عنصر الهيدروجين : خصائصه وتركيبه الذرى وأهميته لإنتاج الطاقة

الهيدروجين، تلك الذرة العجيبة التى قامت عليها أبحاث كثيرة منذ اكتشافها وحتى يومنا هذا مازالت الأبحاث مستمرة عليها، مادة مناسبة لإجراء التجارب وتطبيق النظريات العلمية ومصدر مستقبلىُّ للطاقة، فى هذا المقال سوف نُلقى نظرة شاملة على ذلك العنصر ومدى أهميته واستخدامه لإنتاج الطاقة.

الخصائص والتركيب الذرى لعنصر الهيدروجين

1. الهيدروجين غاز عديم اللون والرائحة فى الظروف القياسية، يقع فى بداية الجدول الدورى الحديث وله العدد الذرى (1) وقد تم اكتشافه سنة 1766م على يد العالم “Henry Cavendish”.
2. الهيدروجين أخف عنصر فى الجدول الدورى حيث أن وزنه الذرى يساوى 1.0079 جرام/مول وله كثافة تساوى 0.089 جرام/لتر.
3. هذا العنصر هو أكثر العناصر وفرة فى الكون وأكثر العناصر المكونة للشمس بنسبة حوالى 71% ويتكون جسم الإنسان من 9.987% هيدروجين.
4. وهو عنصر لافلزى يوجد له ثلاث نظائر فى الطبيعة هم الديوتيريوم (Deuterium) والتريتيوم (Tritium) والهيدروجين او ما يُعرف ب(protium) ويختلفون فيما بينهم حسب عدد النيوترونات والوزن الذرى، لكن الهيدروجين هو أكثرهم وفرة وأعلاهم استقراراً ولذلك لا نجد النظائر الأخرى للهيدروجين فى الطبيعة إلا بصورة نادرة جداً.

وبالرغم من كون الهيدروجين أكثر العناصر الكيميائية الموجودة فى الكون إلا أنه من أندرها تواجداً فى الغلاف الجوى بشكل جزيء ثنائى الذرة لذلك يتم صناعة وتخليق الهيدروجين من مركبات أخرى ولا يتم استخلاصه من الهواء الجوى، لكن بالرغم من ذلك تواجد الهيدروجين فى تكوين المركبات أمر شديد الوفرة كوجودة فى جزيء الماء وفى المركبات العضوية، لذلك بشكل عام يُعد الهيدروجين ثالث أكثر العناصر وفرة على سطح الأرض بعد الأكسجين والسليكون.

الهيدروجين كوقود

بعد أن عرفنا أهم الخصائص المميزة لعنصر الهيدروجين ونسب تواجده فى الطبيعة لابد لنا أن نتعرف على واحدة من أهم التطبيقات التى يستخدم فيها عنصر الهيدروجين وهى إنتاج الطاقة، ففى الآونة الأخيرة بدأ استخدام الهيدروجين بشكل موسع فى توليد الطاقة، وقد تم استخدامه فعلياً كوقود للصواريخ وفى خلايا الوقود لتوليد الكهرباء، وأيضاً كوقود للمركبات بديلاً للمواد البترولية.

تعرف على أنواع وألوان عنصر الهيدروجين

استخدام الهيدروجين فى خلايا الوقود :

يُستخدم الهيدروجين فى أحد أنظمة خلايا الوقود (Fuel cell) لإنتاج الطاقة الكهربية حيث يتفاعل الهيدروجين مع الأكسجين فى خلية إلكتروليتية لينتج الكهرباء والماء، وبالفعل تم الإستفادة من هذا النظام فى السفن الفضائية حيث يمكن إمدادها بالطاقة الكهربية اللازمة من خلال خلايا وقود تعمل بالهيدروجين صُممت خصيصاً لهذه السفن، كما تم تطوير خلايا وقود هيدروجينية أيضاً خاصة بالسيارات وحتى المنازل.

إنتاج الهيدروجين

يتضح لنا الآن مدى أهمية الهيدروجين واستخدامه كمصدر للطاقة، وهنا سوف نتعرف على أهم الطرق التى من خلالها يتم إنتاج الهيدروجين.

1. من الغاز الطبيعى : هذه الطريقة هى الأكثر استخداماً لإنتاج الهيدروجين وفيها يتم تفاعل غاز الميثان ( الغاز الطبيعى ) مع بخار الماء فى درجة حرارة عالية لينتج أول أكسيد الكربون والهيدروجين، ثم يتفاعل أول أكسيد الكربون مع بخار الماء لينتح كمية إضافية من الهيدروجين وغاز ثانى أكسيد الكربون.ورغم سهولة هذه الطريقة وشيوعها إلا أن لها مضار بالبيئة بسبب إنبعاث غاز ثانى أكسيد الكربون منها كناتج ثانوى وتتم هذه الطريقة طبقاً للمعادلة التالية:CH₄ + H₂O  + حرارة → CO + 3H₂CO + H₂O →كمية صغيرة من الحرارة +CO₂ + H₂
2.  المشتقات الحيوية( Biomass ) : تُستخدم فيها بعض المشتقات الحيوية مثل الإثانول والزيوت لإنتاج الهيدروجين وذلك بعملية مشابهة لعماية إنتاج الهيدروجين من الغاز الطبيعي، وفى هذا النوع يتفاعل بخار الماء الساخن مع تلك المواد الحيوية السائلة لينتج الهيدروجين وأول أكسيد الكربون، ثم يتم التفاعل بين أول أكسيد الكربون وكمية إضافية من بخار الماء لينتج غاز ثانى أكسيد الكربون والهيدروجين.وذلك طبقاً للمعادلة :C₂H₅OH + H₂O (+ حرارة) → 2CO + 4H₂CO + H2O → CO2 + H2 + ( كمية صغيرة من الحرارة)
3.  التحليل الكهربى : أحد أهم الطرق لإنتاج الهيدروجين والأكثر أماناً، حيث تستخدم فيه الطاقة الكهربية كمادة متجددة فى التحليل الكهربى للماء، لينتج غاز الهيدروجين عند الكاثود (المهبط) وغاز الأكسجين عند الآنود (المصعد)، وهذه العملية تُعتبر معاكسة لعماية استخدام الهيدروجين فى خلايا الوقود لإنتاج الكهرباء.

ويتم التفاعل كالتالى :

التفاعل عند الآنود:  ^–H₂O → O₂ + 4H+ +4e2

التفاعل عند الكاثود : H⁺ + 4e^– → 2H₂ 4

كانت هذه أهم المعلومات حول عنصر الهيدروجين وأهم الطرق لإنتاج هذه الغاز صاحب الأهمية الكبيرة، ولكن هناك الكثير سوف نعرفه بالطبع تابعونا الفيسبوك ليصلكم كل جديد .