الهيدروجين وقود المستقبل  

الهيدروجين هو أحد العناصر الكيميائية الموجودة في الطبيعة ، ورمزه الكيميائي هو H ورقمه الذري (1) ، وهو غاز عديم الطعم ، وعديم اللون ، وعديم الرائحة في ظروف الضغط والحرارة العادية ، وغير سام ، وقابل للاشتعال ، و له معادل أحادي وصيغته الجزيئية (H2ومرشح قوي للهيدروجين ليكون وقود المستقبل ، بما يمتلكه من خصائص تؤهله لهذا الدور.

تنسب ميزة اكتشاف الهيدروجين ، وقود المستقبل ، إلى العالم (هنري كافنديش) ، وقد تم ذلك عام 1766 ، وتم إطلاقه عندما تتفاعل الأحماض مع المعادن المختلفة والممتدة ، وكان يعلم أيضًا أن يؤدي احتراق هذا العنصر إلى تكوين الماء ، لذا فإن نسب اكتشافه للعالم هنري.

في عام 1783 أطلق عليه العالم (أنطوان لافوازييه) اسم (الهيدروجين) ، والذي يتكون من مقطعين مشتقين من اللغة اليونانية القديمة ، المقطع الأول (hydro) الذي يعني الماء ، والمقطع الثاني وهو ( الجين) وتعني الولادة فيصبح الاسم (هيدروجين) أي ولادة الماء. وذلك عندما كرر العالم (بيير لابلاس) تجربة حرق الغاز لتكوين الماء.

في عام 1783 أطلق عليه العالم (أنطوان لافوازييه) اسم (الهيدروجين) ، والذي يتكون من مقطعين مشتقين من اللغة اليونانية القديمة ، المقطع الأول (hydro) الذي يعني الماء ، والمقطع الثاني وهو ( الجين) وتعني الولادة فيصبح الاسم (هيدروجين) أي ولادة الماء. وذلك عندما أعاد العالم (بيير لابلاس) تجربة حرق الغاز لتكوين الماء.

أما العالم (جيمس ديوار) فقد تمكن من تحضير الهيدروجين الصلب واستخدم تقنية التبريد للحصول على الهيدروجين السائل وحفظه فيما يعرف بـ (وعاء ديوار).

تتكون ذرة الهيدروجين من بروتون وإلكترون واحد فقط ، وقد تم استخدامها لشرح وشرح (نظرية التركيب الذري) من خلال شرح الطيف الذي تنبعث منه في النطاق المرئي ، وذرة الهيدروجين هي الذرة المعتدلة الوحيدة التي لديها حل في معادلة شرودنغر.

توافر عنصر في الطبيعة

يشكل الهيدروجين 75٪ من الكتلة الكلية لجميع العناصر في الطبيعة ، ويختلف وجوده في الكون عن الشكل الموجود على الأرض ، حيث يتواجد على شكل (مادة وطاقة) معتم ، كما أنه يوجد بشكل كبير جداً. بكميات كبيرة في النجوم الغازية العملاقة ، وللغيوم الغازية المكونة من جزيئات الهيدروجين (H2) دور مهم للغاية في تكوين وولادة النجوم ، وذلك من خلال تزويد هذه النجوم بالوقود اللازم لذلك ، من خلال سلاسل تفاعل (كربون - نيتروجين - أكسجين) CNO لتكوين الهيليوم الناتج عن الاندماج النووي.

مناطق الهيدروجين ، الوقود المستقبلي خارج النطاق النجمي ، تكون على شكل ذرات معتدلة تنبعث منها إشعاعات بتردد 1420 ميجاهرتز ، وهو ما يسمى (خط الهيدروجين) ، مما يدل على مناطق تركيز الهيدروجين ، وغيوم الهيدروجين المتأينة. تسمى مناطق الهيدروجين II وتنبعث منها كميات هائلة من الإشعاع الذي تمكننا دراسته من معرفة تركيبة المواد التي يتكون منها (الوسط البينجمي).

منطقة NGC 604

يتكون من الهيدروجين المتأين الموجود في مجرة ​​(المثلث) ، ويوجد على شكل كاتيون ثلاثي الهيدروجين (H3 +) ناتج عن تأثير الأشعة الكونية ، ويوجد في الطبقات العليا من الغلاف الجوي للمشتري ، بينما النمط (كاتيون ثنائي الهيدروجين (H2 +) نادر في الكون.

حضوره على الأرض

يوجد عنصر الهيدروجين مجانًا على شكل جزيء غازي (H.2هذا في الظروف العادية للضغط والحرارة وهو نادر ووجوده بهذه الطريقة هو واحد بالمائة فقط في المليون بالنسبة لوجوده في الغلاف الجوي ولكنه موجود بكثرة عندما يرتبط في شكل من المركبات الكيميائية ، وهو العنصر الثالث من حيث حجم التواجد على سطح الأرض وهذا بعد عنصري السيليكون والأكسجين ، مع العلم أن معظم المعادن المعروفة حتى الآن تحتوي على الهيدروجين في تركيبها المعدني.

تحضير الهيدروجين

تحضير الهيدروجين

توجد مئات الطرق لتحضير الهيدروجين في المعامل ولكن بكميات قليلة وغير كافية للتطبيقات الصناعية ، ويتم تحضيره في المختبر عن طريق تفاعل الأحماض مع المعادن النشطة مثل (المغنيسيوم Mg ، الزنك Zn ، الحديد Fe ، القصدير) مثل رد الفعل التالي للتحضير (H2):

Zn+2 + 2 ح- —- Zn + H2

التحضير (H.2عن طريق تفاعل حمض الهيدروكلوريك و Na:

2 Na + 2 HCl—- 2 NaCl + H2

صناعيا ، H.2التحليل الكهربائي ، حيث يتم تطبيق تيار كهربائي على قطبين مغمورين في حاوية مملوءة بالماء ، ويتم جمع كاثود الهيدروجين (الكاثود) والأكسجين على المصعد. هذه الطريقة بسيطة ، لكنها غير مجدية صناعيًا ، بسبب الاستهلاك الكبير للطاقة ، والتفاعلات الجانبية التي تحدث ، مما يقلل من الجدوى الاقتصادية لهذه العملية.

أما الطرق البديلة المستخدمة في تحضير الهيدروجين فهي الاعتماد على الإنزيمات والطحالب لإنتاج الهيدروجين ، مع الزيادة الكبيرة في الطلب على الطاقة وانخفاضها في نفس الوقت ، فالهيدروجين هو وقود المستقبل هو الحل للجميع مشاكل الطاقة في القرن الحادي والعشرين ، وتتطلب هذه الطريقة استخدام ثلاثة عشر إنزيمًا محفزًا ، بما في ذلك إنزيم واحد. إن زيلوكيناز متعدد الفوسفات (زيلولوكيناز.

نظائر الهيدروجين

له ثلاثة نظائر (Protium H1 - Deuterium H2 - Tritium H3) ، وهو العنصر الوحيد الذي له نظائر بأسماء مختلفة ، وعادة ما تسمى نظائر العناصر الكيميائية الأخرى باسم العنصر بالإضافة إلى عدد النيوترونات الموجودة فيه نواة.

هناك نظائر مشعة أخرى ولكنها غير موجودة بشكل طبيعي ويتم الحصول عليها صناعياً ومنها (H4 - H5 - H6 - H7).

الخصائص الفيزيائية للهيدروجين

يحتوي الهيدروجين على خصائص فيزيائية مهمة جدًا ، بما في ذلك:

  • غاز الهيدروجين هو الأخف وزنا من بين كل العناصر الكيميائية ، وكثافته أقل من باقي العناصر ، لذا فإن الهيدروجين هو وقود المستقبل.
  • يتكون من بروتون واحد وإلكترون واحد ، وهو موجود في الشكل الجزيئي (H.2) في الظروف العادية للضغط ودرجة الحرارة.
  • نقطة الغليان هي -252 درجة مئوية.ا) أو (21.15 كلفن) ونقطة انصهارها (-259 درجة مئوية).اأو (14.02 كلفن) وقابليته للذوبان في الماء (1.6) ملجم / لتر ، وموصلية الحرارة الأعلى بين العناصر الكيميائية ولزوجته منخفضة.

أشكال الهيدروجين

له أشكال عديدة يتواجد في:

  • يكون الشكل الغازي على شكل جزيئات هيدروجين ثنائي الذرة ويرمز له بـ (H.2) عند درجة حرارة وضغط قياسيين.
  • يبدأ في التكثيف عند درجة حرارة أقل من -252 درجة مئوية.ا) ولها الرمز التالي (LH2يكون على شكل سائل عديم اللون ، وتبدأ بلورات الهيدروجين الصلبة بالتشكل عند درجة حرارة (-259 درجة مئوية).ا).

الخصائص الكيميائية للهيدروجين

  • يتم إجراء تفاعل الاحتراق وفقًا للمعادلة الكيميائية التالية:

2 ح2(ز) + س2 (ز) - 2 ح2ا (ل)

يمكن تكوين خليط متفجر بين الهواء والهيدروجين بتركيز منخفض عندما تتوفر شرارات ناتجة عن أي دائرة قصر ، ودرجة الاشتعال الذاتي تساوي (500 درجة مئوية).ا).

  • تفاعل الهيدروجين مع عناصر كيميائية مثل (Cl و Fl) هو ما يسمى هاليدات مثل (هيدروجين كلوريد HCl وفلوريد الهيدروجين (HFl) ، وهي أحماض فعالة للغاية.
  • ينتج تفاعل الهيدروجين مع الكربون C سلسلة طويلة من المركبات المختلفة التي لها أهمية كبيرة تسمى (الهيدروكربونات) وهي مركبات عضوية مثل (غاز الميثان والبنزين .........).
  • يمكن لبعض الطحالب التي تسمى (Chlamydomnas reinhardtii) ، مع تفاعلات غير ضوئية ، على الرغم من أن الطحالب نباتات خضراء ، فإنها تجري تفاعلات اختزالية يتشكل فيها الهيدروجين بمساعدة إنزيمات خاصة تسمى hydrogenase.

الهيدروجين هو وقود المستقبل

في ظل استنفاد المصادر المعتمدة على الطاقة للوقود الأحفوري ، يعتبر البحث عن بدائل أمرًا ملحًا ، وظهرت مقترحات باستخدام الهيدروجين كمصدر للطاقة البديلة ، لذلك تم استدعاء اختراع قديم ترك في الأدراج ، لعدم كفاية عائدها الاقتصادي ألا وهو (خلية الوقود الجديدة). اخترعها العالم (ويليام جروف) عام 1837.

وتعتمد في عملها على تفاعل الهيدروجين والأكسجين اللذين ينتجان طاقة كهربائية بالإضافة إلى مياه الشرب النقية ، وبهذه التقنية توفر الطاقة للمركبات الفضائية أثناء تواجدها في الفضاء الخارجي والمياه حتى يشربها رواد الفضاء.

ومع ذلك ، لا تزال بعض المشكلات الفنية تعيق ذلك ، بما في ذلك توفير الهيدروجين اللازم بالكمية والوقت اللازمين. يواجه الهيدروجين صعوبات في تخزينه وحفظه ، أو الأكسجين ، فلا مانع منه إطلاقاً ، فمصدره هو الهواء.

استخدام الهيدروجين كوقود للمستقبل هو استخدام آمن لكل من الإنسان والبيئة ، حيث لا ينتج عنه أي مخلفات ضارة على العكس ، لذا فإن استخدامه ينتج عنه مياه شرب نظيفة.

خلية الوقود الجديدة

تنتج هذه الخلية الطاقة الكهربائية مباشرة من تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية ، باستخدام الهيدروجين كوقود للمستقبل.

كيف تعمل خلية وقود هيدروجينية جديدة

كيف تعمل خلية الوقود الجديدة

يوجد في الخلية مساران معدنيان ، الكاثود أو الأنود ، والكاثود ، مغموران في المنحل بالكهرباء ، ويفصل بينهما غشاء الفصل ، تتجمع الإلكترونات السالبة (e-) حول الأنود ، بينما تتجمع أيونات الهيدروجين الموجبة (H.+) لذلك يتجمع على القطب السالب ويؤدي تفاعلهما إلى إنتاج طاقة كهربائية بين القطبين السالب والموجب ، والتيار الكهربائي هو حركة الإلكترونات.

تطبيقات الهيدروجين

تطبيقات استخدام الهيدروجين كوقود للمستقبل

من أهم التطبيقات تأمين الوقود اللازم لتغذية السفن الفضائية أثناء رحلاتها إلى الفضاء ، حيث يصعب تأمين الطاقة اللازمة لها بالشكل الكلاسيكي ، لذلك كان الهيدروجين هو الحل ، عن طريق خلايا الوفود الهيدروجينية. والتي بدونها لما كانت الرحلات الفضائية لـ (أبولو) ممكنة ، وابتكرت الخلايا ذلك العالم (وليام جروف ، كان الشرارة التي غذت فكرة إطلاق الوقود البديل (الهيدروجين ، وقود المستقبل).

1 - توليد الطاقة الكهربائية

تم تزويد محطات الغاز لتوليد الكهرباء بخلايا وقود الهيدروجين ، مما ساعد على توليد طاقة كهربائية بجهد عالي وعائد مرتفع للغاية ، وذلك باستخدام البخار الناتج عن تسخين الماء بالحرارة الناتجة عن التفاعلات التي تحدث داخل خلايا الوقود الهيدروجينية. لتدوير توربينات الغاز.

2- إنارة المستشفيات والقرى البعيدة

وذلك في المناطق النائية حيث لا يمكن تركيب أبراج لتوزيع الطاقة الكهربائية ، وبالتالي يتم حلها بواسطة خلايا وقود الهيدروجين.

3- تطبيقات في مجال إلكترونيات التغذية

خلايا الوقود الجديدة التي تعتمد على الهيدروجين ، وقود المستقبل ، هي الأنسب لتغذية الأجهزة الإلكترونية من الهواتف المحمولة أو أجهزة الكمبيوتر المحمولة بسبب صغر حجمها وكفاءتها القصوى. أطلقت شركة الهاتف المحمول (موتورولا) هاتفها المحمول الذي يعمل على خلايا بوقود الهيدروجين الذي يمكن للهاتف استخدامه لفترة من الوقت. أكثر من عشرة أضعاف الخلايا الطبيعية وبشكل مستمر.

كما طرحت شركة سيمنز للإلكترونيات الكمبيوتر المحمول (Notebook) الذي يعمل على خلايا وقود الهيدروجين ويمكنه من العمل لمدة أسبوع كامل دون انقطاع ودون مساعدة من أي أنواع أخرى من الطاقة.

3 - في مجال النقل

في مجال الواصلات

البداية كانت بالشاحنات الكبيرة نظرا لكبر حجم الخلايا ولكن التطور الذي حدث جعل السيارات الصغيرة قادرة على الاعتماد عليها خاصة وأن استخدام هذه الخلايا لا يترك آثارا جانبية تلوث البيئة والسيارات التي تعمل على قامت خلايا الهيدروجين بتزويد الوقود المستقبلي بشعار يشير إلى استخدامها لتلك الخلايا (مركبات خالية من الانبعاثات) ، مما يعني أن هذه السيارات صديقة للبيئة ، والشعار باختصار هو (ZEV).

وما زالت الأبحاث مستمرة حتى الآن ، بحيث يصبح الهيدروجين وقود المستقبل ، وهو حل لمشكلة نقص الطاقة والوقود في العالم وارتفاع أسعاره مع زيادة الطلب عليه.

قد تكون مهتمًا أيضًا:

  • نظرية الانشطار النووي لديها وماذا لديها.
  • معلومات عن الثقب الأسود.
  • حقائق عن كوكب المشتري.
  • معلومات عن مثلث الموت مثلث برمودا.

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

زر الذهاب إلى الأعلى