هيدروژن

مقدمه
هيدروژن تنها عنصري است كه در هيچ يك از گروه هاي جدول تناوبي عنصرها محل مناسبي براي آن وجود ندارد. هيد روژن از بعضي جهات به فلزهاي قليايي و از جهاتي هم به هالوژنها شباهت دارد. ولي تفاوت آن با عنصرهاي اين دو گروه به قدري است كه مي توان گفت هيدروژن در جدول تناوبي عنصرهابراي خود موقعيتي منحصر به فرد دارد. . تشكيل يونهاي مثبت ومنفي از هيدروژن در مقايسه با فلزهاي قليايي و هالوژنها مشكلتر است . هيدروژن فراوانترين عنصر در كره زمين است .

آب كه ۱۹/۱۱درصد وزني آن هيدروژن و۸۱/۸۸ درصد وزني آن اكسيژن است ۷۰ درصد سطح زمين را به صورت اقيانوسها ، رودخانه ها درياچه ها و ساير منابع آبي مي پوشاند . مقدار هيدروژن در جو زمين بسيار اندك است . هيدروژن در زمين به صورت تركيب با ساير عنصرها يافت مي شود . علاوه بر آب موجود در هيدروفسفر در گياهان و جانوران نيزمقدار قابل توجهي آب وجود دارد. همچنين درگياهان و جانوران مقداري هيدروژن به صورت تركيب در پروتوئينها چربيها و قندها يافت مي شود . هيدروژن يكي از عنصرهاي سازنده سوختهاي فسيلي نيز به شمار مي رود.

۱-۱ خواص هيدروژن
هيدروژن سبكترين عنصر است و مولكول آن گازي بيرنگ بي بو .و بي طعم است . خواص هيدروژن در جدول ۱-۱ خلاصه شده است . دماي جوش و دماي ذوب بسيار كم هيدروژن نشانه اي از ضعيف بودن نيروهاي جاذبه بين مولكولي در حالتهاي مايع و جامد آن است . چگالي هيدروژن در حدود چگالي هواست . و انحلال پذيري آن در آب بسيار كم است .
هيدروژن گازي آتشگير است و با آن بايد با احتياط كاركرد. هيدروژن در دماي زياد يا بر اثر جرقه الكتريكي با اكسيژن تركيب شده، آب مي دهد هوايي كه حداقل ۱/۴ درصد تا حداكثر ۲/۷۴ درصد حجمي هيدروژن داشته باشد بالقوه منفجر شونده است .

خواص مولكولي خواص اتمي
دماي ذوب
۲/۲۵۹- انرژي يونش
۵/۱۳۱۲
دماي جوش
۸/۲۵۲- الكترونخواهي
۷/۷۲
چگالي

الكترونگاتيوي(مقياس پاولينگ) ۱/۲
طول پيوند
۷۴۲/۰ شعاع اتمي
۳۷/۰
انرژي تفكيك پيوند
۴۳۶ شعاع يوني
۱/۲
انرژي تفكيك شونده پيوند هيدروژن – هيدروژن نسبتا زياد است و از اين رو مولكول هيدروژن بسيار پايدار است .

چون مقدار زيادي انرژي براي گسستن پيوند H-H لازم است فعاليت شيميايي اين مولكول زياد نيست و بسياري از واكنشهاي آن كند است . از اين رو انجام
يك واكنش رضايتبخش با مولكول به دماي زياد ياكاتاليزگر نياز دارد. اين كاتاليزگرها در بسياري از موارد مولكول را شكسته به اتم تبديل مي كنند. اتمهاي هيدروژن از نظر شيميايي بسيار فعالند.

يون صرفا يك پروتون است و هيچ يون مثبت ديگري كه داراي بار ۱+ باشد به كوچكي يون هيدروژن و چگالي بار هيچ يوني به بزرگي چگالي بار يون نيست زيرا در يون هيدروژن بار مثبت پروتون كاملا بدون حفاظ است . اگر چه در منطقه بالاي جو وجود دارد. ولي معمولا با يك يا تعداد بيشتري مولكول آب همراه است يون را در محلول آبي به صورت يون هيدرونيوم نشان مي دهند.

آرايش الكتروني هيدروژن به صورت است و به دو طريق مي تواند به آرايش گاز نجيب بعدي يعني هليم برسد: (۱) با اضافه شدن يك الكترون به آن و تشكيل يون هيدريد يا (۲) توسط اشتراك الكترون با اتم ديگر در يك پيوند كووالانسي . هيدروژن در بيشتر تركيبهاي خود پيوند كووالانسي دارد.
مولكول هيدروژن كه دو پروتون و دو الكترون دارد ، سبكترين و سادهترين ملكول است . تشكيل پيوند هيدروژني يكي از خواص ويژه هيدروژني است كه به وسيله پيوند كووالانسي به يك اتم كوچك و كاملا الكترونگاتيو متصل شده است . يون هيدريد فقط از تركيب هيدروژن با فلزهايي ك به آساني الكترون از دست مي دهند تشكيل مي شود .
مانند سديم هيدريد NaH

اغلب، مولكول هيدروژن به صورت يك عامل كاهنده عمل مي كند و عدد اكسايش آن از صفر به يك تغيير مي كند مانند كاهش آهن (II)اكسيد به آهن فلزي

در كليه واكنشهايي كه در بخشهاي بعد ذكر شده اند جز در مورد تشكيل هيدريد فلزها مولكول هيدروژن يك عامل كاهنده است و در محصولاتي كه به دست مي آيد، هيدروژن عدد اكسايش ۱+ دارد و به وسيله پيوند كووالانسي به عنصري با الكترونگاتيوي بيشتر متصل شده است . در هيدريد فلزها عدد اكسايش هيدروژن ۱- است.
۱-۲ ايزوتوپهاي هيدروژن

هيدروژن سه ايزوتوپ دارد كه فراوانترين آنها هيدروژن معمولي( پروتونيوم) با عدد جرمي يك است و در هسته خود يك پروتون دارد و با علامت نشان داده مي شود . دو ايزوتوپ ديگر هيدروژن عدد جرمي ۲ و ۳ دارند. ايزوتوپي كه داراي عدد جرمي دو است در هسته خود يك پروتون و يك نوترون دارد و آن را دوتريم يا هيدروژن سنگين مي نامند. و آن را با علامت يا D مشخص مي كنند. هيدروژني كه داراي عدد جرمي سه است در هسته خود يك پروتون و دو نوترون دارد و تريتيم خوانده مي شود و آن را با علامت يا T مشخص مي كنند . تريتيم بر خلاف هيدروژن معمولي و دوتريم كه هسته پايدار دارند پرتوزا است . مقدار ترتيم در طبيعت فوق العاده كم است و آن را معمولا از طريق واكنشهاي هسته اي بين ليتيم و نوترون به دست مي آورند.

در يك واكنش معين نسبت اجزاي سازنده محصول به دست آمده توسط هر يك از اين سه ايزوتوپ يكسان است زيرا آرايش الكتروني هر سه ايزوتوپ به صورت است . مثلا در واكنش كلر با هيدروژن معمولي دوتريم و تريتيم به ترتيب TCI .DCL. HCL تشكيل مي شود . تنها تفاوت اين واكنشها در سرعت آنها ست كه براي هيدروژن معمولي از همه بيشتر و براي تريتيم ازهمه كمتر است .خواص فيزيكي و هم چنين در جدول ۱-۲ با هم مقايسه شده است توجه كنيد كه ايزوتپهاي هيدروژن از نظر خواص شيميايي يكسانند.

جدول ۱-۲ مقايسه خواص فيزيكي و هم چنين

دماي ذوب
۲/۲۵۹- ۴/۲۵۴- دماي ذوب
۰/۰ ۸/۳
دماي جوش
۸/۲۵۲- ۵/۲۴۹- دماي جوش
۰/۱۰۰ ۴/۱۰۱
طول پيوند
۷۴۲/۰ ۷۴۲/۰ چگالي
در دماي
۹۹۷/۰ ۱۰/۱
انرژي تفكيك پيوند
۴۳۶ ۴۴۱
گرماي ذوب
۱۱۷/۰ ۱۹۶/۰ گرماي ذوب
۰۰۲/۶ ۲۷۰/۶
گرماي تبخير
۹۰۳/۰ ۲۲۵/۱ گرماي تبخير
۶/۴۰ ۶/۴۱
۳-۱ واكنشي هاي هيدروژن

در اين بخش به بررسي واكنشهاي هيدروژن مي پردازيم.
الف ) واكنش با عنصرها مولكول هيدروژن با بسياري از عنصرها به طور مستقيم تركيب مي شود. واكنشهاي هيدروژن با نافلزها در دماي زياد صورت مي گيرد و در اين واكنشها تركيبهايي با پيوند كووالانسي تشكيل مي شود مثلا هيدروژن با تمام هالوژنها تركيب مي شود و هيدروژن هاليدها را به وجود مي آورد. هيدروژن برميد را مي توان در آزمايشگاه با عبور دادن مخلوط هيدروژن و برم از روي كاتاليز گر در دماي تهيه كرد.

آمونياك را در صنعت از تركيب مستقيم هيدروژن و نيتروژن به دست مي آورند.

تركيب هيدروژن با اكسيژن جهت توليد آب، اگر چه يك واكنش گرماده است ولي در دماي معمولي بسيار كند است .

انجام اين واكنش در دماي در مجاورت كاتاليزگر به كندي صورت مي گيرد ولي در دماي با انفجار شديد همراه است . از اين واكنش در مشعلي كه سوخت آن اكسيژن و هيدروژن است براي رسيدن به دمايي در حدود استفاده مي شود.
مولكول هيدروژن در دماي زياد با بخار گوگرد تركيب مي شود و هيدروژن سولفيد مي دهد . اين واكنش چندان گرماده نيست .

هيدروژن با فلزهاي فعال هيدريد هاي نمك مانند مي دهد مثلا

ليتيم هيدريد جامدي است متبلور و سفيد رنگ و در دماي ذوب مي شود.
ب) واكنش با اكسيد فلزها
مولكول هيدروژن با اكسيد بعضي از فلزها ( آنهايي كه در سري الكتروشيميايي زير Fe قرار گرفته اند ) تركيب مي شود و فلز را آزاد مي كند

اين نوع واكنش در مقايسه با بيشتر فرايندهاي صنعتي گران است ولي از آن براي به دست آوردن فلزهاي گرانقيمت نظير تنگستن و طلا استفاده مي شود.
ج) هيدروژن دار كردن

منظور از هيدروژن دار كردن اضافه كردن دو اتم هيدروژن مربوط به مولكول به يك تركيب سير نشده است . براي انجام اين واكنش غالبا از كاتاليز گر استفاده مي كنند. واكنش هيدروژن دار كردن معمولا در فشار زياد صورت مي گيرد.
در بيشتر موارد هدف از هيدروژن دار كردن اضافه كردن هيدروژن به پيوند دوگانه كربن – كربن در يك تركيب آلي يا مخلوطي از تركيبهاي آلي است .
يك مثال ساده هيدروژن دار كردن اتيلن است .

روغنهاي نباتي مايع حاصل از لوبياي سويا، پنبه دانه و نارگيل را توسط هيدروژن دار كردن به چربيهاي جامد تبديل مي كنند . در سالهاي اخير، توجه زيادي به مايع كردن زغال سنگ مبذول شده است .

در اين فرايند مولكولهاي سير نشده در زغال سنگ هيدروژن دار مي شود هيدروژن دار شده كربن – كربن تحت فشار و دماي زياد شكسته مي شود و بدين ترتيب مولكولهاي بزرگتر به مولكولهاي كوچكتر با جرم مولي كمتر تبديل مي شوند . افزودن ۲ الي ۳ درصد وزني هيدروژن به زغال سنگ، روغن سنگيني مي دهد كه مي توان از آن در نيروگاه ها به عنوان سوخت استفاده كرد . با افزودن ۶ درصد يا بيشتر هيدروژن به زغال سنگ مخلوط قابل تقطيري از روغنهاي سبك به دست مي آيد . جستجو براي يافتن راهي كه بتوان زغال سنگ را تا مرحله توليد متان هيدروژن دار كرد، ادامه دارد، زيرا از متان توليد شده مي توان به جاي گاز طبيعي به عنوان سوخت استفاده كرد.

فرايند ديگري كه از نظر صنعتي حائز اهميت است هيدروژن دار كردن كربن مونوكسيد و تبديل آن به متانول (متيل الكل يا الكل چوب ) است

۹۰ درصد متانول به عنوان حد واسط ( تركيب مياني ) براي توليد ساير مواد شيميايي به كار مي رود و از ۱۰ درصد بقيه هم به عنوان حلال استفاده
مي شود.
۱-۴ هيدروژن و سري الكتروشيميايي
سري الكتروشيميايي فهرستي از عنصرها (معمولا فلزها ) است كه بر حسب كاهش تمايل اين عنصرها به از دست دادن الكترون در محلول آبي تنظيم شده است ( جدول ۱-۳ )
در اين سري يك فلز آزاد مي تواند از محلول آبي يون فلزي كه در زير آن قرار گرفته است فلز مربوط را آزاد كند. مثلا :

در اين واكنش فلز منيزيم و يون مس (II) كاهيده شده است .