تاريخ الهيدروجينالهيدروجين (في اللغة الفرنسية تعني
مكون الماء وفى اللغة الإغريقية تعنى
هيدرو «ماء» و
جين أي «تكون») تم التعرف عليه لأول مرة كمادة منفصلة عام 1766 م بواسطة هنري كافيندش، فقد عثر عليه أثناء تفاعلات الزئبق مع الأحماض. وبالرغم من أنه افترض خطأ أن الهيدروجين أحد مكونات الزئبق (وليس أحد مكونات الحمض) فقد استطاع وصف كثير من خصائص الهيدروجين بدقة. وقد أعطى أنطوان لافوازييه الاسم للهيدروجين كما أثبت أن الماء يتكون منه مع الأكسجين وكان من أول استخدامات الهيدروجين المنطاد. كما أن الديتريوم وهو أحد نظائر الهيدروجين تم اكتشافه بإشراف هارولد سي يوري بتقطير عينة من الماء عدة مرات. وقد حصل يوري على جائزة نوبل لاكتشافه عام 1934 م. وقد تم اكتشاف النظير الثالث (التريتيوم) في نفس العام.
تحضيرهيحضر غاز الهيدروجين بعده طرق منها:
- من الغاز الطبيعى أو الغازات البتروليه بالاكسده الجزيئيه أو التعديل ببخر الماء.
- التحليل الكهربى للماء.
- اختزال بخار الماء بالكربون (طريقة بوش).
- إمرار بخار الماء على الحديد السائل.
- استخلاص الايدروجين من الغازات الصناعية.
- تفاعل السليكون مع إيدروكسيد الصوديوم.
- كمنتج ثانوى في صناعه الصودا الكاويه بالتحليل الكهربى لكلوريد الصوديوم.
- قذف جزيأت الماء بواسطة الكترونات.
- تفاعل عناصر المجموعة الأولى مع الماء.
مستويات الطاقة الإلكترونيةالطاقة الأرضية للإلكترون الموجود في ذرة الهيدروجين تساوى 13.6 إلكترون فولت والتي تعادل تقريبا فوتون من المنطقة فوق البنفسجية تقريبا 92 نانو متر.
ويمكن عن طريق نموذج بور
أن يتم حساب مستويات طاقة الهيدروجين بطريقة شبه دقيقة. ويتم هذا بجعل
الإلكترون يدور حول البروتون مثلما تدور الأرض حول الشمس. ولكن الأرض لها
مدار ثابت حول الشمس محكوم بقوى الجاذبية بين الأرض والشمس، أما الإلكترون فإنه يحتفظ بمداره تحت تأثير القوة الكهرومغناطيسية. كما يوجد فرق آخر بين نظامي الشمس الأرض والبروتون الإلكترون هو أنه طبقا لميكانيكا الكم
يمكن للإلكترون أن يكون على مسافة ثابتة فقط من البروتون. وعند عمل تصور
لذرة الهيدروجين طبقا لهذا النظام فإنه يعطى مستويات الطاقة الصحيحة
وإشعاعاتها.
وجوده في الطبيعةالهيدروجين هو أكثر العناصر وفرة في الكون، ويمثل نحو 75% من المواد بالكتلة ونحو 90% بعدد الذرات. ويتواجد هذا العنصر بوفرة كبيرة في النجوم والكواكب الغازية العملاقة ولكنه شحيح للغاية في غلاف الأرض (1 جزء في المليون بالحجم). أكثر المصادر شيوعا لهذا العنصر هي الماء والذي يتكون من ذرتي هيدروجين وذرة أكسجين (H
2O). كما توجد مصادر أخرى تتضمن معظم أشكال المواد العضوية (كل أشكال الحياة المعروفة) متضمنة الفحم والغاز الطبيعي وأنواع الوقود الحفري الأخرى. الميثان (CH
4) يعتبر مصدرا مهما للهيدروجين.
يمكن تحضير الهيدروجين بعدة طرق كتمرير البخار على الكربون الساخن وتحلل الهيدروكربونات بالحرارة وتفاعلات القواعد القوية في محاليلها المائية مع الألومنيوم والتحليل الكهربائي للماء وتفاعلات تبادل الأحماض مع الفلزات.
ويتم إنتاج الهيدروجين بصورة كبيرة عن طريق إعادة تكوين البخار للغاز الطبيعي في درجات حرارة عالية (700-110 °C)، حيث يتفاعل البخار مع الميثان لينتج أول أكسيد الكربون والهيدروجين.
CH
4 + H
2O → CO + 3 H
2كما يمكن الحصول على هيدروجين إضافي من أول أكسيد الكربون خلال عملية تبادل ماء غاز.
مركبات الهيدروجينالهيدروجين أخف الغازات، يتحد مع معظم العناصر الأخرى ليكون مركبات. الهيدروجين له سالبية كهربية قدرها 2.2 ولذا فإنه يكون مركبات حيث أنه أكثر العناصر لا فلزية وأكثرها فلزية أيضا. الحالة اللافلزية يطلق عليها الهيدرايدات وفيها يكون الهيدروجين في صورة أيونات H
- أو مادة مذابة في العنصر الآخر (كما في هيدرايد البالاديوم. أما الحالة الفلزية فإنها تحدث عندما يميل الهيدرجين لأن يكون رابطة تساهمية حيث أن أيون H
+ سيكون عبارة عن نواة بدون إلكترونات وبالتالي سيكون لها قدرة كبيرة على جذب الإلكترونات لها. وفي الحالتين تتكون الأحماض. وعلى هذا فإنه حتى في حالة المحاليل الحمضية يمكن أن ترى أيونات مثل الهيدرونيوم (H
3O
+) حيث يتعلق البورتون بعنصر آخر.
يتحد الهيدروجين مع الأكسجين لتكوين الماء H
2O، وتنبعث كمية كبيرة من الطاقة، كما أنه يحترق في الهواء ويحدث انفجارا. أكسيد الديتريوم D
2O، يسمى الماء الثقيل. ينتج الهيدروجين مركبات كقيرة مع الكربون. ونظرا لارتباط هذه المركبات بالكائنات الحية فإن هذه المركبات يطلق عليها مركبات عضوية، ودراسة خواص هذه المركبات يطلق عليها الكيمياء العضوية..
أشكال الهيدروجينفي الظروف العادية فإن غاز الهيدروجين خليط من نوعين من الجزيئات واللذان يختلفان عن بعضهما بطريقة الدوران حول النواة. وهذان النوعان يعرفان أورثو-هيدروجين، بارا-هيدروجين (وهذا يختلف عن موضوع النظائر
- شاهد التالي) الأورثو-هيدروجين يكون دوران النواة متوازي (ويكون
ثلاثيات)، بينما في البارا-هيدروجين يكون الدوران عكس توازي (ويكون
أحاديات). وفى الظروف القياسية
يتكون الهيدروجين من 25% من البارا و 75% من الأورثو (والذي يطلق عليه
الشكل العادى للهيدروجين). وتعتمد نسبة الإتزان بين هذين الشكلين على
الحرارة، ولكن حيث أن الأورثو له طاقة أكبر (في الحالة المثارة لا يكون ثابت في حالته النقية. وفى درجات (درجة حرارة الغليان) فإن حالة الإتزات تتكون كلها غالبا من البارا.
وحالة التحول بين النوعين بطيئة ولو تم تبريد الهيدروجين وتكثيفه سريعا،
فإنه يحتوى على كميات كبيرة من الأورثو. ومن المهم أثناء تحضير وتخزين
الهيدروجين السائل حيث أن التحول بين أورثو-بارا ينتج حرارة أكبر من طاقة
تبخره ويتم فقد كميات كبيرة من الهيدروجين بالتبخر بهذه الطريقة بعد عدة
أيام من تسييله. ولذا فإنه يتم استخدام عوامل حفازة لتحولات أورثو-بارا
خلال تبريد الهيدروجين. كما أن النوعين لهما اختلاف طفيف في الخواص
الفيزيائية. فمثلا درجة الذوبان والغليان في البارا-هيدروجين أقل 0.1 كلفن
من الشكل العادى.
النظائرالهيدروجين هو العنصر الوحيد الذي له أسماء مختلفة لنظائره. (خلال
الدراسات الأولى للمواد المشعة، كان يطلق على النظائر المشعة أسماء مختلفة
عن العناصر، ولكن لا يتم استخدام هذه الأسماء حاليا، وبالرغم من ذلك فإن الرادون تم تسميته على اسم أحد نظائره). يتم استخدام الرمز D بدلا من
2H، الرمز T بدلا من
3H وذلك للتعبير عن الديتريوم، التريتيوم وهذا على الرغم من أن هذا ليس معتمد. (كما أنه الرمز P محجوز للعنصر فوسفور وبالتالى لا يمكن استخدامه للبروتيوم)
1H
أكثر نظائر الهيدروجين ثباتا، وهو أخفها
[10]، وله نواة ذرة تتكون من بروتون واحد، ويستخدم الاسم
بروتيوم للتعبير عن هذا النظير. والهيدروجين الموجود في الماء العادي يتألف بأكمله تقريبًا من البروتيوم.
2H
النظير الثابت الآخر يسمى
ديتريوم أو
ديوتريوم ويرمز له بالرمز
D وله نيترون إضافي في النواة، ويكون الديتريوم 0.0184 - 0.0082% من كل الهيدروجين (IUPAC)، نسبة الديتريوم إلى البروتيوم تم عملها بواسطة VSMOW والمرجع القياسي هو الماء. والديتريوم قليل جدًا في الماء، إذ توجد منه ذرة واحدة فقط مقابل 6700 ذرة من البروتيوم
[10].
3H
النظير الثالث الطبيعي للهيدروجين هو
تريتيوم ويرمز له بالحرف
T. وتتكون نواة التريتيوم من 2 نيوترون بلإضافة إلى البروتون. وتتحلل عن طريق تحلل بيتا وله فترة نصف عمره (نصف تفككه) تساوى 13.2 سنة. وهو يتكون باستمرار في الطبقة العليا من الغلاف الجوي (ستراتوسفير) بفعل الأشعة الكونية
[10]. وكميته على الأرض ضئيلة جدًا جدًا. فهي أقل من كيلوغرام واحد في الكرة الأرضية كلها
[10].
4H
هيدروجين-4 تم تصنيعه بقذف التريتيوم بنواة ديتريوم سريعة الحركة. ويتحلل عن طريق انبعاث النيترون، وله فترة عمر نصف تساوى 9.93696x10
−23 ثانية.
5H
تم التعرف على
هيدروجين-5 في عام 2001 بقذف الهيدروجين بالأيونات الثقيلة. ويتحلل عن طريق انبعاث النيترون، وله فترة عمر نصف تساوى 8.01930x10
−23 ثانية.
6H
هيدروجين-6 يتحلل عن طريق انبعاث النيترون، وله فترة عمر نصف تساوى 3.26500x10
−22 ثانية.
7H
تم الحصول على
هيدروجين-7 في عام 2003 (المقالة)
في معامل ريكين اليابانية بتبريد شعاع من عالي-الطاقة من الهيليوم-8
بواسطة الهيدروجين وتم التعرف على تريتون - نواة التريتيوم - والنيوترونات
الناتجة من تكسر هيدروجين-7، وبنفس الطريقة يمكن إنتاج والتعرف على
هيدروجين-5.