الهيدروجين في الطبيعة (0.9٪ في القشرة الأرضية). ما هو العنصر الكيميائي الأكثر شيوعًا ولماذا؟ الهيدروجين في الفضاء وعلى الأرض
يعرف علماء الفيزياء الفلكية أن تكوين النجوم يتطلب وقودًا. النظرية الحالية هي أن أنهار الهيدروجين - المعروفة باسم "التيارات الباردة" - يمكن أن تكون نوعًا من عبّارة الهيدروجين عبر الفضاء بين المجرات ، وبالتالي تغذي تشكل النجوم.
تميل المجرات الحلزونية ، مثل مجرتنا درب التبانة ، إلى أن يكون لها معدل تكوّن نجمي هادئ إلى حد ما ولكنه ثابت. المجرات الأخرى ، مثل NGC 6946 ، التي تبعد حوالي 22 مليون سنة ضوئية عن الأرض على حدود الأبراج Cepheus و Cygnus ، أكثر نشاطًا في هذا الصدد. هذا يثير التساؤل حول ما هي الأرض الخصبة لتكوين النجوم المستمر في هذه المجرات الحلزونية المماثلة.
كشفت الدراسات السابقة للفضاء المجري القريب حول NGC 6946 من تلسكوب WSRT في هولندا عن هالة هيدروجين ممدودة. ومع ذلك ، يمكن أن يتشكل التيار البارد بواسطة الهيدروجين من مصدر مختلف تمامًا - غاز من الفضاء بين المجرات ، والذي لم يتم تسخينه أبدًا إلى درجات حرارة عالية من خلال عملية تكوين النجوم.
باستخدام تلسكوب جرين بانك (GBT) ، تمكن بيزانو من اكتشاف التوهج المنبعث من الهيدروجين المحايد الذي يربط NGC 6946 بجيرانها الكونيين. كانت هذه الإشارة ببساطة أقل من عتبة الكشف عن التلسكوبات الأخرى ، لكن القدرات الفريدة لـ GBT سمحت للعالم باكتشاف هذا الإشعاع الضعيف.
اقترح علماء الفلك منذ فترة طويلة أن المجرات الكبيرة يمكنها الحصول على إمدادات ثابتة من الهيدروجين البارد عن طريق ضخها من رفقاء آخرين أقل كتلة.
ستساعد الأبحاث الإضافية في تأكيد طبيعة هذه الملاحظة وتساعد في إلقاء الضوء على الدور المحتمل الذي تلعبه التيارات الباردة في تطور المجرات.
الهيدروجين (H) خفيف جدا عنصر كيميائي، بمحتواها في قشرة الأرض 0.9٪ وزناً ، وفي الماء 11.19٪.
توصيف الهيدروجين
من حيث الخفة فهو الأول بين الغازات. في ظل الظروف العادية ، يكون عديم الطعم واللون والرائحة على الإطلاق. عندما يدخل الغلاف الحراري ، فإنه يطير في الفضاء بسبب وزنه المنخفض.
في الكون كله ، هو العنصر الكيميائي الأكثر عددًا (75٪ من الكتلة الكلية للمواد). لدرجة أن العديد من النجوم في الفضاء الخارجي تتكون بالكامل منه. على سبيل المثال ، الشمس. مكونه الرئيسي هو الهيدروجين. والحرارة والضوء هما نتيجة إطلاق الطاقة أثناء اندماج نوى المادة. يوجد أيضًا في الفضاء غيوم كاملة من جزيئاته ذات الأحجام والكثافات ودرجات الحرارة المختلفة.
الخصائص الفيزيائية
تغير درجة الحرارة والضغط المرتفعان صفاته بشكل كبير ، لكن في ظل الظروف العادية:
لها موصلية حرارية عالية بالمقارنة مع الغازات الأخرى ،
غير سامة وسيئة الذوبان في الماء
بكثافة 0.0899 جم / لتر عند 0 درجة مئوية و 1 ضغط جوي.
يتحول إلى سائل عند -252.8 درجة مئوية
تصبح صلبة عند -259.1 درجة مئوية.
الحرارة النوعية للاحتراق هي 120.9.106 جول / كجم.
يتطلب ضغطًا مرتفعًا ودرجات حرارة منخفضة جدًا ليصبح سائلاً أو صلبًا. عندما يتم تسييله ، يكون سائلاً وخفيفًا.
الخواص الكيميائية
تحت الضغط والتبريد (-252.87 جم. C) ، يكتسب الهيدروجين حالة سائلة تكون أخف وزناً من أي نظير. في ذلك ، يأخذ مساحة أقل من الشكل الغازي.
إنه نموذجي غير معدني. في المختبرات ، يتم الحصول عليها عن طريق تفاعل المعادن (مثل الزنك أو الحديد) مع الأحماض المخففة. في ظل الظروف العادية ، يكون غير نشط ولا يتفاعل إلا مع المعادن غير النشطة. يمكن للهيدروجين أن يفصل الأكسجين عن الأكاسيد ويقلل المعادن من المركبات. إنها ومخاليطها تشكل روابط هيدروجينية مع عناصر معينة.
الغاز قابل للذوبان بدرجة عالية في الإيثانول وفي العديد من المعادن ، وخاصة البلاديوم. الفضة لا تحلها. يمكن أن يتأكسد الهيدروجين أثناء الاحتراق في الأكسجين أو الهواء ، وعند التفاعل مع الهالوجينات.
عندما يقترن بالأكسجين ، يتكون الماء. إذا كانت درجة الحرارة طبيعية ، يكون التفاعل بطيئًا ، إذا كانت درجة الحرارة أعلى من 550 درجة مئوية - مع حدوث انفجار (يتحول إلى غاز متفجر).
إيجاد الهيدروجين في الطبيعة
على الرغم من وجود الكثير من الهيدروجين على كوكبنا ، إلا أنه ليس من السهل العثور عليه في شكله النقي. يمكن العثور على القليل أثناء الانفجارات البركانية وأثناء استخراج النفط وفي مكان تحلل المواد العضوية.
يوجد أكثر من نصف الكمية الإجمالية في التركيبة مع الماء. يتم تضمينه أيضًا في بنية النفط ، والطين المختلفة ، والغازات القابلة للاحتراق ، والحيوانات والنباتات (التواجد في كل خلية حية هو 50٪ بعدد الذرات).
دورة الهيدروجين في الطبيعة
في كل عام ، تتحلل كمية ضخمة (بلايين الأطنان) من بقايا النباتات في المسطحات المائية والتربة ، ويؤدي هذا التحلل إلى تناثر كتلة ضخمة من الهيدروجين في الغلاف الجوي. يتم إطلاقه أيضًا أثناء أي تخمير تسببه البكتيريا والاحتراق ويشارك مع الأكسجين في دورة الماء.
تطبيقات الهيدروجين
يتم استخدام العنصر بشكل نشط من قبل البشرية في أنشطتها ، لذلك تعلمنا كيفية الحصول عليه على نطاق صناعي من أجل:
الأرصاد الجوية والإنتاج الكيميائي؛
انتاج السمن النباتي
كوقود للصواريخ (الهيدروجين السائل) ؛
صناعة الطاقة لتبريد المولدات الكهربائية.
لحام وقطع المعادن.
تُستخدم كتلة الهيدروجين في إنتاج البنزين الصناعي (لتحسين جودة الوقود جودة منخفضة) والأمونيا وكلوريد الهيدروجين والكحول ومواد أخرى. تستخدم الطاقة النووية بنشاط نظائرها.
يستخدم مستحضر "بيروكسيد الهيدروجين" على نطاق واسع في علم المعادن ، وصناعة الإلكترونيات ، وإنتاج اللب والورق ، وفي تبييض أقمشة الكتان والقطن ، وفي صناعة أصباغ الشعر ومستحضرات التجميل ، والبوليمرات ، وفي الطب لعلاج الجروح.
يمكن أن تصبح الطبيعة "المتفجرة" لهذا الغاز سلاحًا فتاكًا - قنبلة هيدروجينية. يصاحب انفجاره إطلاق كمية هائلة من المواد المشعة ويضر بكل الكائنات الحية.
يهدد ملامسة الهيدروجين السائل والجلد بقضمة صقيع شديدة ومؤلمة.
على الأرض - الأكسجين ، في الفضاء - الهيدروجين
يحتوي الكون على أكبر قدر من الهيدروجين (74٪ بالكتلة). لقد تم الحفاظ عليها منذ الانفجار العظيم. تمكن جزء ضئيل فقط من الهيدروجين من التحول إلى عناصر أثقل في النجوم. على الأرض ، العنصر الأكثر شيوعًا هو الأكسجين (46-47٪). معظمها مرتبط على شكل أكاسيد ، وخاصة أكسيد السيليكون (SiO 2). أكسجين الأرضونشأ السيليكون في النجوم الضخمة التي كانت موجودة قبل ولادة الشمس. في نهاية حياتهم ، انفجرت هذه النجوم في مستعرات أعظم وألقت العناصر المتكونة فيها في الفضاء. بالطبع ، احتوت منتجات الانفجار على الكثير من الهيدروجين والهيليوم ، وكذلك الكربون. ومع ذلك ، فإن هذه العناصر ومركباتها شديدة التقلب. بالقرب من الشمس الفتية ، تبخروا وانفجروا بفعل ضغط الإشعاع على أطراف النظام الشمسي.
العناصر العشرة الأكثر شيوعًا في مجرة درب التبانة *
* الكسر الكتلي لكل مليون.
تعمل وكالات الفضاء والشركات الخاصة بالفعل على تطوير خطط لإرسال أشخاص إلى المريخ في السنوات القليلة المقبلة ، مما سيؤدي في النهاية إلى استعماره. ومع الزيادة في عدد الكواكب الشبيهة بالأرض المكتشفة حول النجوم القريبة ، أصبح السفر في الفضاء السحيق أكثر أهمية.
ومع ذلك ، ليس من السهل على البشر البقاء على قيد الحياة في الفضاء لفترات طويلة من الزمن. أحد التحديات الرئيسية لرحلات الفضاء الطويلة هو نقل ما يكفي من الأكسجين لرواد الفضاء للتنفس والوقود الكافي لتشغيل الإلكترونيات المعقدة. لسوء الحظ ، لا يوجد عمليًا أي أكسجين في الفضاء ، لذلك يجب تخزينه على الأرض.
لكن بحثًا جديدًا ، نُشر في Nature Communications ، يُظهر أنه من الممكن إنتاج الهيدروجين (للوقود) والأكسجين (للتنفس) من الماء باستخدام مادة شبه موصلة فقط ، وأشعة الشمس (أو ضوء النجوم) وانعدام الوزن ، مما يجعل السفر لمسافات طويلة أكثر واقعية.
يعد استخدام مورد الشمس غير المحدود لتشغيل حياتنا اليومية أحد أكثر التحديات العالمية على الأرض. بينما نتحرك ببطء بعيدًا عن النفط نحو الطاقة المتجددة ، يهتم الباحثون بإمكانية استخدام الهيدروجين كوقود. أفضل طريقةللقيام بذلك سيكون فصل الماء (H2O) إلى مكوناته: الهيدروجين والأكسجين. هذا ممكن باستخدام عملية تعرف باسم التحليل الكهربائي ، والتي تتكون من تمرير التيار عبر الماء الذي يحتوي على بعض الإلكتروليت القابل للذوبان (على سبيل المثال ، الملح - تقريبا. ترجمة.). نتيجة لذلك ، يتحلل الماء إلى ذرات الأكسجين والهيدروجين ، والتي يتم إطلاق كل منها على قطبها الكهربائي.
التحليل الكهربائي للماء.
على الرغم من أن هذه الطريقة ممكنة تقنيًا ومعروفة منذ قرون ، إلا أنها لا تزال غير متوفرة بسهولة على الأرض لأننا بحاجة إلى المزيد من البنية التحتية المتعلقة بالهيدروجين ، مثل محطات تعبئة الهيدروجين.
يمكن أيضًا استخدام الهيدروجين والأكسجين اللذين يتم الحصول عليهما بهذه الطريقة من الماء كوقود في المركبات الفضائية. سيكون إطلاق صاروخ بالماء أكثر أمانًا في الواقع من وجود وقود إضافي وأكسجين على متنه ، حيث يمكن أن يكون الخليط متفجرًا في حالة وقوع حادث. الآن ، في الفضاء ، ستكون التكنولوجيا الخاصة قادرة على تقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين ، والتي بدورها يمكن استخدامها للحفاظ على التنفس والإلكترونيات (على سبيل المثال ، باستخدام خلايا الوقود).
هناك خياران لهذا. واحد منهم هو التحليل الكهربائي ، كما هو الحال على الأرض ، باستخدام المنحلات بالكهرباء و الألواح الشمسيةللحصول على التيار. ولكن ، للأسف ، فإن التحليل الكهربائي عملية تستهلك الكثير من الطاقة ، والطاقة في الفضاء "تستحق وزنها ذهباً".
البديل هو استخدام المحفزات الضوئية ، التي تعمل عن طريق امتصاص الفوتونات في مادة شبه موصلة موضوعة في الماء. إن طاقة الفوتون "تقطع" إلكترونًا من مادة ما ، تاركة "ثقبًا" بداخلها. يمكن أن يتفاعل الإلكترون الحر مع البروتونات في الماء لتكوين ذرات الهيدروجين. وفي الوقت نفسه ، يمكن لـ "الثقب" امتصاص الإلكترونات من الماء لتكوين البروتونات وذرات الأكسجين. 
عملية التحفيز الضوئي في ظل الظروف الأرضية وتحت الجاذبية الصغرى (أقل مليون مرة من الأرض). كما يتضح ، في الحالة الثانية ، يكون عدد فقاعات الغاز الناشئة أكبر.
يمكن عكس هذه العملية. يمكن إعادة تجميع (دمج) الهيدروجين والأكسجين باستخدام خلية وقود ، ونتيجة لذلك تتشكل الطاقة الشمسية المستهلكة في "عوائد" التحفيز الضوئي وتتشكل المياه. وبالتالي ، فإن هذه التكنولوجيا هي المفتاح الحقيقي للسفر في الفضاء السحيق.
العملية باستخدام المحفزات الضوئية الخيار الأفضلللسفر عبر الفضاء ، حيث تزن المعدات أقل بكثير مما هو مطلوب للتحليل الكهربائي. من الناحية النظرية ، فإن العمل معه في الفضاء أسهل أيضًا. هذا يرجع جزئيًا إلى حقيقة أن شدة ضوء الشمس خارج الغلاف الجوي للأرض أعلى بكثير ، حيث يوجد ما يكفي في الأخير. معظميمتص الضوء أو ينعكس في طريقه إلى السطح.
في دراسة جديدة ، أسقط العلماء إعدادًا تجريبيًا للتحفيز الضوئي يعمل بكامل طاقته من برج ارتفاعه 120 مترًا ، مما خلق بيئة تسمى الجاذبية الصغرى. عندما تسقط الأجسام على الأرض في حالة سقوط حر ، يتناقص تأثير الجاذبية (لكنها لا تختفي في أي مكان ، ولهذا يطلق عليها اسم الجاذبية الصغرى ، وليس غياب الجاذبية - تقريبا. ترجمة.) ، نظرًا لعدم وجود قوى تعوض عن جاذبية الأرض - وبالتالي ، خلال الخريف ، يتم إنشاء الظروف في التثبيت كما هو الحال في محطة الفضاء الدولية.
الإعداد التجريبي وعملية التجربة.
تمكن الباحثون من إثبات أنه من الممكن بالفعل تقسيم المياه في ظل هذه الظروف. ومع ذلك ، نظرًا لأن هذه العملية تنتج الغاز ، تتشكل الفقاعات في الماء. تتمثل المهمة المهمة في التخلص من فقاعات مادة المحفز ، لأنها تتداخل مع عملية تكوين الغاز. على الأرض ، تتسبب الجاذبية في تطفو الفقاعات على السطح (الماء بالقرب من السطح أكثر كثافة من الفقاعات ، مما يسمح لها بالطفو على السطح) ، مما يؤدي إلى تحرير مساحة في المحفز لتكوين المزيد من الفقاعات.
في حالة انعدام الوزن ، هذا غير ممكن ، وتبقى فقاعات الغاز على المحفز أو بالقرب منه. ومع ذلك ، قام العلماء بتعديل شكل المحفز على المقياس النانوي ، وإنشاء مناطق هرمية حيث يمكن للفقاعة أن تنفصل بسهولة عن قمة الهرم وتدخل إلى الماء دون التدخل في عملية تكوين الفقاعة الجديدة.
لكن تبقى مشكلة واحدة. في حالة عدم وجود الجاذبية ، ستبقى الفقاعات في السائل على الرغم من إجبارها على ترك المحفز. تسمح الجاذبية للغاز بالهروب بسهولة من السائل ، وهو أمر بالغ الأهمية لاستخدام الهيدروجين والأكسجين النقيين. بدون الجاذبية ، لا تطفو أي فقاعات غازية على السطح ومنفصلة عن السائل - وبدلاً من ذلك ، يتم تكوين نظير من الرغوة.
هذا يقلل بشكل كبير من كفاءة العملية عن طريق منع المحفزات أو الأقطاب الكهربائية. ستكون الحلول الهندسية حول هذه المشكلة أساسية للتنفيذ الناجح للتكنولوجيا في الفضاء - أحد الحلول الحلول الممكنةيتكون من دوران التثبيت: بهذه الطريقة ، ستخلق قوى الطرد المركزي جاذبية اصطناعية. لكن مع ذلك ، بفضل هذا البحث الجديد ، نقترب خطوة واحدة من رحلات الفضاء البشرية طويلة المدى.