الهيدروجين Hydrogen
العنصر الأول
في ترتيب الجدول الدوري للعناصر
* تقديم :
هو العنصر الكيميائي الأول في الجدول الدوري ، رمزه الكيميائي H ورقمه الذري 1 . حيث تحتوي نواته على بروتون واحد فقط , وهو غاز عديم اللون والرائحة في الشرطين النظاميين للضغط والحرارة ، وحيد التكافؤ ، سريع الاشتعال ، ثنائي الذرة . ويعد أخف الغازات وأكثرها تواجداً في الكون حيث يوجد في الماء وفي الحموض اللاعضوية وفي كل المركبات العضوية والكائنات الحية وفي كثير من المركبات . ويرجع الفضل في اكتشافه إِلى هنري كافيندش , أما الاسم « هيدروجين » فقد أطلقه على هذا الغاز لافوازييه أي أنه يولِّد الماء عند احتراقه .
للهيدروجين نظيره isotope الديوتريوم Deuterium رمزه الكيميائي D ؛ الذي اكتشَفه العالم الأميركي أوري Urey عام 1932. وتعود أهمية هذا النظير من استعماله مهدئاً للنترونات في المفاعلات النووية ، يختلف هذا النظير عن الهدروجين العادي باحتواء نواته على نترون إضافة إلى البروتون في الهدروجين العادي. وهناك نظير آخر للهيدروجين يدعى التريتيوم Tritium، رمزه الكيميائي T , الذي تحوي نواته نترونين إضافة إلى البروتون ، وقد اكتشفه العالم ألفاريز Alvarez في جامعة كاليفورنيا .
تحضيره :
أولاً – تحضيره في المخبر :
أ – بتأثير حمض الهيدروكلوريك أو حمض الكبريت الممددين على كثير من المعادن , مثل التوتياء : H2SO4 + Zn = Zn SO4 + H2
ب – بتفاعل المعادن القلوية كالصوديوم أو البوتاسيوم مع الماء :
2Na + 2H2O = 2 NaOH + H2
ج – بتفاعل الأسس مع المعادن الأمفوتيرية Amphoteric كالألمنيوم :
2Al + 2NaOH = Al2O3,Na2O + H2
دـ – التحليل الكهربائي للماء : 2H2O = O2 + 2H2 , حيث ينطلق الهيدروجين حول المهبط , والأكسجين حول المصعد .
هـــ – كمنتج ثانوي في تحضير الصودا الكاوية بالتحليل الكهربائي لكلوريد الصوديوم .
ثانياً – تحضيره صناعياً
أ – بطريقة التحليل الكهربائي في المناطق التي تكون فيها الطاقة الكهربائية رخيصة .
ب – إمرار بخار الماء المسخن فوق فحم الكوك المتوهج: يدعى المزيج الغازي الناتج غاز الماءwater gas ، وهو ذو قيمة صناعية كبرى كوقود :C + H2O = CO + H2
جـ – من مصافي النفط : حيث يرافق عمليات التكسير المختلفة للحصول على الجازولين تشكل كميات كبيرة من الهيدروجين . وتعدّ هذه الطريقة المصدر الرئيسي للحصول على الهيدروجين .
من أهم خواص الهيدروجين وإستعمالاته :
1 – إحتراقه وإتحاده مع الأكسجين : مزيج الأكسجين والهيدروجين مستقر عند درجة الحرارة العادية ، ولكن وجود أي شرارة يؤدي إلى اتحادهما لتشكيل الماء مع إنتشار نحو 58 كيلو حريرة / مول كما في الحملاج . H2 + O2 = 2H2O2
2 – إتحاده مع النتروجين : يتحد النتروجين مع الهيدروجين في شروط خاصة مكوِّناً غاز النشادر ( الأمونيا ) : N2 + 3 H2 = 2 NH3
ويعد هذا التفاعل من التفاعلات الهامة للهيدروجين للحصول على الأسمدة الأمونيومية .
3 – هدرجته للزيوت النباتية والحيوانية : للحصول على المرغرين باستعمال النيكل كوسيط
4 – إستخدامه لرفع البالونات والمناطيد : نظرا لأنه أخف من الهواء بأربعة عشر مرة .
5 – يستخدم نظير الهيدروجين الديوتريوم في الانشطار النووي كمهدئ للنيوترونات في المفاعلات النووية .
6 – تُستعمل خلايا الوقود Fuel Cells هيدروجين – أكسجين وسائل لإنتاج طاقة نظيفة .
7 – بواسطة الاندماج النووي للهيدروجين في درجة حرارة نحو 12 مليون درجة مئوية وضغط عالى جدا فيتكون الهيليوم . وتستمد الشمس بذلك وحرارتها وكذلك النجوم . وعن طريق الاندماج النووي يفقد الهيدروجين الداخل في التفاعل أقل من 0,7 % من كتلته التي تتحول إلى طاقة وتلك هي مايسمى نقص الكتلة . ويمكن حساب الطاقة الناتجة عن ذلك النقص في الكتلة عن طريق المعادلة الشهيرة لأينشتاين وهي معادلة تكافؤ المادة والطاقة : E = mc²
حيث : m الكتلة – c سرعة الضوء في الفراغ .
8 – استعمال مركبيه الهيدرازين NH2 NH2 , أوالهكسامين Hexamine ( سداسي ميثيلين رباعي أمين ) C6H12N كوقود صلب في المحركات النفاثة والصواريخ . حيث تبلغ الطاقة الحرارية لكل منهما حوالي 80.000 حريرة أي أكثر بعشرة مرات من الطاقة الحرارية للفحم والقطفات البترولية ( الكيروسين والديزل) التي تبلغ حوالي 8.000 حريرة , فالعشرة غرام من أين منهما كافية لرفع درجة حرارة ليتر ماء من الدرجة 20 مئوية إلى الدرجة 100 مئوية .