالإضافة إلى ذلك ، له تأثير مبيد للجراثيم واضح.

اسم آخر لهذا المركب هو بيروكسيد. في هذا الشكل يتم استخدامه في الطب. محلول 3 ٪ من الهيدرات البلورية للمركب المعني هو دواء طبي يستخدم لعلاج الجروح الصغيرة من أجل تطهيرها. ومع ذلك ، فقد ثبت أنه في هذه الحالة ، يزداد التئام الجروح بمرور الوقت.

أيضًا ، يستخدم بيروكسيد الهيدروجين في وقود الصواريخ ، في الصناعة للتطهير والتبييض ، كعامل إرغاء لإنتاج المواد المناسبة (الرغوة ، على سبيل المثال). بالإضافة إلى ذلك ، يساعد البيروكسيد في تنظيف أحواض السمك وتبييض الشعر وتبييض الأسنان. ومع ذلك ، فإنه في نفس الوقت يضر الأنسجة ، لذلك لا ينصح به المتخصصون لهذا الغرض.

هيدروجين

هيدروجين-أ؛ م.عنصر كيميائي (H) ، غاز خفيف عديم اللون والرائحة يتحد مع الأكسجين لتكوين الماء.

◁ الهيدروجين ، عشر ، عشر. اتصالات V. البكتيريا V. القنبلة الخامسة(قنبلة ذات قوة تدميرية هائلة ، يعتمد تأثيرها التفجيري على تفاعل نووي حراري). الهيدروجين ، عشر ، عشر.

هيدروجين

(اللات. Hydrogenium) ، عنصر كيميائي من المجموعة السابعة النظام الدوري. في الطبيعة ، هناك نوعان من النظائر المستقرة (البروتيوم والديوتيريوم) ونظير واحد مشع (التريتيوم). الجزيء ثنائي الذرة (H 2). غاز عديم اللون والرائحة. الكثافة 0.0899 جم / لتر ، ركيب - 252.76 درجة مئوية. يتحد مع العديد من العناصر لتكوين الماء بالأكسجين. العنصر الأكثر شيوعًا في الفضاء ؛ تشكل (على شكل بلازما) أكثر من 70٪ من كتلة الشمس والنجوم ، والجزء الرئيسي من غازات الوسط النجمي والسدم. ذرة الهيدروجين جزء من العديد من الأحماض والقواعد ، ومعظم المركبات العضوية. يتم استخدامها في إنتاج الأمونيا ، وحمض الهيدروكلوريك ، ولهدرجة الدهون ، وما إلى ذلك ، في اللحام وقطع المعادن. واعدة كوقود (انظر. طاقة الهيدروجين).

هيدروجين

HYDROGEN (lat. Hydrogenium) ، عنصر كيميائي برقم ذري 1 ، كتلة ذرية 1.00794. يُقرأ الرمز الكيميائي للهيدروجين ، H ، في بلدنا على أنه "رماد" ، كما تُلفظ هذه الرسالة بالفرنسية.
يتكون الهيدروجين الطبيعي من خليط من نويدات مستقرة (سم.نوكليد)بأعداد كتلة 1.007825 (99.985٪ في الخليط) و 2.0140 (0.015٪). بالإضافة إلى ذلك ، توجد دائمًا كميات ضئيلة من النيوكليد المشع ، التريتيوم ، في الهيدروجين الطبيعي. (سم.تريتيوم) 3 ساعات (نصف عمر T 1/2 12.43 سنة). نظرًا لأن نواة ذرة الهيدروجين تحتوي على بروتون واحد فقط (لا يمكن أن يكون هناك عدد أقل من البروتونات في نواة الذرة) ، يُقال أحيانًا أن الهيدروجين يشكل الحد الأدنى الطبيعي للنظام الدوري لعناصر D. I Mendeleev (على الرغم من أن العنصر يوجد الهيدروجين نفسه في جداول الجزء العلوي). يقع عنصر الهيدروجين في الفترة الأولى من الجدول الدوري. كما أنه ينتمي إلى المجموعة الأولى (المجموعة IA للمعادن القلوية (سم.الفلزات القلوية)) والمجموعة السابعة (مجموعة VIIA للهالوجينات (سم.الهالوجينات)).
تختلف كتل الذرات في نظائر الهيدروجين بشكل كبير (عدة مرات). يؤدي هذا إلى اختلافات ملحوظة في سلوكهم في العمليات الفيزيائية (التقطير ، التحليل الكهربائي ، إلخ) وإلى اختلافات كيميائية معينة (تسمى الاختلافات في سلوك نظائر عنصر واحد تأثيرات النظائر ؛ بالنسبة للهيدروجين ، تكون تأثيرات النظائر هي الأكثر أهمية). لذلك ، على عكس نظائر جميع العناصر الأخرى ، فإن نظائر الهيدروجين لها رموز وأسماء خاصة. يسمى الهيدروجين برقم كتلي 1 هيدروجين خفيف ، أو بروتيوم (لات. بروتيوم ، من البروتوس اليوناني - الأول) ، يُشار إليه بالرمز H ، وتسمى نواته بروتون (سم.بروتون (جسيم أولي))، الرمز ص. يسمى الهيدروجين برقم كتلي 2 الهيدروجين الثقيل ، الديوتيريوم (سم.الديوتيريوم)(اللاتينية Deuterium ، من اليونانية deuteros - الثانية) ، تستخدم الرموز 2 H أو D (تقرأ "de") لتعيينها ، النواة d هي deuteron. النظائر المشعة ذات العدد الكتلي 3 تسمى الهيدروجين الثقيل أو التريتيوم (لات. تريتوم من اليونانية تريتوس - الثالث) ، الرمز 2 H أو T (اقرأ "هؤلاء") ، النواة t هي triton.
تكوين طبقة إلكترون واحدة من ذرة هيدروجين محايدة غير مستثارة 1 س 1 . في المركبات ، يُظهر حالات الأكسدة +1 ، وأقل في كثير من الأحيان ، -1 (التكافؤ I). نصف قطر ذرة الهيدروجين المحايدة هو 0.024 نانومتر. طاقة التأين للذرة هي 13.595 فولت ، وتقارب الإلكترون هو 0.75 فولت. على مقياس بولنج ، الكهربية للهيدروجين هي 2.20. الهيدروجين هو واحد من اللافلزات.
وهو في شكله الحر غاز خفيف وقابل للاشتعال وليس له لون أو رائحة أو طعم.
تاريخ الاكتشاف
لوحظ إطلاق الغاز القابل للاشتعال أثناء تفاعل الأحماض والمعادن في القرنين السادس عشر والسابع عشر في فجر تكوين الكيمياء كعلم. الفيزيائي والكيميائي الإنجليزي الشهير جي كافنديش (سم.كافنديش هنري)في عام 1766 قام بفحص هذا الغاز ووصفه بأنه "هواء قابل للاشتعال". عند الاحتراق ، أعطى "الهواء القابل للاحتراق" الماء ، ولكن تمسك كافنديش بنظرية الفلوجستون (سم.اللاهوب مادة كيميائية)منعه من استخلاص النتائج الصحيحة. الكيميائي الفرنسي أ. لافوازييه (سم.لافوازييه أنطوان لوران)مع المهندس ج. مونييه (سم.مينير جان بابتيست ماري تشارلز)باستخدام مقاييس غاز خاصة ، في عام 1783 تم تركيب الماء ، ثم تحليله لتحليل بخار الماء بالحديد الأحمر الساخن. وهكذا أثبت أن "الهواء القابل للاحتراق" هو ​​جزء من الماء ويمكن الحصول عليه منه. في عام 1787 ، توصل لافوازييه إلى استنتاج مفاده أن "الهواء القابل للاحتراق" مادة بسيطة ، وبالتالي فهو من بين العناصر الكيميائية. أطلق عليها اسم هيدروجين (من الكلمة اليونانية hydor - ماء و gennao - تلد) - "تلد الماء". وضع إنشاء تركيبة الماء نهاية لـ "نظرية فلوجستون". الاسم الروسي "الهيدروجين" اقترحه الكيميائي M.F. Solovyov (سم.سولوفيف ميخائيل فيدوروفيتش)في عام 1824. في مطلع القرنين الثامن عشر والتاسع عشر ، وجد أن ذرة الهيدروجين خفيفة جدًا (مقارنة بذرات العناصر الأخرى) ، وتم أخذ وزن (كتلة) ذرة الهيدروجين كوحدة للمقارنة الكتل الذرية للعناصر. تم تخصيص كتلة ذرة الهيدروجين بقيمة تساوي 1.
التواجد في الطبيعة
يمثل الهيدروجين حوالي 1٪ من كتلة القشرة الأرضية (المرتبة العاشرة بين جميع العناصر). من الناحية العملية ، لا يوجد الهيدروجين أبدًا في شكله الحر على كوكبنا (توجد آثاره في الغلاف الجوي العلوي) ، ولكنه يتوزع في كل مكان تقريبًا على الأرض في تكوين الماء. عنصر الهيدروجين هو جزء من المركبات العضوية وغير العضوية للكائنات الحية والغاز الطبيعي والنفط والفحم. إنه موجود ، بالطبع ، في تكوين الماء (حوالي 11٪ من الوزن) ، في العديد من الهيدرات والمعادن البلورية الطبيعية ، والتي تحتوي على مجموعة هيدروكسو هيدروكسو واحدة أو أكثر.
يهيمن الهيدروجين كعنصر على الكون. تمثل حوالي نصف كتلة الشمس والنجوم الأخرى ، وهي موجودة في الغلاف الجوي لعدد من الكواكب.
إيصال
يمكن الحصول على الهيدروجين بعدة طرق. في الصناعة ، يتم استخدام الغازات الطبيعية لهذا الغرض ، بالإضافة إلى الغازات التي يتم الحصول عليها أثناء تكرير النفط وتكويك وتغويز الفحم وأنواع الوقود الأخرى. في إنتاج الهيدروجين من الغاز الطبيعي (المكون الرئيسي هو الميثان) ، يتم إجراء تفاعله التحفيزي مع بخار الماء والأكسدة غير الكاملة مع الأكسجين:
CH 4 + H 2 O \ u003d CO + 3H 2 و CH 4 + 1/2 O 2 \ u003d CO 2 + 2H 2
يعتمد فصل الهيدروجين عن غازات أفران الكوك وغازات التكرير على تسييلها أثناء التبريد العميق والإزالة من خليط الغازات التي يسهل تسييلها أكثر من الهيدروجين. في وجود الكهرباء الرخيصة ، يتم الحصول على الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي للماء ، ويمر التيار عبر المحاليل القلوية. في ظل الظروف المعملية ، يمكن الحصول على الهيدروجين بسهولة من خلال تفاعل المعادن مع الأحماض ، على سبيل المثال ، الزنك مع حمض الهيدروكلوريك.
المادية و الخواص الكيميائية
في ظل الظروف العادية ، يعتبر الهيدروجين غازًا خفيفًا (كثافة تحت الظروف العادية 0.0899 كجم / م 3) غاز عديم اللون. نقطة الانصهار -259.15 درجة مئوية ، نقطة الغليان -252.7 درجة مئوية. تبلغ كثافة الهيدروجين السائل (عند نقطة الغليان) 70.8 كجم / م 3 وهو أخف سائل. يُؤخذ جهد القطب القياسي H 2 / H - في محلول مائي يساوي 0. الهيدروجين قابل للذوبان بشكل سيئ في الماء: عند درجة حرارة 0 درجة مئوية ، تكون قابلية الذوبان أقل من 0.02 سم 3 / مل ، ولكنها عالية الذوبان في بعض المعادن (الحديد الإسفنجي وغيره) ، جيد بشكل خاص - في البلاديوم المعدني (حوالي 850 مجلداً من الهيدروجين في حجم واحد من المعدن). حرارة احتراق الهيدروجين 143.06 ميجا جول / كجم.
يوجد في شكل جزيئات ثنائي الذرة H 2. ثابت تفكك H 2 في الذرات عند 300 كلفن هو 2.56 10 -34. تبلغ طاقة تفكك جزيء H 2 في الذرات 436 كيلو جول / مول. المسافة بين النوى في جزيء H 2 هي 0.07414 نانومتر.
نظرًا لأن نواة كل ذرة H ، والتي تعد جزءًا من الجزيء ، لها دورانها الخاص (سم.غزل)، ثم يمكن أن يكون الهيدروجين الجزيئي في شكلين: في شكل orthohydrogen (o-H 2) (كلاهما لهما نفس الاتجاه) وفي شكل باراهيدروجين (p-H 2) (تدور لها اتجاهات مختلفة). في ظل الظروف العادية ، يكون الهيدروجين العادي خليطًا من 75٪ o-H 2 و 25٪ p-H 2. تختلف الخصائص الفيزيائية لـ p- و o-H 2 قليلاً عن بعضها البعض. وهكذا ، إذا كانت نقطة الغليان نقي o-n 2 20.45 K ، ثم p-H 2 - 20.26 K. ويرافق تحول o-H 2 إلى p-H 2 إطلاق 1418 J / mol من الحرارة.
لقد قيل مرارًا وتكرارًا في الأدبيات العلمية أن ضغوط عالية(أعلى من 10 جيجا باسكال) وفي درجات حرارة منخفضة (حوالي 10 كلفن وما دون) ، يمكن للهيدروجين الصلب ، الذي يتبلور عادة في شبكة سداسية الشكل الجزيئي ، أن يتحول إلى مادة ذات خصائص معدنية ، وربما حتى موصل فائق. ومع ذلك ، لا توجد حتى الآن بيانات لا لبس فيها حول إمكانية مثل هذا التحول.
قوة عالية رابطة كيميائيةبين الذرات في جزيء H 2 (والذي ، على سبيل المثال ، باستخدام طريقة المدارات الجزيئية ، يمكن تفسيره من خلال حقيقة أن زوج الإلكترون في هذا الجزيء يقع في مدار الترابط ، وأن المدار المتراخي لا يتم ملؤه بالإلكترونات) يؤدي إلى حقيقة أنه في درجة حرارة الغرفة ، يكون الهيدروجين الغازي غير نشط كيميائيًا. لذلك ، بدون تسخين ، بخلط بسيط ، يتفاعل الهيدروجين (مع انفجار) فقط مع الفلور الغازي:
H 2 + F 2 \ u003d 2HF + Q.
إذا تم تعريض خليط من الهيدروجين والكلور في درجة حرارة الغرفة للإشعاع بالأشعة فوق البنفسجية ، فسيتم ملاحظة تكوين فوري لكلوريد الهيدروجين حمض الهيدروكلوريك. يحدث تفاعل الهيدروجين مع الأكسجين بانفجار إذا تم إدخال محفز ، بالاديوم معدني (أو بلاتينيوم) في خليط هذه الغازات. عند الاشتعال ، خليط من الهيدروجين والأكسجين (ما يسمى بالغاز المتفجر (سم.الغازات المتفجرة)) ، ويمكن أن يحدث انفجار في الخلائط التي يتراوح فيها محتوى الهيدروجين من 5 إلى 95 في المائة. يحترق الهيدروجين النقي في الهواء أو في الأكسجين النقي بهدوء مع إطلاق كمية كبيرة من الحرارة:
H 2 + 1 / 2O 2 \ u003d H 2 O + 285.75 kJ / mol
إذا تفاعل الهيدروجين مع غير الفلزات والمعادن الأخرى ، فعندئذ فقط في ظل ظروف معينة (التسخين ، الضغط العالي ، وجود محفز). وهكذا ، يتفاعل الهيدروجين بشكل عكسي مع النيتروجين عند ضغط دم مرتفع(20-30 ميجا باسكال فأكثر) وعند درجة حرارة 300-400 درجة مئوية في وجود عامل مساعد - حديد:
3H 2 + N 2 = 2NH 3 + Q.
أيضًا ، فقط عند تسخينه ، يتفاعل الهيدروجين مع الكبريت لتكوين كبريتيد الهيدروجين H 2S ، مع البروم - لتكوين بروميد الهيدروجين HBr ، مع اليود - لتكوين يوديد الهيدروجين HI. يتفاعل الهيدروجين مع الفحم (الجرافيت) لتكوين خليط من الهيدروكربونات من تراكيب مختلفة. لا يتفاعل الهيدروجين بشكل مباشر مع البورون والسيليكون والفوسفور ؛ حيث يتم الحصول على مركبات هذه العناصر مع الهيدروجين بشكل غير مباشر.
عند تسخينه ، يكون الهيدروجين قادرًا على التفاعل مع الفلزات القلوية والأرضية القلوية والمغنيسيوم لتكوين مركبات ذات طبيعة رابطة أيونية ، والتي تحتوي على الهيدروجين في حالة الأكسدة -1. لذلك ، عندما يتم تسخين الكالسيوم في جو من الهيدروجين ، يتشكل هيدريد يشبه الملح من تكوين CaH 2. يتم الحصول على هيدريد الألومنيوم البوليمرى (AlH 3) x - أحد أقوى عوامل الاختزال - بشكل غير مباشر (على سبيل المثال ، باستخدام مركبات الألمنيوم العضوية). مع العديد من المعادن الانتقالية (على سبيل المثال ، الزركونيوم ، الهافنيوم ، إلخ) ، يشكل الهيدروجين مركبات ذات تركيبة متغيرة (محاليل صلبة).
الهيدروجين قادر على التفاعل ليس فقط مع العديد من المواد البسيطة ، ولكن أيضًا مع المواد المعقدة. بادئ ذي بدء ، تجدر الإشارة إلى قدرة الهيدروجين على تقليل العديد من المعادن من أكاسيدها (مثل الحديد والنيكل والرصاص والتنغستن والنحاس وما إلى ذلك). لذلك ، عند تسخينه إلى درجة حرارة 400-450 درجة مئوية وما فوق ، يتم تقليل الحديد بواسطة الهيدروجين من أي من أكاسيده ، على سبيل المثال:
Fe 2 O 3 + 3H 2 \ u003d 2Fe + 3H 2 O.
وتجدر الإشارة إلى أنه لا يمكن اختزال أكاسيد الهيدروجين من أكاسيد الهيدروجين إلا المعادن الموجودة في سلسلة الكمون المعيارية التي تتجاوز المنغنيز. لا يتم اختزال المعادن الأكثر نشاطًا (بما في ذلك المنغنيز) إلى معدن من أكاسيد.
الهيدروجين قادر على الإضافة إلى رابطة مزدوجة أو ثلاثية للعديد من المركبات العضوية (هذه هي ما يسمى بتفاعلات الهدرجة). على سبيل المثال ، في وجود محفز نيكل ، يمكن إجراء هدرجة الإيثيلين C 2 H 4 ، ويتم تكوين الإيثان C 2 H 6:
C 2 H 4 + H 2 \ u003d C 2 H 6.
ينتج تفاعل أول أكسيد الكربون (II) والهيدروجين في الصناعة الميثانول:
2H 2 + CO \ u003d CH 3 OH.
في المركبات التي ترتبط فيها ذرة الهيدروجين بذرة عنصر أكثر كهرسلبية E (E \ u003d F ، Cl ، O ، N) ، تتشكل الروابط الهيدروجينية بين الجزيئات (سم.الهيدروجين بوند)(ذرتان E من نفس العناصر أو عنصرين مختلفين مترابطتين من خلال ذرة H: E "... N ... E" "، وتقع جميع الذرات الثلاث على نفس الخط المستقيم). توجد هذه الروابط بين الجزيئات من الماء والأمونيا والميثانول وما إلى ذلك ، ويؤدي إلى زيادة ملحوظة في نقاط غليان هذه المواد ، وزيادة حرارة التبخر ، وما إلى ذلك.
طلب
يستخدم الهيدروجين في تخليق الأمونيا NH 3 ، كلوريد الهيدروجين HCl ، الميثانول CH 3 OH ، في التكسير الهيدروجيني (التكسير في جو هيدروجين) للهيدروكربونات الطبيعية ، كعامل مختزل في إنتاج بعض المعادن. الهدرجة (سم.الترطيب)الزيوت النباتية الطبيعية تحصل على دهون صلبة - السمن النباتي. يستخدم الهيدروجين السائل كوقود صاروخي وأيضًا كمبرد. يستخدم خليط من الأكسجين والهيدروجين في اللحام.
في وقت من الأوقات ، تم اقتراح أنه في المستقبل القريب ، سيصبح تفاعل احتراق الهيدروجين المصدر الرئيسي لإنتاج الطاقة ، وستحل طاقة الهيدروجين محل المصادر التقليدية لإنتاج الطاقة (الفحم والنفط ، إلخ). في الوقت نفسه ، كان من المفترض أنه من أجل إنتاج الهيدروجين على نطاق واسع ، سيكون من الممكن استخدام التحليل الكهربائي للماء. يعتبر التحليل الكهربائي للماء عملية كثيفة الاستخدام للطاقة ، ومن غير المربح حاليًا الحصول على الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي على نطاق صناعي. لكن كان من المتوقع أن يعتمد التحليل الكهربائي على استخدام حرارة متوسطة الحرارة (500-600 درجة مئوية) ، والتي تحدث بكميات كبيرة أثناء تشغيل محطات الطاقة النووية. هذه الحرارة ذات استخدام محدود ، وإمكانية الحصول على الهيدروجين بمساعدتها ستحل كل من مشكلة البيئة (عندما يتم حرق الهيدروجين في الهواء ، تكون كمية المواد الضارة بيئيًا في حدها الأدنى) ومشكلة استخدام درجة حرارة متوسطة الحرارة. ومع ذلك ، بعد كارثة تشيرنوبيل ، والتنمية الطاقة النوويةيتخثر في كل مكان ، بحيث يصبح مصدر الطاقة المحدد غير متوفر. لذلك ، لا تزال آفاق الاستخدام الواسع النطاق للهيدروجين كمصدر للطاقة تتغير على الأقل حتى منتصف القرن الحادي والعشرين.
ميزات الدورة الدموية
الهيدروجين ليس سامًا ، ولكن عند التعامل معه ، يجب على المرء أن يأخذ في الاعتبار باستمرار ارتفاع مخاطر الحريق والانفجار ، ويزداد خطر انفجار الهيدروجين بسبب القدرة العالية للغاز على الانتشار حتى من خلال بعض المواد الصلبة. قبل البدء في أي عمليات تسخين في جو من الهيدروجين ، يجب التأكد من أنه نظيف (عند إشعال الهيدروجين في أنبوب اختبار مقلوب رأسًا على عقب ، يجب أن يكون الصوت باهتًا وليس نباحًا).
الدور البيولوجي
يتم تحديد الأهمية البيولوجية للهيدروجين من خلال حقيقة أنه جزء من جزيئات الماء وجميع المجموعات الأكثر أهمية من المركبات الطبيعية ، بما في ذلك البروتينات ، احماض نوويةوالدهون والكربوهيدرات. ما يقرب من 10 ٪ من كتلة الكائنات الحية هي الهيدروجين. تلعب قدرة الهيدروجين على تكوين رابطة هيدروجينية دورًا مهمًا في الحفاظ على البنية الرباعية المكانية للبروتينات ، وكذلك في تنفيذ مبدأ التكامل. (سم.مكمل)في بناء ووظائف الأحماض النووية (أي تخزين وتنفيذ المعلومات الوراثية) ، بشكل عام ، في تنفيذ "التعرف" على المستوى الجزيئي. يشارك الهيدروجين (H + ion) في أهم العمليات والتفاعلات الديناميكية في الجسم - في الأكسدة البيولوجية ، التي تزود الخلايا الحية بالطاقة ، في التمثيل الضوئي للنبات ، في تفاعلات التركيب الحيوي ، في تثبيت النيتروجين والتركيب الضوئي البكتيري ، في الحفاظ على الحمض- التوازن الأساسي والتوازن (سم.الاستتباب)، في عمليات النقل الغشائي. وهكذا ، إلى جانب الأكسجين والكربون ، يشكل الهيدروجين الأساس البنيوي والوظيفي لظاهرة الحياة.

قاموس موسوعي. 2009 .

المرادفات:

شاهد ما هو "الهيدروجين" في القواميس الأخرى:

جدول النويدات معلومات عامةالاسم والرمز الهيدروجين 4 ، 4H النيوترونات 3 البروتونات 1 خصائص النوكليد الكتلة الذرية 4.027810 (110) ... ويكيبيديا

جدول النويدات معلومات عامة الاسم ، الرمز الهيدروجين 5 ، 5H نيوترونات 4 البروتونات 1 خصائص النوكليد الكتلة الذرية 5.035310 (110) ... ويكيبيديا

جدول النويدات معلومات عامة الاسم ، الرمز الهيدروجين 6 ، 6H النيوترونات 5 البروتونات 1 خصائص النوكليد الكتلة الذرية 6.044940 (280) ... ويكيبيديا

جدول النويدات معلومات عامة الاسم ، الرمز الهيدروجين 7 ، 7H النيوترونات 6 البروتونات 1 خصائص النوكليد الكتلة الذرية 7.052750 (1080) ... ويكيبيديا

تم اكتشاف الهيدروجين (Hydrogenium) في النصف الأول من القرن السادس عشر من قبل الطبيب الألماني وعالم الطبيعة باراسيلسوس. في عام 1776 ، أسس جي كافنديش (إنجلترا) خصائصه وأشار إلى الاختلافات عن الغازات الأخرى. كان لافوازييه أول من حصل على الهيدروجين من الماء وأثبت أن الماء هو مزيج كيميائي من الهيدروجين والأكسجين (1783).

يحتوي الهيدروجين على ثلاثة نظائر: البروتيوم والديوتيريوم أو D والتريتيوم أو T. وأعداد كتلتها هي 1 و 2 و 3. البروتيوم والديوتيريوم مستقران ، والتريتيوم مشع (نصف عمر 12.5 سنة). في المركبات الطبيعية ، يتم احتواء الديوتيريوم والبروتيوم في المتوسط ​​بنسبة 1: 6800 (وفقًا لعدد الذرات). تم العثور على التريتيوم في الطبيعة بكميات ضئيلة.

تحتوي نواة ذرة الهيدروجين على بروتون واحد. تشتمل نواة الديوتيريوم والتريتيوم ، بالإضافة إلى البروتون ، على نيوترون واحد واثنين على التوالي.

يتكون جزيء الهيدروجين من ذرتين. فيما يلي بعض الخصائص التي تميز جزيء وذرة الهيدروجين:

طاقة التأين الذري ، eV 13.60

ألفة ذرة للإلكترون ، eV 0.75

النسبية الكهربية 2.1

نصف قطر الذرة ، نانومتر 0.046

المسافة بين النواة في جزيء ، نانومتر 0.0741

الإيثالبي القياسي لتفكك الجزيئات عند 436.1

115. الهيدروجين في الطبيعة. الحصول على الهيدروجين.

يوجد الهيدروجين في الحالة الحرة على الأرض بكميات صغيرة فقط. في بعض الأحيان يتم إطلاقه مع الغازات الأخرى أثناء الانفجارات البركانية ، وكذلك من الآبار أثناء استخراج النفط. ولكن في شكل مركبات ، يكون الهيدروجين شائعًا جدًا. يمكن ملاحظة ذلك بالفعل من حقيقة أنها تشكل تاسع كتلة الماء. الهيدروجين مكون لجميع الكائنات الحية النباتية والحيوانية والنفط والفحم الصلب والبني والغازات الطبيعية وعدد من المعادن. تمثل حصة الهيدروجين من الكتلة الكاملة لقشرة الأرض ، بما في ذلك الماء والهواء ، حوالي 1 ٪. ومع ذلك ، عند إعادة الحساب كنسبة مئوية من إجمالي عدد الذرات ، يكون محتوى الهيدروجين في قشرة الأرض 17٪.

الهيدروجين هو العنصر الأكثر وفرة في الفضاء. يمثل حوالي نصف كتلة الشمس ومعظم النجوم الأخرى. إنه موجود في السدم الغازية ، في الغاز بين النجوم ، وهو جزء من النجوم. في داخل النجوم ، يتم تحويل نوى ذرات الهيدروجين إلى نوى ذرات الهيليوم. تستمر هذه العملية مع إطلاق الطاقة ؛ بالنسبة للعديد من النجوم ، بما في ذلك الشمس ، فهي بمثابة المصدر الرئيسي للطاقة. معدل العملية ، أي عدد نوى الهيدروجين التي تتحول إلى نوى هيليوم في متر مكعب واحد في ثانية واحدة ، صغير. لذلك ، فإن كمية الطاقة المنبعثة لكل وحدة زمنية لكل وحدة حجم صغيرة. ومع ذلك ، نظرًا للكتلة الهائلة للشمس ، فإن المقدار الإجمالي للطاقة المولدة والمنبعثة من الشمس كبير جدًا. إنه يتوافق مع انخفاض كتلة الشمس بحوالي ثانية.

في الصناعة ، يتم إنتاج الهيدروجين بشكل أساسي من الغاز الطبيعي. يتم خلط هذا الغاز ، الذي يتكون أساسًا من الميثان ، مع بخار الماء والأكسجين. عندما يتم تسخين خليط من الغازات في وجود محفز ، يحدث تفاعل يمكن تمثيله بشكل تخطيطي بالمعادلة:

يتم فصل خليط الغازات الناتج. يتم تنقية الهيدروجين وإما استخدامه في الموقع أو نقله في أسطوانات فولاذية مضغوطة.

طريقة صناعية مهمة لإنتاج الهيدروجين هي أيضًا عزله عن غاز أفران الكوك أو من غازات تكرير البترول. يتم تنفيذه عن طريق التبريد العميق ، حيث يتم تسييل جميع الغازات ، باستثناء الهيدروجين.

في المختبرات ، يتم إنتاج الهيدروجين في الغالب عن طريق التحليل الكهربائي للمحاليل المائية. يتم اختيار تركيز هذه المحاليل لتتناسب مع أقصى قدر من التوصيل الكهربائي. تصنع الأقطاب الكهربائية عادة من صفائح النيكل. لا يتآكل هذا المعدن في المحاليل القلوية ، حتى لو كان الأنود. إذا لزم الأمر ، يتم تنقية الهيدروجين الناتج من بخار الماء وآثار الأكسجين. من بين الطرق المختبرية الأخرى ، فإن الطريقة الأكثر شيوعًا هي استخراج الهيدروجين من محاليل أحماض الكبريتيك أو الهيدروكلوريك بفعل الزنك عليها. عادة ما يتم إجراء التفاعل في جهاز Kipp (الشكل 105).

تعريف

هيدروجينهو العنصر الأول في الجدول الدوري. التسمية - H من اللاتينية "hydrogenium". تقع المجموعة الأولى في الفترة الأولى. يشير إلى اللافلزات. الشحنة النووية هي 1.

يعتبر الهيدروجين أحد العناصر الكيميائية الأكثر شيوعًا - حيث تبلغ حصته حوالي 1٪ من كتلة جميع الأصداف الثلاثة لقشرة الأرض (الغلاف الجوي والغلاف المائي والغلاف الصخري) ، والتي عند تحويلها إلى نسب ذرية تعطي رقمًا 17.0.

المقدار الرئيسي لهذا العنصر في حالة منضم. وهكذا ، يحتوي الماء على حوالي 11 بالوزن. ٪ ، طين - حوالي 1.5 ٪ ، إلخ. في شكل مركبات مع الكربون ، والهيدروجين هو جزء من النفط والغازات الطبيعية القابلة للاحتراق وجميع الكائنات الحية.

الهيدروجين غاز عديم اللون والرائحة (الشكل 1 هو رسم تخطيطي لهيكل الذرة). نقاط انصهارها وغليانها منخفضة جدًا (-259 درجة مئوية و -253 درجة مئوية ، على التوالي). عند درجة حرارة (-240 درجة مئوية) وتحت ضغط ، يكون الهيدروجين قادرًا على التسييل ، ومع التبخر السريع للسائل الناتج ، يتحول إلى الحالة الصلبة(بلورات شفافة). قابل للذوبان بشكل طفيف في الماء - 2: 100 من حيث الحجم. يتميز الهيدروجين بقابلية الذوبان في بعض المعادن ، على سبيل المثال ، في الحديد.

أرز. 1. هيكل ذرة الهيدروجين.

الوزن الذري والجزيئي للهيدروجين

تعريف

الكتلة الذرية النسبيةالعنصر هو نسبة كتلة ذرة عنصر ما إلى 1/12 من كتلة ذرة كربون.

الكتلة الذرية النسبية عديمة الأبعاد ويُشار إليها بالحرف A r (الرمز "r" هو الحرف الأول كلمة انجليزيةنسبي ، والذي يعني في الترجمة "نسبي"). الكتلة الذرية النسبية للهيدروجين الذري هي 1.008 amu.

يتم التعبير عن كتل الجزيئات ، مثل كتل الذرات ، بوحدات الكتلة الذرية.

تعريف

الوزن الجزيئي الغراميالمادة تسمى كتلة الجزيء ، معبراً عنها بوحدات الكتلة الذرية. الوزن الجزيئي النسبيالمواد تسمى نسبة كتلة جزيء مادة معينة إلى 1/12 من كتلة ذرة كربون ، كتلتها 12 صباحًا ش.

من المعروف أن جزيء الهيدروجين ثنائي الذرة - H 2. سيكون الوزن الجزيئي النسبي لجزيء الهيدروجين مساويًا لـ:

M r (H 2) = 1.008 × 2 = 2.016.

نظائر الهيدروجين

يحتوي الهيدروجين على ثلاثة نظائر: البروتيوم 1 H ، والديوتيريوم 2 H أو D ، والتريتيوم 3 H أو T. وأعداد كتلتها هي 1 و 2 و 3. البروتيوم والديوتيريوم مستقران ، والتريتيوم مشع (نصف عمر 12.5 سنة). في المركبات الطبيعية ، يتم احتواء الديوتيريوم والبروتيوم في المتوسط ​​بنسبة 1: 6800 (وفقًا لعدد الذرات). تم العثور على التريتيوم في الطبيعة بكميات ضئيلة.

تحتوي نواة ذرة الهيدروجين 1 ساعة على بروتون واحد. تشتمل نوى الديوتيريوم والتريتيوم ، بالإضافة إلى البروتون ، على واحد واثنين من النيوترونات.

أيونات الهيدروجين

يمكن لذرة الهيدروجين إما التبرع بإلكترون واحد لتكوين أيون موجب (وهو بروتون "مكشوف") أو الحصول على إلكترون واحد ، يتحول إلى أيون سالب ، له تكوين إلكتروني هيليوم.

يتطلب الفصل الكامل للإلكترون من ذرة الهيدروجين إنفاق طاقة تأين كبيرة جدًا:

H + 315 كيلو كالوري = H + + e.

نتيجة لذلك ، في تفاعل الهيدروجين مع الفلزات ، لا تنشأ الروابط الأيونية ، ولكن الروابط القطبية فقط هي التي تنشأ.

يتميز ميل الذرة المحايدة لإرفاق فائض من الإلكترون بقيمة تقاربها الإلكتروني. في الهيدروجين ، يتم التعبير عنه بشكل ضعيف إلى حد ما (ومع ذلك ، هذا لا يعني أن مثل هذا أيون الهيدروجين لا يمكن أن يوجد):

H + e \ u003d H - + 19 كيلو كالوري.

جزيء وذرة الهيدروجين

يتكون جزيء الهيدروجين من ذرتين - H 2. فيما يلي بعض الخصائص التي تميز جزيء وذرة الهيدروجين:

أمثلة على حل المشكلات

مثال 1

ممارسه الرياضه	إثبات وجود هيدريد الصيغة العامة EN x تحتوي على 12.5٪ هيدروجين.
المحلول	احسب كتلة الهيدروجين والعنصر المجهول ، بحساب كتلة العينة على أنها 100 جم: م (ح) = م (إن س) × ث (ح) ؛ م (ح) = 100 × 0.125 = 12.5 جم. م (E) \ u003d م (EN ×) - م (ح) ؛ م (E) = 100 - 12.5 = 87.5 جم. لنجد كمية مادة الهيدروجين وعنصر غير معروف ، مع الإشارة إلى الكتلة المولية لهذا الأخير على أنها "x" (الكتلة المولية للهيدروجين هي 1 جم / مول):

الهيدروجين عنصر كيميائي برمز H والرقم الذري 1. بوزن ذري قياسي يبلغ حوالي 1.008 ، الهيدروجين هو أخف عنصر في الجدول الدوري. شكله أحادي الذرة (H) هو أكثر المواد الكيميائية وفرة في الكون ، حيث يمثل حوالي 75٪ من الكتلة الكلية للباريون. تتكون النجوم في الغالب من الهيدروجين في حالة البلازما. أكثر نظائر الهيدروجين شيوعًا ، المسمى بالبروتيوم (نادرًا ما يستخدم هذا الاسم ، الرمز 1H) ، يحتوي على بروتون واحد ولا يحتوي على نيوترونات. حدث الظهور الواسع للهيدروجين الذري لأول مرة في عصر إعادة التركيب. في درجات الحرارة والضغوط القياسية ، يكون الهيدروجين غازًا ثنائي الذرة عديم اللون والرائحة والمذاق وغير سام وغير معدني وقابل للاشتعال مع الصيغة الجزيئية H2. لأن الهيدروجين يشكل بسهولة روابط تساهمية مع معظم العناصر غير المعدنية ، فإن معظم الهيدروجين الموجود على الأرض موجود في أشكال جزيئية مثل الماء أو المركبات العضوية. يلعب الهيدروجين دورًا مهمًا بشكل خاص في التفاعلات الحمضية القاعدية لأن معظم التفاعلات القائمة على الحمض تتضمن تبادل البروتونات بين الجزيئات القابلة للذوبان. في المركبات الأيونية ، يمكن أن يتخذ الهيدروجين شكل شحنة سالبة (أي أنيون) ويُعرف باسم هيدريد ، أو كأنواع موجبة الشحنة (أي الكاتيون) ، يُشار إليها بالرمز H +. يوصف كاتيون الهيدروجين بأنه مكون من بروتون بسيط ، لكن الكاتيونات الهيدروجينية الفعلية في المركبات الأيونية تكون دائمًا أكثر تعقيدًا. باعتباره الذرة المحايدة الوحيدة التي يمكن من خلالها حل معادلة شرودنغر تحليليًا ، فقد لعب الهيدروجين (أي دراسة الطاقة وربط ذراتها) دورًا رئيسيًا في تطوير ميكانيكا الكم. تم إنتاج غاز الهيدروجين لأول مرة بشكل مصطنع في أوائل القرن السادس عشر عن طريق تفاعل الأحماض مع المعادن. في 1766-1781. كان هنري كافنديش أول من أدرك أن غاز الهيدروجين مادة منفصلة ، وأنه ينتج الماء عند الاحتراق ، ومن هنا جاء اسمه: الهيدروجين في اليونانية يعني "منتج الماء". يرتبط الإنتاج الصناعي للهيدروجين بشكل أساسي بالتحويل البخاري للغاز الطبيعي ، وبشكل أقل شيوعًا ، مع طرق أكثر كثافة في استخدام الطاقة مثل التحليل الكهربائي للماء. يتم استخدام معظم الهيدروجين بالقرب من مكان إنتاجه ، مع استخدامين أكثر شيوعًا وهما معالجة الوقود الأحفوري (مثل التكسير الهيدروجيني) وإنتاج الأمونيا ، بشكل أساسي لسوق الأسمدة. يعتبر الهيدروجين مصدر قلق في علم المعادن لأنه يمكن أن يكسر العديد من المعادن ، مما يجعل من الصعب تصميم خطوط الأنابيب وخزانات التخزين.

الخصائص

الإحتراق

غاز الهيدروجين (ثنائي الهيدروجين أو الهيدروجين الجزيئي) هو غاز قابل للاشتعال يحترق في الهواء على مدى واسع جدًا من التركيزات من 4٪ إلى 75٪ من حيث الحجم. المحتوى الحراري للاحتراق هو 286 كيلو جول / مول:

2 H2 (g) + O2 (g) → 2 H2O (l) + 572 kJ (286 kJ / mol)

يشكل غاز الهيدروجين خلائط متفجرة مع الهواء بتركيزات من 4-74٪ ومع الكلور بتركيزات تصل إلى 5.95٪. يمكن أن تحدث التفاعلات المتفجرة بسبب الشرر أو الحرارة أو ضوء الشمس. درجة حرارة الاشتعال الذاتي للهيدروجين ، درجة حرارة الاشتعال التلقائي في الهواء ، هي 500 درجة مئوية (932 درجة فهرنهايت). تنبعث لهب الهيدروجين والأكسجين النقي أشعة فوق بنفسجية ومع وجود مزيج عالي من الأكسجين يكون غير مرئي تقريبًا للعين المجردة ، كما يتضح من العمود الخافت للمحرك الرئيسي لمكوك الفضاء مقارنة بالعمود المرئي للغاية لمكوك الفضاء الداعم الصاروخي الصلب ، والذي يستخدم مركب فوق كلورات الأمونيوم. قد تكون هناك حاجة إلى كاشف اللهب لاكتشاف تسرب الهيدروجين المحترق ؛ يمكن أن تكون هذه التسريبات خطيرة للغاية. لهب الهيدروجين في ظل الظروف الأخرى أزرق ، ويشبه اللهب الأزرق للغاز الطبيعي. غرق المنطاد "هيندنبورغ" هو مثال سيء السمعة على حرق الهيدروجين ، ولا تزال القضية قيد المناقشة. نتج اللهب البرتقالي المرئي في هذا الحادث عن التعرض لمزيج من الهيدروجين والأكسجين مع مركبات الكربون من جلد المنطاد. يتفاعل H2 مع كل عنصر مؤكسد. يمكن أن يتفاعل الهيدروجين تلقائيًا في درجة حرارة الغرفة مع الكلور والفلور لتكوين هاليدات الهيدروجين المقابلة وكلوريد الهيدروجين وفلوريد الهيدروجين ، والتي تعتبر أيضًا أحماض خطرة محتملة.

مستويات طاقة الإلكترون

مستوى طاقة الحالة الأرضية للإلكترون في ذرة الهيدروجين هو 13.6 فولت ، وهو ما يعادل فوتونًا فوق بنفسجي بطول موجي يبلغ حوالي 91 نانومتر. يمكن حساب مستويات طاقة الهيدروجين بدقة تامة باستخدام نموذج بوهر للذرة ، والذي يصور الإلكترون على أنه بروتون "مداري" ، على غرار مدار الأرض للشمس. ومع ذلك ، فإن الإلكترون الذري والبروتون متماسكان معًا بواسطة القوة الكهرومغناطيسية ، بينما الكواكب والأجرام السماوية متماسكة معًا بواسطة الجاذبية. بسبب تقدير الزخم الزاوي المفترض في وقت مبكر ميكانيكا الكمبوهر ، الإلكترون في نموذج بوهر يمكنه فقط أن يشغل مسافات معينة مسموح بها من البروتون ، وبالتالي بعض الطاقات المسموح بها فقط. يأتي الوصف الأكثر دقة لذرة الهيدروجين من معالجة ميكانيكية كمومية بحتة تستخدم معادلة شرودنجر ، أو معادلة ديراك ، أو حتى دائرة فاينمان المتكاملة لحساب توزيع الكثافة الاحتمالية للإلكترون حول البروتون. تسمح لك طرق المعالجة الأكثر تعقيدًا بالحصول على تأثيرات صغيرة نظرية خاصةالنسبية واستقطاب الفراغ. في المعالجة الكمومية ، لا يمتلك الإلكترون الموجود في ذرة الهيدروجين في الحالة الأرضية أي عزم على الإطلاق ، مما يوضح كيف يختلف "مدار كوكبي" عن حركة الإلكترون.

الأشكال الجزيئية الأولية

هناك نوعان من الايزومرات المغزلية المختلفة لجزيئات الهيدروجين ثنائي الذرة والتي تختلف في الدوران النسبي لنواتها. في شكل orthohydrogen ، تكون دوران البروتونات متوازية وتشكل حالة ثلاثية مع عدد كمي مغزلي جزيئي 1 (1/2 + 1/2) ؛ في شكل باراهيدروجين ، تكون السبينات عاكسة للتوازي وتشكل قمة مع عدد كمي مغزلي جزيئي يساوي 0 (1/2 1/2). عند درجة الحرارة والضغط القياسيين ، يحتوي غاز الهيدروجين على حوالي 25٪ من شكل بارا و 75٪ من شكل أورثو ، المعروف أيضًا باسم "الشكل العادي". تعتمد نسبة التوازن بين orthohydrogen إلى parahydrogen على درجة الحرارة ، ولكن نظرًا لأن شكل ortho هو حالة مثارة ولديه طاقة أعلى من شكل الفقرة ، فهو غير مستقر ولا يمكن تنقيته. في درجات حرارة منخفضة للغاية ، تتكون حالة التوازن بشكل شبه حصري من شكل الفقرة. الخصائص الحراريةتختلف المراحل السائلة والغازية للباراهيدروجين النقي اختلافًا كبيرًا عن خصائص الشكل الطبيعي بسبب الاختلافات في السعات الحرارية الدورانية ، والتي تمت مناقشتها بمزيد من التفصيل في أيزومرات دوران الهيدروجين. يحدث التمييز بين ortho / الزوج أيضًا في الجزيئات أو المجموعات الوظيفية الأخرى المحتوية على الهيدروجين مثل الماء والميثيلين ، ولكن هذا ليس له أهمية كبيرة لخصائصها الحرارية. يزداد التحويل البيني غير المحفز بين بارا وأورثو H2 مع زيادة درجة الحرارة ؛ وبالتالي ، يحتوي H2 المكثف بسرعة كميات كبيرةشكل متعامد عالي الطاقة ، والذي يتم تحويله ببطء شديد إلى شكل الفقرة. تعتبر نسبة ortho / para في H2 المكثف عاملاً مهمًا في تحضير وتخزين الهيدروجين السائل: التحويل من ortho إلى para طارد للحرارة ويوفر حرارة كافية لتبخير بعض من سائل الهيدروجين ، مما يؤدي إلى فقدان المادة المسيلة. محفزات لتحويل أورثو بارا مثل أكسيد الحديد ، كربون مفعلأو الأسبستوس أو المعادن الأرضية النادرة أو مركبات اليورانيوم أو أكسيد الكروم أو بعض مركبات النيكل المستخدمة في التبريد بالهيدروجين.

المراحل

غاز الهيدروجين

الهيدروجين السائل

هيدروجين الحمأة

هيدروجين صلب

الهيدروجين المعدني

روابط

المركبات التساهمية والعضوية

في حين أن H2 ليس شديد التفاعل في ظل الظروف القياسية ، فإنه يشكل مركبات مع معظم العناصر. يمكن للهيدروجين تكوين مركبات بها عناصر أكثر كهرسلبية ، مثل الهالوجينات (مثل F ، Cl ، Br ، I) أو الأكسجين ؛ في هذه المركبات ، يأخذ الهيدروجين شحنة موجبة جزئية. عندما يرتبط الهيدروجين بالفلور أو الأكسجين أو النيتروجين ، يمكن أن يشارك في شكل رابطة غير تساهمية متوسطة القوة مع الهيدروجين من جزيئات أخرى مماثلة ، وهي ظاهرة تسمى الترابط الهيدروجيني ، وهو أمر بالغ الأهمية لاستقرار العديد من الجزيئات البيولوجية. يشكل الهيدروجين أيضًا مركبات تحتوي على عناصر كهربية أقل مثل المعادن والفلزات ، حيث يأخذ شحنة سالبة جزئية. غالبًا ما تُعرف هذه المركبات باسم الهيدريدات. يشكل الهيدروجين مجموعة متنوعة من المركبات مع الكربون ، تسمى الهيدروكربونات ، ومجموعة أكبر من المركبات ذات الذرات غير المتجانسة ، والتي ، بسبب ارتباطها المشترك مع الكائنات الحية ، تسمى المركبات العضوية. دراسة خصائصهم الكيمياء العضويةوتُعرف دراستهم في سياق الكائنات الحية بالكيمياء الحيوية. حسب بعض التعريفات ، يجب أن تحتوي المركبات "العضوية" على الكربون فقط. ومع ذلك ، يحتوي معظمها أيضًا على الهيدروجين ، وبما أن رابطة الكربون والهيدروجين هي التي تعطي هذه الفئة من المركبات الكثير من خصائصها الكيميائية المحددة ، فإن روابط الكربون-الهيدروجين مطلوبة في بعض التعريفات لكلمة "عضوي" في الكيمياء. الملايين من الهيدروكربونات معروفة ، وعادة ما تتشكل بواسطة مسارات تركيبية معقدة نادرا ما تحتوي على الهيدروجين الأولي.

الهيدريدات

غالبًا ما تسمى مركبات الهيدروجين الهيدريدات. يشير مصطلح "هيدريد" إلى أن ذرة H قد اكتسبت طابعًا سلبيًا أو أنيونيًا ، يُشار إليه بالرمز H- ، ويستخدم عندما يشكل الهيدروجين مركبًا به عنصر أكثر حساسية للكهرباء. تم إثبات وجود أنيون هيدريد ، الذي اقترحه جيلبرت إن لويس في عام 1916 للمجموعة 1 و 2 من الهيدرات المحتوية على الملح ، بواسطة Moers في عام 1920 من خلال التحليل الكهربائي لهيدريد الليثيوم المصهور (LiH) ، مما ينتج عنه كمية متكافئة من الهيدروجين لكل أنود. بالنسبة للهيدرات بخلاف معادن المجموعة 1 و 2 ، فإن المصطلح مضلل نظرًا لانخفاض القدرة الكهربية للهيدروجين. استثناء في المجموعة 2 هيدريد هو BeH2 ، وهو بوليمر. في هيدريد ألومنيوم الليثيوم ، يحمل أنيون AlH-4 مراكز هيدريد مرتبطة بقوة بـ Al (III). على الرغم من أن الهيدريدات يمكن أن تتشكل في جميع عناصر المجموعة الرئيسية تقريبًا ، إلا أن عدد وتركيب المركبات الممكنة يختلف اختلافًا كبيرًا ؛ على سبيل المثال ، يُعرف أكثر من 100 هيدريد بوران ثنائي وهيدريد ألومنيوم ثنائي واحد فقط. لم يتم بعد تحديد هيدريد الإنديوم الثنائي ، على الرغم من وجود مجمعات كبيرة. في الكيمياء غير العضوية ، يمكن أن تعمل الهيدريدات أيضًا كجسور ربط تربط بين مركزين معدنيين في مجمع تنسيق. هذه الوظيفة مميزة بشكل خاص لعناصر المجموعة 13 ، خاصة في البوران (هيدرات البورون) ومجمعات الألومنيوم ، وكذلك في الكربورانات العنقودية.

البروتونات والأحماض

تزيل أكسدة الهيدروجين إلكترونها وتعطي H + ، والذي لا يحتوي على إلكترونات ولا نواة ، والتي تتكون عادة من بروتون واحد. هذا هو السبب في أن H + غالبًا ما يشار إليه بالبروتون. هذا الرأي أساسي في مناقشة الأحماض. وفقًا لنظرية Bronsted-Lowry ، فإن الأحماض هي مانحة للبروتون والقواعد هي مستقبلات للبروتون. لا يمكن أن يوجد البروتون العاري ، H + ، في المحلول أو في البلورات الأيونية بسبب جاذبيته التي لا تقاوم للذرات أو الجزيئات الأخرى بالإلكترونات. باستثناء درجات الحرارة المرتفعة المرتبطة بالبلازما ، لا يمكن إزالة هذه البروتونات من السحب الإلكترونية للذرات والجزيئات وستبقى مرتبطة بها. ومع ذلك ، فإن مصطلح "بروتون" يستخدم أحيانًا مجازيًا للإشارة إلى الهيدروجين الموجب الشحنة أو الهيدروجين الموجب المرتبط بأنواع أخرى بهذه الطريقة ، وعلى هذا النحو يسمى "H +" دون أي معنى أن أي بروتونات فردية موجودة بحرية كنوع. لتجنب ظهور "بروتون مذاب" عاري في المحلول ، يُعتقد أحيانًا أن المحاليل المائية الحمضية تحتوي على أنواع خيالية غير محتملة الحدوث تسمى "أيون الهيدرونيوم" (H 3 O +). ومع ذلك ، حتى في هذه الحالة ، يُنظر إلى كاتيونات الهيدروجين المذابة بشكل أكثر واقعية على أنها مجموعات منظمة تشكل أنواعًا قريبة من H 9O + 4. توجد أيونات أوكسونيوم أخرى عندما يكون الماء في محلول حمضي مع مذيبات أخرى. على الرغم من كونه غريبًا على الأرض ، فإن أحد أكثر الأيونات شيوعًا في الكون هو H + 3 ، والمعروف باسم الهيدروجين الجزيئي البروتوني أو كاتيون ثلاثي الهيدروجين.

النظائر

يحتوي الهيدروجين على ثلاثة نظائر طبيعية ، وهي 1H و 2 H و 3 H. تم تصنيع نوى أخرى غير مستقرة للغاية (من 4 إلى 7 ساعات) في المختبر ولكن لم يتم ملاحظتها في الطبيعة. 1H هو النظير الأكثر شيوعًا للهيدروجين ، بكثرة تزيد عن 99.98٪. نظرًا لأن نواة هذا النظير تتكون من بروتون واحد فقط ، فإنه يُعطى الاسم الرسمي الوصفي ولكنه نادرًا ما يستخدم. يُعرف 2H ، النظير المستقر الآخر للهيدروجين ، باسم الديوتيريوم ويحتوي على بروتون واحد ونيوترون واحد في النواة. يُعتقد أن كل الديوتيريوم الموجود في الكون قد تم إنتاجه خلال الانفجار العظيم وظل موجودًا منذ ذلك الوقت حتى الآن. الديوتيريوم ليس عنصرًا مشعًا ولا يشكل خطورة سمية كبيرة. يسمى الماء المخصب بالجزيئات التي تحتوي على الديوتيريوم بدلاً من الهيدروجين العادي بالماء الثقيل. يتم استخدام الديوتيريوم ومركباته كعلامة غير مشعة في التجارب الكيميائية وفي المذيبات من أجل التحليل الطيفي 1H-NMR. يستخدم الماء الثقيل كوسيط للنيوترون ومبرد للمفاعلات النووية. الديوتيريوم هو أيضًا وقود محتمل للاندماج النووي التجاري. يُعرف 3H باسم التريتيوم ويحتوي على بروتون واحد ونيوترونين في النواة. إنه مشع ، يتحلل إلى الهيليوم 3 عبر اضمحلال بيتا مع عمر نصف يبلغ 12.32 سنة. إنه مشع لدرجة أنه يمكن استخدامه في الطلاء المضيء ، مما يجعله مفيدًا في صنع الساعات ذات الأقراص المضيئة ، على سبيل المثال. يمنع الزجاج تسرب كمية صغيرة من الإشعاع. يتم إنتاج كمية صغيرة من التريتيوم بشكل طبيعي عن طريق تفاعل الأشعة الكونية مع غازات الغلاف الجوي. تم إطلاق التريتيوم أيضًا أثناء الاختبار أسلحة نووية. يتم استخدامه في تفاعلات الاندماج النووي كمؤشر للكيمياء الجيولوجية للنظائر وفي أجهزة الإضاءة المتخصصة ذاتية التشغيل. كما تم استخدام التريتيوم في تجارب الوسم الكيميائية والبيولوجية كعلامة مشعة. الهيدروجين هو العنصر الوحيد الذي له أسماء مختلفة لنظائره الشائعة الاستخدام اليوم. خلال الدراسة المبكرة للنشاط الإشعاعي ، تم إعطاء العديد من النظائر المشعة الثقيلة الأسماء الخاصة، ولكن هذه الأسماء لم تعد مستخدمة ، باستثناء الديوتيريوم والتريتيوم. تُستخدم الرموز D و T (بدلاً من 2H و 3 H) أحيانًا للديوتيريوم والتريتيوم ، لكن الرمز المقابل للبروتيوم P مستخدم بالفعل للفوسفور وبالتالي لا يتوفر للبروتيوم. في إرشادات التسمية الخاصة به ، يسمح الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية باستخدام أي من الرموز من D و T و 2 H و 3 H ، على الرغم من تفضيل 2H و 3 H. تعتبر ذرة الميونيوم الغريبة (الرمز Mu) ، التي تتكون من مضاد وإلكترون ، أحيانًا أيضًا نظيرًا مشعًا خفيفًا للهيدروجين بسبب اختلاف الكتلة بين الأنتيمون والإلكترون ، والذي تم اكتشافه في عام 1960. خلال عمر الميون ، 2.2 ميكرو ثانية ، يمكن أن يدخل الميونيوم في مركبات مثل كلوريد الميون (MuCl) أو ميوونيد الصوديوم (NaMu) ، على نحو مشابه لكلوريد الهيدروجين وهيدريد الصوديوم ، على التوالي.

قصة

الاكتشاف والاستخدام

في عام 1671 ، اكتشف روبرت بويل ووصف التفاعل بين برادة الحديد والأحماض المخففة التي ينتج عنها غاز الهيدروجين. في عام 1766 ، كان هنري كافنديش أول من تعرف على غاز الهيدروجين كمادة منفصلة ، وأطلق على الغاز اسم "هواء قابل للاشتعال" بسبب تفاعل حمض المعادن. وأشار إلى أن "الهواء القابل للاشتعال" كان في الواقع مطابقًا لمادة افتراضية تسمى "الفلوجستون" ووجد مرة أخرى في عام 1781 أن الغاز ينتج الماء عند الاحتراق. يُعتقد أنه هو الذي اكتشف الهيدروجين كعنصر. في عام 1783 ، أعطى أنطوان لافوازييه العنصر اسم الهيدروجين (من الكلمة اليونانية ὑδρο-hydro التي تعني "الماء" و-الجينات التي تعني "الخالق") عندما أعاد هو ولابلاس إنتاج بيانات كافنديش بأن الماء قد تشكل عندما تم حرق الهيدروجين. أنتج لافوازييه الهيدروجين من أجل حفظه للتجارب الجماعية عن طريق تفاعل تيار من البخار مع الحديد المعدني من خلال مصباح متوهج يتم تسخينه في النار. يمكن تمثيل الأكسدة اللاهوائية للحديد بواسطة بروتونات الماء عند درجة حرارة عالية بشكل تخطيطي من خلال مجموعة من التفاعلات التالية:

Fe + H2O → FeO + H2

2 Fe + 3 H2O → Fe2O3 + 3 H2

3 Fe + 4 H2O → Fe3O4 + 4 H2

تخضع العديد من المعادن ، مثل الزركونيوم ، لتفاعل مماثل مع الماء لإنتاج الهيدروجين. تم تسييل الهيدروجين لأول مرة بواسطة جيمس ديوار في عام 1898 باستخدام التبريد المتجدد واختراعه ، دورق التفريغ. في العام التالي ، أنتج الهيدروجين الصلب. تم اكتشاف الديوتيريوم في ديسمبر 1931 من قبل هارولد أوراي وتم تحضير التريتيوم في عام 1934 من قبل إرنست رذرفورد ومارك أوليفانت وبول هارتيك. تم اكتشاف الماء الثقيل ، المكون من الديوتيريوم بدلاً من الهيدروجين العادي ، بواسطة مجموعة يوري في عام 1932. قام فرانسوا إسحاق دي ريفاز ببناء أول محرك ريفاز ، المحرك الاحتراق الداخليمدفوعة بالهيدروجين والأكسجين عام 1806. اخترع إدوارد دانيال كلارك أنبوب غاز الهيدروجين عام 1819. تم اختراع فولاذ Döbereiner (أول ولاعة كاملة) في عام 1823. اخترع جاك تشارلز أول بالون هيدروجين عام 1783. قدم الهيدروجين ظهور أول شكل موثوق من الحركة الجوية بعد اختراع هنري جيفارد لأول منطاد يرفع الهيدروجين في عام 1852. شجع الكونت الألماني فرديناند فون زيبلين فكرة المناطيد الصلبة التي ترفع في الهواء بواسطة الهيدروجين ، والتي سميت فيما بعد زيبلين ؛ طار أول هؤلاء لأول مرة في عام 1900. بدأت الرحلات المنتظمة في عام 1910 وبحلول بداية الحرب العالمية الأولى في أغسطس 1914 كانت تقل 35000 مسافر دون وقوع حوادث كبيرة. خلال الحرب ، تم استخدام المناطيد الهيدروجينية كمنصات مراقبة وقاذفات قنابل. تم إجراء أول رحلة عبر الأطلسي بدون توقف بواسطة المنطاد البريطاني R34 في عام 1919. استؤنفت خدمة الركاب المنتظمة في عشرينيات القرن الماضي وكان من المفترض أن يؤدي اكتشاف احتياطيات الهليوم في الولايات المتحدة إلى تحسين سلامة الطيران ، لكن الحكومة الأمريكية رفضت بيع الغاز لهذا الغرض ، لذلك تم استخدام H2 في منطاد هيندنبورغ ، الذي تم تدميره في حريق ميلانو في نيو جيرسي 6 مايو 1937. وبثت الحادثة على الهواء مباشرة عبر الإذاعة وتسجيلها على شريط فيديو. كان من المفترض على نطاق واسع أن سبب الاشتعال هو تسرب الهيدروجين ، ومع ذلك تشير الأبحاث اللاحقة إلى أن طلاء النسيج بالألمنيوم اشتعل بواسطة الكهرباء الساكنة. ولكن بحلول هذا الوقت ، كانت سمعة الهيدروجين كغاز رفع قد تضررت بالفعل. في نفس العام ، تم تشغيل أول مولد توربيني مبرد بالهيدروجين بغاز الهيدروجين كمبرد في العضو الدوار والجزء الثابت في عام 1937 في دايتون ، أوهايو ، بواسطة شركة دايتون باور آند لايت. بسبب التوصيل الحراري لغاز الهيدروجين ، فهو الغاز الأكثر شيوعًا للاستخدام في هذا المجال اليوم. تم استخدام بطارية النيكل-الهيدروجين لأول مرة في عام 1977 على متن القمر الصناعي الأمريكي لتكنولوجيا الملاحة 2 (NTS-2). تم تجهيز ISS و Mars Odyssey و Mars Global Surveyor ببطاريات نيكل-هيدروجين. في الجزء المظلم من مداره ، يتم تشغيل تلسكوب هابل الفضائي أيضًا بواسطة بطاريات نيكل-هيدروجين ، والتي تم استبدالها أخيرًا في مايو 2009 ، بعد أكثر من 19 عامًا من الإطلاق وبعد 13 عامًا من تصميمها.

دور في نظرية الكم

نظرًا لتركيبها الذري البسيط المكون من بروتون وإلكترون فقط ، فإن ذرة الهيدروجين ، جنبًا إلى جنب مع طيف الضوء الناتج منها أو الممتص منها ، كانت مركزية في تطوير نظرية التركيب الذري. بالإضافة إلى ذلك ، أدت دراسة البساطة المقابلة لجزيء الهيدروجين وكاتيون H + 2 المقابل إلى فهم طبيعة الرابطة الكيميائية ، والتي سرعان ما أعقبت المعالجة الفيزيائية لذرة الهيدروجين في ميكانيكا الكم في منتصف عام 2020. واحدة من أولى التأثيرات الكمومية التي لوحظت بوضوح (ولكن لم يتم فهمها في ذلك الوقت) كانت ملاحظة ماكسويل التي تتضمن الهيدروجين قبل نصف قرن من وجود نظرية ميكانيكية كم كاملة. لاحظ ماكسويل ذلك حرارة نوعيةيتحرك H2 بشكل لا رجعة فيه بعيدًا عن الغاز ثنائي الذرة تحت درجة حرارة الغرفة ويبدأ في التشابه أكثر فأكثر مع السعة الحرارية المحددة للغاز أحادي الذرة في درجات الحرارة المبردة. وفق نظرية الكم، ينشأ هذا السلوك من التباعد بين مستويات الطاقة الدورانية (الكمية) ، والتي تكون متباعدة بشكل خاص في H2 بسبب كتلتها المنخفضة. تمنع هذه المستويات المتباعدة على نطاق واسع تقسيمًا متساويًا للطاقة الحرارية إلى حركة دورانية في الهيدروجين عند درجات حرارة منخفضة. لا تحتوي غازات الدياتوم ، التي تتكون من ذرات أثقل ، على مثل هذه المستويات المتباعدة على نطاق واسع ولا تظهر نفس التأثير. الهيدروجين المضاد هو نظير مادة الهيدروجين. يتكون من مضاد البروتون مع البوزيترون. الهيدروجين المضاد هو النوع الوحيد من ذرات المادة المضادة التي تم الحصول عليها اعتبارًا من عام 2015.

التواجد في الطبيعة

الهيدروجين هو العنصر الكيميائي الأكثر وفرة في الكون ، حيث يشكل 75٪ من المادة الطبيعية بالكتلة وأكثر من 90٪ بعدد الذرات. (ومع ذلك ، فإن معظم كتلة الكون ليست في شكل هذا عنصر كيميائي، ولكن يُعتقد أن لديها أشكال غير مكتشفة من الكتلة حتى الآن ، مثل المادة المظلمة والطاقة المظلمة.) تم العثور على هذا العنصر بكثرة في النجوم وعمالقة الغاز. ترتبط السحب الجزيئية H2 بتكوين النجوم. يلعب الهيدروجين دورًا حيويًا في تشغيل النجوم من خلال تفاعل البروتون والبروتون والاندماج النووي لدورة CNO. يحدث الهيدروجين في جميع أنحاء العالم بشكل أساسي في حالات الذرات والبلازما بخصائص مختلفة تمامًا عن خصائص الهيدروجين الجزيئي. كبلازما ، الإلكترون وبروتون الهيدروجين غير مرتبطين معًا ، مما يؤدي إلى توصيل كهربائي عالي جدًا وانبعاثية عالية (توليد ضوء من الشمس والنجوم الأخرى). تتأثر الجسيمات المشحونة بشدة بالمجالات المغناطيسية والكهربائية. على سبيل المثال ، في الرياح الشمسية ، يتفاعلون مع الغلاف المغناطيسي للأرض ، مما يخلق تيارات بيركلاند والشفق القطبي. الهيدروجين في حالة ذرية محايدة في الوسط بين النجوم. يُعتقد أن الكمية الكبيرة من الهيدروجين المحايد الموجودة في أنظمة Liman-alpha الزائلة تهيمن على كثافة الباريونات الكونية للكون حتى الانزياح الأحمر z = 4. في ظل الظروف العادية على الأرض ، يوجد الهيدروجين الأولي كغاز ثنائي الذرة ، H2. ومع ذلك ، فإن غاز الهيدروجين نادر جدًا في الغلاف الجوي للأرض (1 جزء في المليون من حيث الحجم) نظرًا لوجوده وزن خفيف، مما يسمح لها بالتغلب على جاذبية الأرض بسهولة أكبر من الغازات الثقيلة. ومع ذلك ، فإن الهيدروجين هو ثالث أكثر العناصر وفرة على سطح الأرض ، وهو موجود بشكل أساسي في شكل مركبات كيميائية مثل الهيدروكربونات والماء. ينتج غاز الهيدروجين عن طريق بعض البكتيريا والطحالب وهو مكون طبيعي من الفلوت ، مثله مثل الميثان ، وهو مصدر متزايد الأهمية للهيدروجين. يوجد شكل جزيئي يسمى الهيدروجين الجزيئي البروتوني (H + 3) في الوسط بين النجمي ، حيث يتولد عن طريق تأين الهيدروجين الجزيئي من الأشعة الكونية. وقد لوحظ هذا الأيون المشحون أيضًا في الغلاف الجوي العلوي لكوكب المشتري. الأيون مستقر نسبيًا في بيئةبسبب انخفاض درجة الحرارة والكثافة. H + 3 هو أحد أكثر الأيونات وفرة في الكون ويلعب دورًا بارزًا في كيمياء الوسط بين النجوم. لا يمكن أن يوجد الهيدروجين ثلاثي الذرات المحايد H3 إلا في شكل متحمس وغير مستقر. في المقابل ، فإن أيون الهيدروجين الجزيئي الموجب (H + 2) هو جزيء نادر في الكون.

إنتاج الهيدروجين

يتم إنتاج H2 في المعامل الكيميائية والبيولوجية ، غالبًا كمنتج ثانوي لتفاعلات أخرى ؛ في الصناعة من أجل هدرجة الركائز غير المشبعة ؛ وفي الطبيعة كوسيلة لإزاحة مكافئات الاختزال في التفاعلات الكيميائية الحيوية.

تنقية البخار

يمكن إنتاج الهيدروجين بعدة طرق ، ولكن من الناحية الاقتصادية تتضمن العمليات الأكثر أهمية إزالة الهيدروجين من الهيدروكربونات ، حيث جاء حوالي 95٪ من إنتاج الهيدروجين في عام 2000 من الإصلاح بالبخار. تجاريا ، يتم إنتاج كميات كبيرة من الهيدروجين عادة عن طريق إعادة تشكيل الغاز الطبيعي بالبخار. في درجات حرارة عالية(1000-1400 كلفن ، 700-1100 درجة مئوية أو 1300-2000 درجة فهرنهايت) البخار (بخار) يتفاعل مع الميثان لإنتاج أول أكسيد الكربون و H2.

CH4 + H2O → CO + 3 H2

يعمل هذا التفاعل بشكل أفضل عند الضغوط المنخفضة ، ولكن لا يزال من الممكن تنفيذه عند ضغوط عالية (2.0 ميجا باسكال ، أو 20 ضغط جوي ، أو 600 بوصة من الزئبق). هذا لأن الضغط العالي H2 هو المنتج الأكثر شيوعًا وأنظمة التنظيف بالحرارة الفائقة المضغوطة تعمل بشكل أفضل عند الضغوط العالية. يُعرف خليط المنتج باسم "غاز التخليق" لأنه غالبًا ما يستخدم مباشرة لإنتاج الميثانول والمركبات ذات الصلة. يمكن استخدام الهيدروكربونات غير الميثان لإنتاج غاز تخليقي بنسب مختلفة من المنتجات. أحد المضاعفات العديدة لهذه التقنية المحسنة للغاية هو تكوين فحم الكوك أو الكربون:

CH4 → C + 2 H2

لذلك ، عادةً ما تستخدم عملية إعادة التشكيل بالبخار فائضًا من H2O. يمكن استخلاص الهيدروجين الإضافي من البخار باستخدام أول أكسيد الكربون من خلال تفاعل إزاحة غاز الماء ، وخاصة باستخدام محفز أكسيد الحديد. هذا التفاعل هو أيضًا مصدر صناعي شائع لثاني أكسيد الكربون:

ثاني أكسيد الكربون + H2O → CO2 + H2

تتضمن الطرق المهمة الأخرى لـ H2 الأكسدة الجزئية للهيدروكربونات:

2 CH4 + O2 → 2 CO + 4 H2

وتفاعل الفحم ، والذي يمكن أن يكون بمثابة مقدمة لتفاعل التحول الموصوف أعلاه:

C + H2O → CO + H2

في بعض الأحيان يتم إنتاج الهيدروجين واستهلاكه في نفس العملية الصناعية ، دون فصل. في عملية هابر لإنتاج الأمونيا ، يتم توليد الهيدروجين من الغاز الطبيعي. ينتج التحليل الكهربائي بمحلول الملح لإنتاج الكلور أيضًا الهيدروجين كمنتج ثانوي.

حامض معدني

في المختبر ، يتم تصنيع H2 عادةً عن طريق تفاعل الأحماض غير المؤكسدة المخففة مع بعض المعادن التفاعلية مثل الزنك بجهاز Kipp.

Zn + 2 H + → Zn2 + + H2

يمكن أن ينتج الألمنيوم أيضًا H2 عند معالجته بقواعد:

2 Al + 6 H2O + 2 OH- → 2 Al (OH) -4 + 3 H2

يعتبر التحليل الكهربائي للماء طريقة بسيطة لإنتاج الهيدروجين. يتدفق تيار الجهد المنخفض عبر الماء ويتولد غاز الأكسجين عند القطب الموجب بينما يتولد غاز الهيدروجين عند الكاثود. عادة ، يصنع الكاثود من البلاتين أو معدن خامل آخر في إنتاج الهيدروجين للتخزين. ومع ذلك ، إذا تم حرق الغاز في الموقع ، فمن المستحسن وجود الأكسجين لتعزيز الاحتراق ، وبالتالي فإن كلا القطبين سوف يصنعان من معادن خاملة. (على سبيل المثال ، يتأكسد الحديد وبالتالي يقلل من كمية الأكسجين المنبعثة). تتراوح الكفاءة القصوى النظرية (الكهرباء المستخدمة بالنسبة لقيمة الطاقة للهيدروجين المنتج) في حدود 80-94٪.

2 H2O (L) → 2 H2 (g) + O2 (g)

يمكن استخدام سبيكة من الألومنيوم والغاليوم على شكل حبيبات مضافة إلى الماء لإنتاج الهيدروجين. تنتج هذه العملية أيضًا الألومينا ، ولكن يمكن إعادة استخدام الغاليوم باهظ الثمن ، الذي يمنع تكوين جلد الأكسيد على الحبيبات. هذا له آثار محتملة مهمة على اقتصاديات الهيدروجين ، حيث يمكن إنتاج الهيدروجين محليًا ولا يحتاج إلى النقل.

الخصائص الحرارية

هناك أكثر من 200 دورة كيميائية حرارية يمكن استخدامها لفصل الماء ، حوالي اثنتي عشرة دورة من هذه الدورات ، مثل دورة أكسيد الحديد ، ودورة أكسيد السيريوم (IV) ، ودورة أكسيد السيريوم (III) ، وأكسيد الزنك والزنك دورة اليود الكبريتية ودورة النحاس ودورة الكلور والكبريت الهجين قيد البحث والاختبار لإنتاج الهيدروجين والأكسجين من الماء والحرارة دون استخدام الكهرباء. يقوم عدد من المختبرات (بما في ذلك تلك الموجودة في فرنسا وألمانيا واليونان واليابان والولايات المتحدة الأمريكية) بتطوير طرق كيميائية حرارية لإنتاج الهيدروجين من الطاقة الشمسية والمياه.

التآكل اللاهوائي

في ظل الظروف اللاهوائية ، يتأكسد الحديد والصلب ببطء بواسطة بروتونات الماء بينما يتم تقليله في الهيدروجين الجزيئي (H2). يؤدي التآكل اللاهوائي للحديد أولاً إلى تكوين هيدروكسيد الحديد (الصدأ الأخضر) ويمكن وصفه بالتفاعل التالي: Fe + 2 H2O → Fe (OH) 2 + H2. في المقابل ، في ظل الظروف اللاهوائية ، يمكن أكسدة هيدروكسيد الحديد (Fe (OH) 2) بواسطة بروتونات الماء لتكوين الهيدروجين المغنتيت والجزيئي. يتم وصف هذه العملية من خلال تفاعل Shikorra: 3 Fe (OH) 2 → Fe3O4 + 2 H2O + H2 هيدروكسيد الحديد → مغنيسيوم + ماء + هيدروجين. المغنتيت المتبلور جيدًا (Fe3O4) أكثر ثباتًا من الناحية الديناميكية الحرارية من هيدروكسيد الحديد (Fe (OH) 2). تحدث هذه العملية أثناء التآكل اللاهوائي للحديد والصلب في ظروف نقص الأكسجين. مياه جوفيةوعند استعادة التربة تحت مستوى المياه الجوفية.

الأصل الجيولوجي: تفاعل التعرق

في حالة عدم وجود الأكسجين (O2) في العمق الظروف الجيولوجية، السائد بعيدًا عن الغلاف الجوي للأرض ، يتشكل الهيدروجين (H2) في عملية الثعبان عن طريق الأكسدة اللاهوائية بواسطة بروتونات الماء (H +) لسيليكات الحديد (Fe2 +) الموجودة في الشبكة البلورية للفاياليت (Fe2SiO4 ، الزبرجد الزيتوني - الحديد المعدني) . التفاعل المقابل الذي يؤدي إلى تكوين أكسيد الحديد الأسود (Fe3O4) والكوارتز (SiO2) والهيدروجين (H2): 3Fe2SiO4 + 2 H2O → 2 Fe3O4 + 3 SiO2 + 3 H2 fayalite + ماء → أكسيد الحديد الأسود + الكوارتز + الهيدروجين. يشبه هذا التفاعل تفاعل شيكورا الذي لوحظ في الأكسدة اللاهوائية لهيدروكسيد الحديد عند ملامسته للماء.

تشكيل في المحولات

من بين جميع الغازات الخطرة المنتجة في محولات الطاقة ، يعتبر الهيدروجين هو الأكثر شيوعًا ويتولد في غالبية الأعطال ؛ وبالتالي ، فإن تكوين الهيدروجين هو علامة مبكرة على مشاكل خطيرة في دورة حياة المحولات.

التطبيقات

الاستهلاك في العمليات المختلفة

هناك حاجة إلى كميات كبيرة من H2 في الصناعات البترولية والكيميائية. يتمثل أكبر استخدام لـ H2 في معالجة ("ترقية") الوقود الأحفوري وإنتاج الأمونيا. في مصانع البتروكيماويات ، يستخدم H2 في الألكلة الهيدروجينية وإزالة الكبريت بالهيدروجين والتكسير الهيدروجيني. H2 له العديد من الاستخدامات الهامة الأخرى. يستخدم H2 كعامل مهدرجة ، على وجه الخصوص لزيادة مستوى تشبع الدهون والزيوت غير المشبعة (الموجودة في عناصر مثل المارجرين) ، وفي إنتاج الميثانول. كما أنه مصدر للهيدروجين في إنتاج حمض الهيدروكلوريك. يستخدم H2 أيضًا كعامل اختزال لخامات المعادن. الهيدروجين قابل للذوبان بدرجة عالية في العديد من المعادن النادرة والانتقالية وهو قابل للذوبان في كل من المعادن النانوية البلورية وغير المتبلورة. تعتمد قابلية ذوبان الهيدروجين في المعادن على التشوهات أو الشوائب الموضعية في الشبكة البلورية. يمكن أن يكون هذا مفيدًا عند تنقية الهيدروجين عن طريق المرور عبر أقراص البلاديوم الساخنة ، لكن قابلية الذوبان العالية للغاز هي مشكلة معدنية تقشر العديد من المعادن ، مما يعقد تصميم خطوط الأنابيب وخزانات التخزين. بالإضافة إلى استخدامه ككاشف ، فإن H2 له مجموعة واسعة من التطبيقات في الفيزياء والهندسة. يتم استخدامه كغاز تدريع في طرق اللحام مثل لحام الهيدروجين الذري. يستخدم H2 كمبرد دوار في المولدات الكهربائية في محطات توليد الطاقة لأنه يحتوي على أعلى موصلية حرارية لأي غاز. يستخدم السائل H2 في الأبحاث المبردة ، بما في ذلك البحث في الموصلية الفائقة. نظرًا لأن H2 أخف من الهواء ، حيث تزيد كثافة الهواء بقليل عن 1/14 ، فقد تم استخدامه على نطاق واسع في السابق كغاز رفع في البالونات والمناطيد. في التطبيقات الحديثة ، يتم استخدام الهيدروجين بشكل أنيق أو ممزوج بالنيتروجين (يسمى أحيانًا غاز التكوين) كغاز تتبع للكشف الفوري عن التسرب. يستخدم الهيدروجين في صناعات السيارات والكيماويات والطاقة والفضاء والاتصالات. الهيدروجين مادة مضافة غذائية مسموح بها (E 949) تسمح باختبار تسرب الطعام ، من بين خصائص أخرى مضادة للأكسدة. كما أن للنظائر النادرة للهيدروجين استخدامات محددة. يستخدم الديوتيريوم (الهيدروجين -2) في تطبيقات الانشطار النووي كمُسهل نيوتروني بطيء وفي تفاعلات الاندماج النووي. تستخدم مركبات الديوتيريوم في مجال الكيمياء والبيولوجيا في دراسة التأثيرات النظيرية للتفاعل. يستخدم التريتيوم (هيدروجين -3) ، المنتج في المفاعلات النووية ، في صناعة القنابل الهيدروجينية ، كعلامة نظيرية في العلوم البيولوجية ، وكمصدر إشعاعي في الدهانات المضيئة. درجة حرارة النقطة الثلاثية للهيدروجين المتوازن هي النقطة الثابتة المحددة على مقياس درجة الحرارة ITS-90 عند 13.8033 كلفن.

وسط تبريد

يستخدم الهيدروجين بشكل شائع في محطات توليد الطاقة كمبرد في المولدات بسبب عدد من الخصائص المفضلة التي هي نتيجة مباشرة لجزيئاته ثنائية الذرة الخفيفة. وتشمل هذه الكثافة المنخفضة ، واللزوجة المنخفضة ، وأعلى سعة حرارية محددة والتوصيل الحراري لأي غاز.

ناقل الطاقة

الهيدروجين ليس مصدر طاقة ، إلا في السياق الافتراضي لمحطات الطاقة التجارية الاندماجية التي تستخدم الديوتيريوم أو التريتيوم ، وهي تقنية بعيدة عن النضج حاليًا. تأتي طاقة الشمس من الاندماج النووي للهيدروجين ، لكن هذه العملية يصعب تحقيقها على الأرض. يتطلب الهيدروجين الأولي من المصادر الشمسية أو البيولوجية أو الكهربائية طاقة أكبر لإنتاجه مما يتطلبه حرقه ، لذلك في هذه الحالات يعمل الهيدروجين كحامل للطاقة ، على غرار البطارية. يمكن الحصول على الهيدروجين من مصادر أحفورية (مثل الميثان) ، لكن هذه المصادر قابلة للنفاذ. كثافة الطاقة لكل وحدة حجم لكل من الهيدروجين السائل والهيدروجين الغازي المضغوط عند أي ضغط يمكن تحقيقه عمليًا أقل بكثير من مصادر الطاقة التقليدية ، على الرغم من أن كثافة الطاقة لكل وحدة كتلة من الوقود أعلى. ومع ذلك ، فقد تمت مناقشة عنصر الهيدروجين على نطاق واسع في سياق الطاقة باعتباره ناقل طاقة محتمل على مستوى الاقتصاد في المستقبل. على سبيل المثال ، يمكن أن يتم عزل ثاني أكسيد الكربون متبوعًا باحتجاز الكربون وتخزينه عند نقطة إنتاج H2 من الوقود الأحفوري. سيحترق الهيدروجين المستخدم في النقل بشكل نظيف نسبيًا ، مع بعض انبعاثات أكاسيد النيتروجين ولكن بدون انبعاثات كربونية. ومع ذلك ، فإن تكلفة البنية التحتية المرتبطة بالتحويل الكامل إلى اقتصاد الهيدروجين ستكون كبيرة. يمكن لخلايا الوقود تحويل الهيدروجين والأكسجين مباشرة إلى كهرباء بشكل أكثر كفاءة من محركات الاحتراق الداخلي.

صناعة أشباه الموصلات

يستخدم الهيدروجين لتشبع الروابط المتدلية من السيليكون غير المتبلور والكربون غير المتبلور ، مما يساعد على استقرار خصائص المادة. وهو أيضًا مانح محتمل للإلكترون في مواد أكسيد مختلفة بما في ذلك ZnO و SnO2 و CdO و MgO و ZrO2 و HfO2 و La2O3 و Y2O3 و TiO2 و SrTiO3 و LaAlO3 و SiO2 و Al2O3 و ZrSiO4 و HfSiO4 و SrZrO3.

تفاعلات بيولوجية

H2 هو نتاج لبعض الأيض اللاهوائي وينتج عن طريق العديد من الكائنات الحية الدقيقة ، عادة من خلال التفاعلات المحفزة بواسطة الحديد أو النيكل التي تحتوي على إنزيمات تسمى الهيدروجيناز. تعمل هذه الإنزيمات على تحفيز تفاعل الأكسدة والاختزال القابل للانعكاس بين H2 وبروتونيه ومكونين من الإلكترونات. يحدث تكوين غاز الهيدروجين عن طريق نقل مكافئات الاختزال الناتجة عن تخمير البيروفات إلى الماء. تسمى الدورة الطبيعية لإنتاج الهيدروجين واستهلاك الكائنات الحية بدورة الهيدروجين. يحدث انقسام الماء ، العملية التي يتم من خلالها تكسير الماء إلى البروتونات والإلكترونات والأكسجين المكونة له ، في تفاعلات الضوء في جميع الكائنات الحية الضوئية. طورت بعض هذه الكائنات ، بما في ذلك الطحالب Chlamydomonas Reinhardtii والبكتيريا الزرقاء ، مرحلة ثانية في التفاعلات المظلمة حيث يتم تقليل البروتونات والإلكترونات لتشكيل غاز H2 بواسطة هيدروجينازات متخصصة في البلاستيدات الخضراء. بذلت محاولات لتعديل هيدرات البكتيريا الزرقاء وراثيًا لتكوين غاز H2 بكفاءة حتى في وجود الأكسجين. بذلت جهود أيضًا باستخدام الطحالب المعدلة وراثيًا في مفاعل حيوي.