الهيدروجين وقود المستقبل  

الهيدروجين من العناصر الكيميائية الموجودة في الطبيعة، ورمزه الكيميائي H وعدده الذري (1)، هو غاز لا طعم ولا لون ولا رائحة له في الشروط النظامية من الضغط والحرارة، غير سام وسريع الاشتعال وتكافؤه أحادي وصيغته الجزيئية (H2) ومرشح وبقوة ليكون الهيدروجين وقود المستقبل بما يمتلكه من خصائص تؤهله لذلك الدور.

إن فضل اكتشاف الهيدروجين وقود المستقبل ينسب للعالم (هنري كافيندش) وقد تم ذلك سنة 1766، وكان ينطلق عند تفاعل الأحماض مع الفلزات المختلفة والممددة، وعرف أيضًا أن احتراق هذا العنصر يشكل الماء لذلك نسب اكتشافه للعالم هنري.

وفي العام 1783 قام العالم (أنطوان لافوزييه) بإطلاق اسم (الهيدروجين) عليه وهو مكون من مقطعين مشتقان من اللغة الاغريقية القديمة، المقطع الأول (هيدرو) ويعني الماء، والمقطع الثاني وهو (جين) ويعني المولد، فيصبح الاسم (هيدروجين) يعني مولد الماء، وذلك عندما أعاد العالم (بيير لابلاس) تجربة إحراق الغاز لتكوين الماء.

اكتشاف الهيدروجين

وفي العام 1783 قام العالم (أنطوان لافوزييه) بإطلاق اسم (الهيدروجين) عليه وهو مكون من مقطعين مشتقان من اللغة الاغريقية القديمة، المقطع الأول (هيدرو) ويعني الماء، والمقطع الثاني وهو (جين) ويعني المولد، فيصبح الاسم (هيدروجين) يعني مولد الماء، وذلك عندما أعاد العالم (بيير لابلاس) تجربة إحراق الغاز لتكوين الماء.

أما العالم (جيمس ديوار) استطاع تحضير الهيدروجين الصلب واستخدم تقنية التبريد للحصول على الهيدروجين السائل وقد حفظه بما يعرف (بإناء ديوار).

إن ذرة عنصر الهيدروجين تتكون من بروتون والكترون واحد فقط، وقد استخدمت لشرح وتفسير (نظرية البنية الذربّة) وذلك بتفسير الطيف الذي يصدر عنه في النطاق المرئي، كما أن ذرة الهيدروجين هي الذرة المعتدلة والوحيدة التي يوجد لها في معادلة (شرودنغر) حل.

توفر عنصر في الطبيعة

يشكل الهيدروجين 75% من الكتلة الكلية للعناصر كلها في الطبيعة، وتواجده في الكون بشكل مختلف عن الشكل الموجود في الأرض، فهو يتواجد على شكل (مادة وطاقة) معتمة، كما يوجد وبكميات كبيرة جدًا في النجوم الغازية العملاقة، وللسحب الغازية المكونة من جزيئات الهيدروجين(H2) دورًا بالغ الأهمية في تكوين النجوم وولادتها، عن طريق تزويد هذه النجوم بالوقود اللازم لذلك، من خلال سلاسل تفاعل (بروتون – بروتون) و(كربون – نيتروجين – أكسجين (CNO وذلك لتكوين الهليوم الذي ينتج عن الاندماج النووي.

إن مناطق تواجد الهيدروجين وقود المستقبل خارج نطاق النجوم، يكون على شكل ذرات معتدلة يصدر عنها إشعاعًا ذو تردد يبلغ 1420MHz ، وهو ما يدعى (بخط الهيدروجين) وهو يدل على مناطق تمركز الهيدروجين، كما أن سحب الهيدروجين المتأينة تدعى بمناطق الهيدروجين II وتنطلق منها كميات هائلة من الإشعاعات التي تمكّن دراستها من معرفة تركيب المواد التي تكوّن (الوسط بين النجمي).

منطقة NGC 604

تتكون من الهيدروجين المتأيّن الواقع في مجرة (المثلث)، ويوجد على شكل نمط (كاتيون ثلاثي الهيدروجين (H3+ الناتج عن تأثير الأشعة الكونية، ويوجد في الطبقات العليا للغلاف الجوي للمشتري، بينما النمط (كاتيون ثنائي الهيدروجين (H2+ يندر وجوده في الكون.

تواجده على الأرض

يوجد عنصر الهيدروجين حرًا على شكل جزيء غازي (H2) وذلك في الشروط النظامية من ضغط وحرارة، ونادر الوجود ولا يشكل تواجده بهذا الشكل سوى نسبة واحد في المليون بالنسبة لتواجده ضمن الغلاف الجوي، ولكنه يتواجد بوفرة كبيرة عندما يكون مرتبطًا بشكل مركبات كيميائية، وهو ثالث العناصر من حيث حجم التواجد على سطح الكرة الأرضية، وذلك بعد عنصري السيليكون والأكسجين، علمًا بأن معظم المعادن المعروفة إلى الآن تحتوي في تركيب فلزاتها على عنصر الهيدروجين.

تحضير الهيدروجين

تحضير الهيدروجين

  هناك مئات الطرق لتحضير الهيدروجين في المخابر لكن بكميات قليلة وغير كافية للتطبيقات الصناعية، ويتم تحضيره مخبريًا عن طريق تفاعل الأحماض مع الفلزات النشطة مثل (المغنسيوم Mg والزنك Zn والحديد Fe والقصدير) كالتفاعل التالي لتحضير (H2):

Zn+2 + 2H —- Zn + H2

تحضير (H2) بتفاعل حمض كلور الماء (HCl) مع معدن الصوديوم (Na):

2 Na + 2 HCl —- 2 NaCl + H2

أمّا صناعيًا فيتم تحضير (H2) التحليل الكهربائي حيث يطبق تيار كهربائي على قطبين مغمورين في وعاء مليء بالماء فيتجمع الهيدروجين المهبط (الكاتود) والأكسجين على المصعد، إن هذه الطريقة بسيطة لكنها ليست مجدية صناعيًا وذلك لاستهلاك كبير للطاقة، والتفاعلات الجانبية التي تحدث مما يقلل الجدوى الاقتصادية للعملية هذه.

أما الطرق البديلة التي تستخدم لتحضير الهيدروجين، هي الاعتماد على الانزيمات والأشنيات لإنتاج الهيدروجين، مع الازدياد الكبير في طلب الطاقة ونقصها بنفس الوقت، فالهيدروجين وقود المستقبل هو الحل لكل مشاكل الطاقة في القرن الواحد والعشرين، وتتطلب هذه الطريق استخدام ثلاثة عشر انزيمًا محفزًا من بينها انزيم (زيلولوكيناز متعدد الفوسفات (Xylulokinase.

نظائر الهيدروجين

له نظائر ثلاثة هي (البروتيوم H1 – الديتريوم H2 – التريتيوم H3) وهو العنصر الأوحد الذي له نظائر بأسماء مختلفة، ونظائر العناصر الكيميائية الأخرى في العادة تسمى باسم العنصر مضافًا إليه عدد النيوترونات في نواته.

وهناك نظائر أخرى مشعة لكنها لا توجد بشكل طبيعي ويتم الحصول عليها بشكل صناعي، منها (H4 – H5 – H6 – H7).

خواص الهيدروجين الفيزيائية

يمتلك الهيدروجين خواصًا فيزيائية غاية في الأهمية، منها:

  • إن غاز الهيدروجين هو الأخف وزنًا بين العناصر الكيميائية كافة، وكثافته أقل من بقية العناصر، وبالتالي فإن الهيدروجين وقود المستقبل الأمثل.
  • يتألف من بروتون واحد والكترون واحد، ويتواجد بشكل جزيئي (H2) في الشروط النظامية من الضغط والحرارة.
  • درجة غليانه تساوي (-252 CO) أو (21.15 k)، ودرجة الانصهار له تساوي (-259 CO) أو (14.02 K)، ودرجة ذوبانه في الماء تبلغ (1.6) ميللي غرام/الليتر، وناقليته للحرارة هي الأعلى بين العناصر الكيميائية ولزوجته منخفضة.

أشكال الهيدروجين

 له عدة أشكال يتواجد بها:

  • الشكل الغازي على هيئة جزيئات الهيدروجين ثنائي الذرة ويرمز له (H2) في الحرارة والضغط القياسيين.
  • يبدأ بالتكاثف عند درجة حرارة أقل من (-252 CO) ويصبح له الرمز التالي (LH2) وهو على هيئة سائل لا لون له، وتبدأ بللورات الهيدروجين الصلبة بالتكون عند درجة الحرارة (-259 CO).

خواص الهيدروجين الكيميائية

  • تفاعل الاحتراق يتم حسب المعادلة الكيميائية التالي:

                        2H2 (g) + O2 (g) —2H2O (l)

ويمكن أن يتكون مزيج قابل للانفجار بين الهواء والهيدروجين وبتركيز منخفض عند توفر الشرر الناتج عن أي ماس كهربائي، ودرجة الاشتعال الذاتي له تساوي (500 CO).

  • إن تفاعل الهيدروجين مع العناصر الكيميائية مثل (الكلور Cl والفلور Fl) يكون ما يسمى بالهاليدات مثل (كلوريد الهيدروجين HCl وفلوريد الهيدروجين (HFl، وهي أحماض فعالة لدرجة كبيرة.
  • تفاعل الهيدروجين مع الكربون Cينتج سلسلة طويلة من المركبات المختلفة والتي على درجة كبيرة من الأهمية تسمى (الهيدروكربونات) وهي المركبات العضوية، مثل (غاز الميتان والبزين ……..).
  • أن بعض الطحالب التي تدعى(Chlamydomnas reinhardtii) تستطيع وبتفاعلات لا تعتمد على الضوء بالرغم من أن الطحالب نباتات خضراء، فتجري تفاعلات اختزال يتشكل فيها الهيدروجين بمساعدة أنزيمات خاصة تدعى (الهيدروجيناز).

الهيدروجين وقود المستقبل

في ظل نفاد الطاقة التي تعتمد على المصادر للوقود الأحفوري، فإن البحث عن بدائل يعتبر أمرًا ملحًا، فظهرت الاقتراحات باستخدام الهيدروجين كمصدر للطاقة البديلة، فتم استحضار اختراع قديم كان مركونًا في الأدراج، وذلك لعدم كفاية مردوده الاقتصادي، ألا وهو (خلية الوقود الجديدة) حيث تم اختراعها في العام 1837 عل يد العالم (ويليام غروف).

تعتمد في عملها على تفاعل الهيدروجين والأكسجين الذي ينتج عنه طاقة كهربائية إضافة للماء النقي الصالح للشرب، وبهذه التقنية تؤمن الطاقة للمركبات الفضائية وهي في الفضاء الخارج والماء لشرب الرواد.

إلّا أن بعض المشاكل التقنية ما تزال تعترض ذلك منها توفير الهيدروجين اللازم بالكمية والوقت الضروري، فالهيدروجين يواجه صعوبات في تخزينه وحفظه، أم الأكسجين فلا مشكلة فيه على الاطلاق حيث أن مصدره هو الهواء.

وإن استخدام الهيدروجين وقود المستقبل هو استخدام آمن لكل من الإنسان والبيئة حيث لا ينتج عن استخدامه أية مخلفات ضارة بالعكس فاستخدمه ينتج عنه الماء النقي الصالح للشرب.

خلية الوقود الجديدة

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

طريقة عمل خلية الوقود الجديدة التي تعتمد الهيدروجين

طريقة عمل خلية الوقود الجديدة

يوجد في الخلية مسريان معدنيان وهما القطب السالب المهبط أو (الأنود(Anode  والقطب الآخر الموجب المصعد (الكاتود (Cathode مغموسان في السائل المحل (الالكتروليت (Electrolyte، و يفصل بينهما غشاء الفصل، الأالكترونات السالبة  (e-)تتجمع حول المصعد أما إيونات الهيدروجين الموجبة (H+) فتتجمع على المهبط ويؤدي تفاعلهما إلى النتاج الطاقة الكهربائية بين القطبين السالب والموجب، والتيار الكهربائي عبارة عن حركة الالكترونات.

تطبيقات الهيدروجين

تطبيقات استخدام الهيدروجين وقود المستقبل

إن أهم التطبيقات هي تأمين الوقود اللازم لتغذية السفن الفضائية أثناء رحلاتها إلى الفضاء حيث يصعب تأمين الطاقة اللازمة لها بالشكل الكلاسيكي فكان الهيدروجين هو الحل، بواسطة خلايا الوفود الهيدروجيني، والتي لولاها لما كانت الرحلات الفضائية لمركبة (أبوللو) ممكنة، وقد اخترع الخلايا تلك العالم (ويليام غروف (William Grove، فكانت الشرارة التي أججت الفكرة لانطلاق الوقود البديل (الهيدروجين وقود المستقبل).

1 – توليد الطاقة الكهربائية

حيث تم تزويد المحطات الغازية الخاصة بتوليد الكهرباء بخلايا الوقود الهيدروجيني، التي ساعدت على توليد الطاقة الكهربائية ذات الجهد العالي وبمردود عالي جدًا، وذلك باستغلال البخار الناتج عن تسخين الماء بواسطة الحرارة الناتجة عن التفاعلات التي تتم ضمن خلايا الوقود الهيدروجيني تلك لتدوير العنفات الغازية.

2 – إنارة المشافي والقرى البعيدة

وذلك في الناطق النائية والتي لا يمكن تركيب الأبراج لتوزيع الطاقة الكهربائية فيها، وبالتالي حلت هذه لمكلة بواسطة خلايا الوقود الهيدروجيني.

3 – التطبيقات في مجال تغذية الالكترونيات

إن خلايا الوقود الجديدة التي تعتمد على الهيدروجين وقود المستقبل هي الأنسب لتغذية الأجهزة الألكترونية من هواتف نقالة أو حواسب محمولة لتوفرها بحجم صغير وفعالية قصوى فقد أطلقت شركة الهواتف النقالة ((Motorolla هاتفها المحمول الذي يعمل على الخلايا ذات الوقود الهيدروجيني التي يستطيع باستخدامها الهاتف أن يعمل لمدة تزيد عن عشرة أضعاف الخلايا العادية وبشكل مستمر.

كما أصدرت شركة (Siemens) للألكترونيات اللابتوب المحمول (Notebook) الذي يعمل بواسطة خلايا الوقود الهيدروجيني والتي تمكنه من العمل لمدة أسبوع كامل وبدون انقطاع ودون مساعدة من أي نوع من أنواع الطاقة الأخرى.

3 – في مجال المواصلات

في مجال الواصلات

كانت البداية مع الشاحنات الكبيرة بسبب كبر حجم الخلايا غير أن التطور الذي طرأ جعل السيارات الصغيرة تستطيع الاعتماد عليها، خاصة وأن استخدام هذه الخلايا لا يترك أية آثار جانبية تلوث البيئة، وقد زودت السيارات التي تعمل على الخلايا ذات الهيدروجين الوقود المستقبلي بشعار يشير إلى استخدامها لتلك الخلايا وهو (Zero emission vehicles) أي أن هذه السيارات صديقة للبيئة والشعار بشكل مختصر هو (ZEV).

والأبحاث ما تزال مستمرة حتى الآن ليصبح الهيدروجين وقود المستقبل، ويكون حلًا لمشكلة نقص الطاقة والوقود في العالم وغلاء أسعاره مع ازدياد الطلب عليه.

قد يهمك أيضًا:

قد يعجبك ايضا