كیمیاء الھیدروجین

1. كیمیاء الھیدروجینThe Chemistry of Hydrogen • خواص الهيدروجين • الهيدروجين أبسط عنصر في الجدول الدوري، إلا أن له كيمياء متنوعـة جـداً. لا ينتمي بالتأكيد لأي مجموعـة بمفردهـا فـي الجـدول الـدوري لكـن لـه بنية إلكترونية (S1)شبيهة بتلك لفلزات الأقلاء، ولذلك أحيانا يعرض أعلى مجموعة الأقلاء. • الهيدروجين هو العنصر الأكثر وفرة في الكون. • هو العنصر التاسع الأكثر وفرة في قشرة الأرض. • يتواجد فقط في الحالة المدمجة H2 باستثناء الغازات البركانية حيث يحدث في الحالة الحرة. • يوجد متحدا مع العناصر الأخرى : • يوجد الهيدروجين متحدا مع الأكسجين كأحد المكونات الرئيسة في أنسجة الحيوانات و النباتات. • يوجد الهيدروجين متحدا مع الكربون في النفط و مع الكربون و الأكسجين في الشحوم و الخشب و الكربوهيدرات. • يمثل العنصر الرئيس في أغلب الحموض مثل HCl و H2SO4

2. كیمیاء الھیدروجینThe Chemistry of Hydrogen • خواص الهيدروجين الفيزيائية • هو العنصر الأول في الجدول الدوري. • هو الأخف وزنا بين جميع العناصر. • إنه العنصر الوحيد الذي لا يحتوي على النيوترونات ، أي البروتينيوم. • طاقة التأين في رابطة H-H عالية جدًا (1312 كيلو جول -1). • هذا يشير إلى أن الهيدروجين لديه ميل منخفض لتشكيل أيونات H +. • قيمة الطاقة المؤينة لها مماثلة لتلك الهالوجينات. وبالتالي ، فإنه يكون • جزيئات ثنائية الذرة ((H2 • هيدريدات مع العناصر المختلفة • وعدد كبير من الروابط التساهمية. • نظرًا لأن طاقة التأين عالية جدًا ، فإن الهيدروجين لا يمتلك خصائص معدنية (لمعان ، ليونة ، إلخ) مثل المعادن. • جزيئة الهيدروجين خطية ومتناظرة ويحتوي على رابطة تساهمية وهناك نموذجان من جزيئات الهيدروجين

3. كیمیاء الھیدروجینThe Chemistry of Hydrogen • نظائر الهيدروجين • للهيدروجين ثلاث نظائر مهمة هي : • النظير H11 :وهو هيدروجين خفيف يتكون من بروتون والكترون ويدعى بالهيدروجين الاعتيادي • النظير H21: وهو هيدروجين ثقيل ويتكون من بروتون ونيترون وإلكترون ويدعي بالديوتيريوم D21 • النظير H31: وهو هيدروجين ثقيل يتكون من بروتون ونيترونين والكترون ويدعي بالتريتيوم T31 • يحتوي الهيدروجين العادي على 0.02٪ فقط من الديوتريم • إن النظائر الثلاثة السابقة متشابهة من الناحية الكيميائية ألا أنها تختلف بمعدلات تفاعلاتها ، و هذا الاختلاف في معدلات التفاعل يساعد في انتاج الديوتريم . فعند التحليل الكهربائي للماء فإن غاز الهيدروجين المنتج يكون غنيا بالبروتيوم 1H ، بينما الماء المتخلف يكون غنيا بالنظير الأثقل و الأبطأ تفاعلا و هو الديوتريم 2H . • التريتيوم :1T3 • ينتج نظير التريتيوم 3H عند قصف النيتروجين 14N بالأشعة الكونية في طبقات الغلاف الجوي العليا ، أو عند قصف الليثيوم بالنيوترونات في المفاعل النووي

4. كیمیاء الھیدروجینThe Chemistry of Hydrogen • تحضير الهيدروجين • هنالك طرق عديدة لتحضير الهيدروجين، بعضها مكلف جدا ولكنها على كل حال تعتبر طرقا مختبرية للتحضير، كذلك يمكن تحضير الهيدروجين صناعيا للحصول على كميات كبيرة بتكاليف منخفضة ولكن بنقاوة أقل. • تحضير الهيدروجين في المختبر • يحضر الهيدروجين في المختبر من تفاعل محلول مخفف من احد الاحماض القوية مع احد الفلزات المتوسطة النشاط مثل الخارصين والالمنيوم والحديد، كما في المعادلات التالية • Zn + 2HCl → ZnCl2 +H2 • 2Al + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2 • من تفاعل عناصر القلويات IAاو القسم السفلي من عناصر القلويات الارضية IIAمع الماء، لأنها ذاتفعالية شديدة، كما في المعادلة • 2Na + 2H2O → 2NaOH + H22K + 2HCl → 2KCl + H2 • اما عند استخدام العناصر القلوية الاخرى مثل البوتاسيوم والروبيديوم، فأن التفاعل يكون شديدا وانفجاريا

5. كیمیاء الھیدروجینThe Chemistry of Hydrogen • تحضير الهيدروجين • تحضير الهيدروجين في المختبر • من تفاعل بعض المعادن مثل Znو Alمع القواعد مثل هيدروكسيد الصوديوم، كما في المعادلات التالية • Zn + 2NaOH Na2Zn(OH)4 + H2 • زنكات الصوديوم • 2 Al + 2NaOH 2NaAl(OH)4 + 3 H2الومينات الصوديوم • غاز الهيدروجين الناتج غير نقي و يحتوي على الرطوبة و الزرنيخ AsH3 و الهيدروكربونات و غاز ثاني أكسيد الكبريت و و حمض الهيدروكلوريك و كبريتيد الهيدروجين و ذلك بسبب تفاعل غاز الهيدروجين المولَّد مع الشوائب مثل الزرنيخ و الكربون الموجودة في مسحوق الخارصين . • يمكن تنقية غاز الهيدروجين الناتج من خلال إمراره في محلول قوي من برمنجنات البوتاسيوم KMnO4 لإزالة الشوائبالحمضية و كذلك إمرار الغاز الناتج فوق نحاس ساخن لإزالة AsH3 و فوق كلوريد الكالسيوم CaCl2 لإزالة الرطوبة .

6. كیمیاء الھیدروجینThe Chemistry of Hydrogen هل يمكننا استخدام حمض الكبريتيك المركز والزنك النقي في تحضير الهيدروجين؟ لا يمكن استخدام حمض الكبريتيك المركز لأنه يعمل كعامل مؤكسد أيضًا ويتم اختزاله ​​إلى ثاني أكسيد الكبريت. لا يستخدم Zn الصافي لأنه غير مسامي وسيكون التفاعل بطيئًا. الشوائب في الزنك تساعد في تشكيل أزواج الكهروكيميائية وتسريع التفاعل

7. كیمیاء الھیدروجینThe Chemistry of Hydrogen • تحضير الهيدروجين • تحضير الهيدروجين تجاريا (صناعيا) • طريقة غاز الماء (طريقة بوش Bosch Process) • يمرر تيار من بخار الماء على فحم الكوك الساخن حتى الاحمرار، فيتكون خليط من غازي اول اوكسيد الكربون • والهيدروجين، ويطلق اسم غاز الماء على هذا الخليط • ولفصل الهيدروجين النقي، يمرر تيار اضافي من بخار الماء على غاز الماء بوجود عامل محفز مثل الحديد • حيث يقوم بخار الماء بأكسدة غاز اول اوكسيد الكربون الى ثاني اوكسيد الكربون، • ويمكن فصل الاخير عن الهيدروجين بأمرار الغازات تحت ضغط. ان CO2يذوب في الماء تاركا . H2نقيا CO2 + H2 + H2O → H2CO3 + H2

8. كیمیاء الھیدروجینThe Chemistry of Hydrogen • تحضير الهيدروجين • تحضير الهيدروجين تجاريا (صناعيا) • طريقة التحليل الكهربائي للماء • يمكن تحضير الهيدروجين بالتحليل الكهربائي للماء الحاوي على قليل من ،H2SO4حيث يحدث تفاعل اكسدة • واختزال • أكسدة (الكاثود) • اختزال (الانود) • التفاعل النهائي

9. كیمیاء الھیدروجینThe Chemistry of Hydrogen • تحضير الهيدروجين • تحضير الهيدروجين تجاريا (صناعيا) • طريقة لان (Lane Process) • يتم تمرير البخار على الحديد الساخن. الحديد يتحلل البخار بتكوين أكسيد مغناطيسي (Fe3O4) وهيدروجين. • يتم الحفاظ على درجة حرارة الحديد بين 550 درجة مئوية إلى 800 درجة مئوية. يطلق على هذا التفاعل رد فعل بالغاز ، والوقت المخصص لهذا التفاعل حوالي 10 دقائق 3Fe+ 4H2O → Fe3O4 + 4H2أكسدة Fe3O4+ 4CO → 3Fe + 4CO2اختزال CO + H2O → CO2 + H2التفاعل النهائي

10. كیمیاء الھیدروجینThe Chemistry of Hydrogen • الخواص الكيميائية للهيدروجين • للهيدروجين ثلاث حالات اكسدة هي )+ 1 ، 0 ،- 1 (أن حالة الاكسدة الاكثر اهمية هي +1 حيث يكون الهيدروجين متحدا مع اي عنصر اكثر سالبية كهربائية. • حالة الاكسدة – 1 يكون فيها الهيدروجين متحدا مع ذرة اقل سالبية مكونا مركبات تدعى الهيدريدات • التفاعل مع الفلزات (تكوين الهيدريدات) • الهيدريدات الايونية Ionic Hydrides • تتكون الهيدريدات الايونية نتيجة لاتحاد الهيدروجين المباشر مع العناصر الاقل سالبية كهربائية، مثل عناصرالمجموعتين IAالفلزات القلوية مثل Na ،Li و IIA القلويات الارضية مثل Sr ،Ca باستثناء البريليوموالمغنيسيوم. • في هذه المركبات يكون الهيدروجين كأيون سالب-Hوتحدث هذه التفاعلات بالتسخين لدرجاحرارة عالية تصل الى 400

11. كیمیاء الھیدروجینThe Chemistry of Hydrogen • التفاعل مع الفلزات (تكوين الهيدريدات) • الهيدريدات الايونية Ionic Hydrides • الهيدريدات الايونية مركبات تكون عادة بيضاء اللون صلبة ذات درجات انصهار عالية نوعا ما، تتأكسد في الهواء او قد تشتعل فيه. عند اذابة هيدريد الكالسيوم مثلا في الماء او الكحول يتحرر الهيدروجين كما في المعادلة • استخدامات الهيدريدات الايونية • تستخدم هيدريد المعادن في المختبر لإزالة آثار الماء من المذيبات والغازات الخاملة مثل N2 و Ar. • تستخدم هيدريد المعادن القلوية لتحضير مركبات هيدريد أخرى مثل - LiAlH4 و NaBH4 إلخ. • نظرًا تكوينها للهيدروجين عند تسخينها وبالتالي إشعاله تلقائيًا ، يتم استخدامه الهيدريدات الايونية كوقود صلب.

12. كیمیاء الھیدروجینThe Chemistry of Hydrogen • التفاعل مع الفلزات (تكوين الهيدريدات) • الهيدريدات التساهمية Covalent Hydrides • تتكون الهيدريدات التساهمية بالاتحاد المباشر للهيدروجين مع بعض عناصر المجموعة IIIAمثل البورون B و الالمنيوم Al • كذلك مع عناصر مجموعة الكربون IVA والنيتروجين VA والاوكسجين VIA. • هيدريد الفسفور ( الفوسفين ) غاز سام ويحضر بالتحليل الكهربائي لفوسفيد الكالسيوم • ويحضر هيدريد السليكون بتفاعل سلكيد المغنيسيوم Mg2Siمع حمض الهيدروكلوريك حسب المعادلة: • الهيدريدات التساهمية لها استخدامات متعددة صناعية وكيميائية وبيولوجية مثل الامونيا كغاز صناعي هام وهيدريد السليكون الذي يستخدم في تحضير العديد من المواد الكيميائية الهامة • علي وجه عام تستخدم الهيدريدات كمواد مختزلة في التفاعلات الكيميائية

13. كیمیاء الھیدروجینThe Chemistry of Hydrogen • التفاعل مع الفلزات (تكوين الهيدريدات) • الهيدريدات الفراغية (البينية ) أو الفلزية • حيث يحتل الهيدروجين الفراغ البيني في التركيب البلوري للعنصر حيث يتواجد الهيدروجين في الحالة الذرية وتركيبها الكيميائي ليس قياسيا (متغير) وهي تشبه خواص الفلز الأصلي فتكون نتيجة ارتباط الهيدروجين مع عناصر القطاع(d)- وMgو Beمن عناصر القطاع S. • من أمثلتها هيدريد النيكل NiH2 وهيدريد البلاديوم PdH2 حيث تختفي جزيئات الهيدروجين في فراغات التركيب البلوري لكل من النيكل أو البلاديوم. • تشكل الهيدريدات الفلزية وسيلة لتخزين الهيدروجين والتي لها تطبيقات مهمة في خلايا الوقود وفي العديد من التطبيقات الأخرى التي يعتمد عليها اقتصاد الهيدروجين • تستخدم أيضا الهيدريدات الفلزية كعوامل حفز في تفاعلات الكيميائية العضوية لإضافة الهيدروجين مثل عملية هدرجة الزيوت النباتية

14. كیمیاء الھیدروجینThe Chemistry of Hydrogen • التفاعل مع الهالوجينات • يتفاعل الهيدروجين مع الهالوجينات ، X2 لإعطاء هاليدات الهيدروجين HX • في حين أن التفاعل مع الفلور يحدث حتى في الظلام ، التفاعل مع اليود يتطلب محفز • التفاعل مع الاكسجين • يتفاعل الهيدروجين مع الأكسجين لتكوين الماء. التفاعل طارد للحرارة للغاية. • التفاعل مع الاكاسيد • يختزل الهيدروجين الاكاسيد مشكلاً الماء وتستخدم هذه الطريقة لتحضير العناصر معمليا

15. كیمیاء الھیدروجینThe Chemistry of Hydrogen • استخدامات الهيدروجين: • في تحضير كلوريد الهيدروجين HClوفي صناعة النشادر NH3 . • في تحويل الكربون الى هيدروكربونات. • تحويل الزيوت الى دهون • تحضير الكحول الميثيلي CH3OH من أول أكسيد الكربون CO • يستخدم في التفاعلات العضوية لتحضير كثير من المركبات العضوية الهامة صناعيا وبيولوجيا • يستخدم في صناعة القنبلة الهيدروجينية • يستخدم لهب الهيدروجين الذري في صهر ولحام المعادن التي تنصهر عند درجات الحرارة العالية • تحضير بعض الفلزات باختزال مركباتها • يستخدم كوقود في الخلايا الهيدروجينية كمصدر هام للطاقة النظيفة

16. أسئلة على كيمياء الهيدروجين ما هي نظائر الهيدروجين الثلاث؟ وما هي نسب وجودها؟ لماذا تستخدم الحوامض المخففة وليست المركزة عند تحضير الهيدروجين في المختبر من تفاعل هذه الاحماض مع الفلزات؟ ما هو غاز الماء وكيف يتكون؟ اعط امثلة لثلاثة جزيئات تكون فيها الاعداد التأكسدية للهيدروجين +1, 0, -1 ما هي الهيدريدات؟ وما الفرق بين الهيدريدات الايونية الهيدريدات التساهمية؟ أذكر طريقة لتحضير هيدريد السليكون عدد خمس تطبيقات لاستخدام الهيدروجين ماهي الهيدريدات الفلزية ما هو اهم استخداماتها