هیدروژن

*Ghazale* · 27/8/18

همچنین هیدروژن در بیشتر گونه‌های مواد آلی که در انـ*ـدام‌های زنده کاربرد دارند پیدا می‌شود، زغال، سوخت فسیلی و گاز طبیعی. متان (CH۴)، که یکی از محصولات فرعی فساد ترکیبات آلی است همگی دارای هیدروژن‌اند. گاز هیدروژن توسط باکتری‌ها و جلبک‌ها ساخته می‌شود و البته یکی از سازندگان طبیعی باد شکم است.

هیدروژن از راه‌های گوناگون بدست می‌آید، گذر بخار از روی کربن داغ، تجزیه هیدروکربن بـ*ـو*سیلهٔ حرارت، واکنش هیدروکسید سدیم یا پتاسیم بر آلومینیوم، الکترولیز آب یا از جابجایی آن در اسیدها توسط فلزات خاص.

تولید

در آزمایشگاه‌های زیست‌شناسی و شیمی می‌توان گاز هیدروژن را تولید کرد. این گاز معمولاً محصول کناری دیگر واکنش‌ها است.

در آزمایشگاه

در آزمایشگاه با کمک دستگاه کیپ می‌توان از واکنش اسیدها با فلزهایی مانند روی، هیدروژن بدست آورد:

Zn + ۲ H+ → Zn۲+ + H۲
از واکنش آلومینیم با قلیاها هم می‌توان به نتیجه رسید:

۲ Al + ۶ H۲O + ۲ OH− → ۲ Al(OH)−
۴ + ۳ H۲
الکترولیز آب هم یک روش آسان برای تولید هیدروژن است. با گذر یک جریان کم ولتاژ از آب می‌توان گاز اکسیژن را در آنُد و گاز هیدروژن را در کاتُد جمع کرد. برای جمع‌آوری هیدروژن معمولاً کاتد از پلاتین یا یک فلز واسطهٔ دیگر برگزیده می‌شود. البته چون امکان آتش گرفتن وجود دارد و اکسیژن هم به این سوختن کمک می‌کند برای همین فلز کاتد و آند هر دو واسطه در نظر گرفته می‌شود (آهن اکسید می‌شود و مقدار اکسیژن بدست آمده را کاهش می‌دهد). بیشترین بازده نظری این واکنش یعنی نسبت جریان الکتریسیته به هیدروژن تولیدی میان ۸۰ تا ۹۴ درصد است.

۲ H۲O(l) → ۲ H۲(g) + O۲(g)
شیمیدانان در سال ۲۰۰۷ دریافتند که اگر آلیاژی از گالیم و آلومینیم را به صورت گلوله‌ای در آورند و در آب بیندازند می‌تواند هیدروژن تولید کند. همچنین این فرایند آلومینا هم پدید می‌آورد. در این میان گالیم نمی‌گذارد که لایه‌ای از اکسیژن بر روی گلوله ساخته شود و البته گالیم پس از واکنش دوباره قابل استفاده‌است و این به دلیل گرانی این فلز نکتهٔ مهمی است. این روش از نظر کاهش هزینه هم درخور توجه‌است چرا که هیدروژن در همان‌جا تولید می‌شود و دیگر نیازی به جابجایی ندارد.

*Ghazale* · 27/8/18

در صنعت

راه‌های گوناگونی برای تولید صنعتی هیدروژن پیدا شده‌است. اما بهترین آن‌ها از نظر اقتصادی، برداشتن هیدروژن از هیدروکربن‌ها است. در این روش بخار آب در دمای بالا با سوخت‌های سنگواره‌ای مانند متان موجود در گاز طبیعی واکنش می‌دهد و مخلوط مونوکسید کربن و H۲ پدید می‌آورد که به آن گاز آب یا گاز سنتز می گویند. منظور از دمای بالا در این واکنش ۱۰۰۰ تا ۱۴۰۰ کلوین، ۷۰۰ تا ۱۱۰۰ سانتیگراد، ۱۳۰۰ تا ۲۰۰۰ فارنهایت است.

CH۴ + H۲O → CO + ۳ H۲

تمایل بر این است که این واکنش در فشار پایین انجام گیرد ولی چنین نمی‌شود و در فشارهای بالا (۲ مگاپاسکال، ۲۰ اتمسفر یا ۶۰۰ اینچ جیوه) رخ می‌دهد چون هیدروژن با فشار بالا کالای تجاری تری است و فرایند پالایش آن و جداسازی اش از دیگر گازها (PSA) در فشار بالا بهتر صورت می‌گیرد. مخلوط گاز سنتز جهت تولید متانول و ترکیب‌های مرتبط دیگر بکار می‌رود. جدای از متان، هیدروکربن‌های پیچیده تر هم می‌توانند در تولید گاز سنتز بکار روند تنها نسبت محصولات تولیدی متفاوت است. یکی از بزرگترین پیچیدگی‌ها در این فرایندهای بهینه‌سازی پدیداری کُک یا کربن است.

CH۴ → C + ۲ H۲

برای پالایش گاز هیدروژن از بخار آب زیادی که در آغاز واکنش افزودیم، از مونوکسید کربن استفاده می‌شود و اکسید آهن در این میان نقش آسان‌گر را بازی می‌کند. این واکنش از واکنش‌های مهم صنعتی در تولید کربن دی‌اکسید است.

CO + H۲O → CO۲ + H۲
یک روش صنعتی و مهم دیگر در تولید هیدروژن، اکسید کردن جزئی هیدروکربن‌ها است:

۲ CH۴ + O۲ → ۲ CO + ۴ H۲
و البته واکنش زغال سنگ که به عنوان پیش در آمدی بر واکنش بالایی است:

C + H۲O → CO + H۲

هیدروژن مورد نیاز در فرایند هابر برای تولید آمونیاک هم از گاز طبیعی بدست می‌آید. برقکافت آب‌نمک هم علاوه بر تولید سدیم هیدروکسید و آزادسازی کلر، هیدروژن نیز آزاد می‌کند.

به علت خورندگی و اشتعال‌پذیری گاز هیدروژن، جابجایی آن با دشواری روبروست. از این رو در بسیاری از این فرایندهای صنعتی، هیدروژن تولید شده در همان جا مصرف می‌شود بدون آنکه پالایش یا جداسازی انجام گیرد

*Ghazale* · 27/8/18

چرخهٔ گرماشیمی

بیش از ۲۰۰ چرخهٔ گرماشیمی (ترموشی) برای شکستن مولکول آب به اتم‌های سازنده اش وجود دارد. دانشمندان بر روی نزدیک به دو جین از این چرخه‌ها مانند چرخهٔ اکسید آهن، چرخهٔ اکسید سریم (IV)-اکسید سریم (III)، چرخهٔ روی-اکسید روی، چرخهٔ گوگرد-ید، چرخهٔ مس-کلر، چرخهٔ هیبرید گوگرد پژوهش و آزمایش می‌کنند و در تلاش اند تا از آب و گرما، به هیدروژن و اکسیژن برسند بدون اینکه از جریان برق کمک بگیرند.شماری از آزمایشگاه‌ها (از جمله در فرانسه، آلمان، یونان، ژاپن و آمریکا) در حال گسترش روش‌های ترموشیمی یا گرماشیمی اند تا بتوانند با کمک انرژی خورشیدی و آب، هیدروژن تولید کنند.

خوردگی بدون هوا

در شرایط بدون هوا، آهن و فولاد به آرامی با پروتون‌های آب، اکسید می‌شوند و مولکول هیدروژن (H۲) آزاد می‌شود. در این فرایند نخستین چیزی که ساخته می‌شود هیدروکسید آهن(II) (زنگارهای سبز) است و واکنش آن به صورت زیر است:

Fe + ۲ H۲O → Fe(OH)۲ + H۲
در شرایط بی هوا، هیدروکسید آهن(II) آزاد شده می‌تواند با پروتون‌های آب اکسید شود و مگنتیت و هیدروژن را پدید می‌آورد. فرایندی که توضیح داده شد، واکنش شیکور نام دارد.

۳ Fe(OH)۲ → Fe۳O۴ + ۲ H۲O + H۲
هیدروژن + آب + مگنتیت → هیدروکسید آهن
بلور مگنتیت (Fe۳O۴)، اگر به خوبی ساخته شده باشد از دید ترمودینامیکی پایدارتر از هیدروکسید آهن (Fe(OH)۲) است.

آنچه گفته شد فرایند خوردگی بدون هوای آهن و فولاد است که در آب‌های زیرزمینی بدون اکسیژن یا در خاک‌های کاهندهٔ زیر سفره‌های آب روی می‌دهد.

درون زمین

در نبود اکسیژن هوا (O۲)، در شرایط ویژهٔ درون زمین و در فاصله‌ای بسیار دور از هواکره، در فرایندی به نام سرپانتینی کردن، گاز هیدروژن یا H۲ پدید می‌آید. در این فرایند: اکسیدکردن بدون هوا، توسط پروتون‌های (H+) آب موجود در یون آهن Fe۲+ سیلیکات در شبکهٔ بلوری فایالیت (Fe۲SiO۴، الیوین سرشار از آهن) دیده می‌شود. در پایان، این واکنش به ساخت مگنتیت (Fe۳O۴)، کوارتز (SiO۲) و هیدروژن (H۲) می‌رسد:

۳ Fe۲SiO۴ + ۲ H۲O → ۲ Fe۳O۴ + ۳ SiO۲ + ۳ H۲
هیدروژن + کوارتز + مگنتیت → آب + فایالیت
این واکنش به واکنش شیکور که در خوردگی بدون هوا گفته شد، بسیار نزدیک است.

کاربردها

کاربرد در فرایندها
هیدروژن یا H۲ به فراوانی در صنایع شیمیایی و پتروشیمی کاربرد دارد. بزرگترین کاربرد آن در فراوری سوخت‌های سنگواره‌ای و تولید آمونیاک است. مصرف کنندگان کلیدی H۲ در کارخانه‌های پتروشیمی عبارتند از هیدرودآلکیلاسیون، هیدرودسولفوریزاسیون و کراکینگ. البته هیدروژن چندین کاربرد مهم دیگر هم دارد. هیدروژن در هیدروژنه کردن به ویژه در افزایش سطح اشباع چربی‌های غیر اشباع و تولید روغن جامد، دانه‌های روغنی و تولید متانول کاربرد دارد. کاربرد دیگر آن به عنوان منبع هیدروژن در تولید هیدروکلریک اسید است. همچنین هیدروژن به عنوان عامل کاهنده در احیای سنگ معدن‌های فلزی کار می‌کند.

هیدروژن به خوبی در بسیاری از عنصرهای خاکی کمیاب و فلزهای واسطه حل می‌شود. همچنین در فلزهای آمورفی و بلورهای نانو حل شدنی است.

*Ghazale* · 27/8/18

جدا از واکنش‌های شیمیایی که هیدروژن می‌تواند در آن‌ها شرکت کند، این ماده کاربرد فراوانی در مهندسی و فیزیک دارد. برای نمونه به عنوان گاز پوششی (محافظ) در روش‌های گوناگون جوشکاری مانند جوشکاری اتمی هیدروژن مورد نیاز است.کاربرد دیگر هیدروژن در خنک کردن مولد الکتریکی نیروگاه‌های برق است. این کاربرد به این دلیل است که هیدروژن دارای بالاترین رسانش گرمایی در میان گازها است. در پژوهش‌های سرماشناسی مانند مطالعهٔ ابررسانایی هم بر روی هیدروژن مایع کار می‌شود.چگالی گاز هیدروژن نزدیک به ۱/۱۵ هوا است. به همین دلیل در گذشته به عنوان گاز بالابر در بالون‌ها و کشتی‌های هوایی کاربرد داشت.

به تازگی از هیدروژن خالص یا آمیخته‌ای از هیدروژن و نیتروژن برای شناسایی نشتی‌های ریز و سوراخ‌های بسیار کوچک در نیروگاه‌ها، صنعت‌های شیمیایی، هوافضا، خودروسازی و مخابرات بهره برده می‌شود.[۷۴] هیدروژن یک افزودنی مجاز به مواد خوراکی است (E 949) با کمک آن می‌توان بسته‌بندی مواد خوراکی را از نظر نشتی و سوراخ آزمود همچنین از اکسید شدن مواد خوراکی هم پیشگیری می‌کند. دمای هیدروژن در نقطهٔ سه‌گانه اش به عنوان یکی از نقطه‌های ثابت در ITS-90 (مقیاس بین‌المللی دما در ۱۹۹۰) نشانه‌گذاری شده که برابر با ۱۳٫۸۰۳۳ کلوین است.

ایزوتوپ‌های کمیاب هیدروژن هر یک کاربرد ویژه‌ای دارند.

دوتریوم (هیدروژن-۲) در واکنش‌های شکافت هسته‌ای به عنوان کُندکننده در کاهش حرکت نوترون‌ها کار می‌کند و در واکنش‌های همجوشی هسته‌ای کاربرد دارد.
ترکیب‌های دوتره (حاوی دوتریوم) در پژوهش‌های زیست‌شناسی و شیمی دربارهٔ تأثیرات ایزوتوپ‌ها مورد نیازند.
تریتیوم (هیدروژن-۳) که در رآکتورهای هسته‌ای پدید می‌آید در ساخت بمب‌های هیدروژنی مورد نیاز است.
تریتیوم یک ایزوتوپ طبقه‌بندی شده در علوم زیستی است و به عنوان یک منبع ذرات بتا کاربرد دارد (مثلاً در رادیولومینسانس).

*Ghazale* · 27/8/18

حامل انرژی

هیدروژن به خودی خود یک منبع انرژی نیست.مگر آنکه با کمک واکنش‌های همجوشی هسته‌ای در دوتریوم یا تریتیوم برای نیروگاه‌ها انرژی تولید کند؛ که البته این فناوری بسیار پیشرفته‌است. انرژی خورشید هم از همجوشی هسته‌ای هیدروژن گرفته شده‌است اما بر روی زمین به سختی می‌توان به صورت کنترل شده به این فرایند دست یافت. هیدروژن بدست آمده از خورشید، فرایندهای زیستی یا الکتریکی انرژی مورد نیاز برای تولیدش بیشتر از انرژی بدست آمده از سوختنش است به همین دلیل در این موقعیت‌ها با هیدروژن به عنوان یک حامل انرژی برخورد می‌شود مانند یک باتری. هیدروژن را می‌توان از سوخت‌های سنگواره‌ای (مانند متان) بدست آورد اما این گونه منبع‌ها همیشگی و پایدار نیستند.

چگالی انرژی در یکای حجم هم برای هیدروژن مایع و هم برای گاز فشردهٔ هیدروژن در هر فشاری که بتوان با آن کار کرد آشکارا از چگالی انرژی سوخت‌های سنگواره‌ای سنتی پایین‌تر است همچنین چگالی انرژی در یکای جرم هم برای سوخت‌های سنگواره‌ای بالاتر است. اما همچنان پژوهش‌ها بر سر این است که در آینده به گستردگی از هیدروژن عنوان یک حامل انرژی بهره برده شود. برای نمونه می‌توان فرایند جداسازی کربن از هواکره و ذخیره‌سازی آن را برای هیدروژن هم همانند کرد و از سوخت‌های سنگواره‌ای هیدروژن بدست آورد. اگر بتوان از هیدروژن به عنوان سوخت در ترابری بهره برد، این سوخت به نسبت دیگر سوخت‌ها، پاک می‌سوزد، اندکی NOx تولید می‌کند اما به هر حال بدون پدید آوردن کربن می‌سوزد. نباید فراموش کرد که هزینه‌های مربوط به دگرگونی کامل سامانه، به اقتصاد هیدروژنی درخور نگرش است.

*Ghazale* · 27/8/18

خنک‌کننده ویرایش
نوشتار اصلی: مولد توربینی با خنک‌کننده هیدروژنی

از هیدروژن در نیروگاه‌های برق به عنوان خنک‌کنندهٔ ژنراتورها بهره برده می‌شود. این به دلیل ظرفیت گرمایی بسیار بالای این گاز است که از همهٔ گازها بالاتر است.

در نیمه رساناها

هیدروژن برای اشباع پیوندهای شکستهٔ سیلیسیم آمورف و کربن آمورف کاربرد دارد و کمک می‌کند تا ویژگی‌های ماده پایدار شود.همچنین در بسیاری از اکسیدهای مواد به عنوان دهندهٔ الکترون کار می‌کند. چند مورد از این اکسیدها عبارتند از:

ZnO, SnO۲, CdO, MgO, ZrO۲, HfO۲, La۲O۳, Y۲O۳, TiO۲, SrTiO۳، LaAlO۳، SiO۲, Al۲O۳، ZrSiO۴، HfSiO۴ و SrZrO۳.

دیگر کاربردها

به مقدار بسیار زیادی هیدروژن در فرایند هابر (Haber Process) نقش دارد. دیگر کاربردهای هیدروژن عبارت‌اند از:

آلکیل زدایی آبی (هیدرو دِ آلکیلاسیون hydrodealkylation)، گوگردزدایی آبی (هیدرو دِ سولفوریزاسیون، hydrodesulfurization) و هیدروکرکینک (hydrocracking)
در سوخت‌های موشک
هیدروژن می‌تواند در موتورهای درون‌سوز سوخته شود یا در پیل‌های هیدروژنی، انرژی الکتریکی تولید کند. تاکنون چند خودروی آزمایشی توسط چند شرکت خودروسازی از جمله BMW (موتور گرمایی) و بنز، تویوتا، اپل و ... (پیل هیدروژنی) تولید شده‌است. پیل‌های سوختی هیدروژنی، به‌عنوان راه کاری برای تولید توان بالقوهٔ ارزان و بدون آلودگی، مورد توجه قرار گرفته‌است.

*Ghazale* · 27/8/18

واکنش‌های زیستی

H۲ محصول برخی از واکنش‌های بدون هوا است که توسط چندین گونه میکروب درست می‌شود. این واکنش‌ها معمولاً با کمک آهن یا نیکل موجود در آنزیم‌هایی به نام هیدروژناس آسان می‌شوند. این آنزیم‌ها به عنوان آسانگر در واکنش‌های برگشت‌پذیر اکسایش و کاهش میان H۲ و اجزایش، دو پروتون و دو الکترون، کار می‌کنند. گاز هیدروژن هنگام انتقال تعادل‌های کاهشی بوجود آمده در اثر تخمیر اسید پیرویک با آب، پدید می‌آید.

همه روزه شکستن مولکول آب به اجزای سازنده اش، پروتون‌ها، الکترون‌ها و اکسیژن در واکنش نورساخت در انـ*ـدام‌های زنده روی می‌دهد. برخی از انـ*ـدام‌ها مانند سیانوباکتر و جلبک کلامیدوموناز رینهارتی یک گام دوم را هم وارد واکنش می‌کنند که مربوط به واکنش‌های در تاریکی است و در آن پروتون‌ها و الکترون‌ها کاهیده می‌شوند و با کمک آنزیم‌های ویژه‌ای که در کلروپلاست وجود دارد گاز H۲ را درست می‌کنند. تلاش شده تا آنزیم‌های سیانوباکتری را به صورت ژنی تصحیح کنند و با کمک آن‌ها حتی در حضور اکسیژن هم گاز هیدروژن تولید کنند. همچنین تلاش شده تا ژن‌های جلبک یک واکنش دهندهٔ زیستی را هم اصلاح کنند.

*Ghazale* · 27/8/18

هشدارها

هنگام کار با هیدروژن باید بسیار هشیار بود. این به دلیل توان آتش‌گیری و انفجار آن است به ویژه هنگامی که با هوا آمیخته می‌شود و هنگامی که خالص یا بدون اکسیژن باشد هم فرد را دچار خفگی می‌کند. هیدروژن مایع توان سردکنندگی بسیار بالایی دارد و مانند دیگر مایعات بسیار سرد، می‌تواند آسیب‌هایی همچون یخ‌زدگی را به بار آورد. هیدروژن در بسیاری از فلزها حل می‌شود گاهی این توانایی دلخواه ما نیست مانند امکان نشت به بیرون و پدیدهٔ تردی هیدروژنی که در صورت ادامه باعث ترک خوردگی یا انفجار می‌شود. نشت هیدروژن در هوای آزاد باعث شعله‌ور شدن آن می‌شود افزون بر این سوختن هیدروژن هنگامی که بسیار داغ باشد، تقریباً پدیده‌ای ناپیدا (نامرئی) است و می‌تواند باعث رویدادهای ناگواری شود.

داده‌های مربوط به هیدروژن از جمله داده‌های مربوط به امنیت آن به دسته‌ای از پدیده‌ها بستگی دارد. بسیاری از ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی هیدروژن به نسبت اورتوهیدروژن و پاراهیدروژن گاز وابسته‌است که معمولاً روزها و گاهی هفته‌ها طول می‌کشد تا در یک دمای مشخص به تعادل برسد و چون داده‌های امنیت مربوط به حالت تعادل است کمی کار دشوار می‌شود همچنین پارامترهای انفجار، مانند فشار و دمای بحرانی به شدت به هندسهٔ ظرف دربردارنده هم بستگی دارد.

خوش آمدید به رمان ۹۸ | بهترین انجمن رمان نویسی

هیدروژن

Ghazale

مدير بازنشسته

رمان ۹۸ | بهترین انجمن رمان نویسی

رمان ۹۸ | دانلود رمان

Ghazale

مدير بازنشسته

رمان ۹۸ | بهترین انجمن رمان نویسی

رمان ۹۸ | دانلود رمان

Ghazale

مدير بازنشسته

رمان ۹۸ | بهترین انجمن رمان نویسی

رمان ۹۸ | دانلود رمان

Ghazale

مدير بازنشسته

رمان ۹۸ | بهترین انجمن رمان نویسی

رمان ۹۸ | دانلود رمان

Ghazale

مدير بازنشسته

رمان ۹۸ | بهترین انجمن رمان نویسی

رمان ۹۸ | دانلود رمان

Ghazale

مدير بازنشسته

رمان ۹۸ | بهترین انجمن رمان نویسی

رمان ۹۸ | دانلود رمان

Ghazale

مدير بازنشسته

رمان ۹۸ | بهترین انجمن رمان نویسی

رمان ۹۸ | دانلود رمان

Ghazale

مدير بازنشسته

رمان ۹۸ | بهترین انجمن رمان نویسی

رمان ۹۸ | دانلود رمان

درباره ما

لینک‌های پیشنهادی رمان ۹۸

آمار آنلاین

خوش آمدید به رمان ۹۸ | بهترین انجمن رمان نویسی

ما را در شبکه‌های اجتماعی دنبال کنید

مدير بازنشسته

مدير بازنشسته

مدير بازنشسته

مدير بازنشسته

مدير بازنشسته

مدير بازنشسته

مدير بازنشسته

مدير بازنشسته

ما را در شبکه‌های اجتماعی دنبال کنید

درباره ما

لینک‌های پیشنهادی رمان ۹۸

آمار آنلاین