كل شيء عن الهيدروجين

كل شيء عن الهيدروجين

التواجد في الطبيعة
الهيدروجين هو أكثر العناصر وفرة في الكون, ويمثل نحو 75 % من المواد بالكتلة ونحو 90 % بعدد الذرات. ويتواجد هذا العنصر بوفرة كبيرة في النجوم والكواكب الغازية العملاقة ولكنه شحيح للغاية في غلاف الأرض (1 جزء في المليون بالحجم). أكثر المصادر شيوعا لهذا العنصر هي الماء والذي يتكون من ذرتي هيدروجين وذرة أكسجين (H2O). كما توجد مصادر أخرى تتضمن معظم أشكال المواد العضوية (كل أشكال الحياة المعروفة) متضمنة الفحم والغاز الطبيعي وأنواع الوقود الحفري الأخرى. الميثان (CH4) يعتبر مصدرا مهما للهيدروجين.

يمكن تحضير الهيدروجين بعدة طرق كتمرير البخار على الكربون الساخن وتحلل الهيدروكربونات بالحرارة وتفاعلات القواعد القوية في محاليلها المائية مع الألومنيوم والتحليل الكهربائي للماء وتفاعلات تبادل الأحماض مع الفلزات.

ويتم إنتاج الهيدروجين بصورة كبيرة عن طريق إعادة تكوين البخار للغاز الطبيعي في درجات حرارة عالية (700-110 °C), حيث يتفاعل البخار مع الميثان لينتج أول أكسيد الكربون والهيدروجين.

CH4 + H2O → CO + 3 H2
كما يمكن الحصول على هيدروجين إضافي من أول أكسيد الكربون خلال عملية تبادل ماء غاز.


مركبات الهيدروجين
الهيدروجين أخف الغازات, يتحد مع معظم العناصر الأخرى ليكون مركبات. الهيدروجين له سالبية كهربية قدرها 2.2 ولذا فإنه يكون مركبات حيث أنه أكثر العناصر لا فلزية وأكثرها فلزية أيضا. الحالة اللافلزية يطلق عليها الهيدرايدات وفيها يكون الهيدروجين في صورة أيونات H- أو مادة مذابة في العنصر الآخر (كما في هيدرايد البالاديوم. أما الحالة الفلزية فإنها تحدث عندما يميل الهيدرجين لأن يكون رابطة تساهمية حيث أن أيون H+ سيكون عبارة عن نواة بدون إلكترونات وبالتالي سيكون لها قدرة كبيرة على جذب الإلكترونات لها. وفي الحالتين تتكون الأحماض. وعلى هذا فإنه حتى في حالة المحاليل الحمضية يمكن أن ترى أيونات مثل الهيدرونيوم (H3O+) حيث يتعلق البورتون بعنصر أخر.

يتحد الهيدروجين مع الأكسجين لتكوين الماء H2O, وتنبعث كمية كبيرة من الطاقة, كما أنه يحترق في الهواء ويحدث انفجارا. أكسيد الديتريوم D2O, يسمى الماء الثقيل. ينتج الهيدروجين مركبات كقيرة مع الكربون. ونظرا لارتباط هذه المركبات بالكائنات الحية فإن هذه المركبات يطلق عليها مركبات عضوية, ودراسة خواص هذه المركبات يطلق عليها الكيمياء العضوية.


أشكال الهيدروجين
فى الظروف العادية فإن غاز الهيدروجين خليط من نوعين من الجزيئات واللذان يختلفان عن بعضهما بطريقة الدوران حول النواة . وهذان النوعان يعرفان أورثو-هيدروجين ، بارا-هيدروجين ( وهذا يختلف عن موضوع النظائر - شاهد التالي ) الأورثو-هيدروجين يكون دوران النواة متوازي ( ويكون ثلاثيات ) ، بينما في البارا-هيدروجين يكون الدوران عكس توازي ( ويكون أحاديات ) . وفى الظروف القياسية يتكون الهيدروجين من 25 % من البارا و 75 % من الأورثو ( والذى يكلق عليه الشكل العادى للهيدروجين ) . وتعتمد نسبة الإتزان بين هذين الشكلين على الحرارة ، ولكن حيث ان الأورثو له طاقة أكبر ( في الحالة المثارة لا يكون ثابت في حالته النقية . وفى درجات ( درجة حرارة الغليان ) فإن حالة الإتزات تتكون كلها غالبا من البارا .

وحالة التحول بين النوعين بطيئة ولو تم تبريد الهيدروجين وتكثيفه سريعا ، فإنه يحتوى على كميات كبيرة من الأورثو . ومن المهم أثناء تحضير وتخزين الهيدروجين السائل حيث أن التحول بين أورثو-بارا ينتج حرارة أكبر من طاقة تبخره ويتم فقد كميات كبيرة من الهيدروجين بالتبخر بهذه الطريقة بعد عدة أيام من تسييله . ولذا فإنه يتم استخدام عوامل حفازة لتحولات أورثو-بارا خلال تبريد الهيدروجين . كما أن النوعين لهما إختلاف طفيف في الخواص الفيزيائية . فمثلا درجة الذوبان والغليان في البارا-هيدروجين أقل 0.1 كلفن من الشكل العادى .


النظائر
الهيدروجين هو العنصر الوحيد الذى له أسماء مختلفة لنظائره . ( خلال الدراسات الأولى للمواد المشعة ، كان يطلق على النظائر المشعة أسماء مختلفة عن العناصر ، ولكن لا يتم استخدام هذه الأسماء حاليا ، وبالرغم من ذلك فإن الرادون تم تسميته على اسم أحد نظائره ) . يتم استخدام الرمز D بدلا من 2H ، الرمز T بلدا من 3H وذلك للتعبير عن الديتريوم ، التريتيوم وهذا على الرغم من أن هذا ليس معتمد . ( كما أنه الرمز P محجوز للعنصر فوسفور وبالتالى لا يمكن إستخدامه للبروتيوم )

1H
أكثر نظائر الهيدروجين ثباتا و له نواة ذرة تتكون من بروتون واحد ، ويستخدم الإسم بروتيوم للتعبير عن هذا النظير .

2H
النظير الثابت الأخر يسمى ديتريوم وله نيترون إضافى في النواة ، ويكون الديتريوم 0.0184 - 0.0082 % من كل الهيدروجين (IUPAC) ، نسبة الديتريوم إلى البروتيوم تم عملها بواسطة VSMOW والمرجع القياسي هو الماء .

3H
النظير الثالث الطبيعي للهيدروجين هو تريتيوم . وتتكون نواة التريتيوم من 2 نيوترون بلإضافة إلى البروتون . وتتحلل عن طريق تحلل بيتا وله فترة عمر نصف تساوى 13.2 سنة .

4H
هيدروجين-4 تم تصنيعه بقذف التريتيوم بنواة ديتريوم سريعة الحركة . ويتحلل عن طريق إنبعاث النيترون ، وله فترة عمر نصف تساوى 9.93696x10-23 ثانية .

5H
تم التعرف على هيدروجين-5 في عام 2001 بقذف الهيدروجين بالأيونات الثقيلة . ويتحلل عن طريق إنبعاث النيترون ، وله فترة عمر نصف تساوى 8.01930x10-23 ثانية .

6H
هيدروجين-6 يتحلل عن طريق إنبعاث النيترون ، وله فترة عمر نصف تساوى 3.26500x10-22 ثانية .

7H
تم الحصول على هيدروجين-7 في عام 2003 (المقالة) في معامل ريكين اليابانية بتبريد شعاع من عالى-الطاقة من الهيليوم-8 بواسطة الهيدروجين وتم التعرف على تريتون - نواة التريتيوم - والنيوترونات الناتجة من تكسر هيدروجين-7 ، وبنفس الطريقة يمكن إنتاج والتعرف على هيدروجين-5 .


الاحتياطات
الهيدروجين غاز له قابلية كبيرة للإشتعال حتى في التركيزات القليلة حتى 4 % . كما أنه يتفاعل بشدة مع الكلور والفلور لينتج أحماض الهيدروهاليك والتى تكون مضرة للرئة والأنسجة . وعند خلطه مع الأكسجين فإن الهيدروجين ينفجر عند الإشتعال . والهيدروجين أيضا له خاصية فريدة هى أن شعلته في الهواء نظيفة تماما . وعلى هذا فإنه من الصعب معرفة حدوث أى إحتراق يحدث من تسرب الهيدروجين ، كما أنه هناك خطر كبير من أن يكون هناك حريق هيدروجين بدون أى ملاحظة .