أرشيف الخواص - تعليم الجزائر

الخواصالهيدروجين أخف العناصر الكيميائية على الإطلاق, ويتكون هو ونظائره من إلكترون مفرد وبروتون. وفي درجة الحرارة والضغط القياسيين يقوم الهيدروجين يتكوين غاز ثنائي الذرة, H 2, ودرجة غليانه 20.27 K ودرجة ذوبانه 14.02 K. وتحت ظروف الضغط العالية, كالتي توجد في مركز كوكب المارد الغازي يفقد الهيدروجين خواصه ويصبح فلزا سائلا (راجع الهيدروجين الفلزي) . وتحت ظروف الضغط المنخفض كالتي توجد في الفضاء, يميل الهيدروجين لأن يتواجد في شكل ذرات مفردة, نظرا لعدم وجود ظروف مناسبة لها لأن تتحد, تتكون سحب من الهيدروجين H 2 عند تكون النجوم.
ويلعب الهيدروجين دورا حيويا في الكون عن طريق تفاعل بروتون-بروتون ودورة كربون-نيتروجين. (وهذه عمليات انصهار نووي تطلق كميات هائلة من الطاقة خلال اتحاد ذرات الهيدروجين لتكوين الهيليوم.)
[تحرير] ذرة الهيدروجين

المقالة الرئيسية: ذرة هيدروجين. ذرة الهيدروجين هي ذرة عنصر الهيدروجين. وتتكون من إلكترون وحيد سالب الشحنة, يدور حول بروتون موجب الشحنة, والذي يعتبر نواة ذرة الهيدروجين. وحركة الإلكترون ثابتة في دورانها حول النواة عن طريق قوى كولوم.
[تحرير] استخداماته

يتم استخدام كميات كبيرة من الهيدروجين في الصناعة, وخاصة في إنتاج الأمونيا بطريقة هابر وكذلك في هدرجة الزيوت والدهون وإنتاج الميثانول. كما يستخدم الهيدروجين في الألكلة الهيدروجينية, السلفرة الهيدروجينية, التكسير الهيدروجيني. وتوجد استخدامات أخرى:

تصنيع حمض الهيدروليك واللحام وتقليل ركاز الفلزات.

يستخدم في وقود الصواريخ.

له قدرة على التوصيل الحراري أعلى من أي غاز آخر, ولذا فإنه يستخدم إبريد المواتير في المولدات الكهربية في محطات الطاقة .

يساعد الهيدروجين السائل في أبحاث الحراريات المنخفضة, متضمنة دراسات الموصلات الكهربية الفائقة.

نظرا لأنه أخف من الهواء بأربعة عشر مرة, فقد تم استخدامه بتوسع كعامل رفع في البالونات والمنطاد. وقد كان ذلك حتى وقوع كارثة هايدنبيرج والتي أقنعت العامة بخطورة استخدام الهيدروجين لهذا الغرض.

يستخدم نظير الهيدروجين الديتريوم (هيدروجين-2) في تطبيقات الانشطار النووي كمهدئ للنيوترونات لتقليل سرعتها, وأيضا يستخدم في الاندماجات النووية. وتستخدم مركبات الديتريوم في الكيمياء والأحياء في دراسات تفاعلات تأثير النظائر.

يستخدم التريتيوم (هيدروجين-3) والذي يتم الحصول عليه في المفاعلات النووية في عمل القنابل الهيدروجينية. كما يستخدم أيضا لتعيين النظائر في علوم الأحياء ومصدر إشعاع في الدهانات الضوئية.

كما يمكن للهيدروجين أن يحترق في محركات الاحتراق الداخلية, وقد تم تطوير سيارة تعمل باحتراق الهيدروجين تحت إشراف BMW-Chrysler (شاهد سيارة هيدروجينية). كما أن خلايا الوقود الهيدروجينية تستخدم لإنتاج قوة ذات انبعاثات أقل من محركات الاحتراق الداخلي الهيدروجينية. وتعتبر الانبعاثات الصادرة من محركات الاحتراق الداخلي الهيدروجينية والخلايا الهيدروجينية متعادلة مع الانبعاثات التي تصدر أثناء إنتاج الهيدروجين. وقد يؤدى هذا لحدوث تغير في كهرباء المستقبل حيث سيتم الاعتماد على التحليل الكهربائي للماء باستخدام قوى الشمس أو الرياح أو القوة النووية للحصول على دورة وقود خالية من التلوث.
ولا تزال الأبحاث جارية ليكون الهيدروجين وقود المستقبل. ويمكن أن يكون هذا حلقة الربط بين اختلاف أنواع الطاقة وكيفية نقلها وتخزينها, فمثلا يمكن أن يتم تحويلها إلى كهرباء (لحل مشكلة تخزين الكهرباء ونقلها), كما يمكن أن تكون بديلا للوقود الحيوي, أو بديل للغاز الطبيعي ولوقود الديزل. وكل هذا ممكن نظريا بدون أي انبعاثات CO 2 أو أى ملوثات غازية سامة.
[تحرير] تاريخ الهيدروجين

الهيدروجين (في اللغة الفرنسية تعني مكون الماء وفى اللغة الإغريقية تعنى هيدرو “ماء” وجين 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.
[تحرير] مستويات الطاقة الإلكترونية

الطاقة 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.
[تحرير] التواجد في الطبيعة

الهيدروجين 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.
[[[تحرير] مركبات الهيدروجين

الهيدروجين 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 أخر.
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.

[تحرير] أشكال الهيدروجين

فى 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 ( والذى يكلق عليه الشكل العادى للهيدروجين ) . وتعتمد نسبة الإتزان بين هذين الشكلين على الحرارة ، ولكن حيث ان 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 إختلاف طفيف في الخواص الفيزيائية . فمثلا درجة الذوبان والغليان في البارا-هيدروجين أقل 0.1 كلفن من الشكل العادى .
[تحرير] النظائر

الهيدروجين هو العنصر الوحيد الذى 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 بلدا 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 إستخدامه للبروتيوم )
1Hأكثر نظائر الهيدروجين ثباتا و له نواة ذرة تتكون من بروتون واحد ، ويستخدم الإسم بروتيوم للتعبير عن هذا النظير .
2Hالنظير الثابت الأخر يسمى ديتريوم وله نيترون إضافى في النواة ، ويكون الديتريوم 0.0184 – 0.0082 % من كل الهيدروجين (IUPAC) ، نسبة الديتريوم إلى البروتيوم تم عملها بواسطة VSMOW والمرجع القياسي هو الماء .
3Hالنظير الثالث الطبيعي للهيدروجين هو تريتيوم . وتتكون نواة التريتيوم من 2 نيوترون بلإضافة إلى البروتون . وتتحلل عن طريق تحلل بيتا وله فترة عمر نصف تساوى 13.2 سنة .
4Hهيدروجين-4 تم تصنيعه بقذف التريتيوم بنواة ديتريوم سريعة الحركة . ويتحلل عن طريق إنبعاث النيترون ، وله فترة عمر نصف تساوى 9.93696×10 -23 ثانية .
5Hتم التعرف على هيدروجين-5 في عام 2001 بقذف الهيدروجين بالأيونات الثقيلة . ويتحلل عن طريق إنبعاث النيترون ، وله فترة عمر نصف تساوى 8.01930×10 -23 ثانية .
6Hهيدروجين-6 يتحلل عن طريق إنبعاث النيترون ، وله فترة عمر نصف تساوى 3.26500×10 -22 ثانية .
7Hتم الحصول على هيدروجين-7 في عام 2022 (المقالة) في معامل ريكين اليابانية بتبريد شعاع من عالى-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 .
[تحرير] الاحتياطات

الهيدروجين غاز له قابلية كبيرة للإشتعال حتى في التركيزات القليلة حتى 4 % . كما أنه يتفاعل بشدة مع الكلور والفلور لينتج أحماض الهيدروهاليك والتى تكون مضرة للرئة والأنسجة . وعند خلطه مع الأكسجين فإن الهيدروجين ينفجر عند الإشتعال . والهيدروجين أيضا له خاصية فريدة هى أن شعلته في الهواء نظيفة تماما . وعلى هذا فإنه من الصعب معرفة حدوث أى إحتراق يحدث من تسرب الهيدروجين ، كما أنه هناك خطر كبير من أن يكون هناك حريق هيدروجين بدون أى ملاحظة .

السلام عليكم و رحمة الله تعالى و بركاته

شكراا و بارك الله فيك

السلام عليكم

الخواص الحرارية تتطلب الاستعمالات العديدة للمواد الهندسية الاخذ بعين الاعتبار خواصها الحرارية مثل المقاومة للحرارة والسعة الحرارية و التمدد الحراري والقدرة الابتعاثية( الاصدارية )ومقاومة الصدمات الحراريةوالشرط الاولي لاستعمال اي جامد على درجات حرارة مرتفعة هو ان تكون نقطة انصهارهومقاومته الحرارية اعلىمن درجة حرارة الاستعمال نفسها وبوجه عام تحتفظ المادة التي لها نقطةانصهار عالية بمتانتها لفترة زمنية اطول من المادة التي لها نقطة انصهار اقل وتتميز العديدمن المواد الخزفية بدرجات انصهار عالية واستقرار حراري جيد لكن يصعب اعادة تصنيعها رغم انها تظهر مقاومة ضعيفة للصدمة الحرارية والميكانيكية ومن الناحية الاخرى تتميز المواد العضوية مثل البلاستيك والمطاط والخيوط الصناعية والخشببمقاومة حرارية منخفضة ومن هنا لا نستطيع استخدامها على درجات حرارة عالية باستثناء المواد الذرية التي تستخدم في بعض التطبيقات المحدودة جدا .وتوجد فلزات كثيرة لها نقاط انصهار عالية نسبيا ولكنها تميل الى فقدان مقاومةالشد بسرعة فوق 550 درجة وتفتقد لمقاومة التأكسد على درجات الحرارة العالية فالحديد التركيبي له نقطة تنصهار تبلغ 1535 درجة ولا يحتفظ على درجة اعلى من 550 درجةبمقاومة كافية للاستعمال ويمكن اضافة بعض العناصر التي تؤدي الى زيادة المقاومةللحرارة العالية ومقاومة التقشر لكن درجة الانصهار تقلفعلى سبيل المثال يمكن استخدام بعض سبائك الحديد التي تحتوي على نسبة من النيكلاو الكروم او الكوبلت على مدى من درجات الحرارة يصل 800 درجة . السعة الحراريةالسعة الحرارية للمادة هي كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارتها درجة مئوية واحدةتسمى السعة الحرارية لكل وحدة كتله من المادة بالحرارة النوعية بينما تسمى السعة الحراريةلكل مول بالسعة الحرارية الموليةاو للتبسيط يطلق عليها السعة الحرارية ونستطيع ان نعبر رياضيا عن السعة الحرارية لاي مادةحسب المعادلة التاليةc = dq / dt حيث ان c = السعة الحراريةdq = كمية الحرارة المكتسبة او المضافة لاعطاء تغير في درجات الحرارة مقدارة dtواذا اخذنا في الاعتبار الاسلوب او الظرف الذي يتبع عند اضافة الحرارة للجسمتكون Cr السعة الحرارية عند ثبوت الحجم و Cp السعة الحرارية عند ثبوت الضغطوتتميز السعة الحرارية عند ثبوت الضغط لكونها دائما اكبر قيمة من السعة الحرارية عند ثبوت الحجم لان اي مادة تتمدد عند التسخين ويتطلب هذا التمدد اضافة بعض الحرارةوبالنسبة للجوامد فان الفرق بين Cr و Cp تكون صغيرة ولا تزيد عن المقدار2j / mol.kوعند نسخين الجامد تنشط الحركات الداخلية للذرات او الايونات لامتصاص الحرارةوعندها تزداد درجة الحرارة تصبح السعات للاهتزازات الذرية اكبر وتمر موجاتالذبذبات الى الخلف والى الامام داخل البلورة واذا كانت الذرة تتذبذب مثل المذبذبالتوافقي فيجب ان تكسب او تخسر طاقة على شكل حزم طاقة منفصلة او متقطعة تسمىالكماتوتتوزع الطاقة الممتصة من قبل الجوامد على شكلين طاقة وضع وطاقة حركةفنصفها يختزن كطاقة وضع والنصف الاخر يتحول الى طاقة حركة الاهتزازات الذريةولهذا يحتاج الجامد لرفع درجة حرارته بمقدار درجة مئوية واحدة طاقة تساوي ضعفالطاقة التي يحتاجها الفلز لرفع درجة حرارته بنفس المقدار . التمدد الحراريتتمدد جميع الجوامد عمليا عند تسخينها وتتقلص عند تبريدها ويشمل التمدد جميع ابعاد الجامد ففي حالة الجامد الايزوتروبي ( المتماثل اتجاهيا ) يكون التمدد في الطول مصحوبا بنفس التمدد في العرض والسمك وتسمى الزيادة في الطول لكل وحدة عند ارتفاع درجة الحرارة درجة واحدةبمعامل التمدد الخطيويكمن مصدر التمدد الحراري للجوامد في ذبذبات الشبيكة كما هو الحال في حالة السعة الحرارية وتزداد شدة ذبذبات الشبيكة كلما ارتفعت درجة الحرارة وتتذبذب الذرات او الجزيئات في الشبيكة بسعة معينة حول مراكز الاتزان لها وكلما ارتفعت درجة الحرارة كلما زادت سعة الذبذبة .من هنا نرى ان الذرات او الجزيئات تتحرك ابعد من مراكزها المتوسطة ( العادية ) مسببة بذلك زيادة في حجوم الجوامد ويعتمد مقدار معامل التمدد الحراري لكل حسم معين على قوة البين ذرية والبين جزئية والترتيب التراكميان لمعامل التمدد الحراري صلة مع السعة الحرارية ونقطة انصهار الجامد فيظهر معامل التمدد الحراري نفس الاعغتماد او التغير مع درجة الحرارة التي تظهره السعة الحرارية ويصل مقدارة الى الصفر عند بلوغ درجة حرارة الصفر المطلق وتظهر النتائج والبيانات العملية ان التغير الحجمي الكلي للعناصر عند تسخينها من الصفر المطلق الى نقطة الانصهار يكون ثابتا على وجه التقريب وهذا يبين ان المواد ذات نقطة الليونة ( الانصهار ) الادنى يكون لها معاملات تمدد اعلى من المواد ذات نقطة الانصهار الاعلىفمثلا البلاستيكيات و المطات معاملات التمدد الحراري لها اعلى بعدة مرات من معاملات تمدد الفلزات ويعزي ذلك الى الانخفاض النسبي لنقطة انصهارها .