أهم معلومات عن خصائص غاز الهيدروجين واستخداماته

غاز الهيدروجين هو أحد العناصر في الدورة الأولى من الجدول الدوري، ورمزه الكيميائي هو H ورقمه الذري هو 1، وينطبق الشيء نفسه على المجموعة فوق العنصر الأول تحت ظروف الضغط ودرجة الحرارة القياسية. ويوجد غاز الهيدروجين في الطبيعة على شكل جزيئات "H2" ويعتبر من أخف العناصر وأكثرها وفرة في الكون، يحتل الهيدروجين ثلاثة أرباع المساحة الكلية للكون لأنه يدخل في علاقة تساهمية مع معظم المركبات. واكتشف العالم هنري كافنديش الهيدروجين عام 1766، وفي هذا المقال في موقع مفاهيم نتعرف على كل ما يتعلق بغاز الهيدروجين، تابعونا.

للنشر

واتس اب شارك غرد شارك

جدول المحتويات

• غاز الهيدروجين
• من هو أول من اكتشف غاز الهيدروجين؟
• نظائر الهيدروجين
• خصائص الهيدروجين
  • 1. الخواص الفيزيائية:
  • 2. الخواص الكيميائية:
  • 3. الاستخدامات:
  • 4. السلوك في درجات الحرارة والضغط المختلفة:
• استخدامات الهيدروجين
• استخدامات غاز الهيدروجين
• معلومات عن الهيدروجين
• تطبيق الهيدروجين

غاز الهيدروجين

• غاز الهيدروجين (H₂) هو عنصر كيميائي بسيط ويمثل الغاز الأكثر وفرة في الكون. يتكون من جزيئين من الهيدروجين (H) مترابطين معًا ليشكلوا جزيء الهيدروجين (H₂). ويكون الهيدروجين في حالة غازية، وهو غاز عديم اللون، عديم الرائحة، سريع الاشتعال، غير سام، وكذلك ثنائي الذرة.
• أي ما يعادل سعر الوحدة ومن الجدير بالذكر أن العالم أنطوان لافوازييه أطلق عليه هذا الاسم.
• إنه غاز عديم اللون والرائحة، وهو العنصر الأول في الجدول الدوري ولأن ذرة الهيدروجين تحتوي على بروتون في نواتها، يتشكل الهيدروجين عن طريق مزيج من جزيئات الهيدروجين.
• وهو موجود بكثرة توجد عناصر في مياه المحيطات، الأنهار والبحيرات وكذلك في أنسجة الحيوانات والنباتات، وتتحد مع عناصر الكربون لتكوين زيوت مختلفة تتكون من الهيدروكربونات.

من هو أول من اكتشف غاز الهيدروجين؟

• في عام 1761، قام روبرت بويل بإجراء تجارب على تفاعل الحديد مع الحمض، حيث لاحظ إنتاج غاز قابل للاشتعال. لكن بويل لم يكن قد حدد الطبيعة الكيميائية لهذا الغاز بشكل كامل.
• بعد ذلك، في عام 1766، قام هنري كافنديش بإجراء تجاربه الخاصة، حيث اكتشف أن الغاز الناتج عن التفاعل بين المعادن (مثل الزنك) مع الأحماض هو غاز مستقل وله خصائص فريدة. أشار كافنديش إلى الغاز كـ "الهواء القابل للاشتعال" ولم يعترف بالهيدروجين كعنصر في تلك الفترة.
• وفي وقت لاحق، قام أنطوان لافوازييه بتحديد الغاز الذي اكتشفه كافنديش كعنصر جديد وأطلق عليه اسم الهيدروجين، والذي يعني "منتج الماء"، لأن تفاعله مع الأوكسجين ينتج الماء.

نظائر الهيدروجين

نظائر الهيدروجين هي أشكال مختلفة من الهيدروجين تحتوي على نفس العدد من البروتونات (واحد في كل منها) ولكنها تختلف في عدد النيوترونات، ويوجد للهيدروجين ثلاث نظائر رئيسية:

1. البروتيوم (Protium):

• الرمز: 1H
• التركيب: يتكون من بروتون واحد فقط ولا يحتوي على نيوترونات.
• النسبة: هو الشكل الأكثر وفرة من الهيدروجين، حيث يشكل حوالي 99.98% من الهيدروجين الطبيعي في الكون.
• الخصائص: لا يحتوي على نيوترونات، وبالتالي فإن كتلته هي الأخف.

2. الديوتيريوم (Deuterium):

• الرمز: 2H أو $D$
• التركيب: يحتوي على بروتون واحد ونيوترون واحد.
• النسبة: يشكل حوالي 0.02% من الهيدروجين في الطبيعة.
• الخصائص: يعتبر نظيرًا مستقرًا وثقيلًا مقارنة بالبروتيوم. يُستخدم في التطبيقات العلمية مثل التفاعلات النووية.

3. التريتيوم (Tritium):

• الرمز: 3H
• التركيب: يحتوي على بروتون واحد ونيوترونين.
• النسبة: هو نظير نادر للغاية، ويوجد بكميات صغيرة جدًا في الطبيعة.
• الخصائص: هو نظير مشع، وبالتالي فهو غير مستقر ويتحلل مع مرور الوقت إلى الهيليوم (He). يتم إنتاجه في مختبرات الأبحاث وبعض التفاعلات النووية.

خصائص الهيدروجين

مثل أي عنصر كيميائي، يحتوي الهيدروجين على العديد من الخصائص الفيزيائية والكيميائية التي تساهم بشكل كبير في استخدامه في الكثير من الصناعات والتحضيرات، بما في ذلك:

1. الخواص الفيزيائية:

• غاز عديم اللون والطعم والرائحة: الهيدروجين هو غاز شفاف لا لون له ولا رائحة أو طعم.
• أخف الغازات: يعتبر الهيدروجين أخف غاز في الطبيعة. وله كثافة منخفضة جدًا مقارنة بالهواء.
• قابلية الاشتعال: الهيدروجين غاز قابل للاشتعال بسهولة ويشكل مزيجًا متفجرًا مع الهواء أو الأوكسجين. عند اختلاطه بالأوكسجين في الهواء، يتكون خليط قابل للانفجار يعرف بـ "الغاز المتفجر" (الهيدروجين مع الأوكسجين).
• قابل للذوبان في الماء: الهيدروجين يذوب في الماء بشكل محدود.

2. الخواص الكيميائية:

• يتفاعل بسهولة: الهيدروجين يتفاعل بسهولة مع العديد من العناصر مثل الأوكسجين ليشكل الماء (H₂O)، وهو تفاعل يُنتج حرارة كبيرة.
• الخاصية المختزلة: الهيدروجين يعمل كعامل مختزل في العديد من التفاعلات الكيميائية، مما يعني أنه يمكنه منح إلكترونات في التفاعلات.

3. الاستخدامات:

• في الصناعة: يُستخدم الهيدروجين في صناعة الأمونيا (NH₃)، وفي إنتاج الوقود (الهيدروجين السائل)، وكذلك في تكرير النفط.
• في الطاقة النظيفة: يُعتبر الهيدروجين مصدرًا محتملاً للطاقة النظيفة، حيث يمكن استخدامه كوقود في خلايا الوقود لإنتاج الكهرباء والماء فقط كمنتج ثانوي.
• في الخلايا الشمسية: يُستخدم الهيدروجين أيضًا في بعض التطبيقات الحديثة مثل خلايا الوقود الشمسية.

4. السلوك في درجات الحرارة والضغط المختلفة:

• الهيدروجين يكون غازًا في درجات الحرارة والضغط العاديين، لكنه يصبح سائلًا عند درجات حرارة منخفضة جدًا أو ضغوط عالية جدًا.
• قد يعد الهيدروجين مادة غير سامة بسبب التجاذب الضعيف بين الجزيئات، فإن درجة غليانها منخفضة جدًا، حيث تتراوح قيمتها بين 252.77 و249.49 درجة مئوية.

استخدامات الهيدروجين

هناك الكثير من الاستخدامات التي تعود بالنفع على الإنسان نتيجة امتلاك ذلك العنصر مجموعة مميزة من الخصائص معا، وتتمثل كل تلك الاستخدامات في النقاط الآتية:

1. يُستخدم الهيدروجين بشكل رئيسي في إنتاج الأمونيا (NH₃) عبر عملية هابر (Haber process) التي تعتبر أساسية في صناعة الأسمدة.
2. يُستخدم الهيدروجين في العديد من العمليات الكيميائية مثل إنتاج الميثانول، الإيثانول، والعديد من المركبات الأخرى التي تعتمد على الهيدروجين.
3. يُعتبر الهيدروجين مصدرًا محتملاً للطاقة النظيفة. يمكن استخدامه في توليد الكهرباء من خلال خلايا الوقود، وهو لا ينتج أي انبعاثات ضارة مثل ثاني أكسيد الكربون.
4. الهيدروجين عامل مختزل للعناصر المعدنية في الخام، ولذلك يتم استخدامه في العديد من تطبيقات الفيزياء والهندسة.
5. يستخدم كغاز وقائي أثناء اللحام، ويرجع ذلك إلى لزوجته المنخفضة، فإنه يستخدم للتبريد العميق، مثل تبريد مولدات التوربينات.
6. يستخدم الهيدروجين مع النيتروجين لاكتشاف التسربات المجهرية في محطات توليد الطاقة والصناعات المتعددة.
7. يمكن استخدام الهيدروجين كبديل للطاقة، وبالفعل يتم استخدامه حالياً.
8. يُستخدم الهيدروجين في الطب كعلاج لبعض الأمراض، حيث توجد دراسات تجريبية تشير إلى أنه قد يساعد في تقليل التأثيرات الضارة للأوكسدة في الجسم. يُستخدم أيضًا في بعض التطبيقات مثل العلاج بالهيدروجين المُذَاب.
9. يُستخدم الهيدروجين في تكرير النفط لتحويل النفط الخام إلى منتجات قابلة للاستخدام مثل البنزين والديزل. كما يُستخدم في إزالة الكبريت من الوقود لتحسين جودته.

استخدامات غاز الهيدروجين

للهيدروجين استخدامات عديدة في حياتنا اليومية، وأهمها:

• يستخدم الهيدروجين كمصدر وقود نظيف.
• يستخدم في صناعة الزجاج لأنه يمكن استخدامه كطلاء حراري عند صنع رقائق الزجاج المسطح.
• يتم استخدامه في صناعة الأسمدة الزراعية لأنه يدخل في تكوين الأمونيا من خلال عملية تسمى Harper وهي الأساس لمعظم أنواع الأسمدة.
• بسبب كثافته المنخفضة، يتم استخدامه لملء المناطيد والمناطيد.
• يتم استخدامه لصنع الزبدة لأن الهيدروجين يستخدم في هدرجة الزيت وتحويله إلى دهون.
• يستخدم كغاز مضيء لصنع رقائق السيليكون لصناعة الإلكترونيات ويستخدم كوقود للصواريخ.

معلومات عن الهيدروجين

• هذا الغاز هو أخف عنصر كيميائي موجود على سطح الأرض.
• هذا الغاز هو أكثر الغازات وفرة في الكون، حيث يمثل 75٪ من إجمالي مساحة الكون.
• اكتشف الغاز العالم (هنري كافنديش) عام 176 بعد الميلاد.
• الهيدروجين هذا الغاز ليس له لون.
• الغاز غير معدني وتكوينه الإلكتروني هو 1s1.
• تبلغ طاقة تأين الغاز حوالي 1312 كيلوجول / مول، وتقارب الإلكترون 72.8 كيلوجول / مول.
• فيما يتعلق بالكهرباء، فهي 2.2.
• عند الحديث عن خصائص ذرات الهيدروجين يذكر أن نصف قطر الذرة هو 53 * 10 ^ -12 متر.
• وفقًا للتقارير، تبلغ درجة حرارة غليان الغاز حوالي 20.28 كلفن، ودرجة حرارة الانصهار 14.01 كلفن.
• تبلغ سرعة الصوت الذي يمر عبر ذرات الهيدروجين حوالي 1270 مترًا في الثانية.
• يوجد الهيدروجين في شكل جزيئي في معظم الحالات لأنه يشكل روابط تساهمية مع ذرات أخرى، خاصة في تكوين الماء والمركبات العضوية.
• كيميائيًا، تتكون ذرة الهيدروجين من بروتون وإلكترون، لذلك تم الاعتماد عليها عند شرح نظرية التركيب الذري.
• يتم إنتاج الهيدروجين صناعيًا عن طريق إجراء عملية التحليل الكهربائي للماء.
• اكتشف العلماء أن هناك ثلاثة نظائر رئيسة للهيدروجين pro وdeuterium وtri.

تطبيق الهيدروجين

للهيدروجين استخدامات وتطبيقات عديدة وهي كالآتي:

• يستخدم كوقود لأنماط النقل المختلفة، مثل: الطائرات والسيارات.
• يستخدم الغاز كبطارية في جهاز كمبيوتر شخصي محمول.
• يستخدم الغاز لتوليد طاقة حرارية.
• يتم استخدامه كوقود رئيسي للمفاعلات النووية.
• يستخدم هذا الغاز كغاز درع أثناء اللحام.
• يتم استخدامه لاكتشاف التسريبات الدقيقة في الأنظمة المستخدمة في محطات توليد الطاقة والصناعة الكيميائية.