هیدروژن تنها عنصری است که در هیچ یک از گروههای ۰.جدول تناوبی عنصرها، محل مناسبی برای آن وجود ندارد. هیدروژن از بعضی جهات به فلزهای قلیایی و از جهاتی هم به هالوژن ها شباهت دارد. ولی تفاوت آن با عنصرهای این گروه به قدری است که می توان گفت هیدروژن در جدول تناوبی عنصرها برای خود موقعیتی منحصر به فرد دارد. تشکیل یون های مثبت و منفی از هیدروژن در مقایسه با فلزهای قلیایی و هالوژنها مشکلتر است. هیدروژن در بسیاری از موارد با تشکیل پیوند کوالانسی ساده به عنصرهای دیگر می پیوندد. هیدروژن فراوانترین عنصر در کره زمین است. آب که ۱۹/۱۱ درصد وزنی آن هیدروژن و ۸۱/۸۸ درصد وزنی آن اکسیژن است ۷۰درصد سطح زمین را به صورت اقیانوسها ، رودخانه ها ،دریاچه ها و سایر منابع آبی می پوشاند . مقدار هیدروژنH۲ ،در جو زمین بسیار اندک است. هیدروژن در زمین به صورت ترکیب با سایر عنصرها یافت می شود. در گیاهان و جانوران مقداری هیدروژن به صورت ترکیب در پروتئین ها ، چربی ها و قند ها یافت می شود . هیدروژن یکی از عناصر سازنده سوخت های فسیلی نیز به شمار می رود .

خواص هیدروژن

هیدروژن سبک ترین عنصر است و مولکول آن گازی بیرنگ ، بی بو و بی طعم است دمای ذوب و دمای جوش بسیار کم هیدروژن نشانه ای از ضعیف بودن نیروهای جاذبه ی بین مولکولی در حالت های مایع و جامد آن است . چگالی هیدروژن در حدود چگالی هواست و انحلال پذیری آن در آب بسیار کم است. هیدروژن گازی آتشگیراست و با آن باید با احتیاط کار کرد . هیدروژن در دمای زیاد یا بر اثر جرقه الکتریکی با اکسیژن ترکیب شده،آب می دهد. هوایی که حداقل ۱/۴ درصد تا حداکثر ۲/۷۴ درصد حجمی هیدروژن داشته باشد بالقوه منفجر شونده است.

ایزوتوپهای هیدروژن

هیدروژن سه ایزوتوپ داردکه فراوانترین آنها هیدروژن معمولی باعدد جرمی یک است و در هسته خود یک پروتون دارد و با علامت H ۱۱نشان داده می شود . دو ایزوتوپ دیگر هیدروژن عدد جرمی ۲ و ۳ دارند . ایزوتوپی که دارای عدد جرمی دو است در هسته خود یک پروتون و دو نوترون دارد و تریتیم خوانده می شود و آن با علامت H۱۳یا Tنشان داده می شود . تریتیم بر خلاف هیدروژن معمولی و دو تریم که هسته پایدار دارند پرتوزا است. مقدار تریتیم در طبیعت فوق العاده کم است و آن را از طریق واکنش هسته ای بین لیتیم و نوترون بدست می آورند.

پیوند هیدروژنی

وقتی اتم هیدروژن با یک اتم الکترو نگاتیو پیوند کوالانسی تشکیل می دهد ، چگالی الکترون در اطراف اتم کوچک هیدروژن کم می شود زیرا اتم الکترونگاتیو زوج الکترون پیوندی را به شدت به سوی خود جلب می کند در چنین شرایطی ، اتم هیدروژن می تواند با اتم الکترو نگاتیو دیگر پیوند دهد این نوع پیوند را پیوند هیدروژنی می نامند . و تشکیل آن نتیجه پیدایش نیروی جاذبه الکتروستاتیک است. قویترین پیوند هیدروژنی بین اتم H و اتم های الکترونگاتیم F،NوO تشکیل می شود مثلاً بلور هیدروژن فلوئورید دارای زنجیره های بلند نا متناهی است که در آنه هر اتم هیدروژن با یک اتم فلوئور پیوند کوالانسی و با اتم فلوئور دیگر پیوند هیدروژنی دارد.

طرز تهیه و کاربرد های هیدروژن

هیدروژن را به راههای گوناگون می توان تهیه کرد:

الف) طرز تهیه هیدروژن در صنعت : هیدروژن در صنعت به طور عمده از واکنش آب و هیدروکربنها بدست می آید . هیدرو کربنها در حضور بخار آب به هیدروژن و کربن دی اکسید یا کربن مونوکسید تبدیل می شوند . هیدروژن به عنوان یک محصول فرعی در هنگام تهیه بنزین نیز بدست می آید برای تهیه بنزین هیدروکربنهای دارای جرم مولی زیاد را از روی کاتالیزگر در دمای زیادعبور می دهند تا این هیدرو کربنها بر اثر تجزیه شدن به هیدروژن و مخلوطی از ترکیب هایی با جرم مولی کمتر که برای بنزین مناسب هستند تبدیل شوند.

ب) طرز تهیه هیدروژن در آزمایشگاه می تواان از اثر فلز روی بر اسیدهای معدنی رقیق استفاده کرد. تعدادی فلز ها از جمله قلع، آلومینیوم ، روی و سیلیسیم از محلول آبی یک باز قوی سدیم هیدروکسید هیدروژن آزاد می کنند . هیدروژن به طور عمده برای تولید آمونیاک و هیدروژن دار کردن محصولات نفتی ، روغن های نباتی مایع و CO و همچنین به عنوان سوخت و برای کاهیدن کانیهای حاوی اکسید برخی از فلز ها به کار می رود .

واکنشهای هیدروژن

الف) واکنش با عنصر ها مولکول هیدروژن با بسیاری از عنصر ها به طور مستقیم ترکیب می شود . واکنش هیدروژن با نافلز ها در دمای زیاد صورت می گیرد و در این واکنشها ترکیبهایی با پیوند کوالانسی تشکیل می شود . مثلاً هیدروژن با تمام هالوژن ها ترکیب می شود و هیدروژن هالیدها را به وجود می آورد . هیدروژن برمید را می توان در آزمایشگاه با عبور دادن مخلوط هیدروژن و برم از روی کاتالیز گر در دمای ۳۵۰ درجه سانتی گراد تهیه کرد. آمونیاک را در صنعت از ترکیب مستقیم هیدروژن و نیتروژن به دست می آورند.

ب)واکنش با اکسید فلز ها : مولکول هیدروژن با اکسید بعضی از فلزها ترکیب می شود و فلز را آزاد می کند.

ج) هیدروژن دار کردن : منظور از هیدروژن دار کردن اضافه کردن دو اتم هیدروژن مربوط به مولکول های H۲به یک ترکیب سیر نشده است . برای انجام این واکنش غالباً از گاتالیزگر استفاده می کنند واکنش هیدروژن دار کردن معمولاً در فشار زیاد صورت می گیرد. روغنهای نباتی مایع حاصل از لوبیای سویا ، پنبه دانه و نارگیل را توسط هیدروژن دار کردن به چربیهای جامد تبدیل می کنند . در سالهای اخیر، توجه زیادی به مایع کردن زغال سنگ مبذول شده است. در این فرآیند مولکولهای سیر نشده در ذغال سنگ هیدروژن دار می شود و پیوند هیدروژن دار شده کربن – کربن تحت فشار و دمای زیاد شکسته می شود و بدین ترتیب مولکولهای بزرگتر به مولکولهای کوچکتر با جرم مولی کمتر تبدیل می شوند افزودن ۲ الی ۳ درصد هیدوژن به زغال سنگ ، روغن سنگینی میدهد که می توان از آن در نیروگاهها به عنوان سوخت استفاده کرد با افزودن ۶ درصد یا بیشتر هیدروژن به زغال سنگ مخلوط قابل تقطیری از روغنهای سبک به دست می آید . جستجو برای یافتن راهی که بتوان زغال سنگ را تا مرحله تولید متان . هیدروژن دار کرد . ادامه دارد ، زیرا از متان تولید شده می توان به جای گاز طبیعی به عنوان سوخت استفاده کرد فرآیند دیگری که از نظر صنعتی حائز اهمیت است ، هیدروژن دار کردن کربن منو کسید و تبدیل آن به متانول است .

منابع و مآخذ :

کتاب شیمی توصیفی هنصر ها

نوشته دکتر منصور عابدینی