رفتن به مطلب
Added by Amir

iDeniz

☂ شــــــــــیـمی ☂ جدول تناوبی عناصر . H

پست های پیشنهاد شده

هیدروژن

 

هیدروژن یا آبزا (به انگلیسی: Hydrogen)، با نماد شیمیایی H نام یک عنصر شیمیایی در جدول تناوبی با عدد اتمی ۱ است.[۴] وزن اتمی این عنصر  ۱٫۰۰۷۹۴u است. هیدروژن سبک‌ترین عنصر در جهان است و بیش از دیگر عنصرها می‌توان آن را به صورت آزاد در طبیعت پیدا کرد. می‌توان گفت نزدیک به ۷۵۵٪ از جرم جهان از هیدروژن ساخته شده‌است.[۵] برخی جرم‌های آسمانی مانند کوتولهٔ سفید و یاستاره‌های نوترونی از حالت پلاسمای هیدروژن ساخته شده‌اند؛ ولی در طبیعت  روی زمین به سختی می‌توان تک اتم هیدروژن را پیدا کرد.

ایزوتوپی از هیدروژن که بیشتر دیده می‌شود، پروتیوم نام دارد (بیشتر از نماد آن۱H یاد می‌شود تا نام آن) این ایزوتوپ، یک پروتون دارد و نوترون ندارد و در ترکیب‌های یونی می‌تواند بار منفی (آنیون هیدرید با نماد -H) به خود بگیرد. همچنین بار مثبت آن نیز به صورت +H یافت می‌شود که در این صورت تنها از یک پروتون ساده ساخته شده‌است. البته در حقیقت بدست آوردن کاتیون هیدروژن در ترکیب‌های پیچیده تری ممکن می‌شود.

عنصر هیدروژن با بیشتر عنصرها می‌تواند ترکیب شود و می‌توان آن را در آب، تمامی ترکیب‌های آلی و موجودات زنده پیدا کرد. این عنصر در واکنش‌های اسید و قلیایی در بسیاری واکنش‌ها با داد و ستد پروتون میان مادهٔ حل شدنی و حلال  نقش مهمی از خود نشان می‌دهد. هیدروژن به عنوان ساده ترین عنصر شناخته شده در دانش نظری بسیار کمک کار بوده‌است، برای نمونه از آن در حل معادلهٔ شرودینگر و یا در مطالعهٔ انرژی و پیوند و در نهایت پیشرفت دانش مکانیک کوانتوم نقش کلیدی داشته‌است.

گاز هیدروژن (با نماد H۲) نخستین بار در سدهٔ ۱۸ میلادی به صورت آزمایشگاهی از واکنش اسیدهای قوی با فلزهایی مانند روی بدست آمد (۱۷۶۶ تا ۱۷۸۱). هنری کاوندیش نخستین کسی بود که دریافت گاز هیدروژن برای خود، یک مادهٔ جداگانه‌است.[۶] و از سوختن آن آب پدید می‌آید. دلیل نامگذاری هیدروژن هم همین ویژگی آن است به معنی آب‌ساز در زبان یونانی. در شرایط استاندارد دما و فشار هیدروژن عنصری است بی‌رنگ، بی‌بو، بی‌مزه، نافلز، غیرسمّی یک ظرفیتی، گازی دو اتمی، بسیار آتش‌گیر و با فرمول شیمیایی H۲.

در صنعت برای تولید هیدروژن از گاز طبیعی بهره می‌برند و کمتر به الکترولیز آب روی می‌آورند.[۷] بیشتر هیدروژن تولیدی در نزدیکی محل تولید، در فرایند سوخت سنگواره‌ای (مانند کراکینگ) و تولید آمونیاک برای ساخت کود شیمیایی، مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرد. امروزه دانشمندان در تلاش اند تا جلبک‌های سبز را در  تولید هیدروژن بکار ببندند.

در دانش فلزشناسی، تردی هیدروژنی بسیاری فلزها مورد بررسی است[۸] تا با کمک آن در طراحی لوله‌ها و مخزن‌ها دگرگونی‌هایی پدید آورند.[۹]

 

 

ویژگی‌ها

 

گاز هیدروژن (دی‌هیدروژن یا مولکول هیدروژن)[۱۰] بسیار آتش‌گیر است و می‌تواند در هوا و در بازهٔ گسترده‌ای از غلظت، میان ۴٪ تا ۷۵٪ حجمی، بسوزد.[۱۱] آنتالپی استاندارد سوختن برای هیدروژن ۲۸۶ کیلوژول بر مول است:[۱۲]

2 H۲(g) + O۲(g) → 2 H۲O(l) + 572 kJ (286 kJ/mol)

اگر هیدروژن با هوا آمیخته شود و غلظت آن میان ۴ تا ۷۴ درصد باشد و یا آمیزه‌ای از هیدروژن و کلر با درصد ۵ تا ۹۵۵ درصد می‌تواند ماده‌ای انفجاری را پدید آورد. این آمیزه‌های گازی با یک جرقه، کمی گرما یا نور خورشید بی درنگ منفجر می‌شود. دمای خودآتشگیری هیدروژن، دمایی که هیدروژن در آن خود به خود در هوا آتش می‌گیرد، ۵۰۰ درجهٔ سانتیگراد یا ۹۳۲ فارنهایت است.[۱۳] از شعلهٔ سوختن هیدروژن-اکسیژن خالص پرتوهای فرابنفش تابیده می‌شود که برای چشم ناپیدایند. مانند شعله‌ای که در موتور اصلی شاتل فضایی در اثر سوختن هیدروژن-اکسیژن پدید می‌آید. برای ردیابی نشتی در هیدروژن در حال سوختن نیاز به ابزارهای ردیابی شعله داریم، چنین نشتی‌هایی می‌توانند بسیار خطرناک باشند. فاجعهٔ آتش‌گیری کشتی هوایی هیندنبرگ و سقوط آن یک نمونهٔ  مصیبت‌بار از سوختن هیدروژن است دلیل این آتش‌سوزی مورد بررسی است اما شعله و آتشی که از بیرون دیده شد به دلیل سوختن دیگر مواد روی این کشتی هوایی بود.[۱۴] چون هیدروژن سبک  است و در هوا شناور می‌شود شعلهٔ آتش هیدروژن خیلی زود بالا رفت و نسبت به سوخت‌های هیدروکربنی خرابی کمتری به بار آورد. دو-سوم سرنشینان این فضاپیما از آتش‌سوزی جان سالم به در بردند. بیشتر کشته‌ها به دلیل سقوط و یا آتش‌گیری سوخت دیزل بود.[۱۵]

H۲ می‌تواند با هر عنصر اکسید شده‌ای وارد واکنش شود همچنین می‌تواند در دمای اتاق به صورت خود به خودی و البته خطرآفرین با کلر و فلوئور واکنش دهد و هالیدهای هیدروژن، هیدروژن کلرید وهیدروژن فلوئورید را پدید آورد. این هالیدها خود اسیدهای خطرناکی اند.[۱۶]

تراز انرژی الکترونی
نوشتار اصلی: اتم هیدروژن
220px-Hydrogen_atom.svg.png
 
نگاره‌ای از اتم هیدروژن که در آن بزرگی پروتون مرکزی و قطر اتم، هر دو نشان داده شده‌است. قطر اتم تقریباً دو برابر شعاع بدست آمده توسط مدل بور است. (مقیاس  این نگاره دقیق نیست)

تراز انرژی الکترون در اتم هیدروژن در پایین ترین سطح خود یا حالت صفر، ۱۳٫۶- الکترون‌ولتاست؛ که برابر است با یک فوتون فرابنفش با طول موجی نزدیک به ۹۲ نانومتر.[۱۷]

تراز انرژی هیدروژن را می‌توان با کمک مدل اتمی بور، نزدیک به دقیق بدست آورد. در مدل بور فرض بر این است که الکترون‌ها در اتم مانند زمین که به گِرد خورشید می‌گردد، به گِرد پروتون (هستهٔ اتم) می‌چرخند. البته نیروی الکترومغناطیسی میان الکترون‌ها و پروتون‌ها ربایش پدید می‌آورد مانند سیاره‌ها که به خاطر نیروی گرانش سوی ستاره‌ها رباییده می‌شوند. در دوران آغازین مکانیک کوانتوم، چنین انگار شده بود که تکانهٔ زاویه‌ای کمیتی  گسسته‌است درنتیجه الکترون در مدل بور اجازه داشت در فاصله‌های مشخصی از پروتون جای گیرد و درنتیجه انرژی آن هم با مقدارهای مشخصی برابر می‌شد.[۱۸]

برای دریافت توضیح دقیق تری دربارهٔ اتم هیدروژن باید به رفتار آن در مکانیک کوانتوم نگاه کرد. با توجه به معادلهٔ شرودینگر و فرمول انتگرالی فاینمن می‌توان رفتار احتمالاتی الکترون به گِرد پروتون را محاسبه کرد.[۱۹] برپایهٔ مکانیک کوانتوم، الکترون در یک اتم هیدروژن در  حالت تراز صفر، هیچگونه تکانهٔ زاویه‌ای ندارد، تفاوت میان همانندسازی گردش الکترون‌ها به منظومهٔ خورشیدی و آنچه در عمل رخ می‌دهد اینجا است.

ساختار مولکولی
170px-Liquid_hydrogen_bubblechamber.jpg
 
نخستین نشانه‌های دیده شده در هیدروژن مایع در اتاقک حباب در بواترن

دو اسپین متفاوت برای همپارهای مولکول دو اتمی هیدروژن وجود دارد که در آن، تفاوت در اسپینهسته‌ها نسبت به یکدیگر است.[۲۰] در ساختار راست‌هیدروژن (اورتوهیدروژن) اسپین دو پروتون هم‌سو است و با عدد کوانتومی اسپین مولکول ۱ (½+½) یک حالت سه‌گانه می‌سازد. در پاراهیدروژن اسپین‌ها ناهم‌سو است درنتیجه با عدد کوانتومی اسپین ۰ (½–½) یک یگانه را می‌سازد. در دما و فشار استاندارد، ساختار ۲۵٪ از گاز هیدروژن به صورت پارا و ۷۵٪ آن به صورت راست یا اورتو است که به آن «ساختار معمولی» هم گفته می‌شود.[۲۱] نسبت تعادلی هیدروژن پارا به راست (اورتو) به دمای آن بستگی دارد اما چون ساختار راست یک حالت برانگیخته است و تراز  انرژی بالاتری نسبت به پارا دارد، ناپایدار است و نمی‌توان آن را پالایید. در دمای بسیار پایین می‌توان گفت حالت تعادل تنها از پارا ساخته شده‌است. ویژگی‌های گرمایی پاراهیدروژن پالاییده در حالت‌های گازی و مایع، با ساختار معمولی بسیار متفاوت است و این از آنجا است که ظرفیت گرمایی گردشی آن‌ها متفاوت است.[۲۲] تفاوت‌های پارا و راست در مولکول‌های دیگری که هیدروژن دارند و یا در گروه‌های عاملی نیز دیده می‌شود. برای نمونه آب و متیلن چنین اند اما این تفاوت در ویژگی‌های گرمایی آن‌ها بسیار ناچیز است.[۲۳] برای نمونه نقطهٔ ذوب و جوش پاراهیدروژن ۰٫۱۱ کلوین از  هیدروژن راست (اورتو) پایین‌تر است.

با افزایش دما، تغییر ویژگی‌های هیدروژن از پارا به راست (اورتو) افزایش می‌یابد و پس از اندکی H۲ فشرده سرشار از ساختار پُرانرژی اورتو می‌شود، ساختاری که با کندی بسیار به ساختار پارا باز می‌گردد.[۲۴] نسبت اورتو/پارا در هیدروژن فشرده، نکتهٔ کلیدی در  آماده‌سازی و ذخیرهٔ هیدروژن مایع است که باید آن را در نظر داشت. فرایند دگرگونی هیدروژن از راست (اورتو) به پارا گرمازا است و آنقدر گرما تولید می‌کند که باعث بخار شدن بخشی از هیدروژن مایع شود. در این فرایند از آسان‌گرهایی مانند زغال فعال، اکسید آهن(III)، آزبست پلاتینی، برخی فلزهای کمیاب، ترکیب‌های اورانیوم، اکسید کروم(III) و برخی ترکیب‌های نیکل کمک گرفته می‌شود.[۲۵] این آسان‌گرها هنگام خنک سازی هیدروژن افزوده می‌شوند.[۲۶]

 

 

ایزوتوپ‌ها

 

نوشتار اصلی: ایزوتوپ‌های هیدروژن

پروتیوم، معمولی‌ترین ایزوتوپ هیدروژن فاقد نوترون است گرچه دو ایزوتوپ دیگر به نام دوتریوم دارای یک نوترون و تریتیوم رادیو اکتیو دارای دو نوترون، وجود دارند. دو ایزوتوپ پایدار هیدروژن پروتیوم(H-1) و دیتریوم(D، H-۲) هستند. دیتریوم شامل ۰٫۰۱۸۴-۰٫۰۰۸۲۲٪ درصد کل هیدروژن است (آیوپاک)؛ نسبتهای دیتریوم به پروتیوم با توجه به استاندارد مرجع آب VSMOW اعلام می‌گردد. تریتیوم(T یا H-33)، یک ایزوتوپ پرتوزا (رادیواکتیو) دارای یک پرتون و دو نوترون است. هیدروژن تنها عنصری است که ایزوتوپ‌های آن اسمی مختلفی دارند

 

پیشینه شناسایی هیدروژن و دست‌آوردهای پس از آن[ویرایش]

در سال ۱۶۷۱، رابرت بویل دریافت و توضیح داد که از واکنش میان آهن و یک اسید رقیق باعث تولید گاز هیدروژن می‌شود.[۴۲][۴۳] پس از او در سال ۱۷۶۶ هنری کاوندیش نخستین کسی بود که گاز هیدروژن را به عنوان یک مادهٔ جداگانه شناخت. ماده‌ای که نتیجهٔ واکنش شیمیایی میان فلز و اسید بوده و البته آتش‌گیر نیز بوده‌است برای همین وی نام «هوای آتش‌گیر» را بر آن نهاد. او گمان برد «هوای آتش‌گیر» در حقیقت همان مادهٔ افسانه‌ای «آتش‌دوست» یا phlogiston است.[۴۴][۴۵] آزمایش‌های پس از آن در سال ۱۷۸۱۱ نشان داد که از سوختن این گاز، آب پدید می‌آید. کاوندیش به عنوان کسی که برای نخستین بار هیدروژن را به عنوان یک عنصر دانست، شناخته می‌شود.[۴۶][۴۷] در سال ۱۷۸۳ لاوازیه و لاپلاس هنگامی که یافته‌های کاوندیش را آزمودند و دیدند که از سوختن این گاز، آب پدید می‌آید به پیشنهاد لاوازیه نام هیدروژن را برای آن برگزیدند.[۴۷] هیدروژن به معنی سازندهٔ آب یا آبزا، از واژهٔ یونانی ὕδρω یا hydro به معنی «آب» و γενῆς یا genes به معنی «سازنده» ساخته شده‌است.[۴۸]

لاوازیه در آزمایش‌های سرشناس خود دربارهٔ بقای ماده، از واکنش میان بخار آب با فلز آهنی که در آتش به شدت داغ و دچار تابش شده  بود، به تولید هیدروژن دست یافت. اکسید کردن آهن در یک فرایند بدون هوا با کمک پروتون‌های آب در دمای بسیار بالا از واکنش‌های زیر پیروی می‌کند:

   Fe +    H۲O → FeO + H۲ 2 Fe + 3 H۲O → Fe۲O۳ + 3 H۲ 3 Fe + 4 H۲O → Fe۳O۴ + 4 H۲

زیرکونیم و بسیاری دیگر از فلزها اگر همین فرایند را با آب داشته باشند باز به تولید هیدروژن می‌رسند.

نخستین بار در سال ۱۸۹۸ جیمز دیوئر توانست هیدروژن را در فرایند سرمایش بازسازانه و با کمک چندی از ابتکارهای خودش مانندفلاسک خلاء مایع کند.[۴۷] او یک سال بعد توانست هیدروژن را جامد کند.[۴۷] در دسامبر ۱۹۳۱، هارولد یوری توانست دوتریوم و پس از او در ۱۹۳۴ ارنست رادرفورد، مارک اولیفانت و پاول هارتک توانستند تریتیوم را بدست آورند.[۴۶] در ادامه، آب سنگین که به جای هیدروژن معمولی از دوتریوم ساخته شده را گروه هارولد یوری در ۱۹۳۲ بدست آوردند.[۴۷] در سال ۱۸۰۶ فرانسوآ ایزاک دو ریواز نخستین ماشین درون‌سوز با سوخت آمیزه‌ای از هیدروژن و اکسیژن را ساخت و ادوارد دانیل کلارک لوله‌های دم دهندهٔ هیدروژن را در سال ۱۸۱۹۹ درست کرد. روشنایی کلسیم و لامپ دوبراینر هم نخستین بار در سال ۱۸۲۳ درست شدند.[۴۷]

220px-First_Zeppelin_ascent.jpg
 
نخستین نسل کشتی هوایی در آسمان

نخستین بادکنک هیدروژنی را ژاک شارل در ۱۷۸۳ پدید آورد،[۴۷] اما آنری ژیفار نخستین  کسی بود که توانست از این بادکنک‌های هیدروژنی یک وسیلهٔ جابجایی در آسمان بسازد و به اندازهٔ کافی در هوا بالا رود. او در سال ۱۸۵۲ به این کامیابی دست یافت.[۴۷] پس از آنفردیناند زپلین آلمانی پیشنهاد ساخت یک کشتی پرنده را داد و در سال ۱۹۰۰۰ نخستینزپلین در آسمان به پرواز در آمد.[۴۷] با آمدن این ابزار مسافرت‌های هوایی ممکن شد تا آنجا که از سال ۱۹۱۰ تا ۱۹۱۴ که جنگ جهانی اول آغاز شد، ۳۵،۰۰۰۰ مسافر بدون هیچ حادثهٔ  جدی در آسمان جابجا شدند. در طول جنگ هم این ابزار به عنوان دیده بان و یا بمب افکن کاربرد داشت.

کشتی‌های هوایی بریتانیایی آر۳۴ که در سال ۱۹۱۹ ساخته شد می‌توانست عرضاقیانوس اطلس را بدون توقف طی کند. پس از آن در دههٔ ۱۹۲۰ پروازهای مرتب برای مسافرین فراهم شد. با شناسایی گاز هلیم توسط  آمریکایی‌ها امید آن بود که این مسافرت‌ها از امنیت بیشتری برخوردار شوند. اما دولت آمریکا نپذیرفت که هلیوم را برای این هدف بفروشد. برای همین به ناچار این کشتی‌های فضایی همچنان با هیدروژن کار می‌کردند. کشتی هوایی هیندنبورگ که در ۶ مه ۱۹۳۷۷ در آسمان نیوجرسی آتش گرفت هم با گاز H۲ پرواز می‌کرد.[۴۷] این رویداد به صورت زنده از رادیو پخش می‌شد و از آن فیلم گرفته می‌شد.  گمان آن می‌رفت که آتش‌سوزی به دلیل نشت گاز هیدروژن رخ داده‌است اما چندی بعد بررسی‌ها نشان داد که از جرقهٔ میان تارهایآلومینیمی در اثر الکتریسیتهٔ ساکن آتش‌سوزی روی داده‌است اما هر چه بود این رویداد باعث از بین رفتن اعتماد عمومی نسبت به  ابزارهای پروازی به کمک گاز هیدروژن شد.

 

در سال ۱۹۷۷ برای نخستین بار از پیل‌های نیکل‌هیدروژن در سامانهٔ ردیابی ماهواره‌ای نیروی دریایی بهره برده شد.[۴۹] برای نمونه درایستگاه فضایی بین‌المللی،[۵۰] اودیسهٔ مریخ[۵۱] و نقشه‌بردار سراسر مریخ،[۵۲] پیل‌های نیکل‌هیدروژن بکار رفته‌است. تلسکوپ فضایی هابل هم در بخش‌هایی از گردشش که فضا تاریک است از نیرو پیل‌های نیکل‌هیدروژن بهره می‌برد. اما این پیل‌ها در مه سال ۲۰۰۹  جایگزین شدند.

 

 

 

پیدایش

هیدروژن فراوانترین عنصر در جهان است تا آنجا که ۷۵٪ جرم مواد طبیعی از این عنصر ساخته شده و بیش از ۹۰٪ اتم‌های سازندهٔ آنها اتم هیدروژن است و البته گمان آن می‌رود که جرم‌های ناشناخته مانند مادهٔ تاریک و انرژی تاریک هم چنین ساختاری داشته باشند.[۵۵] هیدروژن و ایزوتوپ‌های آن به فراوانی در ستاره‌ها و سیاره‌های غول‌های گازییافت می‌شوند. هیدروژن از راه واکنش‌های پروتون-پروتون و چرخهٔ سی‌ان‌او در همجوشی هسته‌ای نقشی کلیدی در زاییده شدن، درخشان شدن و پُرتوان شدن یک ستاره بازی می‌کند چون ابرهای مولکول هیدروژن رابطه‌ای مستقیم با زایش یک ستاره دارند.[۵۶]

در سراسر کیهان، هیدروژن بیشتر در حالت اتمی و یا پلاسمایی دیده می‌شود. در حالت  پلاسما ویژگی‌های ماده کاملاً متفاوت از ویژگی‌های آن در حالت مولکولی است چرا که در این وضعیت الکترون و پروتون دیگر در بند یکدیگر نیستند درنتیجه رسانش الکتریکی و تابش بسیار بالایی در ماده رخ می‌دهد (نوری که از خورشید و دیگر ستارگان تابیده می‌شود) و ذره‌های باردار به شدت زیر تاثیر میدان‌های مغناطیسی و الکتریکی قرار دارند. برای نمونهبادهای خورشیدی که با مغناط‌کرهٔ زمین در اندرکنش قرار می‌گیرد و باعث بوجود آمدنشفق قطبی و جریان‌های بیرکلند در زمین می‌شوند، چنین اند.

برخلاف فراوانی زیاد هیدروژن در کیهان، غلظت این عنصر در هواکرهٔ زمین بسیار کم است (۱ ppm برحسب حجم) و این بیشتر به دلیل  سبکی این گاز نسبت به دیگر گازها است که می‌تواند آسان تر از میدان گرانش زمین بگریزد هیدروژن گازی هم که در زمین یافت می‌شود بیشتر به صورت مولکول دو اتمی H۲ دیده می‌شود. با وجود تمام این توضیح‌ها، از دیدگاه فراوانی، هیدروژن سومین عنصر فراوان در سطح زمین است[۵۷] و این به دلیل حضور آن در بیشتر ترکیب‌های شیمیایی مانند هیدروکربن‌ها و آب است.[۴۰] آب در دسترس ترین سرچشمهٔ هیدروژن در زمین است که از دو بخش هیدروژن و یک بخش اکسیژن (H۲O) ساخته شده‌است.

همچنین هیدروژن در بیشتر گونه‌های مواد آلی که در اندام‌های زنده کاربرد دارند پیدا می‌شود، زغال، سوخت فسیلی و گاز طبیعی. متان (CH۴)، که یکی از محصولات فرعی فساد ترکیبات آلی است همگی دارای هیدروژن اند. گاز هیدروژن توسط باکتری‌ها و جلبک‌هاساخته می‌شود و البته یکی از سازندگان طبیعی باد شکم است.[۵۸]

 

هیدروژن از راه‌های گوناگون بدست می‌آید، گذر بخار از روی کربن داغ، تجزیه هیدروکربن بوسیلهٔ حرارت، واکنش هیدروکسید سدیم یاپتاسیم بر آلومینیوم، الکترولیز آب و یا از جابجایی آن در اسیدها توسط فلزات خاص.

 

 

  • تشکر 1

به اشتراک گذاری این ارسال


لینک به ارسال
به اشتراک گذاری در سایت های دیگر
مهمان
این موضوع برای عدم ارسال قفل گردیده است.

درباره نودهشتیا

نودهشتیا اولین کتابخانه مجازی دانلود رمان میباشد که با هدف ترویج فرهنگ کتابخوانی و حمایت از نویسندگان فارسی زبان آغاز به کار کرده است و بیش از یک دهه است در راستای این اهداف در حال فعالیت و خدمت رسانی به هموطنان عزیز است.

امکانات اضافی

×