گاز هیدروژن

گاز هیدروژن

هیدروژن به انگلیسی Hydrogen با علامت اختصاری H و عدد اتمی ۱، عنصری از جدول تناوبی در دسته نافلزها است که در ادامه بیشتر با آن آشنا می شوید.
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 ۷۵٪از جرم جهان از هیدروژن ساخته شده‌است. برخی جرم‌های آسمانی مانند کوتولهٔ سفید یا ستاره‌های 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 که بیشتر از نماد آن یعینی H1 یاد می‌شود تا نام آن.

این ایزوتوپ، یک پروتون دارد و نوترون ندارد و در ترکیب‌های یونی می‌تواند بار منفیt 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.
اتم هیدروژن، یک تک اتم عنصر شیمیایی هیدروژن است. اتمی که از نظر الکتریکی خنثی است و دارای یک بار مثبت یا پروتون و یک بار منفی یا الکترون است که با کمک نیروی کولن به هسته پیوند خورده‌است. هیدروژن اتمی سازندهٔ جرم ۷۵٪ عنصرهای جهان است. (بیشتر جرم جهان به صورت عنصرهای شیمیایی نیست-به صورت مادهٔ باریونی است که از مادهٔ تاریک و انرژی تاریک ساخته شده‌ است)
در زندگی روزانه در زمین اتم هیدروژن یا هیدروژن تک اتمی به سختی پیدا می‌شود ولی برخلاف آن هیدروژن دوست دارد با دیگر عنصرها یا با خودش آمیخته شود و گاز هیدروژن )مولکول دواتمی) را بسازد.

شناسنامه هیدروژن:
نام: هیدروژن
نماد: H
عدد اتمی: ۱
جرم اتمی: ۱,۰۰۷۹۴واحد جرم اتمی
نقطه ذوب: ۲۵۹,۱۴- درجه سانتیگراد (۱۴,۰۰۹۹۸۵ کلوین)
نقطه جوش: ۲۵۲,۸۷- درجه سانتیگراد (۲۰,۲۸۰۰۰۵ کلوین)
تعداد پروتون ها/الکترون ها: ۱
تعداد نوترون ها: ۰
رده بندی: نافلز
رنگ: بی رنگ

تاریخچه هیدروژن:
هیدروژن از کلمه فرانسوی به معنی سازنده آب و واژه یونانی hudôr یعنی آب و gennen یعنی تولید کننده گرفته شده.

برای اولین بار در سال ۱۷۷۶ بوسیله “هنری کاوندیش” بعنوان یک ماده مستقل شناخته شده ، “آنتونی لاوازیه” نام هیدروژن را برای این عنصر انتخاب کرد.

پیدایش هیدروژن
هیدروژن فراوانترین عنصر در جهان است، بطوریکه ۷۵% جرم مواد طبیعی از این عنصر ساخته شده و بیش از ۹۰% اتم‌های تشکیل دهنده آنها اتم‌های هیدروژن است. این عنصر به مقدار زیاد و به‌وفور در ستارگان و سیارات غولهای گازی یافت می‌شود. به نسبت فراوانی زیاد آن در جاهای دیگر ، هیدروژن در اتمسفر زمین بسیار رقیق است (۱ppm برحسب حجم). متعارف‌ترین منبع برای این عنصر در زمین آب است که از دو قسمت هیدروژن و یک قسمت اکسیژن (H2O) ساخته شده است.
منابع دیگر عبارتند از بیشترین اشکال مواد آلی که در اندام تمام موجودات زنده شناخته شده وجود دارند، زغال ، سوخت فسیلی و گاز طبیعی. متان ( CH4) که یکی از محصولات فرعی فساد ترکیبات آلی است که اهمیت منابع آن رو به افزایش است. هیدروژن از چندین راه مختلف بدست می‌آید، عبور بخار از روی کربن داغ ، تجزیه هیدروکربن بوسیله حرارت ، واکنش هیدروکسید سدیم یا پتاسیم بر آلومینیوم ، الکترولیز آب یا از جابجائی آن در اسیدها توسط فلزات خاص.
هیدروژن تجاری در حجم های زیاد معمولا بوسیله تجزیه گاز طبیعی تولید می‌شود.

کاربرد های گاز هیدروژن:

۱- استفاده از گاز هیدروژن در تولید گاز آمونیاک طی فرآیند هابر
۲- استفاده از گاز هیدروژن در هیدروژنه کردن چربی ها و روغن ها
۳- استفاده از گاز هیدروژن در تولید الکل از جمله متانول
۴ – استفاده از گاز هیدروژن در آلکیل زدایی آبی هیدرودیلکیلاسیون hydrodealkylation
۵- استفاده از گاز هیدروژن در گوگردزدایی آبی (هیدرودیسولفوریزاسیون)
۶- استفاده از گاز هیدروژن در هیدروکرکینک (hydrocracking) در فرآیند پالایش نفت خام از این روش برای تبدیل نفت خام به مواد با ارزش تر مانند: بنزین، سوخت جت، نفت سفید و سوخت دیزل استفاده می شود
۷- استفاده از گاز هیدروژن در تولید اسید هیدروکلریدریک
۸- استفاده از گاز هیدروژن در جوشکاری
۹ – استفاده از گاز هیدروژن در سوخت موشک
۱۰- استفاده از گاز هیدروژن در احیاء سنگ معدن فلزی
۱۱- استفاده از هیدروژن مایع در تحقیقات سرماشناسی مانند مطالعات ابررسانایی
۱۲- استفاده از گاز هیدروژن بعنوان خنک کننده ژنراتورها در نیروگاه های برق بدلیل ظرفیت گرمائی بسیار بالا
۱۳- استفاده از گاز هیدروژن خالص یا مخلوط هیدروژن و گاز نیتروژن برای شناسایی نشتی های ریز و سوراخهای بسیار کوچک در نیروگاهها، صنایع شیمیایی، هوافضا، خودروسازی و مخابرات
۱۴- استفاده از گاز هیدروژن در بسته بندی مواد غذائی. به کمک این گاز می توان بسته بندی مواد غذائی را از نظر نشتی و سوراخ آزمود و همچنین از اکسید شدن مواد خوراکی هم پیشگیری کرد
۱۵ – استفاده از گاز هیدروژن در دستگاه های آنالیز بویژه در دتکتور FID دستگاه کروماتوگرافی گازی GC
شایان ذکر است، هیدروژن چهارده و نیم بار از هوا سبکتر است و در زمان های گذشته بعنوان عامل بالا برنده در بالونها و کشتی های هوایی مورد استفاده قرار میگرفت، اما اتفاقات ناگوار پیش آماده در این خصوص بویژه فاجعه هیندنبرگ استفاده از این گاز را برای این مهم منسوخ کرده است.
ویژگی های عنصر هیدروژن

هیدروژن سبک ترین عنصر شیمیایی با معمول‌ترین ایزوتوپ آن است که شامل تنها یک پروتون و الکترون است. در شرایط فشار و دمای استاندارد هیدروژن یک گاز ، H2 ، دو اتمی با نقطه جوش ۲۰٫۲۷K و نقطه ذوب ۱۴٫۰۲K را می‌سازد. در صورتی‌که این گاز تحت فشار فوق‌العاده بالایی ، مانند شرایطی که در مرکز غولهای گازی وجود دارد، قرار گیرد، مولکولها ماهیت خود را از دست داده و هیدروژن بصورت فلزی مایع در می‌آید.
اما در فشارهای بسیار پایین مانند شرایطی که در فضا یافت می‌شود، به این علت که هیچ راهی برای ترکیب اتمهایش وجود ندارد، هیدروژن تمایل دارد تا بصورت اتم‌های مجزا در آمده، ابرهای H2 هیدروژنی تشکیل می‌شود که به شکل گیری ستارگان نیز مرتبط می‌باشد.
این عنصر نقش بسیار حیاتی در تامین انرژی جهان از طریق واکنش پروتون-پروتون و چرخه کربن-نیتروژن به عهده دارد. اینها فرآیندهای هم‌جوشی هسته ای هستند که با ترکیب دو اتم هیدروژن به یک اتم هلیم، مقدار بسیار عظیمی از انرژی آزاد می‌کنند.
گاز هیدروژن (دی‌هیدروژن یا مولکول هیدروژن) بسیار آتش‌گیر است و می‌تواند در هوا و در بازهٔ گسترده‌ای از غلظت، میان ۴٪ تا ۷۵٪ حجمی، بسوزد. آنتالپی استاندارد سوختن برای هیدروژن ۲۸۶ کیلوژول بر مول است:
۲ H۲(g) + O۲(g) → ۲ H۲O(l) + 572 kJ (286 kJ/mol)
اگر هیدروژن با هوا آمیخته شود و غلظت آن میان ۴ تا ۷۴ درصد باشد یا آمیزه‌ای از هیدروژن و کلر با درصد ۵ تا ۹۵ درصد می‌تواند ماده‌ای انفجاری را پدید آورد. این آمیزه‌های گازی با یک جرقه، کمی گرما یا نور خورشید بی‌درنگ منفجر می‌شود. دمای خودآتشگیری هیدروژن، دمایی که هیدروژن در آن خود به خود در هوا آتش می‌گیرد، ۵۰۰ درجهٔ سانتیگراد یا ۹۳۲ فارنهایت است.
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.

ترکیبات هیدروژن:

هیدروژن سبک‌ترین گازها با اکثر عناصر ترکیب شده و ترکیبات مختلف را بوجود می‌آورد. هیدروژن دارای عدد الکترونگاتیویته ۲٫۲ است، پس هیدروژن هنگامی ترکیبات را می‌سازد که عناصر غیر فلزی‌تر و عناصر فلزی‌تری وجود داشته باشند. در این حالت (غیر فلزی) تشکیل دهنده‌ها هیدریدها نامیده می‌شوند که هیدروژن یا بصورت یونهای H- یا بصورت حل شده در عنصر دیگر وجود خواهد داشت (مانند هیدرید پالادیوم).
در حالت دوم (ترکیب با فلز) هیدروژن تمایل برای تشکیل پیوند کووالانسی دارد، چون یونهای H+ بصورت یک اتم عریان فاقد الکترون در می‌آیند، بنابراین تمایل شدیدی به جذب الکترونها به سمت خود دارند. هر دوی اینها تولید اسید می‌کنند، لذا حتی در یک محلول اسیدی می‌توان یونهایی مثل +H3O را دید که گویی پروتونها به جایی محکم به چیزی چسبیده اند.
هیدروژن با اکسیژن ترکیب شده ، تولید آب می‌کند، H2O که در این واکنش مقدار زیادی انرژی را بصورتی آزاد می‌کند که باعث انفجار در هوا می‌شود و یا به اکسید دوتریوم یا D2O که معمولا آب سنگین گفته می‌شود، تبدیل می‌شود. همچنین هیدروژن با کربن ترکیبات گسترده ای را بوجود می آورد.

اطلاعات ایمنی گاز هیدروژن:
گاز هیدروژن بسیار آتشگیر است و می‌تواند در هوا و در بازه ی گسترده‌ای از غلظت بسوزد.
۲ H2 (g) + O2 (g) → ۲ H2O (l) + Q
حاصل واکنش گاز هیدروژن و گاز اکسیژن ،آب به همراه گرما و انرژی بالا است.
دمای خود آتشگیری گاز هیدروژن یعنی دمایی که هیدروژن در آن خود به خود در هوا آتش می‌گیرد ۵۰۰ درجه سانتیگراد یا ۹۳۲ درجه فارنهایت است.
از شعله ی سوختن گاز هیدروژن – گاز اکسیژن خالص پرتوهای فرابنفش تابیده می‌شود که با چشم قابل دیدن نمی باشند.
لذا برای ردیابی نشتی در هیدروژن در حال سوختن نیاز به ابزارهای ردیابی شعله داریم ، چنین نشتی‌هایی می‌توانند بسیار خطرناک باشند.
کارکردن با گاز هیدروژن با توجه به خطراتی که گاز هیدروژن دارد می بایست با رعایت تمامی نکات ایمنی و با نهایت دقت و احتیاط صورت پذیرد.
در انبارش سیلندرهای محتوی گاز هیدروژن می بایست دقت شود که این سیلندرها حداکثر فاصله ی ممکن را از گازهای اکسنده از جمله گاز اکسیژن و گاز نیتروس اکساید داشته باشند .
بارگیری و حمل و نقل سیلندرهای گاز هیدروژن با سیلندرهای گازهای اکسنده ای مثل گاز اکسیژن و گاز نیتروس اکساید ممنوع می باشد.
عنصر هیدروژن می‌تواند با هر عنصر اکسید شده‌ای وارد واکنش شود ، همچنین می‌تواند در دمای اتاق به صورت خود به خودی و البته خطرآفرین با هالوژن ها از جمله گاز کلر و فلوئور واکنش دهد و هالیدهای هیدروژن (هیدروژن کلرید و هیدروژن فلوئورید) که اسیدهای خطرناکی هستند را پدید آورد.
در محیطی هم که گاز اکسیژن نباشد حضور گاز هیدروژن باعث خفگی فرد می شود و چون گازی بدون رنگ و بواست حتما باید بوسیله ردیاب هائی ، غلظت آن در محیط کنترل شود.

هشدار:
هیدروژن، گازی است با قدرت اشتعال فوق‌العاده زیاد. این گاز همچنین به‌شدت با کلر و فلوئور واکنش نشان می‌دهد. D2O یا آب سنگین برای بسیاری از گونه‌ها سمی است. اما مقدار قابل توجهی از آن برای کشتن انسان لازم است.