نظائر الهيدروجين

الهيدروجين يعد أبسط ذرة في الجدول الدوري، يمتلك عدد ذري يساوي 1،يمتلك برتون واحد وإلكترون واحد فقط، هذه البساطة في تركيبته الهيكلية وبناءه الذري تعني أن للهيدروجين أهمية كبيرة من ناحية الكيمياء النظرية.

مقدمة في الهيدروجين

نظرا لما سبق أصبح الهيدروجين أساسا محوريًا في تطوير النظريات الذرية والترابط بين الذرات، فالخصائص النووية لذرة الهيدروجين ضرورية لتقنية مطيافية الرنين المغناطيسي النووي 1H أو ما يسمى ب (1H NMR spectroscopy).

حقائق عن الهيدروجين

• يعد العنصر الأكثر وفرة في الكون.

• يتواجد الهيدروجين في الحالة الغازية.

• يعد الهيدروجين غاز عديم اللون.

• يعرف عن الهيدروجين أنه غاز عديم الرائحة.

• الهيدروجين غاز غير سام.

• يعد الهيدروجين غاز قابل للاشتعال بشكل سريع.

• يعرف عن الهيدروجين أنه غير مضر بالبيئة.

• يعد الهيدروجين من المصادر المتطلع إليها كوقود “نظيف” على الأرض.

• يوجد للهيدروجين ثلاثة نظائر.

• يدخل الهيدروجين في صناعة الأمونيا لاستخدامها في مجال الأسمدة.

• يتفاعل الهيدروجين مع النيتروجين ضمن عملية تسمى عملية هابر-بوش لإنتاج غاز النشادر.

• يدخل الهيدروجين في عمليات الهدرجة لزيادة تشبع المركبات العضوية، وغالبا ما يتم ذلك لتحسين نوعية هذه المركبات مثل هدرجة زيت الفول السوداني لتحسين طعمه ورائحته وجعله أكثر تماسك.

• يتحد الهيدروجين مع العناصر الأخرى، ويدخل في تشكيل العديد من المركبات مثل: الماء، الأمونيا، الميثان، سكر الطعام، الهيدروجين بيروكسيد (السكروز)، حمض الهيدروكلوريك.

أيونات الهيدروجين

يتواجد الهيدروجين على شكل أيونين:

• أيون موجب (+H):يسمى هذا الأيون بالبروتون.

طاقة التأين للهيدروجين للتفاعل الآتي تساوي 1312 كيلو جول لكل مول، تعد هذه القيمة عالية بما يكفي لمنعها من تواجدها على شكل أيون هيدروجيني موجب في ظل الظروف العادية.

e- +H⁺(g) ← H(g)

[⁺H3O] أيون الهيدرونيوم وهو عبارة عن كاتيون مائي ناتج عن إرتباط الهيدروجين مع الماء،وهو جزء مهم في المحلول المائي.

• أيون سالب (-H) أو الهيدرايد.

(g)^–e- + H(g) → H

جميع هيدرات المعادن القلوية تتبلور مع هيكل أو شكل بنائي من نوع كلوريد الصوديوم، ومن بيانات الحيود ونصف القطر الأيوني للأيونات المعدنية، وجد أنه يمكن تقدير نصف القطر الذري لأيون الهيدروجين السالب (^–H) باستخدام المعادلة الآتية:

المسافة بين النوى = نصف القطر الذري للأيون الموجب + نصف القطر الذري للأيون السالب، نصف القطر الذري للأيون الموجب تعرف ب r_cation. نصف القطر الذري للأيون السالب تعرف ب r_anion.

نظائر الهيدروجين

• البروتيوم (Protium).

• الديوتيريوم (deuterium).

• التريتيوم (tritium).

تظهر نظائر الهيدروجين اختلافات كبيرة في الخصائص الفيزيائية والكيميائية أكبر من أي نظائر لعناصر أخرى. مثلا أصل الفروق بين الهيدروجين (H) والديوتيريوم (D)، أو بين أزواج من المركبات مثل (H2O) و (D2O) يكمن في الاختلاف في الكتلة، والذي بدوره يؤثر على الأعداد الموجية الاهتزازية الأساسية وطاقات نقطة الصفر.

الأعداد الموجية الاهتزازية

لل H2 =4159 cm^-1 

لل HD =3630 cm^-1

لل D2 =2990 cm^-1

طاقات نقطة الصفر

كيلو جول لكل مول H2 = 26.0

كيلو جول لكل مول D2 = 18.4

رابطة (D-D) أقوى من رابطة (H-H)، كما أن الرابطة بين (X-D) أقوى من الرابطة بين (X-H)، حيث أن X هي أي عنصر في الجدول الدوري. وهذا الاختلاف يعد الأساس في تأثير النظائر الحركية. أما بالنسبة للنظير التريتيوم (T)، فقد يظهر في الغلاف الجوي العلوي ويتشكل بشكل طبيعي من خلال المعادلة التالية:

  ¹⁴N₇ +n₀¹  → C₆¹² + ³H₁

التريتيوم مادة ذات نشاط إشعاعي ضعيف من نوع بيتا وتمتلك عمر نصف يساوي 12.3 سنة، يتم استخدامه على نطاق واسع كمتتبع، في كل من المواد الكيميائية والدراسات البيوكيميائية، ويعتبر أحد أقل النظائر المشعة سمّية. الاستخدام الرئيسي للتريتيوم هو في آليات إطلاق الأسلحة القائمة على الانصهار النووي.

خصائص الماء العادي والماء الثقيل

الماء العادي (H2O)

• درجة الانصهار تساوي 273.00 كلفن.

• درجة الغليان تساوي 373.00 كلفن.

• درجة الحرارة عند أعلى كثافة تساوي 277.0 كلفن.

• أعلى كثافة تساوي 0.99995 غرام لكل سم مكعب.

• معامل السماحية النسبي أو ثابت العزل الكهربائي يساوي 78.39 عند درجة حرارة 298 كلفن.

• ثابت تأين الماء عند درجة حرارة 298 كلفن يساوي 14-^10 *1.

الماء الثقيل (D2O)

1. درجة الانصهار تساوي 276.83 كلفن.
2. درجة الغليان تساوي 374.42 كلفن.
3. درجة الحرارة عند أعلى كثافة 284.2 كلفن.
4. أعلى كثافة تساوي 1.1053 غرام لكل سم مكعب.
5. معامل السماحية النسبي أو ثابت العزل الكهربائي يساوي 78.06 عند درجة حرارة 298 كلفن.
6. ثابت تأين الماء عند درجة حرارة 298 كلفن يساوي 15^10*2.

كما لاحظنا سابقا فأن الهيدروجين عبارة عن عالم واسع وكبير ويتضمن العديد من التطبيقات والاستخدامات على الرغم من حجمه الصغير.