سيارة تعمل بالماء شرح توضيحي اكثر من رائع

اولا التعرف على خصاتص الهيدروجين

العدد الذري : 1

الكتلة الذرية : 1.00794

درجة الانصهار : -259,14°م

درجة الغليان : -252,76°م

عدد الأكسدة : +1, -1

الكثافة : 0,08988 جم/لتر

السالبية الكهربية : 2,20

نصف القطر الذري : 37,5 pm

التوزيع الالكتروني : 1s1

النظائر : 99,985% Protium

0,015% Deuterium

وجوده وتاريخه

يحتوي العنصر الأول في الجدول الدوري على بروتون واحد في نواته والكترون
واحد خارج النواة يتحرك في مجالٍ كروي الشكل من نوع S ونظراً لأن المجال S
يسع الكترونين فإن ذرات الهيدروجين يمكنها أن تكون في حالة أدنى من الطاقة
عن طريق التزاوج وتكوين جزيئات الهيدروجين H2 والتي توجد في حالة غازية في
الظروف الطبيعية ، كما أنها يمكن أن تتفاعل مع عدد كبير من العناصر الأخرى
مكونّةً مجموعة كبيرة من المركبات الهيدروجينية .

تم اكتشاف غاز الهيدروجين في عام 1766 للميلاد من قبل الفيزيائي Henry Cavendish .

يظهر أنّ الهيدروجين هو العنصر الأكثر وفرةً في الكون ، ويدّل تحليل الضوء
المنبعث من النجوم أنّ الهيدروجين هو الغالب في معظم النجوم فهو يشكّل
مثلاً أكثر من 90% من كتلة الشمس ويعتقد أن التفاعل الممثّل في المعادلة
التالية يحدث بصفةٍ مستمرةٍ في الشمس

أما على سطح الأرض فهو أقل وفرةً بكثير ولعل السبب

في ذلك ضعف الجاذبية الأرضية التي لا تمكنّها من الاحتفاظ بهذا الغاز

الخفيف ورغم هذا فبالامكان العثور على غاز الهيدروجين في صورته الغازية في

الغازات البركانية وفي طبقات الجو العليا للهواء وبكميات ضئيلة .

أمّا الهيدروجين المتّحد فهو أكثر توفراً فالماء على

سبيل المثال يحوي على ما يقارب 11.2 % من وزنه هيدروجين كما يوجد أيضاً

متحداً مع الكربون في المركبات العضوية والتي تشكّل الجزء الرئيس للكائنات

الحية والفحم الحجري والنفط .


تحضيره

كما هو معلوم فإنّه عند تحضير وانتاج مادة ما

للأغراض التجارية فإن الاعتبار الأول في العادة هو الحصول على أكبر كمية

ممكنة وبأقل التكاليف أمّا إذا كان الغرض هو الاستعمال المخبري فإن

الإعتبار في هذه الحالة يكون لنقاوة العينة وملائمتها للعمل وبالنسبة

للهيدروجين التجاري فإن المصادر الأولية له هما الماء والهيدروكربونات

فيمكن تحضيره بكميات لا بأس بها وبتكاليف منخفضة نسبياً بإمرار بخار الماء

فوق الكربون الساخن .

C (s) + H2O (g) -----> CO + H2

يعرف الخليط الناتج ( غاز أول أكسيد الكربون وغاز

الهيديوجين ) باسم غاز الماء أو غاز التصنيع ويستخدم في الصناعة بشكلٍ

واسع كوقود كما أنه يستخدم في تحضير الغول الميثيلي ( الميثانول ) .


وبالإمكان استخدام غاز الميثان كبديل للكربون في هذا التفاعل لنحصل على نفس الخليط الناتج كما يتضح من المعادلة التالية :

CH4 + H2O (g) -----> CO + 3H2

ويمكن الحصول على غاز هيدروجين أنقى وبتكاليف منخفضة نسبياً أيضاً بإمرار بخار الماء فوق حديد ساخن كما يلي :

x 3Fe(s) + 4H2O (g) -----> FeO4(s) + 4H2 (g) s

أما الهيدروجين الأنقى ( 99.9% ) فيمكن الحصول عليه بعملية التحليل الكهربي للماء ولكنها عملية مكلفّة للغاية .

x 2 H2O --> 2 H2 + O2


عند المصعد تفاعل أكسدة


x 2 H2O --> 4 H+ + O2 + 4 e


عند المهبط تفاعل اختزال


x 4 H+ + 4 e- --> 2 H2



[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

كما يمكن الحصول على غاز الهيدروجين كمنتج جانبي في

صناعة وتحضير غاز الكلور من التحليل الكهربي لمحلول كلوريد الصوديوم

المائي ، وأيضاً في معامل تكرير البترول أثناء عمليات التكسير الحراري

التي تتم لغرض تحسين مواصفات منتج الجازولين .


أما في المختبر فيحضرغاز الهيدروجين النقي بإضافة

فلز الخارصين إلى الأحماض مثل حمض الكلور أو حمض الكبريتيك حيث يختزل

الخارصين الهيدروجين ويطرده على شكل غاز هيدروجين .

Zn (s) + 2 H+ (aq) -----> Zn++ + H2

تفاعلات الهيدروجين

يتفاعل غاز الهيدروجين مع غاز الأكسجين ليطلق كميات

كبيرة من الحرارة ، ويمكن أن يكوّن خليط من هذين الغازين مواداً متفجرة

خاصة إذا كانت نسبة غاز H2 إلى O2 تساوي 1 : 2 .

s 2H2 + O2 -----> 2 H2O -572kJ/mol


وهذا مقطع كويك تايم يوضح شدة التفاعل :

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط]

كما يتفاعل غاز الهيدروجين مع الهالوجينات بعنف مكوناً هاليدات الهيدروجين فيتفاعل مع غاز الكلور مكوناً غاز كلوريد الهيدروجين .

H2 + Cl2 -----> 2 HCl -184kJ/mol

ويتفاعل مباشرةً مع غاز النيتروجين مكوناً غاز النشادر في تفاعل شهير يعرف باسم تفاعل هابر - بوش .

s 2 NH3 N2 + 3 H2 +92 kJ/mol

ويتفاعل غاز الهيدروجين مع الكبريت مكوناً كبريتيد الهيدروجين .

S + H2 -----> H2S -21 kJ/mol

ويمكن لغاز الهيدروجين أن يحرّر بعض الفلزات من أكاسيدها فهو يختزل النحاس في أكسيد النحاس ليتكون فلز النحاس والماء .

CuO + H2 -----> Cu + H2O -129 kJ/mol

خواصه واستعمالاته
الهيدروجين عند درجة حرارة الغرفة عبارة عن غاز عديم
اللون ، عديم الرائحة ، عديم الطعم . وهو غاز ثنائي الذرة يتكون من جزيئات
غير قطبية تتألف من ذرتين ترتبطان برابطة تساهمية وتبلغ طاقة الرابطة 431
كيلو جول ، وغاز الهيدروجين هو الأخف من بين الغازات لذلك يوجد في طبقات
الجو العليا واستخدم قديماً في رفع المناطيد الهوائية كم يستخدمه إلى
اليوم العاماين بالأرصاد الجوية بإرسال بالونات مملوءة بغاز الهيدروجين
لاستكشاف حالة الطقس .
كما يمكن استعمال غاز الهيدروجين في عمليات اللحام
وقطع المعادن ، وفي عمليات الهدرجة المختلفة كهدرجة الزيوت وكمصدر للطاقة
كاستخدامه في خلايا الوقود وهناك اتجاه حديث الآن يتمثّل في استخدام غاز
الهيدروجين كوقود بديل للمشتقات النفطية .

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

مقدمة تعريفية عن عمل الخلية
تعتبر خلية الوقود أداة
لتحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربية اي انها تقوم من خلال تفاعلات
كيميائية بتحويل الهيدروجين والاكسجين إلى ماء وينتج عن هذه العملية طاقة
كهربية. وبالمقارنة مع البطارية التقليدية المعروفة فإن الاختلاف يكمن في
ان المواد الكيميائية الداخلة في التفاعل لتوليد الكهرباء هي جزء من تركيب
البطارية وتوجد في داخلها، وبانتهاء المواد الكيميائية هذه فإن البطارية
تصبح عديمة الفائدة ويتم استبداله أو اعادة شحنها مرة اخرى، في حين ان
خلايا الوقود لا يمكن ان تنتهي فهي تعمل باستمرار لان مصدر المواد الكيميائية هي من الهواء.

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

شرائح من خلايا الوقود تستخدم كمصدر للطاقة في السيارات
يوجد العديد من خلايا الوقود تصنف حسب المواد الكيميائية التي تستخدمها، وكذلك صفائح المحلل electrolyte التي تستخدماها. والنوع الاكثر شيوعا ورواجا هو خلية الوقود ذات غشاء التبادل البروتوني proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) والموضح فكرة عملها في الشكل التالي:
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]
فكرة عمل وتركيب خلية الوقود لانتاج الطاقة الكهربية

يوضح الشكل اعلاه تركيب خلية الوقود وفكرة عملها تتلخص في المراحل التالية:
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]هذه هي التفاعلات الكيميائية التي تحدث على طرفي الخلية
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]
إن النماذج البسيطة التي تصنع منها الخلية الهيدروجينية و المستخدمة فيوسائط النقل تنتج حوالي 1.16 Volt لذلك يتم وصل عدد كبير من الخلايالتوليد الطاقة الكهربائية المطلوبة . يبين الشكل التالي خلية هيدروجينية مكونة من عدد كبير من الشرائح لتوليد فرق الجهد المطلوب.
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]
خزانات الهيدروجين


المهندس/مصطفى محمود عبد الدايم