الهيدروجين - ما هو؟ الخصائص والمعنى. الأشكال الجزيئية الأولية

العنصر الكيميائي الأكثر شيوعا في الكون هو الهيدروجين. وهذه نقطة بداية بحد ذاتها، لأنها موجودة في الجدول الدوري العدد الذرييساوي واحدا. وتأمل الإنسانية أن تتمكن من معرفة المزيد عنها باعتبارها واحدة من أكثر المركبات الممكنة في المستقبل. الهيدروجين هو العنصر الأبسط والأخف وزنا والأكثر شيوعا، وهو موجود كثيرا في كل مكان - خمسة وسبعون في المائة من الكتلة الإجمالية للمادة. وهو موجود في أي نجم، وخاصة في عمالقة الغاز. دورها في تفاعلات الاندماج النجمي هو المفتاح. بدون الهيدروجين لا يوجد ماء، مما يعني أنه لا توجد حياة. يتذكر الجميع أن جزيء الماء يحتوي على ذرة أكسجين واحدة، وذرتان فيه هيدروجين. هذه هي الصيغة المعروفة H2O.

كيف نستخدمها

تم اكتشاف الهيدروجين عام 1766 على يد هنري كافنديش أثناء تحليل تفاعل أكسدة المعدن. وبعد عدة سنوات من الملاحظات، أدرك أنه أثناء احتراق الهيدروجين، يتكون الماء. في السابق، قام العلماء بعزل هذا العنصر، لكنهم لم يعتبروه مستقلا. في عام 1783، تلقى الهيدروجين اسم الهيدروجين (مترجم من اليونانية "هيدرو" - الماء، و "جين" - للولادة). العنصر الذي ينتج الماء هو الهيدروجين. هذا غاز صيغته الجزيئية هي H2. إذا كانت درجة الحرارة قريبة من درجة حرارة الغرفة والضغط طبيعي، فإن هذا العنصر غير محسوس. قد لا يتم حتى اكتشاف الهيدروجين بواسطة الحواس البشرية - فهو لا طعم له، وعديم اللون، وعديم الرائحة. ولكن تحت الضغط وعند درجة حرارة -252.87 درجة مئوية (بارد جدًا!) يسيل هذا الغاز. يتم تخزينه بهذه الطريقة، لأنه في شكل غاز يشغل مساحة أكبر بكثير. ويستخدم الهيدروجين السائل كوقود للصواريخ.

يمكن أن يصبح الهيدروجين صلبًا ومعدنيًا، لكن هذا يتطلب ضغطًا عاليًا للغاية، وهذا بالضبط ما يفعله الآن أبرز العلماء - الفيزيائيين والكيميائيين. بالفعل الآن يعمل هذا العنصر كوقود بديل للنقل. استخدامه مشابه لكيفية عمل محرك الاحتراق الداخلي: عندما يتم حرق الهيدروجين، يتم إطلاق الكثير منه الطاقة الكيميائية. كما تم أيضًا تطوير طريقة لإنشاء خلية وقود تعتمد عليها عمليًا: عند دمجها مع الأكسجين، يحدث تفاعل، ومن خلاله يتكون الماء والكهرباء. ربما، قريبا سوف "يتحول" النقل من البنزين إلى الهيدروجين - يهتم الكثير من شركات صناعة السيارات بإنشاء مواد بديلة قابلة للاحتراق، وهناك نجاحات. لكن محرك الهيدروجين البحت لا يزال في المستقبل، وهناك العديد من الصعوبات هنا. ومع ذلك، فإن المزايا تتمثل في أن إنشاء خزان وقود بالهيدروجين الصلب يجري على قدم وساق، ولن يتراجع العلماء والمهندسون.

معلومات اساسية

الهيدروجين (lat.) - الهيدروجين أولاً رقم سريفي الجدول الدوري، يُشار إليه بـ H. تبلغ كتلة ذرة الهيدروجين 1.0079، وهو غاز لا يحتوي على الظروف العاديةلا طعم ولا رائحة ولا لون. لقد وصف الكيميائيون منذ القرن السادس عشر شيئًا معينًا غاز قابل للاشتعال، يدل على ذلك بشكل مختلف. لكنها نجحت مع الجميع في ظل نفس الظروف، عندما تعرض المعدن للحمض. الهيدروجين، حتى من قبل كافنديش نفسه، كان يسمى ببساطة "الهواء القابل للاشتعال" لسنوات عديدة. فقط في عام 1783، أثبت لافوازييه أن الماء له تركيبة معقدة من خلال التركيب والتحليل، وبعد أربع سنوات أعطى "الهواء القابل للاحتراق" اسمه الحديث. جذر هذا كلمة مركبةيستخدم على نطاق واسع عندما يكون من الضروري تسمية مركبات الهيدروجين وأي عمليات تشارك فيها. على سبيل المثال، الهدرجة، الهيدريد وما شابه ذلك. أ الاسم الروسياقترح في عام 1824 من قبل م. سولوفيوف.

في الطبيعة، توزيع هذا العنصر ليس له مثيل. في الغلاف الصخري والغلاف المائي لقشرة الأرض، تبلغ كتلتها واحدًا بالمائة، لكن ذرات الهيدروجين تصل إلى ستة عشر بالمائة. الماء هو الأكثر وفرة على الأرض، و11.19٪ من كتلته عبارة عن هيدروجين. ومن المؤكد أيضًا أنه موجود تقريبًا في جميع المركبات التي يتكون منها النفط والفحم وجميع الغازات الطبيعية والطين. يوجد الهيدروجين في جميع الكائنات الحية من النباتات والحيوانات - في البروتينات والدهون والأحماض النووية والكربوهيدرات وما إلى ذلك. الحالة الحرة ليست نموذجية بالنسبة للهيدروجين ولا تحدث أبدًا - فهي قليلة جدًا في الغازات الطبيعية والبركانية. وتوجد كمية ضئيلة جداً من الهيدروجين في الغلاف الجوي تبلغ 0.0001% بعدد الذرات. لكن تيارات كاملة من البروتونات تمثل الهيدروجين في الفضاء القريب من الأرض، والذي يشكل حزام الإشعاع الداخلي لكوكبنا.

فضاء

لا يوجد عنصر شائع في الفضاء مثل الهيدروجين. ويبلغ حجم الهيدروجين الموجود في عناصر الشمس أكثر من نصف كتلتها. تنتج معظم النجوم الهيدروجين على شكل بلازما. الجزء الأكبر من الغازات المختلفة للسدم والوسط النجمي يتكون أيضًا من الهيدروجين. وهو موجود في المذنبات وفي الغلاف الجوي لعدد من الكواكب. بطبيعة الحال، ليس في شكل نقي، - أحيانًا على شكل H 2 حر، أحيانًا على شكل ميثان CH 4، أحيانًا على شكل أمونيا NH 3، حتى مثل الماء H 2 O. الجذور CH، NH، SiN، OH، PH وما شابه ذلك شائعة جدًا. كتيار من البروتونات، الهيدروجين هو جزء من الإشعاع الشمسي الجسيمي و الأشعة الكونية.

في الهيدروجين العادي، خليط من نظيرين مستقرين هو الهيدروجين الخفيف (أو البروتيوم 1H) والهيدروجين الثقيل (أو الديوتيريوم - 2H أو D). هناك نظائر أخرى: التريتيوم المشع - 3 H أو T، وإلا - الهيدروجين فائق الثقل. وأيضا 4 H غير مستقر للغاية. في الطبيعة، يحتوي مركب الهيدروجين على نظائر بالنسب التالية: لذرة واحدة من الديوتيريوم يوجد 6800 ذرة بروتيوم. ويتكون التريتيوم في الغلاف الجوي من النيتروجين الذي يتأثر بالنيوترونات الصادرة عن الأشعة الكونية، ولكن بكميات لا تذكر. ماذا تعني أعداد الكتلة النظائرية؟ يشير الرقم إلى أن نواة البروتيوم تحتوي على بروتون واحد فقط، في حين أن الديوتيريوم لا يحتوي على بروتون فقط، بل يحتوي أيضًا على نيوترون في النواة الذرية. يحتوي التريتيوم في نواته بالفعل على نيوترونين لكل بروتون. لكن 4H يحتوي على ثلاثة نيوترونات لكل بروتون. ولذلك، فإن الخواص الفيزيائية والكيميائية لنظائر الهيدروجين مختلفة جدًا مقارنة بنظائر جميع العناصر الأخرى - فالفرق في الكتلة كبير جدًا.

الهيكل والخصائص الفيزيائية

هيكل ذرة الهيدروجين هو الأبسط مقارنة بجميع العناصر الأخرى: نواة واحدة - إلكترون واحد. إمكانات التأين - طاقة ربط النواة بالإلكترون - 13.595 إلكترون فولت. وبسبب بساطة هذا الهيكل على وجه التحديد، تعتبر ذرة الهيدروجين ملائمة كنموذج ميكانيكا الكمعندما تحتاج إلى حساب مستويات الطاقة للذرات الأكثر تعقيدًا. يوجد في جزيء H2 ذرتان مرتبطتان برابطة تساهمية كيميائية. طاقة الاضمحلال عالية جدًا. يمكن تكوين الهيدروجين الذري في التفاعلات الكيميائية مثل الزنك وحمض الهيدروكلوريك. ومع ذلك، لا يحدث أي تفاعل عمليًا مع الهيدروجين - فالحالة الذرية للهيدروجين قصيرة جدًا، وتتحد الذرات على الفور لتشكل جزيئات H 2.

من الناحية الفيزيائية، الهيدروجين هو الأخف وزنا المواد المعروفة- أخف من الهواء بأكثر من أربعة عشر مرة (تذكر أن البالونات تطير بعيدًا أثناء العطلات - فهي تحتوي على الهيدروجين بداخلها). ومع ذلك، فإنه يمكن أن يغلي، ويسيل، ويذوب، ويتجمد، والهيليوم فقط هو الذي يغلي ويذوب بدرجة أكبر. درجات الحرارة المنخفضة. من الصعب تسييله، حيث تحتاج إلى درجة حرارة أقل من -240 درجة مئوية. ولكن لديها الموصلية الحرارية العالية جدا. إنه غير قابل للذوبان في الماء تقريبًا، لكنه يتفاعل جيدًا مع هيدروجين المعادن - فهو يذوب في كل شيء تقريبًا، والأفضل من ذلك كله في البلاديوم (يستغرق حجم واحد من الهيدروجين ثمانمائة وخمسين مجلدًا). الهيدروجين السائل خفيف وسائل، وعندما يذوب في المعادن، فإنه غالبًا ما يدمر السبائك بسبب التفاعل مع الكربون (الصلب، على سبيل المثال)، ويحدث الانتشار وإزالة الكربون.

الخواص الكيميائية

في المركبات، في معظم الأحيان، يظهر الهيدروجين حالة أكسدة (تكافؤ) قدرها +1، مثل الصوديوم والمعادن القلوية الأخرى. ويعتبر بمثابة نظيره لهم، حيث يقف على رأس المجموعة الأولى من النظام الدوري. لكن أيون الهيدروجين الموجود في هيدريدات المعدن مشحون بشحنة سالبة، وحالة أكسدة تبلغ -1. هذا العنصر قريب أيضًا من الهالوجينات القادرة على استبداله في المركبات العضوية. وهذا يعني أن الهيدروجين يمكن أن ينسب أيضًا إلى المجموعة السابعة من النظام الدوري. في ظل الظروف العادية، لا تختلف جزيئات الهيدروجين في النشاط، حيث تتحد فقط مع اللافلزات الأكثر نشاطًا: الفلور جيد، وإذا كان خفيفًا، مع الكلور. ولكن عند تسخينه، يصبح الهيدروجين مختلفا - فهو يتفاعل مع العديد من العناصر. يعتبر الهيدروجين الذري، مقارنة بالهيدروجين الجزيئي، نشطًا كيميائيًا للغاية، لذلك يتشكل الماء بالارتباط مع الأكسجين، ويتم إطلاق الطاقة والحرارة في نفس الوقت. في درجة حرارة الغرفة، يكون هذا التفاعل بطيئًا جدًا، ولكن عند تسخينه فوق خمسمائة وخمسين درجة، يحدث انفجار.

يستخدم الهيدروجين لتقليل المعادن لأنه يزيل الأكسجين من أكاسيدها. مع الفلور، يشكل الهيدروجين انفجارًا حتى في الظلام وفي درجة حرارة مائتين وخمسين درجة مئوية تحت الصفر. يثير الكلور والبروم الهيدروجين فقط عند تسخينه أو إضاءته، ويثير اليود فقط عند تسخينه. الهيدروجين والنيتروجين يشكلان الأمونيا (هذه هي الطريقة التي يتم بها صنع معظم الأسمدة). عند تسخينه، يتفاعل بنشاط كبير مع الكبريت، ويتم الحصول على كبريتيد الهيدروجين. من الصعب إحداث تفاعل هيدروجيني مع التيلوريوم والسيلينيوم، لكن مع الكربون النقي يحدث التفاعل بدرجة عالية جدًا درجات حرارة عالية، ويتم إنتاج غاز الميثان. يشكل الهيدروجين مركبات عضوية مختلفة مع أول أكسيد الكربون، ويؤثر الضغط ودرجة الحرارة والمحفزات على ذلك، وكل هذا له أهمية عملية كبيرة. وبشكل عام، فإن دور الهيدروجين ومركباته مهم للغاية، لأنه يعطي خصائص حمضية للأحماض البروتينية. وتتكون الرابطة الهيدروجينية مع العديد من العناصر، مما يؤثر على خواص المركبات العضوية وغير العضوية.

الاستلام والاستخدام

يتم إنتاج الهيدروجين على نطاق صناعي من الغازات الطبيعية - الغازات القابلة للاحتراق، وغاز أفران فحم الكوك، وغازات تكرير النفط. ويمكن أيضًا إنتاجه عن طريق التحليل الكهربائي حيث لا تكون الكهرباء باهظة الثمن. لكن بالطريقة الأكثر أهميةإنتاج الهيدروجين هو التفاعل التحفيزي للهيدروكربونات، وخاصة الميثان، مع بخار الماء، عند الحصول على التحويل. كما تستخدم على نطاق واسع طريقة أكسدة الهيدروكربونات بالأكسجين. إنتاج الهيدروجين من غاز طبيعيهي أرخص وسيلة. والاثنان الآخران هما استخدام غاز فرن فحم الكوك وغاز المصفاة - حيث يتم إطلاق الهيدروجين عندما يتم تسييل المكونات المتبقية. يتم تسييلها بسهولة أكبر، وبالنسبة للهيدروجين، كما نتذكر، فأنت بحاجة إلى -252 درجة.

بيروكسيد الهيدروجين يحظى بشعبية كبيرة في الاستخدام. يتم استخدام العلاج بهذا الحل في كثير من الأحيان. من غير المرجح أن يتم تسمية الصيغة الجزيئية H 2 O 2 من قبل كل هؤلاء الملايين من الأشخاص الذين يريدون أن يصبحوا شقراوات ويفتحوا شعرهم، وكذلك أولئك الذين يحبون النظافة في المطبخ. حتى أولئك الذين يعالجون الخدوش الناتجة عن اللعب مع قطة صغيرة في أغلب الأحيان لا يدركون أنهم يستخدمون العلاج بالهيدروجين. لكن التاريخ يعرف الجميع: منذ عام 1852، تم استخدام الهيدروجين لفترة طويلة في الطيران. تم إنشاء المنطاد، الذي اخترعه هنري جيفارد، على أساس الهيدروجين. كانوا يطلق عليهم زيبلين. زيبلين النازحين من السماء التطور السريعتصنيع الطائرات. في عام 1937، وقع حادث كبير عندما احترق المنطاد هيندنبورغ. بعد هذه الحادثة، لم يتم استخدام مناطيد زيبلين مرة أخرى. ولكن في نهاية القرن الثامن عشر انتشر بالوناتكانت مليئة بالهيدروجين، وكانت موجودة في كل مكان. بالإضافة إلى إنتاج الأمونيا، هناك حاجة الآن إلى الهيدروجين لإنتاج كحول الميثيل والكحوليات الأخرى والبنزين وزيت الوقود الثقيل المهدرج والوقود الصلب. لا يمكنك الاستغناء عن الهيدروجين عند اللحام، عند قطع المعادن - يمكن أن يكون الأكسجين والهيدروجين والهيدروجين الذري. والتريتيوم والديوتيريوم يعطيان الحياة للطاقة النووية. وهذه، كما نتذكر، هي نظائر الهيدروجين.

نيوميفاكين

الهيدروجين عنصر كيميائي جيد وله مراوح خاصة به. إيفان بافلوفيتش نيوميفاكين - طبيب علوم طبية، أستاذ، حائز على جائزة الدولة وله العديد من الألقاب والجوائز، من بينها. كونه طبيبًا في الطب التقليدي، يُطلق عليه لقب أفضل معالج شعبي في روسيا. كان هو الذي طور العديد من الأساليب والمبادئ لتقديم الرعاية الطبية لرواد الفضاء أثناء الرحلة. هو الذي أنشأ مستشفى فريدًا - مستشفى على متن مركبة فضائية. وفي الوقت نفسه كان منسق الدولة للطب التجميلي. الفضاء ومستحضرات التجميل. لا يهدف شغفه بالهيدروجين إلى جني أموال كبيرة، كما هو الحال الآن في الطب المنزلي، ولكن على العكس من ذلك، تعليم الناس كيفية علاج أي شيء حرفيًا باستخدام علاج بسيط، دون زيارة إضافية إلى الصيدلية.

إنه يعزز العلاج باستخدام دواء موجود في كل منزل حرفيًا. هذا هو بيروكسيد الهيدروجين. يمكنك انتقاد Neumyvakin بقدر ما تريد، وسيظل يصر من تلقاء نفسه: نعم، في الواقع، يمكن علاج كل شيء حرفيًا باستخدام بيروكسيد الهيدروجين، لأنه يشبع الخلايا الداخلية للجسم بالأكسجين، ويدمر السموم، ويعيد الحموضة وتطبيعها. التوازن القلوي، ومن هنا يتم تجديد الأنسجة، وتجديد شباب الجسم بأكمله. لم ير أحد حتى الآن أي شخص يعالج ببيروكسيد الهيدروجين، ناهيك عن فحصه، لكن نيوميفاكين يدعي أنه باستخدام هذا العلاج، يمكنك التخلص تمامًا من الأمراض الفيروسية والبكتيرية والفطرية، ومنع تطور الأورام وتصلب الشرايين، وهزيمة الاكتئاب، وتجديد الشباب. الجسم ولا يمرض أبدًا ARVI ونزلات البرد.

الحل الناجع

إيفان بافلوفيتش واثق من أنه مع الاستخدام السليم لهذا الدواء البسيط واتباع جميع التعليمات البسيطة، يمكنك التغلب على العديد من الأمراض، بما في ذلك الأمراض الخطيرة للغاية. القائمة ضخمة: من أمراض اللثة والتهاب اللوزتين إلى احتشاء عضلة القلب والسكتات الدماغية والسكري. تختفي أشياء تافهة مثل التهاب الجيوب الأنفية أو الداء العظمي الغضروفي من جلسات العلاج الأولى. حتى الأورام السرطانيةفيخافون ويهربون من بيروكسيد الهيدروجين لأنه يتم تحفيز جهاز المناعة وتنشيط حياة الجسم ودفاعه.

وحتى الأطفال يمكن علاجهم بهذه الطريقة، إلا أنه من الأفضل للنساء الحوامل الامتناع عن تناول بيروكسيد الهيدروجين في الوقت الحالي. لا يُنصح أيضًا بهذه الطريقة للأشخاص الذين يخضعون لعمليات زرع الأعضاء بسبب احتمال عدم توافق الأنسجة. يجب مراعاة الجرعة بدقة: من نقطة واحدة إلى عشرة، إضافة واحدة كل يوم. ثلاث مرات في اليوم (ثلاثون قطرة من محلول ثلاثة بالمائة من بيروكسيد الهيدروجين يوميًا، واو!) قبل نصف ساعة من تناول الطعام. يمكن إعطاء المحلول عن طريق الوريد وتحت إشراف طبي. في بعض الأحيان يتم دمج بيروكسيد الهيدروجين مع أدوية أخرى للحصول على تأثير أكثر فعالية. يتم استخدام المحلول داخليًا فقط في شكل مخفف - بالماء النظيف.

خارجيا

حتى قبل أن يبتكر البروفيسور نيوميفاكين طريقته، كانت الكمادات والشطف شائعة جدًا. يعلم الجميع أنه، وكذلك كمادات الكحول، لا يمكن استخدام بيروكسيد الهيدروجين في شكله النقي، لأنه سوف يسبب حروق الأنسجة، ولكن الثآليل أو الالتهابات الفطرية مشحمة محليا بمحلول قوي - ما يصل إلى خمسة عشر في المئة.

بالنسبة للطفح الجلدي والصداع، يتم أيضًا إجراء إجراءات تتضمن بيروكسيد الهيدروجين. يجب أن يتم الضغط باستخدام قطعة قماش قطنية مبللة بمحلول مكون من ملعقتين صغيرتين من ثلاثة بالمائة بيروكسيد الهيدروجين وخمسين ملليجرامًا. ماء نظيف. قم بتغطية القماش بالفيلم ولفه بالصوف أو بمنشفة. تستمر الكمادة من ربع ساعة إلى ساعة ونصف في الصباح والمساء حتى الشفاء.

رأي الأطباء

تنقسم الآراء، وليس الجميع سعداء بخصائص بيروكسيد الهيدروجين، علاوة على ذلك، فهم لا يصدقونها فحسب، بل يضحكون عليها. من بين الأطباء هناك أيضًا أولئك الذين دعموا نيوميفاكين بل وتبنوا تطوير نظريته، لكنهم أقلية. معظميعتبر الأطباء أن هذا النوع من العلاج ليس غير فعال فحسب، بل يكون أيضًا كارثيًا في كثير من الأحيان.

في الواقع، لا توجد حتى الآن حالة واحدة مثبتة رسميًا تم فيها علاج المريض باستخدام بيروكسيد الهيدروجين. وفي الوقت نفسه لا توجد معلومات عن تدهور الصحة نتيجة استخدام هذه الطريقة. لكن الوقت الثمين يضيع، والشخص الذي أصيب بأحد الأمراض الخطيرة ويعتمد بشكل كامل على الدواء الشافي لنيوميفاكين، يخاطر بالتأخر عن بدء علاجه التقليدي الحقيقي.

في الجدول الدوري، يقع الهيدروجين في مجموعتين من العناصر المتعارضة تمامًا في خصائصها. هذه الميزةاجعلها فريدة تمامًا. الهيدروجين ليس مجرد عنصر أو مادة، ولكنه أيضًا جزء لا يتجزأ من العديد من المركبات المعقدة، العضوية و العنصر الحيوي. لذلك، دعونا ننظر إلى خصائصه وخصائصه بمزيد من التفصيل.

لوحظ إطلاق الغازات القابلة للاشتعال أثناء تفاعل المعادن والأحماض في القرن السادس عشر، أي أثناء تكوين الكيمياء كعلم. قام العالم الإنجليزي الشهير هنري كافنديش بدراسة المادة ابتداءً من عام 1766 وأطلق عليها اسم "الهواء القابل للاحتراق". عند حرقه، أنتج هذا الغاز الماء. لسوء الحظ، فإن تمسك العالم بنظرية الفلوجستون (افتراضية "المادة متناهية الصغر") منعه من التوصل إلى الاستنتاجات الصحيحة.

قام الكيميائي والطبيعي الفرنسي أ. لافوازييه، مع المهندس ج. مونييه وبمساعدة مقاييس الغاز الخاصة، بتركيب الماء في عام 1783، ثم قام بتحليله من خلال تحلل بخار الماء بالحديد الساخن. وهكذا تمكن العلماء من التوصل إلى الاستنتاجات الصحيحة. ووجدوا أن "الهواء القابل للاحتراق" ليس فقط جزءا من الماء، بل يمكن الحصول عليه منه أيضا.

في عام 1787، اقترح لافوازييه أن الغاز قيد الدراسة كان مادة بسيطة، وبالتالي، ينتمي إلى المادة الأولية. العناصر الكيميائية. أطلق عليه اسم الهيدروجين (من الكلمات اليونانيةهيدور - ماء + جيناو - أنجب)، أي "أنجب الماء".

تم اقتراح الاسم الروسي "الهيدروجين" في عام 1824 من قبل الكيميائي م. سولوفييف. كان تحديد تركيبة الماء بمثابة نهاية "نظرية الفلوجستون". في مطلع القرنين الثامن عشر والتاسع عشر، ثبت أن ذرة الهيدروجين خفيفة جدًا (مقارنة بذرات العناصر الأخرى) وتم أخذ كتلتها كوحدة أساسية لمقارنة الكتل الذرية، حيث حصلت على قيمة تساوي 1.

الخصائص الفيزيائية

الهيدروجين هو أخف مادة عرفها العلم (فهو أخف من الهواء بـ 14.4 مرة)، وكثافته 0.0899 جم/لتر (1 ضغط جوي، 0 درجة مئوية). هذه المادةيذوب (يتجمد) ويغلي (يسيل)، على التوالي، عند -259.1 درجة مئوية و -252.8 درجة مئوية (الهيليوم فقط لديه درجات حرارة غليان وذوبان أقل).

درجة الحرارة الحرجة للهيدروجين منخفضة للغاية (-240 درجة مئوية). ولهذا السبب، فإن تسييلها عملية معقدة ومكلفة إلى حد ما. يبلغ الضغط الحرج للمادة 12.8 كجم/سم²، والكثافة الحرجة 0.0312 جم/سم³. من بين جميع الغازات، يتمتع الهيدروجين بأعلى موصلية حرارية: عند 1 atm و0 درجة مئوية يساوي 0.174 واط/(mxK).

تبلغ السعة الحرارية النوعية للمادة تحت نفس الظروف 14.208 كيلوجول/(كجم×ك) أو 3.394 كالوري/(غ درجة مئوية). هذا العنصر قابل للذوبان بشكل طفيف في الماء (حوالي 0.0182 مل/جم عند 1 ضغط جوي و20 درجة مئوية)، ولكنه قابل للذوبان جيدًا في معظم المعادن (Ni، Pt، Pa وغيرها)، وخاصة في البلاديوم (حوالي 850 مجلدًا لكل حجم من Pd) .

ترتبط الخاصية الأخيرة بقدرتها على الانتشار، ويمكن أن يكون الانتشار عبر سبيكة الكربون (على سبيل المثال، الفولاذ) مصحوبًا بتدمير السبيكة بسبب تفاعل الهيدروجين مع الكربون (تسمى هذه العملية بإزالة الكربون). في الحالة السائلة، تكون المادة خفيفة جدًا (الكثافة - 0.0708 جم/سم مكعب عند درجة حرارة = -253 درجة مئوية) وسائلة (اللزوجة - 13.8 سمبواز في نفس الظروف).

في العديد من المركبات، يُظهر هذا العنصر تكافؤ +1 (حالة الأكسدة)، مثل الصوديوم والمعادن القلوية الأخرى. وعادة ما يعتبر بمثابة التناظرية لهذه المعادن. وعليه فهو يرأس المجموعة الأولى من النظام الدوري. في هيدريدات المعادن، يُظهر أيون الهيدروجين شحنة سالبة (حالة الأكسدة هي -1)، أي أن Na + H- له بنية مشابهة لـ Na + Cl- كلوريد. وبناء على ذلك وبعض الحقائق الأخرى (تشابه الخواص الفيزيائية لعنصر "H" مع الهالوجينات، وإمكانية استبداله بالهالوجينات في المركبات العضوية)، يتم تصنيف الهيدروجين في المجموعة السابعة من النظام الدوري.

في ظل الظروف العادية، يكون للهيدروجين الجزيئي نشاط منخفض، حيث يتحد مباشرة فقط مع أكثر اللافلزات نشاطًا (مع الفلور والكلور، مع وجود الأخير في الضوء). بدوره، عند تسخينه، يتفاعل مع العديد من العناصر الكيميائية.

الهيدروجين الذري لديه زيادة النشاط الكيميائي(عند مقارنتها بالجزيئية). مع الأكسجين يشكل الماء وفقا للصيغة:

Н₂ + ½О₂ = Н₂О،

إطلاق 285.937 كيلو جول/مول من الحرارة أو 68.3174 كيلو كالوري/مول (25 درجة مئوية، 1 ضغط جوي). في ظل ظروف درجة الحرارة العادية، يستمر التفاعل ببطء شديد، ولا يمكن التحكم فيه عند درجة حرارة >= 550 درجة مئوية. الحدود الانفجارية لخليط الهيدروجين + الأكسجين من حيث الحجم هي 4-94% H₂، وخليط الهيدروجين + الهواء هو 4-74% H₂ (خليط من حجمين من H₂ وحجم واحد من O₂ يسمى غاز التفجير).

يستخدم هذا العنصر لاختزال معظم المعادن، حيث أنه يزيل الأكسجين من الأكاسيد:

Fe₃O₄ + 4H₂ = 3Fe + 4H₂O،

CuO + H₂ = Cu + H₂O، إلخ.

يشكل الهيدروجين هاليدات الهيدروجين مع الهالوجينات المختلفة، على سبيل المثال:

H₂ + Cl₂ = 2HCl.

ومع ذلك، عند التفاعل مع الفلور، ينفجر الهيدروجين (يحدث هذا أيضًا في الظلام عند -252 درجة مئوية)، ويتفاعل مع البروم والكلور فقط عند تسخينه أو إضاءته، ومع اليود - فقط عند تسخينه. عند التفاعل مع النيتروجين، تتشكل الأمونيا، ولكن فقط على محفز، عند ضغوط ودرجات حرارة مرتفعة:

ЗН₂ + N₂ = 2NN₃.

عند تسخينه، يتفاعل الهيدروجين بشكل نشط مع الكبريت:

H₂ + S = H₂S (كبريتيد الهيدروجين)،

وأكثر صعوبة مع التيلوريوم أو السيلينيوم. يتفاعل الهيدروجين مع الكربون النقي دون وجود عامل محفز، ولكن عند درجات حرارة عالية:

2H₂ + C (غير متبلور) = CH₄ (الميثان).

تتفاعل هذه المادة مباشرة مع بعض المعادن (القلويات والقلوية الترابية وغيرها) لتشكل الهيدريدات، على سبيل المثال:

H₂ + 2Li = 2LiH.

التفاعلات بين الهيدروجين وأول أكسيد الكربون (II) لها أهمية عملية كبيرة. في هذه الحالة، اعتمادًا على الضغط ودرجة الحرارة والمحفز، يتم تشكيل مركبات عضوية مختلفة: HCHO، CH₃OH، إلخ. الهيدروكربونات غير المشبعةأثناء التفاعل تصبح مشبعة، على سبيل المثال:

С n Н₂ n + Н₂ = С n Н₂ n ₊₂.

يلعب الهيدروجين ومركباته دورًا استثنائيًا في الكيمياء. ويحدد الخواص الحمضية لما يسمى. الأحماض البروتينية، تميل إلى تكوين روابط هيدروجينية مع العناصر المختلفة، والتي لها تأثير كبير على خواص العديد من المركبات العضوية وغير العضوية.

إنتاج الهيدروجين

الأنواع الرئيسية للمواد الخام للإنتاج الصناعي لهذا العنصر هي غازات تكرير النفط والغازات الطبيعية القابلة للاحتراق وغازات أفران فحم الكوك. كما يتم الحصول عليه من الماء عن طريق التحليل الكهربائي (في الأماكن التي تتوفر فيها الكهرباء). ومن أهم طرق إنتاج المواد من الغاز الطبيعي هو التفاعل التحفيزي للهيدروكربونات، وخاصة الميثان، مع بخار الماء (ما يسمى بالتحويل). على سبيل المثال:

CH₄ + H₂O = CO + ZN₂.

الأكسدة غير الكاملة للهيدروكربونات بالأكسجين:

CH₄ + ½O₂ = CO + 2H₂.

يخضع أول أكسيد الكربون المركب (II) للتحويل:

CO + H₂O = CO₂ + H₂.

الهيدروجين المنتج من الغاز الطبيعي هو الأرخص.

يستخدم للتحليل الكهربائي للمياه العاصمة.، والتي يتم تمريرها من خلال محلول NaOH أو KOH (لا تستخدم الأحماض لتجنب تآكل المعدات). في الظروف المختبرية يتم الحصول على المادة عن طريق التحليل الكهربائي للماء أو نتيجة للتفاعل بين حمض الهيدروكلوريك والزنك. ومع ذلك، يتم استخدام مواد المصنع الجاهزة في الاسطوانات في كثير من الأحيان.

يتم عزل هذا العنصر من غازات تكرير النفط وغاز فرن فحم الكوك عن طريق إزالة جميع المكونات الأخرى لخليط الغاز، لأنها تسيل بسهولة أكبر أثناء التبريد العميق.

بدأ إنتاج هذه المادة صناعيًا في نهاية القرن الثامن عشر. في ذلك الوقت كان يستخدم لملء البالونات. في الوقت الحالي، يستخدم الهيدروجين على نطاق واسع في الصناعة، وخاصة في الصناعة الكيميائية، لإنتاج الأمونيا.

المستهلكون الشاملون للمادة هم منتجو الميثيل والكحوليات الأخرى والبنزين الاصطناعي والعديد من المنتجات الأخرى. يتم الحصول عليها عن طريق التوليف من أول أكسيد الكربون (II) والهيدروجين. يستخدم الهيدروجين لهدرجة الوقود السائل الثقيل والصلب، والدهون، وما إلى ذلك، لتخليق حمض الهيدروكلوريك، والمعالجة الهيدروجينية للمنتجات البترولية، وكذلك في قطع / لحام المعادن. أهم عناصر الطاقة النووية هي نظائرها - التريتيوم والديوتيريوم.

الدور البيولوجي للهيدروجين

حوالي 10٪ من كتلة الكائنات الحية (في المتوسط) تأتي من هذا العنصر. وهو جزء من الماء وأهم مجموعات المركبات الطبيعية، بما في ذلك البروتينات والأحماض النووية والدهون والكربوهيدرات. ما هو استخدامه ل؟

هذه الاشياء تلعب دور الحاسم: في الحفاظ على البنية المكانية للبروتينات (الرباعية)، في تنفيذ مبدأ تكامل الأحماض النووية (أي في التنفيذ والتخزين) المعلومات الجينية)، بشكل عام في "الاعتراف" على المستوى الجزيئي.

يشارك أيون الهيدروجين H+ في التفاعلات/العمليات الديناميكية المهمة في الجسم. بما في ذلك: في الأكسدة البيولوجية، التي تزود الخلايا الحية بالطاقة، في تفاعلات التخليق الحيوي، في عملية التمثيل الضوئي في النباتات، في عملية التمثيل الضوئي البكتيري وتثبيت النيتروجين، في الحفاظ على التوازن الحمضي القاعدي والتوازن، في عمليات النقل الغشائي. فهو يشكل، إلى جانب الكربون والأكسجين، الأساس الوظيفي والهيكلي لظواهر الحياة.

الهيدروجين هو أبسط العناصر وأكثرها وفرة في الطبيعة. يعرف تلاميذ المدارس الأكبر سنًا بالفعل أن تفاعلات المعادن مثل المغنيسيوم والزنك مع المخفف الأحماض غير العضويةتؤدي إلى تكوين الهيدروجين . وهم يعرفون أيضًا عن اختبار غاز الهيدروجين ذو "الفرقعة" المميزة. يتم تضمين الهيدروجين في الصيغ الأكثر اتصالات بسيطةوالتي تبدأ بها دراسة الكيمياء في المدرسة مثل الماء والميثان حمض الكبريتيكالأمونيا والإيثانول

الهيدروجين هو العنصر الأكثر وفرة في الكون. وفقًا للتقديرات الحالية، يشكل الهيدروجين أكثر من 90% من الذرات وحوالي 75% من كتلة الكون. ومن بين العناصر الموجودة على الأرض، يحتل الهيدروجين المركز التاسع من حيث وفرة العناصر. وهو يشكل 0.76% من كتلة الأرض ويتواجد في العديد من المركبات المختلفة مثل الكربون. أهم مركب هيدروجين موجود في الطبيعة هو الماء. ويوجد الهيدروجين أيضًا في المركبات العضوية مثل الفحم والنفط.

لا يعد الهيدروجين أحد العناصر الأكثر شيوعًا فحسب، بل إنه يختلف تمامًا عن جميع العناصر الأخرى في عدد من خواصه الكيميائية والفيزيائية. وبالإضافة إلى ذلك، فإنه يشكل سلسلة خاصة من المركبات. هذا هو العنصر الوحيد الذي يُسمى له نوع فريد من الروابط الكيميائية (انظر القسم 2.1). هناك مفاهيم مثل القنبلة الهيدروجينية (انظر القسم 1.3)، وبكتيريا الهيدروجين وحتى الطاقة الهيدروجينية (انظر أدناه).

بكتيريا الهيدروجين قادرة على إنتاج الطاقة عن طريق أكسدة الهيدروجين إلى الماء. هذه الطاقة ضرورية لبكتيريا الهيدروجين لاستيعاب ثاني أكسيد الكربون. وفي ظل ظروف معينة، فهي أيضًا قادرة على أكسدة بعض المركبات العضوية.

الهيدروجين هو العنصر الوحيد الذي هو غاز قابل للاشتعال. ولهذا السبب أطلق عليه الكيميائي الفلمنكي آي بي فان هيلمونت (1579-1644)، وهو أول من عزل الهيدروجين، اسم "الغاز القابل للاشتعال". في الظروف المختبرية، تم الحصول على الهيدروجين لأول مرة عن طريق عمل الحمض على الحديد بواسطة T. Mayern، وبعد ذلك (في عام 1672) بواسطة R. Boyle. في عام 1766، تمت دراسة الهيدروجين بعناية من قبل الكيميائي والفيزيائي الإنجليزي ج. كافنديش، الذي أطلق عليه اسم "الهواء القابل للاشتعال". تم تقديم اسم "الهيدروجين" من قبل لافوازييه، مكونًا المصطلح اللاتيني "الهيدروجين" من الكلمتين اليونانيتين "هيدرو" (ماء) و"جينات" (الولادة).

أنطوان لوران لافوازييه (1743-1794)

يعتبر لافوازييه مؤسس الكيمياء الحديثة. له مساهمة كبيرةفي الكيمياء هو إسقاط نظرية الفلوجستون الخاطئة. وفقا لهذه النظرية، تتكون جميع المواد القابلة للاشتعال من مكونين - فلوجيستون ومقياس. عندما تحترق مادة قابلة للاشتعال، فإنها تفقد الفلوجستون وتتحول إلى قشور ("رماد" أو "جير"). أظهر لافوازييه بشكل تجريبي أن الأكسجين الموجود في الهواء يشارك في عملية الاحتراق. كما أسس دور الأكسجين في التنفس وكان أول من ميز بين العناصر والمركبات.

أنطوان لافوازييه (من لوحة ثالستروب).

هيكل ذرة الهيدروجين

تحتوي ذرة الهيدروجين على أبسط بنية: فهي تتكون من نواة، وهي عبارة عن بروتون واحد، بالإضافة إلى إلكترون واحد، يقع في المدار ls المحيط بالنواة (انظر القسم 1.2). هذه بنية بسيطةيحدد الكثير خصائص فريدة من نوعهاهيدروجين. أولاً، ذرة الهيدروجين لها تكافؤ فقط قذيفة الإلكترون. ولذلك، فإن إلكترونه الوحيد غير محمي من عمل الشحنة النووية بواسطة الإلكترونات الداخلية. ثانيًا، يحتاج هذا الغلاف الخارجي فقط إلى اكتساب أو فقدان إلكترون واحد لتحقيق الاستقرار التكوين الإلكترونية. وأخيرًا، بما أن ذرة الهيدروجين تتكون من إلكترون واحد فقط وبروتون واحد، فهي صغيرة جدًا في الحجم. في الواقع، نصف قطرها التساهمي (0.029 نانومتر) ونصف قطر فان دير فالس (0.12 نانومتر) لهما الحد الأدنى من القيمبين جميع العناصر (انظر القسم 2.2). هذه الميزات تشرح الكثير خصائص مميزةالهيدروجين وموقعه الخاص في الجدول الدوري.

الموقف على الجدول الدوري

نظرًا لأن ذرة الهيدروجين تفقد إلكترونها الوحيد لتكوين أيون موجب مشحون بشكل فردي، يتم وضع هذا العنصر في أعلى المجموعة 1 في الجدول الدوري. ومع ذلك، على الرغم من أن الهيدروجين في ظل ظروف معينة يمكن الحصول عليها

الجدول 12.1. طاقات التأين للهيدروجين والليثيوم والصوديوم

الجدول 12.2. الارتباطات الإلكترونية للهيدروجين والفلور والكلور

الجدول 12.3. متوسط ​​المحتوى الحراري للرابطة في جزيئات الهيدروجين والفلور والكلور

الخصائص المعدنية (انظر الشكل 2.15)، في ظل الظروف العادية فإنه يظهر فقط الخصائص غير المعدنية. توضح مقارنة طاقة التأين الخاصة به مع طاقة التأين لليثيوم والصوديوم (الجدول 12.1) أن الهيدروجين يختلف كثيرًا عن عناصر المجموعة الأولى الأخرى الفلزات القلوية.

كما أن ذرة الهيدروجين قادرة أيضًا، وإن كان ذلك بصعوبة، على ربط إلكترون لتكوين أيون. وبسبب هذه الخاصية، يبدو أنه من الممكن وضعها في الأعلى المجموعة السابعةجنبا إلى جنب مع الهالوجينات. ومع ذلك، فإن الهيدروجين ليس عنصرًا p، وتبين مقارنة ألفته الإلكترونية (انظر القسم 2.1) مع ألفة الإلكترون للفلور والكلور (الجدول 12.2) أنه لا مكان له في المجموعة السابعة.

لاحظ أيضًا أنه على الرغم من أن الهيدروجين، مثل الهالوجينات، يشكل جزيئات ثنائية الذرة، إلا أن الرابطة في جزيء الهيدروجين أقوى بكثير من جزيئات الفلور أو الكلور. يمكن التحقق من ذلك من خلال مقارنة المحتوى الحراري للروابط (انظر القسم 5.3) الموضح في الجدول. 12.3.

الهيدروجين عنصر كيميائي له الرمز H و العدد الذري 1. مع الوزن الذري القياسي الذي يبلغ حوالي 1.008، فإن الهيدروجين هو أخف عنصر في الجدول الدوري. شكله الأحادي (H) هو الأكثر شيوعًا المواد الكيميائيةفي الكون، وهو ما يمثل حوالي 75% من إجمالي كتلة الباريون. تتكون النجوم بشكل رئيسي من الهيدروجين في حالة البلازما. النظائر الأكثر شيوعًا للهيدروجين، والتي تسمى البروتيوم (اسم نادرًا ما يستخدم، الرمز 1H)، تحتوي على بروتون واحد ولا تحتوي على نيوترونات. حدث الظهور الواسع النطاق للهيدروجين الذري لأول مرة خلال عصر إعادة التركيب. في درجات الحرارة والضغوط القياسية، يكون الهيدروجين غازًا ثنائي الذرة عديم اللون والرائحة والمذاق وغير سام وغير معدني وقابل للاشتعال. الصيغة الجزيئية H2. نظرًا لأن الهيدروجين يشكل روابط تساهمية بسهولة 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 الحمضية تتضمن تبادل البروتونات بين الجزيئات القابلة للذوبان. في المركبات الأيونية، يمكن للهيدروجين أن يأخذ شكل شحنة سالبة (أي أنيون)، حيث يعرف باسم هيدريد، أو كشكل موجب الشحنة (أي كاتيون)، يُشار إليه بالرمز H+. يوصف كاتيون الهيدروجين بأنه يتكون من بروتون بسيط، ولكن في الواقع تكون كاتيونات الهيدروجين في المركبات الأيونية أكثر تعقيدًا دائمًا. باعتباره الذرة المحايدة الوحيدة التي يمكن حل معادلة شرودنغر لها تحليليًا، لعب الهيدروجين (أي دراسة علم الطاقة وترابط ذرته) دورًا رئيسيًا في تطوير ميكانيكا الكم. تم إنتاج غاز الهيدروجين بشكل صناعي لأول مرة في أوائل القرن السادس عشر عن طريق تفاعل الأحماض مع المعادن. في 1766-81. كان هنري كافنديش أول من أدرك أن غاز الهيدروجين مادة منفصلة، ​​وأنه ينتج الماء عند احتراقه، وأعطاه اسمه: في اليونانية، تعني كلمة "هيدروجين" "منتج الماء". الإنتاج الصناعييرتبط إنتاج الهيدروجين في المقام الأول بإعادة تشكيل الغاز الطبيعي بالبخار، وبشكل أقل شيوعًا، بطرق أكثر استهلاكًا للطاقة مثل التحليل الكهربائي للماء. يتم استخدام معظم الهيدروجين بالقرب من مكان إنتاجه، والاستخدامان الأكثر شيوعًا هما معالجة الوقود الأحفوري (مثل التكسير الهيدروجيني) وإنتاج الأمونيا، وذلك بشكل أساسي لسوق الأسمدة. يعتبر الهيدروجين مصدر قلق في علم المعادن لأنه يمكن أن يجعل العديد من المعادن هشة، مما يجعل تصميم خطوط الأنابيب وصهاريج التخزين أمرًا صعبًا.

ملكيات

الإحتراق

غاز الهيدروجين (ثنائي الهيدروجين أو الهيدروجين الجزيئي) هو غاز قابل للاشتعال يحترق في الهواء بنطاق واسع جدًا من التركيزات يتراوح من 4% إلى 75% من حيث الحجم. المحتوى الحراري للاحتراق هو 286 كيلوجول / مول:

2 H2 (ز) + O2 (ز) → 2 H2O (ل) + 572 كيلوجول (286 كيلوجول/مول)

ويشكل غاز الهيدروجين مخاليط متفجرة مع الهواء بتركيزات من 4-74% ومع الكلور بتركيزات تصل إلى 5.95%. قد تحدث التفاعلات المتفجرة بسبب الشرر أو الحرارة أو ضوء الشمس. تبلغ درجة حرارة الاشتعال الذاتي للهيدروجين، وهي درجة الحرارة التي يشتعل فيها تلقائيًا في الهواء، 500 درجة مئوية (932 درجة فهرنهايت). تنبعث لهب الهيدروجين والأكسجين النقي من الأشعة فوق البنفسجية ومع وجود خليط عالي من الأكسجين يكاد يكون غير مرئي للعين المجردة، كما يتضح من العمود الخافت للمحرك الرئيسي لمكوك الفضاء مقارنة بالعمود المرئي للغاية لمعزز الصواريخ الصلبة لمكوك الفضاء، والذي يستخدم مركب بيركلورات الأمونيوم. قد تكون هناك حاجة إلى كاشف اللهب للكشف عن تسرب الهيدروجين المحترق؛ مثل هذه التسريبات يمكن أن تكون خطيرة للغاية. يكون لهب الهيدروجين أزرق اللون في ظروف أخرى، ويشبه اللهب الأزرق للغاز الطبيعي. يعد غرق منطاد هيندنبورغ مثالًا سيئ السمعة على حرق الهيدروجين، ولا يزال الأمر قيد المناقشة. نتجت النيران البرتقالية المرئية في هذه الحادثة 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، كلوريد الهيدروجينوفلوريد الهيدروجين، وهي أيضًا أحماض خطيرة.

مستويات الطاقة الإلكترونية

مستوى طاقة الحالة الأرضية للإلكترون في ذرة الهيدروجين هو -13.6 فولت، وهو ما يعادل فوتون الأشعة فوق البنفسجية بطول موجة يبلغ حوالي 91 نانومتر. مستويات الطاقةيمكن حساب الهيدروجين بدقة تامة باستخدام نموذج بور للذرة، الذي يصور الإلكترون على أنه بروتون "مداري"، مشابه لمدار الأرض حول الشمس. ومع ذلك، فإن الإلكترون والبروتون الذري متماسكان معًا عن طريق القوة الكهرومغناطيسية، في حين أن الكواكب والأجرام السماوية متماسكة معًا عن طريق الجاذبية. نظرًا لتقدير الزخم الزاوي الذي افترضه بور في ميكانيكا الكم المبكرة، يمكن للإلكترون في نموذج بور أن يشغل فقط مسافات معينة مسموح بها من البروتون، وبالتالي فقط بعض الطاقات المسموح بها. الوصف الأكثر دقة لذرة الهيدروجين يأتي من معالجة ميكانيكية كمومية بحتة، والتي تستخدم معادلة شرودنغر، أو معادلة ديراك، أو حتى دائرة فاينمان المتكاملة لحساب توزيع الكثافة الاحتمالية للإلكترون حول البروتون. تنتج طرق المعالجة الأكثر تعقيدًا تأثيرات صغيرة نظرية خاصةالنسبية واستقطاب الفراغ. في الآلات الكمومية، لا يمتلك الإلكترون الموجود في ذرة الهيدروجين في الحالة الأرضية عزم دوران على الإطلاق، مما يوضح كيف يختلف "المدار الكوكبي" عن حركة الإلكترون.

الأشكال الجزيئية الأولية

هناك نوعان من أيزومرات الدوران المختلفة لجزيئات الهيدروجين ثنائية الذرة، والتي تختلف في الدوران النسبي لنواتها. في شكل هيدروجين أورثوهيدروجين، تكون لفات البروتونين متوازية وتشكل حالة ثلاثية مع الدوران الجزيئي رقم الكم 1 (1/2 + 1/2)؛ في شكل باراهيدروجين، تكون السبينات غير متوازية وتشكل قطعة واحدة ذات عدد كمي مغزلي جزيئي قدره 0 (1/2 1/2). عند درجة الحرارة والضغط القياسيين، يحتوي غاز الهيدروجين على حوالي 25% من الشكل البارا و75% من الشكل الأورثوي، المعروف أيضًا باسم "الشكل العادي". تعتمد نسبة توازن أورثوهيدروجين إلى باراهيدروجين على درجة الحرارة، ولكن بما أن شكل أورثو هو حالة مثارة ولديه طاقة أعلى من شكل بارا، فهو غير مستقر ولا يمكن تنقيته. عند درجات حرارة منخفضة جدًا، تتكون حالة التوازن بشكل حصري تقريبًا من الشكل البارا. تختلف الخصائص الحرارية للمراحل السائلة والغازية من باراهيدروجين النقي بشكل كبير عن تلك الموجودة في الشكل الطبيعي بسبب الاختلافات في السعات الحرارية الدورانية، والتي تمت مناقشتها بمزيد من التفصيل في أيزومرات الهيدروجين المغزلية. تم العثور على التمييز أورثو / الزوجي أيضا في جزيئات أخرى تحتوي على الهيدروجين أو المجموعات الوظيفية، مثل الماء والميثيلين، ولكن هذا ليس له أهمية كبيرة بالنسبة لخصائصها الحرارية. يزداد التحويل البيني غير المحفز بين الفقرة وأورثو H2 مع زيادة درجة الحرارة؛ وبالتالي، يحتوي الهيدروجين المتكثف سريعًا على كميات كبيرة من الشكل المتعامد عالي الطاقة، والذي يتحول ببطء شديد إلى الشكل البارا. معامل أورثو / الفقرة في H2 المكثف هو عامل مهمفي تحضير وتخزين الهيدروجين السائل: يعتبر التحويل من أورثو إلى بخار طاردًا للحرارة ويوفر حرارة كافية لتبخير بعض سائل الهيدروجين، مما يؤدي إلى فقدان المادة المسالة. المحفزات لتحويل أورثو بارا مثل أكسيد الحديد، والكربون المنشط، والأسبستوس البلاتيني، المعادن الأرضية النادرةوتستخدم مركبات اليورانيوم وأكسيد الكروم أو بعض مركبات النيكل في التبريد بالهيدروجين.

المراحل

غاز الهيدروجين

الهيدروجين السائل

حمأة الهيدروجين

الهيدروجين الصلب

الهيدروجين المعدني

روابط

المركبات التساهمية والعضوية

في حين أن H2 ليس شديد التفاعل في ظل الظروف القياسية، فإنه يشكل مركبات مع معظم العناصر. يمكن أن يشكل الهيدروجين مركبات تحتوي على عناصر أكثر سالبية كهربية، مثل الهالوجينات (مثل F، Cl، Br، I) أو الأكسجين؛ وفي هذه المركبات، يأخذ الهيدروجين شحنة موجبة جزئية. عند الارتباط مع الفلور أو الأكسجين أو النيتروجين، يمكن أن يشارك الهيدروجين في شكل رابطة غير تساهمية قوة متوسطةمع هيدروجين جزيئات أخرى مماثلة، تحدث ظاهرة تسمى الترابط الهيدروجيني، والتي لها مهملاستقرار العديد من الجزيئات البيولوجية. يشكل الهيدروجين أيضًا مركبات تحتوي على عناصر أقل سالبية كهربية مثل المعادن وأشباه الفلزات، حيث يأخذ شحنة سالبة جزئية. تُعرف هذه المركبات غالبًا باسم الهيدريدات. يشكل الهيدروجين مجموعة واسعة من المركبات مع الكربون، تسمى الهيدروكربونات، ومجموعة أكبر من المركبات ذات الذرات غير المتجانسة، والتي، بسبب وجودها، الاتصالات العامةمع الكائنات الحية تسمى مركبات عضوية. ودراسة خواصها هو موضوع الكيمياء العضوية، ودراستها في سياق الكائنات الحية تعرف بالكيمياء الحيوية. حسب بعض التعريفات، يجب أن تحتوي المركبات "العضوية" على الكربون فقط. ومع ذلك، فإن معظمها يحتوي أيضًا على الهيدروجين، ولأن رابطة الكربون والهيدروجين هي التي تعطي هذه الفئة من المركبات معظم خصائصها الكيميائية المحددة، فإن روابط الكربون والهيدروجين مطلوبة في بعض تعريفات كلمة "عضوي" في الكيمياء. الملايين من الهيدروكربونات معروفة، وعادةً ما تتشكل من خلال مسارات اصطناعية معقدة نادرًا ما تشتمل على الهيدروجين العنصري.

هيدريدات

غالبًا ما تسمى مركبات الهيدروجين بالهيدريدات. يفترض مصطلح "هيدريد" أن ذرة H قد اتخذت طابعًا سالبًا أو أنيونيًا، يُسمى H-، ويستخدم عندما يشكل الهيدروجين مركبًا يحتوي على عنصر أكثر إيجابية كهربية. وجود أنيون هيدريد، الذي اقترحه جيلبرت ن. لويس في عام 1916 للهيدريدات المحتوية على الملح في المجموعتين 1 و2، أثبته مويرز في عام 1920 عن طريق التحليل الكهربائي لهيدريد الليثيوم المنصهر (LiH)، مما أدى إلى إنتاج كمية متكافئة من الهيدروجين عند الأنود. بالنسبة للهيدريدات بخلاف معادن المجموعة 1 و2، يكون هذا المصطلح مضللًا نظرًا لانخفاض السالبية الكهربية للهيدروجين. الاستثناء من هيدريدات المجموعة 2 هو BeH2، وهو بوليمري. 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 وتركيبة المركبات المحتملة يختلف بشكل كبير؛ على سبيل المثال، يُعرف أكثر من 100 هيدريد ثنائي بوران وهيدريد ثنائي ألومنيوم واحد فقط. لم يتم التعرف بعد على هيدريد الإنديوم الثنائي، على الرغم من وجود مجمعات كبيرة. في الكيمياء غير العضويةيمكن أن تكون الهيدريدات أيضًا بمثابة روابط تربط بين مركزين معدنيين في مجمع التنسيق. هذه الوظيفة مميزة بشكل خاص لعناصر المجموعة 13، خاصة في البورانات (هيدريدات البورون) ومجمعات الألومنيوم، وكذلك في الكاربورانات العنقودية.

البروتونات والأحماض

أكسدة الهيدروجين تزيل إلكترونه وتنتج H+، الذي لا يحتوي على إلكترونات ونواة تتكون عادة من بروتون واحد. ولهذا السبب غالبًا ما يُطلق على H+ اسم البروتون. هذا النوع أساسي في مناقشة الأحماض. وفقا لنظرية برونستد-لوري، الأحماض هي الجهات المانحة للبروتونات والقواعد هي متقبلات البروتونات. لا يمكن للبروتون المجرد H+ أن يتواجد في محلول أو في بلورات أيونية بسبب جاذبيته التي لا تقاوم للذرات أو الجزيئات الأخرى ذات الإلكترونات. وباستثناء درجات الحرارة المرتفعة المرتبطة بالبلازما، فإن مثل هذه البروتونات لا يمكن إزالتها من السحب الإلكترونية للذرات والجزيئات وستظل مرتبطة بها. ومع ذلك، يُستخدم مصطلح "بروتون" أحيانًا بشكل مجازي للإشارة إلى الهيدروجين الموجب الشحنة أو الكاتيوني المرتبط بأنواع أخرى بهذه الطريقة، وعلى هذا النحو يشار إليه باسم "H+" دون أي إشارة ضمنية إلى أن أي بروتونات فردية موجودة بحرية كنوع. لتجنب ظهور "بروتون مذاب" عارٍ في المحلول، يُعتقد أحيانًا أن المحاليل المائية الحمضية تحتوي على أنواع وهمية أقل احتمالًا تسمى "أيون الهيدرونيوم" (H3O+). ومع ذلك، حتى في هذه الحالة، يُنظر إلى كاتيونات الهيدروجين المذابة بشكل أكثر واقعية على أنها مجموعات منظمة تشكل أنواعًا قريبة من H9O+4. توجد أيونات أوكسونيوم أخرى عندما يكون الماء في محلول حمضي مع مذيبات أخرى. على الرغم من مظهره الغريب على الأرض، إلا أن أحد الأيونات الأكثر شيوعًا في الكون هو H+3، المعروف باسم الهيدروجين الجزيئي البروتوني أو كاتيون ثلاثي الهيدروجين.

النظائر

يحتوي الهيدروجين على ثلاثة نظائر موجودة بشكل طبيعي، وهي 1H و2H و3H. تم تصنيع نوى أخرى غير مستقرة للغاية (4H إلى 7H) في المختبر ولكن لم يتم ملاحظتها في الطبيعة. 1H هو النظير الأكثر وفرة للهيدروجين بنسبة تزيد عن 99.98%. نظرًا لأن نواة هذا النظير تتكون من بروتون واحد فقط، فقد أُعطيت الاسم الرسمي الوصفي ولكن نادرًا ما يستخدم. 2H، وهو نظير مستقر آخر للهيدروجين، يُعرف باسم الديوتيريوم ويحتوي على بروتون واحد ونيوترون واحد في نواته. ويعتقد أن كل الديوتيريوم الموجود في الكون تم إنتاجه أثناء الانفجار الكبير وهو موجود منذ ذلك الوقت وحتى الآن. الديوتيريوم ليس عنصرًا مشعًا ولا يشكل خطرًا سميًا كبيرًا. ويسمى الماء المخصب بجزيئات تحتوي على الديوتيريوم بدلاً من الهيدروجين العادي بالماء الثقيل. يستخدم الديوتيريوم ومركباته كمتتبع غير مشع في التجارب الكيميائيةوفي المذيبات للتحليل الطيفي 1H-NMR. يستخدم الماء الثقيل كوسيط نيوتروني ومبرد للمفاعلات النووية. الديوتيريوم هو أيضًا وقود محتمل للأغراض التجارية الاندماج النووي. يُعرف 3H باسم التريتيوم ويحتوي على بروتون واحد ونيوترونين في النواة. وهو مشع، ويتحلل إلى الهليوم -3 عن طريق اضمحلال بيتا بنصف عمر يبلغ 12.32 سنة. وهو مشع لدرجة أنه يمكن استخدامه في الطلاء المضيء، مما يجعله مفيدًا في صنع الساعات ذات الأقراص المضيئة، على سبيل المثال. الزجاج يمنع الهروب كمية كبيرةإشعاع. يتم إنتاج كمية صغيرة من التريتيوم بطبيعة الحالأثناء تفاعل الأشعة الكونية مع غازات الغلاف الجوي؛ تم إطلاق التريتيوم أيضًا أثناء تجارب الأسلحة النووية. يتم استخدامه في تفاعلات الاندماج النووي كمؤشر للكيمياء الجيولوجية النظائرية وفي أجهزة الإضاءة المتخصصة ذاتية التشغيل. كما تم استخدام التريتيوم في تجارب وضع العلامات الكيميائية والبيولوجية كمتتبع إشعاعي. الهيدروجين هو العنصر الوحيد الذي لديه أسماء مختلفةلنظائره، والتي تستخدم على نطاق واسع اليوم. خلال التعليم المبكرالنشاط الإشعاعي، تم إعطاء مختلف النظائر المشعة الثقيلة الأسماء الصحيحةلكن هذه الأسماء لم تعد مستخدمة، باستثناء الديوتيريوم والتريتيوم. أحيانًا يتم استخدام الرمزين D وT (بدلاً من 2H و3H) للديوتيريوم والتريتيوم، لكن الرمز المقابل للبروتين P يستخدم بالفعل للفوسفور وبالتالي فهو غير متاح للبروتينيوم. وفي إرشادات التسميات الخاصة به، الاتحاد الدوليتسمح الكيمياء البحتة والتطبيقية باستخدام أي من الرموز D وT و2H و3H، على الرغم من تفضيل 2H و3H. ذرة الميونيوم الغريبة (الرمز Mu)، التي تتكون من مضاد الميون والإلكترون، تعتبر أيضًا في بعض الأحيان نظيرًا مشعًا خفيفًا للهيدروجين بسبب اختلاف الكتلة بين الميون المضاد والإلكترون، والذي تم اكتشافه في عام 1960. خلال عمر الميون، 2.2 ميكروثانية، يمكن دمج الميونيوم في مركبات مثل كلوريد الميونيوم (MuCl) أو مونيد الصوديوم (NaMu)، على غرار كلوريد الهيدروجين وهيدريد الصوديوم، على التوالي.

قصة

الفتح والاستخدام

في عام 1671، اكتشف روبرت بويل ووصف التفاعل بين برادة الحديد والأحماض المخففة التي تنتج غاز الهيدروجين. في عام 1766، كان هنري كافنديش أول من اكتشف غاز الهيدروجين كمادة منفصلة، ​​وأطلق على الغاز اسم "الهواء القابل للاشتعال" بسبب تفاعله مع الأحماض المعدنية. وافترض أن "الهواء القابل للاشتعال" كان مطابقًا تقريبًا لمادة افتراضية تسمى "فلوجيستون"، واكتشف مرة أخرى في عام 1781 أن الغاز ينتج الماء عند حرقه. ويعتقد أنه هو من اكتشف الهيدروجين كعنصر. في عام 1783، أعطى أنطوان لافوازييه العنصر اسم الهيدروجين (من الكلمة اليونانية ὑδρο-hydro التي تعني "الماء" و -γενής gene التي تعني "الخالق") عندما أعاد هو ولابلاس إنتاج بيانات كافنديش التي تفيد بأن حرق الهيدروجين ينتج الماء. أنتج لافوازييه الهيدروجين لاستخدامه في تجارب حفظ الكتلة عن طريق تفاعل تيار من البخار مع الحديد المعدني من خلال مصباح متوهج يتم تسخينه بالنار. يمكن تمثيل الأكسدة اللاهوائية للحديد بواسطة بروتونات الماء عند درجات حرارة عالية بشكل تخطيطي من خلال مجموعة من التفاعلات التالية:

الحديد + 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، القارورة المفرغة. في العام القادمأنتجت الهيدروجين الصلب. تم اكتشاف الديوتيريوم في ديسمبر 1931 على يد هارولد أوري، وتم تحضير التريتيوم في عام 1934 على يد إرنست رذرفورد، ومارك أوليفانت، وبول هارتيك. تم اكتشاف الماء الثقيل، الذي يتكون من الديوتيريوم بدلاً من الهيدروجين العادي، بواسطة مجموعة يوري في عام 1932. قام فرانسوا إسحاق دي ريفاز ببناء أول محرك ريفاز، وهو محرك احتراق داخلي يعمل بالهيدروجين والأكسجين، في عام 1806. اخترع إدوارد دانيال كلارك أنبوب غاز الهيدروجين في عام 1819. تم اختراع صوان Döbereiner (أول ولاعة كاملة) في عام 1823. اخترع جاك تشارلز أول بالون هيدروجيني في عام 1783. ساهم الهيدروجين في ظهور أول شكل موثوق للسفر الجوي بعد اختراع أول منطاد يعمل بالهيدروجين في عام 1852 على يد هنري جيفارد. روج الكونت الألماني فرديناند فون زيبلين لفكرة المناطيد الصلبة التي تُدفع في الهواء بواسطة الهيدروجين، والتي سُميت فيما بعد بمناطيد زيبلين؛ أول هذه الطائرات طار لأول مرة في عام 1900. بدأت الرحلات الجوية المنتظمة في عام 1910 ومع اندلاع الحرب العالمية الأولى في أغسطس 1914، نقلت 35000 راكب دون وقوع حوادث كبيرة. خلال الحرب، تم استخدام المناطيد الهيدروجينية كمنصات مراقبة وقاذفات قنابل. تم إجراء أول رحلة جوية بدون توقف عبر المحيط الأطلسي بواسطة المنطاد البريطاني R34 في عام 1919. استؤنفت خدمة الركاب المنتظمة في عشرينيات القرن العشرين، وكان من المتوقع أن يؤدي اكتشاف احتياطيات الهيليوم في الولايات المتحدة إلى تحسين سلامة السفر، لكن الحكومة الأمريكية رفضت بيع الغاز لهذا الغرض، لذلك تم استخدام غاز H2 في منطاد هيندنبورغ الذي تم تدميره. في حريق في ميلانو بنيويورك - جيرسي في 6 مايو 1937. وتم بث الحادثة على يعيشعلى الراديو وتسجيل الفيديو. كان من المفترض على نطاق واسع أن سبب الاشتعال هو تسرب الهيدروجين، لكن الدراسات اللاحقة تشير إلى أن غطاء القماش المصنوع من الألومنيوم قد اشتعل بسبب الكهرباء الساكنة. ولكن بحلول هذا الوقت، كانت سمعة الهيدروجين كغاز رفع قد تضررت بالفعل. في نفس العام، دخل أول مولد توربيني مبرد بالهيدروجين، مع غاز الهيدروجين كمبرد في الدوار والجزء الثابت، الخدمة في عام 1937 في دايتون، أوهايو، بواسطة شركة دايتون باور آند لايت. ونظرًا للتوصيل الحراري لغاز الهيدروجين، فهو الغاز الأكثر شيوعًا للاستخدام في هذا المجال اليوم. تم استخدام بطارية النيكل والهيدروجين لأول مرة في عام 1977 على متن القمر الصناعي الأمريكي لتكنولوجيا الملاحة -2 (NTS-2). تم تجهيز محطة الفضاء الدولية وMars Odyssey وMars Global Surveyor ببطاريات النيكل والهيدروجين. في الجزء المظلم من مداره، تلسكوب فضائييتم تشغيل هابل أيضًا بواسطة بطاريات النيكل والهيدروجين، والتي تم استبدالها أخيرًا في مايو 2009، بعد أكثر من 19 عامًا من إطلاقه، و13 عامًا من تصميمها.

دور في نظرية الكم

بسبب تركيبها الذري البسيط، الذي يتكون من بروتون وإلكترون فقط، كانت ذرة الهيدروجين، إلى جانب طيف الضوء الناتج عنها أو الممتص بها، مركزية في تطوير نظرية التركيب الذري. علاوة على ذلك، أدت دراسة البساطة المقابلة لجزيء الهيدروجين وكاتيون H+2 المقابل إلى فهم طبيعة الرابطة الكيميائية، وهو ما أعقبه بسرعة المعالجة الفيزيائية لذرة الهيدروجين في ميكانيكا الكم في منتصف عام 2020. أحد التأثيرات الكمومية الأولى التي تم ملاحظتها بوضوح (ولكن لم يتم فهمها) في ذلك الوقت)، كانت ملاحظة ماكسويل المتعلقة بالهيدروجين قبل نصف قرن من ظهور نظرية ميكانيكا الكم الكاملة. لاحظ ماكسويل أن الحرارة النوعية لـ H2 تغادر بشكل لا رجعة فيه من الغاز ثنائي الذرة تحت درجة حرارة الغرفة وتبدأ بشكل متزايد في التشابه مع الحرارة النوعية للغاز الأحادي الذرة عند درجات الحرارة المبردة. وفقًا لنظرية الكم، ينشأ هذا السلوك من التباعد بين مستويات الطاقة الدورانية (المكممة)، والتي تكون متباعدة بشكل كبير بشكل خاص في H2 بسبب كتلتها المنخفضة. هذه المستويات المتباعدة على نطاق واسع تمنع التقسيم المتساوي للطاقة الحرارية إلى حركة دورانيةفي الهيدروجين عند درجات حرارة منخفضة. غازات الدياتوم، التي تتكون من ذرات أثقل، لا تحتوي على مستويات متباعدة على نطاق واسع ولا تظهر نفس التأثير. الهيدروجين المضاد هو نظير المادة المضادة للهيدروجين. وهو يتألف من بروتون مضاد مع بوزيترون. الهيدروجين المضاد هو النوع الوحيد من ذرة المادة المضادة الذي تم إنتاجه اعتبارًا من عام 2015.

التواجد في الطبيعة

الهيدروجين هو العنصر الكيميائي الأكثر وفرة في الكون، حيث يشكل 75% من المادة العادية من حيث الكتلة وأكثر من 90% من حيث عدد الذرات. (على أية حال، فإن معظم كتلة الكون ليست على شكل هذا العنصر الكيميائي، ولكن يُعتقد أن لها أشكالًا من الكتلة لم يتم اكتشافها بعد، مثل: المادة المظلمةوالطاقة المظلمة.) ويوجد هذا العنصر بكثرة في النجوم والكواكب الغازية العملاقة. ترتبط السحب الجزيئية H2 بتكوين النجوم. يلعب الهيدروجين دورًا حيويًا في تزويد النجوم بالطاقة من خلال تفاعل البروتون والبروتون والاندماج النووي لدورة CNO. في جميع أنحاء العالم، يتواجد الهيدروجين بشكل أساسي في الحالة الذرية والبلازما بخصائص مختلفة تمامًا عن خصائص الهيدروجين الجزيئي. كبلازما، لا يرتبط إلكترون وبروتون الهيدروجين ببعضهما البعض، مما يؤدي إلى موصلية كهربائية عالية جدًا وانبعاثية عالية (إنتاج الضوء من الشمس والنجوم الأخرى). تتأثر الجسيمات المشحونة بشدة بالمجالات المغناطيسية والكهربائية. على سبيل المثال، في الرياح الشمسية تتفاعل مع الغلاف المغناطيسي للأرض، مما يؤدي إلى خلق تيارات بيركلاند و الشفق القطبية. الهيدروجين في حالة محايدة الحالة الذريةفي الوسط بين النجوم. يُعتقد أن الكميات الكبيرة من الهيدروجين المحايد الموجودة في أنظمة ليمان ألفا المتحللة تهيمن على كثافة الباريون الكونية في الكون حتى الانزياح الأحمر z = 4. في ظل الظروف العادية على الأرض، يوجد الهيدروجين العنصري كغاز ثنائي الذرة، H2. ومع ذلك، فإن غاز الهيدروجين نادر جدًا الغلاف الجوي للأرض(1 جزء في المليون من حيث الحجم) نظرًا لخفة وزنه، مما يسمح له بالتغلب على الجاذبية الأرضية بسهولة أكبر من أكثر الغازات الثقيلة. ومع ذلك، فإن الهيدروجين هو العنصر الثالث الأكثر وفرة على سطح الأرض، ويوجد بشكل أساسي في الشكل مركبات كيميائيةمثل الهيدروكربونات والماء. يتم إنتاج غاز الهيدروجين بواسطة بعض البكتيريا والطحالب وهو مكون طبيعي للفلوت، كما هو الحال مع الميثان، وهو مصدر متزايد الأهمية للهيدروجين. يوجد شكل جزيئي يسمى الهيدروجين الجزيئي البروتوني (H+3) في الوسط البينجمي، حيث يتم توليده عن طريق تأين الهيدروجين الجزيئي من الأشعة الكونية. وقد لوحظ هذا الأيون المشحون أيضًا في الغلاف الجوي العلوي لكوكب المشتري. الأيون مستقر نسبيًا في البيئة بسبب انخفاض درجة حرارته وكثافته. يعد H+3 واحدًا من أكثر الأيونات وفرة في الكون ويلعب دورًا مهمًا في كيمياء الوسط بين النجوم. لا يمكن للهيدروجين الثلاثي الذرات المحايد H3 أن يتواجد إلا في صورة مثارة وغير مستقر. بالعكس إيجابي الأيون الجزيئيالهيدروجين (H+2) هو جزيء نادر في الكون.

إنتاج الهيدروجين

يتم إنتاج الهيدروجين في المختبرات الكيميائية والبيولوجية، غالبًا كمنتج ثانوي لتفاعلات أخرى؛ في الصناعة لهدرجة الركائز غير المشبعة؛ وفي الطبيعة كوسيلة لإزاحة مكافئات الاختزال في التفاعلات الكيميائية الحيوية.

إصلاح البخار

يمكن إنتاج الهيدروجين بعدة طرق، ولكن الأكثر اقتصادية عمليات مهمةتشمل إزالة الهيدروجين من الهيدروكربونات، حيث أن حوالي 95% من إنتاج الهيدروجين في عام 2000 جاء من الإصلاح بالبخار. تجاريًا، يتم عادةً إنتاج كميات كبيرة من الهيدروجين عن طريق إعادة تشكيل الغاز الطبيعي بالبخار. عند درجات الحرارة المرتفعة (1000-1400 كلفن، 700-1100 درجة مئوية أو 1300-2000 درجة فهرنهايت)، يتفاعل البخار (بخار الماء) مع الميثان لإنتاج أول أكسيد الكربون والهيدروجين.

CH4 + H2O → CO + 3 H2

رد الفعل هذا يعمل بشكل أفضل عندما الضغوط المنخفضة، ولكن، مع ذلك، يمكن أيضًا تنفيذها عند ضغوط عالية (2.0 ميجا باسكال، 20 ضغط جوي أو 600 بوصة من الزئبق). وذلك لأن الضغط العالي H2 هو المنتج الأكثر شيوعًا وأن أنظمة التسخين المضغوطة تعمل بشكل أفضل عند الضغوط الأعلى. يُعرف خليط المنتجات باسم "الغاز الاصطناعي" لأنه غالبًا ما يستخدم مباشرة لإنتاج الميثانول والمركبات ذات الصلة. يمكن استخدام الهيدروكربونات بخلاف الميثان لإنتاج غاز التخليق نسب مختلفةمنتجات. أحد المضاعفات العديدة لهذه التكنولوجيا المحسنة للغاية هو تكوين فحم الكوك أو الكربون:

CH4 → C + 2 H2

لذلك، عادةً ما يستخدم الإصلاح بالبخار الماء الزائد. يمكن استخلاص هيدروجين إضافي من البخار باستخدام أول أكسيد الكربون من خلال تفاعل إزاحة الماء والغاز، خاصة باستخدام محفز أكسيد الحديد. يعد هذا التفاعل أيضًا مصدرًا صناعيًا شائعًا لثاني أكسيد الكربون:

ثاني أكسيد الكربون + H2O → CO2 + H2

تشمل الطرق المهمة الأخرى لـ H2 الأكسدة الجزئية للهيدروكربونات:

2 CH4 + O2 → 2 CO + 4 H2

وتفاعل الفحم يمكن أن يكون بمثابة مقدمة لتفاعل القص 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. التحليل الكهربائي للمحلول الملحي لإنتاج الكلور ينتج أيضًا الهيدروجين كمنتج ثانوي.

حمض معدني

في المختبر، يتم تحضير H2 عادة عن طريق تفاعل الأحماض المخففة غير المؤكسدة مع بعض المعادن التفاعلية مثل الزنك مع جهاز كيب.

Zn + 2 H + → Zn2 + + H2

يمكن للألمنيوم أيضًا إنتاج الهيدروجين عند معالجته بالقواعد:

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

يعد التحليل الكهربائي للماء طريقة بسيطة لإنتاج الهيدروجين. يتدفق تيار منخفض الجهد عبر الماء ويتم إنتاج غاز الأكسجين عند القطب الموجب، بينما يتم إنتاج غاز الهيدروجين عند الكاثود. عادةً ما يكون الكاثود مصنوعًا من البلاتين أو معدن خامل آخر عند إنتاج الهيدروجين للتخزين. ومع ذلك، إذا كان سيتم حرق الغاز في الموقع، فمن المرغوب فيه وجود الأكسجين للمساعدة في الاحتراق، وبالتالي سيتم تصنيع كلا القطبين من معادن خاملة. (على سبيل المثال، يتأكسد الحديد وبالتالي تقلل كمية الأكسجين المنتجة). نظري أقصى قدر من الكفاءة(الكهرباء المستخدمة فيما يتعلق قيمة الطاقةالهيدروجين المنتج) في حدود 80-94٪.

2 H2O (L) → 2 H2 (جم) + O2 (جم)

يمكن استخدام سبيكة من الألومنيوم والجاليوم على شكل حبيبات تضاف إلى الماء لإنتاج الهيدروجين. وتنتج هذه العملية أيضًا أكسيد الألومنيوم، ولكن يمكن إعادة استخدام الغاليوم الباهظ الثمن، والذي يمنع تكوين قشرة الأكسيد على الكريات. وهذا له آثار محتملة مهمة على اقتصاد الهيدروجين، حيث يمكن إنتاج الهيدروجين محليًا ولا يحتاج إلى نقله.

الخصائص الكيميائية الحرارية

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

التآكل اللاهوائي

في ظل الظروف اللاهوائية، تتأكسد سبائك الحديد والصلب ببطء بواسطة بروتونات الماء بينما يتم اختزالها إلى 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. وفي المقابل، في ظل الظروف اللاهوائية، يمكن أكسدة هيدروكسيد الحديد (Fe (OH) 2) بواسطة بروتونات الماء لتكوين المغنتيت والهيدروجين الجزيئي. 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 استقرارًا من الناحية الديناميكية الحرارية من هيدروكسيد الحديد (Fe (OH) 2). تحدث هذه العملية أثناء التآكل اللاهوائي للحديد والصلب في البيئات الخالية من الأكسجين. المياه الجوفيةوعند استعادة التربة تحت منسوب المياه الجوفية.

الأصل الجيولوجي: تفاعل السربنتينية

في غياب الأكسجين (O2) في الظروف الجيولوجية العميقة السائدة بعيداً عن الغلاف الجوي للأرض، يتشكل الهيدروجين (H2) أثناء عملية السربنتينة عن طريق الأكسدة اللاهوائية بواسطة بروتونات الماء (H+) من سيليكات الحديد (Fe2+) الموجودة في شعرية الكريستالفاياليت (Fe2SiO4، عضو نهائي من حديد الزبرجد الزيتوني). التفاعل المقابل يؤدي إلى تكوين المغنتيت (Fe3O4) والكوارتز (SiO2) والهيدروجين (H2): 3Fe2SiO4 + 2 H2O → 2 Fe3O4 + 3 SiO2 + 3 H2 فاياليت + ماء → أكسيد الحديد الأسود + كوارتز + هيدروجين. هذا التفاعل يشبه إلى حد كبير تفاعل شيكورا الذي لوحظ أثناء الأكسدة اللاهوائية لهيدروكسيد الحديد عند ملامسته للماء.

التكوين في المحولات

من بين جميع الغازات الخطرة المنتجة في محولات الطاقة، يعد الهيدروجين هو الأكثر شيوعًا ويتم توليده في غالبية الأعطال؛ وبالتالي، فإن تكوين الهيدروجين يعد علامة مبكرة على وجود مشاكل خطيرة في الجسم دورة الحياةمحول.

التطبيقات

الاستهلاك في العمليات المختلفة

هناك حاجة إلى كميات كبيرة من الهيدروجين في البترول و الصناعة الكيميائية. أكبر استخدامات الهيدروجين هي معالجة ("تحسين") الوقود الأحفوري وإنتاج الأمونيا. في مصانع البتروكيماويات، يتم استخدام H2 في الألكلة الهيدروجينية، وإزالة الكبريت الهيدروجيني، والتكسير الهيدروجيني. يحتوي H2 على العديد من الاستخدامات المهمة الأخرى. يستخدم الهيدروجين كعامل هدرجة، وخاصة لزيادة مستويات تشبع الدهون والزيوت غير المشبعة (الموجودة في عناصر مثل السمن النباتي)، 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 الأرضية النادرة والمعادن الانتقالية، كما أنه قابل للذوبان في كل من المعادن البلورية النانوية والمعادن غير المتبلورة. تعتمد قابلية ذوبان الهيدروجين في المعادن على التشوهات أو الشوائب المحلية في الشبكة البلورية. يمكن أن يكون هذا مفيدًا عندما يتم تنقية الهيدروجين عن طريق المرور عبر أقراص البلاديوم الساخنة، لكن قابلية الغاز العالية للذوبان تمثل مشكلة معدنية تساهم في هشاشة العديد من المعادن، مما يعقد تصميم خطوط الأنابيب وصهاريج التخزين. بالإضافة إلى استخدامه ككاشف، فإن H2 له تطبيقات واسعة في الفيزياء والتكنولوجيا. يتم استخدامه كغاز حماية في تقنيات اللحام مثل اللحام بالهيدروجين الذري. يستخدم الهيدروجين كمبرد للدوار في المولدات الكهربائية في محطات توليد الطاقة لأنه يتمتع بأعلى موصلية حرارية بين جميع الغازات. يستخدم السائل H2 في الأبحاث المبردة، بما في ذلك أبحاث الموصلية الفائقة. نظرًا لأن H2 أخف من الهواء، حيث تزيد قليلاً عن 1/14 من كثافة الهواء، فقد تم استخدامه على نطاق واسع كغاز رفع في البالونات والمناطيد. في التطبيقات الأحدث، يتم استخدام الهيدروجين بشكل نظيف أو ممزوج بالنيتروجين (يسمى أحيانًا غاز التكوين) كغاز تتبع للكشف الفوري عن التسرب. ويستخدم الهيدروجين في صناعات السيارات والكيماويات والطاقة والفضاء والاتصالات السلكية واللاسلكية. الهيدروجين مسموح به إمداد غذائي(E 949) والذي يسمح باختبار التسرب منتجات الطعام، من بين خصائص مضادة للأكسدة أخرى. للنظائر النادرة للهيدروجين أيضًا استخدامات محددة. يستخدم الديوتيريوم (الهيدروجين -2) في تطبيقات الانشطار النووي كمهدئ النيوترونات البطيئةوفي تفاعلات الاندماج النووي. تُستخدم مركبات الديوتيريوم في مجالات الكيمياء والأحياء لدراسة تأثيرات النظائر المشعة للتفاعلات. ويستخدم التريتيوم (الهيدروجين-3)، الذي يتم إنتاجه في المفاعلات النووية، في التصنيع القنابل الهيدروجينية، كتتبع النظائر في العلوم البيولوجيةوكمصدر للإشعاع في الدهانات المضيئة. درجة حرارة النقطة الثلاثية للهيدروجين المتوازن هي النقطة الثابتة المحددة على مقياس درجة الحرارة ITS-90 عند 13.8033 كلفن.

وسط التبريد

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

حاملة الطاقة

لا يعتبر الهيدروجين مصدرًا للطاقة، إلا في السياق الافتراضي لمحطات توليد الطاقة التجارية باستخدام الديوتيريوم أو التريتيوم، وهي تقنية بعيدة كل البعد عن النضج حاليًا. وتأتي طاقة الشمس من الاندماج النووي للهيدروجين، ولكن يصعب تحقيق هذه العملية على الأرض. يتطلب إنتاج الهيدروجين الأولي من المصادر الشمسية أو البيولوجية أو الكهربائية طاقة أكبر مما يتم استهلاكه عند حرقه، لذلك في هذه الحالات يعمل الهيدروجين كحامل للطاقة، على غرار البطارية. يمكن إنتاج الهيدروجين من المصادر الأحفورية (مثل الميثان)، لكن هذه المصادر قابلة للاستنفاد. كثافة الطاقة لكل وحدة حجم لكل من الهيدروجين السائل وغاز الهيدروجين المضغوط عند أي ضغط عملي أقل بكثير من مصادر الطاقة التقليدية، على الرغم من أن كثافة الطاقة لكل وحدة كتلة من الوقود أعلى. ومع ذلك، تمت مناقشة الهيدروجين العنصري على نطاق واسع في سياق الطاقة باعتباره ناقلًا محتملاً للطاقة على مستوى الاقتصاد في المستقبل. على سبيل المثال، يمكن تنفيذ عزل ثاني أكسيد الكربون متبوعًا باحتجاز الكربون وتخزينه عند نقطة إنتاج الهيدروجين من الوقود الأحفوري. سيتم حرق الهيدروجين المستخدم في وسائل النقل بشكل نظيف نسبيًا، مع بعض انبعاثات أكاسيد النيتروجين ولكن بدون انبعاثات كربون. ومع ذلك، فإن تكاليف البنية التحتية المرتبطة بالتحول الكامل إلى اقتصاد الهيدروجين ستكون كبيرة. خلايا الوقوديمكنها تحويل الهيدروجين والأكسجين مباشرة إلى كهرباء بكفاءة أكبر من محركات الاحتراق الداخلي.

صناعة أشباه الموصلات

يستخدم الهيدروجين لتشبع الروابط المتدلية للسيليكون غير المتبلور والكربون غير المتبلور، مما يساعد على استقرار خصائص المادة. وهو أيضًا مانح محتمل للإلكترون في مواد الأكسيد المختلفة، بما في ذلك ZnO وSnO2 وCdO وMgO وZrO2 وHfO2 وLa2O3 وY2O3 وTiO2 وSrTiO3 وLaAlO3 وSiO2 وAl2O3 وZrSiO4 وHfSiO4 وSrZrO3.

التفاعلات البيولوجية

H2 هو نتاج لبعض عمليات التمثيل الغذائي اللاهوائي ويتم إنتاجه بواسطة العديد من الكائنات الحية الدقيقة، عادة من خلال تفاعلات محفزة بواسطة إنزيمات تحتوي على الحديد أو النيكل تسمى هيدروجيناز. تحفز هذه الإنزيمات تفاعل الأكسدة والاختزال العكسي بين H2 ومكوناته - بروتونان وإلكترونان. يحدث تكوين غاز الهيدروجين عن طريق نقل مكافئات الاختزال الناتجة عن تخمير البيروفات إلى الماء. تسمى الدورة الطبيعية لإنتاج الهيدروجين واستهلاكه بواسطة الكائنات الحية بدورة الهيدروجين. انقسام الماء، وهو العملية التي يتم من خلالها تحلل الماء إلى مكوناته المكونة من البروتونات والإلكترونات والأكسجين، يحدث في التفاعلات الضوئية في جميع الكائنات الحية التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي. بعض هذه الكائنات الحية، بما في ذلك الطحالب Chlamydomonas Reinhardtii والبكتيريا الزرقاء، طورت مرحلة ثانية من التفاعلات المظلمة حيث يتم اختزال البروتونات والإلكترونات لتكوين غاز H2 بواسطة هيدروجينازات متخصصة في البلاستيدات الخضراء. بذلت محاولات لتعديل هيدرات البكتيريا الزرقاء وراثيا لتجميع غاز H2 بكفاءة حتى في وجود الأكسجين. كما تم بذل الجهود باستخدام الطحالب المعدلة وراثيا في مفاعل حيوي.

هيدروجين

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

◁ الهيدروجين، أوه، أوه. الاتصالات الثانية. ب البكتيريا . القنبلة الثانية(قنبلة ضخمة القوة التدميرية، والتي يعتمد عملها المتفجر على تفاعل نووي حراري). هيدروجينية أوه أوه.

هيدروجين

(lat. الهيدروجين)، العنصر الكيميائي للمجموعة السابعة الجدول الدوري. يوجد في الطبيعة نظيران مستقران (البروتيوم والديوتيريوم) ونظير 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 ويشكل الماء مع الأكسجين. العنصر الأكثر شيوعاً في الكون؛ تشكل (على شكل بلازما) أكثر من 70% من كتلة الشمس والنجوم، والجزء الرئيسي من غازات الوسط البينجمي والسدم. وذرة الهيدروجين جزء من العديد من الأحماض والقواعد، ومعظم المركبات العضوية. يتم استخدامها في إنتاج الأمونيا، وحمض الهيدروكلوريك، لهدرجة الدهون، وما إلى ذلك، في لحام وقطع المعادن. واعدة كوقود (انظر طاقة الهيدروجين).

هيدروجين

الهيدروجين (lat. الهيدروجين)، H، عنصر كيميائي ذو رقم ذري 1، الكتلة الذرية 1.00794. يُقرأ الرمز الكيميائي للهيدروجين H في بلادنا على أنه "وجع"، كما يُنطق هذا الحرف باللغة الفرنسية.
يتكون الهيدروجين الطبيعي من خليط من نويدتين مستقرتين (سم.نيوكليد)بأعداد كتلية 1.007825 (99.985% في الخليط) و2.0140 (0.015%). بالإضافة إلى ذلك، يحتوي الهيدروجين الطبيعي دائمًا على كميات ضئيلة من النويدة المشعة - التريتيوم (سم.التريتيوم) 3 ن (نصف العمر 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 ذرة عنصر ما)، يقال أحيانًا أن الهيدروجين يشكل الحد الأدنى الطبيعي لنظام العناصر الدوري لـ D. I. Mendeleev (على الرغم من أن العنصر يقع الهيدروجين نفسه في الجزء العلوي من الجداول). يقع عنصر الهيدروجين في الفترة الأولى من الجدول الدوري. يتم تصنيفها أيضًا ضمن المجموعة 1 (المجموعة IA الفلزات القلوية (سم.الفلزات القلوية)) وإلى المجموعة السابعة (مجموعة الهالوجينات VIIA (سم.الهالوجين)).
تختلف الكتل الذرية لنظائر الهيدروجين بشكل كبير (عدة مرات). وهذا يؤدي إلى اختلافات ملحوظة في سلوكهم العمليات الفيزيائية(التقطير، التحليل الكهربائي، وما إلى ذلك) وبعض الاختلافات الكيميائية (تسمى الاختلافات في سلوك نظائر عنصر واحد بتأثيرات النظائر؛ وبالنسبة للهيدروجين، فإن تأثيرات النظائر هي الأكثر أهمية). ولذلك، على عكس نظائر جميع العناصر الأخرى، فإن نظائر الهيدروجين لها رموز وأسماء خاصة. يسمى الهيدروجين ذو العدد الكتلي 1 بالهيدروجين الخفيف، أو البروتيوم (البروتيوم اللاتيني، من البروتوس اليونانية - أولًا)، ويشار إليه بالرمز H، وتسمى نواته بروتونًا (سم.بروتون (جسيم أولي))، الرمز ص. ويسمى الهيدروجين ذو الكتلة رقم 2 بالهيدروجين الثقيل، الديوتيريوم (سم.الديوتيريوم)(لاتينية Deuterium، من اليونانية deuteros - ثانية)، يتم استخدام الرموز 2 H أو D (اقرأ "de") للإشارة إليه، والنواة d هي deuteron. النظائر المشعةمع كتلة رقم 3 يسمى الهيدروجين فائق الثقل، أو التريتيوم (لاتينية تريتوم، من اليونانية تريتوس - الثالث)، الرمز 2 H أو T (اقرأ "هؤلاء")، النواة تي - تريتون.
تكوين طبقة الإلكترون المفردة لذرة الهيدروجين المحايدة غير المثارة 1 س 1 . في المركبات يظهر حالات الأكسدة +1، وبشكل أقل شيوعًا، -1 (التكافؤ I). نصف قطر ذرة الهيدروجين المحايدة هو 0.024 نانومتر. تبلغ طاقة التأين للذرة 13.595 فولتًا، وألفة الإلكترون 0.75 فولتًا. وفقا لمقياس بولينج، فإن السالبية الكهربية للهيدروجين هي 2.20. الهيدروجين هو مادة غير معدنية.
وهو في صورته الحرة غاز خفيف قابل للاشتعال، ليس له لون أو رائحة أو طعم.
تاريخ الاكتشاف
لوحظ إطلاق الغازات القابلة للاشتعال أثناء تفاعل الأحماض والمعادن في القرنين السادس عشر والسابع عشر، عند فجر تكوين الكيمياء كعلم. الفيزيائي والكيميائي الإنجليزي الشهير ج. كافنديش (سم.كافنديش هنري)وفي عام 1766 قام بدراسة هذا الغاز وأطلق عليه اسم "الهواء القابل للاشتعال". عند حرقه، ينتج "الهواء القابل للاشتعال" الماء، لكن تمسك كافنديش بنظرية الفلوجستون (سم.اللاهوب مادة كيميائية)منعته من استخلاص الاستنتاجات الصحيحة. الكيميائي الفرنسي أ. لافوازييه (سم.لافوازييه أنطوان لوران)مع المهندس ج. مونييه (سم.منير جان بابتيست ماري تشارلز)باستخدام مقاييس الغاز الخاصة، قام في عام 1783 بتخليق الماء، ثم تحليله، وتحلل بخار الماء بالحديد الساخن. وبذلك أثبت أن "الهواء القابل للاشتعال" جزء من الماء ويمكن الحصول عليه منه. في عام 1787، توصل لافوازييه إلى استنتاج مفاده أن "الهواء القابل للاشتعال" هو مادة بسيطة، وبالتالي ينتمي إلى العناصر الكيميائية. أطلق عليها اسم الهيدروجين (من الهيدور اليوناني - الماء وجيناو - أنجب) - "ولادة الماء". إن تحديد تركيبة الماء وضع حدًا لـ "نظرية الفلوجستون". الاسم الروسي "الهيدروجين" اقترحه الكيميائي M. F. Solovyov (سم.سولوفييف ميخائيل فيدوروفيتش)في عام 1824. في مطلع القرنين الثامن عشر والتاسع عشر، ثبت أن ذرة الهيدروجين خفيفة للغاية (مقارنة بذرات العناصر الأخرى)، وتم أخذ وزن (كتلة) ذرة الهيدروجين كوحدة مقارنة للكتل الذرية للعناصر. تم تعيين كتلة ذرة الهيدروجين بقيمة 1.
التواجد في الطبيعة
يشكل الهيدروجين حوالي 1% من كتلة القشرة الأرضية (المركز العاشر بين جميع العناصر). لا يتم العثور على الهيدروجين أبدًا في شكله الحر على كوكبنا (توجد آثاره في الطبقات العليا من الغلاف الجوي)، ولكن كجزء من الماء يتم توزيعه في كل مكان تقريبًا على الأرض. يوجد عنصر الهيدروجين في المواد العضوية و المركبات غير العضويةالكائنات الحية، الغاز الطبيعي، النفط، فحم. وهو بالطبع موجود في الماء (حوالي 11% من الوزن)، وفي العديد من الهيدرات والمعادن البلورية الطبيعية، التي تحتوي على واحدة أو أكثر من مجموعات هيدروكسيل OH.
الهيدروجين كعنصر يهيمن على الكون. ويمثل حوالي نصف كتلة الشمس والنجوم الأخرى، ويتواجد في الغلاف الجوي لعدد من الكواكب.
إيصال
يمكن إنتاج الهيدروجين بعدة طرق. وفي الصناعة، تستخدم الغازات الطبيعية لهذا الغرض، وكذلك الغازات التي يتم الحصول عليها من تكرير النفط وفحم الكوك وتغويز الفحم وأنواع الوقود الأخرى. عند إنتاج الهيدروجين من الغاز الطبيعي (المكون الرئيسي هو الميثان)، فإنه يخضع لتفاعل تحفيزي مع بخار الماء وأكسدة غير كاملة مع الأكسجين:
CH 4 + H 2 O = CO + 3H 2 و CH 4 + 1/2 O 2 = CO 2 + 2H 2
يعتمد فصل الهيدروجين عن غاز فرن فحم الكوك وغازات تكرير النفط على إسالتها أثناء التبريد العميق وإزالة الغازات التي تسيل بسهولة أكبر من الهيدروجين من الخليط. عندما تتوفر الكهرباء الرخيصة، يتم إنتاج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي للماء عن طريق تمرير التيار عبر المحاليل القلوية. في ظروف المختبر، يتم الحصول على الهيدروجين بسهولة عن طريق تفاعل المعادن مع الأحماض، على سبيل المثال، الزنك مع حمض الهيدروكلوريك.
الخصائص الفيزيائية والكيميائية
في الظروف العادية، يكون الهيدروجين خفيفًا (كثافته في الظروف العادية 0.0899 كجم/م3) 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/م3 وهو أخف السوائل. جهد القطب القياسي H 2 /H - في محلول مائي يؤخذ يساوي 0. الهيدروجين ضعيف الذوبان في الماء: عند 0 درجة مئوية تكون قابلية الذوبان أقل من 0.02 سم 3 / مل، لكنه شديد الذوبان في بعض المعادن ( الحديد الإسفنجي وغيرها)، جيد بشكل خاص - في معدن البلاديوم (حوالي 850 مجلدًا من الهيدروجين في حجم واحد من المعدن). حرارة احتراق الهيدروجين هي 143.06 ميجا جول/كجم.
يوجد على شكل جزيئات ثنائية الذرة H2. ثابت تفكك H 2 إلى ذرات عند 300 K هو 2.56·10 -34. تبلغ طاقة تفكك جزيء H 2 إلى ذرات 436 كيلوجول/مول. المسافة بين النواة في جزيء H 2 هي 0.07414 نانومتر.
نظرًا لأن نواة كل ذرة H تشكل جزءًا من الجزيء لها دوران خاص بها (سم.يلف)، فإن الهيدروجين الجزيئي يمكن أن يكون في شكلين: في شكل هيدروجين أورثوهيدروجين (o-H 2) (كلا السبينين لهما نفس الاتجاه) وفي شكل باراهيدروجين (n-H 2) (للدوران اتجاهات مختلفة). في الظروف العادية، يكون الهيدروجين العادي عبارة عن خليط من 75% o-H 2 و25% p-H 2. الخصائص الفيزيائيةتختلف p- وo-H 2 قليلاً عن بعضها البعض. لذلك، إذا كانت درجة حرارة الغليان نقي O-H 2 20.45 ك إذن نقي p-N 2 - 20.26 كلفن. يصاحب تحول o-H2 إلى p-H2 إطلاق 1418 جول/مول من الحرارة.
في الأدب العلميلقد تم اقتراح مرارًا وتكرارًا أنه عند الضغوط العالية (أعلى من 10 جيجا باسكال) وفي درجات الحرارة المنخفضة (حوالي 10 كلفن وأقل)، يتبلور الهيدروجين الصلب عادة في شبكة سداسية النوع الجزيئييمكن أن يتحول إلى مادة ذات خصائص معدنية، وربما حتى موصل فائق. ومع ذلك، لا توجد حتى الآن بيانات واضحة حول إمكانية حدوث مثل هذا التحول.
يمكن تفسير القوة العالية للرابطة الكيميائية بين الذرات في جزيء H2 (والتي، على سبيل المثال، باستخدام الطريقة المدارية الجزيئية)، من خلال حقيقة أنه في هذا الجزيء يوجد زوج الإلكترون في مدار الترابط، والمدار المضاد هو (لا تشغله الإلكترونات) يؤدي إلى حقيقة أن غاز الهيدروجين يكون غير نشط كيميائيًا في درجة حرارة الغرفة. لذا، بدون تسخين، وبخلط بسيط، يتفاعل الهيدروجين (بشكل متفجر) فقط مع غاز الفلور:
ح 2 + ف 2 = 2HF + س.
إذا تم تشعيع خليط من الهيدروجين والكلور في درجة حرارة الغرفة بالأشعة فوق البنفسجية، فسيتم ملاحظة التكوين الفوري لكلوريد الهيدروجين HCl. يحدث تفاعل الهيدروجين مع الأكسجين بشكل انفجاري إذا تمت إضافة عامل حفاز، وهو معدن البلاديوم (أو البلاتين)، إلى خليط هذه الغازات. عند اشتعاله، ينشأ خليط من الهيدروجين والأكسجين (ما يسمى بغاز التفجير (سم.غاز مرن)) ينفجر، ويمكن أن يحدث انفجار في المخاليط التي يتراوح فيها محتوى الهيدروجين من 5 إلى 95 بالمائة من حيث الحجم. يحترق الهيدروجين النقي الموجود في الهواء أو الأكسجين النقي بهدوء، ويطلق كمية كبيرة من الحرارة:
H2 + 1/2O2 = H2O + 285.75 كيلوجول/مول
إذا تفاعل الهيدروجين مع اللافلزات والمعادن الأخرى، فلا يتم ذلك إلا في ظل ظروف معينة (التسخين، الضغط العالي، وجود محفز). وهكذا، يتفاعل الهيدروجين بشكل عكسي مع النيتروجين عند ضغط مرتفع (20-30 ميجا باسكال أو أكثر) وعند درجة حرارة 300-400 درجة مئوية في وجود محفز - الحديد:
3H2 + N2 = 2NH3 + Q.
أيضًا، عند تسخينه فقط، يتفاعل الهيدروجين مع الكبريت لتكوين كبريتيد الهيدروجين H2S، مع البروم لتكوين بروميد الهيدروجين HBr، مع اليود لتكوين يوديد الهيدروجين HI. يتفاعل الهيدروجين مع الفحم (الجرافيت) لتكوين خليط من الهيدروكربونات من التراكيب المختلفة. لا يتفاعل الهيدروجين بشكل مباشر مع البورون والسيليكون والفوسفور، ويتم الحصول على مركبات هذه العناصر مع الهيدروجين بشكل غير مباشر.
عند تسخينه، يكون الهيدروجين قادرًا على التفاعل مع القلويات والمعادن الأرضية القلوية والمغنيسيوم لتكوين مركبات ذات رابطة أيونية، والتي تحتوي على الهيدروجين في حالة الأكسدة -1. وهكذا، عند تسخين الكالسيوم في جو هيدروجيني، يتكون هيدريد يشبه الملح بتركيبة CaH 2. يتم الحصول على بوليمر هيدريد الألومنيوم (AlH 3) x - أحد أقوى عوامل الاختزال - بشكل غير مباشر (على سبيل المثال، باستخدام مركبات الألومنيوم العضوية). مع العديد من المعادن الانتقالية (على سبيل المثال، الزركونيوم، الهافنيوم، وما إلى ذلك)، 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، لا بد من ملاحظة قدرة الهيدروجين على اختزال العديد من المعادن من أكاسيدها (مثل الحديد والنيكل والرصاص والتنغستن والنحاس وغيرها). وهكذا، عند تسخينه إلى درجة حرارة 400-450 درجة مئوية وما فوق، يتم اختزال الحديد بواسطة الهيدروجين من أي من أكاسيده، على سبيل المثال:
Fe2O3 + 3H2 = 2Fe + 3H2O.
تجدر الإشارة إلى أنه يمكن اختزال المعادن الموجودة في السلسلة فقط بالهيدروجين من الأكاسيد الإمكانات القياسيةللمنجنيز . أكثر المعادن النشطة(بما في ذلك المنغنيز) لا يتم تحويلها إلى معدن من الأكاسيد.
الهيدروجين قادر على إضافة رابطة مزدوجة أو ثلاثية إلى العديد من المركبات العضوية (وهذا ما يسمى بتفاعلات الهدرجة). على سبيل المثال، في وجود محفز النيكل، من الممكن إجراء هدرجة الإيثيلين C2H4، ويتكون الإيثان C2H6:
ج 2 ح 4 + ح 2 = ج 2 ح 6.
يتم إنتاج الميثانول صناعيا من تفاعل أول أكسيد الكربون (II) والهيدروجين:
2H2 + CO = CH3OH.
في المركبات التي ترتبط فيها ذرة هيدروجين بذرة عنصر أكثر سالبية كهربية E (E = F, Cl, O, N)، تتشكل روابط هيدروجينية بين الجزيئات (سم.الرابطة الهيدروجينية)(ترتبط ذرتان E من نفس العنصر أو ذرتان مختلفتان ببعضهما البعض من خلال ذرة H: E"...N...E""، والذرات الثلاث تقع على نفس الخط المستقيم). توجد مثل هذه الروابط بين جزيئات الماء والأمونيا والميثانول وغيرها ويؤدي إلى ارتفاع ملحوظ في درجات غليان هذه المواد وزيادة حرارة التبخر وغيرها.
طلب
يستخدم الهيدروجين في تخليق الأمونيا NH 3، كلوريد الهيدروجين HCl، الميثانول CH 3 OH، أثناء التكسير الهيدروجيني (التكسير في جو الهيدروجين) للهيدروكربونات الطبيعية، كعامل اختزال في إنتاج بعض المعادن. الهدرجة (سم.الهدرجة)تستخدم الزيوت النباتية الطبيعية للحصول على الدهون الصلبة - السمن. يستخدم الهيدروجين السائل كوقود للصواريخ وأيضا كمبرد. يستخدم خليط من الأكسجين والهيدروجين في اللحام.
في وقت ما، تم اقتراح أن المصدر الرئيسي للطاقة في المستقبل القريب سيكون تفاعل احتراق الهيدروجين، وستحل طاقة الهيدروجين محل الطاقة الهيدروجينية. المصادر التقليديةالحصول على الطاقة (الفحم والنفط وغيرها). كان من المفترض أنه من أجل الحصول على الهيدروجين على نطاق واسعسيكون من الممكن استخدام التحليل الكهربائي للمياه. يعد التحليل الكهربائي للمياه عملية كثيفة الاستخدام للطاقة إلى حد ما، ومن غير المربح حاليًا إنتاج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي على نطاق صناعي. ولكن كان من المتوقع أن يعتمد التحليل الكهربائي على استخدام حرارة متوسطة الحرارة (500-600 درجة مئوية) والتي تنشأ بكميات كبيرة أثناء التشغيل. محطات الطاقة النووية. هذه الحرارة لها استخدام محدود، وإمكانية إنتاج الهيدروجين بمساعدتها من شأنه أن يحل المشكلة البيئية (عندما يحترق الهيدروجين في الهواء، تكون كمية المواد الضارة بالبيئة المنتجة ضئيلة) ومشكلة الاستفادة من الحرارة متوسطة الحرارة. ومع ذلك، بعد كارثة تشيرنوبيل، تم تقليص تطوير الطاقة النووية في كل مكان، بحيث أصبح مصدر الطاقة هذا غير متوفر. ولذلك، فإن آفاق استخدام الهيدروجين على نطاق واسع كمصدر للطاقة لا تزال تتغير حتى منتصف القرن الحادي والعشرين على الأقل.
ميزات العلاج
الهيدروجين ليس سامًا، لكن عند التعامل معه يجب الأخذ في الاعتبار دائمًا ارتفاع خطر الحريق والانفجار، ويزداد خطر انفجار الهيدروجين بسبب قدرة الغاز العالية على الانتشار حتى من خلال بعض المواد الصلبة. قبل البدء بأي عمليات تسخين في جو هيدروجيني يجب التأكد من نظافته (عند إشعال الهيدروجين في أنبوب اختبار مقلوب يجب أن يكون الصوت خافتا وليس نباحا).
الدور البيولوجي
يتم تحديد الأهمية البيولوجية للهيدروجين من خلال حقيقة أنه جزء من جزيئات الماء وجميع مجموعات المركبات الطبيعية الأكثر أهمية، بما في ذلك البروتينات والأحماض النووية والدهون والكربوهيدرات. ما يقرب من 10٪ من كتلة الكائنات الحية هي الهيدروجين. تلعب قدرة الهيدروجين على تكوين رابطة هيدروجينية دورًا حاسمًا في الحفاظ على البنية الرباعية المكانية للبروتينات، وكذلك في تنفيذ مبدأ التكامل (سم.مكمل)في بناء ووظائف الأحماض النووية (أي في تخزين وتنفيذ المعلومات الوراثية)، بشكل عام في تنفيذ "الاعتراف" على المستوى الجزيئي. يشارك الهيدروجين (H+ أيون) في أهم العمليات والتفاعلات الديناميكية في الجسم - في الأكسدة البيولوجية، التي تزود الخلايا الحية بالطاقة، في عملية التمثيل الضوئي في النباتات، في تفاعلات التخليق الحيوي، في تثبيت النيتروجين والتمثيل الضوئي البكتيري، في الحفاظ على الحموضة. التوازن الأساسي والتوازن (سم.التوازن)في عمليات النقل الغشائي. وهكذا، يشكل الهيدروجين، إلى جانب الأكسجين والكربون، الأساس الهيكلي والوظيفي لظواهر الحياة.

القاموس الموسوعي. 2009 .

المرادفات:

انظر ما هو "الهيدروجين" في القواميس الأخرى:

جدول النيوكليدات معلومات عامةالاسم، الرمز الهيدروجين 4، 4H النيوترونات 3 البروتونات 1 خصائص النويدة الكتلة الذرية 4.027810(110)... ويكيبيديا

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

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

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