الملف الفيزيائي والكيميائي
يوجد العنصر في الحالة الحرة على شكل جزيء ثنائي الذرة — ثنائي الهيدروجين. تتميز هذه المادة بخصائص فيزيائية فريدة؛ فالغاز عديم اللون والرائحة تماماً، وتبلغ كثافته الحد الأدنى بين جميع المواد الغازية المعروفة. ذوبانيته في الماء ضئيلة (ثابت الذوبان يساوي 0.0221 عند درجة حرارة الصفر). وتُعد نقطة غليان الطور السائل إحدى أدنى الدرجات في الطبيعة.
تُستخدم خزانات فولاذية متخصصة للتخزين والنقل الآمن للغاز المضغوط. ومن السهل التعرف عليها من خلال ترميزها اللوني الصارم: تُدهن الأسطوانة باللون الأخضر وتُميز بشريطين أحمرين ساطعين.
التخليق في جهاز كيپ
تعتمد الطريقة المخبرية الكلاسيكية على تفاعل الإحلال بين معدن وحمض. غالباً ما يُستخدم الخارصين الحبيبي، ويتفاعل مع محلول حمض الهيدروكلوريك أو حمض الكبريتيك المخفف (بنسبة 1:8). تبدو المعادلة الأيونية للعملية كالتالي: Zn + 2H⁺ = H₂↑ + Zn²⁺
تتم العملية في جهاز زجاجي خاص — جهاز كيپ. يسمح تصميمه بتنظيم سير التفاعل الكيميائي تلقائياً:
- تحميل المواد المتفاعلة: توضع قضبان الخارصين أو قطع المعدن الصغيرة في الخزان الأوسط للجهاز. بينما يُملأ الخزان السفلي وجزء من الخزان العلوي بمحلول الحمض.
- التنشيط (الصنبور مفتوح): تحت تأثير الضغط، يرتفع السائل من القسم السفلي إلى القسم الأوسط. يبدأ ملامسة الحمض للخارصين، ويحدث تفاعل قوي مصحوب بانطلاق الغاز المستهدف.
- الإيقاف (الصنبور مغلق): يتراكم الغاز المنطلق، ويقوم ضغطه الزائد بدفع حمض السائل مرة أخرى إلى الخزان السفلي. ينقطع تلامس المواد المتفاعلة، ويتوقف العملية الكيميائية تماماً.
تنقية الغاز الناتج
الغاز المُصنَّع في جهاز كيپ ليس نقياً تماماً. فإذا تم استخدام حمض الهيدروكلوريك كمتفاعل، توجد أبخرة متطايرة من كلوريد الهيدروجين في خليط الغاز. بالإضافة إلى ذلك، يحتوي المنتج حتماً على أبخرة الماء.
للحصول على مادة نقية، يتم استخدام نظام من قوارير الغسيل:
- يمر الغاز عبر الماء مما يتيح إزالة الشوائب الذائبة من كلوريد الهيدروجين بفعالية.
- المرور عبر حمض الكبريتيك المركز يوفر تجفيفاً عميقاً للغاز، حيث يمتص الحمض أبخرة الماء بشراهة.
طرق مخبرية بديلة
إلى جانب استخدام الخارصين، يمكن الحصول على الهيدروجين عن طريق تفاعل المركبات النشطة مع الماء أو الكحول. وتشمل هذه الطرق:
- تحلل الهيدريدات المائية: عند ملامسة هيدريد الصوديوم للماء، ينطلق غاز بشكل قوي ويتشكل القلوي.
- التفاعل مع الكحولات: يتفاعل صوديوم المعدن بنشاط مع الإيثانول. ونتيجة لذلك، يتكون إيثوكسيد الصوديوم وينطلق غاز الهيدروجين.
الإنتاج الصناعي ومجالات التطبيق
تتطلب المقاييس الصناعية كميات هائلة من المواد الخام، لذا فإن الطرق المخبرية غير مجدية اقتصادياً. وفي المصانع، يُنفذ التخليق بالطرق التالية:
- التحلل الحراري للميثان أو تحويله باستخدام بخار الماء.
- تغويز الفحم: معالجة الفحم المتوهج بالماء عند درجة حرارة 800 مئوية.
- كمنتج ثانوي أثناء التحليل الكهربائي للمحاليل المائية.
أي غاز يتم الحصول عليه بالطريقة الصناعية يخضع حتماً لتنقية دقيقة من المكونات المصاحبة.
أين يُطلب الهيدروجين:
- الصناعة الكيميائية: يُستخدم كمادة خام أساسية لتخليق الأمونيا، وكلوريد الهيدروجين، والعديد من المركبات العضوية.
- قطاع الطاقة: يُستخدم كغاز وقود فعال للشعلات ذات درجات الحرارة العالية (تتجاوز درجة حرارة اللهب 3100 مئوية).
- مجال الفضاء: يُعتبر في حالته السائلة مكوناً قوياً وصديقاً للبيئة لووقود الصواريخ.
لكي تتذكر ترميز الأسطوانة، تخيل مرجاً أخضر (وقوداً صديقاً للبيئة) توجد عليه شريطان إنذار حمراوان (خطر الاشتعال).
أسئلة من المحاضرات والامتحانات
لماذا يتوقف انبعاث الغاز عند إغلاق صمام جهاز كيوب؟
الغاز المتراكم في نظام مغلق يولد ضغطاً متزايداً. يدفع هذا الضغط الحمض ميكانيكياً من الخزان الأوسط إلى الأسفل، مما يحرمه من الاتصال بقطع المعدن، وهذا يوقف التفاعل الكيميائي.
لماذا يُمَرَّر الهيدروجين عبر حمض الكبريتيك المركز؟
يتميز حمض الكبريتيك المركز بخاصية استرطاب عالية. وعند تمرير الغاز عبر قارورة غسيل تحتوي على هذا الحمض، تتم إزالة أبخرة الماء (التجفيف).
ما هي الأحماض المناسبة للتفاعل مع الخارصين في جهاز كيپ؟
عادة ما يُستخدم حمض الهيدروكلوريك أو حمض الكبريتيك المخفف بنسبة 1:8.
مواضيع أخرى للمراجعة في نفس السياق
- التصميم التفصيلي وقواعد تشغيل جهاز كيپ
- كيمياء عملية تحويل الميثان ببخار الماء
- ديناميكا الحرارة لتغويز الفحم عند 800 درجة مئوية
- خصائص الهيدروجين السائل كمكون لووقود الصواريخ
- آلية تفاعل المعادن القلوية مع الكحولات الأليفاتية
مواضيع أخرى من قسم "الفصل 8. الهيدروجين"
القسم بأكمله «الفصل 8. الهيدروجين»تم إعداد المادة بواسطة أعضاء هيئة التدريس في WhiteCoat Pro وفقاً للمنهج الدراسي لكليات الطب. وهي ذات طابع تعليمي.