كان العلماء ينتجون الهيدروجين لسنوات قبل أن يتم التعرف عليه كعنصر.  تشير السجلات المكتوبة إلى أن روبرت بويل أنتج غاز الهيدروجين في وقت مبكر من عام 1671 أثناء تجربة الأحماض الحديدية.  تم التعرف على الهيدروجين لأول مرة كعنصر متميز من قبل هنري كافنديش في عام 1766.

يتكون الهيدروجين المكون من بروتون واحد وإلكترون واحد من أبسط العناصر وأكثرها وفرة في الكون.  يقدر أن 90 ٪ من الكون المرئي يتكون من الهيدروجين.

مفهوم الهيدروجين

الهيدروجين هو الوقود الخام الذي يحترق معظم النجوم لإنتاج الطاقة. ونفس العملية والمعروفة باسم الاندماج ، يتم دراستها كمصدر طاقة ممكن للاستخدام على الأرض.  من المتوقع أن تستمر إمدادات الشمس من الهيدروجين 5 مليارات سنة أخرى.

الأهمية التجارية للهيدروجين

الهيدروجين هو عنصر مهم تجاريا.  يتم دمج كميات كبيرة من الهيدروجين مع النيتروجين من الهواء لإنتاج الأمونيا (NH3) من خلال عملية تسمى عملية هابر.  يضاف الهيدروجين أيضًا إلى الدهون والزيوت ، مثل زيت الفول السوداني ، من خلال عملية تسمى الهدرجة.  يستخدم الهيدروجين السائل في دراسة الموصلات الفائقة ، وعندما يقترن بالأكسجين السائل ، يصنع وقود صاروخي ممتاز.

يتحد الهيدروجين مع العناصر الأخرى لتكوين العديد من المركبات.  بعض العناصر الشائعة هي: الماء (H2O) ، الأمونيا (NH3) ، الميثان (CH4) ، سكر الطاولة (C12H22O11) ، بيروكسيد الهيدروجين (H2O2) وحمض الهيدروكلوريك (HCl).

مكونات الهيدروجين

يحتوي الهيدروجين على ثلاثة نظائر شائعة.  أبسط نظير ، يسمى البروتيم ، هو مجرد هيدروجين عادي.  أما النظير الثاني ، وهو نظير مستقر يسمى الديوتيريوم ، فقد تم اكتشافه عام 1932. أما النظير الثالث ، التريتيوم ، فقد اكتشف عام 1934.

معلومات إحصائية عن عنصر الهيدروجين

الوفرة المقدرة في القشرة الأرضية: 1.40 × 103 ملليغرام لكل كيلوغرام

الوفرة المقدرة للمحيطات: 1.08 × 105 ملليغرام للتر

عدد النظائر المستقرة: 2 (عرض جميع بيانات النظائر)

طاقة التأين: 13.598 فولت

حالات الأكسدة: +1 ، -1

شكل عنصر الهيدروجين ووصفه

العنصر الأول في الجدول الدوري.  في الظروف العادية ، إنه غاز عديم اللون ، عديم الرائحة ، غير مشبع ، يتكون من جزيئات ثنائية الذرة ، H2.  تتشكل ذرة الهيدروجين ، الرمز H ، بواسطة نواة ذات وحدة موجبة الشحنة وإلكترون واحد.  عددها الذري هو 1 ووزنه الذري 1،00797 جم / مول.  إنه واحد من المركبات الرئيسية للمياه والمواد العضوية ، وينتشر على نطاق واسع ليس فقط في الأرض بل في الكون بأكمله.

هناك ثلاثة نظائر هيدروجينية: بروتيوم ، كتلة 1 ، توجد في أكثر من 99،985٪ من العنصر الطبيعي ؛  الديوتيريوم ، الكتلة 2 ، موجود في الطبيعة بنسبة 0.015٪ تقريبًا ، والتريتيوم ، الكتلة 3 ، التي تظهر بكميات صغيرة في الطبيعة ، ولكن يمكن إنتاجها بشكل مصطنع بواسطة تفاعلات نووية مختلفة.

استخدامات عنصر الهيدروجين

أهم استخدام للهيدروجين هو تخليق الأمونيا.  يمتد استخدام الهيدروجين بسرعة في تحسين الوقود ، مثل التكسير بالهيدروجين (التكسير بالهيدروجين) ، وفي التخلص من الكبريت.  يتم استهلاك كميات هائلة من الهيدروجين في الهدرجة الحفزية للزيوت النباتية غير المشبعة للحصول على الدهون الصلبة.  يستخدم الهدرجة في تصنيع المنتجات الكيميائية العضوية.  تستخدم كميات هائلة من الهيدروجين كوقود صاروخي ، بالاقتران مع الأكسجين أو الفلور ، وكدافع صاروخي تدفعه الطاقة النووية.

يمكن حرق الهيدروجين في محركات الاحتراق الداخلي.  يتم النظر في خلايا الوقود الهيدروجينية كوسيلة لتوفير الطاقة ، ويتم إجراء البحوث على الهيدروجين كوقود رئيسي محتمل في المستقبل.  على سبيل المثال ، يمكن تحويلها من وإلى الوقود من الوقود الحيوي ، ومن وإلى الغاز الطبيعي ووقود الديزل ، من الناحية النظرية مع عدم وجود انبعاثات لثاني أكسيد الكربون أو المواد الكيميائية السامة.

خواص عنصر الهيدروجين

يبلغ الوزن الجزيئي للهيدروجين 2،01594 جم.  كغاز ، لديه كثافة 0.071 جم / لتر عند 0 درجة مئوية و 1 صراف آلي.  كثافته النسبية ، مقارنة بكثافة الهواء ، هي 0.0695.  الهيدروجين هو الأكثر قابلية للاشتعال لجميع المواد المعروفة.  الهيدروجين أكثر قابلية للذوبان في المذيبات العضوية أكثر منه في الماء.  العديد من المعادن تمتص الهيدروجين.  يمكن أن يؤدي امتصاص الهيدروجين من الصلب إلى هش الفولاذ ، مما يؤدي إلى تعطل معدات المعالجة الكيميائية.

في درجة الحرارة العادية ، لا يعتبر الهيدروجين مادة تفاعلية للغاية ، ما لم يتم تنشيطه بطريقة ما ؛  على سبيل المثال ، من قبل محفز مناسب.  في درجات الحرارة العالية ، يكون رد الفعل عاليًا.

على الرغم من أن الهيدروجين الجزيئي ينتشر بشكل عام إلى ذرات حرة في درجات حرارة عالية.  الهيدروجين الذري عامل اختزال قوي ، حتى في درجة الحرارة المحيطة.  يتفاعل مع أكاسيد وكلوريد العديد من المعادن ، مثل الفضة والنحاس والرصاص والبزموت والزئبق ، لإنتاج المعادن المجانية.  فهو يقلل من بعض الأملاح إلى حالتها المعدنية ، مثل النترات والنتريت وسيانيد الصوديوم والبوتاسيوم.  يتفاعل مع عدد من العناصر والمعادن وغير المعدنية لإنتاج هيدريدات ، مثل NAH و KH و H2S و PH3.  الهيدروجين الذري ينتج بيروكسيد الهيدروجين ، H2O2 ، مع الأكسجين. .

العناصر التي يتفاعل معها الهيدروجين لتكوين عناصر أخرى

يتفاعل الهيدروجين الذري مع المركبات العضوية لتشكيل خليط معقد من المنتجات ؛  مع etilene ، C2H4 ، على سبيل المثال ، المنتجات هي الإيثان ، C2H6 ، والبوتان ، C4H10.  الحرارة المنبعثة عندما تتحد ذرات الهيدروجين لتكوين جزيئات الهيدروجين للحصول على درجات حرارة عالية في لحام الهيدروجين الذري.

يتفاعل الهيدروجين مع الأكسجين لتكوين الماء وهذا التفاعل يكون بطيئًا للغاية في درجة الحرارة المحيطة ؛  ولكن إذا تم تسريعها بواسطة عامل حفاز ، مثل البلاتين ، أو شرارة كهربائية ، فهو مصنوع بعنف متفجر.

الآثار الصحية للهيدروجين

– آثار التعرض للهيدروجين: النار: شديدة الاشتعال.  ردود فعل كثيرة قد تسبب الحريق أو الانفجار.

– الانفجار: مخاليط الغاز / الهواء قابلة للانفجار.

– طرق التعرض: يمكن امتصاص المادة في الجسم عن طريق الاستنشاق.

– الاستنشاق: تركيزات عالية من هذا الغاز يمكن أن يسبب بيئة نقص الأكسجين.  الأفراد الذين يتنفسون مثل هذا الجو قد يعانون من أعراض تشمل الصداع ، وطنين الأذنين ، والدوخة ، والنعاس ، وعدم الوعي ، والغثيان ، والتقيؤ ، والاكتئاب لجميع الحواس.  قد يكون لبشر الضحية لون أزرق.  في بعض الظروف ، قد تحدث الوفاة.

– لا يُتوقع أن يتسبب الهيدروجين في حدوث طفرات أو سمية جنينية أو ماسخة مسالمة أو سمية تكاثرية.  قد تتفاقم حالات الجهاز التنفسي الموجودة من قبل بالتعرض المفرط للهيدروجين.  خطر الاستنشاق: عند فقد الاحتواء ، سيتم الوصول إلى تركيز ضار لهذا الغاز في الهواء بسرعة كبيرة.

يمتزج الغاز جيدًا مع الهواء ، وتتشكل المخاليط المتفجرة بسهولة.  الغاز أخف من الهواء.

قد يتسبب التسخين في احتراق أو انفجار عنيف.  يتفاعل بعنف مع الهواء والأكسجين والهالوجين والمواد المؤكسدة القوية التي تسبب خطر الحريق والانفجار.  المحفزات المعدنية ، مثل البلاتين والنيكل ، تعزز بشكل كبير هذه التفاعلات.

تركيزات عالية في الهواء تسبب نقص الأكسجين مع خطر فقدان الوعي أو الموت.  فحص محتوى الأكسجين قبل دخول المنطقة.  لا تحذير للرائحة إذا كانت التركيزات السامة موجودة.  قياس تركيزات الهيدروجين مع كاشف الغاز المناسب (كاشف الغاز الطبيعي القابل للاشتعال غير مناسب للغرض).

الإسعافات الأولية عند التعرض للهيدروجين بنسبة كبيرة

النار: إيقاف الإمدادات ؛  إن لم يكن ذلك ممكنًا ولا يوجد خطر على البيئة المحيطة ، دع النار تحترق ؛  في حالات أخرى تطفئ مع رذاذ الماء ، مسحوق ، ثاني أكسيد الكربون.  الانفجار: في حالة نشوب حريق: حافظ على برودة الأسطوانة عن طريق الرش بالماء.  مكافحة النار من موقف محمي.  الاستنشاق: الهواء النقي ، والراحة.  التنفس الاصطناعي قد تكون هناك حاجة.  الرجوع للحصول على الرعاية الطبية.  الجلد: راجع للحصول على العناية الطبية.

الآثار البيئية للهيدروجين

الهيدروجين في البيئة: يشكل الهيدروجين 0.15٪ من قشرة الأرض ، وهو المكون الرئيسي للمياه.  0.5 جزء في المليون من الهيدروجين H2 ونسب مختلفة مثل بخار الماء موجودة في الغلاف الجوي.  الهيدروجين هو أيضا عنصر من مكونات الكتلة الحيوية ، حيث يحتوي على 14 ٪ بالوزن.

الاستقرار البيئي: يحدث الهيدروجين بشكل طبيعي في الجو.  سيتم تبديد الغاز بسرعة في المناطق جيدة التهوية.

التأثير على النباتات أو الحيوانات: يرتبط أي تأثير على الحيوانات ببيئات نقص الأكسجين.  ليس من المتوقع حدوث أي تأثير ضار على حياة النبات ، باستثناء الصقيع الناتج في وجود غازات سريعة التوسع.

التأثير على الحياة المائية: لا يوجد حاليا أي دليل على تأثير الهيدروجين على الحياة المائية.