هیدروژن
هیدروژن عنصر شیمیایی با نماد H و عدد اتمی 1 است. هیدروژن سبک‌ترین عنصر بوده و در شرایط استاندارد گازی دو اتمی با فرمول H2 است. هیدروژن گازی بی رنگ، بی بو، بی مزه، غیر سمی و بسیار قابل احتراق است. هیدروژن فراوان‌ترین ماده شیمیایی در جهان است. بیشتر هیدروژن روی زمین به شکل مولکولی مانند آب و ترکیبات آلی وجود دارد. رایج‌ترین ایزوتوپ هیدروژن (نماد 1H) هر اتم دارای یک پروتون، یک الکترون و بدون نوترون است.
احتراق:
گاز هیدروژن (دی هیدروژن یا هیدروژن مولکولی) بسیار قابل اشتعال است:
2 H2(g) + O2 (g) → 2H2O(l) + 286 kJ/mol
آنتالپی احتراق آن 286 کیلوژول بر مول است.
گاز هیدروژن با هوا در غلظت های 4-74٪ و با کلر در 5-95٪ مخلوط‌های انفجاری تشکیل می‌دهد. واکنش‌های انفجاری ممکن است توسط جرقه، گرما یا نور خورشید ایجاد شود. دمای خود اشتعال هیدروژن، دمای اشتعال خود به خود در هوا، 500 درجه سانتیگراد (932 درجه فارنهایت) است.
شعله
شعله‌های خالص هیدروژن-اکسیژن نور فرابنفش ساطع می‌کنند و با ترکیب اکسیژن بالا تقریباً با چشم غیرمسلح قابل مشاهده نیستند. شعله های هیدروژن در شرایط دیگر آبی هستند و شبیه شعله های گاز طبیعی آبی هستند. انهدام کشتی هوایی هندنبورگ یک نمونه بدنام از احتراق هیدروژن بود و علت آن هنوز مورد بحث است.
واکنش دهنده‌ها
H2 در مقایسه با عناصر دو اتمی مانند هالوژن یا اکسیژن غیر فعال است. اساس ترمودینامیکی این واکنش‌پذیری کم، پیوند بسیار قوی H-H، با انرژی تفکیک پیوند 435.7 کیلوژول بر مول است. اساس جنبشی واکنش پذیری کم، ماهیت غیرقطبی H2 و قطبش پذیری ضعیف آن است. به طور خود به خود با کلر و فلوئور واکنش می‌دهد و به ترتیب هیدروژن کلرید و هیدروژن فلوراید را تشکیل می‌دهد. واکنش H2 به شدت تحت تأثیر حضور کاتالیزورهای فلزی است. بنابراین، در حالی که مخلوط‌های H2 با O2 یا هوا هنگامی که توسط جرقه یا شعله تا حداقل 500 درجه سانتیگراد گرم می‌شوند به آسانی می‌سوزند، در غیاب کاتالیزور در دمای اتاق واکنش نشان نمی‌دهند.
فاز
ایزوتوپ‌ها
هیدروژن دارای سه ایزوتوپ طبیعی است که با 1H ، 2Hو 3H نشان داده می‌شود. دیگر هسته‌های بسیار ناپایدار ( 4H تا 7H) در آزمایشگاه سنتز شده اند اما در طبیعت مشاهده نشده‌اند.
1H رایج‌ترین ایزوتوپ هیدروژن با فراوانی بیش از 99.98 درصد است. از آنجا که هسته این ایزوتوپ تنها از یک پروتون تشکیل شده است، نام رسمی توصیفی اما به ندرت استفاده شده پروتیوم به آن داده شده است. در بین تمام ایزوتوپ‌های پایدار فقط 1H است که نوترون ندارد.
2H، دیگر ایزوتوپ هیدروژن پایدار، به نام دوتریوم شناخته می‌شود و حاوی یک پروتون و یک نوترون در هسته است. تصور می‌شود که تمام دوتریوم موجود در جهان در زمان انفجار بزرگ تولید شده است و از آن زمان تا کنون دوام آورده است. دوتریوم رادیواکتیو نیست و خطر سمیت قابل توجهی را نشان نمی‌دهد. آب غنی‌شده با مولکول‌هایی که به جای هیدروژن معمولی شامل دوتریوم است، آب سنگین نامیده می‌شود. دوتریوم و ترکیبات آن به عنوان یک برچسب غیر رادیواکتیو در آزمایشات شیمیایی و در حلال‌ها برای 1H استفاده می‌شود.
آب سنگین به عنوان تعدیل‌کننده نوترون و خنک‌کننده راکتورهای هسته‌ای استفاده می‌شود. دوتریوم همچنین یک سوخت بالقوه برای همجوشی هسته‌ای است.
3H به عنوان تریتیوم شناخته می‌شود و دارای یک پروتون و دو نوترون در هسته خود است. رادیواکتیو است و از طریق تجزیه بتا به هلیوم-3 با نیمه عمر 12.32 سال تجزیه می‌شود. آنقدر رادیواکتیو است که می‌توان از آن در رنگ‌های درخشان استفاده کرد و در مواردی مانند ساعت مفید است. مقادیر کمی تریتیوم به طور طبیعی از برهمکنش پرتوهای کیهانی با گازهای جوی تولید می‌شود. تریتیوم نیز در طول آزمایش‌های تسلیحات هسته‌ای آزاد شده است. در واکنش‌های همجوشی هسته‌ای، به عنوان ردیاب در ژئوشیمی ایزوتوپ، در دستگاه‌های نورپردازی تخصصی خودکار استفاده می‌شود. تریتیوم همچنین در آزمایش‌های برچسب‌گذاری شیمیایی و بیولوژیکی به عنوان برچسب رادیویی استفاده شده است.
در میان عناصر منحصر به فرد، نام‌های متمایز به ایزوتوپ‌های آن اختصاص داده شده است که امروزه مورد استفاده رایج است. در طول مطالعه اولیه رادیواکتیویته، ایزوتوپ‌های سنگین رادیواکتیو مختلف نام‌های خاص خود را داشتند، اما این نام‌ها دیگر به جز دوتریوم و تریتیوم استفاده نمی‌شوند. نمادهای D و T (به جای 2H
و 3H) گاهی اوقات برای دوتریوم و تریتیوم استفاده می‌شود، اما نماد P در حال حاضر برای فسفر استفاده می شود و بنابراین برای پروتیوم در دسترس نیست.
تاریخچه
در سال ۱۶۷۱، رابرت بویل دریافت و توضیح داد که واکنش میان آهن و یک اسید رقیق باعث تولید گاز هیدروژن می‌شود. پس از او در سال ۱۷۶۶ هنری کاوندیش نخستین کسی بود که گاز هیدروژن را به عنوان یک ماده جداگانه شناخت. ماده‌ای که نتیجه واکنش شیمیایی میان فلز و اسید بوده و البته آتش‌گیر نیز بوده‌است برای همین وی نام «هوای آتش‌گیر» را بر آن نهاد. او گمان برد «هوای آتش‌گیر» در حقیقت همان ماده افسانه‌ای «آتش‌دوست» یا phlogiston است. آزمایش‌های پس از آن در سال ۱۷۸۱ نشان داد که از سوختن این گاز، آب پدید می‌آید. کاوندیش به عنوان کسی که برای نخستین بار هیدروژن را به عنوان یک عنصر دانست، شناخته می‌شود. در سال ۱۷۸۳ لاوازیه و لاپلاس هنگامی که یافته‌های کاوندیش را آزمودند و دیدند که از سوختن این گاز، آب پدید می‌آید به پیشنهاد لاوازیه نام هیدروژن را برای آن برگزیدند. هیدروژن به معنی سازنده آب یا آبزا، از واژه یونانی hydro به معنی «آب» و genes به معنی «سازنده» ساخته شده‌است.
لاوازیه در آزمایش‌های سرشناس خود درباره بقای ماده، از واکنش میان بخار آب با فلز آهنی که در آتش به شدت داغ و دچار تابش شده بود، به تولید هیدروژن دست یافت.
زیرکونیم و بسیاری دیگر از فلزها اگر همین فرایند را با آب داشته باشند باز به تولید هیدروژن می‌رسند.
نخستین بار در سال ۱۸۹۸ جیمز دیوئر توانست هیدروژن را در فرایند سرمایش بازیابی و با کمک چندی از ابتکارهای خودش مانند فلاسک خلاء مایع کند. او یک سال بعد توانست هیدروژن را جامد کند. در دسامبر ۱۹۳۱، هارولد یوری توانست دوتریوم و پس از او در ۱۹۳۴ ارنست رادرفورد، مارک اولیفانت و پاول هارتک توانستند تریتیوم را بدست آورند. در ادامه، آب سنگین که به جای هیدروژن معمولی از دوتریوم ساخته شده را گروه هارولد یوری در ۱۹۳۲ بدست آوردند. در سال ۱۸۰۶ فرانسوآ ایزاک دو ریواز نخستین ماشین درون‌سوز با سوخت آمیزه‌ای از هیدروژن و اکسیژن را ساخت و ادوارد دانیل کلارک لوله‌های دم دهنده هیدروژن را در سال ۱۸۱۹ درست کرد. روشنایی کلسیم و لامپ دوبراینر هم نخستین بار در سال ۱۸۲۳ درست شدند.
نخستین بادکنک هیدروژنی را ژاک شارل در ۱۷۸۳ پدیدآورد، اما آنری ژیفار نخستین کسی بود که توانست از این بادکنک‌های هیدروژنی یک وسیله جابجایی در آسمان بسازد و به اندازه کافی در هوا بالا رود. او در سال ۱۸۵۲ به این کامیابی دست یافت. پس از آن فردیناند زپلین آلمانی پیشنهاد ساخت یک کشتی پرنده را داد و در سال ۱۹۰۰ نخستین زپلین در آسمان به پرواز درآمد. با آمدن این ابزار مسافرت‌های هوایی ممکن شد تا آنجا که از سال ۱۹۱۰ تا ۱۹۱۴ که جنگ جهانی اول آغاز شد، ۳۵٬۰۰۰ مسافر بدون هیچ حادثه جدی در آسمان جابجا شدند. در طول جنگ هم این ابزار به عنوان دیده‌بان یا بمب افکن کاربرد داشت.
کشتی‌های هوایی بریتانیایی آر۳۴ که در سال ۱۹۱۹ ساخته شد می‌توانست عرض اقیانوس اطلس را بدون توقف طی کند. پس از آن در دهه ۱۹۲۰ پروازهای مرتب برای مسافرین فراهم شد. با شناسایی گاز هلیم توسط آمریکایی‌ها امید آن بود که این مسافرت‌ها از امنیت بیشتری برخوردار شوند. اما دولت آمریکا نپذیرفت که هلیوم را برای این هدف بفروشد. برای همین به ناچار این کشتی‌های فضایی همچنان با هیدروژن کار می‌کردند. کشتی هوایی هیندنبورگ که در ۶ مه ۱۹۳۷ در آسمان نیوجرسی آتش گرفت هم با گاز H2 پرواز می‌کرد. این رویداد به صورت زنده از رادیو پخش می‌شد و از آن فیلم گرفته می‌شد. گمان آن می‌رفت که آتش‌سوزی به دلیل نشت گاز هیدروژن رخ داده‌است اما چندی بعد بررسی‌ها نشان داد که از جرقه میان تارهای آلومینیمی در اثر الکتریسیته ساکن آتش‌سوزی روی داده است اما هر چه بود این رویداد باعث از بین رفتن اعتماد عمومی نسبت به ابزارهای پروازی به کمک گاز هیدروژن شد.
در سال ۱۹۷۷ برای نخستین بار از پیل‌های نیکل‌هیدروژن در سامانه ردیابی ماهواره‌ای نیروی دریایی بهره برده شد. برای نمونه در ایستگاه فضایی بین‌المللی، اودیسه مریخ و نقشه بردار سراسر مریخ، پیل‌های نیکل‌هیدروژن بکار رفته‌است. تلسکوپ فضایی هابل هم در بخش‌هایی از گردشش که فضا تاریک است از نیرو پیل‌های نیکل‌هیدروژن بهره می‌برد. اما این پیل‌ها در مه سال ۲۰۰۹ جایگزین شدند.
کاربردها
هیدروژن به فراوانی در صنایع شیمیایی و پتروشیمی کاربرد دارد. بزرگترین کاربرد آن در فراوری سوخت‌های سنگواره‌ای و تولید آمونیاک است. مصرف‌کنندگان کلیدی H2 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.
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 مطالعه 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. هیدروژن یک افزودنی مجاز به مواد خوراکی است 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 نقطه سه‌گانه‌اش 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 درباره 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).
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.
اگر بتوان از هیدروژن به عنوان سوخت در ترابری بهره برد، این سوخت به نسبت دیگر سوخت‌ها، پاک می‌سوزد، اندکی ناکس تولید می‌کند. اما به هر حال بدون پدیدآوردن کربن می‌سوزد.
خنک‌کننده
از هیدروژن در نیروگاه‌های برق به عنوان خنک‌کننده ژنراتورها بهره برده می‌شود. این به دلیل ظرفیت گرمایی بسیار بالای این گاز است که از همه گازها بالاتر است.
در نیمه رساناها
هیدروژن برای اشباع پیوندهای شکسته سیلیسیم آمورف و کربن آمورف کاربرد دارد و کمک می‌کند تا ویژگی‌های ماده پایدار شود. همچنین در بسیاری از اکسیدهای مواد به عنوان دهنده الکترون کار می‌کند.
دیگر کاربردها
به مقدار بسیار زیادی هیدروژن در فرایند هابر (Haber Process) نقش دارد. دیگر کاربردهای هیدروژن عبارت‌اند از:
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 بالقوه ارزان و بدون آلودگی، مورد توجه قرار گرفته‌است.
واکنش‌های زیستی
H2 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 H2 و اجزایش، دو پروتون و دو الکترون، کار می‌کنند. گاز هیدروژن هنگام انتقال تعادل‌های کاهشی به‌وجود 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 اندام‌های زنده روی می‌دهد. برخی از اندام‌ها 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 H2 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 دهنده زیستی را هم اصلاح کنند.
مهم‌ترین روش صنعتی برای تولید هیدروژن، فرآیند بخار کاتالیزوری هیدروکربن است که در آن هیدروکربن‌های گازی یا بخار شده با بخار با فشار بالا روی یک کاتالیزور نیکل در دمای 650-950 درجه سانتیگراد برای تولید اکسیدهای کربن و هیدروژن پردازش می‌شوند.
CnH2n+2 + nH2O → nCO + (2n + 1)H2
CnH2n+2 + 2nH2O→ nCO2 + (3n + 1)H2.
بسته به کاربرد مورد نظر هیدروژن، محصولات واکنش اولیه به روش‌های مختلفی پردازش می‌شوند. یکی دیگر از فرآیندهای مهم برای تولید هیدروژن، اکسیداسیون جزئی غیرکاتالیستی هیدروکربن‌ها تحت فشار بالا است:
CnH2n+2 + (n/2)O2→ nCO + (n + 1)H2.
این فرآیند به یک سیستم تغذیه برای تحویل نرخ‌های دقیق سوخت و اکسیژن، مشعل‌هایی با طراحی خاص برای اختلاط سریع واکنش‌دهنده‌ها، یک راکتور نسوز و یک سیستم خنک‌کننده برای بازیابی گرما از گازهای خروجی نیاز دارد. فرآیند دوم گرمازا (تولید گرما) است، بر خلاف فرآیند گرماگیر (جذب گرما) بخار - هیدروکربن.
در فرآیند سوم، که روش اکسیداسیون جزئی کاتالیزوری تحت فشار نامیده می‌شود، دو فرآیند قبلی برای حفظ دمای واکنش مورد نیاز بدون حرارت دادن خارجی بستر کاتالیزور با هم ترکیب می‌شوند. بخار فوق گرم شده و هیدروکربن‌ها با هم مخلوط می‌شوند، از قبل گرم می‌شوند و با اکسیژن گرم شده در یک پخش کننده در بالای راکتور کاتالیزوری ترکیب می‌شوند. اکسیژن در فضایی بالای کاتالیزور با هیدروکربن‌ها واکنش می‌دهد. سپس واکنش‌دهنده‌ها از بستری از کاتالیزور نیکل عبور می‌کنند که در آن واکنش‌های بخار-هیدروکربن تقریبا تا حد تعادل ادامه می‌یابد.
منابع:
"Hydrogen". Encyclopædia Britannica. Archived from the original on 24 December 2021.
Wigner, E.; Huntington, H.B. (1935). "On the possibility of a metallic modification of hydrogen". Journal of Chemical Physics. Boyle, Robert "Tracts written by the Honourable Robert Boyle containing new experiments, touching the relation betwixt flame and air..." (London, England: 1672).
"Hydrogen". Van Nostrand's Encyclopedia of Chemistry. Wylie-Interscience. 2005. pp. 797–799.
Emsley, John (2001). Nature's Building Blocks. Oxford: Oxford University Press. pp. 183–191.
Kirchheim، R.؛ Mutschele، T.؛ Kieninger، W.؛ Gleiter، H؛ Birringer، R؛ Koble، T (۱۹۸۸). «Hydrogen in amorphous and nanocrystalline metals». Materials Science and Engineering.
Hardy، Walter N. (۲۰۰۳). «From H2 to cryogenic H masers to HiTc superconductors: An unlikely but rewarding path». Physica C: Superconductivity.
Reinsch، J (۱۹۸۰). «The deuterium isotope effect upon the reaction of fatty acyl-CoA dehydrogenase and butyryl-CoA». J. Biol. Chem.
Quigg، Catherine T. (۱۹۸۴). «Tritium Warning». Bulletin of the Atomic Scientists.
Cammack, Richard (2001). Hydrogen as a Fuel: Learning from Nature. Taylor & Francis Ltd. pp. ۲۰۲–۲۰۳.
