دانشنامه‌ی عنصر · نافلز
عنصر هیدروژن؛ چرا در آب پنهان و در هوا کمیاب است؟
هیدروژن در آب و کود کشاورزی حضور دارد، اما گاز آزادش در هوا کمیاب است؛ ساختار و روش تولیدش، کاربرد و خطر آن را روشن می‌کنند.
- گروه ۱
- دوره‌ی ۱
- بلوک s
- گاز در دمای اتاق
جایگاه در جدول تناوبی
هیدروژن در گروه ۱، دوره‌ی ۱
- گروه۱
- دوره۱
- بلوکs
- دستهنافلز
خانه‌های پررنگ مقاله دارند؛ روی آن‌ها بزنید.
- K۱
1s1کنار دفتر شیمی یک دانش‌آموز، لیوان آبی روی میز است. عنصر هیدروژن در آبِ لیوان حضور دارد، اما سهم گاز آزادش در هوای اطراف کمتر از یک بخش در میلیون، بر حسب حجم، است. چه‌طور ماده‌ای که در آب پیدا میشود، به گاز موردنیاز صنعت تبدیل میشود؟
برای پاسخ، باید هیدروژنِ درون یک ترکیب را از گاز هیدروژن جدا کنیم. بعد می‌توانیم رد این گاز را از بالون‌های قدیمی تا کارخانه و پیل سوختی دنبال کنیم.
۰۱در یک لیوان
هیدروژن کجای این لیوان پنهان است؟
هیدروژن حتی در لیوان آب شما هم هست. آب (H2O) از هیدروژن و اکسیژن ساخته شده است، اما هیدروژنِ آب به شکل گاز آزاد در لیوان شناور نیست. اتم‌های هیدروژن در مولکول‌های آب جای دارند؛ در گاز معمول هیدروژن (H2)، هر دو اتم هیدروژن یک مولکول می‌سازند.
هیدروژن روی زمین بیشتر در آب و ترکیب‌های دیگر حضور دارد تا به شکل گاز آزاد. پس فراوان‌بودن هیدروژن در یک لیوان آب به معنی فراوان‌بودن گاز H2 در هوای اتاق نیست. برای به‌دست‌آوردن گاز، باید آن را از ماده‌ای که در آن حضور دارد جدا کرد.
هیدروژنِ موجود در آب با گاز آزاد هیدروژن فرق دارد. پس چرا نمی‌توان هوای اطراف را مخزن آمادهٔ این گاز دانست؟ چون مقدار گاز آزاد هیدروژن در جو بسیار کم است. برای به‌دست‌آوردن گاز، معمولاً باید هیدروژن را از ترکیبی که در آن حضور دارد جدا کرد.
سرگذشت هیدروژن با همین جدایی آغاز میشود. پژوهشگران نخست گازی را دیدند که از واکنش مواد بیرون می‌آمد. سپس فهمیدند همان عنصر میتواند بخشی از آب باشد؛ مایعی که رفتار و ظاهرش هیچ شباهتی به گاز آتش‌گیر ندارد.
۰۲لحظهٔ کشف
«هوای آتش‌گیر» چگونه نام آب‌ساز گرفت؟
در سال ۱۶۷۱، رابرت بویل دید که از واکنش فلز و اسید، گازی آتش‌گیر آزاد میشود. دیدن یک گاز، البته با شناختن آن به‌عنوان ماده‌ای متمایز فرق دارد. بویل گاز را مشاهده کرد، اما آن را به‌عنوان عنصری مستقل بررسی نکرد.
هنری کاوندیش در سال ۱۷۶۶ آن «هوای آتش‌گیر» را گردآوری کرد و تفاوتش را با گازهای دیگر نشان داد. کار کاوندیش به مشاهده‌ای گذرا محدود نماند: او گاز را جداگانه بررسی کرد. برای همین نامش با شناسایی هیدروژن پیوند خورده است.
پرسش بعدی دربارهٔ آب بود. آنتوان لاووازیه در سال ۱۷۸۳ نشان داد آب از هیدروژن و اکسیژن ساخته میشود و خودش عنصر نیست. نتیجه نگاه رایج به آب را تغییر داد: ماده‌ای که ساده به نظر می‌رسید، حاصل ترکیب دو عنصر بود.
لاووازیه نام «هیدروژن» را برای گازی به کار برد که هنگام سوختن، آب می‌سازد. ریشهٔ این نام در واژه‌های یونانیِ «آب» و «سازنده» است. نام تازه به جای توصیف خطر آتش‌گیری، به محصول واکنش اشاره می‌کرد.
همان دوره، سبکی گاز هم چهره‌ای دیدنی پیدا کرد. ژاک شارل و برادران روبر در سال ۱۷۸۳ بالونی پر از هیدروژن را به پرواز درآوردند. گازی که کاوندیش از دیگر گازها تشخیص داده بود، حالا می‌توانست بالونی را بالای زمین نگه دارد.
- ۱۶۷۱
مشاهدهٔ بویل
آزاد شدن گاز آتش‌گیر از واکنش فلز و اسید را دید.
- ۱۷۶۶
کار کاوندیش
گاز را گردآوری کرد و از گازهای دیگر متمایز دانست.
- ۱۷۸۳
آب، یک ترکیب
لاووازیه نشان داد آب از هیدروژن و اکسیژن ساخته میشود.
- ۱۷۸۳
بالون هیدروژنی
شارل و برادران روبر از سبکی گاز برای پرواز بالون استفاده کردند.
منبع: Royal Society of Chemistry، American Chemical Society
۰۳درون اتم
یک الکترون، چند چهره؟
اتم خنثای هیدروژن یک پروتون و یک الکترون دارد. همان یک الکترون در تنها لایهٔ الکترونی اتم جای می‌گیرد؛ لایهٔ دیگری برای پرشدن وجود ندارد. این ویژگی جای هیدروژن را در گروه اول جدول تناوبی روشن میکند، اما تمام رفتار هیدروژن را نه.
هیدروژن با وجود قرارگرفتن در گروه اول، نافلز است؛ فلز قلیایی نیست. گاز معمول آن نیز از اتم‌های تنها ساخته نشده است. دو اتم هیدروژن به هم پیوند می‌خورند و مولکول H2 را می‌سازند. بنابراین نماد H و فرمول گاز معمول هیدروژن یک معنا ندارند.
هیدروژنِ معمولی، یا پروتیوم، نوترون ندارد؛ دوتریم، شکل سنگین‌تر هیدروژن، یک نوترون دارد. هر دو یک پروتون دارند و پایدارند، پس هر دو هیدروژن‌اند. به اتم‌های یک عنصر که شمار نوترون‌هایشان فرق دارد، ایزوتوپ می‌گویند.
چهرهٔ سوم، تریتیوم، دو نوترون دارد و پرتوزاست. تریتیوم با گذشت زمان به هلیم-۳ تبدیل میشود. «نیمه‌عمر» زمانی است که در آن نیمی از اتم‌های پرتوزای یک نمونه واپاشی می‌کنند؛ نیمه‌عمر تریتیوم حدود ۱۲٫۳ سال است.
پروتیوم در نمونه‌های طبیعی بسیار بیشتر از دوتریم دیده میشود، اما نسبت این دو در همه‌جا دقیقاً یکسان نیست. درصدهایی که برای ایزوتوپ‌ها گزارش می‌شوند، مقدارهای نمونه‌وارند. تغییر شمار نوترون، نام عنصر را عوض نمی‌کند؛ پروتون است که هویت هیدروژن را نگه می‌دارد.
- ۱۱H
هیدروژن-۱
پروتیوم؛ رایج‌ترین ایزوتوپ هیدروژن، با یک پروتون و بدون نوترون. درصد درج‌شده مقدار نمونه‌وار جدول RSC است و در همهٔ نمونه‌های طبیعی یکسان نیست.
- ۲۱H
هیدروژن-۲
دوتریم یا D؛ دارای یک پروتون و یک نوترون. نسبت آن به پروتیوم برای مطالعهٔ آب‌های طبیعی کاربرد دارد؛ درصد درج‌شده نمونه‌وار است.
- ۳۱H
هیدروژن-۳
تریتیوم یا T؛ دارای یک پروتون و دو نوترون است. در طبیعت به مقدار بسیار ناچیز ساخته میشود، با نشر بتای منفی به هلیم-۳ تبدیل میشود و در مطالعات محیط‌زیستی کاربرد دارد.
منبع: Royal Society of Chemistry، CIAAW
۰۴رفتار گاز
چرا بالون بالا رفت، اما هیدروژن مایع نماند؟
بالون تاریخیِ شارل از سبکی گاز هیدروژن بهره می‌برد. اگر حجم برابری از هیدروژن و هوا برداریم، هیدروژن سبک‌تر است؛ به این ویژگی چگالی کم می‌گویند. همین تفاوت به بالونِ پرشده از هیدروژن امکان بالا رفتن داد.
آن پرواز، داستان یک کاربرد تاریخی است، نه پیشنهادی برای پرکردن بالون با هیدروژن. گاز هیدروژن آتش‌گیر است و کار با آن به سامانههای مناسب نیاز دارد. ویژگی‌ای که بالون را بالا می‌برد، خطر آتش‌گیری را از میان نمی‌برد.
هیدروژن در شرایط معمول گاز است. نقطهٔ جوش آن بسیار پایین‌تر از دمای معمول زندگی ماست؛ بنابراین مایع‌ماندنش در فشار معمول به سرمای بسیار شدید نیاز دارد. نقطهٔ ذوبش هم پایین‌تر است. سرمای لازم را نمی‌توان با خنکی یک یخچال خانگی یکی دانست.
هیدروژن در آب به اکسیژن پیوند دارد؛ برای شناخت چنین پیوندی، کشش اتم‌ها برای الکترون‌های پیوند مهم است. به این کشش الکترونگاتیوی می‌گویند. الکترونگاتیوی به فهم پیوند هیدروژن در آب کمک میکند، اما به‌تنهایی توضیح نمی‌دهد چرا گاز هیدروژن آتش می‌گیرد.
بالون، چگالی کم را جلوی چشم می‌آورد؛ گازی‌بودن در اتاق، دمای بسیار پایین تغییر حالت را. آتش‌گیری به پرسش دیگری مربوط است: هیدروژن وقتی با ماده‌ای مانند اکسیژن واکنش می‌دهد، چه محصولی می‌سازد؟ پاسخ ما را دوباره به لیوان آب برمی‌گرداند.
نقطهٔ ذوب-۲۵۹٫۲ درجهٔ سلسیوس
-۲۷۰ · سردترگرم‌تر · ۰نقطهٔ جوش-۲۵۲٫۹ درجهٔ سلسیوس
-۲۷۰ · سردترگرم‌تر · ۰چگالی گاز در دمای اتاق۰٫۰۸ گرم بر لیتر
۰ · چگالی کمترچگالی بیشتر · ۱الکترونگاتیوی۲٫۲ مقیاس پاولینگ
۰ · کشش کمترکشش بیشتر · ۴
منبع: Royal Society of Chemistry
۰۵هنگام واکنش
آب چگونه از دو گاز ساخته میشود؟
هیدروژنِ گازی (H2) هنگام واکنش با اکسیژنِ گازی (O2) آب (H2O) می‌سازد. در معادلهٔ موازنه‌شده، 2H2 + O2 → 2H2O، دو مولکول هیدروژن با یک مولکول اکسیژن به دو مولکول آب تبدیل می‌شوند.
عددهای جلوی فرمول‌ها «ضریب» هستند؛ ضریب نشان می‌دهد از هر مولکول چند تا در واکنش حساب می‌کنیم. در دو سوی معادله، شمار اتم‌های هیدروژن و اکسیژن برابر می‌ماند. آنچه عوض میشود، شیوهٔ کنار هم قرارگرفتن اتم‌ها در مولکول‌هاست.
مخلوط گازهای هیدروژن و اکسیژن میتواند به‌سرعت بسوزد. پس معادلهٔ کوتاه روی کاغذ، تصویری از یک کار عملیِ بی‌خطر نیست. شناخت محصول واکنش با توصیه به راه‌اندازی آن فرق دارد؛ این واکنش برای نمایش عملی توصیه نمی‌شود.
راه دیگری هم برای جابه‌جاکردن اتم‌ها وجود دارد: برقکافت آب. در برقکافت، دستگاه با مصرف برق آب را به هیدروژن و اکسیژن تبدیل میکند. شباهت معادله‌ها نباید گمراه‌کننده باشد؛ جداکردن آب به انرژی الکتریکی نیاز دارد و معکوسِ خودبه‌خودیِ سوختن نیست.
معادلهٔ موازنه‌شده: ۲H۲ + O۲ → ۲H۲O. برای نمایش عملی در کلاس توصیه نمی‌شود.
منبع: Royal Society of Chemistry، U.S. Department of Energy
۰۶چهره‌های ترکیبی
هیدروژن در آب و هیدرید یکسان رفتار میکند؟
هیدروژن فقط در آب (H2O) حضور ندارد. آمونیاک (NH3) مادهٔ اولیهٔ کودهای کشاورزی است و متان (CH4) در گاز طبیعی حضور دارد. اشتراک این مواد در داشتن هیدروژن، به معنی یکسان‌بودن رفتار یا کاربردشان نیست.
هیدروژن پراکسید (H2O2) در بعضی محلول‌های ضدعفونی رقیق و محلول‌های مراقبت از لنز تماسی به کار می‌رود. سدیم هیدرید (NaH) چهرهٔ دیگری از ترکیب‌های هیدروژن است. کاربرد محلول رقیق هیدروژن پراکسید، بی‌خطر بودن شکل‌های دیگر آن را ثابت نمی‌کند.
برای مقایسهٔ آب و سدیم هیدرید، شیمی‌دانان از عدد اکسایش استفاده می‌کنند؛ عددی قراردادی برای دنبال‌کردن الکترون‌ها در واکنش. عدد اکسایش هیدروژن در آب مثبت یک و در سدیم هیدرید منفی یک است. پس حضور همان عنصر در دو فرمول، به معنای رفتار یکسان نیست.
مولکول‌های آب یکدیگر را با کششی به نام پیوند هیدروژنی جذب می‌کنند. این کشش میان مولکول‌ها بر ویژگی‌های آبِ مایع اثر دارد. پیوند هیدروژنیِ میان مولکول‌های آب را نباید با مولکول گاز هیدروژن (H2) یکی دانست. نام «هیدروژن» هم به‌تنهایی ایمنی یک ترکیب را مشخص نمی‌کند.
H2O
آبWater
ترکیب هیدروژن و اکسیژن و بزرگ‌ترین مخزنِ در دسترس هیدروژن در سطح زمین است.
- آب آشامیدنی
- حلال در بدن و صنعت
- خوراک دستگاه الکترولیز برای تولید هیدروژن
NH3
آمونیاکAmmonia
ترکیب نیتروژن و هیدروژن است که به روش هابر–بوش ساخته میشود.
- مادهٔ اولیهٔ کودهای نیتروژنی
- خوراک صنایع شیمیایی
CH4
متانMethane
ترکیب کربن و هیدروژن و جزء اصلی گاز طبیعی است.
- سوخت
- خوراکِ تولید هیدروژن با فرایند اصلاح بخار
H2O2
هیدروژن پراکسیدHydrogen peroxide
ترکیبی حاوی هیدروژن است که میتواند به آب و اکسیژن تجزیه شود.
- ترکیبِ فعال در بعضی محلول‌های ضدعفونی رقیق
- سفیدکننده در صنعت
- نمایش اثر کاتالیزگر در کلاس شیمی
NaH
سدیم هیدریدSodium hydride
هیدریدی فلزی است که هیدروژن در آن عدد اکسایش منفی یک دارد.
- نمونهٔ آموزشی برای مقایسهٔ عدد اکسایش هیدروژن در آب و هیدریدها
منبع: American Chemical Society، Science History Institute
۰۷از زمین تا کارخانه
گاز هیدروژن را از کجا می‌آورند؟
هیدروژن در پوستهٔ زمین هست، اما حضور اتم‌هایش به معنی وجود مخزن گاز نیست. از هر یک‌میلیون اتمِ پوسته، حدود ۱۴۰۰ اتم هیدروژن‌اند. این عدد نه مقدار گاز آزاد در هوا را نشان می‌دهد، نه اندازهٔ ذخیره‌ای قابل‌برداشت را. صنعت برای تولید گاز هیدروژن معمولاً سراغ ترکیب‌های حاوی آن می‌رود.
البته طبیعت هم گاهی هیدروژن مولکولی می‌سازد. در زیرزمین، واکنش آب با بعضی سنگ‌های آهن‌دار میتواند گاز H2 پدید بیاورد. این فرایند را سرپانتینی‌شدن می‌نامند. وجود چنین فرایندی نشان می‌دهد گاز طبیعی هیدروژن ممکن است ساخته شود، اما به‌تنهایی اندازهٔ ذخایر قابل‌استخراج را روشن نمی‌کند.
یکی از مسیرهای اصلی صنعت از متانِ گاز طبیعی آغاز میشود. متان با بخار آب واکنش می‌دهد و سپس هیدروژنِ حاصل را جدا می‌کنند. در این مسیر، کارخانه هیدروژن را از ماده‌ای بیرون می‌آورد که پیش‌تر اتم‌های هیدروژن را در خود داشته است. بنابراین «تولید هیدروژن» به معنی ساختن اتم‌های تازه نیست.
مسیر دیگر از همان آبِ آشنای ابتدای داستان شروع میشود. دستگاه برقکافت با مصرف برق، آب را به هیدروژن و اکسیژن تبدیل میکند. پس پاسخِ «هیدروژن از آب به دست میآید یا از گاز طبیعی؟» یکی از این دو نیست: هر دو مسیر وجود دارند و به ورودی‌های متفاوتی نیاز دارند.
گاز خروجیِ دو مسیر میتواند هیدروژن باشد، اما راه رسیدن به آن‌ها یکسان نیست. برای سنجیدن اثر محیط‌زیستی، باید مرحلهٔ تهیهٔ هیدروژن را هم دید، نه فقط لحظهٔ مصرفش را. در برقکافت، پرسش مهم این است که برقِ مصرفی چگونه تأمین میشود؛ نامِ فرایند به‌تنهایی پاسخ را نمی‌دهد.
- ۱
متان گاز طبیعی
مادهٔ اولیه وارد فرایند میشود.
- ۲
بخار آب
متان با بخار آب واکنش می‌دهد.
- ۳
جداسازی
هیدروژنِ تولیدشده جدا میشود.
- ۴
مصرف صنعتی
گاز به فرایندهایی مانند ساخت آمونیاک می‌رسد.
۰۸در زندگی ما
هیدروژن از کارخانه به کجا می‌رود؟
یکی از مقصدهای هیدروژن، کارخانهٔ آمونیاک است. در آنجا هیدروژن به ساخت ماده‌ای کمک میکند که خوراک تولید کود کشاورزی است. فریتس هابر روش ساخت آمونیاک از نیتروژن و هیدروژن را ارائه کرد و کارل بوش تولید صنعتی آن را ممکن ساخت. رد هیدروژنِ کارخانه‌ای از این مسیر تا کودی می‌رسد که برای کشاورزی تهیه میشود.
هیدروژن در پالایشگاه به حذف گوگرد از سوخت کمک میکند. در ساخت تراشه‌های سیلیکونی هم گازی است که در فرایند تولید به کار می‌رود. حضور هیدروژن در این دو فرایند را معمولاً در سوخت آماده یا قطعهٔ الکترونیکی نمی‌بینیم.
هیدروژن در فرایند صنعتیِ هیدروژنه‌کردن بعضی روغن‌ها هم به کار می‌رود. محصول این مسیر میتواند بعضی چربی‌های خوراکی، مانند مارگارین، باشد. در اینجا هیدروژن صرفاً گازی برای سوزاندن نیست؛ ماده‌ای است که در ساخت محصول نقش دارد. همین تفاوت کمک میکند کاربرد صنعتی را با مصرف هیدروژن به‌عنوان سوخت یکی ندانیم.
در خودروی دارای پیل سوختی، هیدروژن برای تولید برق مصرف میشود و در محل استفاده آب و گرما پدید میآید. خروج آب از پیل، دربارهٔ روش تهیهٔ گاز چیزی نمی‌گوید. اگر بخواهیم دربارهٔ انتشارِ مرتبط با این خودرو داوری کنیم، باید مسیر تولید هیدروژن را نیز بررسی کنیم؛ نه فقط آنچه از پیل بیرون میآید.
مقیاس تولید هیدروژن نشان می‌دهد که روش تهیهٔ گاز را هم باید جدی گرفت. تولید جهانی هیدروژن در سال ۲۰۲۴ نزدیک به ۱۰۰ میلیون تن بود. در سال ۲۰۲۵، تولید هیدروژن کمانتشار نزدیک به ۱ میلیون تن و سهم آن از کل تولید، کمتر از یک درصد بود. پس نام «هیدروژن» به‌تنهایی نمی‌گوید گاز چگونه تولید شده است.
- در بدن، هیدروژن در آب و تقریباً همهٔ مولکول‌های سازندهٔ جانداران حضور دارد؛ این حضور با کاربرد گاز صنعتی فرق میکند.
- در کود و بعضی چربی‌های خوراکی، هیدروژن به ساخت مادهٔ دیگری کمک میکند؛ در پیل سوختی، برای تولید برق مصرف میشود.
- چین در گسترش ظرفیت دستگاه‌های برقکافت پیشتاز است؛ تولید هیدروژن کمانتشار نیز در چین، اروپا و آمریکای شمالی تمرکز دارد.
منبع: International Energy Agency
کود کشاورزی
هیدروژن برای ساخت آمونیاک مصرف میشود.
سوخت پالایش‌شده
پالایشگاه از هیدروژن برای حذف گوگرد کمک می‌گیرد.
تراشه
هیدروژن گازی در فرایند ساخت تراشه به کار می‌رود.
بعضی چربی‌های خوراکی
هیدروژن در هیدروژنه‌کردن صنعتی روغن‌ها مصرف میشود.
خودروی پیل سوختی
پیل از هیدروژن برق می‌سازد و در محل استفاده آب تولید میکند.
آب بدن
هیدروژن جزئی از آب و بسیاری از مولکول‌های جانداران است.
۰۹مرز ایمنی
گازی بیرنگ را چگونه جدی بگیریم؟
گاز هیدروژن بیرنگ است؛ پس دیدن خودِ گاز راه مطمئنی برای تشخیص نشت نیست. هیدروژن در گستره‌ای از غلظت‌ها در هوا آتش‌گیر است. شعلهٔ هیدروژن هم ممکن است زیر نور روز بهسختی دیده شود.
نشت هیدروژن در فضای بسته خطر آتش‌گیری دارد، حتی اگر خودِ گاز دیده نشود. شعلهٔ هیدروژن نیز ممکن است در نور روز بهسختی دیده شود. کار با سامانههای این گاز به آموزش، تهویه و آشکارسازی مناسب نیاز دارد؛ ندیدن شعله نشانهٔ نبود خطر نیست.
نباید خطر خودِ گاز را به همهٔ مواد دارای هیدروژن تعمیم داد. آب نیز هیدروژن دارد، اما رفتار آن با گاز H2 یکی نیست. در مقابل، نامِ یک ترکیب آشنا هم تضمین نمی‌کند که هر شکل یا غلظتی از آن بی‌خطر باشد.
هیدروژن پراکسید و آمونیاک، هر دو ترکیب‌هایی حاوی هیدروژن‌اند، اما کاربردهای یکسانی ندارند. محلول رقیق هیدروژن پراکسید در بعضی مواد ضدعفونی و محلول‌های مراقبت از لنز تماسی به کار می‌رود. آمونیاک نیز ماده‌ای برای تولید کود کشاورزی است. برای داوری دربارهٔ ایمنی هر ماده، شناخت خودِ آن مهم است؛ نام عنصر مشترک کافی نیست.
خطر جدی
گاز هیدروژن خالص سمی نیست، اما آتش‌گیری آسان و خطر نشت آن جدی است؛ ایمنی ترکیب‌های حاوی هیدروژن نیز یکسان نیست.
- هیدروژن در گسترهٔ حدود ۴ تا ۷۵ درصد حجمی در هوا آتش‌گیر است و جرقه میتواند آن را روشن کند.
- شعلهٔ هیدروژن در نور روز تقریباً نامرئی است؛ تجهیزاتِ کار با گاز به تهویه و آشکارساز نشت مناسب نیاز دارند.
- نشت هیدروژن در فضای بسته میتواند اکسیژن قابل‌تنفس را جابه‌جا کند؛ سیلندر یا سامانهٔ گاز نباید بدون آموزش و تجهیزات مناسب دست‌کاری شود.
- هیدروژن پراکسیدِ رقیق نیز میتواند چشم را تحریک کند؛ شکل‌های غلیظ آن خطر بسیار بیشتری دارند.
- آمونیاکِ حاوی هیدروژن برای چشم و دستگاه تنفس زیان‌آور است؛ پاک‌کنندهٔ آمونیاکی هرگز نباید با سفیدکننده مخلوط شود.
منبع: U.S. Department of Energy، U.S. Department of Energy Hydrogen Program
۱۰سر کلاس شیمی
یک عنصر، چند دام درسی؟
هیدروژن برای کلاس شیمی یک تفاوت ساده اما مهم دارد: H نماد عنصر یا اتم هیدروژن است، اما H2 فرمول مولکول معمول گاز آن است. اتم خنثای هیدروژن یک الکترون دارد؛ قرارگرفتنش در گروه اول نیز آن را به فلز قلیایی تبدیل نمی‌کند.
پروتیوم و دوتریم هر دو هیدروژن‌اند، چون شمار پروتون‌هایشان برابر است؛ تفاوتشان در شمار نوترون‌هاست. مول واحدی برای شمردن ذره‌ها در مقدارهای بزرگ ماده است. در واکنش تشکیل آب، به ازای هر دو مول گاز هیدروژن، یک مول گاز اکسیژن مصرف میشود.
هیدروژنِ آب را نباید با گاز هیدروژنِ آمادهٔ مصرف یکی گرفت. آب اتم‌های هیدروژن دارد، اما برای به‌دست‌آوردن گاز باید آن را جدا کرد. برقکافت یکی از راه‌هاست: در این فرایند، آب با مصرف برق به هیدروژن و اکسیژن تبدیل میشود.
داستان هیدروژن به لیوان آبِ کنار دفتر برمی‌شود. هیدروژنِ درون آب، گاز آمادهٔ مصرف نیست. اگر روزی بخواهیم گاز هیدروژن را با برق از آب جدا کنیم، پرسش بعدی پیش روست: برقِ لازم از کجا میآید؟
مفهوم درسی
موازنهٔ واکنش Balancing a chemical equation
در معادلهٔ موازنه‌شده، شمار اتم‌های هر عنصر در دو سوی واکنش برابر است. ضریب‌ها شمار مولکول‌ها یا نسبت مولی مواد را نشان می‌دهند.
- H نماد عنصر است؛ H۲ فرمول مولکول معمول گاز است.
- نسبت مولی هیدروژن به اکسیژن در این واکنش دو به یک است.
- عدد اکسایش هیدروژن در H۲ صفر و در آب مثبت یک است.
- ایزوتوپ‌های هیدروژن شمار پروتون برابر و شمار نوترون متفاوت دارند.
دیدن اثر کاتالیزگر با هیدروژن پراکسید رقیق
پرسشآیا مخمر سرعت تجزیهٔ ترکیبِ حاوی هیدروژن، یعنی هیدروژن پراکسید، را بیشتر میکند؟
وسایل و مواد
- محلول هیدروژن پراکسید ۳ درصد
- مقدار کمی مخمر
- چند قطره محلول مایع ظرف‌شویی
- ظرف شفاف
- عینک ایمنی
مراحل
- ۱
زیر نظر آموزگار، کمی محلول هیدروژن پراکسید رقیق را در ظرف شفاف بریزید و چند قطره محلول مایع ظرف‌شویی اضافه کنید.
- ۲
مقدار کمی مخمر بیفزایید و ظرف را روی میز بگذارید.
- ۳
سرعت پیدایش حباب و کف را پیش و پس از افزودن مخمر مقایسه کنید.
مشاهدهپس از افزودن مخمر، کف و حبابِ ناشی از آزاد شدن اکسیژن سریع‌تر پدید میآید.
نتیجهمخمر سرعت تجزیهٔ هیدروژن پراکسید به آب و اکسیژن را افزایش می‌دهد؛ گاز مشاهده‌شده هیدروژن نیست.
ایمنیفقط از محلول ۳ درصد، عینک ایمنی و نظارت آموزگار استفاده شود؛ محلول یا کف خورده نشود و به چشم نرسد. از محلول غلیظ یا ظرف دربسته استفاده نشود.
منبع: National Center for Biotechnology Information
پرسش و پاسخ
پرسش‌های متداول
تفاوت H و H2 چیست؟
H نماد عنصر هیدروژن است و میتواند به یک اتم آن اشاره کند. H2 فرمول مولکول معمول گاز هیدروژن است که از دو اتم هیدروژن ساخته میشود.
چرا هیدروژن با وجود جایگاهش در گروه اول، فلز قلیایی نیست؟
هیدروژن در گروه اول جدول تناوبی قرار دارد، اما نافلز است. یکسان‌بودن جایگاه گروهی به معنی یکسان‌بودن همهٔ ویژگی‌های عناصر آن گروه نیست.
ایزوتوپ‌های هیدروژن چه تفاوتی دارند؟
پروتیوم، دوتریم و تریتیوم هر سه یک پروتون دارند، اما شمار نوترون‌هایشان متفاوت است. پروتیوم و دوتریم پایدارند و تریتیوم پرتوزاست.
هیدروژن صنعتی از آب به دست میآید یا از گاز طبیعی؟
هر دو مسیر وجود دارند. صنعت میتواند هیدروژن را از واکنش متانِ گاز طبیعی با بخار آب تهیه کند یا با مصرف برق، آب را به هیدروژن و اکسیژن تبدیل کند.
آیا آبِ خروجی پیل سوختی یعنی هیدروژن کمانتشار تولید شده است؟
خیر. پیل سوختی در محل استفاده آب و گرما تولید میکند، اما میزان انتشارِ مربوط به تهیهٔ هیدروژن به روش تولید آن بستگی دارد.
خطر اصلی نشت گاز هیدروژن چیست؟
هیدروژن بیرنگ و بیبوست و در مخلوط با هوا میتواند آتش بگیرد. شعلهٔ آن نیز ممکن است در نور روز بهسختی دیده شود؛ سامانههای گاز به تهویه و آشکارسازی مناسب نیاز دارند.
منابع
- Abridged Standard Atomic Weights 2024 — CIAAW
- Atomic Weight of Hydrogen — CIAAW
- Hydrogen — Element information, properties and uses — Royal Society of Chemistry
- Antoine Laurent Lavoisier: The Chemical Revolution — American Chemical Society
- Artificial Clouds and Inflammable Air: The Science and Spectacle of the First Balloon Flights, 1783 — Science History Institute
- Peak Phosphorus? — Science History Institute
- Hydrogen Production: Natural Gas Reforming — U.S. Department of Energy
- Hydrogen Production: Electrolysis — U.S. Department of Energy
- Fuel Cells — U.S. Department of Energy
- Global Hydrogen Review 2026 — Production — International Energy Agency
- Global Hydrogen Review 2026 — Executive summary — International Energy Agency
- Prospectivity mapping for geologic hydrogen — U.S. Geological Survey
- Safe Use of Hydrogen — U.S. Department of Energy
- Introduction to Hydrogen for Code Officials — Text Version — U.S. Department of Energy Hydrogen Program
- Hydrogen Peroxide — PubChem Compound Summary — National Center for Biotechnology Information
دیدگاه‌ها
هنوز دیدگاهی ثبت نشده است؛ اولین نفری باشید که نظر می‌دهد.
ثبت دیدگاه
برای ارسال دیدگاه با شماره موبایل وارد شوید یا ثبتنام کنید.
ثبت دیدگاه
ثبت دیدگاه
برای ارسال دیدگاه با شماره موبایل وارد شوید یا ثبتنام کنید.
ثبت دیدگاه
برای ارسال دیدگاه با شماره موبایل وارد شوید یا ثبتنام کنید.