هیدروژن

هیدروژن

در گوشه بالا سمت چپ جدول تناوبی اولین عنصر یعنی هیدروژن با عدد 1 قرار دارد. سالها قبل از آنکه دانشمندان این ماده را به عنوان یک عنصر خالص کشف کنند به روشهای مختلف آنرا تولید کرده و از آن استفاده می کردند.

لاوازیه (Antoine Lavoisier, 1743 - 1794) شیمیدان فرانسوی هنگام تحقیقاتی که روی آب انجام می داد متوجه شد که آب از دو گاز تشکیل شده است، نام یکی را اکسِژن و نام دیگری را هیدروژن نهاد. همچنین هنری کاوندیش (Henry Cavendish, 1731-1810) دانشمند خجالتی انگلیسی در سال 1766 طی تحقیقات و آزمایشهایی که انجام میداد متوجه شد که هیدروژن یک عنصر مجزا می باشد.

شاید بزرگترین خصیصه هیدروژن آن باشد که فراوان ترین عنصر در تمام عالم هستی می باشد. هیدروژن قابل اشتعال بوده حتما" تعجب خواهید کرد اگر بدانید که بنا بر برآوردهایی که انجام شده است حدود 90 درصد از اتمها و نیز حدود 75 درصد از جرم کل هستی از هیدروژن تشکیل شده است. این ماده در تمام ستاره ها وجود دارد و منبع اصلی تهیه انرژی ستاره ها بواسطه واکنش های هسته ای می باشد.

از میان روشهای صنعتی تهیه هیدروژن می توانه به ترکیب بخار آب با کربن گداخته، تجزیه هیدروکربنها بوسیله حرارت، واکنش میان هیدروکسید سدیم یا پتاسیم با آلمینیوم، الکترولیز آب، ترکیب فلزات با اسیدها و ... نام برد.

هیدروژن مایع برای مصارف برودتی کاربرد فراروان دارد و در مطالعات مربوط به ابر رسانا ها (Superconductors) بکار می رود. هیدروژن همچنین ماده اولیه سازنده سیاره غول پیکر مشتری (Jupiter) و سایر سیاره هایی است که حالت گازی دارند. جالب است بدانید که میزان فشار در مرکز چنین سیاراتی آنقدر زیاد می باشد که در آنجا نه تنها هیدروژن جامد وجود دارد بلکه فشار به حدی زیاد است که وجود هیدروژن بصورت فلز در این قسمت از اینگونه سیارات به اثبات رسیده است.

تحقیقات دانشمندان آمریکایی در سال 1972 نشان داد که در فشارهای بالای 2Mbar هیدروژن می تواند به حالت فلز نمایان شود و قابلیت هدایت بسیار زیادی از خود نشان دهد. به دنبال آن در سال 1973 دانشمدان روسی موفق شدند که با فشاری معادل 2.8Mbar هیدروژن را بشکل و سختی فلز تهیه کنند و آزمایشهایی را بر روی قابلیت رسانایی این فلز انجام دهند.

با وجود همه این مسائل در جو زمین میزان هیدروژن آنقدر زیاد نیست. دلیل عمده آن سبکی بیش از حد این ماده می باشد که توان ماندگاری این گاز در جو کره زمین را کم می کند. در روی زمین نیز هیدروژن علاوه بر آب در انواع سوخت های فسیلی (نفت، ذغال) و نیز ساختمان ارگانیک گیاهان و موجودات زنده وجود دارد. لازم به ذکر است که امروزه تحقیقات و آزمایشات دانشمندان برای جایگزینی سوختهای فسیلی با هیدروژن به نتایج قابل قبولی رسیده است و امید آن می رود که بزودی بتوان بصورت صنعتی از این ماده بعنوان یکی از منابع اصلی تولید انرژی استفاده کرد.

# تریتیوم که در رآکتورهای اتمی تولید می‌شود در ساخت بمبهای هیدروژنی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
# هیدروژن چهارده و نیم بار از هوا سبکتر است و سابقا بعنوان عامل بالا برنده در بالون‌ها و کشتی‌های هوایی مورد استفاده قرار می‌گرفت تا وقتیکه فاجعه هیندنبرگ ثابت کرد که استفاده از این گاز برای این منظور بسیار خطرناک است.

این یکی از کاربرد های تریتیوم است:
مب های همجوشی: بمب های همجوشی کار می کردند ولی کارآیی بالایی نداشتند. بمب های همجوشی که بمب های «ترمونوکلئار» هم نامیده می شوند، بازده و کارآیی به مراتب بالاتری دارند. برای تولید بمب همجوشی باید مشکلات زیر حل شود:دوتریوم و تریتیوم مواد به کار رفته در سوخت همجوشی هر دو گازند و ذخیره کردنشان دشوار است. تریتیوم هم کمیاب است و هم نیمه عمر کوتاهی دارد بنابراین سوخت بمب باید همواره تکمیل و پر شود.دوتریوم و تریتیوم باید به شدت در دمای بالا برای آغاز واکنش همجوشی فشرده شوند. در نهایت «استانسیلا اولام» دریافت که بیشتر پرتو به دست آمده از یک واکنش فیزیون، اشعه X است که این اشعه X می تواند با ایجاد درجه حرارت بالا و فشار زیاد مقدمات همجوشی را آماده کند.



اتم هیدروژن ساده‌ترین اتمها می‌باشد، و همین امر سبب می‌شود که هرگاه مطالعه‌ای در مورد ساختار اتمها انجام شود، ابتدا این مطالعه در مورد اتم هیدروژن شروع می‌شود. بعد از اینکه نتیجه گیریها در مورد اتم هیدروژن با نتایج تجربی و عملی موجود موافق بود، یعنی صحت و درستی تئوری یا نظریه در مورد اتم هیدروژن از نظر تجربی تأیید گردید، مطالعه را به اتمهای دیگر تعمیم می‌دهند. به عنوان مثال کوانتش ترازهای انرژی ، اولین بار در مورد اتم هیدروژن به اثبات رسید، سپس در مورد اتمها دیگر نیز مطالعه شد.

اما ادامه ی مطلب:
مشخصات اتم هیدروژن

ساختمان اتم هیدروژن از یک هسته و یک الکترون تشکیل شده است. معلوم شده است که قطر اتم هیدروژن تقریبا یک آنگسترم است و الکترون در این اتم با انرژی 13.6 الکترون ولت (هر الکترون ولت معادل 1.6x10-19 ژول است) به هسته مقید است.

طیف اتم هیدروژن

طیف مربوط به اتم هیدروژن که توسط طیف سنج منشوری یا طیف سنج توری پراش حاصل می‌شود، متشکل از تعدادی خطوط تیزه گسسته ، و روشن در زمینه سیاه است. این خطوط تصویرهای شکاف هستند. در حقیقت ، طیف تمام عناصر شیمیایی که به شکل گاز تک اتمی هستند، مرکب از چنین خطوط روشن است. این طیف به طیف خطی معروف است. در این صورت طیف گسیلی ناشی از اتم هیدروژن ، که یک طیف خطی روشن است، مشخصه هیدروژن است.

طیف اتم هیدروژن به نواحی مختلف تقسیم‌بندی می‌شوند، که هر کدام از این نواحی به افتخار دانشمندانی که آنها را اولین بار تعیین کرده‌اند، به نام آن ثبت شده است. اولین ناحیه فرابنفش است که به سری لیمان معروف است. ناحیه دوم ، ناحیه مرئی است که به سری بالمر معروف است. ناحیه سوم ، ناحیه فروسرخ است که سری پاشن نامیده می‌شود.

ایزوتوپهای هیدروژن

هیدروژن با عدد اتمی یک و عدد جرمی یک ، یکی از ایزوتوپهای اتم هیدروژن است. این نوع ایزوتوپ فاقد نوترون است.


دوتریم با فرمول شیمیایی 21H که عدد اتمی آن یک بوده و عدد جرمی‌اش برابر 2 است. این ایزوتوپ دارای یک نوترون است. این نوع هیدروژن را هیدروژن سنگین نیز می‌گویند.

دیدگاه کوانتومی اتم هیدروژن

از آنجا که اتم هیدروژن ساده‌ترین اتمهاست، بنابراین ابتدا معادله شرویدینگر در مورد اتم هیدروژن حل می‌شود. سپس این نتایج با تغییراتی در معادله شرودینگر در مورد عناصر دیگر تعمیم داده می‌شود. بر اساس جوابهای معادله شرودینگر ترازهای انرژی اتم هیدروژن حاصل می‌شوند. به هر تراز اتمی یک عدد کوانتومی اصلی که با n نشان داده می‌شود، تعریف می‌کنند، در حالت پایه الکترون اتم هیدروژن در تراز n = 1 قرار دارد. اگر هیدروژن بوسیله عواملی مانند میدان خارجی تحریک شود، در این صورت الکترون تحریک شده و به تراز بالاتر می‌رود که در اینحالت اصطلاحا گفته می‌شود که اتم هیدروژن برانگیخته شده است.

از آنجا که حالت برانگیخته حالت پایداری نیست، لذا الکترون از قوسی به تراز اولیه بر می‌گردد. اختلاف انرژی این دو تراز توسط اتم به صورت تابش الکترومغناطیسی ، گسیل می‌گردد. بر اساس اینکه تعداد انرژی الکترون برانگیخته و یا اختلاف انرژی دو تراز پایه و برانگیخته چقدر باشد، طول موج تابش الکترومغناطیسی حاصل متفاوت خواهد بود. به این ترتیب طیفی حاصل می‌گردد که به طیف اتم هیدروژن معروف است.

فرق دیدگاه کوانتومی و دیدگاه کلاسیکی اتم هیدروژن

در دیدگاه فیزیک کلاسیک ، اتم هیدروژن دارای طیف پیوسته است، در صورتی که دیدگاه کوانتومی طیف گسسته‌ای را پیش بینی می‌کند. این گسسته بودن طیف از کوانتومی بودن انرژی الکترون در ترازهای اتمی حاصل می‌گردد. شایان ذکر است که ایزوتوپهای هیدروژن از مطالعه طیف اتم هیدروژن شناسایی شده‌اند. به عنوان مثال اختلاف بین طیف هیدروژن و طیف دو ترسیم (که در آن جرم هسته تقریبا دو برابر جرم پروتون است) سبب شد که یوری و همکارانش در سال 1932 دوتریم را کشف کنند.

هیدروژن ساده ترین عنصر شناخته شده برای انسان است. هر اتم هیدروژن تنها یك پروتن و یك نوترون دارد . هیدروژن فراوانترین گاز هستی است . ستاره ها در ابتدا از هیدروژن ساخته شده بودند.
انرژی خورشید , از هیدروژن بدست می آید. هیدروژن توپ عظیمی از گازهای هیدروژن و هلیم است . درون خورشید اتمهای هیدروژن تركیب شده و اتمهای هلیم را پدید می آورد . این پدیده گدازه Pusiun انرژی پرتوی خورشید را تولید می كند.
انرژی پرتوی خورشید باعث برقراری حیات بر روی زمین است. این انرژی به ما نور می دهد, باعث رشد گیاهان می شود , بادها را به جریان می اندازد و باعث بارش باران می شود. این انرژی در سوختهای فسیلی ذخیره شده است . بیشتر انرژی مصرفی ما در حال حاضر از خورشید منشاء می گیرد.
هیدروزن گازی ( H۲ ) در روی زمین وجود ندارد . این عنصر همیشه بصورت تركیبی است. بطور مثال تركیب با اكسیژن ( H۲O - آب ) تركیب هیدروژن با كربن تركیبات شیمیایی متفاوتی مانند متان
( CH۴ ) , زغال و نفت را بدست می دهد . همچنین هیدروژن در تراكم زیست و مواد عالی یافت می شود .
هیدروژن از نظر امروزی بیشترین محتوای انرژی هر سوخت را دارد, اما از نظر حجمی كمترین فشار عادی بصورت گاز وجود دارد.

● هیدروژن می تواند انرژی را ذخیره كند


بیشتر انرژی كه ما امروزه مصرف می كنیم از سوختهای فسیلی بدست می آید. تنها ۶ در صد منابع انرژی از منابع تجدید پذیر هستند, زیرا این انرژیها تمیزتر و قابل استفاده تر در طول یك زمان كوتاه هستند.
منابع انرژی تجدید پذیر مانند خورشید و باد نمی توانند همه وقت انرژی تولید كند. خورشید همیشه نمی تواند , باد همیشه نمی وزد, منابع تجدید پذیر در زمان و مكانی كه ما نیاز داریم انرژی تولید نمی كند .ما نمی توانیم منابع انرژی زیادی برای تولید هیدروژن استفاده كنیم هیدروژن می تواند انرژی را در زمان و مكانی كه ما نیاز داریم .

● هیدروژن انتقال دهنده انرژی


هر روز ما انرژی برقی بیشتری مصرف می كنیم برق منبع ثانویه انرژی است . منابع ثانویه انرژی كه گاهی به آنها ناقل های انرژی هم گفته می شود, انرژی را به مصرف كننده می رساند . از آنجا كه استفاده و انتقال برق برای ما آسانتر است ما انرژیها را به انرژی برق تبدیل می كنیم.
برق به ما نور, گرما , آب داغ . غذای سرد , تلویزیون و كامپیوتر می دهد. زندگی بسیار سخت می شد اگر ما مجبور بودیم ذغال بسوزانیم, اتم بشكافیم یا سدهای خود رابسازیم , انرژی زندگی را ساده تر كرده است .
هیدروژن یك ناقل انرژی برای آینده است . این عنصر سوخت تمیزی است كه می تواند در جاهایی كه ما به سختی از برق استفاده می كنیم , جایگزین آن شود. فرستادن برق در مسیرهایی طولانی۴برابر بیشتر از حمل دریایی هیدروژن بصورت خطوط لوله ایی هزینه در بر دارد.

● هیدروژن چطور ساخته می شود؟

از آنجا كه هیدروژن گازی در زمین وجود ندارد , ما باید آن را بسازیم . ما با جدا كردن هیدروژن از آب , تراكم زیست یا گاز طبیعی از منابع محلی هیدروژن می سازیم .
دانشمندان حتی كشف كرده اند كه بعضی جلبكها و باكتریها هیدروژن تولید می كنند. تولید هیدروژن در حال حاضر بسیار گران است . اما فنون جدیدی برای اینكار در حال توسعه است. هیدروژن می تواند برای خدمات رفاهی مركزی برزگ یا دستگاههای كوچك با كاربرد محلی تولید شود . هر منطقه ای از كشور یا دنیا منبعی دارد كه بتواند برای ساختن هیدروژن بكار گرفته شود . انعطاف پذیری هیدروژن یكی از امتیازات عمده آن است .

● كاربردهای هیدروژن۹


میلیون تن هیدروژن در ایالات متحده تولید شده است. امروزه این میزان برای ۲۰ تا ۳۰ میلیون ماشین یا ۵تا۸ میلیون خانه كافیست . اغلب این هیدروژن در صنعت بصورت پالایش . پرداخت فلزات و فراوری غذاها مصرف می شود .
Nasa اولین كاربر هیدروژن بعنوان ناقل انرژی است كه هیدروژن را برای سالها در برنامه فضایی مورد استفاده قرار داد . سوخت هیدروژن موشك فضایی را به مدار می رساند.
باتری ها هیدروژن كه سلولهای سوختی هم نامیده می شوند به سیستمهای الكتریكی موشك نیرو می دهد . تنها محصول فرعی در چنین فرآیندهایی آب است كه خدمه موشك از آن برای نوشیدن استفاده می كند.
سلولهای سوختی هیدروژن یا باتریهای هیدروژنی برق تولید می كند . آنها بسیار كارا هستند , اما ساخت آنها گران است . سلولهای سوختی كوچك می توانند برق مناطق دور دست را تامین كند .

● هیدروژن به عنوان سوخت



دستگاههای نیروی هیدروژنی برای مدتی ساخته نخواهند شد , زیرا هزینه زیادی به همراه دارد . هیدروژن ممكن است به زودی به گاز طبیعی اضافه شود, تا از آلودگی دستگاههای موجود بكاهد . هیدروژن بزودی به گازوئیل اضافه خواهد شد تا آلودگی را كاهش داده و كارایی را زیاد كند . اضافه كردن تنها ۵ درصد هیدروژن به گازوئیل می تواند به میزان قابل توجهی اكسید نیتروژن كه در آلودگی لایه ازن بسیار موثر است را كاهش دهد .
موتوری كه هیدروژن خالص می سوزاند , تقریباً هیچ آلودگی ندارد. شاید حدود ۱۰ تا ۲۰ سال به استفاده از اتومبیل شخصی مصرف كننده هیدروژن باقی مانده است .

● آینده هیدروژن


قبل از اینكه هیدروژن به عنوان یک سوخت مهم شناخته شود , سیستمهای جدید زیادی باید ساخته شود . ما به سیستمهایی نیاز خواهیم داشت كه هیدروژن بسازند, ذخیره كنتور انتقال دهند . ما به خطوط لوله و سلول سوختی اقتصادی نیاز خواهیم داشت مصرف كنندگان به تكنولوژی و آموزش استفاده از آن نیاز خواهند داشت .