هيدروجين (Hydrogen)

يُعرّف الهيدروجين بأنه عنصر كيميائي، يُشار إليه بالرمز H ويمتلك رقمًا ذريًا قدره 1. وهو يمثل العنصر الكيميائي الأخف والأكثر انتشارًا في جميع أنحاء الكون، ويشكل حوالي 75٪ من جميع المواد العادية. في الظروف البيئية القياسية، يتواجد الهيدروجين كغاز جزيئي ثنائي الذرة، ممثلًا بالصيغة H2، والتي يشار إليها عادةً باسم ثنائي الهيدروجين، أو بدلاً من ذلك كغاز الهيدروجين، أو الهيدروجين الجزيئي، أو ببساطة الهيدروجين. يُظهر الهيدروجين خصائص كونه عديم اللون والرائحة وغير سام وقابل للاشتعال بدرجة كبيرة. تتكون الأجرام السماوية، مثل الشمس، في الغالب من الهيدروجين في حالة البلازما، بينما على الأرض، يوجد الهيدروجين في الشكل الغازي H2 (ثنائي الهيدروجين) وكمكون من جزيئات مثل الماء والمركبات العضوية المختلفة. ويتميز النظير السائد للهيدروجين، 1H، بوجود بروتون واحد وإلكترون واحد وغياب النيوترونات.

الهيدروجين هو عنصر كيميائي؛ له الرمزH والرقم الذري1. وهو أخف العناصر الكيميائية وأكثرها وفرة في الكون، ويشكل حوالي 75% من جميع المواد الطبيعية. في ظل الظروف القياسية، يكون الهيدروجين غازًا من جزيئات ثنائية الذرة بالصيغةH§1112§، ويُطلق عليها ثنائي الهيدروجين، أو في بعض الأحيان غاز الهيدروجين، أو الهيدروجين الجزيئي، أو ببساطة الهيدروجين. ثنائي الهيدروجين عديم اللون، عديم الرائحة، غير سام، وقابل للاشتعال للغاية. تتكون النجوم، بما في ذلك الشمس، بشكل أساسي من الهيدروجين في حالة البلازما، بينما يوجد الهيدروجين على الأرض في صورة غازH§2324§ (ثنائي الهيدروجين) وفي الجزيئات، كما هو الحال في الماء والمركبات العضوية. يتكون النظائر الأكثر شيوعًا للهيدروجين، §2627§H، من بروتون واحد وإلكترون واحد ولا يحتوي على نيوترونات.

تم تحقيق التوليف الاصطناعي لغاز الهيدروجين في البداية خلال القرن السابع عشر من خلال التفاعل الكيميائي للأحماض مع معادن مختلفة. بين عامي 1766 و1781، نجح هنري كافنديش في تحديد غاز الهيدروجين باعتباره عنصرًا فريدًا، ثم لاحظ خصائصه المتمثلة في توليد الماء عند الاحتراق. يدعم هذا الاكتشاف أصل اسم الهيدروجين، والذي يُترجم إلى 'مشكل الماء'، المشتق من المصطلحات اليونانية القديمة: ὕδωρ (بالحروف اللاتينية: húdōr، حرفيًا 'المياه') وγεννάω (gennáō، وتعني 'أحضر للأمام'). أثبت فهم امتصاص ضوء الهيدروجين وأطياف الانبعاث فعاليته في تقدم ميكانيكا الكم.

يُظهر الهيدروجين عمومًا خصائص غير معدنية باستثناء عندما يتعرض لضغوط شديدة، ويشارك بسهولة في روابط تساهمية مع غالبية اللافلزات، وبالتالي يسهل تخليق المركبات مثل الماء والمواد العضوية المتنوعة. تعتبر مشاركتها محورية في التفاعلات الحمضية والقاعدية، والتي تتميز في المقام الأول بتبادل البروتونات بين الأنواع الجزيئية القابلة للذوبان. داخل المركبات الأيونية، يمكن أن يظهر الهيدروجين إما على شكل أنيون سالب الشحنة، يسمى هيدريد، أو على شكل كاتيون موجب الشحنة، H⁺، المعروف باسم هيدرون. على الرغم من ارتباطها القوي بجزيئات الماء، فإن الهيدروونات لها تأثير كبير على خصائص المحاليل المائية، وهي ظاهرة يؤكدها الدور الحاسم للأس الهيدروجيني. على العكس من ذلك، نادرًا ما يتم ملاحظة الهيدريد بسبب ميله إلى إزالة البروتونات من المذيبات، مما يؤدي إلى تكوينH§78§.

خلال العصر البدائي للكون، أي بعد حوالي 370,000 سنة من الانفجار الكبير، تجمعت ذرات الهيدروجين المحايدة حيث أدى التوسع الكوني إلى تبريد كافٍ للبلازما، مما مكّن الإلكترونات من الارتباط بالبروتونات. بعد ذلك، مع بداية تكوين النجوم، خضعت غالبية الهيدروجين الموجود في الوسط بين المجرات لعملية إعادة التأين.

يتم تحقيق الغالبية العظمى من إنتاج الهيدروجين حاليًا من خلال تحويل الوقود الأحفوري، ولا سيما عن طريق الإصلاح البخاري للغاز الطبيعي. وبدلاً من ذلك، يمكن توليد الهيدروجين من الماء أو المحاليل الملحية من خلال التحليل الكهربائي؛ ومع ذلك، فإن هذه الطريقة عادةً ما تتكبد تكاليف أعلى. تشمل التطبيقات الصناعية الأولية للهيدروجين تكرير الوقود الأحفوري وتخليق الأمونيا لإنتاج الأسمدة. وتظهر تطبيقات جديدة للهيدروجين، مثل استخدامه في خلايا الوقود لتوليد الكهرباء.

الخصائص

الهيدروجين الذري

مستويات طاقة الإلكترون

يتم قياس مستوى طاقة الحالة الأرضية للإلكترون داخل ذرة الهيدروجين عند -13.6 إلكترون فولت (eV)، وهو ما يتوافق مع فوتون فوق بنفسجي بطول موجة تقريبي يبلغ 91 نانومتر. يتم تحديد مستويات طاقة الهيدروجين بواسطة أرقام كمومية متسلسلة، حيث n = §1617§ {\displaystyle n=1} يدل على الحالة الأساسية. تتميز السلسلة الطيفية للهيدروجين بانبعاث الضوء الناتج عن انتقال الإلكترون من حالات الطاقة الأعلى إلى حالات الطاقة الأقل. علاوة على ذلك، يخضع كل مستوى طاقة لتقسيم إضافي إلى أربعة مستويات فائقة الدقة بسبب تفاعلات الدوران بين الإلكترون والبروتون.

لا غنى عن التحديدات الدقيقة لمستويات طاقة ذرة الهيدروجين لوضع تعريفات للثوابت الفيزيائية الأساسية. حددت حسابات ميكانيكا الكم تسع مساهمات متميزة في مستويات الطاقة هذه. تشكل القيمة الذاتية المشتقة من معادلة ديراك المساهمة الأكثر أهمية. تشتمل المصطلحات المساهمة الإضافية على تأثيرات الارتداد النسبي والطاقة الذاتية واستقطاب الفراغ.

التسميات

يقوم الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (IUPAC)، وهو الهيئة الرسمية للتسميات الكيميائية، بتعيين أسماء عامة للهيدروجين عندما يفترض أن وفرة النظائر طبيعية أو عندما يتم تجاهل النظائر. تتضمن هذه المصطلحات القياسية الهيدروجين للذرة المحايدة، وهيدرون لكاتيون H⁺، وهيدريد لأنيون H^-. بينما يتم استخدام البروتون بشكل متكرر للإشارة إلى الكاتيون المشحون إيجابيًا، فإن تطبيقه الدقيق يقتصر على كاتيون النظير السائد، §1516§
H.

النظائر

يحتوي الهيدروجين على ثلاثة نظائر موجودة بشكل طبيعي، ويُشار إليها على وجه التحديد بـ §34§
H، §1415§
H، و§27^28§
H. نويدات إضافية غير مستقرة للغاية، تتراوح من (§4041§
H إلى §5152§
H)، تم إنتاجها صناعيًا في إعدادات المختبر ولكن لم يتم اكتشافها في البيئات الطبيعية.

§45§
H يمثل نظير الهيدروجين الأكثر انتشارًا، ويشكل أكثر من 99.98% من الوفرة الطبيعية. نظرًا لأن نواته تتكون من بروتون واحد فقط، فإنه يُشار إليه رسميًا، وإن كان نادرًا، باسم البروتين. وهذا النظير فريد من نوعه باعتباره الشكل المستقر الوحيد للهيدروجين الذي يفتقر إلى النيوترونات.

§45§
H، النظير المستقر البديل للهيدروجين، يُسمى بالديوتيريوم، ويتميز بنواة تحتوي على بروتون واحد ونيوترون واحد. يُعتقد أن الغالبية العظمى من نوى الديوتيريوم في جميع أنحاء الكون قد نشأت أثناء التخليق النووي للانفجار الكبير واستمرت منذ تلك الحقبة. الديوتيريوم غير مشع ولا يشكل أي خطر سمية كبير. تسمى جزيئات الماء المخصبة بالديوتيريوم بدلاً من الهيدروجين القياسي بالماء الثقيل. يعمل الديوتيريوم والمركبات المرتبطة به كملصقات غير مشعة في التجارب الكيميائية وكمذيبات لـ §1617§
H - التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي. يستخدم الماء الثقيل كمهدئ للنيوترونات ومبرد في المفاعلات النووية. علاوة على ذلك، يعتبر الديوتيريوم مصدر وقود محتمل للاندماج النووي التجاري.

§45§
H يُعرف بأنه التريتيوم، ويمتلك نواة مكونة من بروتون واحد وبروتونين. النيوترونات. هذا النظير مشع، ويخضع لتحلل بيتا ليشكل الهيليوم-3 بنصف عمر يبلغ 12.32 سنة. نشاطه الإشعاعي كافٍ لدمجه في الدهانات المضيئة، مما يحسن وضوح عرض البيانات، مثل عقارب الساعة وعلامات الاتصال الهاتفي. يحتوي زجاج الساعة بشكل فعال على الحد الأدنى من الإشعاع المنبعث، مما يمنع تسربه من الغلاف. يتم توليد التريتيوم بشكل طبيعي بكميات ضئيلة عندما تتفاعل الأشعة الكونية مع الغازات الجوية؛ بالإضافة إلى ذلك، تم إطلاقه أثناء تجارب الأسلحة النووية. وتشمل تطبيقاته الاندماج النووي، الذي يعمل كتتبع في الكيمياء الجيولوجية النظائرية، ويعمل على تشغيل أجهزة متخصصة ذاتية الإضاءة. كما تم استخدام التريتيوم كعلامة إشعاعية في الأبحاث الكيميائية والبيولوجية.

يتميز الهيدروجين بين العناصر لأنه يشار إلى نظائره عادة بأسماء فريدة. تاريخيًا، خلال المراحل الأولى من أبحاث النشاط الإشعاعي، تم تعيين أسماء فردية للنظائر المشعة الأثقل، على الرغم من أن معظم هذه الأسماء أصبحت الآن قديمة. يُستخدم الرمزان D وT أحيانًا للديوتيريوم والتريتيوم، على التوالي، كبدائل لـ §56§
H و§1617§
H. ومع ذلك، لم يكن الرمز P متاحًا للبروتينيوم نظرًا لتخصيصه مسبقًا للفوسفور. يسمح الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (IUPAC)، في إرشاداته للتسميات، باستخدام D، T، §3132§
H، و §4243§
H; ومع ذلك، §5354§
H و §6465§
H هي التسميات المفضلة.

يمثل الهيدروجين المضاد (H) مكافئ المادة المضادة للهيدروجين، والذي يشتمل على بروتون مضاد وبوزيترون. ذرة الميونيوم الغريبة (الرمز Mu)، المتكونة من مضاد الميون والإلكترون، تعمل بمثابة نظير للمادة المضادة للهيدروجين. IUPACتتضمن تسمياتها رسميًا مركبات افتراضية مثل كلوريد الميونيوم (MuCl) وميونيد الصوديوم (NaMu)، والتي تشبه هيكليًا كلوريد الهيدروجين وهيدريد الصوديوم، على التوالي.

ثنائي الهيدروجين

في ظل الظروف البيئية القياسية، يوجد الهيدروجين كغاز جزيئي ثنائي الذرة بالصيغة الكيميائيةH§34§. تسمى هذه المادة رسميًا "ثنائي الهيدروجين"، على الرغم من أنه يشار إليها أيضًا باسم "الهيدروجين الجزيئي" أو ببساطة "الهيدروجين". ويتميز الهيدروجين بأنه غاز عديم اللون والرائحة وقابل للاشتعال.

الاحتراق

يظهر غاز الهيدروجين قابلية عالية للاشتعال، حيث يتفاعل مع الأكسجين الموجود في الغلاف الجوي لإنتاج الماء السائل.

يبلغ تغير المحتوى الحراري المرتبط باحتراق مول واحد من الهيدروجين −286 كيلوجول(كجول)، وهو ما يتوافق مع 141.865 ميجا جول(MJ) لكل كيلوجرام (2.2 رطل) من الهيدروجين.

يشكل غاز الهيدروجين مخاليط متفجرة عندما يتراوح تركيزه في الهواء من 4% إلى 74%، وبالكلور بتركيزات تتراوح بين 5% و95%. درجة حرارة الاشتعال الذاتي للهيدروجين، والتي تُعرف بأنها درجة الحرارة التي يشتعل فيها تلقائيًا في الهواء، هي 500 درجة مئوية (932 درجة فهرنهايت). في ظل ظروف تسرب الهيدروجين عالي الضغط، يمكن لموجة الصدمة الناتجة رفع درجة حرارة الهواء المحيط إلى نقطة الاشتعال الذاتي، مما قد يتسبب في الاشتعال والانفجار اللاحق.

ينبعث لهب الهيدروجين طيفًا خفيفًا من الضوء الأزرق والأشعة فوق البنفسجية. نظرًا لأنها غير مرئية تقريبًا بالعين المجردة خلال ساعات النهار، يتم استخدام أجهزة كشف اللهب المتخصصة للكشف عن حرائق الهيدروجين.

أيزومرات الدوران

يظهر H₂ على هيئة أيزومرين مغزليين نوويين، يتميزان باتجاهات الدوران للنواة المكونة لهما. يتميز أيزومر أورثوهيدروجين بدورات نووية متوازية، مما يؤدي إلى حالة دوران ثلاثية مع دوران جزيئي إجمالي قدره _17§ {\displaystyle S=1} . على العكس من ذلك، يُظهر أيزومر باراهيدروجين دورانًا نوويًا غير متوازي، مما يشكل حالة دوران فردي مع دوران إجمالي قدره 39§ {\displaystyle S=0} . تعتمد نسبة التوازن بين أورثو وشبه الهيدروجين على درجة الحرارة. عند درجات الحرارة المحيطة أو أعلى، يتكون غاز الهيدروجين في حالة التوازن عادةً من حوالي 25% هيدروجين شبه و75% هيدروجين أورثو. يمثل الشكل الأورثوي حالة مثارة، ويمتلك محتوى طاقة أعلى من الشكل البارا بمقدار 1.455 كيلوجول/مول. عند التبريد إلى درجات حرارة منخفضة، يخضع الهيدروجين الأورثو للتحويل إلى الشكل البارا على مدار عدة دقائق. تُظهر هذه الأيزومرات خواصًا حرارية مميزة نظرًا لاختلاف حالاتها الكمومية الدورانية.

تُعد نسبة أورثو إلى بارا في H₂ عاملًا حاسمًا في التسييل والتخزين اللاحق للهيدروجين السائل. يؤدي التحويل الطارد للحرارة من أورثو إلى هيدروجين إلى توليد حرارة كبيرة، مما قد يؤدي إلى تبخر جزء كبير من السائل إذا لم تتم إدارة هذا التحويل أثناء مرحلة التبريد. وبالتالي، يتم استخدام المحفزات مثل أكسيد الحديديك ومركبات الكربون المنشط أثناء تبريد الهيدروجين لتسهيل التحويل البيني للأورثو بارا وتخفيف فقدان السائل.

المراحل

يمكن أن يتواجد الهيدروجين السائل عند درجات حرارة أقل من النقطة الحرجة البالغة 33 كلفن (-240.2 درجة مئوية؛ -400.3 درجة فهرنهايت). ومع ذلك، لتحقيق حالة سائلة تمامًا عند الضغط الجوي، يجب تبريد H₂ إلى 20.28 K (−252.87 °C; −423.17 °F). نجح جيمس ديوار في تسييل الهيدروجين في عام 1898، مستخدمًا تقنيات التبريد المتجددة ودورقه المفرغ المبتكر.

عند الضغط القياسي، يتحول الهيدروجين السائل إلى هيدروجين صلب تحت نقطة انصهاره البالغة 14.01 كلفن (−259.14 درجة مئوية؛ −434.45 درجة فهرنهايت). تم تحديد العديد من المراحل الصلبة المتميزة، والتي تم تحديدها من المرحلة الأولى إلى المرحلة الخامسة، وتتميز كل منها بترتيب جزيئي فريد. عند النقطة الثلاثية، يمكن أن يتعايش كل من الطور السائل والصلب، مما يشكل خليطًا يشار إليه بالهيدروجين الطيني.

الهيدروجين المعدني، وهو طور يتم تحقيقه تحت ضغوط عالية بشكل استثنائي (يتجاوز 400 مليار باسكال (58,000,000 رطل لكل بوصة مربعة))، يعمل كموصل كهربائي. من المفترض أن تكون هذه المرحلة موجودة في الأجزاء الداخلية العميقة من عمالقة الغاز مثل كوكب المشتري.

عند التأين، يتحول الهيدروجين إلى حالة البلازما. تشكل هذه البلازما الشكل السائد للهيدروجين الموجود داخل الأجسام النجمية.

الخصائص الحرارية والفيزيائية

التاريخ

القرن الثامن عشر

في عام 1671، قام العالم الأيرلندي روبرت بويل بتحديد وتوثيق التفاعل بين برادة الحديد والأحماض المخففة، والذي ينتج عنه غاز الهيدروجين. على الرغم من أن بويل لم يلاحظ قابلية الغاز للاشتعال، إلا أن الهيدروجين أثبت لاحقًا فعاليته في دحض نظرية الفلوجستون للاحتراق.

أصبح هنري كافنديش، في عام 1766، أول من حدد غاز الهيدروجين كمادة متميزة، مشيرًا إلى الغاز الناتج من تفاعلات الأحماض المعدنية على أنه "هواء قابل للاشتعال". وافترض أن هذا "الهواء القابل للاشتعال" كان مرادفا للمادة الافتراضية "فلوجيستون" واكتشف لاحقا في عام 1781 أن احتراق هذا الغاز يولد الماء. يعود الفضل إلى كافنديش على نطاق واسع في اكتشاف الهيدروجين كعنصر كيميائي.

في عام 1783، حدد أنطوان لافوازييه العنصر الذي سمي فيما بعد بالهيدروجين عندما قام هو ولابلاس بتكرار اكتشاف كافنديش فيما يتعلق بتكوين الماء من احتراق الهيدروجين. بالنسبة لتجاربه في الحفاظ على الكتلة، قام لافوازييه بتوليد الهيدروجين عن طريق تمرير تيار من الماء فوق الحديد المعدني داخل أنبوب حديدي متوهج يتم تسخينه بالنار. يمكن تمثيل الأكسدة اللاهوائية للحديد بواسطة بروتونات الماء عند درجات حرارة مرتفعة بشكل تخطيطي من خلال التفاعلات اللاحقة:

• Fe + H₂O → FeO + H§34§
• 2 Fe + 3 H₂O → Fe§34§O§5_{6§ + 3 H§7}8§
• 3 Fe + 4 H₂O → Fe₃O§56§ + 4 H§78§

تظهر العديد من المعادن تفاعلًا مشابهًا مع الماء، مما يؤدي إلى توليد الهيدروجين. ومع ذلك، فإن عملية توليد الهيدروجين هذه يمكن أن تشكل تحديات في سياقات محددة، كما هو الحال مع تكسية الزركونيوم المستخدمة في قضبان الوقود النووي.

القرن التاسع عشر

بحلول عام 1806، تم اعتماد الهيدروجين لنفخ البالونات. في عام 1806، بنى فرانسوا إسحاق دي ريفاز أول محرك deRivaz، وهو محرك احتراق داخلي يعمل بخليط الهيدروجين والأكسجين. قام إدوارد دانيال كلارك بتطوير أنبوب نفخ غاز الهيدروجين في عام 1819. تم تقديم مصباح Döbereiner في عام 1823. قام جيمس ديوار بتسييل الهيدروجين لأول مرة في عام 1898، مستخدمًا التبريد المتجدد واختراعه، القارورة المفرغة. وفي العام التالي، نجح في إنتاج الهيدروجين الصلب.

لاحظ جيمس كليرك ماكسويل واحدًا من أقدم التأثيرات الكمومية التي تمت ملاحظتها بوضوح، على الرغم من أن آليته لم تكن مفهومة بعد: وهي أن السعة الحرارية المحددة لـ H₂ تنحرف بشكل غير مفهوم عن تلك الخاصة بالغاز ثنائي الذرة النموذجي تحت درجة حرارة الغرفة، وتقترب تدريجيًا من الغاز أحادي الذرة عند درجات الحرارة المبردة. تعزو نظرية الكم هذه الظاهرة إلى التباعد الكبير بين مستويات الطاقة الدورانية الكمية في H§56§، نتيجة لكتلتها الدنيا. ومثل هذه المستويات المنفصلة على نطاق واسع تعيق التوزيع العادل للطاقة الحرارية في الحركة الدورانية للهيدروجين عند درجات حرارة منخفضة. وعلى العكس من ذلك، فإن الغازات ثنائية الذرة التي تحتوي على ذرات أثقل تفتقر إلى مثل هذا التباعد الكبير بين المستويات، وبالتالي لا تظهر هذا التأثير المتطابق.

القرن العشرين

في عام 1916، جلبرت ن. اقترح لويس وجود أنيون الهيدريد للمركبات الشبيهة بالملح ضمن المجموعة 1 والمجموعة 2. لاحقًا، في عام 1920، أجرى مويرز تحليلًا كهربيًا على هيدريد الليثيوم المنصهر (LiH)، مما أدى إلى إنتاج كمية متكافئة من الهيدروجين عند الأنود.

نظرًا لبنيتها الذرية الأساسية، التي تتكون من بروتون وإلكترون فقط، فقد لعبت ذرة الهيدروجين، جنبًا إلى جنب مع طيف الانبعاث والامتصاص المميز، دورًا محوريًا في تطوير نظرية التركيب الذري. يتيح نموذج Bohr للذرة، والذي يفترض وجود إلكترون "يدور" حول البروتون بشكل مشابه لمدار الأرض حول الشمس، إجراء حساب دقيق إلى حد معقول لمستويات طاقة الهيدروجين. ومع ذلك، من المهم ملاحظة أن الجذب الكهروستاتيكي يربط بين الإلكترون والبروتون، في حين أن قوى الجاذبية تحكم تفاعلات الكواكب والأجرام السماوية. يقتصر الإلكترون الموجود في نموذج بور على مسافات محددة مسموح بها من البروتون، وبالتالي على مستويات طاقة منفصلة، نتيجة لتقدير الزخم الزاوي الذي اقترحه بور في ميكانيكا الكم المبكرة.

نظرية الهيدروجين إن الحالة المفردة باعتبارها الذرة المحايدة الوحيدة التي تمتلك معادلة شرودنجر لها حلًا مباشرًا قد ساهمت بشكل كبير في تطوير فهم ميكانيكا الكم من خلال التحقيقات في خصائصها النشطة. علاوة على ذلك، فإن فحص البساطة المتأصلة في جزيء الهيدروجين والكاتيون المقابل له، H+§89§، سهّل فهم الطبيعة الأساسية للرابطة الكيميائية. ظهر هذا الفهم بعد وقت قصير من إنشاء الإطار الميكانيكي الكمي لذرة الهيدروجين في منتصف عشرينيات القرن العشرين.

منطاد محمول بالهيدروجين

نظرًا لكثافته التي لا تتجاوز 7% من كثافة الهواء، فقد تم استخدام H₂ تاريخيًا على نطاق واسع كغاز رفع في البالونات والمناطيد. تم تصميم البالون الافتتاحي المملوء بالهيدروجين بواسطة جاك تشارلز في عام 1783. بعد ذلك، سهّل الهيدروجين دفع أول وسيلة نقل جوي يمكن الاعتماد عليها، بعد تطوير المنطاد الأولي الذي يرفع الهيدروجين في عام 1852 بواسطة هنري جيفارد. دافع النبيل الألماني فرديناند فون زيبلين عن مفهوم المناطيد الصلبة التي ترفع الهيدروجين، والتي أصبحت تُعرف فيما بعد باسم مناطيد زيبلين؛ قامت أولى هذه السفن برحلتها الأولى في عام 1900. بدأت الرحلات الجوية المجدولة في عام 1910، ومع بداية الحرب العالمية الأولى في أغسطس 1914، كانت هذه السفن قد نقلت 35000 فرد دون أي حوادث مؤسفة. خلال الحرب العالمية الثانية، كانت المناطيد المحملة بالهيدروجين، وتحديدًا المناطيد، بمثابة منصات مراقبة وقاذفات قنابل، خاصة على طول الساحل الشرقي للولايات المتحدة.

أكمل المنطاد البريطاني R34 أول معبر عبر المحيط الأطلسي بدون توقف في عام 1919، مع استئناف خدمات الركاب المنتظمة في عشرينيات القرن الماضي. تم استخدام الهيدروجين بشكل ملحوظ في Hindenburg، الذي اشتعل بشكل مأساوي فوق نيوجيرسي في 6 مايو 1937. احترق الهيدروجين الموجود داخل المنطاد، ربما بسبب الكهرباء الساكنة، مما أدى إلى حريق كارثي. أدت هذه الكارثة لاحقًا إلى توقف رحلات المنطاد الهيدروجيني التجاري. ومع ذلك، يستمر استخدام الهيدروجين كغاز رفع لبالونات الطقس، مفضلاً على الهيليوم غير القابل للاشتعال ولكنه الأكثر تكلفة.

الديوتيريوم والتريتيوم

تم التعرف على الديوتيريوم في ديسمبر 1931 بواسطة هارولد أوري، في حين تم تصنيع التريتيوم في عام 1934 بواسطة إرنست رذرفورد، ومارك أوليفانت، وبول هارتيك. تم اكتشاف الماء الثقيل، الذي يتميز باستبدال الديوتيريوم بالهيدروجين العادي، بواسطة فريق بحث يوري في عام 1932.

الخصائص الكيميائية

تفاعلات _H2

يُظهر الهيدروجين الجزيئي H₂ تفاعلية منخفضة نسبيًا. يُعزى هذا التفاعل المحدود ديناميكيًا حراريًا إلى رابطة H–H القوية بشكل استثنائي، والتي تمتلك طاقة تفكك الرابطة 435.7 كيلوجول/مول. ومع ذلك، فهو قادر على تشكيل مجمعات التنسيق المعروفة باسم مجمعات الهيدروجين. تقدم هذه المركبات رؤى قيمة حول المراحل الأولية لتفاعلات الهيدروجين مع المحفزات المعدنية. تشير دراسات حيود النيوترونات إلى أنه داخل هذه المجمعات، يرتب المركز المعدني وذرتي الهيدروجين في شكل هندسي مثلثي. تستمر رابطة H-H الجوهرية، وإن كانت في حالة طويلة. علاوة على ذلك، تُظهر هذه المجمعات خصائص حمضية.

على الرغم من أن الأيون H+§45§ غير شائع على الأرض، إلا أنه منتشر في جميع أنحاء الكون. يتبنى هذا النوع شكلًا مثلثًا، مشابهًا لمجمعات الهيدروجين التي تمت مناقشتها سابقًا. تم تصنيفه رسميًا على أنه هيدروجين جزيئي بروتوني أو كاتيون ثلاثي الهيدروجين.

يخضع الهيدروجين لتفاعلات متسلسلة مع الكلور لإنتاج حمض الهيدروكلوريك، ومع البروم لتكوين هيدروكلوريد الهيدروجين. ردود الفعل هذه تتطلب خطوة البدء؛ على سبيل المثال، مع Br§45§، ينفصل جزيء ثنائي البروم: Br§78§ + (الأشعة فوق البنفسجية) → 2Br•. تتضمن خطوات الانتشار اللاحقة استهلاك جزيئات الهيدروجين، مما يؤدي إلى تكوين HBr، إلى جانب ذرات البروم والهيدروجين:

تنتهي العملية برد الفعل المنتهي:

التي تستهلك الأنواع الذرية المتبقية.

وتسمى العملية الكيميائية التي تتضمن إضافة H₂ إلى المركبات العضوية غير المشبعة، بما في ذلك الألكينات والألكاينات، بالهدرجة. على الرغم من كونه ملائمًا للطاقة، إلا أن هذا التفاعل لا يحدث تلقائيًا، حتى عند تعرضه لدرجات حرارة مرتفعة. ومع ذلك، في وجود محفز، مثل البلاتين أو النيكل المقسم جيدًا، يحدث التفاعل بسهولة عند درجات الحرارة المحيطة.

المركبات المحتوية على الهيدروجين

الهيدروجين قادر على إظهار حالتي الأكسدة +1 و−1، وبالتالي تكوين مركبات عبر الروابط الأيونية والتساهمية. هذا العنصر هو أحد مكونات مجموعة واسعة من المواد، بما في ذلك الماء والهيدروكربونات والعديد من المركبات العضوية الأخرى. يلعب أيون H⁺، والذي يطلق عليه في كثير من الأحيان بروتون نظرًا لتكوينه من بروتون واحد ونقص الإلكترونات، دورًا محوريًا في كيمياء الحمض والقاعدة، على الرغم من حقيقة أن البروتون الحر لا يوجد بشكل مستقل في المحلول. ضمن مفهوم برونستد-لوري، تتميز الأحماض بقدرتها على التبرع بأيونات H⁺ إلى القواعد.

يشكل الهيدروجين مجموعة واسعة من المركبات مع الكربون، والمعروفة مجتمعة باسم الهيدروكربونات، ومجموعة واسعة من المركبات المتنوعة مع عناصر أخرى (ذرات غير متجانسة). تؤدي قدرة الترابط الغزيرة هذه إلى ظهور فئة موسعة من المركبات العضوية، والتي ترتبط بشكل متكرر بالأنظمة البيولوجية.

الهيدريدات عبارة عن مركبات كيميائية يظهر فيها الهيدروجين حالة أكسدة تبلغ -1، وتتشكل عادةً مع المعادن. يتم تصنيف هذه المركبات على أنها أيونية (وتسمى أيضًا ملحية) أو تساهمية أو معدنية. عند التسخين، يتفاعل الهيدروجين الجزيئي (H₂) بسهولة مع الفلزات القلوية والقلوية الأرضية، مما ينتج عنه هيدريدات أيونية بالصيغتين العامتين MH وMH§6_{7§، على التوالي. تمتلك هذه المواد البلورية الشبيهة بالملح نقاط انصهار مرتفعة وتتفاعل بشكل عام مع الماء لإصدار غاز الهيدروجين. تشمل أمثلة الهيدريدات التساهمية البوران وهيدريد الألومنيوم البوليمري. تولد المعادن الانتقالية هيدريدات معدنية من خلال الامتصاص المستمر وإذابة الهيدروجين داخل شبكتها المعدنية. يعد هيدريد ألومنيوم الليثيوم مثالًا بارزًا، ويتميز بوجود أنيون [AlH§910§]⁻، والذي يتميز بمراكز هيدروديكية مرتبطة بقوة بذرة Al(III). يمكن القول إن البوران، وهي مركبات تتكون حصريًا من البورون والهيدروجين، تمثل الفئة الأكثر شمولاً من الهيدريدات.}

الهيدريدات قادرة على الارتباط بالعناصر الموجبة كهربائيًا ليس فقط كروابط طرفية ولكن أيضًا كروابط جسرية. على سبيل المثال، في ثنائي البوران(B§34§H₆)، تحتل أربع ذرات هيدروجين مواقع طرفية، بينما تعمل اثنتين منها كجسور بين ذرتي البورون.

الترابط الهيدروجيني

عندما يرتبط الهيدروجين تساهميًا بعنصر عالي السالبية الكهربية، مثل الفلور أو الأكسجين أو النيتروجين، فإنه يمكن أن ينخرط في تفاعل غير تساهمي متوسط القوة مع ذرة أخرى سالبية كهربية تمتلك زوجًا وحيدًا، عادةً الأكسجين أو النيتروجين. يعتبر هذا التفاعل، الذي يُطلق عليه اسم الرابطة الهيدروجينية، أمرًا أساسيًا للسلامة الهيكلية واستقرار العديد من الجزيئات البيولوجية الكبيرة. يؤثر الترابط الهيدروجيني بشكل كبير على التركيب الجزيئي، واللزوجة، والذوبان، ونقاط الانصهار والغليان، وحتى الديناميكيات المعقدة لطي البروتين.

البروتونات والحموضة

في البيئات المائية، يؤثر الترابط الهيدروجيني بشكل كبير على الديناميكا الحرارية للتفاعل. يمكن لرابطة الهيدروجين أن تسهل الانتقال إلى نقل البروتون. وفقًا لنظرية نظرية برونستد–حمض وقاعدة لوري، يتم تعريف الأحماض على أنها مانحة للبروتونات، في حين أن القواعد هي متقبلات للبروتونات. البروتون الحر (H⁺) غير مستقر بطبيعته ولا يمكن أن يتواجد إلا في الفراغ. وفي أي وسط آخر، يرتبط بسرعة مع ذرات أو أيونات أو جزيئات أخرى. حتى الأنواع الخاملة كيميائيًا مثل الميثان تكون عرضة للبروتونات. غالبًا ما يُستخدم مصطلح "بروتون" بشكل مجازي للإشارة إلى كاتيونات الهيدروجين المذابة المرتبطة بالكيانات الكيميائية المذابة الأخرى؛ يتم تمثيله تقليديًا كـ "H⁺" دون الإشارة إلى وجود بروتونات حرة غير مرتبطة في المحلول. للتحايل على فكرة وجود بروتون "عاري" في المحلول، يتم وصف المحاليل المائية الحمضية بشكل متكرر على أنها تحتوي على "أيون الهيدرونيوم"([H§1920§O]⁺)، أو، بدقة أكبر، [H§2526§O§2728§]⁺. في المحاليل الحمضية التي تحتوي على مذيبات أخرى، قد توجد أيضًا العديد من أيونات الأكسونيوم الأخرى.

يتم تحديد الرقم الهيدروجيني للمحلول، وهو مقياس لوغاريتمي يشير إلى حموضته أو قاعديته، مباشرة من خلال تركيز هذه البروتونات المذابة. يشير انخفاض قيم الرقم الهيدروجيني إلى تركيزات مرتفعة من أيونات الهيدرونيوم، وبالتالي ترتبط بزيادة الحموضة.

التكرار

الوفرة الكونية

يشكل الهيدروجين الذري (H) العنصر الكيميائي الأكثر وفرة في الكون، حيث يمثل حوالي 75% من المادة العادية بالكتلة وأكثر من 90% بالعد الذري. خلال بداية الكون، ظهرت البروتونات خلال الثانية الأولى بعد الانفجار الكبير؛ وبعد ذلك، تجمعت ذرات الهيدروجين المحايدة بعد حوالي 370 ألف سنة، خلال عصر إعادة التركيب، مع توسع الكون وتبريد البلازما بدرجة كافية للسماح للإلكترونات بالارتباط بالبروتونات.

في الفيزياء الفلكية، يُشار إلى الهيدروجين المحايد الموجود في الوسط النجمي بالرمز HI، بينما يُشار إلى الهيدروجين المتأين بالرمز HII. يتسبب الإشعاع النجمي في تأين HI إلى HII، وبالتالي تكوين مناطق HII المتأينة المحيطة بالنجوم. تاريخيًا، كان الهيدروجين المحايد هو الشكل السائد في الكون حتى ظهور النجوم خلال عصر إعادة التأين، والذي أدى لاحقًا إلى توليد فقاعات متوسعة ومتحدة من الهيدروجين المتأين على مدى مئات الملايين من السنين. هذه المناطق هي أصل خط الهيدروجين الذي يبلغ طوله 21 سم، والذي يتم رصده عند 1420 MHz، والذي يُستخدم لدراسة الهيدروجين البدائي. يُعتقد أن الكمية الكبيرة من الهيدروجين المحايد المكتشفة في أنظمة ليمان-ألفا المبللة تشكل المكون الأساسي للكثافة الباريونية الكونية للكون حتى الانزياح الأحمر بمقدار z = 4.

يتوفر الهيدروجين بكثرة بشكل استثنائي في الأجرام السماوية مثل النجوم والكواكب الغازية العملاقة. يرتبط تكوين النجوم بشكل جوهري بالسحب الجزيئية المكونة من H₂. علاوة على ذلك، يعد الهيدروجين ضروريًا لتوليد الطاقة النجمية، والمشاركة في تفاعل البروتون-بروتون في النجوم الأقل كتلة ودورة CNO للاندماج النووي في النجوم التي تتجاوز كتلة الشمس.

يحدث الهيدروجين الجزيئي البروتوني(H+§67§) داخل الوسط بين النجوم، وينشأ من تأين الهيدروجين الجزيئي بواسطة الأشعة الكونية. تم اكتشاف هذا الأيون المحدد أيضًا في الغلاف الجوي العلوي لكوكب المشتري. يُعزى طول عمرها في فراغ الفضاء إلى درجات الحرارة والكثافة المنخفضة السائدة. باعتباره أحد الأيونات الأكثر انتشارًا في الكون، يؤثر H+§1415§ بشكل كبير على العمليات الكيميائية للوسط بين النجوم. في المقابل، الهيدروجين الثلاثي الذرة المحايد H§1920§ غير مستقر بطبيعته ولا يمكن أن يوجد إلا في حالة مثارة.

الحدوث الأرضي

على سطح الأرض، يحتل الهيدروجين المرتبة الثالثة بين العناصر الأكثر وفرة، ويوجد في الغالب ضمن المركبات الكيميائية مثل الهيدروكربونات والماء. في ظل الظروف القياسية، يتواجد الهيدروجين العنصري عادةً على شكل غاز، H₂. تركيزه في الغلاف الجوي منخفض بشكل ملحوظ، حوالي 0.53 جزء في المليون على أساس مولي، ويرجع ذلك في المقام الأول إلى كتلته الذرية المنخفضة، مما يسهل خروجه من الغلاف الجوي بسهولة أكبر من الغازات الأثقل. ومع ذلك، على الرغم من وجوده المحدود في الغلاف الجوي، فإن الهيدروجين الأرضي متوافر بما فيه الكفاية لدعم عمليات التمثيل الغذائي لمختلف الأنواع البكتيرية.

تم تحديد خزانات جوفية كبيرة من غاز الهيدروجين في دول متعددة، بما في ذلك مالي وفرنسا وأستراليا. اعتبارًا من عام 2024، تظل الجدوى الاقتصادية لاستخراج احتياطيات الهيدروجين تحت الأرض غير محددة.

منهجيات الإنتاج والتخزين

مسارات الإنتاج الصناعي

تستمد الغالبية العظمى من إمدادات غاز الهيدروجين العالمية (H§34§) حاليًا من الوقود الأحفوري، وتشير التوقعات إلى أنه سيتم توليد أقل من 1% عبر تقنيات منخفضة الانبعاثات بحلول عام 2025. وفي حين توجد منهجيات عديدة لإنتاج H§67§، فإن ثلاث عمليات لها أهمية تجارية: إصلاح البخار، الذي يتم دمجه في كثير من الأحيان مع التحول بين الماء والغاز؛ الأكسدة الجزئية للهيدروكربونات. والتحليل الكهربائي للماء.

عملية إصلاح البخار

الطريقة الصناعية الأساسية لإنتاج الهيدروجين هي إعادة تشكيل غاز الميثان بالبخار (SMR)، والذي يتضمن التفاعل بين الماء والميثان. على وجه التحديد، في درجات الحرارة المرتفعة (تتراوح من 1000 إلى 1400 كلفن [730 إلى 1130 درجة مئوية؛ 1340 إلى 2060 درجة فهرنهايت])، يتفاعل البخار (بخار الماء) مع الميثان، مما يؤدي إلى تكوين أول أكسيد الكربون وH§56§.

يؤدي توليد طن واحد من الهيدروجين عبر هذه العملية إلى انبعاث 6.6-9.3طن من ثاني أكسيد الكربون. علاوة على ذلك، يساهم استخراج ومعالجة الغاز الطبيعي في انبعاثات إضافية، بما في ذلك غاز الميثان المنفوخ والهارب، مما يؤدي إلى تفاقم البصمة الكربونية الإجمالية المرتبطة بإنتاج الهيدروجين.

على الرغم من أن هذا التفاعل مفضل من الناحية الديناميكية الحرارية عند الضغوط المنخفضة، إلا أنه يتم إجراؤه عادةً عند ضغوط مرتفعة (2.0 MPa [20 atm; 590 inHg]). يرجع هذا الاختيار التشغيلي إلى حقيقة أن الضغط العاليH§56§ يمثل المنتج الأكثر جاذبية تجاريًا، كما أن أنظمة تنقية الامتزاز المتأرجح بالضغط (PSA) تظهر كفاءة معززة في ظل ظروف الضغط العالي. يُطلق على خليط المنتج الناتج اسم "غاز التخليق" نظرًا لاستخدامه المباشر المتكرر في تخليق الميثانول والعديد من المركبات الكيميائية الأخرى. في حين أن الميثان شائع، يمكن أن تعمل الهيدروكربونات الأخرى أيضًا كمواد أولية لإنتاج الغاز الاصطناعي، مما يؤدي إلى نسب منتجات متنوعة. أحد التحديات الكبيرة في هذه العملية التكنولوجية المحسنة للغاية هو التكوين غير المرغوب فيه لفحم الكوك أو الكربون العنصري.

وبالتالي، تستخدم عمليات الإصلاح بالبخار عادةً فائضًا من H§34§O. يمكن تحقيق المزيد من استخلاص الهيدروجين من البخار عن طريق تفاعل أول أكسيد الكربون عبر تفاعل تحول الماء والغاز (WGS). وتتطلب هذه العملية بالذات وجود محفز أكسيد الحديد.

في بعض التطبيقات الصناعية، يتم توليد الهيدروجين واستخدامه في نفس العملية، مما يلغي الحاجة إلى عزله. على سبيل المثال، في عملية هابر لتخليق الأمونيا، يتم اشتقاق الهيدروجين من الغاز الطبيعي.

الأكسدة الجزئية للهيدروكربونات

تشمل الطرق البديلة لتوليد أول أكسيد الكربون (CO) وH₂ الأكسدة الجزئية للهيدروكربونات.

على الرغم من أن له أهمية تجارية أقل، إلا أنه يمكن أيضًا استخدام الفحم كمقدمة في تفاعل التحول المذكور أعلاه.

يمكن لمنشآت إنتاج الأوليفين توليد كميات كبيرة من منتج الهيدروجين الثانوي، خاصة عند معالجة المواد الأولية الخفيفة مثل الإيثان أو البروبان من خلال التكسير.

التحليل الكهربائي للمياه

يمثل التحليل الكهربائي للماء طريقة واضحة من الناحية النظرية لتوليد الهيدروجين.

تستخدم المحللات الكهربية التجارية عادةً محفزات قائمة على النيكل ضمن المحاليل شديدة القلوية. في حين أن البلاتين يقدم أداءً تحفيزيًا فائقًا، إلا أن تكلفته العالية تحد من استخدامه على نطاق واسع. يُشار إلى الهيدروجين الذي يتم إنتاجه عن طريق التحليل الكهربائي الذي تدعمه مصادر الطاقة المتجددة في كثير من الأحيان باسم "الهيدروجين الأخضر".

إن التحليل الكهربائي للمحلول الملحي، الذي يتم إجراؤه بشكل أساسي لإنتاج الكلور، يولد أيضًا هيدروجين عالي النقاء كمنتج مشارك قيم، والذي يجد تطبيقًا في التحولات الكيميائية المختلفة، بما في ذلك عمليات الهدرجة.

في الوقت الحالي، تتكبد عملية التحليل الكهربائي تكاليف أعلى مقارنة بإنتاج الهيدروجين من الميثان الذي لا يتضمن تقنيات احتجاز الكربون وتخزينه.

التقدم في الهيدروجين تتمتع تكنولوجيا المحلل الكهربائي بالقدرة على تعزيز القدرة التنافسية من حيث التكلفة لإنتاج الهيدروجين على نطاق واسع من الكهرباء.

التحلل الحراري للميثان

يمكن توليد الهيدروجين من خلال الانحلال الحراري للغاز الطبيعي (الميثان)، وهي عملية تنتج غاز الهيدروجين والكربون الصلب، ويتم تسهيل ذلك بواسطة محفز وحرارة مدخلة تبلغ 74 كيلوجول/مول.

يمكن تسويق الكربون الناتج كمادة خام في التصنيع، أو استخدامه كوقود، أو التخلص منه في مدافن النفايات. من المحتمل أن توفر طريقة الإنتاج هذه بصمة كربونية منخفضة مقارنة بعمليات توليد الهيدروجين الحالية؛ ومع ذلك، لا تزال هناك تحديات فيما يتعلق بالآليات الفعالة لإزالة الكربون ومنع تفاعله مع المحفز، مما يعيق التنفيذ على نطاق صناعي.

العمليات الكيميائية الحرارية

يشير تقسيم الماء إلى تحلل الماء إلى العناصر المكونة له. وفي سياق النظم البيولوجية، فإن المعادلة ذات الصلة هي:

يعد هذا التفاعل جزءًا لا يتجزأ من مراحل التمثيل الضوئي التي تعتمد على الضوء في جميع الكائنات الحية التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي. بعض الكائنات الحية، مثل الطحالب Chlamydomonas Reinhardtii والعديد من البكتيريا الزرقاء، طورت خطوة إضافية ضمن تفاعلاتها المظلمة، حيث تقوم الهيدروجينازات المتخصصة الموجودة في البلاستيدات الخضراء بتقليل البروتونات والإلكترونات لإنتاج غاز H§56§.

ركزت المبادرات البحثية على التعديل الوراثي لهيدروجيناز البكتيريا الزرقاء لتعزيز كفاءتها في توليد غاز H₂، حتى في ظل الظروف الهوائية. في الوقت نفسه، شملت جهود مماثلة الطحالب المعدلة وراثيًا داخل أنظمة المفاعلات الحيوية.

بالنسبة لتطبيقات تقسيم الماء الحراري، فإن المعادلة المبسطة ذات الصلة هي:

تتوفر أكثر من 200 دورة كيميائية حرارية متميزة لتقسيم الماء. العديد من الدورات، بما في ذلك دورة أكسيد الحديد، ودورة أكسيد السيريوم (IV) وأكسيد السيريوم (III)، ودورة أكسيد الزنك والزنك، ودورة الكبريت واليود، ودورة النحاس والكلور، ودورة الكبريت الهجين، خضعت للتقييم من حيث جدواها التجارية في إنتاج الهيدروجين والأكسجين من الماء والحرارة، والتحايل على الحاجة إلى الكهرباء. تعمل المؤسسات البحثية في العديد من البلدان، مثل فرنسا وألمانيا واليونان واليابان والولايات المتحدة، على تطوير أساليب كيميائية حرارية لإنتاج الهيدروجين باستخدام الطاقة الشمسية والمياه.

الممرات الطبيعية

إنتاج الهيدروجين الحيوي

يتم إنشاء H₂ داخل الكائنات الحية بواسطة إنزيمات محددة تُعرف باسم هيدروجيناز. تمكن هذه الآلية الكائن المضيف من الاستفادة من التخمير للحصول على الطاقة. علاوة على ذلك، فإن هذه الإنزيمات المتماثلة قادرة على أكسدة H§67§، مما يسمح للكائنات المضيفة بالحفاظ على نفسها عن طريق تقليل الركائز المؤكسدة من خلال الإلكترونات المشتقة من H§1011§.

تتميز إنزيمات الهيدروجيناز بمواقع نشطة تحتوي إما على مراكز حديد أو حديد-نيكل. تسمى العملية البيولوجية التي تنطوي على إنتاج واستهلاك الهيدروجين بواسطة الكائنات الحية بدورة الهيدروجين.

تستطيع بعض البكتيريا، بما في ذلك Mycobacterium smegmatis، استخدام الهيدروجين النزر الموجود في الغلاف الجوي كمصدر للطاقة عندما تكون الإمدادات الغذائية الأخرى شحيحة. تمتلك هيدروجينازاتها قنوات دقيقة تمنع الأكسجين من الوصول إلى الموقع النشط، وبالتالي تمكن التفاعل من الاستمرار على الرغم من تركيزات الهيدروجين المنخفضة جدًا ومستويات الأكسجين الجوية النموذجية.

مما يؤكد وجود الكائنات الحية الدقيقة التي تستخدم الهيدروجيناز في الجهاز الهضمي البشري، H₂ يمكن اكتشافه في التنفس البشري. يكون التركيز النموذجي في أنفاس الصائم أثناء الراحة أقل من 5 أجزاء في المليون(جزء في المليون)؛ ومع ذلك، يمكن أن يتصاعد هذا إلى 50 جزء في المليون لدى الأفراد الذين يعانون من اضطرابات معوية ويستهلكون جزيئات سيئة الامتصاص أثناء اختبارات التنفس الهيدروجينية التشخيصية.

عملية Serpentinization

تمثل عملية السربنتينية عملية جيولوجية تنشئ بيئات منخفضة للغاية. في ظل هذه الظروف، يمكن للمياه أكسدة الحديدوز (Fe²⁺
) الموجودة في الفياليت، مما يؤدي إلى توليد غاز الهيدروجين.

يرتبط تفاعل Schikorr ارتباطًا وثيقًا بهذه العملية الجيولوجية.

تتمتع هذه العملية أيضًا بأهمية بالنسبة لتآكل الحديد والصلب في المياه الجوفية التي تعاني من نقص الأكسجين وفي تقليل بيئات التربة الواقعة تحت منسوب المياه الجوفية.

طرق التركيب المعملية

يمكن توليد غاز الهيدروجين (H₂) في بيئات المختبرات، على سبيل المثال، من خلال التحليل الكهربائي للماء على نطاق صغير. تتضمن هذه العملية استخدام أقطاب كهربائية معدنية في ماء يحتوي على إلكتروليت، مما يؤدي إلى تحرير غاز الهيدروجين عند الكاثود.

علاوة على ذلك، كثيرًا ما يظهر الهيدروجين كمنتج ثانوي في التفاعلات الكيميائية المختلفة. تتفاعل العديد من المعادن مع الماء لتنتج H§34§؛ ومع ذلك، فإن المعدل الذي يتطور به الهيدروجين يعتمد على المعدن المحدد، ومستوى الرقم الهيدروجيني، وإدراج عوامل صناعة السبائك. عادة، الأحماض تحرض على تطور الهيدروجين. تظهر الفلزات القلوية، والفلزات القلوية الترابية، والألومنيوم، والزنك، والمنجنيز، والحديد تفاعلات قوية مع الأحماض المائية.

على العكس من ذلك، فإن العديد من المعادن، بما في ذلك الألومنيوم، تتفاعل ببطء مع الماء بسبب تكوين طبقات أكسيد خاملة على أسطحها. ومع ذلك، فإن سبيكة مكونة من الألومنيوم والجاليوم تتفاعل بسهولة مع الماء. في ظل ظروف درجة الحموضة العالية، يكون الألومنيوم أيضًا قادرًا على التفاعل مع H§34§.

التخزين

يعد التخزين الفعال لـ _H2 أمرًا بالغ الأهمية إذا كان بمثابة مصدر للطاقة. يُظهر الهيدروجين قابلية ذوبان محدودة في معظم المذيبات؛ على سبيل المثال، عند درجة حرارة محيطة و0.1 مللي باسكال (أي ما يعادل 9.9×10⁻¹⁰ atm)، تقريبًا حوالي0.05 مول من الهيدروجين سوف يذوب في كيلوغرام واحد (2.2 lb) من ثنائي إيثيل إيثر. بينما يمكن تخزين _{H15§ في حالة مضغوطة، فإن هذه العملية تستهلك الكثير من الطاقة. التسييل غير ممكن عمومًا بسبب انخفاض درجة حرارة الهيدروجين الحرجة بشكل استثنائي، على عكس الأمونيا والعديد من الهيدروكربونات، التي يمكن تسييلها في درجة حرارة الغرفة تحت الضغط. وبالتالي، فقد ركزت الأبحاث المهمة على حاملات الهيدروجين، وهي مواد قادرة على الارتباط العكسي بـ H§2021§. الاعتبار الأساسي لهذه الناقلات هو نسبة الوزن لمكافئات H23§ التي يمكنها استيعابها. على سبيل المثال، يمكن امتصاص الهيدروجين بشكل عكسي بواسطة العديد من المعادن الأرضية النادرة والمعادن الانتقالية، وهو يظهر قابلية الذوبان في كل من المعادن البلورية النانوية والمعادن غير المتبلورة. تتأثر قابلية ذوبان الهيدروجين في المعادن بالتشوهات أو الشوائب الموضعية داخل الشبكة البلورية. في حين أن هذه الخصائص يمكن أن تكون مفيدة لتنقية الهيدروجين عن طريق تمريره عبر أقراص البلاديوم الساخنة، فإن قابلية الغاز العالية للذوبان تمثل أيضًا تحديًا معدنيًا، مما يساهم في هشاشة العديد من المعادن وتعقيد هندسة خطوط الأنابيب وصهاريج التخزين.}

أحد القيود الكبيرة على هيدريدات الفلز المستخدمة في تخزين الهيدروجين هو انخفاضها نسبيًا. محتوى _H§2، عادةً حوالي 1%. وقد حفز هذا الاهتمام بتخزين _{H7§ ضمن مركبات ذات وزن جزيئي منخفض. على سبيل المثال، يحتوي بوران الأمونيا (H§910§N−BH§1112§) على نسبة كبيرة من الوزن تبلغ 19.8% من H§1819§. ومع ذلك، فإن عيب بوران الأمونيا هو أن نيتريد البورون المتكون بعد إطلاق H21§ لا يمكنه إعادة امتصاص H23§، مما يجعله حامل هيدروجين لا رجعة فيه. والأكثر واعدة هي الهيدروكربونات مثل رباعي هيدروكينولين، والتي يمكن أن تطلق بشكل عكسي جزءًا من H§2627§ عند تعرضها للحرارة في وجود محفز.}

التطبيقات

صناعة البتروكيماويات

تُستخدم كميات كبيرة من H₂ في تحسين أو "ترقية" الوقود الأحفوري. تشتمل التطبيقات الصناعية الأولية لـ H§56§ على عمليات إزالة الكبريت بالهيدروجين والتكسير الهيدروجيني. تندرج العديد من هذه التفاعلات تحت فئة التحلل الهيدروجيني، والذي يستلزم انقسام الروابط الكيميائية بواسطة الهيدروجين. أحد التطبيقات المثالية هو إزالة الكبريت من الوقود الأحفوري السائل.

الهدرجة

تُعرف الهدرجة بأنها إضافة H₂ إلى ركائز متنوعة، وهي عملية صناعية تمارس على نطاق واسع. على سبيل المثال، تؤدي هدرجة N§56§ إلى إنتاج الأمونيا عبر عملية Haber.

تمثل هذه العملية المحددة جزءًا كبيرًا من استهلاك الطاقة الصناعية العالمية وتمثل أكبر تطبيق منفرد للهيدروجين. يتم استخدام الأمونيا المنتجة على نطاق واسع في تصنيع الأسمدة، والتي تشكل مادة خام حاسمة للممارسات الزراعية المعاصرة. علاوة على ذلك، يتم استخدام الهدرجة لتحويل الدهون والزيوت غير المشبعة إلى نظيراتها المشبعة، مع التطبيق الأساسي وهو إنتاج السمن النباتي. يتضمن تخليق الميثانول هدرجة ثاني أكسيد الكربون. ويسمى مزيج الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون المستخدم لهذا الغرض بالغاز الاصطناعي. يعمل الهيدروجين أيضًا كمتفاعل في الإنتاج الصناعي لحمض الهيدروكلوريك. بالإضافة إلى ذلك، يعمل H₂ كعامل اختزال في تحويل بعض الخامات المعدنية إلى أشكالها المعدنية الأولية.

الوقود

تم فحص التطبيق المحتمل للهيدروجين (H₂) كمصدر للوقود على نطاق واسع. يمكن استخدام الهيدروجين في خلايا الوقود لتوليد الكهرباء أو حرقه لإنتاج الحرارة. عندما يتم استهلاك الهيدروجين في خلايا الوقود، فإن الانبعاث الوحيد عند نقطة الاستخدام هو بخار الماء. في حين أن الاحتراق المباشر للهيدروجين يؤدي إلى الحد الأدنى نسبيًا من التلوث في موقع الاحتراق، فإنه يمكن أن يؤدي إلى تكوين حراري لأكاسيد النيتروجين الضارة.

إذا تم إنتاج الهيدروجين بانبعاثات غازات دفيئة منخفضة أو معدومة، يشار إليه عادةً باسم "الهيدروجين الأخضر"، فيمكن أن يساهم بشكل كبير في إزالة الكربون من أنظمة الطاقة، لا سيما في القطاعات التي يمثل فيها استبدال الوقود الأحفوري بالاستخدام المباشر للكهرباء تحديات وقيود.

وقود الهيدروجين قادر على توليد الحرارة المكثفة المطلوبة لعمليات الإنتاج الصناعي، بما في ذلك الصلب والأسمنت الزجاج والمواد الكيميائية، مما يدعم إزالة الكربون الصناعية إلى جانب تقنيات أخرى مثل أفران القوس الكهربائي لصناعة الصلب. ومع ذلك، من المتوقع أن يكون لها دور أبرز في توفير المواد الخام الصناعية لإنتاج الأمونيا والمواد الكيميائية العضوية بطريقة أنظف. على سبيل المثال، في صناعة الصلب، يمكن أن يعمل الهيدروجين كوقود نظيف ومحفز منخفض الكربون، ليحل محل فحم الكوك المشتق من الفحم (الكربون).

بالنسبة لإزالة الكربون في وسائل النقل، من المتوقع أن يجد الهيدروجين تطبيقاته الأكثر أهمية في الشحن والطيران، وبدرجة أقل، مركبات البضائع الثقيلة، من خلال نشر الوقود الاصطناعي المشتق من الهيدروجين مثل الأمونيا والميثانول، فضلا عن تكنولوجيا خلايا الوقود. في قطاع المركبات الخفيفة، بما في ذلك سيارات الركاب، يتخلف الهيدروجين بشكل كبير عن خيارات الوقود البديلة الأخرى، خاصة عند مقارنته بمعدل اعتماد السيارات الكهربائية التي تعمل بالبطارية، مما يشير إلى دور مستقبلي ثانوي محتمل.

يتم استخدام الهيدروجين السائل والأكسجين السائل معًا كوقود دافع مبرد في الصواريخ التي تعمل بالوقود السائل، كما هو موضح في المحركات الرئيسية للمكوك الفضائي. قامت ناسا بالتحقيق في الوقود الدافع للصواريخ المصنوع من الهيدروجين الذري أو البورون أو الكربون، والذي يتم تجميده إلى جزيئات هيدروجين جزيئية صلبة معلقة في الهيليوم السائل. عند التسخين، يتبخر هذا الخليط، مما يسمح للأنواع الذرية بإعادة الاتحاد وبالتالي تسخين الخليط إلى درجة حرارة عالية.

يمكن، من حيث المبدأ، تخزين الهيدروجين المنتج خلال فترات فائض الكهرباء المتجددة المتغير واستخدامه لاحقًا لتوليد الحرارة أو تجديد الكهرباء. ويمكن أيضًا تحويله إلى وقود صناعي مثل الأمونيا والميثانول. تشمل العيوب المرتبطة بوقود الهيدروجين ارتفاع تكاليف تخزينه وتوزيعه بسبب قابليته للانفجار، وحجمه الكبير مقارنة بأنواع الوقود الأخرى، وميله إلى المواد الهشة.

بطارية النيكل-الهيدروجين

تعمل بطارية النيكل والهيدروجين القابلة لإعادة الشحن والتي تدوم طويلًا بشكل استثنائي، والتي تم تطويرها لأنظمة الطاقة عبر الأقمار الصناعية، باستخدام غاز H₂ المضغوط. تم تجهيز محطة الفضاء الدولية وMars Odyssey وMars Global Surveyor ببطاريات النيكل والهيدروجين. خلال الجزء المظلم من مداره، يعتمد تلسكوب هابل الفضائي أيضًا على بطاريات النيكل والهيدروجين، والتي تم استبدالها في نهاية المطاف في مايو 2009، بعد أكثر من 19 عامًا من الإطلاق و13 عامًا بعد عمر التصميمي.

صناعة أشباه الموصلات

يتم استخدام الهيدروجين في تصنيع أشباه الموصلات لتشبع الروابط المكسورة ("المعلقة") في السيليكون غير المتبلور والكربون غير المتبلور، مما يساهم في تثبيت خصائص هذه المواد. عند تقديمه كمنتج ثانوي غير مقصود للإنتاج، يعمل الهيدروجين كمانح إلكترون سطحي، مما يحفز الموصلية من النوع في أكسيد الزنك (ZnO)، الذي له تطبيقات مهمة في محولات الطاقة والفوسفور. قدمت التحليلات التفصيلية لأكسيد الزنك وأكسيد المغنيسيوم (MgO) دليلاً على وجود روابط هيدروجينية متعددة المراكز بأربعة وستة أضعاف. يعتمد سلوك المنشطات للهيدروجين على المادة.

التطبيقات المتخصصة والمتطورة

بالإضافة إلى التطبيقات الأساسية، يتم استخدام الهيدروجين على نطاقات أصغر في السياقات التالية:

• غاز التدريع: يعمل الهيدروجين كغاز تدريع في طرق اللحام المختلفة، بما في ذلك اللحام بالهيدروجين الذري.

• المبرد: بسبب موصليته الحرارية العالية وكثافته المنخفضة، يستخدم الهيدروجين كمبرد في المولدات الكهربائية الكبيرة. بدأ تشغيل أول مولد توربيني مبرد بالهيدروجين، والذي استخدم الهيدروجين الغازي لتبريد كل من الجزء الثابت والدوار، في دايتون، أوهايو، في عام 1937.
• الأبحاث المبردة: يعتبر السائل H₂ جزءًا لا يتجزأ من الأبحاث المبردة، لا سيما في الدراسات المتعلقة بالموصلية الفائقة.
• صناعة المواد الغذائية: الهيدروجين هو مادة مضافة غذائية معتمدة (E949) تعمل كغاز تعبئة وتتميز أيضًا بخصائص مضادة للأكسدة.
• الهيدروجين، سواء في شكله النقي أو الممزوج بالنيتروجين (غالبًا ما يشار إليه بغاز التكوين)، يعمل بمثابة غاز تتبع لتحديد التسريبات الصغيرة. تشمل تطبيقاتها قطاعات مختلفة، بما في ذلك صناعات السيارات والكيماويات وتوليد الطاقة والفضاء والاتصالات، كما يتم استخدامها أيضًا لاختبار التسرب في تغليف المواد الغذائية.

• يعمل الديوتيريوم (الهيدروجين -2) كوسيط في عمليات الانشطار النووي، مما يؤدي إلى إبطاء النيوترونات بشكل فعال.
• يستخدم الديوتيريوم كوقود في تفاعلات الاندماج النووي.
• تستخدم مركبات الديوتيريوم في الكيمياء والبيولوجيا لوضع العلامات النظائرية، وخاصة في التحقيقات المتعلقة بتأثيرات النظائر على حركية التفاعل.

• التريتيوم (الهيدروجين-3)، الذي يتم توليده داخل المفاعلات النووية، يجد تطبيقات في تصنيع القنابل الهيدروجينية، كتتبع نظائري في العلوم البيولوجية، وكمصدر إشعاع بيتا في الدهانات المشعة للشاشات ومؤشرات الطوارئ.

اعتبارات واحتياطات السلامة

داخل خطوط أنابيب الهيدروجين وحاويات تخزين الفولاذ، تظهر جزيئات الهيدروجين ميلًا للتفاعل مع المكونات المعدنية، مما يؤدي إلى تقصف الهيدروجين والتسربات اللاحقة في البنية التحتية. على الرغم من أن الهيدروجين أقل كثافة من الهواء، مما يمنع بشكل عام تراكمه في خليط غاز قابل للاحتراق، إلا أن تسربات الهيدروجين عالية الضغط يمكن أن تؤدي إلى احتراق وانفجار تلقائي، حتى في حالة عدم وجود مصادر اشتعال خارجية.

الهيدروجين شديد الاشتعال، حتى عند وجوده بتركيزات قليلة داخل خليط الهواء. يمكن بدء الإشعال بنسبة حجمية من الهيدروجين إلى الهواء تصل إلى 4%. والجدير بالذكر أنه في ما يقرب من 70% من حوادث اشتعال الهيدروجين المبلغ عنها، يظل مصدر الاشتعال الدقيق غير معروف.

حرائق الهيدروجين، على الرغم من توليد حرارة شديدة، غير محسوسة تقريبًا بالعين البشرية، مما يشكل خطرًا كبيرًا للحروق العرضية. في حين أن الهيدروجين في حد ذاته غير سام، إلا أن وجوده، مثل العديد من الغازات الأخرى، يمكن أن يؤدي إلى الاختناق إذا كانت التهوية غير كافية.

المراجع

المراجع

مخطط النويدات (الطبعة السابعة عشر). مختبر نولز للطاقة الذرية، 2010. ISBN 978-0-9843653-0-2.

• مخطط النويدات (الطبعة السابعة عشرة). مختبر نولز للطاقة الذرية. 2010. رقم ISBN 978-0-9843653-0-2.نيوتن، ديفيد إي. (1994). العناصر الكيميائية. نيويورك: فرانكلين واتس. ISBN 978-0-531-12501-4.ريجدن، جون س. (2002). الهيدروجين: العنصر الأساسي. كامبريدج، ماساتشوستس: مطبعة جامعة هارفارد. رقم ISBN 978-0-531-12501-4.روم، جوزيف ج. (2004). الضجيج حول الهيدروجين، الحقيقة والخيال في السباق لإنقاذ المناخ. مطبعة الجزيرة. ISBN 978-1-55963-703-9.سيري، إريك (2007). النظام الدوري وقصته وأهميته. نيويورك: مطبعة جامعة أكسفورد. رقم ISBN 978-0-19-530573-9.
  • نموذج ذرة الهيدروجين الميكانيكي الكمي الأساسي في Wayback Machine (أرشفة 2025-03-08) (تيموثي جونز، جامعة دريكسيل)
  • مخطط طور الهيدروجين ذو درجة الحرارة المرتفعة من بوركهارد ميليتزر (جامعة كاليفورنيا، بيركلي)
  • الدالة الموجية للهيدروجين في HyperPhysics (جامعة ولاية جورجيا)