عنصر هیدروژن چیست ؟ چه ایزوتوپ ها و کاربرد هایی دارد ؟
عنصر هیدروژن اولین بار در سال ۱۷۷۶ توسط دانشمندی به نام Henry Cavendish کشف و معرفی گردید. اما کسی که نام عنصر هیدروژن را بر این ماده نهاد، لاوازیه بود. عنصر هیدروژن در طبیعت وجود داشته و می توان آن را در همه جا یافت. عنصر هیدروژن چند ایزوتوپ دارد که در ادامه این مقاله بررسی خواهد شد. نماد عنصر هیدروژن با H نشان داده می‌شود، مزایا و کاربرد عنصر هیدروژن در موارد مختلفی بوده و استفاده های فراوانی از این عنصر با ارزش می شود. عنصر هیدروژن یک نافلز بوده و در گروه و دوره ۱ جدول تناوبی مندلیف قرار گرفته است. واکنش عنصر هیدروژن با فلزات فعال و نافلزات و فلزات واسطه منجر به کاربرد های فراوانش شده است. اگر مایل هستید درباره عنصر هیدروژن بیشتر بدانید، در ادامه این مقاله با ما همراه باشید.
عنصر هیدروژن چیست ؟
درواقع ساده ترین عنصر شناخته شده برای انسان عنصر هیدروژن است. اتم هیدروژن دارای یک پروتن و نوترون است. جالب است بدانید که فراوان ترین عنصر موجود در جهان هستی، همین عنصر است. تمام انرژی خورشید را عنصر هیدروژن تأمین می کند. اتم های هیدروژن در درون خورشید با یکدیگر ترکیب شده و اتم های هلیم را پدید می آورند. این‌گونه انرژی پرتوی خورشید تولید می شود. انرژی پرتوی خورشید است که بر روی زمین حیات را برقرار می کند. لازم به ذکر است که هیدروژن به شکل گازی (H2) در زمین وجود نداشته و این عنصر همیشه به صورت ترکیبی است، مانند : ترکیب با اکسیژن مثلاً در آب (H2O)، در ترکیب با کربن مانند متان، و زغال و نفت. کاربرد عنصر هیدروژن به عنوان بیشترین محتوای انرژی هر سوخت امروزه شناخته می شود.
عنصر هیدروژن چه ایزوتوپ هایی دارد ؟
عنصر هیدروژن در طبیعت دارای ۳ ایزوتوپ می باشد که دو تای آن پایدارترند. پروتیوم، دوتریوم و تریتیوم نام این ۳ ایزوتوپ می باشد. پروتیوم با ۹۹.۹۸ درصد فراوانی نسبت به بقیه، فراوان ترین ایزوتوپ عنصر هیدروژن شناخته می شود. این ایزوتوپ با نماد ۱H شناخته می شود. دوتریوم ایزوتوپ دیگری است که در هسته خود یک پروتون و یک نوترون دارد. نماد این ایزوتوپ ۲H بوده که با D هم شناخته می شود. دوتریوم با نام هیدروژن سنگین هم شناخته می شود.
تریتیوم سومین ایزوتوپ طبیعی این ماده است که با نماد ۳H یا T شناخته می شود. این ایزوتوپ در بمب های هسته ای کاربرد های فراوانی دارد.
توجه
باید توجه نمود که قدرت اشتعال این ماده فوق‌العاده زیاد است و به شدت با کلر و فلوئور واکنش نشان خواهد داد. D2O یا آب سنگین نیز برای بسیاری از گونه ها سمی است، اما برای کشتن انسان مقدار قابل توجهی از آن لازم است.
استفاده و کاربرد عنصر هیدروژن چیست ؟
درباره عنصر هیدروژن باید اینطور گفت که، ماده ای بسیار مهم با کاربرد بسیار گسترده می باشد. امروزه از این ماده کاربرد و استفاده های فراوانی می شود. در ادامه به برخی از کاربرد های آن اشاره شده است.
- کاربرد عنصر هیدروژن در صنایع شیمیایی
- استفاده در پالایشگاه ها
- استفاده در متالوژی
- شیشه
- الکترونیک
- کاربرد به عنوان سوخت در کاربرد های فضایی
- مصارف صنعتی متفاوت و گسترده
این ماده باارزش به عنوان یک ماده واکنش دهنده مورد کاربرد دارد. استفاده از عنصر هیدروژن می تواند در آینده به عنوان سوخت تمیز معرفی گردد. پیل های سوختی مجهز به هیدروژن می توانند به عنوان منابع انرژی عاری از آلودگی دیده شده و حتی هم اکنون نیز در بعضی از اتوبوس ها و اتومبیل ها مورد استفاده قرار گرفته است.
در ساختن آمونیاک برای کود های کشاورزی (فرآیند هابر) و سیکلو هگزان و متانول در صنایع شیمیایی از این ماده با ارزش استفاده می شود. این مواد با ارزش واسطه هایی برای تولید پلاستیک و داروسازی هستند.
در فرآیند تصفیه روغن جهت حذف گوگرد نیز از این ماده استفاده می گردد. مقادیر زیادی از این ماده برای هیدروژناسیون روغن ها استفاده می شود، ساخت مارگارین مثالی از این کاربردهاست.
در صنایع شیشه برای ساخت ورق های تخت شیشه، از عنصر هیدروژن به عنوان جو محافظ استفاده می شود.
در صنایع الکترونیک از این ماده در هنگام تولید تراشه های سیلیکونی، به عنوان گاز شستشو استفاده می گردد.
این ماده برای پر کردن بالن و کشتی های هوایی به دلیل داشتن تراکم کم، مورد استفاده قرار گرفته است. لازم به ذکر است که این ماده با اکسیژن جهت تشکیل آب واکنش پذیری شدیدی را نشان داده، استفاده از آن در پر نمودن کشتی های هوایی با آتش گرفتن کشتی هوایی هیندنبورگ، پایان یافت.
آیا از عنصر هیدروژن می‌توان به عنوان سوخت خودرو ها استفاده کرد ؟
در واقع دستگاه هایی که با نیروی هیدروژنی کار کنند، برای مدتی به دلیل هزینه بالایی که دارند، ساخته نخواهند شد. اما این ماده را ممکن است بتوان به گاز طبیعی اضافه نمود و آلودگی دستگاه های موجود را کاهش داد. همچنین این ماده می تواند به زودی به گازوئیل هم اضافه شود تا سطح آلودگی کاهش و کارایی افزایش یابد. تنها افزودن ۵ درصد هیدروژن به گازوئیل، میزان قابل توجهی اکسید نیتروژن که در آلودگی لایه ازن مؤثر است را کاهش می دهد. لازم به ذکر است که موتوری که هیدروژن خالص می سوزاند، تقریباً آلودگی خاصی ندارد. جالب است بدانید که شاید ۱۰ تا ۲۰ سال مانده است تا اتومبیل های شخصی مصرف کننده هیدروژن معرفی و عرضه عمومی گردند.
نکته
نکته قابل توجه در این مورد این است، قبل از اینکه هیدروژن به عنوان سوختی مهم شناخته و معرفی شود، ساختار ها و سیستم های جدید زیادی باید ساخته شوند. سیستم هایی باید ایجاد شوند که هیدروژن بسازند، ذخیره کرده و آن را در صورت لزوم انتقال دهند. خطوط لوله و سلول های سوختی اقتصادی نیاز بوده و مصرف کنندگان این نوع سوخت نیز به تکنولوژی و آموزش استفاده از آن نیاز دارند. بدیهی است که فراهم نمودن و آماده سازی موارد عنوان شده، به صورت گسترده و استفاده عمومی امری زمان‌بر و هزینه‌بر است.
تولید عنصر هیدروژن چگونه است ؟
عنصر هیدروژن گازی در زمین وجود ندارد، بنابراین ما برای استفاده و کاربرد، باید آن را بسازیم. با روش های زیر می توان این ماده با ارزش را تولید کرد.
- با جدا کردن هیدروژن از آب
- با تراکم زیست یا گاز طبیعی از منابع محلی
- بعضی جلبک ها و باکتری ها نیز حتی می توانند عنصر هیدروژن را تولید کنند.
در حال حاضر تولید عنصر هیدروژن بسیار گران است. اما فنون جدید هم برای تولید آن در حال توسعه است. این عنصر می تواند هم جهت خدمات رفاهی مرکزی بزرگ و هم برای دستگاه های کوچک با کاربرد محلی تولید شود. هر منطقه ای از کشور یا دنیا دارای منابعی است که می توان از آن برای ساخت هیدروژن استفاده نمود. در واقع انعطاف پذیری کاربرد عنصر هیدروژن یکی از امتیازات ویژه این ماده با ارزش بشمار می آید.
خواص عنصر هیدروژن را می شناسید ؟
عنصر هیدروژن با دارا بودن نماد شیمیایی H و عدد اتمی ۱ به عنوان سبک ترین عنصر در جهان هستی تاکنون شناخته شده است. این عنصر به دسته نافلزات متعلق بوده و به دلیل آرایش الکترونی و شباهت این آرایش به فلزات قلیایی، در جدول تناوبی مندلیف، درست در بالای این فلزات قرار گرفته است. باید به این نکته توجه شود که این ماده به هیچ عنوان خواصی مشابه با فلزات قلیایی ندارد و برخلاف این گروه از فلزات، به راحتی کاتیون H+ را تشکیل نمی‌دهد. این ماده انرژی یونشی بسیار بالا نسبت به این دسته از فلزات داراست.
در مواردی ممکن است این ماده در بالای هالوژن ها نیز قرار گیرد، زیرا یک نافلز است و می تواند تشکیل H منفی دهد. نقطه ذوب و جوش پایین این عنصر ارزشمند به دلیل نیرو های جاذبه ضعیف بین مولکول های H2 است.
مولکول H2 توسط گرما، پرتو دهی و کاتالیزور به راحتی فعال شده و گاز های هیدروژن فعال شده به سرعت با بسیاری از مواد و به صورت گرماده واکنش می دهند. این عنصر علاوه بر اینکه سبک ترین ماده است، فراوان ترین ماده در جهان نیز بشمار می آید. تقریباً ۷۵ درصد از جرم جهان از این ماده ساخته شده است. اما باید توجه نمود که در روی کره زمین و طبیعت، اتم هیدروژن را به سختی می توان یافت.
فراوانی عنصر هیدروژن در طبیعت چیست ؟
همان‌طور که پیش‌تر اشاره شد، این ماده فراوان ترین عنصر در جهان هستی بشمار می آید. این ماده در خورشید و بیشتر ستارگان وجود دارد. حتی مقدار زیادی از سیاره مشتری هم از هیدروژن تشکیل شده است. بیشتر این ماده در زمین به صورت ترکیب و به عنوان مثال آب یافت می شود. هیدروژنی که به جو وارد می شود بلافاصه از گرانش زمین به فضای خارج می رود، بنابراین این ماده فقط به میزان کمی در اتمسفر به عنوان گاز وجود خواهد داشت. از طریق گرم کردن گاز طبیعی با بخار، این ماده تولید می شود تا مخلوطی از هیدروژن و مونوکسید کربن ایجاد گردد. هیدروژن همچنین می تواند با الکترولیز آب نیز تولید گردد.
حالت های عنصر هیدروژن را می شناسید ؟
گاز هیدروژن در شرایط عادی، از دو نوع متمایز مولکول که از لحاظ جهت چرخش الکترون ها و هسته تفاوت دارند، تشکیل شده است. اورتو و پارا نامی است که بر این دو شکل از هیدروژن قرار داده اند. در شرایط STP، هیدروژن معمولی ۲۵% شکل پارا و ۷۵% شکل اورتو را شامل می شود. باید توجه نمود که نمی‌توان شکل اورتو را به شکل خالص تهیه نمود. این دو شکل از لحاظ انرژی با هم متفاوت هستند، بنابراین خصوصیات فیزیکی آن ها نیز کمی متفاوت خواهد بود. برای مثال نقطه ذوب و جوش پارا هیدروژن تقریبا K0.01 از ارتوهیدروژن کمتر است. نکته کلیدی در آماده سازی و ذخیره هیدروژن مایع، نسبت اورتو به پارا در هیدروژن فشرده است که باید آن را در نظر داشت.
واکنش های عنصر هیدروژن را می شناسید ؟
- واکنش سوختن
گاز هیدروژن (دی هیدروژن یا مولکول هیدروژن) بسیار آتش‌گیر بوده و در هوا و در گسترده ای از غلظت، بین ۴٪ تا ۷۵٪ حجمی می تواند بسوزد. برای این ماده، آنتالپی استاندارد سوختن ۲۸۶ کیلوژول بر مول معرفی شده است. واکنش سوختن این ماده به شکل زیر است :
(H۲(g) + O۲(g) → ۲ H۲O(l) + 572 kJ (286 kJ/mol
همان‌طور که مشاهده می‌کنید، این واکنش گرماده می باشد. لازم به ذکر است که حادثه وحشتناک کشتی هوایی هیندنبرگ و سقوط آن نیز به دلیل فرایند سوختن هیدروژن اتفاق افتاده است. البته باید این توضیح اضافه گردد که حدود ۳/۲ از سرنشینان کشتی نجات یافتند، زیرا به دلیل سبکی و شناور بودن این ماده، شعله آتش هیدروژن خیلی زود بالا رفت و نسبت به سوخت‌های هیدروکربنی خرابی کمتری به بار آورد.
- واکنش هیدروژن با فلزات فعال و نافلزات
هیدروژن با دارا بودن رفتاری دو گانه هم می تواند با فلزات و هم می تواند با نافلزات وارد واکنش هایی شود.
- هیدروژن از فلز فعال توسط هیدروژن گرفته شده و هیدرید های یونی (پیوند یونی) تشکیل می گردند.
- هیدروژن با نافلزاتی مانند هالوژن ها می تواند وارد واکنش شده و با آن ها پیوند هایی از جنس کووالانسی برقرار نماید.
- واکنش با فلزات واسطه
واکنش این ماده با عناصر واسطه، تشکیل هیدرید های فلزی را سبب می‌شود، اما هیچ نسبت ثابتی از اتم های هیدروژن نسبت به این فلزات وجود ندارد، زیرا اتم های هیدروژن درواقع حفرات بین ساختار بلوری این فلزات را پر خواهند نمود.
سخن آخر
تمام عناصری که در جهان هستی وجود دارند، می توانند برای زندگی بشر مفید واقع شوند. در واقع این خود انسان است که باید راه های درست استفاده از منابع گسترده انرژی در جهان را آموخته و در راه پیشرفت جهان از آن استفاده نماید. امروزه با پیشرفت علم و فناوری و تکنولوژی و پیدایش روش های نوین، صنایع نیز دگرگون شده اند و آدمی می تواند به پیدایش آینده ای راحت امیدوار باشد. استفاده از عنصر هیدروژن یکی از امید های دانشمندان برای جایگزینی سوخت های فسیلی و حذف گاز های گلخانه ای و اثر گلخانه ای می باشد. امید است در سال های آتی، علم بتواند راه جدید و به صرفه ای را برای استفاده از این ماده با ارزش معرفی کند تا بتوان از آن برای استفاده گسترده و عمومی بهره برد.
