بحث عن عنصر الهيدروجين

مقدمة البحث

الحمد لله الذي خلق كل شيء فقدّره تقديرًا، والصلاة والسلام على نبينا محمد. أما بعد، فإن المادة التي نراها حولنا مكوّنة من عناصر كيميائية قليلة العدد نسبيًا، لكنها تتحد بطرق لا تحصى لتكوّن كل ما نعرف. وأبسط هذه العناصر وأخفّها وأكثرها وفرة في الكون هو الهيدروجين. وفي هذا البحث نتعرف على خصائصه وتحضيره واستخداماته وأهميته في مستقبل الطاقة.

تعريف الموضوع

الهيدروجين عنصر كيميائي رمزه H، وعدده الذري واحد، أي أن ذرته تحتوي على بروتون واحد في النواة وإلكترون واحد يدور حولها. وهو أول عنصر في الجدول الدوري، وأخف العناصر كلها. ويوجد في الحالة العادية غازًا عديم اللون والطعم والرائحة، يتكوّن جزيئه من ذرتين، وصيغته الجزيئية:

H₂

وقد اشتق اسمه من كلمتين يونانيتين معناهما «مكوّن الماء»، لأنه يدخل في تركيب الماء مع الأكسجين.

أهمية الموضوع

تأتي أهمية دراسة الهيدروجين من أنه يدخل في تركيب الماء الذي لا حياة بدونه، وفي تركيب معظم المركبات العضوية، وهو وقود النجوم ومنها الشمس. كما أنه مرشح ليكون من مصادر الطاقة النظيفة في المستقبل، لأن احتراقه لا ينتج ثاني أكسيد الكربون. ولذلك تهتم به الدول والشركات في برامج الطاقة، ومنها المملكة العربية السعودية ضمن توجهاتها في تنويع مصادر الطاقة.

أهداف البحث

• التعرف على تركيب ذرة الهيدروجين وموقعه في الجدول الدوري.
• معرفة خصائصه الفيزيائية والكيميائية ونظائره.
• التعرف على طرق تحضيره في المختبر والصناعة.
• بيان استخداماته وما فيه من خطورة وطرق الوقاية.
• التعرف على دور الهيدروجين في الطاقة النظيفة.

عناصر البحث

أولًا: وجود الهيدروجين

الهيدروجين أكثر العناصر وفرة في الكون، فهو المكوّن الأكبر للنجوم والغيوم الغازية بين النجوم. أما على الأرض فنادرًا ما يوجد حرًّا في الهواء لأنه خفيف جدًا ويتسرب إلى طبقات الجو العليا، لكنه موجود بكثرة متحدًا مع غيره، في الماء والبترول والغاز الطبيعي والمواد الحية والأحماض والنباتات.

ثانيًا: الخصائص الفيزيائية

• غاز عديم اللون والرائحة والطعم.
• أخف الغازات المعروفة، فكثافته أقل بكثير من كثافة الهواء، ولذلك استُعمل قديمًا في المناطيد.
• قليل الذوبان في الماء.
• يتحول إلى سائل عند درجة حرارة منخفضة جدًا تقارب ٢٥٢ درجة مئوية تحت الصفر.

ثالثًا: الخصائص الكيميائية

• يحترق في الهواء: فيتحد مع الأكسجين ويكوّن الماء وتنطلق طاقة حرارية كبيرة، كما في المعادلة الآتية:

2H₂ + O₂ → 2H₂O + طاقة

• عامل مختزل: فهو يختزل أكاسيد بعض الفلزات، فينتزع منها الأكسجين ويُكوّن الماء، كما في اختزال أكسيد النحاس الثنائي:

CuO + H₂ → Cu + H₂O

• يتحد مع اللافلزات: فيتفاعل مع الكلور ليكوّن كلوريد الهيدروجين، ومع النيتروجين ليكوّن النشادر في صناعة الأسمدة:

N₂ + 3H₂ → 2NH₃

• يتحد مع بعض الفلزات النشطة: فيكوّن هيدريدات الفلزات.

رابعًا: نظائر الهيدروجين

النظائر ذرات للعنصر نفسه تتفق في عدد البروتونات وتختلف في عدد النيوترونات. وللهيدروجين ثلاثة نظائر معروفة:

والبروتيوم هو الأكثر وجودًا بين الثلاثة بفارق كبير. ويستخدم الماء الثقيل المحتوي على الديوتيريوم في بعض المفاعلات النووية.

خامسًا: تحضير الهيدروجين

في المختبر: يحضّر بتفاعل فلز نشط مثل الخارصين أو المغنيسيوم مع حمض مخفف كحمض الهيدروكلوريك، ويُجمع الغاز بإزاحة الماء لأنه قليل الذوبان فيه:

Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂

التحليل الكهربائي للماء: يمرّر تيار كهربائي في الماء المحمّض قليلًا فيتحلل إلى هيدروجين عند القطب السالب وأكسجين عند القطب الموجب، وحجم الهيدروجين الناتج ضعف حجم الأكسجين:

2H₂O → 2H₂ + O₂

في الصناعة: يُنتج معظمه من تفاعل الغاز الطبيعي (الميثان) مع بخار الماء عند حرارة عالية، وهي الطريقة الأكثر انتشارًا، ويُنتج بعضه بالتحليل الكهربائي للماء.

سادسًا: مثال محلول

سؤال: كم مولًا من الماء ينتج من احتراق أربعة مولات من الهيدروجين احتراقًا كاملًا؟

الحل: من المعادلة الموزونة، كل مولين من الهيدروجين يعطيان مولين من الماء، أي أن النسبة بينهما واحد إلى واحد. وعليه فإن أربعة مولات من الهيدروجين تعطي أربعة مولات من الماء.

سابعًا: استخدامات الهيدروجين

• صناعة النشادر ومنه الأسمدة الزراعية.
• تكرير النفط وإزالة الكبريت من الوقود.
• هدرجة الزيوت النباتية السائلة لتحويلها إلى دهون صلبة.
• صناعة الميثانول وبعض المواد الكيميائية.
• اللحام بلهب الأكسجين والهيدروجين لارتفاع حرارته.
• وقود لبعض المركبات الفضائية والصواريخ.
• خلايا الوقود التي تحوّل الطاقة الكيميائية إلى كهرباء.

ثامنًا: الهيدروجين وطاقة المستقبل

يحرق الهيدروجين فيعطي الماء فقط، ولذلك يُعد وقودًا نظيفًا عند تشغيل خلايا الوقود في المركبات والمحطات. غير أن طريقة إنتاجه هي التي تحدد مدى نظافته، فإذا أُنتج من الغاز الطبيعي انبعث ثاني أكسيد الكربون في أثناء ذلك، أما إذا أُنتج بتحليل الماء بكهرباء متجددة كالطاقة الشمسية وطاقة الرياح فإنه يُسمى الهيدروجين الأخضر. وتواجه هذه التقنية تحديات منها تكلفة الإنتاج، وصعوبة تخزينه ونقله لأنه خفيف جدًا ويحتاج إلى ضغط عال أو تبريد شديد.

تاسعًا: السلامة

الهيدروجين سريع الاشتعال، ويكوّن مع الهواء خليطًا قابلًا للانفجار إذا وُجدت شرارة أو لهب. ولذلك يجب الحذر عند تحضيره في المختبر، والابتعاد عن النار، واستعمال كميات صغيرة، والتأكد من حسن التهوية، واتباع تعليمات المعلم.

النتائج

• الهيدروجين أخف العناصر وأكثرها وفرة في الكون، وعدده الذري واحد.
• يوجد على الأرض مرتبطًا بغيره في الماء والمركبات العضوية.
• له ثلاثة نظائر هي البروتيوم والديوتيريوم والتريتيوم.
• يحترق مكونًا الماء، ويعمل عاملًا مختزلًا في كثير من التفاعلات.
• له استخدامات صناعية كثيرة وتزداد أهميته في الطاقة النظيفة.

التوصيات

• الالتزام بقواعد السلامة عند التعامل مع الهيدروجين في المختبرات والمصانع.
• دعم الأبحاث العلمية في إنتاج الهيدروجين الأخضر وتخزينه ونقله.
• تشجيع الطلاب على التجارب المخبرية الآمنة تحت إشراف المعلمين.
• نشر الوعي بدور الطاقة النظيفة في حماية البيئة.

الخاتمة

تعرّفنا في هذا البحث على الهيدروجين بوصفه أبسط العناصر وأوسعها حضورًا في الكون، وعرفنا خصائصه ونظائره وطرق تحضيره واستخداماته، ورأينا كيف يمكن أن يكون له دور مهم في مستقبل الطاقة. وإن في هذا الكون المنظم لدلالة على عظمة الخالق سبحانه، نسأل الله أن ينفعنا بما علمنا.

المراجع

• كتب الكيمياء للمرحلة الثانوية، وزارة التعليم في المملكة العربية السعودية.
• كتاب «الكيمياء العامة» لمؤلفين جامعيين معروفين، مثل كتاب Chemistry لريموند تشانغ.
• موقع الجمعية الكيميائية الأمريكية.
• موقع وكالة الطاقة الدولية.
• موقع وزارة الطاقة في المملكة العربية السعودية.

كلمات دليلية

بحث، بحث عن، بحث علمي، بحوث، عنصر الهيدروجين