الهيدروجين Hydrogen

 

نظرة عامة:

يُعد الهيدروجين Hydrogen أكثر العناصر توافرًا في الكون. حيث نجد تقريبًا في كل عشر ذرات في الكون تسع ذرات هيدروجين. ويُعد الهيدروجين عنصر شائع على الأرض أيضًا. فهو ثالث العناصر توافرًا بعد الأكسجين والسيليكون. حيث أن حوالي 15% من الذرات التي وجِدت على الأرض هي ذرات هيدروجين.

ويُعد الهيدروجين أيضًا أبسط العناصر، فعادةً ما تتكون ذرة الهيدروجين من بروتون وإلكترون مفردين.

اكتُشِف الهيدروجين لأول مرة عام 1766 على يد الكيميائي والفيزيائي الإنجليزي هنري كافيندش Henry Cavendish (1731-1810). ويُعد كافيندش أيضًا أول من أثبت أن الماء مُركب من الهيدروجين والأكسجين.

أثبتت بعض التجارب أن عنصر الهيدروجين أكثر العناصر دخولًا في تركيب المركبات في الطبيعة من أي عنصرٍ آخر. هذه المركبات تشمل الماء، السكروز، الكحولات، الخل (حامض الأسيتيك)، هيدروكسيد الصوديوم (الصودا الكاوية)، العقاقير، الصبغات، البلاستيك، والوقود.

الرمز	العدد الذري	الكتلة الذرية	العائلة
H	1	1.00794	المجموعة 1A

اكتشافه وتسميته:

اكتُشف الهيدروجين عدة مرات حتمًا، حيث سجل العديد من الكيميائيين الأوائل عثورهم على غاز قابل للاشتعال في بعض من تجاربهم. مثال على ذلك عام 1671 شرح الكيميائي الإنجليزي روبرت بويل Robert Boyle (1627-1691) تجارب حيث أضاف الحديد مرة إلى حمض الهيدروكلوريك ومرة إلى حمض الكبريتيك، في كلتا الحالتين حصل على غاز سهل الاشتعال ذو لهب أزرق فاتح.

المشكلة في هذه الاكتشافات الأولى أن الكيميائيين لم يكونوا مدركين لطبيعة الغازات بشكل جيد.  فهم لم يعلموا أن هناك أنواع عديدة من الغازات. فقد كانوا يعتقدون أن كل الغازات التي يرونها ما هي إلا نوع من الهواء به بعض الشوائب.

اكتشف كافيندش الهيدروجين من تجربة مماثلة لتلك التجارب التي قام بها بويل. حيث أضاف معدن الحديد إلى أحماض مختلفة، فوجد أن غازًا قابلًا للاشتعال قد نتج. ولكنه اعتقد أن هذا الغاز القابل للاشتعال مصدره الحديد وليس الحمض. أوضح الكيميائيون فيما بعد أن الحديد ما هو إلا عنصر ولا يحتوي على هيدروجين أو أي شيء آخر. وبالتالي فإن الهيدروجين الناتج من تجربة كافيندش مصدره الحمض وليس الحديد كما كان يُعتقد.

قام الكيميائي الفرنسي أنطوان لافوازييه  1743-1794 بتسمية الهيدروجين. في بعض الأحيان يُطلق على لافوازييه “أبو علم الكيمياء الحديثة” نظرًا لإسهاماته العديدة في العلوم. اقترح لافوازييه اسم الهيدروجين بعد إطلاق الاسم اليوناني (مكوِّن الماء).

الخواص الفيزيائية لعنصر الهيدروجين Hydrogen :

يُعد الهيدروجين غاز عديم اللون والرائحة والطعم. له كثافة هي الأقل بين جميع العناصر الكيميائية 0.08999 جم/لتر. مقارنةً بكثافة الهواء التي تبلغ 1.29جم/لتر فإن كثافة الهواء تزيد بمقدار 14 مرة عن كثافة الهيدروجين.

يتحول الهيدروجين من الحالة الغازية إلى الحالة السائلة عند درجة حرارة -252.77 درجة مئوية أو -422.99 درجة فهرنهايت، ويتحول إلى الحالة الصلبة عند درجة حرارة -259.2 درجة مئوية أو -434.6 درجة فهرنهايت. يذوب الهيدروجين بدرجة قليلة في الماء والكحولات والقليل من السوائل الشائعة.

الخواص الكيميائية لعنصر الهيدروجين Hydrogen :

يحترق الهيدروجين في جو من الأكسجين مكونًا الماء. وهو أيضًا يمتزج بسهولة مع اللافلزات مثل الكبريت والفوسفور والهالوجينات. الهالوجينات هي العناصر الواقعة في المجموعة 17 (7A) من الجدول الدوري. وتحوي على العناصر الآتية: الفلور، الكلور، البروم، اليود، والأستاتين.

وجود الهيدروجين Hydrogen في الطبيعة:

يتواجد الهيدروجين في أنحاء الكون في صورتين. الأولى في النجوم، حيث تستخدم النجوم الهيدروجين كوقود الذي يمكنها من إنتاج الطاقة. يُطلق على العملية التي تستخدم فيها النجوم الهيدروجين بعملية الاندماج. من خلال عملية الاندماج تتدافع ذرتان صغيرتان أو أكثر معًا لتتكون ذرة كبيرة واحدة.

في معظم النجوم تفاعل الاندماج الأولي الذي يحدث هو:

توضح هذه المعادلة أن أربع ذرات من الهيدروجين تم ضغطهم معًا لتكوين ذرة هيليوم واحدة.

يتواجد الهيدروجين أيضًا في الفضاء أو الفراغ بين النجوم. في مرحلة ما كان يعتقد العلماء أن الفضاء فارغ تمامًا، لا يحتوي على أي ذرات من أي نوع. لكن في الحقيقة هذا الفضاء بين النجوم يحتوي على عدد صغير من الذرات، ومعظم هذه الذرات هي ذرات الهيدروجين. عادةً لا يحتوي الميل المكعب من الفضاء بين النجوم على أكثر من حفنة من ذرات الهيدروجين و الذرات الأخرى.

يتواجد الهيدروجين على سطح الأرض بشكل رئيسي على هيئة الماء. كل جزيء من الماء يحتوي على ذرتين من الهيدروجين وذرة أكسجين. وُجِد الهيدروجين أيضًا في العديد من الصخور والمعادن. يُقدر توافره بحوالي 1500 جزء من المليون. مما يجعل الهيدروجين عاشر العناصر توافرًا في القشرة الأرضية.

يتواجد الهيدروجين أيضًا في الغلاف الجوي للأرض على نطاق ضيق جدًا. توافره هناك يُقدر بحوالي 0.000055 %. لا يتواجد الهيدروجين بوفرة في الغلاف الجوي بسبب كثافته الصغيرة. حيث يصعب على الجاذبية الأرضية أن تمسك بذرات الهيدروجين بشكل جيد. ومن ثم تطفو الذرات بعيدًا متجهةً إلى الفضاء الخارجي بكل سهولة. فمعظم ذرات الهيدروجين التي كانت متواجدة في الغلاف الجوي في لحظة ما هي الآن في الفضاء الخارجي.

نظائر عنصر الهيدروجين Hydrogen

يوجد للهيدروجين ثلاث نظائر، هيدروجين-1، هيدروجين -2، وهيدروجين -3. النظائر: هي وجود صورتين أو أكثر لنفس العنصر. تختلف النظائر عن بعضها البعض عن طريق العدد الكتلي لكلٍ منهم. العدد الكتلي: هو ذاك الرقم المكتوب على يمين اسم العنصر. يُمثل العدد الكتلي عدد البروتونات بالإضافة إلى عدد النيوترونات داخل نواة ذرة العنصر. فعدد البروتونات يحدد العنصر، بينما عدد النيوترونات في ذرة أي عنصر يمكن أن يتغير. وكل تغير يُعتبر نظير.

لنظائر الهيدروجين أسماء مميزة. يُطلق على الهيدروجين -1 اسم البروتيوم، إنه أبسط صور الهيدروجين وأكثرها شيوعًا. تحتوي جميع ذرات البروتيوم على عدد واحد بروتون وواحد إلكترون. يُمثل البروتيوم حوالي 99.9844% من الهيدروجين في الطبيعة.

بينما يُعرف الهيدروجين -2 باسم الديوتيريوم، تحتوي ذرة من الديوتيريوم على عدد واحد بروتون، وواحد إلكترون، وواحد نيوترون. يُمثل الديوتيريوم حوالي 0.0156% من الهيدروجين في الطبيعة.

ويعرف النظير الثالث للهيدروجين (هيدروجين-3) باسم التريتيوم، تحتوي الذرة من التريتيوم على عدد واحد بروتون، وواحد إلكترون، وعدد اثنين من النيوترونات.

وتشتمل النظائر أيضًا على:

يُعتبر التريتيوم نظير مشع للهيدروجين. النظير المشع: هو ذلك النظير الذي يتفكك ويبعث بعض الإشعاعات. بعض النظائر المشعة مثل التريتيوم، تتواجد في الطبيعة. كما يمكن إنتاجها في المعمل. يتم إطلاق جسيمات صغيرة جدًا نحو الذرات. تلتصق هذه الجزيئات بالذرات وتجعلها مشعة. يستخدم التريتيوم على نطاق واسع كنظير مشع ويتم الآن تصنيعه بكميات كبيرة في المعمل.

يُستخدم التريتيوم ككاشف في مجالي الصناعة والأبحاث. الكاشف هو نظير مشع الذي ظهوره أو وجوده في نظام معين يجعل من السهل الكشف عن النظام. يتم حقن النظام بالنظير في نقطة معينة. بداخل النظام يقوم النظير ببعث إشعاعاته. هذه الإشعاعات يُمكن تتبعها عن طريق وضع أجهزة الكشف حول النظام.

يُعتبر التريتيوم كاشف شائع بسبب تواجد الهيدروجين في العديد من المركبات. على سبيل المثال، فلنفترض أن عالِمًا أراد تتبع تحرك الماء داخل التربة. يستطيع العالم صنع عينة من الماء يدخل في تركيبها التريتيوم بدلًا من البروتيوم. فعندما يتحرك الماء في التربة، يُمكن تتبع طريقها عن طريق الإشعاعات التي يبعثها التريتيوم.

كما يُستخدم التريتيوم أيضًا في تصنيع قنابل الانصهار. والتي تُعرف أيضًا باسم “القنابل الهيدروجينية”. تمتزج الذرات الصغيرة معًا داخل قنابل الانصهار لتكوين ذرة أكبر. خلال هذه العملية تنطلق كمية هائلة من الطاقة. على سبيل المثال، تم اختبار أول قنبلة انصهار بواسطة الولايات المتحدة عام 1952، فوجدوا أنها تمتلك القوة التفجيرية لِ 15 مليون طن من مادة TNT. يمتزج التريتيوم مع الديوتيريوم داخل قنبلة الانصهار لتنتج ذرات الهيليوم. وتبدأ باستخدام الهيدروجين كوقود لإنتاج الطاقة.

استخراج عنصر الهيدروجين Hydrogen:

الماء هو المصدر الواضح للهيدروجين. تحتوي الأرض على كمية كافية من الماء لإنتاج الهيدروجين اللازم لاحتياجات البشر. المشكلة تكمن في استهلاك فصل جزيء الماء لطاقة كبيرة:

في الحقيقة فإن هذه الطريقة لاستخراج الهيدروجين مكلفة جدًا. فتكلفة الكهرباء عالية للغاية. لذلك فإن استخراج الهيدروجين عن طريق فصل الماء ليس بالأمر الاقتصادي. غير أنه يوجد العديد من الطرق الأخرى لاستخراج الهيدروجين. على سبيل المثال، تمرير البخار على الفحم الساخن (الأقرب للكربون النقي):

يمكن استخدام نفس التفاعل مع البخار وأي مركب كربوني آخر. مثل: الميثان، أو الغاز الطبيعي (CH₄)، والتفاعل هو:

كما يمكن صنع الهيدروجين عن طريق البخار وأول أكسيد الكربون CO:

ولما كان لعنصر الهيدروجين من أهمية، فقد تم اختراع العديد من الطرق الأخرى لإنتاجه، ولكن هذه الطرق التي تم ذكرها هي الأقل تكلفةً.

استخدامات عنصر الهيدروجين Hydrogen:

• تُعتبر صناعة الأمونيا NH₃ هي الاستخدام الأكثر أهمية للهيدروجين، الأمونيا هي مركب من الهيدروجين والنيتروجين عند ضغط ودرجة حرارة مرتفعين وفي وجود عامل حفاز. العامل الحفاز عبارة عن مادة تُستخدم لتسريع أو تبطيء التفاعل الكيميائي. ولا يُحدث العامل الحفاز أي تغير في التفاعل الكيميائي.
• تُعد الأمونيا مركب مهم جدًا، فهي تُستخدم في صنع العديد من المنتجات، من أهمها الأسمدة.
• كذلك يُستخدم الهيدروجين في العديد من التفاعلات المشابهة. على سبيل المثال، يمكن إضافته إلى أول أكسيد الكربون لإنتاج الميثانول أو الميثيل كحول أو الكحول الخشبي (CH₃OH):
• يُستخدم التريتيوم (النظير الثالث للهيدروجين) في صناعة قنابل الانصهار.
• ويُعد لكلٍ من الأمونيا والميثانول استخدامات جزئية في صناعات مختلفة. فمن أهم استخدامات الميثانول هي صناعة المواد الكيميائية الأخرى، مثل تلك المواد التي تُستخدم في صناعة البلاستيك. وتُستخدم كميات قليلة كمواد مُضافة للوقود (الجازولين) لتقليل تلوث البيئة. ويُستخدم الميثانول على مدى واسعٍ أيضًا كمادة مذيبة في الصناعة لإذابة المواد الأخرى.
• ويوجد استخدام آخر هام للهيدروجين في صناعة المعادن النقية. حيث يتم تمرير غاز الهيدروجين على أكسيد المعدن الساخن ليَنتُج المعدن النقي.
• على سبيل المثال، يُمكن تحضير الموليبدينيوم عن طريق تمرير غاز الهيدروجين على أكسيد الموليبدينيوم الساخن:

انفجار هيندنبورغ:

كان هيندنبورغ أكبر منطاد هوائي ألماني لنقل الركاب. تم بناءه عام 1936 كخط جوي فاخر، مما جعل الرحلة إلى الولايات المتحدة تستغرق وقتًا أقل من الرحلة البحرية.

صُممت هيندنبورغ لتمتلئ بغاز الهيليوم، والذي يُعتبر الغاز الأكثر أمانًا من غاز الهيدروجين سريع الاشتعال. لكن ما حدث بعد انتهاء فترة الحرب العالمية الثانية أن الولايات المتحدة شككت بأمر القائد الألماني الجديد أدولف هيتلر Adolf Hitle وأن لديه مخططات عسكرية باستخدام المناطيد المليئة بالهيليوم. لذلك رفضت الولايات المتحدة بيع الهيليوم لشركة  Zeppelin air-ship. وتبعًا لذلك تم استخدام 7 مليون قدم مكعب من الهيدروجين بدلًا من الهيليوم. مما تسبب بتوتر طاقم المنطاد وخوفهم من احتمالية حدوث حريق. ولضمان سلامة الرحلة قاموا بتفتيش الركاب وإخلاءهم من جميع أعواد الثقاب أثناء صعودهم المنطاد.

وفي الثالث من مايو عام 1937 انطلق المنطاد هيندنبروغ من فرانكفورت-ألمانيا إلى ليكهرست في نيوجيرسي. وأثناء رحلة الطيران حلق المنطاد فوق أراضي هولندا، مرورًا بالقناة الإنجليزية، وعبر كندا، ومن ثم إلى الولايات المتحدة. أدت سوء الأحوال الجوية إلى إبطاء سرعة المنطاد والرحلة العديد من المرات، مما أدى إلى طول مدة الرحلة عن المخطط له. ولكن أخيرًا وصل المنطاد مجال ليكهرست في السادس من مايو حوالي الساعة السابعة مساءً.

وبعد عدة دقائق من المناورات بسبب الأمطار والرياح، قام أفراد طاقم المنطاد بإسقاط الحبال إلى الأرض في الساعة 7:21. كان المنطاد على بعد 200 قدم من الأرض. وبعد أربع دقائق ظهرت شعلة صغيرة على سطح المنطاد، وسمع أفراد الطاقم صوت فرقعة وشعروا بارتجاف. وبعد ثوانٍ، انفجر منطاد هيندنبورغ. وبدأ يتساقط الهيدروجين المشتعل من الأعلى. وفي غضون 32 ثانية احترق المنطاد بالكامل، وانهار الإطار الخارجي، وسقط المنطاد بالكامل محترقًا على الأرض. مات في هذا الحادث ستٌ وثلاثون شخصًا، ونجا بأعجوبة اثنان وستون.

ويضم أيضًا:

وتُعتبر عملية الهدرجة إجراءً مهمًا في صناعة الغذاء. حيث يتم خلال عملية الهدرجة إضافة الهيدروجين كيميائيًا إلى مادة أخرى. التفاعل الحادث بين الهيدروجين وأول أكسيد الكربون يُعتبر مثالًا لعملية الهدرجة. تحدث الهدرجة كثيرًا للزيوت السائلة. حيث تتحول عن طريق هذه العملية إلى دهون صلبة. تحتوي معظم المطابخ على غذاء به زيوت مُهدرجة أو حتى مُهدرجة جزئيًا. وتُعتبر الدهون النباتية مثل زيت كريسكو (ماركة تجارية)، مثالًا جيدًا. وتسهل عملية الهدرجة من عملية الأيض (التفكيك) والانتقال.

ويُستخدم الهيدروجين أيضًا في مخلوط الأكسي هيدروجين (أكسجين+ هيدروجين)، وفي مُشعل الهيدروجين الذري (مُشعل لانجمير). يُنتج هذا المُشعل حرارة قدرها بضع آلاف درجة مئوية. وبالوصول إلى هذه الدرجة الحرارية، يُمكنه اختراق الفولاذ ومعظم المعادن الأخرى. ويُستخدم أيضًا هذا المُشعل في لحام معدنين ببعضهما البعض.

وللهيدروجين استخدام آخر في المناطيد الأخف من الهواء. حيث يُعتبر الهيدروجين الغاز الأقل كثافة بين جميع الغازات. لذلك فالمناطيد المملؤة بالهيدروجين يُمكنها رفع حمولة كبيرة جدًا. كتلك المناطيد التي لا تُستخدم لنقل البشر. ولكن خطر حدوث حريق أو انفجار كبير جدًا. ففي السادس من مايو سنة 1937، أدى احتراق الهيدروجين لتدمير المنطاد الألماني هيندنبروغ، أثناء هبوطها على أرض ليكهرست بنيو جيرسي؛ مما أدى إلى وفاة 36 شخصًا.  وفي يومنا هذا، تُستخدم المناطيد الهيدروجينية لرفع أجهزة الطقس إلى الغلاف الجوي.

ومن أشهر استخدامات الهيدروجين هو استخدامه كوقود للصواريخ. يحصل العديد من الصواريخ على الطاقة اللازمة للإقلاع عن طريق حرق الأكسجين والهيدروجين في خزان مغلق. حيث توفر الطاقة الناتجة من هذا التفاعل الدَفعة اللازمة لانطلاق الصاروخ.

حل الأزمة العالمية للطاقة:

لا يقلق معظم الناس بشأن ما يتعلق بملء سياراتهم بالوقود. فهم يعتقدون أن كلًا من الفحم، والبترول، والغاز الطبيعي سيكون متوفرًا دائمًا وأبدًا للحفاظ على تقدم الحضارة. هذه المصادر الثلاثة -الوقود الأحفوري- هي ما تبقي على تقدم الناس في حياتهم اليوم. فهم يقومون بملء سياراتهم وشاحناتهم بالوقود، وتدفئة منازلهم ومكاتبهم، وتُبقي على تشغيل المصانع.

لكن الوقود الحفري لن يبقى إلى الأبد، سيأتي زمنٌ ما سيكون فيه الوقود الحفري قد اختفى، سينفد فيه الفحم والبترول والغاز الطبيعي. وعندها إلى أي مصدر للوقود تُرى ستتجه الحضارة البشرية؟

يعتقد بعض الناس أن الهيدروجين Hydrogen هو الإجابة على السؤال المطروح. فهم يتحدثون عن اليوم الذي سيتبدل فيه عصر الوقود الأحفوري بالاقتصاد الهيدروجيني.

ومصطلح “اقتصاد الهيدروجين” يُشير إلى عالم يكون فيه احتراق الهيدروجين هو المصدر الرئيسي للطاقة. ويبدو الهيدروجين خيارًا جيدًا لسد احتياجات العالم للطاقة في المستقبل. فعندما يحترق الهيدروجين، يَنتُج عنه الماء فقط:

تنتج كمية كبيرة من الطاقة في هذا التفاعل. هذه الطاقة كافية لتشغيل السيارات، الشاحنات، القطارات، القوارب، والطائرات. كما يُمكن استخدامها كمصدر للحرارة لإبقاء الأشخاص دافئين، ولإجراء التفاعلات الكيميائية.

لماذا لا نشاهد اقتصاد الهيدروجين في يومنا هذا؟ الإجابة بسيطة، وهي ارتفاع تكلفة عملية الحصول على الهيدروجين من الماء. لم يستطع أحد إيجاد طريقة غير مكلفة لنزع الهيدروجين من الماء أو من أي مصدر آخر. حيث لا يزال التنقيب عن الفحم أو البترول أقل تكلفةً من إنتاج الهيدروجين.

لكن ليس بالضرورة أن تكون هذه الحقيقة صحيحة إلى الأبد، في يومٍ ما سيكتشف شخصٌ ما طريقةً للحصول على الهيدروجين أقل تكلفة. وعندما يحدث ذلك سيكون اليوم الذي يُولد فيه الاقتصاد الهيدروجيني.

المركبات:

تم التعرف على الملايين من المركبات الهيدروجينية. وتُعتبر مجموعة الأحماض واحدة من أهم المركبات الهيدروجينية. والحمض: هو أي مركب يحتوي على الهيدروجين في شِقه الموجب. من الأحماض الشائعة: حمض الهيدروكلوريك (HCl)، حمض الكبريتيك (H ₂ SO ₄ )، حمض النيتريك(HNO ₃ )، حمض الخليك أو الأسيتيك (HC ₂ H ₃ O ₂ )، حمض الفوسفوريك  (H ₃ PO ₄ )، وحمض الهيدروفلوريك (HF).

تدخل الأحماض في تركيب الآلاف من المواد في الطبيعة والمنتجات الاصطناعية. القائمة التالية توضح بعض الأمثلة: الخل أو حمض الأسيتيك (HC ₂ H ₃ O ₂ )، اللبن الرائب أو حمض اللاكتيك (C ₃ H ₆ O ₃ )، الليمون وباقي الفواكه الحامضة أو حمض الستريك (C ₆ H ₈ O ₇ )، المياه الغازية أو حمض الكربونيك (H ₂ CO ₃ )، حمض البطاريات أو حمض الكبريتيك (H ₂ SO ₄ )، وحمض البوريك (مبيد حشري).

الآثار الصحية:

يُعتبر الهيدروجين ضروريًا لحياة كل النباتات والحيوانات. فتقريبًا جميع خلايا الكائنات الحية تحتوي على الهيدروجين. وهو لا يُعد ضارًا للإنسان ما لم يُؤخذ بكميات كبيرة. وفي هذه الحالة، يُعد خطرًا حيث يقطع إمدادات الأكسجين التي يحتاجها الإنسان للتنفس.

المصدر:

Titanium, Chemical Element. Chemistry Explained. Retrieved November 30, 2019, from http://www.chemistryexplained.com/elements/C-K/Hydrogen.html