لماذا يندر الهيدروجين الحر على الأرض؟
يمثّل الهيدروجين نحو 75 % من الكتلة الباريونية للكون. أما في القشرة الأرضية فلا يبلغ 0.15 % كتلةً، ولا يوجد من تلك الكمية شيء يُذكر على هيئة H₂ حر. وليس هذا الفارق مصادفةً في تكوّن الكواكب: إنه نتيجة مباشرة للنظرية الحركية.
تتوقف السرعة المتوسطة للجزيء على كتلته وعلى درجة الحرارة. في الغلاف الخارجي، عند نحو 1000 كلفن، يبلغ جزيء H₂ سرعات من رتبة عدة كيلومترات في الثانية. وسرعة الإفلات الأرضية 11.2 كم/ث. ولتوزيع ماكسويل-بولتزمان ذيل: ثمة دائمًا جزيئات أسرع كثيرًا من المتوسط. وفي حالة الهيدروجين يعبر هذا الذيل عتبة الإفلات بتواتر يكفي لإفراغ المخزون على مقاييس زمنية جيولوجية.
أما جزيء النيتروجين، وهو أثقل ست عشرة مرة، فيتحرك أبطأ أربع مرات عند الحرارة نفسها ولا يفلت عمليًا أبدًا. ومن هنا كان غلاف الأرض من نيتروجين وأكسجين، واحتفظ المشتري — بسرعة إفلات تبلغ 60 كم/ث — بالهيدروجين الذي تكوّن منه.
لم يختفِ هيدروجين الأرض بل هو محبوس. كل جزيء ماء يحوي ذرتين، والمحيطات تخزّن احتياطًا هائلًا. لكن انتزاعه من هناك يكلّف طاقة، وهذه الكلفة هي ما يرسم ملامح الصناعة كلها.
ماذا يعني التوزيع 1s¹؟
إلكترون واحد في المدار 1s. إنه أبسط توزيع ممكن، ولهذا كان الهيدروجين الذرة الوحيدة التي لمعادلة شرودنغر الخاصة بها حل تحليلي مضبوط.
هذا الحل هو أساس الكيمياء الكمومية كلها. فالمدارات التي تُرسم لأي ذرة أخرى — s كروية، وp بفصّين، وd بأربعة — أشكال مشتقة من الهيدروجين ومكيّفة بتقريبات. ومع إلكترونين يمنع حدُّ التنافر بينهما وجود حل مغلق.
ويفسّر هذا الإلكترون المنفرد أيضًا التباس موقع الهيدروجين في الجدول. فهو يشارك القلويات إلكترونًا خارجيًا من نوع s وقدرةً على التخلي عنه. لكن ينقصه إلكترون واحد لإتمام الغلاف، شأنه شأن الهالوجينات، ويكوّن H⁻ مع الفلزات النشطة. تضعه جداول فوق الليثيوم، وأخرى فوق الفلور، وأخرى في الموضعين، وأخرى منفردًا. ولا خيار منها مُرضٍ تمامًا.
بمَ يختلف البروتيوم والديوتيريوم والتريتيوم؟
بعدد النيوترونات، والعواقب أكبر من المعتاد.
البروتيوم، بروتون واحد ولا نيوترون، يشكّل 99.98 % من الهيدروجين الطبيعي. ويضيف الديوتيريوم نيوترونًا فيضاعف كتلة الذرة. ويضيف التريتيوم اثنين، وهو مشعّ يضمحل بانبعاث بيتا وعمر نصفه 12.32 سنة.
مضاعفة الكتلة شذوذ. فبين الكربون 12 والكربون 13 يبلغ الفارق النسبي 8 %؛ وبين البروتيوم والديوتيريوم 100 %. هذه النسبة تجعل الهيدروجين العنصر الوحيد الذي لنظائره خصائص كيميائية مختلفة اختلافًا ملحوظًا وأسماء خاصة.
الماء الثقيل، D₂O، يغلي عند 101.4 °م بدل 100، ويتجمد عند 3.8 °م، وكثافته أعلى بـ 11 %. والتفاعلات التي تُكسر فيها رابطة مع الهيدروجين تجري أبطأ مع الديوتيريوم، بست أو سبع مرات أحيانًا. ويستغل الكيميائيون هذا الأثر النظائري الحركي لمعرفة أي رابطة تُكسر في الخطوة البطيئة من آلية ما.
ما الذي يميّز الهيدروجين الأخضر عن الأزرق والرمادي؟
ليس الغاز، فهو واحد في الحالات الثلاث، بل مصدره ومصير كربونه.
يُنتَج الهيدروجين الرمادي بتهذيب الميثان بالبخار. يتفاعل الميثان والماء فوق النيكل عند نحو 800 °م:
CH₄ + H₂O → CO + 3 H₂
CO + H₂O → CO₂ + H₂ويُطلق ثاني أكسيد الكربون في الجو. وعن كل طن من الهيدروجين تنبعث تسعة إلى اثني عشر طنًا من CO₂.
ويستعمل الهيدروجين الأزرق العملية نفسها، لكنه يحتجز ذلك الغاز ويخزنه تحت الأرض. والاحتجاز لا يكتمل أبدًا، والنقاش حول فعاليته الحقيقية يدور حول النسبة المحتجزة ومدة بقائها.
أما الهيدروجين الأخضر فيأتي من التحليل الكهربائي للماء بكهرباء متجددة. لا يطلق كربونًا، لكنه يقتضي طاقة أكبر: فصل الماء يكلّف 39.4 كيلوواط-ساعة على الأقل لكل كيلوغرام هيدروجين عند الحد الترموديناميكي، والمحلّلات الفعلية تستهلك نحو 50.
هذا الرقم يفسّر لماذا يظل 95 % من هيدروجين العالم رماديًا. ليست المسألة مسألة إرادة، بل سعر الكهرباء أمام سعر الغاز الطبيعي.
فيمَ يُستعمل الهيدروجين فعليًا؟
في الطاقة أقل مما يوحي النقاش العام. فمعظم الاستهلاك العالمي موزّع على تطبيقين صناعيين.
الأول تخليق النشادر بطريقة هابر-بوش، التي تجمع الهيدروجين والنيتروجين تحت ضغط فوق حفّاز من الحديد. ومن هناك يأتي معظم الأسمدة النيتروجينية في الكوكب. ويُقدَّر أن نحو نصف النيتروجين الموجود في جسم الإنسان مرّ بمصنع نشادر.
والثاني تكرير النفط، حيث ينزع الهيدروجين الكبريت من الوقود. ولولا هذه المعالجة لأطلق البنزين والديزل ثاني أكسيد الكبريت عند الاحتراق.
أما خلايا الوقود ومركبات الهيدروجين فما تزال تستهلك حصة أصغر. والعائق ليس الكيمياء، فهي تعمل جيدًا، بل التخزين: للهيدروجين كثافة طاقة ممتازة بالنسبة إلى الكتلة، وسيئة بالنسبة إلى الحجم. وضغطه إلى 700 بار أو إسالته عند 20 كلفن يحلّ مشكلة الحجم على حساب الطاقة والبنية التحتية.