جزيء الهيدروجين

مقدمة عن جزيء الهيدروجين H2

تمت دراسة جزيء الهيدروجين على نطاق واسع منذ أن تم اكتشافها الأولي في عام 1984م بواسطة كوباس. الهيدروجين هو العنصر الأكثر وفرة في الكون، وهو يأتي بعد الأكسجينوالسيليكون، فهو ثالث أكثر العناصر وجودا على الأرض، حيث يظهر بشكل رئيسي على شكل ماء أو يظهر مرتبطا مع عنصر الكربون في الجزيئات العضوية (الهيدروكربونات، المواد النباتية والحيوانية).

أين يظهر جزيء الهيدروجين H2

في الغلاف الجوي للأرض، يظهر ثنائي الهيدروجين H2 في حدود أقل من واحد جزء في المليون على الحجم. ولكن بالنسبة لثنائي الهيدوجين الموجود على سطح كل من المشتري ونبتون وزحل وأورانوس فهو متواجد بكميات كبيرة.

في الوقت الحاضر من المرجح أن تكون مصادر H2 الغير حية أقوى مما كانت عليه، ومن المحتمل أيضا أن يكون إطلاق الغازات البركانية والدورة الحرارية المائية قد حدثا بعدة أضعاف المعدل الحديث، بسبب ارتفاع تدفق الحرارة المفترض. ومن المرجح أن تكون قيمة H2 الصادرة من الانبعاثات البركانية مقارباً للقيمة الحديثة؛ بسبب أن حالة التأكسد ثابتة تقريبًا منذ 3.9 مليار سنة. وربما كان أعلى قبل ذلك ليس هنالك معلومات أكيدة وثابتة من هذه الناحية.

واحدة من أهم السمات الجديرة بالاهتمام في ما يخص جزء الهيدروجين هي عند الارتباط (ligands) تكون هنالك سلسلة متصلة من المسافات H-H التي تلاحظ في المركبات المعقدة المختلفة.

شكل وتركيب جزيء الهيدروجين H2

يتميز جزيء الهيدروجين برابطة تساهمية واحدة بين ذرتي الهيدروجين H-H  اللتين قامتا بتشكيله. هذا الجزيء له شكل خطي وهو غير قطبي بطبيعته؛ لأنه مكون من ذرتين من نفس النوع. تساهم كل ذرة هيدروجين بإلكترون واحد في الرابطة التساهمية، لذا يتم تلبية متطلبات التكوين اللازمة لكل من ذرتي الهيدروجين، وبالتالي يتم تشكيل جزيء الهيدروجين H2.

الخصائص الفيزيائية لجزيء الهيدروجين H2

1. درجة الانصهار تساوي 13.66 كلفن.
2. درجة الغليان تساوي 20.13 كلفن.
3. الحرارة اللازمة للتبخر تساوي 0.904 كيلو جول لكل مول.
4. الحرارة اللازمة للانصهار تساوي 0.117 كيلو جول لكل مول.
5. الكثافة تساوي 0.090 غرام لكل دسم مكعب.
6. الحرارة اللازمة للتفكك تساوي 435.99 كيلو جول لكل مول.
7. المسافة بين الذرات تساوي 74.14 بيكرو متر.
8. الأنتروبي القياسية تساوي 130.7 جول لكل كلفن*مول.

كيفية تحضير جزيء الهيدروجين H2

جزيء الهيدروجين ليس شديد التفاعل في ظل الظروف المحيطة، في الأصل يعود سبب قلة التفاعلية إلى سبباً حركياً وليس ديناميكيًا حراريًا. وفي المختبرات قد يتم تحضير H2 من خلال التحليل الكهربائي للماء، وتتضمن هذه العملية على وجود إلكتروليت مضاف (H2) يكون متواجد على المهبط.

بعض الكميات القليلة من جزيء الهيدروجين (H2) يتم تحضيرها من خلال التفاعل بين حمض مخفف ومعدن مناسب مثل معدن الحديد أو الزنك، وعن طريق معالجة المعادن التي تكون هيدروكسيدات متذبذبة مع محلول قلوي أو عن طريق تفاعل هيدرات المعدن مع الماء.

عناصر المجموعة الأولى تعمل على تحرير جزيء الهيدروجين (H2) من الماء، لكن هذه التفاعلات ليست مناسبة للاستخدام التحضيري بسبب القوة القصوى. كما أن العديد من المعادن الأخرى على الأسس الديناميكية الحرارية، من المتوقع أن تتفاعل بهذه الطريقة، مما يجعلها خاملة حركيًا من خلال وجود ملف مكون من طبقة رقيقة من أكسيد المعدن غير قابل للذوبان.

البريليوم لا يتفاعل مع الماء حتى لو تم التسخين، بقية المعادن من المجموعة الثانية تتفاعل مع الماء لإعطاء جزيء الهيدروجين (H2)، يزداد التفاعل كلما انتقلنا إلى أسفل المجموعة، وبالنسبة للمغنيسيوم لا يتفاعل مع الماء البارد.

 تطبيقات صناعية على جزيء الهيدروجين (H2)

• يدخل في الصناعة الكيميائية وصناعة النفط، وهناك حاجة منتظمة لكميات كبيرة من H2.

• الاستخدام الرئيسي لثنائي الهيدروجين هو في تكرير أنواع معينة من الوقود الأحفوري.

• يدخل في الصناعات التحولية لغاز الأمونيا (النشادر).

• أيضا يدخل في صناعة البتروكيماويات، وهي تعد أحد المستهلكين الرئيسيين لجزيء الهيدروجين H2.

• يستخدم جزيء الهيدروجين في الصناعة الخاصة بعمليات مثل نزع الكبريت بالهيدروجين، والألكلة الهيدروجينية، وكما يدخل بعمليات التكسير الهيدروجيني.

• يمكن استخدام مركب ثنائي الهيدروجين كعامل هيدروجيني، لا سيما من أجل زيادة مستوى تشبع الدهون والزيوت غير المشبعة وتسمى هذه العملية هدرجة الدهون غير المشبعة، والتي توجد عادة في منتجات مثل المارغارين.

• يستخدم مركب جزيء الهيدروجين أيضا في تطوير الميثانول.

• يعمل ثنائي الهيدروجين كمصدر للهيدروجين في إنتاج حمض الهيدروكلوريك (HCL).

• جزيء الهيدروجين يعمل أيضا كعامل مختزل.

• يتم استخدم مركب جزيء الهيدروجين لمعالجة الخامات المعدنية.

• يدخل في عملية هابر بوش.

•  جزيء الهيدروجين يمتلك القدرة على إنتاج مركبات  عضوية.