كتب how to prepare hydrogen gas

الهيدروجين

إنّ الهيدروجين هو مادّة غازيّة تعتبر من أبسط المواد في عائلة العناصر الكيميائيّة، ويتميّز بأنّه قابل للاشتعال، وعديم اللون، والطّعم، والرّائحة، ويُرمز له بالحرف H باللغة الإنجليزيّة، أمّا ذرّة الهيدروجين فإنّها تحتوي على إلكترون يرتبط بالنواة ويحمل وحدة واحدة من الشحنات الكهربائيّة السالبة، وبروتون يحمل وحدة واحدة من الشحنات الكهربائيّة الموجبة، ويوجد غاز الهيدروجين على شكل تجمّع حر من جزيئات الهيدروجين المتكوّنة من ذرتين؛ أي (زوج من الذّرات) تحت الظروف الطبيعيّة، ويُرمز لهذا الغاز ثنائيّ الذرّات بالرّمز H2 باللغة الإنجليزيّة، وقد اشتُق اسم الهيدروجين من الكلمة الإغريقيّة التي تعني صانع الماء؛ بسبب أوّل خاصيّة كيميائيّة معروفة امتاز بها هذا الغاز؛ وهي احتراقه مع الأكسحين لتكوين مركّب الماء H2O.

كيفيّة تحضير غاز الهيدروجين

يمكن تحضير غاز الهيدروجيّن في المختبر أو المنزل باستخدام الأدوات المنزليّة الشائعة بسهولةٍ، وما يلي طرق تحضير هذا الغاز:

الطريقة الأولى

إنّ عمليّة استخلاص الهيدروجين من الماء هي من أسهل الطريق المُستخدمة للحصول على الهيدروجين؛ حيث يُقسّم الماء إلى هيدروجين وأكسجين باستخدام التحليل الكهربائيّ.

الأدوات المُستخدمة: ما يلي الأدوات المُستخدمة لتطبيق هذه الطريقة:

• ماء.
• مشبكان ورقيان.
• بطّارية بجهد كهربائيّ يساوي 9 فولت.

طريقة العمل: ما يلي طريقة العمل:

• جعل مشابك الورق مستقيمة، ووصلها مع مداخل البطاريّة جميعها.
• وضع أطراف المشابك غير الموصولة مع مداخل البطاريّة في وعاء مائي.
• ظهور الفقاعات في كلا السلكين؛ ويمكن التمييز بين غازيّ الأكسجين والهيدروجين عن طريق عدد الفقاعات؛ حيث يدل عدد الفقاعات الأكثر على وجود الهيدروجين النّقي، أمّا الفقاعات الأخرى فتدل على الأكسجين غير النقيّ؛ بالإضافة إلى أنّ فقاعات غاز الأكسجين لن تحترق في حالة إضاءة عود ثقاب أو ولّاعة فوق وعاء الماء؛ بينما ستحترق فقاعات الهيدروجين.
• إمكانيّة جمع غاز الهيدروجين عن طريق وضع إناء، أو أنبوب مليء بالماء فوق السلك الذّي يُنتج غاز الهيدروجين، حيث إنّ منع التعرّض للهواء الذي يحتويّ على 20% من غاز الأكسجين هو السبب الواقع وراء استخدام الماء في الوعاء، وبالتالي منع خطورة اشتعاله، كما يجب عدم جمع الغاز من كلا السلكين في نفس الوعاء لنفس السبب السابق؛ حيث يمكن انفجار الخليط، ويمكن أيضاً جمع الأكسجين بنفس الطريقة؛ ولكنّه ليس نقيّاً جداً كالهيدروجين.
• تغطيّة الوعاء قبل قلبه؛ لمنع التعرّض للهواء؛ ثمّ تُفصل البطاريّة.

الطريقة الثانية

يوجد طريقتان لتحسين كفاءة إنتاج غاز الهيدروجين، وهما؛ إضافة رشّة ملح إلى الماء ليصبح محلولاً كهربائيّاً؛ حيث يعتبر الملح مهماً لأنّه ينفصل إلى أيونات تزيد تدفّق التيار، واستخدام قلم الغرافيت؛ وذلك لأنّه يساهم في صنع أقطاب كهربائيّة جيّدة نتيجةً لأّنه يعتبر مادّة محايدة كهربائيّاً، ولا يذوب خلال تفاعل التحليل الكهربائيّ.

الأدوات المُستخدمة: ما يلي الأدوات المُستخدمة لتطبيق هذه الطريقة:

• ملح.
• ماء.
• قلمان.
• ورق مقوّى.
• مشباكان ورقيان، أو قطعتين من الأسلاك الكهربائيّة.
• بطاريّة واحدة؛ يمكن أن ينخفض جهدها الكهربائيّ إلى 1.5 فولت بالكهرباء.

طريقة العمل: ما يلي طريقة العمل:

• إزالة ممحاة أقلام الرصاص، والأغطية المعدنيّة، وبري جهتي هذه الأقلام.
• وضع الورق المقوى فوق وعاء الماء، ثمّ وضع الأقلام عبره؛ الأمر الذي يُساهم في دعم أقلام الرصاص في الماء؛ حيث إنّها تُغمر في السائل دون لمس اتجاهات الوعاء أو قاعه.
• إضافة رشّة ملح إلى الماء؛ حيث يمكن استخدام الملح الإنجليزيّ أو ملح الطّعام.
• ربط السّلك في كل قلم رصاص، ووصله مع مداخل البطاريّة.
• جمع الغاز في وعاء يحتوي على الماء كالطريقة المنفّذة سابقاً.

الطريقة الثالثة

يمكن تحضير غاز الهيدروجين عن طريق التفاعل الحاصل بين عنصر الزّنك، وحمض الهيدروكلوريك، حيث يجب استخدام حمض الهيدروكلوريك؛ أو حمض الميرياتيك، بالإضافة إلى حبيبات الزّنك أو برادة الحديد، أو شرائط الألومنيوم؛ حيث ينتج غاز الهيدروجين عبر التّفاعل التالي:(Zinc + Hydrochloric Acid → Zinc Chloride + Hydrogen)، وعند مزج كلٍ من الزّنك، والحمض ستنتج فقاعات غاز الهيدروجين، كما ستنتُج الحرارة خلال هذا التفاعل.

الطريقة الرابعة

يُمكن إنتاج غاز الهيدروجين في المنزل بسهولةٍ؛ عن طريق إضافة الماء إلى منتج إزالة انسداد التّصريف، ولكن يجب استخدام أواني زجاجيّة لجمع الغاز؛ لأنّ التفاعل حراريّ؛ وما يلي معادلة هذا التفاعل: عنصر الألومنيوم + هيدروكسيد الصوديوم ⟵ الهيدروجين + ألومينات الصوديوم.

استخدامات الهيدروجين

تعتبر خلايا الوقود الهيدروجينيّة من مصادر الطّاقة الخالية من التلوّث، ولذلك ينظر البعض إلى الهيدروجين بأنّه الوقود النظيف الذي يمكن استخدامه في المستقبل، كما يوجد له عدّة استخدامات، ومنها ما يلي:

• إزالة الكبريت من الوقود خلال عمليّة تكرير النّفط.
• استخدام كميات كبيرة من الهيدروجين لصناعة الزيوت المهدرجة التي تشكّل الّدهون؛ كصناعة السمنة.
• صناعة المواد الكيميائيّة المُستخدمة في صنع الأمونيا للأسمدة الزراعيّة، والميثانول، والسكلوهكسان، حيث تعتبر من المواد الوسيطة في إنتاج البلاستيك، والمستحضرات العلاجيّة.
• استخدامه كغلاف واقي لصنع رقائق الزجاج المسطّح.
• استخدامه كغاز للتنظيف في صناعة رقائق السيليكون.
• استخدامه لتعبئة البالونات، والمركبات الجويّة؛ بسبب انخفاض كثافته.

ملاحظة: يعتبر الهيدروجين من عناصر الحياة الرئيسيّة؛ حيث إنّه يوجد في جميع جزيئات الكائنات الحيّة تقريباً، بالإضافة إلى وجوده في الماء، ويعتبر من أكثر العناصر وجوداً في الكون؛ حيث إنّه يوجد في الشّمس، ومعظم النّجوم، بالإضافة لكوكب المشتري؛ والذي يتكوّن أغلبه من عنصر الهيدروجين، ولكنه لا يلعب دوراً عمليّاً عند وجوده وحيداً؛ حيث إنّه يبقى مرتبطاً بذرّات الأكسجين، والكربون.