الهيدروجين وخصائصه وتفاعلاته. الخواص الكيميائية للهيدروجين: الميزات والتطبيقات

الهيدروجين (الهيدروجين باللاتينية)، H، العنصر الكيميائي للمجموعة السابعة من الشكل القصير (المجموعة 1 من الشكل الطويل) من الجدول الدوري؛ العدد الذري 1، الكتلة الذرية 1.00794؛ غير معدنية. هناك نوعان من النظائر المستقرة في الطبيعة: البروتيوم 1H (99.985% بالكتلة) والديوتيريوم D، أو 2H (0.015%). يتشكل التريتيوم المشع 3 H أو T (اضمحلال ß، T 1/2 12.26 سنة) في الطبيعة بكميات ضئيلة في الطبقات العليا من الغلاف الجوي نتيجة لتفاعل الإشعاع الكوني بشكل رئيسي مع N وO النوى المشعة التي تم الحصول عليها بشكل مصطنع غير مستقرة للغاية 4 ح، 5 ح، 6 ح.

معلومات تاريخية.تمت دراسة الهيدروجين لأول مرة في عام 1766 على يد ج. كافنديش وأطلق عليه اسم "الهواء القابل للاشتعال". في عام 1787، أظهر أ. لافوازييه أن هذا الغاز يشكل الماء عند حرقه، وأدرجه في قائمة العناصر الكيميائية واقترح اسم الهيدروجين (من الكلمة اليونانية؟δωρ - الماء وγενν?ω - للولادة).

انتشار في الطبيعة.يبلغ محتوى الهيدروجين في الهواء الجوي 3.5-10% بالكتلة، وفي القشرة الأرضية 1%. الخزان الرئيسي للهيدروجين على الأرض هو الماء (11.19٪ هيدروجين من حيث الكتلة). الهيدروجين هو عنصر حيوي وهو جزء من المركبات التي تشكل الفحم والنفط والغازات الطبيعية القابلة للاحتراق والعديد من المعادن وما إلى ذلك. وفي الفضاء القريب من الأرض، يشكل الهيدروجين في شكل تدفق البروتونات حزام الإشعاع الداخلي للأرض. الهيدروجين هو العنصر الأكثر وفرة في الفضاء؛ على شكل بلازما تشكل حوالي 70% من كتلة الشمس والنجوم، والجزء الأكبر من الوسط النجمي والسدم الغازية، وتتواجد في الغلاف الجوي لعدد من الكواكب على شكل H2، CH4، NH 3، H 2 O، الخ.

ملكيات. تكوين الغلاف الإلكتروني لذرة الهيدروجين هو 1s 1؛ في المركبات يظهر حالات الأكسدة +1 و -1. بولينج السالبية الكهربية 2.1; نصف القطر (مساء): الذرية 46، التساهمية 30، فان دير فالس 120؛ طاقة التأين Н°← Н + 1312.0 كيلوجول/مول. في الحالة الحرة، يشكل الهيدروجين جزيء ثنائي الذرة H2، والمسافة بين النواة 76 ميكرومتر، وطاقة التفكك هي 432.1 كيلوجول/مول (0 كلفن). اعتمادًا على الاتجاه النسبي للسبينات النووية، هناك هيدروجين أورثو (دوران متوازي) وشبه هيدروجين (دوران مضاد للتوازي)، يختلفان في الخواص المغناطيسية والضوئية والحرارية وعادةً ما يحتويان على نسبة 3:1؛ يتطلب تحويل شبه الهيدروجين إلى هيدروجين أورثو 1418 جول/مول من الطاقة.

الهيدروجين هو غاز عديم اللون، ولا طعم له، ولا رائحة له؛ تي بي إل -259.19 درجة مئوية، تي كيب -252.77 درجة مئوية. الهيدروجين هو أخف الغازات وأكثرها توصيلًا للحرارة: عند 273 كلفن، تكون الكثافة 0.0899 كجم/م3، والتوصيل الحراري هو 0.1815 واط/(م ك). غير قابلة للذوبان في الماء. يذوب جيدًا في العديد من المعادن (الأفضل في نسبة الـ Pd - حتى 850% من حيث الحجم)؛ ينتشر من خلال العديد من المواد (مثل الفولاذ). يحترق في الهواء ويشكل مخاليط متفجرة. يتبلور الهيدروجين الصلب في شبكة سداسية؛ عند ضغوط أعلى من 10 4 ميجا باسكال، يكون التحول الطوري ممكنًا مع تكوين هيكل مبني من الذرات ويمتلك خصائص معدنية - ما يسمى بالهيدروجين المعدني.

يشكل الهيدروجين مركبات تحتوي على العديد من العناصر. مع الأكسجين فإنه يشكل الماء (عند درجات حرارة أعلى من 550 درجة مئوية يكون التفاعل مصحوبا بانفجار)، مع النيتروجين - الأمونيا، مع الهالوجينات - هاليدات الهيدروجين، مع المعادن، والمركبات بين الفلزات، وكذلك مع العديد من اللافلزات (على سبيل المثال، الكالكوجينات) - الهيدريدات، مع الكربون - الهيدروكربونات. التفاعلات مع ثاني أكسيد الكربون لها أهمية عملية (انظر الغاز الاصطناعي). يختزل الهيدروجين أكاسيد وهاليدات العديد من المعادن إلى معادن، والهيدروكربونات غير المشبعة إلى أخرى مشبعة (انظر الهدرجة). تحدد نواة ذرة الهيدروجين - بروتون H + - الخواص الحمضية للمركبات. في المحاليل المائية، يشكل H + أيون الهيدرونيوم H 3 O + مع جزيء الماء. في جزيئات المركبات المختلفة، يميل الهيدروجين إلى تكوين روابط هيدروجينية مع العديد من العناصر السالبة كهربيًا.

طلب. يستخدم غاز الهيدروجين في التخليق الصناعي للأمونيا، وحمض الهيدروكلوريك، والميثانول والكحوليات العالية، والوقود السائل الاصطناعي، وما إلى ذلك، لهدرجة الدهون والمركبات العضوية الأخرى؛ في تكرير النفط - للمعالجة الهيدروجينية والتكسير الهيدروجيني لأجزاء الزيت؛ في علم المعادن - للحصول على المعادن (على سبيل المثال، W، Mo، Re من أكاسيدها وفلوريداتها)، لخلق بيئة وقائية عند معالجة المعادن والسبائك؛ في إنتاج منتجات زجاج الكوارتز باستخدام لهب الهيدروجين والأكسجين، ولحام الهيدروجين الذري للفولاذ والسبائك المقاومة للحرارة، وما إلى ذلك، كغاز رفع للبالونات. الهيدروجين السائل هو وقود في تكنولوجيا الصواريخ والفضاء. يستخدم أيضًا كمبرد.

للحصول على معلومات حول الطرق الرئيسية للإنتاج، وكذلك تخزين ونقل واستخدام الهيدروجين كحامل للطاقة، راجع طاقة الهيدروجين.

مضاءة. انظر إلى الفن. الطاقة الهيدروجينية.

الهيدروجين عنصر كيميائي بالرمز H ورقمه الذري 1. يبلغ وزنه الذري القياسي حوالي 1.008، ويعتبر الهيدروجين أخف عنصر في الجدول الدوري. شكله الأحادي الذرة (H) هو المادة الكيميائية الأكثر وفرة في 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 (نادرًا ما يستخدم هذا الاسم، الرمز 1H)، تحتوي على بروتون واحد ولا تحتوي على نيوترونات. حدث الظهور الواسع النطاق للهيدروجين الذري لأول مرة خلال عصر إعادة التركيب. عند درجات الحرارة والضغوط القياسية، يكون الهيدروجين غازًا ثنائي الذرة عديم اللون والرائحة والمذاق وغير سام وغير معدني وقابل للاشتعال وله 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". يتضمن إنتاج الهيدروجين الصناعي في المقام الأول تحويل البخار للغاز الطبيعي، وبشكل أقل شيوعًا، طرق أكثر استهلاكًا للطاقة مثل التحليل الكهربائي للمياه. 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

الاحتراق

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%. يمكن أن 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، وكلوريد الهيدروجين وفلوريد الهيدروجين، وهي أيضًا أحماض محتملة الخطورة.

مستويات الطاقة الإلكترونية

يبلغ مستوى طاقة الحالة الأرضية للإلكترون في ذرة الهيدروجين −13.6 فولت، وهو ما يعادل فوتون الأشعة فوق البنفسجية بطول موجة يبلغ حوالي 91 نانومتر. يمكن حساب مستويات طاقة 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. بسبب تقدير 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 تطورًا تأثيرات صغيرة للنسبية الخاصة واستقطاب الفراغ. في الآلات الكمومية، لا يمتلك الإلكترون الموجود في ذرة الهيدروجين في الحالة الأرضية زخمًا زاويًا 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 الهيدروجين الأورثوهيدروجيني، تكون لفات البروتونين متوازية وتشكل حالة ثلاثية ذات عدد كمي مغزلي جزيئي قدره 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 وله 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. يحدث التمييز بين أورثو/زوج أيضًا في الجزيئات الأخرى المحتوية 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. تعتبر نسبة أورثو/بخار H2 المتكثف عاملاً مهمًا في تحضير وتخزين الهيدروجين السائل: التحويل من أورثو إلى بخار طارد للحرارة ويوفر حرارة كافية لتبخير بعض سائل الهيدروجين، مما يؤدي إلى فقدان المادة المسالة. يتم استخدام المحفزات للتحويل الأورثو بارا مثل أكسيد الحديد أو الكربون المنشط أو الأسبستوس البلاتيني أو المعادن الأرضية النادرة أو مركبات اليورانيوم أو أكسيد الكروم أو بعض مركبات النيكل مع التبريد بالهيدروجين.

المراحل

غاز الهيدروجين

الهيدروجين السائل

حمأة الهيدروجين

الهيدروجين الصلب

الهيدروجين المعدني

اتصالات

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. عندما يرتبط الهيدروجين بالفلور أو الأكسجين أو النيتروجين، فإنه يمكن أن يشكل رابطة غير تساهمية متوسطة القوة مع هيدروجين جزيئات أخرى مماثلة، وهي ظاهرة تسمى الترابط الهيدروجيني، وهو أمر بالغ الأهمية لاستقرار 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 تسمى مركبات عضوية بسبب ارتباطها المشترك بالكائنات الحية. ودراسة خواصها هو موضوع الكيمياء العضوية، وتعرف دراستها في سياق الكائنات الحية 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 تتضمن عنصر الهيدروجين.

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، فإن هذا المصطلح مضلل 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 العضوية، يمكن للهيدريدات أيضًا أن تكون بمثابة جسور 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، فإن مصطلح "بروتون" يستخدم 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" 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. يتم استخدام الديوتيريوم ومركباته كتتبع غير مشع في التجارب الكيميائية وفي المذيبات للتحليل الطيفي 1H-NMR. يستخدم الماء الثقيل كوسيط نيوتروني ومبرد للمفاعلات النووية. ويُعد الديوتيريوم أيضًا وقودًا محتملًا للاندماج النووي التجاري. 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. يمنع الزجاج كميات صغيرة من الإشعاع من الهروب. تتشكل كميات صغيرة من التريتيوم بشكل طبيعي عندما تتفاعل الأشعة الكونية مع الغازات الجوية. 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 له أسماء مختلفة لنظائره المستخدمة على نطاق واسع اليوم. أثناء الدراسة المبكرة للنشاط الإشعاعي، تم إعطاء أسماء خاصة للنظائر المشعة الثقيلة المختلفة، لكن 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. يسمح الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية، في إرشاداته الخاصة بالتسميات، 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. وفي العام التالي أنتجت الهيدروجين الصلب. تم اكتشاف الديوتيريوم في ديسمبر 1931 بواسطة هارولد أوري، وتم تحضير التريتيوم في عام 1934 بواسطة 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 الهيدروجين 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 وبحلول 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 الماضي، 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 الهواء مباشرة على الراديو وتم تصويرها. 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، يعمل تلسكوب هابل الفضائي أيضًا ببطاريات 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 للهيدروجين 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. تمنع هذه المستويات المتباعدة على نطاق واسع الطاقة الحرارية من الانقسام بالتساوي إلى حركة دورانية في 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. (معظم كتلة الكون ليست على شكل هذا العنصر الكيميائي، ولكن يُعتقد أنه يحتوي على أشكال كتلة لم يتم اكتشافها بعد مثل المادة المظلمة والطاقة المظلمة). ويوجد هذا العنصر بكثرة في النجوم. وعمالقة الغاز. 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 الهيدروجين والبروتون 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 والشفق القطبي. يوجد الهيدروجين في حالة ذرية محايدة في الوسط النجمي. 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 في الغلاف الجوي للأرض (1 جزء في المليون من حيث الحجم) بسبب وزنه الخفيف، مما يسمح له بالتغلب على الجاذبية الأرضية بسهولة أكبر من الغازات الأثقل. ومع ذلك، فإن الهيدروجين هو العنصر الثالث الأكثر وفرة على سطح الأرض، ويوجد بشكل أساسي في شكل مركبات كيميائية مثل 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. وفي المقابل، فإن أيون الهيدروجين الجزيئي الموجب (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، لكن أهم العمليات اقتصاديًا تتضمن إزالة الهيدروجين من الهيدروكربونات، حيث أن حوالي 95% من إنتاج الهيدروجين في عام 2000 جاء من إعادة التشكيل 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

يعمل هذا التفاعل بشكل أفضل عند الضغوط المنخفضة، ولكن مع ذلك، يمكن تنفيذه أيضًا عند ضغوط عالية (2.0 ميجا باسكال، أو 20 ضغطًا جويًا، 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 اصطناعي بنسب منتجات مختلفة. 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 → ثاني أكسيد الكربون + 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. كما أن التحليل الكهربائي للمحلول الملحي لإنتاج الكلور ينتج 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 فإن كلا القطبين سيكونان مصنوعين من معادن خاملة. (على سبيل المثال، يتأكسد الحديد وبالتالي تقلل كمية الأكسجين المنتجة). وتتراوح الكفاءة النظرية القصوى (الكهرباء المستخدمة بالنسبة لقيمة الطاقة للهيدروجين المنتج) بين 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 لتقسيم الماء، حوالي اثنتي عشرة من هذه الدورات مثل دورة أكسيد الحديد، ودورة أكسيد السيريوم (IV)، ودورة أكسيد الزنك والزنك، ودورة يود الكبريت، ودورة النحاس ودورة الكلور والهجين دورة الكبريت 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 المياه الجوفية التي تعاني من نقص الأكسجين وأثناء استعادة التربة تحت منسوب المياه الجوفية.

الأصل الجيولوجي: تفاعل السربنتينية

في غياب الأكسجين (O2) في الظروف الجيولوجية العميقة السائدة بعيداً عن الغلاف الجوي للأرض، يتكون الهيدروجين (H2) أثناء عملية السربنتينة من خلال الأكسدة اللاهوائية بواسطة بروتونات الماء (H+) من سيليكات الحديد (Fe2 +) الموجودة في الغلاف الجوي. شبكة بلورية من الفياليت (Fe2SiO4، معدن الزبرجد الزيتوني - الغدة). 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 مشابه جدًا لتفاعل 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 دورة حياة المحول.

التطبيقات

الاستهلاك في العمليات المختلفة

هناك حاجة إلى كميات كبيرة من الهيدروجين في الصناعات البترولية والكيميائية. 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، خاصة 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 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 بمفرده أو ممزوجًا بالنيتروجين (يسمى أحيانًا غاز التكوين) كغاز تتبع للكشف الفوري عن التسرب. ويستخدم الهيدروجين في صناعات السيارات والكيماويات والطاقة والفضاء والاتصالات السلكية واللاسلكية. الهيدروجين هو مادة مضافة غذائية معتمدة (E 949) تسمح باختبار تسرب الأطعمة، من بين خصائص مضادة للأكسدة أخرى. للنظائر النادرة للهيدروجين أيضًا استخدامات محددة. يستخدم الديوتيريوم (الهيدروجين -2) في تطبيقات الانشطار النووي كمهدئ للنيوترونات البطيئة وفي تفاعلات الاندماج النووي. تُستخدم مركبات الديوتيريوم في مجالات الكيمياء والأحياء لدراسة تأثيرات النظائر المشعة للتفاعلات. ويستخدم التريتيوم (هيدروجين-3)، الذي يتم إنتاجه في المفاعلات النووية، في إنتاج القنابل الهيدروجينية، وكتتبع للنظائر في العلوم البيولوجية، وكمصدر إشعاع 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 خفيفة الوزن. 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 الحصول على 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 يمكن تحقيقه عمليًا 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. يمكن لخلايا الوقود 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.

وله موقعه الخاص في الجدول الدوري، والذي يعكس الخصائص التي يظهرها ويتحدث عن بنيته الإلكترونية. ومع ذلك، من بين كل منهم هناك ذرة خاصة واحدة تشغل خليتين في وقت واحد. وهي تقع في مجموعتين من العناصر المتعارضة تمامًا في خصائصها. هذا هو الهيدروجين. هذه الميزات تجعلها فريدة من نوعها.

الهيدروجين ليس مجرد عنصر، ولكنه أيضًا مادة بسيطة، كما أنه جزء لا يتجزأ من العديد من المركبات المعقدة، وهو عنصر حيوي وعضوي. لذلك، دعونا ننظر في خصائصه وخصائصه بمزيد من التفصيل.

الهيدروجين كعنصر كيميائي

الهيدروجين هو أحد عناصر المجموعة الأولى من المجموعة الفرعية الرئيسية، وكذلك المجموعة السابعة من المجموعة الفرعية الرئيسية في الفترة الثانوية الأولى. تتكون هذه الفترة من ذرتين فقط: الهيليوم والعنصر الذي ندرسه. دعونا نصف السمات الرئيسية لموضع الهيدروجين في الجدول الدوري.

1. العدد الذري للهيدروجين هو 1، وعدد الإلكترونات هو نفسه، وبالتالي فإن عدد البروتونات هو نفسه. الكتلة الذرية - 1.00795. هناك ثلاثة نظائر لهذا العنصر بأعداد كتلية 1، 2، 3. ومع ذلك، فإن خصائص كل منها مختلفة تمامًا، حيث أن الزيادة في الكتلة حتى بمقدار واحد للهيدروجين تتضاعف على الفور.
2. حقيقة أنه يحتوي على إلكترون واحد فقط على سطحه الخارجي يسمح له بإظهار خصائص الأكسدة والاختزال بنجاح. بالإضافة إلى ذلك، بعد التبرع بالإلكترون، يبقى في مدار حر، يشارك في تكوين الروابط الكيميائية وفقًا لآلية المانح والمتلقي.
3. الهيدروجين هو عامل اختزال قوي. لذلك، يعتبر مكانها الرئيسي هو المجموعة الأولى من المجموعة الفرعية الرئيسية، حيث ترأس المعادن الأكثر نشاطا - القلويات.
4. ومع ذلك، عند التفاعل مع عوامل اختزال قوية، مثل المعادن، يمكن أن يكون أيضًا عاملًا مؤكسدًا، ويستقبل الإلكترون. وتسمى هذه المركبات الهيدريدات. ووفقا لهذه الميزة، فإنه يرأس المجموعة الفرعية من الهالوجينات التي يشبهها.
5. نظرًا لكتلته الذرية الصغيرة جدًا، يعتبر الهيدروجين أخف العناصر. بالإضافة إلى ذلك، كثافته منخفضة جدًا أيضًا، لذا فهو أيضًا معيار للخفة.

ومن ثم فمن الواضح أن ذرة الهيدروجين عنصر فريد تماما، على عكس جميع العناصر الأخرى. وبالتالي، فإن خصائصها أيضًا مميزة، والمواد البسيطة والمعقدة المتكونة لها أهمية كبيرة. دعونا نفكر فيها أكثر.

مادة بسيطة

إذا تحدثنا عن هذا العنصر كجزيء، فيجب أن نقول أنه ثنائي الذرة. أي أن الهيدروجين (مادة بسيطة) هو غاز. سيتم كتابة صيغتها التجريبية كـ H2، وسيتم كتابة صيغتها الرسومية من خلال علاقة سيجما H-H واحدة. آلية تكوين الروابط بين الذرات هي تساهمية غير قطبية.

1. إصلاح غاز الميثان بالبخار.
2. تغويز الفحم - تتضمن العملية تسخين الفحم إلى درجة حرارة 1000 درجة مئوية، مما يؤدي إلى تكوين الهيدروجين والفحم عالي الكربون.
3. التحليل الكهربائي. لا يمكن استخدام هذه الطريقة إلا مع المحاليل المائية للأملاح المختلفة، حيث أن المصهورات لا تؤدي إلى تصريف الماء عند الكاثود.

الطرق المعملية لإنتاج الهيدروجين:

1. التحلل المائي لهيدريدات المعادن.
2. تأثير الأحماض المخففة على المعادن النشطة والمتوسطة النشاط.
3. تفاعل الفلزات القلوية والقلوية الترابية مع الماء.

لتجميع الهيدروجين الناتج، عليك أن تمسك أنبوب الاختبار رأسًا على عقب. بعد كل شيء، لا يمكن جمع هذا الغاز بنفس الطريقة، على سبيل المثال، ثاني أكسيد الكربون. هذا هو الهيدروجين، وهو أخف بكثير من الهواء. يتبخر بسرعة، وينفجر بكميات كبيرة عند امتزاجه بالهواء. ولذلك، يجب أن يكون أنبوب الاختبار مقلوبًا. بعد ملئه يجب إغلاقه بسدادة مطاطية.

للتحقق من نقاء الهيدروجين الذي تم جمعه، يجب عليك إحضار مباراة مضاءة إلى الرقبة. إذا كان التصفيق باهتًا وهادئًا، فهذا يعني أن الغاز نظيف، مع الحد الأدنى من شوائب الهواء. أما إذا كان عالي الصوت والصفير فهو قذر وبه نسبة كبيرة من المكونات الأجنبية.

مجالات الاستخدام

عندما يتم حرق الهيدروجين، يتم إطلاق كمية كبيرة من الطاقة (الحرارة) بحيث يعتبر هذا الغاز الوقود الأكثر ربحية. علاوة على ذلك، فهي صديقة للبيئة. ومع ذلك، حتى الآن تطبيقه في هذا المجال محدود. ويرجع ذلك إلى مشاكل غير مدروسة وغير محلولة تتعلق بتركيب الهيدروجين النقي، والذي سيكون مناسبًا للاستخدام كوقود في المفاعلات والمحركات والأجهزة المحمولة، فضلاً عن مراجل التدفئة السكنية.

بعد كل شيء، فإن طرق إنتاج هذا الغاز مكلفة للغاية، لذلك من الضروري أولاً تطوير طريقة تركيب خاصة. واحد سيسمح لك بالحصول على المنتج بكميات كبيرة وبأقل تكلفة.

هناك العديد من المجالات الرئيسية التي يتم فيها استخدام الغاز الذي نفكر فيه.

1. التوليفات الكيميائية. تستخدم الهدرجة لإنتاج الصابون والسمن والبلاستيك. بمشاركة الهيدروجين والميثانول والأمونيا، وكذلك المركبات الأخرى يتم تصنيعها.
2. في صناعة المواد الغذائية - كمادة مضافة E949.
3. صناعة الطيران (علم الصواريخ، صناعة الطائرات).
4. صناعة الطاقة الكهربائية.
5. الأرصاد الجوية.
6. الوقود الصديق للبيئة.

من الواضح أن الهيدروجين لا يقل أهمية عن وفرته في الطبيعة. تلعب المركبات المختلفة التي تشكلها دورًا أكبر.

مركبات الهيدروجين

هذه مواد معقدة تحتوي على ذرات الهيدروجين. هناك عدة أنواع رئيسية من هذه المواد.

1. هاليدات الهيدروجين. الصيغة العامة هي HHal. أهمية خاصة فيما بينها هو كلوريد الهيدروجين. وهو غاز يذوب في الماء ليشكل محلول حمض الهيدروكلوريك. يستخدم هذا الحمض على نطاق واسع في جميع التركيبات الكيميائية تقريبًا. علاوة على ذلك، العضوية وغير العضوية. كلوريد الهيدروجين هو مركب له الصيغة التجريبية HCL وهو واحد من أكبر المركبات التي يتم إنتاجها في بلدنا سنويًا. تشمل هاليدات الهيدروجين أيضًا يوديد الهيدروجين وفلوريد الهيدروجين وبروميد الهيدروجين. كلهم يشكلون الأحماض المقابلة.
2. المتطايرة كلها تقريبا غازات سامة. على سبيل المثال، كبريتيد الهيدروجين والميثان والسيلان والفوسفين وغيرها. وفي الوقت نفسه، فهي قابلة للاشتعال للغاية.
3. الهيدريدات هي مركبات تحتوي على معادن. إنهم ينتمون إلى فئة الأملاح.
4. الهيدروكسيدات: القواعد والأحماض والمركبات المذبذبة. وهي تحتوي بالضرورة على ذرات هيدروجين واحدة أو أكثر. مثال: NaOH، K 2، H 2 SO 4 وغيرها.
5. هيدروكسيد الهيدروجين. يُعرف هذا المركب باسم الماء. اسم آخر هو أكسيد الهيدروجين. الصيغة التجريبية تبدو هكذا - H 2 O.
6. بيروكسيد الهيدروجين. هذا عامل مؤكسد قوي، صيغته هي H 2 O 2.
7. العديد من المركبات العضوية: الهيدروكربونات والبروتينات والدهون والدهون والفيتامينات والهرمونات والزيوت الأساسية وغيرها.

من الواضح أن تنوع مركبات العنصر الذي ندرسه كبير جدًا. وهذا يؤكد مرة أخرى أهميتها الكبيرة بالنسبة للطبيعة والإنسان، وكذلك لجميع الكائنات الحية.

- هذا هو أفضل المذيبات

وكما ذكر أعلاه، فإن الاسم الشائع لهذه المادة هو الماء. يتكون من ذرتي هيدروجين وذرة أكسجين، ترتبط ببعضها بواسطة روابط قطبية تساهمية. جزيء الماء ثنائي القطب، وهذا ما يفسر العديد من الخصائص التي يظهرها. على وجه الخصوص، وهو مذيب عالمي.

في البيئة المائية تحدث جميع العمليات الكيميائية تقريبًا. يتم أيضًا إجراء التفاعلات الداخلية لاستقلاب البلاستيك والطاقة في الكائنات الحية باستخدام أكسيد الهيدروجين.

يعتبر الماء بحق المادة الأكثر أهمية على هذا الكوكب. ومن المعلوم أنه لا يمكن لأي كائن حي أن يعيش بدونه. على الأرض يمكن أن توجد في ثلاث حالات من التجميع:

• سائل؛
• الغاز (البخار)؛
• الصلبة (الجليد).

اعتمادا على نظير الهيدروجين الموجود في الجزيء، يتم تمييز ثلاثة أنواع من الماء.

1. خفيف أو بروتيوم. نظير ذو عدد كتلي 1. الصيغة - H 2 O. هذا هو الشكل المعتاد الذي تستخدمه جميع الكائنات الحية.
2. الديوتيريوم أو الثقيل، صيغته D2O. يحتوي على النظير 2H.
3. ثقيل للغاية أو التريتيوم. تبدو الصيغة مثل T 3 O، النظير - 3 H.

تعتبر احتياطيات مياه البروتيوم العذبة على الكوكب مهمة جدًا. هناك بالفعل نقص في العديد من البلدان. ويجري تطوير طرق لمعالجة المياه المالحة لإنتاج مياه الشرب.

بيروكسيد الهيدروجين هو علاج عالمي

هذا المركب، كما ذكر أعلاه، هو عامل مؤكسد ممتاز. ومع ذلك، مع وجود ممثلين أقوياء، يمكنه أيضًا أن يتصرف كمرمم. بالإضافة إلى ذلك، له تأثير مبيد للجراثيم وضوحا.

اسم آخر لهذا المركب هو بيروكسيد. في هذا الشكل يتم استخدامه في الطب. ومحلول 3% من الهيدرات البلورية للمركب المعني هو دواء طبي يستخدم لعلاج الجروح الصغيرة بغرض تطهيرها. ومع ذلك، فقد ثبت أن هذا يزيد من وقت شفاء الجرح.

ويستخدم بيروكسيد الهيدروجين أيضًا في وقود الصواريخ، وفي الصناعة للتطهير والتبييض، وكعامل رغوة لإنتاج المواد المناسبة (الرغوة، على سبيل المثال). بالإضافة إلى ذلك، يساعد البيروكسيد على تنظيف أحواض السمك وتبييض الشعر وتبييض الأسنان. إلا أنها تسبب ضرراً للأنسجة، لذلك لا ينصح بها المختصون لهذه الأغراض.

سائل

هيدروجين(خط العرض. هيدروجينيوم; يشار إليه بالرمز ح) هو العنصر الأول في الجدول الدوري للعناصر. منتشرة على نطاق واسع في الطبيعة. الكاتيون (ونواة) النظير الأكثر شيوعًا للهيدروجين، 1H، هو البروتون. خصائص النواة 1H تجعل من الممكن استخدام التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي على نطاق واسع في تحليل المواد العضوية.

ثلاثة نظائر للهيدروجين لها أسماء خاصة بها: 1 H - البروتيوم (H)، 2 H - الديوتيريوم (D) و 3 H - التريتيوم (المشع) (T).

إن مادة الهيدروجين البسيطة - H 2 - هي غاز خفيف عديم اللون. عند مزجه مع الهواء أو الأكسجين، فهو قابل للاشتعال والانفجار. غير سامة. قابل للذوبان في الإيثانول وعدد من المعادن: الحديد والنيكل والبلاديوم والبلاتين.

قصة

لوحظ إطلاق الغازات القابلة للاشتعال أثناء تفاعل الأحماض والمعادن في القرنين السادس عشر والسابع عشر، عند فجر تكوين الكيمياء كعلم. وأشار ميخائيل فاسيليفيتش لومونوسوف أيضًا بشكل مباشر إلى عزلته، لكنه كان يدرك بالتأكيد أنه ليس فلوجيستون. قام الفيزيائي والكيميائي الإنجليزي هنري كافنديش بفحص هذا الغاز عام 1766 وأطلق عليه اسم "الهواء القابل للاشتعال". عند حرقه، ينتج "الهواء القابل للاشتعال" الماء، لكن التزام كافنديش بنظرية الفلوجستون منعه من استخلاص الاستنتاجات الصحيحة. قام الكيميائي الفرنسي أنطوان لافوازييه، مع المهندس ج. مونييه، باستخدام مقاييس الغاز الخاصة، في عام 1783 بتركيب الماء، ثم تحليله، وتحلل بخار الماء بالحديد الساخن. وبذلك أثبت أن "الهواء القابل للاشتعال" جزء من الماء ويمكن الحصول عليه منه.

أصل الاسم

أطلق لافوازييه على الهيدروجين اسم هيدروجين، أي "ولادة الماء". اقترح الكيميائي إم إف سولوفيوف الاسم الروسي "الهيدروجين" في عام 1824 - قياسًا على "الأكسجين" لسلومونوسوف.

انتشار

الهيدروجين هو العنصر الأكثر وفرة في الكون. وهو يمثل حوالي 92% من جميع الذرات (8% ذرات هيليوم، وحصة جميع العناصر الأخرى مجتمعة أقل من 0.1%). وبالتالي فإن الهيدروجين هو المكون الرئيسي للنجوم والغاز بين النجوم. في ظل ظروف درجات الحرارة النجمية (على سبيل المثال، درجة حرارة سطح الشمس ~ 6000 درجة مئوية)، يوجد الهيدروجين على شكل بلازما في الفضاء بين النجوم، ويوجد هذا العنصر على شكل جزيئات وذرات وأيونات فردية ويمكن أن يتشكل السحب الجزيئية التي تختلف بشكل كبير في الحجم والكثافة ودرجة الحرارة.

القشرة الأرضية والكائنات الحية

تبلغ نسبة كتلة الهيدروجين في القشرة الأرضية 1%، وهو العنصر العاشر الأكثر وفرة. ومع ذلك، فإن دورها في الطبيعة لا يتحدد بالكتلة، بل بعدد الذرات التي تبلغ حصتها بين العناصر الأخرى 17٪ (المركز الثاني بعد الأكسجين الذي تبلغ حصة الذرات فيه ~ 52٪). ولذلك فإن أهمية الهيدروجين في العمليات الكيميائية التي تحدث على الأرض تكاد تكون كبيرة مثل أهمية الأكسجين. على عكس الأكسجين، الموجود على الأرض في كل من الحالات المقيدة والحرة، فإن كل الهيدروجين الموجود على الأرض تقريبًا موجود في شكل مركبات؛ يوجد فقط كمية صغيرة جدًا من الهيدروجين على شكل مادة بسيطة في الغلاف الجوي (0.00005% من حيث الحجم).

الهيدروجين جزء من جميع المواد العضوية تقريبًا وهو موجود في جميع الخلايا الحية. في الخلايا الحية، يمثل الهيدروجين ما يقرب من 50٪ من عدد الذرات.

إيصال

تعتمد الطرق الصناعية لإنتاج المواد البسيطة على الشكل الذي يوجد به العنصر المقابل في الطبيعة، أي ما يمكن أن يكون المادة الخام لإنتاجه. وبالتالي، يتم الحصول على الأكسجين، الذي يتوفر في حالة حرة، جسديا - عن طريق الانفصال عن الهواء السائل. تقريبا كل الهيدروجين موجود في شكل مركبات، لذلك يتم استخدام الطرق الكيميائية للحصول عليه. على وجه الخصوص، يمكن استخدام تفاعلات التحلل. إحدى طرق إنتاج الهيدروجين هي من خلال تحلل الماء بواسطة التيار الكهربائي.

الطريقة الصناعية الرئيسية لإنتاج الهيدروجين هي تفاعل الميثان، وهو جزء من الغاز الطبيعي، مع الماء. يتم إجراؤه عند درجة حرارة عالية (من السهل التحقق من أنه عند تمرير الميثان حتى من خلال الماء المغلي، لا يحدث أي تفاعل):

CH 4 + 2H 2 O = CO 2 + 4H 2 −165 كيلوجول

في المختبر، للحصول على مواد بسيطة، لا يستخدمون بالضرورة مواد خام طبيعية، ولكن يختارون تلك المواد الأولية التي يسهل عزل المادة المطلوبة منها. على سبيل المثال، في المختبر، لا يتم الحصول على الأكسجين من الهواء. الأمر نفسه ينطبق على إنتاج الهيدروجين. ومن الطرق المعملية لإنتاج الهيدروجين، والتي تستخدم أحياناً في الصناعة، تحلل الماء بالتيار الكهربائي.

عادة، يتم إنتاج الهيدروجين في المختبر عن طريق تفاعل الزنك مع حمض الهيدروكلوريك.

في الصناعة

1. التحليل الكهربائي للمحاليل الملحية المائية :

2NaCl + 2H2O → H2 + 2NaOH + Cl2

2.تمرير بخار الماء فوق فحم الكوك الساخن عند درجة حرارة حوالي 1000 درجة مئوية:

ماء2أو+ج؟ H2+CO

3. من الغاز الطبيعي.

تحويل البخار:

CH4 + H2O ؟ ثاني أكسيد الكربون + 3H2 (1000 درجة مئوية)

الأكسدة الحفزية بالأكسجين:

2CH 4 + يا 2؟ 2CO + 4H2

4. تكسير وإعادة تشكيل الهيدروكربونات أثناء تكرير النفط.

في المختبر

1.تأثير الأحماض المخففة على المعادن.لتنفيذ هذا التفاعل، غالبًا ما يستخدم الزنك وحمض الهيدروكلوريك المخفف:

Zn + 2HCl → ZnCl 2 + H 2

2.تفاعل الكالسيوم مع الماء:

Ca + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2

3.التحلل المائي للهيدريدات:

ناه + ح 2 يا → هيدروكسيد الصوديوم + ح 2

4.تأثير القلويات على الزنك أو الألومنيوم:

2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na + 3H2

Zn + 2KOH + 2H2O → K2 + H2

5.باستخدام التحليل الكهربائي.أثناء التحليل الكهربائي للمحاليل المائية للقلويات أو الأحماض، يتم إطلاق الهيدروجين عند الكاثود، على سبيل المثال:

2H 3 O + + 2e − → H 2 + 2H 2 O

الخصائص الفيزيائية

يمكن أن يتواجد الهيدروجين في شكلين (تعديلات) - في شكل أورثو وشبه الهيدروجين. في جزيء أورثوهيدروجين س-H 2 (mp −259.10 °C, bp −252.56 °C) يتم توجيه السبينات النووية بشكل مماثل (موازي)، وبالنسبة لبارهيدروجين ص-H 2 (نقطة الانصهار -259.32 درجة مئوية، نقطة الغليان -252.89 درجة مئوية) - متقابلان لبعضهما البعض (مضادان للتوازي). خليط التوازن س- ح 2 و ص-H2 عند درجة حرارة معينة تسمى الهيدروجين المتوازن ه-H2.

يمكن فصل تعديلات الهيدروجين عن طريق الامتزاز على الكربون النشط عند درجة حرارة النيتروجين السائل. عند درجات حرارة منخفضة جدًا، يتحول التوازن بين أورثوهيدروجين وباراهيدروجين بالكامل تقريبًا نحو الأخير. عند 80 K تكون نسبة النماذج حوالي 1:1. عند تسخينه، يتحول باراهيدروجين الممتص إلى أورثوهيدروجين حتى يتكون خليط متوازن في درجة حرارة الغرفة (أورثو بارا: 75:25). بدون محفز، يحدث التحول ببطء (في ظل ظروف الوسط بين النجوم - مع أوقات مميزة تصل إلى الكونية)، مما يجعل من الممكن دراسة خصائص التعديلات الفردية.

الهيدروجين هو أخف الغازات، فهو أخف بمقدار 14.5 مرة من الهواء. ومن الواضح أنه كلما كانت كتلة الجزيئات أصغر، زادت سرعتها عند نفس درجة الحرارة. باعتبارها أخف الجزيئات، تتحرك جزيئات الهيدروجين بشكل أسرع من جزيئات أي غاز آخر، وبالتالي يمكنها نقل الحرارة بشكل أسرع من جسم إلى آخر. ويترتب على ذلك أن الهيدروجين لديه أعلى الموصلية الحرارية بين المواد الغازية. الموصلية الحرارية لها أعلى بحوالي سبعة أضعاف من الموصلية الحرارية للهواء.

جزيء الهيدروجين ثنائي الذرة - H2. في الظروف العادية، فهو غاز عديم اللون والرائحة والطعم. الكثافة 0.08987 جم/لتر، نقطة الغليان -252.76 درجة مئوية، حرارة الاحتراق النوعية 120.9×106 جول/كجم، قابل للذوبان قليلاً في الماء - 18.8 مل/لتر. الهيدروجين قابل للذوبان بدرجة عالية في العديد من المعادن (Ni، Pt، Pd، إلخ)، وخاصة في البلاديوم (850 مجلدًا لكل حجم واحد من Pd). ترتبط قابلية ذوبان الهيدروجين في المعادن بقدرته على الانتشار من خلالها؛ في بعض الأحيان يكون الانتشار عبر سبيكة الكربون (على سبيل المثال، الفولاذ) مصحوبًا بتدمير السبيكة بسبب تفاعل الهيدروجين مع الكربون (ما يسمى بإزالة الكربون). غير قابلة للذوبان عمليا في الفضة.

الهيدروجين السائليوجد في نطاق درجة حرارة ضيق جدًا من -252.76 إلى -259.2 درجة مئوية. وهو سائل عديم اللون، خفيف جدًا (الكثافة عند -253 درجة مئوية، 0.0708 جم/سم3) وسائل (اللزوجة عند -253 درجة مئوية، 13.8 سبواز). المعلمات الحرجة للهيدروجين منخفضة جدًا: درجة الحرارة -240.2 درجة مئوية والضغط 12.8 ضغط جوي. وهذا ما يفسر الصعوبات في تسييل الهيدروجين. في الحالة السائلة، يتكون الهيدروجين المتوازن من 99.79% بارا-H2، و0.21% أورثو-H2.

الهيدروجين الصلب، نقطة الانصهار -259.2 درجة مئوية، الكثافة 0.0807 جم / سم 3 (عند -262 درجة مئوية) - كتلة تشبه الثلج، بلورات سداسية، المجموعة الفضائية P6 / mmc، معلمات الخلية أ=3,75 ج=6.12. عند الضغط العالي، يتحول الهيدروجين إلى حالة معدنية.

النظائر

يتواجد الهيدروجين على شكل ثلاثة نظائر لها أسماء فردية: 1 H - بروتيوم (H)، 2 H - الديوتيريوم (D)، 3 H - التريتيوم (المشع) (T).

البروتيوم والديوتيريوم نظائر مستقرة ذات أعداد كتلة 1 و 2. محتواها في الطبيعة هو 99.9885 ± 0.0070٪ و 0.0115 ± 0.0070٪ على التوالي. وقد تختلف هذه النسبة قليلاً حسب مصدر وطريقة إنتاج الهيدروجين.

نظير الهيدروجين 3H (التريتيوم) غير مستقر. عمر النصف هو 12.32 سنة. يوجد التريتيوم بشكل طبيعي بكميات صغيرة جدًا.

توفر الأدبيات أيضًا بيانات عن نظائر الهيدروجين ذات الأعداد الكتلية 4 - 7 وعمر النصف 10 -22 - 10 -23 ثانية.

يتكون الهيدروجين الطبيعي من جزيئات H2 وHD (هيدروجين الديوتيريوم) بنسبة 3200:1. محتوى هيدروجين الديوتيريوم النقي D 2 أقل. تبلغ نسبة تركيزات HD وD2 حوالي 6400:1.

من بين جميع نظائر العناصر الكيميائية، تختلف الخواص الفيزيائية والكيميائية لنظائر الهيدروجين بشكل كبير عن بعضها البعض. ويرجع ذلك إلى أكبر تغير نسبي في الكتل الذرية.

	درجة حرارة ذوبان, ك	درجة حرارة الغليان, ك	ثلاثية نقطة، ك / كيلو باسكال	شديد الأهمية نقطة، ك / كيلو باسكال	كثافة السائل / الغاز، كجم/م3

يحتوي الديوتيريوم والتريتيوم أيضًا على تعديلات تقويمية وشبه: ص-د 2، س-د 2، ص-ت 2، س-ت 2 . لا يحتوي الهيدروجين المتغاير النظائر (HD، HT، DT) على تعديلات أورثو وشبه.

الخصائص الكيميائية

جزء من جزيئات الهيدروجين المنفصلة

جزيئات الهيدروجين H2 قوية جدًا، ولكي يتفاعل الهيدروجين، يجب إنفاق الكثير من الطاقة:

ح 2 = 2 ح − 432 كيلوجول

لذلك، في درجات الحرارة العادية، يتفاعل الهيدروجين فقط مع معادن نشطة جدًا، مثل الكالسيوم، مكونًا هيدريد الكالسيوم:

كا + ح 2 = كاه 2

ومع اللافلز الوحيد - الفلور، الذي يشكل فلوريد الهيدروجين:

يتفاعل الهيدروجين مع معظم المعادن واللافلزات عند درجات حرارة مرتفعة أو تحت تأثيرات أخرى، على سبيل المثال، الإضاءة:

يا 2 + 2 ح 2 = 2 ح 2 يا

يمكنه "نزع" الأكسجين من بعض الأكاسيد، على سبيل المثال:

CuO + H 2 = Cu + H 2 O

تعكس المعادلة المكتوبة خصائص الاختزال للهيدروجين.

ن 2 + 3 ح 2 → 2 ن ح 3

يشكل هاليدات الهيدروجين مع الهالوجينات:

F 2 + H 2 → 2HF، يحدث التفاعل بشكل انفجاري في الظلام وفي أي درجة حرارة،

Cl 2 + H 2 → 2HCl، يستمر التفاعل بشكل متفجر، فقط في الضوء.

يتفاعل مع السخام تحت حرارة عالية:

ج + 2 ح 2 → CH 4

التفاعل مع الفلزات القلوية والقلوية الأرضية

عند التفاعل مع المعادن النشطة، يشكل الهيدروجين الهيدريدات:

2Na + H 2 → 2NaH

كا + ح 2 → كاه 2

ملغم + ح 2 → ملغم ه 2

هيدريدات- مواد صلبة شبيهة بالأملاح، سهلة التحلل المائي:

CaH 2 + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + 2H 2

التفاعل مع أكاسيد المعادن (عادةً عناصر d)

يتم تقليل الأكاسيد إلى المعادن:

CuO + H 2 → Cu + H 2 O

Fe 2 O 3 + 3H 2 → 2Fe + 3H 2 O

WO 3 + 3H 2 → W + 3H 2 O

هدرجة المركبات العضوية

يستخدم الهيدروجين الجزيئي على نطاق واسع في التخليق العضوي لتقليل المركبات العضوية. وتسمى هذه العمليات تفاعلات الهدرجة. يتم تنفيذ هذه التفاعلات في وجود محفز عند ضغط ودرجة حرارة مرتفعين. يمكن أن يكون المحفز إما متجانسًا (مثل محفز ويلكنسون) أو غير متجانس (مثل نيكل راني والبلاديوم على الكربون).

وهكذا، على وجه الخصوص، أثناء الهدرجة الحفزية للمركبات غير المشبعة مثل الألكينات والألكينات، يتم تشكيل مركبات مشبعة - الألكانات.

جيوكيمياء الهيدروجين

يعتبر الهيدروجين الحر H2 نادرًا نسبيًا في الغازات الأرضية، ولكنه في شكل ماء يلعب دورًا مهمًا للغاية في العمليات الجيوكيميائية.

يمكن أن يتواجد الهيدروجين في المعادن على شكل أيون الأمونيوم، وأيون الهيدروكسيل، وماء بلوري.

وفي الغلاف الجوي، يتم إنتاج الهيدروجين بشكل مستمر نتيجة تحلل الماء بواسطة الإشعاع الشمسي. نظرًا لكون جزيئات الهيدروجين ذات كتلة منخفضة، فإنها تتمتع بسرعة حركة انتشار عالية (وهي قريبة من السرعة الكونية الثانية)، وعندما تدخل الطبقات العليا من الغلاف الجوي، يمكنها الطيران إلى الفضاء الخارجي.

ميزات العلاج

يشكل الهيدروجين عند مزجه بالهواء خليطًا متفجرًا - ما يسمى بالغاز المتفجر. يكون هذا الغاز أكثر انفجارًا عندما تكون نسبة حجم الهيدروجين والأكسجين 2:1، أو الهيدروجين والهواء تقريبًا 2:5، نظرًا لأن الهواء يحتوي على 21% تقريبًا من الأكسجين. الهيدروجين هو أيضا خطر الحريق. يمكن أن يسبب الهيدروجين السائل قضمة صقيع شديدة إذا لامس الجلد.

تحدث التركيزات المتفجرة للهيدروجين والأكسجين من 4٪ إلى 96٪ من حيث الحجم. عند مزجه بالهواء من 4% إلى 75(74)% من حيث الحجم.

اقتصاد

وتتراوح تكلفة الهيدروجين لإمدادات الجملة الكبيرة من 2 إلى 5 دولارات للكيلوغرام الواحد.

طلب

يستخدم الهيدروجين الذري في لحام الهيدروجين الذري.

الصناعة الكيميائية

• في إنتاج الأمونيا والميثانول والصابون والبلاستيك
• في إنتاج السمن النباتي من الزيوت النباتية السائلة
• مسجل كمكمل غذائي E949(تعبئة الغاز)

صناعة المواد الغذائية

صناعة الطيران

الهيدروجين خفيف جدًا ويرتفع دائمًا في الهواء. ذات مرة، كانت المناطيد والبالونات مملوءة بالهيدروجين. لكن في الثلاثينيات. القرن العشرين ووقعت عدة كوارث انفجرت خلالها المناطيد واحترقت. في الوقت الحاضر، تمتلئ المناطيد بالهيليوم، على الرغم من تكلفته المرتفعة بشكل كبير.

وقود

ويستخدم الهيدروجين كوقود للصواريخ.

تجري الأبحاث حاليًا حول استخدام الهيدروجين كوقود للسيارات والشاحنات. محركات الهيدروجين لا تلوث البيئة ولا تنبعث منها سوى بخار الماء.

تستخدم خلايا وقود الهيدروجين والأكسجين الهيدروجين لتحويل طاقة التفاعل الكيميائي مباشرة إلى طاقة كهربائية.

"الهيدروجين السائل"(“LH”) هي الحالة السائلة للهيدروجين، مع كثافة نوعية منخفضة تبلغ 0.07 جم / سم مكعب وخصائص مبردة مع نقطة تجمد تبلغ 14.01 كلفن (−259.14 درجة مئوية) ونقطة غليان تبلغ 20.28 كلفن (−252.87 درجة مئوية) ). وهو سائل عديم اللون والرائحة، يصنف عند امتزاجه بالهواء كمادة متفجرة يتراوح معامل اشتعالها من 4 إلى 75%. نسبة دوران الأيزومرات في الهيدروجين السائل هي: 99.79% - باراهيدروجين؛ 0.21% - أورثوهيدروجين. معامل التمدد للهيدروجين عند تغيير حالة التجميع إلى الحالة الغازية هو 848:1 عند 20 درجة مئوية.

كما هو الحال مع أي غاز آخر، يؤدي تسييل الهيدروجين إلى انخفاض حجمه. بعد التسييل، يتم تخزين السائل السائل في حاويات معزولة حراريا تحت الضغط. الهيدروجين السائل الهيدروجين السائل, LH2, إل إتش 2) يستخدم بنشاط في الصناعة، كشكل من أشكال تخزين الغاز، وفي صناعة الفضاء، كوقود الصواريخ.

قصة

أول استخدام موثق للتبريد الاصطناعي تم على يد العالم الإنجليزي ويليام كولين عام 1756، وكان غاسبارد مونج أول من حصل على الحالة السائلة لأكسيد الكبريت عام 1784، وكان مايكل فاراداي أول من حصل على الأمونيا المسالة، والمخترع الأمريكي أوليفر إيفانز كان أول من طور ضاغط التبريد في عام 1805، وكان جاكوب بيركنز أول من حصل على براءة اختراع لآلة التبريد في عام 1834، وكان جون جوري أول من حصل على براءة اختراع لمكيف الهواء في الولايات المتحدة في عام 1851. اقترح فيرنر سيمنز مفهوم التبريد المتجدد في عام 1857، وحصل كارل ليند على براءة اختراع لمعدات لإنتاج الهواء السائل باستخدام سلسلة "تأثير توسع جول طومسون" والتبريد المتجدد في عام 1876. في عام 1885، نشر الفيزيائي والكيميائي البولندي زيجمونت فروبلوفسكي درجة الحرارة الحرجة للهيدروجين 33 كلفن، والضغط الحرج 13.3 ضغط جوي. ونقطة الغليان عند 23 كلفن. تم تسييل الهيدروجين لأول مرة بواسطة جيمس ديوار في عام 1898 باستخدام التبريد المتجدد واختراعه، قارورة ديوار. تم إجراء أول تخليق لأيزومر مستقر للهيدروجين السائل، باراهيدروجين، بواسطة بول هارتيك وكارل بونهوفر في عام 1929.

تدور ايزومرات الهيدروجين

يتكون الهيدروجين في درجة حرارة الغرفة بشكل أساسي من أيزومر مغزلي، وهو الهيدروجين الأورثوهيدروجين. بعد الإنتاج، يكون الهيدروجين السائل في حالة شبه مستقرة ويجب تحويله إلى شكل باراهيدروجين لتجنب التفاعل الطارد للحرارة المتفجر الذي يحدث عندما يتغير عند درجات حرارة منخفضة. عادة ما يتم التحويل إلى مرحلة باراهيدروجين باستخدام محفزات مثل أكسيد الحديد، وأكسيد الكروم، والكربون المنشط، والأسبستوس المطلي بالبلاتين، والمعادن الأرضية النادرة، أو من خلال استخدام إضافات اليورانيوم أو النيكل.

الاستخدام

يمكن استخدام الهيدروجين السائل كشكل من أشكال تخزين الوقود لمحركات الاحتراق الداخلي وخلايا الوقود. تم إنشاء غواصات مختلفة (مشروع "212A" و"214"، ألمانيا) ومفاهيم نقل الهيدروجين باستخدام هذا الشكل الكلي من الهيدروجين (انظر على سبيل المثال "DeepC" أو "BMW H2R"). نظرًا لتشابه التصميمات، يمكن لمنشئي معدات LHV استخدام الأنظمة التي تستخدم الغاز الطبيعي المسال (LNG) أو تعديلها فقط. ومع ذلك، نظرًا لانخفاض كثافة الطاقة الحجمية، يتطلب الاحتراق كمية أكبر من الهيدروجين مقارنة بالغاز الطبيعي. إذا تم استخدام الهيدروجين السائل بدلاً من الغاز الطبيعي المضغوط في المحركات المكبسية، فعادةً ما تكون هناك حاجة إلى نظام وقود أكبر حجمًا. مع الحقن المباشر، تؤدي زيادة الخسائر في قناة السحب إلى تقليل امتلاء الأسطوانة.

يستخدم الهيدروجين السائل أيضًا لتبريد النيوترونات في تجارب تشتت النيوترونات. كتل النيوترون ونواة الهيدروجين متساوية تقريبًا، لذا فإن تبادل الطاقة أثناء الاصطدام المرن يكون أكثر فاعلية.

المزايا

ميزة استخدام الهيدروجين هي "الانبعاثات الصفرية" الناتجة عن استخدامه. ناتج تفاعله مع الهواء هو الماء.

عوائق

يزن لتر واحد من "ZhV" 0.07 كجم فقط. أي أن جاذبيته النوعية تبلغ 70.99 جم/لتر عند 20 كلفن. ويتطلب الهيدروجين السائل تقنية التخزين المبرد، مثل الحاويات الخاصة المعزولة حراريًا ويتطلب معالجة خاصة، وهو أمر نموذجي لجميع المواد المبردة. وهو قريب في هذا الصدد من الأكسجين السائل، ولكنه يتطلب المزيد من الحذر بسبب خطر الحريق. حتى مع الحاويات المعزولة، من الصعب الاحتفاظ بها في درجات الحرارة المنخفضة المطلوبة للحفاظ على سائلها (عادةً ما يتبخر بمعدل 1٪ يوميًا). عند التعامل معه، تحتاج أيضًا إلى اتباع احتياطات السلامة المعتادة عند العمل مع الهيدروجين - فهو بارد بدرجة كافية لتسييل الهواء، وهو متفجر.

دافع

الهيدروجين السائل هو أحد المكونات الشائعة لوقود الصواريخ، والذي يستخدم لدفع مركبات الإطلاق والمركبات الفضائية. في معظم محركات الصواريخ الهيدروجينية السائلة، يتم استخدامه أولاً لتبريد الفوهة وأجزاء المحرك الأخرى بشكل متجدد قبل مزجه مع عامل مؤكسد وحرقه لإنتاج قوة الدفع. تستهلك المحركات الحديثة التي تستخدم مكونات H 2 /O 2 خليط وقود غني بالهيدروجين، مما يؤدي إلى وجود كمية معينة من الهيدروجين غير المحترق في العادم. بالإضافة إلى زيادة الدفع النوعي للمحرك عن طريق تقليل الوزن الجزيئي، فإن هذا يقلل أيضًا من تآكل الفوهة وغرفة الاحتراق.

مثل هذه العوائق التي تحول دون استخدام LH في مجالات أخرى، مثل الطبيعة المبردة والكثافة المنخفضة، هي أيضًا عامل مقيد للاستخدام في هذه الحالة. اعتبارًا من عام 2009، هناك مركبة إطلاق واحدة فقط (مركبة الإطلاق دلتا-4)، وهي بالكامل صاروخ هيدروجيني. بشكل أساسي، يتم استخدام "ZHV" إما في المراحل العليا للصواريخ أو على الكتل التي تؤدي جزءًا كبيرًا من عمل إطلاق الحمولة إلى الفضاء في الفراغ. وكأحد الإجراءات لزيادة كثافة هذا النوع من الوقود، هناك مقترحات لاستخدام الهيدروجين الشبيه بالحمأة، أي شكل شبه متجمد من "الهيدروجين السائل".

تمتلك ذرة الهيدروجين أبسط بنية مقارنة بذرات العناصر الأخرى: فهي تتكون من بروتون واحد.

تشكيل النواة الذرية، وإلكترون واحد يقع في المدار ls. يكمن تفرد ذرة الهيدروجين في حقيقة أن إلكترون التكافؤ الوحيد الخاص بها يقع مباشرة في مجال عمل النواة الذرية، لأنه غير محمي بإلكترونات أخرى. وهذا يوفر لها خصائص محددة. في التفاعلات الكيميائية، يمكن أن يتخلى عن إلكترونه، مكونًا كاتيون H + (مثل ذرات الفلزات القلوية)، أو يربط إلكترونًا من شريك ليشكل أنيون H- (مثل ذرات الهالوجين). لذلك، غالبًا ما يتم وضع الهيدروجين في الجدول الدوري في المجموعة IA، وأحيانًا في المجموعة VIIA، ولكن هناك جداول مختلفة حيث لا ينتمي الهيدروجين إلى أي من مجموعات الجدول الدوري.

جزيء الهيدروجين ثنائي الذرة - H2. الهيدروجين هو الأخف بين جميع الغازات. بسبب عدم القطبية والقوة العالية لجزيء H2 (EST.= 436 كيلوجول/مول) في الظروف العادية، يتفاعل الهيدروجين بشكل فعال مع الفلور فقط، وتحت الإضاءة أيضًا مع الكلور والبروم. عند تسخينه، يتفاعل مع العديد من اللافلزات، الكلور، البروم، الأكسجين، الكبريت، ويظهر خصائص اختزالية، وعندما يتفاعل مع الفلزات القلوية والقلوية الترابية، فهو عامل مؤكسد ويشكل هيدريدات هذه المعادن:

من بين جميع الكائنات العضوية، يتمتع الهيدروجين بأقل سالبية كهربية نسبية (0E0 = 2.1)، لذلك يظهر الهيدروجين دائمًا في المركبات الطبيعية حالة أكسدة تبلغ +1. من وجهة نظر الديناميكا الحرارية الكيميائية، لا يمكن للهيدروجين في الأنظمة الحية التي تحتوي على الماء أن يشكل هيدروجينًا جزيئيًا (H2) أو أيون الهيدريد (H~). في ظل الظروف العادية، يكون الهيدروجين الجزيئي غير نشط كيميائيًا وشديد التقلب، ولهذا السبب لا يمكن للجسم الاحتفاظ به والمشاركة في عملية التمثيل الغذائي. أيون الهيدريد نشط للغاية كيميائيًا ويتفاعل فورًا مع كمية صغيرة جدًا من الماء لتكوين الهيدروجين الجزيئي. لذلك، فإن الهيدروجين الموجود في الجسم يكون إما على شكل مركبات مع أعضاء أخرى، أو على شكل كاتيون H+.

يشكل الهيدروجين روابط تساهمية فقط مع العناصر العضوية. ووفقا لدرجة القطبية، يتم ترتيب هذه الروابط في الصف التالي:

هذه السلسلة مهمة جدًا لكيمياء المركبات الطبيعية، حيث أن قطبية هذه الروابط وقابليتها للاستقطاب تحدد الخواص الحمضية للمركبات، أي التفكك مع تكوين البروتون.

الخصائص الحمضية.اعتمادا على طبيعة العنصر الذي يشكل الرابطة X-H، يتم التمييز بين 4 أنواع من الأحماض:

أحماض أوه (الأحماض الكربوكسيلية، الفينولات، الكحولات)؛

أحماض SH (الثيول)؛

أحماض NH (الأميدات، الإيميدات، الأمينات)؛

أحماض CH (الهيدروكربونات ومشتقاتها).

مع الأخذ بعين الاعتبار الاستقطاب العالي للرابطة S-H، يمكن تجميع السلاسل التالية من الأحماض وفقًا لقدرتها على الانفصال:

يحدد تركيز كاتيونات الهيدروجين في وسط مائي حموضته، والتي يتم التعبير عنها باستخدام مؤشر الهيدروجين pH = -log (القسم 7.5). معظم البيئات الفسيولوجية للجسم لديها رد فعل قريب من المحايد (الرقم الهيدروجيني = 5.0-7.5)، فقط عصير المعدة لديه الرقم الهيدروجيني = 1.0-2.0. وهذا يوفر، من ناحية، تأثيرًا مضادًا للميكروبات، حيث يقتل العديد من الكائنات الحية الدقيقة التي تدخل المعدة مع الطعام؛ ومن ناحية أخرى، فإن البيئة الحمضية لها تأثير محفز في التحلل المائي للبروتينات والسكريات والركائز الحيوية الأخرى، مما يساهم في إنتاج المستقلبات الضرورية.

خصائص الأكسدة والاختزال.نظرًا لكثافة الشحنة الموجبة العالية، فإن كاتيون الهيدروجين هو عامل مؤكسد قوي إلى حد ما (φ° = 0 V)، حيث يؤدي إلى أكسدة المعادن النشطة والوسيطة عند التفاعل مع الأحماض والماء:

في الأنظمة الحية لا توجد عوامل اختزال قوية كهذه، كما أن قدرة أكسدة كاتيونات الهيدروجين في بيئة محايدة (الرقم الهيدروجيني = 7) تقل بشكل كبير (φ° = -0.42 فولت). لذلك، في الجسم، لا يُظهر كاتيون الهيدروجين خصائص مؤكسدة، ولكنه يشارك بنشاط في تفاعلات الأكسدة والاختزال، مما يعزز تحويل المواد الأولية إلى منتجات التفاعل:

في جميع الأمثلة المقدمة، لم تغير ذرات الهيدروجين حالة الأكسدة الخاصة بها +1.

خصائص الاختزال هي سمة من سمات الهيدروجين الجزيئي وخاصة الذري، أي الهيدروجين في لحظة التطور مباشرة في وسط التفاعل، وكذلك بالنسبة لأيون الهيدريد:

ومع ذلك، في الأنظمة الحية لا توجد مثل هذه العوامل المختزلة (H2 أو H-)، وبالتالي لا توجد مثل هذه التفاعلات. إن الرأي الموجود في الأدبيات، بما في ذلك الكتب المدرسية، بأن الهيدروجين هو الناقل للخصائص المختزلة للمركبات العضوية لا يتوافق مع الواقع؛ وهكذا، في الأنظمة الحية، يكون عامل الاختزال للركائز الحيوية هو الشكل المخفض من إنزيم هيدروجيناز الإنزيم المساعد، حيث يكون المتبرع بالإلكترون هو ذرات الكربون بدلاً من ذرات الهيدروجين (القسم 9.3.3).

خصائص معقدة.نظرًا لوجود مدار ذري حر في كاتيون الهيدروجين وتأثير الاستقطاب العالي لكاتيون H + نفسه، فهو أيون نشط مركب. وهكذا، في البيئة المائية، يشكل كاتيون الهيدروجين أيون الهيدرونيوم H3O +، وفي وجود الأمونيا، أيون الأمونيوم NH4:

الميل إلى تكوين شركاء.تشكل ذرات الهيدروجين ذات الروابط O-H وN-H القطبية العالية روابط هيدروجينية (القسم 3.1). تعتمد قوة الرابطة الهيدروجينية (من 10 إلى 100 كيلوجول/مول) على حجم الشحنات الموضعية وطول الرابطة الهيدروجينية، أي على المسافة بين ذرات العناصر السالبة الكهربية المشاركة في تكوينها. أطوال الروابط الهيدروجينية التالية، PM، هي من سمات الأحماض الأمينية والكربوهيدرات والبروتينات والأحماض النووية:

بفضل الروابط الهيدروجينية، تنشأ تفاعلات بين الجزيئات قابلة للعكس بين الركيزة والإنزيم، بين المجموعات الفردية في البوليمرات الطبيعية، والتي تحدد تركيبها الثانوي والثالث والرباعي (الأقسام 21.4، 23.4). تلعب الرابطة الهيدروجينية دورًا رائدًا في خصائص الماء كمذيب وكاشف.

الماء وخصائصه.الماء هو مركب الهيدروجين الأكثر أهمية. جميع التفاعلات الكيميائية في الجسم تتم فقط في بيئة مائية؛ فالحياة بدون ماء مستحيلة. تم النظر في الماء كمذيب في القسم. 6.1.

خصائص الحمض القاعدي. يعتبر الماء ككاشف من وجهة نظر الخواص الحمضية القاعدية أمفوليتًا حقيقيًا (القسم 1.8). ويتجلى هذا أثناء التحلل المائي للأملاح (القسم 8.3.1) وأثناء تفكك الأحماض والقواعد في بيئة مائية (القسم 8.3.2).

السمة الكمية لحموضة الوسائط المائية هي قيمة الرقم الهيدروجيني.

ويشارك الماء ككاشف حمضي-قاعدي في تفاعلات التحلل المائي للركائز الحيوية. على سبيل المثال، يعمل التحلل المائي للأدينوزين ثلاثي الفوسفات كمصدر للطاقة المخزنة في الجسم، ويعمل التحلل المائي الأنزيمي للبروتينات غير الضرورية على الحصول على الأحماض الأمينية، والتي تعد المادة الأولية لتخليق البروتينات الضرورية. في هذه الحالة، تكون كاتيونات H+ أو أنيونات OH- عبارة عن محفزات حمض-قاعدة لتفاعلات التحلل المائي للركائز الحيوية (الأقسام 21.4، 23.4).

خصائص الأكسدة والاختزال. في جزيء الماء، يكون كل من الهيدروجين والأكسجين في حالات أكسدة مستقرة. ولذلك، فإن الماء لا يحمل خصائص الأكسدة والاختزال وضوحا. تكون تفاعلات الأكسدة والاختزال ممكنة عندما يتفاعل الماء فقط مع عوامل اختزال نشطة جدًا أو عوامل مؤكسدة نشطة جدًا، أو في ظل ظروف التنشيط القوي للكواشف.

يمكن أن يكون الماء عاملاً مؤكسدًا بسبب كاتيونات الهيدروجين عند تفاعله مع عوامل اختزال قوية، على سبيل المثال الفلزات القلوية والفلزات القلوية الترابية أو هيدريداتها:

عند درجات الحرارة المرتفعة، قد يتفاعل الماء مع عوامل الاختزال الأقل نشاطًا:

في الأنظمة الحية، لا يعمل الماء المكون لها أبدًا كعامل مؤكسد، لأن هذا قد يؤدي إلى تدمير هذه الأنظمة بسبب تكوين الهيدروجين الجزيئي وإزالته بشكل لا رجعة فيه من الكائنات الحية.

يمكن أن يعمل الماء كعامل اختزال بسبب ذرات الأكسجين، على سبيل المثال، عند التفاعل مع عامل مؤكسد قوي مثل الفلور:

تحت تأثير الضوء وبمشاركة الكلوروفيل، تحدث عملية التمثيل الضوئي في النباتات بتكوين O2 من الماء (القسم 9.3.6):

بالإضافة إلى المشاركة المباشرة في تحولات الأكسدة والاختزال، يشارك الماء ونواتج تفككه H+ وOH- كوسيط يعزز حدوث العديد من تفاعلات الأكسدة والاختزال بسبب قطبيته العالية (= 79) ومشاركة الأيونات التي يشكلها في تحويل المواد الأولية إلى نهائية (القسم 9.1).

خصائص معقدة. جزيء الماء، بسبب وجود زوجين من الإلكترونات المنفردة على ذرة الأكسجين، عبارة عن رابطة أحادية نشطة إلى حد ما، والتي تشكل أيون أوكسونيوم معقد H 3 0 + مع كاتيون الهيدروجين، ومجمعات مائية مستقرة تمامًا مع كاتيونات معدنية في الماء الحلول، على سبيل المثال [Ca(H 2 0) 6 ] 2+ , [ Fe(H 2 0) 6 ] 3+ , 2+ . في هذه الأيونات المعقدة، ترتبط جزيئات العقدة تساهميًا بعوامل التعقيد بإحكام شديد. الكاتيونات الفلزية القلوية لا تشكل مجمعات مائية، ولكنها تشكل الكاتيونات المائية بسبب القوى الكهروستاتيكية. لا يتجاوز زمن بقاء جزيئات الماء في الأغلفة المائية لهذه الكاتيونات 0.1 ثانية، ويمكن أن يتغير تركيبها بسهولة بناءً على عدد جزيئات الماء.

الميل إلى تكوين شركاء. نظرًا للقطبية العالية، التي تعزز التفاعل الكهروستاتيكي وتكوين روابط هيدروجينية، فإن جزيئات الماء، حتى في الماء النقي (القسم 6.1)، تشكل روابط بين الجزيئات تختلف في البنية وعدد الجزيئات ووقت حياتها المستقرة في الروابط الزميلة ، وكذلك عمر الشركاء أنفسهم. وبالتالي، فإن الماء النقي هو نظام ديناميكي مفتوح ومعقد. تحت تأثير العوامل الخارجية: الإشعاع الإشعاعي والأشعة فوق البنفسجية والليزر، الموجات المرنة، درجة الحرارة، الضغط، المجالات الكهربائية والمغناطيسية والكهرومغناطيسية من المصادر الاصطناعية والطبيعية (الفضاء، الشمس، الأرض، الكائنات الحية) - يغير الماء خصائصه الهيكلية والمعلوماتية وبالتالي تتغير وظائفه البيولوجية والفسيولوجية.

بالإضافة إلى الارتباط الذاتي، تعمل جزيئات الماء على ترطيب الأيونات والجزيئات القطبية والجزيئات الكبيرة، وتشكيل أغلفة مائية حولها، وبالتالي تثبيتها في المحلول وتعزيز انحلالها (القسم 6.1). المواد التي تكون جزيئاتها غير قطبية ولها أحجام صغيرة نسبيًا لا يمكنها الذوبان إلا قليلاً في الماء، وملء الفراغات المرتبطة بها ببنية معينة. في هذه الحالة، نتيجة للتفاعل الكاره للماء، تقوم الجزيئات غير القطبية ببناء غلاف الماء المحيط بها، وتحولها إلى رابط منظم، عادة ببنية تشبه الجليد، يقع داخلها هذا الجزيء غير القطبي.

في الكائنات الحية، يمكن التمييز بين فئتين من الماء - "مقيد" و"مجاني"؛ ويبدو أن الأخير موجود فقط في السائل بين الخلايا (القسم 6.1). وتنقسم المياه المقيدة بدورها إلى مياه "مهيكلة" (مرتبطة بقوة) ومياه "مفككة" (ضعيفة الارتباط أو فضفاضة). من المحتمل أن جميع العوامل الخارجية المذكورة أعلاه تؤثر على حالة الماء في الجسم، وتغير النسب: المياه "المهيكلة" / "المدمرة" و"المرتبطة" / "الحرة"، بالإضافة إلى معلماتها الهيكلية والديناميكية. وهذا يتجلى في التغيرات في الحالة الفسيولوجية للجسم. من الممكن أن تخضع المياه داخل الخلايا بشكل مستمر لانتقالات نابضة من الحالة "المهيكلة" إلى الحالة "المدمرة"، والتي يتم تنظيمها بشكل أساسي عن طريق البروتينات. ترتبط هذه التحولات بطرد المستقلبات المستهلكة (النفايات) من الخلية وامتصاص المواد الضرورية. من وجهة نظر حديثة، يشارك الماء في تكوين بنية واحدة داخل الخلايا، بفضل تحقيق انتظام العمليات الحيوية. لذلك، وفقا للتعبير المجازي A. Szent-Györgyi، فإن الماء في الجسم هو "مصفوفة الحياة".

الماء في الطبيعة. الماء هو المادة الأكثر أهمية ووفرة على وجه الأرض. سطح الكرة الأرضية مغطى بنسبة 75% بالماء. يبلغ حجم المحيط العالمي 1.4 مليار كيلومتر مكعب. وتوجد نفس الكمية من الماء في المعادن على شكل ماء متبلور. ويحتوي الغلاف الجوي على 13 ألف كم3 من الماء. وفي الوقت نفسه فإن احتياطيات المياه العذبة الصالحة للشرب والاحتياجات المنزلية محدودة للغاية (يبلغ حجم جميع خزانات المياه العذبة 200 ألف كيلومتر مكعب). تحتوي المياه العذبة المستخدمة في الحياة اليومية على شوائب مختلفة تتراوح من 0.05 إلى 1 جم/لتر، وغالبًا ما تكون هذه الأملاح: البيكربونات والكلوريدات والكبريتات، بما في ذلك أملاح الكالسيوم والمغنيسيوم القابلة للذوبان، والتي يجعل وجودها الماء عسرًا (القسم 14.3). في الوقت الحالي، تعد حماية الموارد المائية ومعالجة مياه الصرف الصحي من أكثر المشكلات البيئية إلحاحًا.

يوجد في الماء العادي حوالي 0.02% ماء ثقيل D2O (D - الديوتيريوم). يتراكم أثناء التبخر أو التحليل الكهربائي للمياه العادية. الماء الثقيل سام. يستخدم الماء الثقيل لدراسة حركة الماء في الكائنات الحية. وبمساعدته ثبت أن سرعة حركة الماء في أنسجة بعض النباتات تصل إلى 14 م/ساعة، والماء الذي يشربه الإنسان يتوزع بالكامل في جميع أعضائه وأنسجته خلال ساعتين ويخرج بالكامل من الجسم فقط. بعد اسبوعين. تحتوي الكائنات الحية على ما بين 50 إلى 93% من الماء، وهو مشارك لا غنى عنه في جميع عمليات الحياة. بدون الماء الحياة مستحيلة. ويبلغ متوسط ​​العمر المتوقع 70 عامًا، ويستهلك الإنسان حوالي 70 طنًا من الماء من خلال الطعام والشراب.

تستخدم على نطاق واسع في الممارسة العلمية والطبية الماء المقطر- سائل عديم اللون وشفاف وعديم الرائحة والمذاق، درجة الحموضة = 5.2-6.8. هذا دواء دستوري لتحضير العديد من أشكال الجرعات.

الماء للحقن(الماء الخالي من البيروجين) هو أيضًا دواء دوائي. لا تحتوي هذه المياه على مواد بيروجينية. البيروجينات هي مواد ذات أصل بكتيري - مستقلبات أو نفايات البكتيريا التي تسبب قشعريرة وحمى وصداعًا وانتهاك نشاط القلب والأوعية الدموية عند دخولها الجسم. يتم تحضير الماء الخالي من البيروجين عن طريق التقطير المزدوج (ثنائي التقطير) تحت ظروف معقمة ويتم استخدامه خلال 24 ساعة.

في ختام هذا القسم، من الضروري التأكيد على خصائص الهيدروجين كعنصر حيوي. في الأنظمة الحية، يُظهر الهيدروجين دائمًا حالة الأكسدة +1 ويوجد إما مرتبطًا برابطة تساهمية قطبية مع عناصر حيوية أخرى أو في شكل كاتيون H +. كاتيون الهيدروجين هو حامل للخصائص الحمضية وعامل معقد نشط يتفاعل مع أزواج الإلكترونات الحرة من ذرات الكائنات العضوية الأخرى. من وجهة نظر خصائص الأكسدة والاختزال، لا يُظهر الهيدروجين المرتبط في ظروف الجسم خصائص عامل مؤكسد أو عامل اختزال، ومع ذلك، يشارك كاتيون الهيدروجين بنشاط في العديد من تفاعلات الأكسدة والاختزال، دون تغيير حالة الأكسدة، ولكنه يساهم في تحويل الركائز الحيوية إلى منتجات التفاعل. يرتبط الهيدروجين بالعناصر السالبة كهربيًا ويشكل روابط هيدروجينية.