الهيدروجين السائل هو إحدى حالات تجمع الهيدروجين. هناك أيضًا حالة غازية وصلبة لهذا العنصر. وإذا كان الشكل الغازي معروفًا لدى الكثيرين ، فإن الحالتين المتطرفتين الأخريين تثيران الأسئلة.
التاريخ
تم الحصول على الهيدروجين السائل فقط في الثلاثينيات من القرن الماضي ، ولكن قبل ذلك ، قطعت الكيمياء شوطًا طويلاً في إتقان هذه الطريقة في تخزين الغاز وتطبيقه.
بدأ استخدام التبريد الصناعي تجريبياً في منتصف القرن الثامن عشر في إنجلترا. في عام 1984 ، تم الحصول على ثاني أكسيد الكبريت المُسال والأمونيا. بناءً على هذه الدراسات ، تم تطوير أول ثلاجة بعد عشرين عامًا ، وبعد ثلاثين عامًا قدم بيركنز براءة اختراع رسمية لاختراعه. في عام 1851 ، على الجانب الآخر من المحيط الأطلسي ، طالب جون جوري بحقوق إنشاء مكيف هواء.
وصل الهيدروجين فقط في عام 1885 ، عندما أعلن Pole Wroblewski في مقالته حقيقة أن نقطة غليان هذا العنصر هي 23 كلفن ، ودرجة الحرارة القصوى 33 كلفن ، والضغط الحرج هو 13 ضغط جوي. بعد هذا البيان ، حاول جيمس ديوار إنشاء الهيدروجين السائل فينهاية القرن التاسع عشر ، لكنه لم يحصل على مادة مستقرة.
الخصائص الفيزيائية
تتميز حالة التجميع هذه بكثافة منخفضة جدًا للمادة - مئات الجرامات لكل سنتيمتر مكعب. هذا يجعل من الممكن استخدام حاويات صغيرة نسبيًا لتخزين الهيدروجين السائل. نقطة الغليان هي 20 كلفن فقط (-252 درجة مئوية) ، وهذه المادة تتجمد بالفعل عند 14 كلفن.
السائل عديم الرائحة واللون والمذاق. يمكن أن يؤدي مزجه مع الأكسجين إلى انفجار نصف الوقت. عند بلوغه نقطة الغليان يتحول الهيدروجين الى حالة غازية ويزداد حجمه 850 مرة.
بعد التسييل ، يتم وضع الهيدروجين في حاويات معزولة تحت ضغط منخفض ودرجات حرارة تتراوح بين 15 و 19 كلفن.
وفرة الهيدروجين
الهيدروجين السائل ينتج صناعيا ولا يحدث في البيئة الطبيعية. إذا لم نأخذ في الاعتبار الحالات الكلية ، فإن الهيدروجين هو العنصر الأكثر شيوعًا ليس فقط على كوكب الأرض ، ولكن أيضًا في الكون. تتكون منه النجوم (بما في ذلك شمسنا) ، ويمتلئ الفراغ بينها. يشارك الهيدروجين في تفاعلات الاندماج ويمكنه أيضًا تكوين غيوم.
في قشرة الأرض ، يحتل هذا العنصر حوالي نسبة مئوية فقط من إجمالي كمية المادة. يمكن تقدير دورها في نظامنا البيئي من خلال حقيقة أن عدد ذرات الهيدروجين يأتي في المرتبة الثانية بعد الأكسجين من حيث العدد. تقريبا كل شيء على كوكبناالاحتياطيات H2في حالة ملزمة. الهيدروجين جزء لا يتجزأ من جميع الكائنات الحية.
استخدم
يستخدم الهيدروجين السائل (درجة الحرارة -252 درجة مئوية) في شكل لتخزين البنزين ومشتقات أخرى لتكرير النفط. بالإضافة إلى ذلك ، يتم حاليًا إنشاء مفاهيم النقل التي يمكن أن تستخدم الهيدروجين المسال كوقود بدلاً من الغاز الطبيعي. هذا من شأنه أن يقلل من تكلفة استخراج المعادن القيمة ويقلل من الانبعاثات في الغلاف الجوي. لكن حتى الآن ، لم يتم العثور على التصميم الأمثل للمحرك.
يستخدم الفيزيائيون الهيدروجين السائل بشكل نشط كمبرد في تجاربهم مع النيوترونات. نظرًا لأن كتلة الجسيم الأولي ونواة الهيدروجين متساوية تقريبًا ، فإن تبادل الطاقة بينهما فعال للغاية.
الفوائد والعقبات
يمكن للهيدروجين السائل أن يبطئ من ارتفاع درجة حرارة الغلاف الجوي ويقلل من كمية الغازات المسببة للاحتباس الحراري إذا تم استخدامه كوقود للسيارات. عندما يتفاعل مع الهواء (بعد المرور عبر محرك احتراق داخلي) ، يتم تكوين ماء وكمية صغيرة من أكسيد النيتروجين.
ومع ذلك ، فإن هذه الفكرة لها صعوباتها الخاصة ، على سبيل المثال ، طريقة تخزين الغاز ونقله ، فضلاً عن زيادة مخاطر الاشتعال أو حتى الانفجار. حتى مع جميع الاحتياطات ، لا يمكن منع تبخر الهيدروجين.
وقود الصواريخ
الهيدروجين السائل (درجة حرارة التخزين تصل إلى 20 كلفن) هو واحد منمكونات دافعة. له عدة وظائف:
- تبريد مكونات المحرك وحماية الفوهة من السخونة الزائدة.
- توفير الدفع بعد الاختلاط بالأكسجين والتدفئة.
محركات الصواريخ الحديثة تعمل بمزيج من الهيدروجين والأكسجين. وهذا يساعد في تحقيق السرعة المناسبة للتغلب على جاذبية الأرض وفي نفس الوقت منع جميع أجزاء الطائرة من تعريضها لدرجات حرارة مفرطة.
حاليًا ، هناك صاروخ واحد فقط يستخدم الهيدروجين كوقود. في معظم الحالات ، هناك حاجة إلى الهيدروجين السائل لفصل المراحل العليا من الصواريخ أو في تلك الأجهزة التي ستقوم بمعظم العمل في الفراغ. كانت هناك اقتراحات من الباحثين لاستخدام شكل نصف مجمد من هذا العنصر لزيادة كثافته.
