عنصر الهيدروجين: الخواص، التفاعلات، الاستخدامات

الهيدروجين، أبسط العناصر وأكثرها وفرة في الكون، هو اللبنة الأساسية التي تُشعل النجوم وتُكوّن الماء. وفي الوقت الحالي، لم يعد دوره مقتصرًا على الكيمياء الفلكية فحسب، بل تحوّل ليصبح محورًا أساسيًا في سباق الطاقة النظيفة العالمي، حيث يُنظر إليه على أنه وقود المستقبل القادر على إحداث ثورة في قطاعات النقل والصناعة والطاقة.

يتناول هذا المنشور الخواص المختلفة لعنصر الهيدروجين ونظائره. وكذلك التفاعلات الكيميائية وطرق التحضير. بالإضافة إلى تاريخ الاكتشاف والتواجد الطبيعي والاستخدامات المتعددة له.

ما هو الهيدروجين؟هو عنصر كيميائي يحمل الرمز H، والعدد الذري 1. ويعد من أخف العناصر وأول عنصر في الجدول الدوري للعناصر الكيميائية من ناحية الدورات الأفقية والمجموعات الرأسية على حد سواء.

ويطلق على أيون الهيدروجين الموجب (H$^+$) اسم البروتون، لأن التركيب الإلكتروني لأكثر نظائره استقرارًا (البروتيوم) يتكون من إلكترون واحد وبروتون واحد. وعندما يتأين إلى أيون موجب يفقد الإلكترون، ولا يتبقى منه سوى بروتون واحد. يشكل الهيدروجين كذلك أيونًا سالبًا ($\text{H}^-$) يسمى هيدريد في مركباته مع الفلزات النشطة.

الخواص

الخواص الذرية العامة

الخاصية	القيمة
الرمز، العدد الذري	\(\ce{H}\)، 1
الوزن الذري	1.008 u (وحدة كتل ذرية)
التوزيع الإلكتروني	1s¹
التكافؤ الشائع	+1 (وفي الهيدريدات -1)
عدد البروتونات / الإلكترونات	1 / 1
عدد النيوترونات	0 (لأكثر النظائر وفرة)
نصف القطر الذري	53 بيكومتر
طاقة التأين الأولى	1312 كيلو جول/مول

يتميز الهيدروجين بعدد من الخصائص الفيزيائية وهي كالتالي:

الخواص الفيزيائية (عند الظروف القياسية)

الخاصية	القيمة
الحالة الفيزيائية	غاز
اللون والرائحة والطعم	عديم اللون والرائحة والطعم
الكثافة (عند 0°م، 1 ضغط جوي)	0.08988 كجم/م³
درجة الانصهار	-259.16 درجة مئوية
درجة الغليان	-252.87 درجة مئوية
السعة الحرارية النوعية	14.30 جول/(جم·كلفن)
التوصيل الحراري	0.1805 واط/(م·كلفن)
الذوبانية في الماء	شحيح الذوبان جداً (0.0016 جم/لتر)

نظائر عنصر الهيدروجين واستخداماتها

توضح النماذج البصرية لنظائر الهيدروجين الاختلاف الجوهري بينها المتمثل في عدد النيوترونات في النواة. ويكمل الجدول التالي هذه البيانات بتفاصيل مهمة حول الوفرة الطبيعية لهذه النظائر على الأرض وحالة الاستقرارية التي تحدد استخداماتها وتواجدها، خاصةً النظير غير المستقر التريتيوم.

نظائر الهيدروجين [1]

النظير	الوفرة الطبيعية	نصف العمر (سنة)	الاستقرارية
بروتيوم (\(^1\text{H}\))	99.98%	طويل	ثابت
ديتريوم (\(^2\text{H}\))	0.015%	طويل	ثابت
تريتيوم (\(^3\text{H}\))	عنصر نادر	12.32	تحلل بالانبعاث بيتا إلى هيليوم-3
هيدروجين-4 (\(^4\text{H}\))	_	قصير جدًا	غير مستقر

ملاحظات حول الاستخدامات:

• الديتريوم ($\text{H}-2$): يستخدم في المفاعلات النووية كمهدئ (الماء الثقيل $\text{D}_2\text{O}$)، وفي التفاعلات الاندماجية التجريبية [2].
• التريتيوم ($\text{H}-3$): يستخدم كمصدر طاقة في الأجهزة ذاتية الإضاءة (مثل الساعات ومخارج الطوارئ)، وفي البحث العلمي، ويعد وقودًا محتملًا لاندماج الهيدروجين [2].

تاريخ اكتشاف عنصر الهيدروجين

تم اكتشاف عنصر الهيدروجين في القرن الثامن عشر. كان أول شخص اكتشف وجود الهيدروجين هو الكيميائي الإنجليزي هنري كافنديش في عام 1766. اكتشف كافنديش أن الغاز الذي كان ينتج عن تفاعل الزنك مع حمض الهيدروكلوريك كان مختلفًا عن الغازات الأخرى المعروفة في ذلك الوقت. أطلق على هذا الغاز اسم "الهواء الخفيف".

في عام 1781، أظهر الكيميائي الفرنسي أنطوان لافوازييه أن الهيدروجين هو عنصر أساسي، وليس مزيجًا من الغازات الأخرى. أطلق على الهيدروجين اسم "عنصر الماء" لأنه كان موجودًا في الماء. تأتي كلمة 'هيدروجين' (Hydrogen) من الكلمة اليونانية التي تعني 'مُوَلِّد الماء'، وهو ما يتوافق مع اكتشاف لافوازييه بأنه جزء أساسي من تركيب الماء.

في عام 1800، تمكن الكيميائي الإنجليزي ويليام وولر من فصل الهيدروجين عن الماء عن طريق عملية كهربائية. أدى هذا الاكتشاف إلى تطوير استخدام الهيدروجين في التحليل الكهربائي.

في القرن التاسع عشر، تم إجراء المزيد من الأبحاث على الهيدروجين. تم اكتشاف أن الهيدروجين هو أخف عنصر في الكون. كما تم اكتشاف أن الهيدروجين هو العنصر الأكثر وفرة في الكون.

في القرن العشرين، تم استخدام الهيدروجين في مجموعة متنوعة من التطبيقات الجديدة، بما في ذلك الطيران والطاقة النووية.

في الوقت الحالي، يعتبر الهيدروجين من أكثر المواد الواعدة في مجال الطاقة. يمكن استخدام الهيدروجين كوقود نظيف وفعال.

التواجد الطبيعي وطرق الحصول عليه

الوفرة الطبيعية

يعد الهيدروجين العنصر الأكثر وفرة في الكون، حيث يشكل حوالي 75% من الكتلة الكيميائية. يتواجد الهيدروجين بتركيز عالٍ في الشمس والنجوم الأخرى، حيث يشكل الوقود الأساسي للتفاعلات النووية.

على الأرض، يتواجد بشكل رئيسي في الماء ($\text{H}_2\text{O}$)، كما يتواجد في الغلاف الجوي بكميات قليلة جدًا، وفي العديد من المركبات العضوية وغير العضوية. مؤخرًا، يتم البحث عن الهيدروجين الطبيعي (الأبيض) المتواجد في أعماق القشرة الأرضية كمصدر واعد للطاقة [3].

طرق التحضير الشائعة

رغم أنه يشكل 75% من كتلة الكون، إلا أن الهيدروجين الحر نادراً ما يوجد على الأرض؛ فهو مرتبط دائمًا بعناصر أخرى كالماء والمركبات العضوية.

أ. التحضير المختبري

يتم غالبًا عبر إزاحة الهيدروجين من الأحماض المخففة بواسطة معادن نشطة مثل الزنك:

$$ \ce{Zn(s) + H2SO4(aq) -> ZnSO4(aq) + H2(g) ^} $$

ب. الإنتاج الصناعي (الأكثر شيوعًا)

عن طريق عملية "إصلاح الميثان بالبخار" (SMR)، حيث يتفاعل الغاز الطبيعي مع بخار الماء عند درجات حرارة عالية:

$$ \ce{CH4 + H2O ->[\Delta][\text{Ni}] CO + 3H2} $$

ج. التحليل الكهربائي للماء (الهيدروجين الأخضر)

استخدام التيار الكهربائي لفصل جزيئات الماء إلى عنصريه الأساسيين:

$$ \ce{2H2O(l) ->[\text{Electricity}] 2H2(g) + O2(g)} $$

التفاعلات الكيميائية

الهيدروجين غاز خامل نسبيًا في درجة حرارة الغرفة بسبب قوة الرابطة التساهمية العالية بين ذرتيه، ولكنه يصبح نشطًا جدًا عند التسخين أو وجود محفزات.

1. مع الأكسجين (الاحتراق): يتفاعل بعنف (مصحوبًا بفرقعة) لينتج الماء وحرارة عالية: $$ \ce{2H2 + O2 ->[\Delta] 2H2O} $$
2. مع الهالوجينات: يتفاعل مع الكلور مثلاً لإنتاج غاز كلوريد الهيدروجين: $$ \ce{H2 + Cl2 ->[\text{UV Light}] 2HCl} $$
3. مع المعادن النشطة: يتفاعل مع عناصر المجموعة الأولى لتكوين "هيدريدات أيونية" (يكون عدد تأكسد الهيدروجين فيها -1): $$ \ce{2Na + H2 ->[\Delta] 2NaH} $$
4. تفاعلات الاختزال: يُستخدم الهيدروجين الساخن لانتزاع الأكسجين من أكاسيد بعض المعادن لتحويلها إلى معادن نقية: $$ \ce{CuO + H2 ->[\Delta] Cu + H2O} $$

استخدامات الهيدروجين وتطبيقاته

يستخدم الهيدروجين في مجموعة واسعة من التطبيقات الصناعية والتقنية نظرًا لخصائصه الفريدة، ومن أهم هذه الاستخدامات:

1. يُستخدم الهيدروجين بشكل أساسي في تصنيع الأمونيا التي تدخل في إنتاج الأسمدة النيتروجينية والمواد الكيميائية المختلفة.
2. عمليات هدرجة الزيوت النباتية غير المشبعة لتحويلها إلى دهون صلبة (مثل السمن النباتي).
3. يدخل في تصنيع العديد من المركبات العضوية الهامة، وعلى رأسها الميثانول.
4. يُعد المادة الأولية لتحضير حمض الهيدروكلوريك (كلوريد الهيدروجين)، وهو مادة كيميائية حيوية في الصناعة.
5. تطبيقات التعدين والعمليات المعدنية، حيث يُستخدم لاختزال أكاسيد المعادن وتحويلها إلى معادن نقية.
6. يُستخدم كوقود عالي الكفاءة للصواريخ ومركبات الفضاء في وكالات أبحاث الفضاء العالمية.
7. تطوير حلول الطاقة النظيفة عبر استخدامه في خلايا وقود الهيدروجين لتشغيل المركبات؛ حيث يتميز الهيدروجين بكثافة طاقة عالية جداً تصل إلى 40,000 واط ساعي لكل كيلوغرام، مما يجعله يتفوق بمراحل على بطاريات الليثيوم إيوم في تخزين الطاقة [7].

المخاطر

• الاشتعال: الهيدروجين غاز شديد الاشتعال، حيث يشكل مزيج من الهيدروجين والهواء بتركيز يبدأ من 4% (حد الانفجار الأدنى) خطراً كبيراً، ويتطلب طاقة إشعال منخفضة جداً لبدء الاحتراق [4].
• الانفجار: يمكن أن يحدث انفجار عنيف إذا اشتعل مزيج من الهيدروجين والأكسجين في مكان محصور. كما أن لهب الهيدروجين يكاد يكون غير مرئي في ضوء النهار، مما يزيد من صعوبة اكتشاف الحريق والتعامل معه [4].
• الاختناق: نظراً لأن الهيدروجين أخف بكثير من الهواء، فإنه يميل للتراكم في الأماكن المغلقة المرتفعة (مثل أسقف المستودعات) ويحل محل الأكسجين، مما قد يؤدي إلى خطر الاختناق دون سابق إنذار.
• التقصف: يسبب ما يعرف بـ "التقصف الهيدروجيني" وهو تغلغل ذرات الهيدروجين داخل بنية المعادن مما يؤدي لتشققها وتلف الأنابيب [5].

أسئلة شائعة حول الهيدروجين

هل الهيدروجين غاز أم سائل؟

الهيدروجين غاز عند درجة حرارة وضغط عاديين، لكنه يتكثف إلى سائل عند سالب 423 درجة فهرنهايت (ناقص 253 درجة مئوية).

هل يمكن إستخدام الهيدروجين كوقود؟

نعم، يمكن استخدام الهيدروجين كوقود لمحركات الاحتراق الداخلي وخلايا الوقود.

ما هي مصادر إنتاج الهيدروجين؟

يمكن إنتاج الهيدروجين من مصادر محلية متنوعة، بما في ذلك الوقود الأحفوري والكتلة الحيوية والتحليل الكهربائي للماء بالكهرباء.

ما هو أفضل مصدر لإنتاج غاز الهيدروجين؟

الوقود الأحفوري هو المصدر المهيمن للهيدروجين الصناعي.

ما المقصود بالهيدروجين الأخضر؟

يُعرَّف الهيدروجين الأخضر بأنه هيدروجين ينتج عن طريق تقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين باستخدام الكهرباء المتجددة.

ماذا يُقصد بالهيدروجين المسال؟

يتم تسييل الهيدروجين الغازي عن طريق تبريده إلى ما دون -253 درجة مئوية (−423 درجة فهرنهايت)، عندها يطلق عليه اسم الهيدروجين المسال.

المصادر

1. ويكيبيديا. هيدروجين. (بيانات النظائر والوفرة).
2. الوكالة الدولية للطاقة الذرية (IAEA). ما الديوتيريوم؟ (استخدامات الديتيريوم والتريتيوم).
3. الجزيرة نت. مخزون الهيدروجين في الأرض يكفي لتوفير الطاقة لمدة 170 ألف عام. (التواجد الطبيعي).
4. أطلس كوبكو. المخاوف الشائعة المتعلقة بسلامة الهيدروجين المضغوط. (مخاطر الاشتعال والانفجار).
5. Peiyang Chemical. نظام الأضرار الهيدروجينية. (التقصف الهيدروجيني).
6. نجوى. تغيرات طاقة الرابطة خلال إعادة تشكيل الميثان بالبخار. (معادلة SMR).
7. حنا ندروس (أكتوبر 8، 2019). خلايا وقود الهيدروجين وتخزين الطاقة بالهيدروجين. سولارابيك (Solarabic).