Hidrojen

Hidrojen, ₁H ⓘ

Plazma halindeki mor parıltı
Hidrojen
Görünüş	renksiz gaz
Standart atom ağırlığı Ar°(H)	[1.00784, 1.00811] 1.0080±0.0002 (kısaltılmış)
Periyodik tabloda hidrojen
Hidrojen Helyum Lityum Berilyum Bor Karbon Azot Oksijen Flor Neon Sodyum Magnezyum Alüminyum Silikon Fosfor Sülfür Klor Argon Potasyum Kalsiyum Skandiyum Titanyum Vanadyum Krom Manganez Demir Kobalt Nikel Bakır Çinko Galyum Germanyum Arsenik Selenyum Brom Kripton Rubidyum Stronsiyum İtriyum Zirkonyum Niyobyum Molibden Teknesyum Rutenyum Rodyum Paladyum Gümüş Kadmiyum İndiyum Kalay Antimon Tellür İyot Xenon Sezyum Baryum Lantan Seryum Praseodimyum Neodimyum Promethium Samaryum Europium Gadolinyum Terbiyum Disprosiyum Holmiyum Erbiyum Thulium Ytterbium Lutesyum Hafniyum Tantal Tungsten Renyum Osmiyum İridyum Platin Altın Cıva (element) Talyum Kurşun Bizmut Polonyum Astatin Radon Francium Radyum Actinium Toryum Protaktinyum Uranyum Neptünyum Plütonyum Americium Curium Berkelium Kaliforniyum Einsteinium Fermiyum Mendelevium Nobelium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Hassium Meitnerium Darmstadtium Roentgenium Copernicium Nihonyum Flerovium Moscovium Livermorium Tennessine Oganesson – ↑ H ↓ Li – ← Hidrojen → helyum
Atom numarası (Z)	1
Grup	grup 1: hi̇drojen ve alkali̇ metaller
Dönem	dönem 1
Blok	s-blok
Elektron konfigürasyonu	1s1
Kabuk başına elektron	1
Fiziksel özellikler
STP'de Faz	gaz
Erime noktası	(H2) 13,99 K (-259,16 °C, -434,49 °F)
Kaynama noktası	(H2) 20.271 K (-252.879 °C, -423.182 °F)
Yoğunluk (STP'de)	0,08988 g/L
sıvı olduğunda (m.p.'de)	0,07 g/cm3 (katı: 0,0763 g/cm3)
sıvı olduğunda (b.p.'de)	0,07099 g/cm3
Üçlü nokta	13.8033 K, 7.041 kPa
Kritik nokta	32.938 K, 1.2858 MPa
Füzyon ısısı	(H2) 0,117 kJ/mol
Buharlaşma ısısı	(H2) 0,904 kJ/mol
Molar ısı kapasitesi	(H2) 28,836 J/(mol-K)
Buhar basıncı P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k T'de (K) 15 20
Atomik özellikler
Oksidasyon durumları	-1, +1 (amfoterik bir oksit)
Elektronegatiflik	Pauling ölçeği: 2.20
İyonlaşma enerjileri	1: 1312,0 kJ/mol
Kovalent yarıçap	31±5 pm
Van der Waals yarıçapı	120 pm
Hidrojenin spektral çizgileri
Diğer özellikler
Doğal oluşum	ilkel
Kristal yapı	altıgen
Ses hızı	1310 m/s (gaz, 27 °C)
Termal iletkenlik	0,1805 W/(m⋅K)
Manyetik sipariş	diamanyetik
Molar manyetik duyarlılık	-3,98×10-6 cm3/mol (298 K)
CAS Numarası	12385-13-6 1333-74-0 (H2)
Tarih
Keşif	Henry Cavendish (1766)
İsimlendiren	Antoine Lavoisier (1783)
Hidrojenin ana izotopları
İzotop Bolluk Yarılanma ömrü (t1/2) Çürüme modu Ürün 1H 99.98% kararlı 2H 0.02% kararlı 3H iz 12.32 y β− 3He

Hidrojen, sembolü H ve atom numarası 1 olan kimyasal elementtir. Hidrojen en hafif elementtir. Standart koşullarda hidrojen, H₂ formülüne sahip iki atomlu moleküllerden oluşan bir gazdır. Renksiz, kokusuz, tatsız, toksik olmayan ve yüksek derecede yanıcıdır. Hidrojen evrende en bol bulunan kimyasal maddedir ve tüm normal maddenin yaklaşık %75'ini oluşturur. Güneş gibi yıldızlar esas olarak plazma halindeki hidrojenden oluşur. Dünya'daki hidrojenin çoğu su ve organik bileşikler gibi moleküler formlarda bulunur. En yaygın hidrojen izotopunda (sembol ¹H) her atomun bir protonu, bir elektronu vardır ve nötronu yoktur. ⓘ

Evrenin erken dönemlerinde, hidrojenin çekirdeği olan protonların oluşumu Büyük Patlama'dan sonraki ilk saniye içinde gerçekleşmiştir. Evrenin tamamında nötr hidrojen atomlarının ortaya çıkışı yaklaşık 370.000 yıl sonra, plazmanın elektronların protonlara bağlı kalmasına yetecek kadar soğuduğu rekombinasyon döneminde gerçekleşmiştir. ⓘ

Hidrojen, aşırı yüksek basınçlar dışında metalik değildir ve çoğu metalik olmayan elementle kolayca tek bir kovalent bağ oluşturarak su ve neredeyse tüm organik bileşikler gibi bileşikler oluşturur. Hidrojen asit-baz reaksiyonlarında özellikle önemli bir rol oynar çünkü bu reaksiyonlar genellikle çözünür moleküller arasında proton değişimini içerir. İyonik bileşiklerde hidrojen, hidrür olarak bilinen negatif yüklü (yani anyon) veya H⁺ sembolü ile gösterilen pozitif yüklü (yani katyon) türler şeklinde olabilir. H⁺ katyonu basitçe bir proton (sembol p) olmakla birlikte, sulu çözeltilerdeki ve iyonik bileşiklerdeki davranışı, elektrik yükünün yakındaki polar moleküller veya anyonlar tarafından perdelenmesini içerir. Hidrojen, Schrödinger denkleminin analitik olarak çözülebildiği tek nötr atom olduğundan, enerjisinin ve kimyasal bağlarının incelenmesi kuantum mekaniğinin gelişiminde kilit bir rol oynamıştır. ⓘ

Hidrojen gazı ilk olarak 16. yüzyılın başlarında asitlerin metaller üzerindeki reaksiyonu ile yapay olarak üretilmiştir. Hidrojen gazının ayrı bir madde olduğunu ve yandığında su ürettiğini ilk fark eden 1766-1781 yılları arasında Henry Cavendish olmuştur ve bu özelliğinden dolayı daha sonra bu isimle anılmıştır: Yunanca'da hidrojen "su oluşturucu" anlamına gelmektedir. ⓘ

Endüstriyel üretim esas olarak doğal gazın buharla yeniden biçimlendirilmesi, petrolün yeniden biçimlendirilmesi veya kömürün gazlaştırılmasından elde edilir. Küçük bir yüzdesi de suyun elektrolizi gibi daha enerji yoğun yöntemler kullanılarak üretilmektedir. Hidrojenin çoğu üretildiği yerin yakınında kullanılır; en büyük iki kullanım alanı fosil yakıt işleme (örneğin hidrokraking) ve çoğunlukla gübre pazarı için amonyak üretimidir. Isı üretmek için yakılabilir veya doğrudan elektrik üretmek için yakıt hücrelerinde oksijenle birleştirilebilir, kullanım noktasında tek emisyon sudur. Hidrojen metalürjide sorun yaratır çünkü birçok metali gevrekleştirerek boru hatları ve depolama tanklarının tasarımını zorlaştırabilir. Hidrojen, sürdürülebilir kaynaklardan elde edilen elektrik kullanılarak üretilirse, sera gazı emisyonlarının azaltılmasında önemli bir rol oynama potansiyeline sahiptir. ⓘ

Hidrojenin en yaygın doğal izotopu, nötronsuz protiyumdur. Hidrojen pek çok elementle bileşik oluşturabilir. Ayrıca suda ve pek çok organik molekülde bulunduğundan önemlidir. Suda çözünen moleküller arasındaki asit - baz tepkimelerinde önemli rol oynar. ⓘ

Özellikler

Yanma

Hidrojenin havadaki oksijen ile yanması. Alt kapak çıkarılarak havanın alttan girmesine izin verildiğinde, kaptaki hidrojen üstten yükselir ve havayla karışarak yanar. ⓘ

Uzay Mekiği Ana Motoru hidrojeni oksijenle birlikte yakarak tam itiş gücünde neredeyse görünmez bir alev üretir. ⓘ

Hidrojen gazı (dihidrojen veya moleküler hidrojen) oldukça yanıcıdır:

2 H₂(g) + O₂(g) → 2 H₂O(l) + 572 kJ/2 mol = 286 kJ/mol = 141,865 MJ/kg)

Yanma entalpisi -286 kJ/mol'dür. ⓘ

Hidrojen gazı hava ile %4-74 ve klor ile %5-95 konsantrasyonlarda patlayıcı karışımlar oluşturur. Patlayıcı reaksiyonlar kıvılcım, ısı veya güneş ışığı ile tetiklenebilir. Havada kendiliğinden tutuşma sıcaklığı olan hidrojen kendiliğinden tutuşma sıcaklığı 500 °C'dir (932 °F). ⓘ

Alev

Saf hidrojen-oksijen alevleri ultraviyole ışık yayar ve amonyum perklorat bileşimi kullanan bir Uzay Mekiği Katı Roket Güçlendiricisinin oldukça görünür dumanına kıyasla Uzay Mekiği Ana Motorunun soluk dumanında görüldüğü gibi, yüksek oksijen karışımı ile çıplak gözle neredeyse görünmezdir. Yanan bir hidrojen sızıntısının tespiti için bir alev detektörü gerekebilir; bu tür sızıntılar çok tehlikeli olabilir. Diğer koşullarda hidrojen alevleri mavidir ve mavi doğal gaz alevlerini andırır. Hindenburg zeplininin imhası hidrojen yanmasının kötü şöhretli bir örneğidir ve nedeni hala tartışılmaktadır. Fotoğraflardaki görünür alevler, zeplin derisindeki karbon bileşiklerinin yanması sonucu ortaya çıkmıştır. ⓘ

Reaktifler

H₂, halojenler veya oksijen gibi diyatomik elementlerle karşılaştırıldığında reaktif değildir. Bu düşük reaktivitenin termodinamik temeli, 435,7 kJ/mol bağ ayrışma enerjisi ile çok güçlü H-H bağıdır. Düşük reaktivitenin kinetik temeli H₂'nin polar olmayan doğası ve zayıf polarize edilebilirliğidir. Klor ve flor ile kendiliğinden reaksiyona girerek sırasıyla hidrojen klorür ve hidrojen florür oluşturur. H₂'nin reaktivitesi metal katalizörlerin varlığından güçlü bir şekilde etkilenir. Bu nedenle, H₂'nin O₂ veya hava ile karışımları bir kıvılcım veya alevle en az 500 C'ye ısıtıldığında kolayca yanarken, bir katalizör yokluğunda oda sıcaklığında reaksiyona girmezler. ⓘ

Elektron enerji seviyeleri

Merkezi protonun boyutunun gösterildiği ve atom çapının Bohr modeli yarıçapının yaklaşık iki katı olarak gösterildiği bir hidrojen atomu tasviri (resim ölçekli değildir) ⓘ

Bir hidrojen atomundaki elektronun temel durum enerji seviyesi -13,6 eV'dir ve bu da kabaca 91 nm dalga boyundaki bir ultraviyole fotona eşdeğerdir. ⓘ

Hidrojenin enerji seviyeleri, Dünya'nın Güneş etrafındaki yörüngesine benzer şekilde elektronu protonun "yörüngesinde" kavramsallaştıran Bohr atom modeli kullanılarak oldukça doğru bir şekilde hesaplanabilir. Ancak, atomik elektron ve proton elektromanyetik kuvvet tarafından bir arada tutulurken, gezegenler ve göksel nesneler yerçekimi tarafından tutulur. Bohr tarafından erken kuantum mekaniğinde öne sürülen açısal momentumun ayrıklaştırılması nedeniyle, Bohr modelindeki elektron protondan yalnızca izin verilen belirli mesafeleri ve dolayısıyla yalnızca izin verilen belirli enerjileri işgal edebilir. ⓘ

Hidrojen atomunun daha doğru bir tanımı, elektronun proton etrafındaki olasılık yoğunluğunu hesaplamak için Schrödinger denklemini, Dirac denklemini veya Feynman yol integral formülasyonunu kullanan tamamen kuantum mekaniksel bir işlemden gelir. En karmaşık uygulamalar özel görelilik ve vakum polarizasyonunun küçük etkilerine izin verir. Kuantum mekaniksel uygulamada, temel haldeki bir hidrojen atomundaki elektronun hiç açısal momentumu yoktur; bu da "gezegen yörüngesinin" elektron hareketinden ne kadar farklı olduğunu gösterir. ⓘ

Spin izomerleri

Moleküler H₂ iki spin izomeri, yani sadece çekirdeklerinin spin durumlarında farklılık gösteren bileşikler olarak mevcuttur. Ortohidrojen formunda, iki çekirdeğin spinleri paraleldir ve toplam moleküler spine sahip bir spin triplet durumu oluşturur $S=1$parahidrojen formunda spinler antiparaleldir ve spine sahip bir spin singlet durumu oluşturur $S=0$. Orto ve para-hidrojenin denge oranı sıcaklığa bağlıdır. Oda sıcaklığında veya daha sıcakta, denge hidrojen gazı para formunun yaklaşık %25'ini ve orto formunun %75'ini içerir. Orto formu, para formundan 1.455 kJ/mol daha yüksek enerjiye sahip uyarılmış bir durumdur ve düşük sıcaklığa soğutulduğunda birkaç dakika içinde para formuna dönüşür. Formların termal özellikleri farklıdır çünkü izin verilen rotasyonel kuantum durumlarında farklılık gösterirler, bu da ısı kapasitesi gibi farklı termal özelliklere neden olur. ⓘ

H₂'deki orto-para oranı sıvı hidrojenin sıvılaştırılması ve depolanmasında önemli bir husustur: ortodan paraya dönüşüm ekzotermiktir ve soğutma işlemi sırasında önce parahidrojene dönüştürülmezse sıvının büyük bir kısmını buharlaştırmaya yetecek kadar ısı üretir. Ferrik oksit ve aktif karbon bileşikleri gibi orto-para ara dönüşümü için katalizörler, bu sıvı kaybını önlemek için hidrojen soğutması sırasında kullanılır. ⓘ

Fazlar

Hidrojen gazı renksiz ve şeffaftır, burada cam bir ampul içinde bulunur. ⓘ

Hidrojenin faz diyagramı. Sıcaklık ve basınç ölçekleri logaritmiktir, bu nedenle bir birim 10 kat değişime karşılık gelir. Sol kenar, yaklaşık atmosferik basınç olan 10⁵ Pa'ya karşılık gelir. ⓘ

• Gaz halindeki hidrojen
• Sıvı hidrojen
• Slush hidrojen
• Katı hidrojen
• Metalik hidrojen
• Plazma hidrojeni ⓘ

Bileşikler

Kovalent ve organik bileşikler

H₂ standart koşullar altında çok reaktif olmasa da, çoğu elementle bileşikler oluşturur. Hidrojen, halojenler (F, Cl, Br, I) veya oksijen gibi daha elektronegatif elementlerle bileşikler oluşturabilir; bu bileşiklerde hidrojen kısmi bir pozitif yük alır. Daha elektronegatif bir elemente, özellikle flor, oksijen veya nitrojene bağlandığında, hidrojen, yalnız bir çifti olan başka bir elektronegatif elementle orta kuvvette kovalent olmayan bir bağlanma biçimine katılabilir; bu, birçok biyolojik molekülün kararlılığı için kritik olan hidrojen bağı adı verilen bir olgudur. Hidrojen ayrıca metaller ve metaloidler gibi daha az elektronegatif elementlerle bileşikler oluşturur ve burada kısmi bir negatif yük alır. Bu bileşikler genellikle hidritler olarak bilinir. ⓘ

Hidrojen, karbon ile hidrokarbonlar olarak adlandırılan geniş bir bileşik dizisi ve canlılarla genel ilişkileri nedeniyle organik bileşikler olarak adlandırılan heteroatomlarla daha da geniş bir dizi oluşturur. Bunların özelliklerinin incelenmesi organik kimya, canlı organizmalar bağlamında incelenmesi ise biyokimya olarak bilinir. Bazı tanımlara göre, "organik" bileşiklerin yalnızca karbon içermesi gerekmektedir. Bununla birlikte, çoğu hidrojen de içerir ve bu bileşik sınıfına kendine özgü kimyasal özelliklerinin çoğunu veren karbon-hidrojen bağı olduğundan, kimyadaki "organik" kelimesinin bazı tanımlarında karbon-hidrojen bağları gereklidir. Milyonlarca hidrokarbon bilinmektedir ve bunlar genellikle nadiren elementel hidrojen içeren karmaşık yollarla oluşur. ⓘ

Hidrojen birçok nadir toprak ve geçiş metalinde yüksek oranda çözünür ve hem nanokristal hem de amorf metallerde çözünür. Metallerdeki hidrojen çözünürlüğü, kristal kafesteki yerel bozulmalardan veya safsızlıklardan etkilenir. Bu özellikler, hidrojen sıcak paladyum disklerinden geçirilerek saflaştırıldığında faydalı olabilir, ancak gazın yüksek çözünürlüğü metalürjik bir sorundur ve birçok metalin gevrekleşmesine katkıda bulunarak boru hatlarının ve depolama tanklarının tasarımını zorlaştırır. ⓘ

Hidrürler

Bir sodyum hidrit örneği ⓘ

Hidrojen bileşikleri genellikle hidritler olarak adlandırılır ve bu terim oldukça gevşek bir şekilde kullanılır. "Hidrür" terimi, H atomunun negatif veya anyonik bir karakter kazandığını gösterir, H- olarak gösterilir ve hidrojen daha elektropozitif bir elementle bir bileşik oluşturduğunda kullanılır. Gilbert N. Lewis tarafından 1916 yılında grup 1 ve 2 tuz benzeri hidritler için önerilen hidrit anyonunun varlığı, Moers tarafından 1920 yılında erimiş lityum hidritin (LiH) elektrolizi ile anotta stokiyometrik miktarda hidrojen üretilerek gösterilmiştir. Grup 1 ve 2 metalleri dışındaki hidritler için, hidrojenin düşük elektronegatifliği göz önüne alındığında bu terim oldukça yanıltıcıdır. Grup 2 hidrürlerde bir istisna BeH
₂, polimeriktir. Lityum alüminyum hidrürde, AlH-
₄ anyonu Al(III)'e sıkıca bağlı hidridik merkezler taşır. ⓘ

Hidritler neredeyse tüm ana grup elementleriyle oluşturulabilmesine rağmen, olası bileşiklerin sayısı ve kombinasyonu büyük ölçüde değişir; örneğin, 100'den fazla ikili boran hidrit bilinmektedir, ancak yalnızca bir ikili alüminyum hidrit vardır. Daha büyük kompleksler mevcut olmasına rağmen ikili indiyum hidrür henüz tanımlanmamıştır. ⓘ

İnorganik kimyada hidrürler, bir koordinasyon kompleksinde iki metal merkezini birbirine bağlayan köprü ligandlar olarak da görev yapabilir. Bu işlev özellikle grup 13 elementlerinde, özellikle boranlarda (bor hidrürleri) ve alüminyum komplekslerinde ve ayrıca kümelenmiş karboranlarda yaygındır. ⓘ

Protonlar ve asitler

Hidrojenin oksidasyonu elektronunu uzaklaştırır ve elektron içermeyen ve genellikle bir protondan oluşan bir çekirdek içeren H⁺ verir. Bu yüzden H⁺
genellikle proton olarak adlandırılır. Bu tür, asitler hakkındaki tartışmaların merkezinde yer alır. Brønsted-Lowry asit-baz teorisine göre asitler proton verici, bazlar ise proton alıcıdır. ⓘ

Çıplak bir proton, H⁺
elektronları olan diğer atomlara veya moleküllere olan durdurulamaz çekimi nedeniyle çözeltide veya iyonik kristallerde var olamaz. Plazmalarla ilişkili yüksek sıcaklıklar dışında, bu tür protonlar atom ve moleküllerin elektron bulutlarından çıkarılamaz ve onlara bağlı kalır. Bununla birlikte, 'proton' terimi bazen bu şekilde diğer türlere bağlanan pozitif yüklü veya katyonik hidrojeni ifade etmek için gevşek ve mecazi olarak kullanılır ve bu nedenle "H⁺
" herhangi bir tek protonun bir tür olarak serbestçe var olduğu iması olmaksızın. ⓘ

Çözeltideki çıplak "çözünmüş proton" imasından kaçınmak için, asidik sulu çözeltilerin bazen "hidronyum iyonu" olarak adlandırılan daha az olası hayali bir tür içerdiği düşünülür (H
₃O⁺
). Bununla birlikte, bu durumda bile, bu tür çözünmüş hidrojen katyonları daha gerçekçi bir şekilde, H
₉O⁺
₄. Diğer oksonyum iyonları, su diğer çözücülerle asidik çözelti içinde olduğunda bulunur. ⓘ

Dünya'da egzotik olmasına rağmen, evrendeki en yaygın iyonlardan biri H⁺
₃ iyonu, protonlanmış moleküler hidrojen veya trihidrojen katyonu olarak bilinir. ⓘ

İzotoplar

Hidrojen deşarj (spektrum) tüpü ⓘ

Döteryum deşarj (spektrum) tüpü ⓘ

Hidrojenin doğal olarak oluşan üç izotopu vardır, bunlar ¹ ile gösterilir
H, ²
H ve ³
H. Diğer, oldukça kararsız çekirdekler (⁴
H ila ⁷
H) laboratuvarda sentezlenmiş ancak doğada gözlemlenmemiştir.

• ¹
  H, en yaygın hidrojen izotopudur ve %99,98'den fazla bir bolluğa sahiptir. Bu izotopun çekirdeği yalnızca tek bir protondan oluştuğu için, ona tanımlayıcı ancak nadiren kullanılan protium resmi adı verilmiştir. Nötronu olmamasıyla tüm kararlı izotoplar arasında benzersizdir; diğerlerinin neden olmadığına dair bir tartışma için diprotona bakınız.
• ²
  Diğer kararlı hidrojen izotopu olan H, döteryum olarak bilinir ve çekirdeğinde bir proton ve bir nötron içerir. Evrendeki tüm döteryumun Büyük Patlama sırasında üretildiği ve o zamandan beri varlığını sürdürdüğü düşünülmektedir. Döteryum radyoaktif değildir ve önemli bir toksisite tehlikesi oluşturmaz. Normal hidrojen yerine döteryum içeren moleküllerce zenginleştirilmiş suya ağır su denir. Döteryum ve bileşikleri kimyasal deneylerde radyoaktif olmayan bir etiket olarak ve çözücülerde ¹
  H-NMR spektroskopisi. Ağır su, nötron moderatörü ve nükleer reaktörler için soğutucu olarak kullanılır. Döteryum ayrıca ticari nükleer füzyon için potansiyel bir yakıttır.
• ³
  H trityum olarak bilinir ve çekirdeğinde bir proton ve iki nötron içerir. Radyoaktiftir ve 12,32 yıllık bir yarı ömürle beta bozunması yoluyla helyum-3'e dönüşür. O kadar radyoaktiftir ki ışıklı boyalarda kullanılabilir, bu da onu saat gibi şeylerde kullanışlı hale getirir. Cam, az miktardaki radyasyonun dışarı çıkmasını engeller. Küçük miktarlarda trityum, kozmik ışınların atmosferik gazlarla etkileşimi sonucu doğal olarak üretilir; trityum ayrıca nükleer silah testleri sırasında da açığa çıkmıştır. Nükleer füzyon reaksiyonlarında, izotop jeokimyasında bir izleyici olarak ve kendi kendine çalışan özel aydınlatma cihazlarında kullanılır. Trityum ayrıca kimyasal ve biyolojik etiketleme deneylerinde radyolabel olarak da kullanılmıştır. ⓘ

Elementler arasında benzersizdir, günümüzde yaygın olarak kullanılan izotoplarına farklı isimler verilmiştir. Radyoaktivitenin erken dönem çalışmaları sırasında, çeşitli ağır radyoaktif izotoplara kendi isimleri verilmiştir, ancak döteryum ve trityum dışında bu isimler artık kullanılmamaktadır. D ve T sembolleri (² yerine
H ve ³
H) bazen döteryum ve trityum için kullanılır, ancak P sembolü fosfor için zaten kullanılmaktadır ve bu nedenle protium için mevcut değildir. Uluslararası Saf ve Uygulamalı Kimya Birliği (IUPAC) kendi isimlendirme kılavuzunda D, T, ²
H, ve ³
H kullanılacak, ancak ²
H ve ³
H tercih edilir. ⓘ

Bir antimuon ve bir elektrondan oluşan egzotik atom muonyum (sembol Mu) da hidrojenin hafif bir radyoizotopu olarak kabul edilebilir. Müonlar 2,2 µs ömürle bozunduğundan, müonyum gözlemlenebilir kimya sergilemek için çok kararsızdır. Bununla birlikte, muonyum bileşikleri, antimuon ve proton arasındaki kütle farkı nedeniyle kuantum simülasyonu için önemli test vakalarıdır ve IUPAC isimlendirmesi, sırasıyla hidrojen klorür ve sodyum hidrüre benzer şekilde muonyum klorür (MuCl) ve sodyum muonür (NaMu) gibi varsayımsal bileşikleri içerir. ⓘ

Protiyum, hidrojenin en yaygın izotopu ⓘ

Hidrojen, izotoplarının değişik isimleri olan tek elementtir. IA grubu elementleri, Ca, Sr,Ba gibi aktif metallerin su ile reaksiyonu sonucunda hidrojen gazı elde edilir. ⓘ

Ca(k) + 2H2O à Ca2+ (aq) + 2OH-(aq) + H2 (g) ⓘ

Tarih

Keşif ve kullanım

1671 yılında Robert Boyle, demir talaşları ile seyreltik asitler arasında hidrojen gazı üretimiyle sonuçlanan reaksiyonu keşfetti ve tanımladı. 1766'da Henry Cavendish, metal-asit reaksiyonundan çıkan gaza "yanıcı hava" adını vererek hidrojen gazını ayrı bir madde olarak tanıyan ilk kişi oldu. "Yanıcı havanın" aslında "flojiston" adı verilen varsayımsal maddeyle aynı olduğunu tahmin etmiş ve 1781'de gazın yandığında su ürettiğini bulmuştur. Hidrojenin bir element olarak keşfi genellikle ona atfedilir. 1783'te Antoine Lavoisier, Laplace ile birlikte Cavendish'in hidrojen yakıldığında su üretildiği bulgusunu yeniden ürettiklerinde elemente hidrojen adını verdi (Yunanca ὑδρο- hydro "su" ve -γενής genes "eski" anlamına gelir). ⓘ

Antoine-Laurent de Lavoisier ⓘ

Lavoisier, kütle korunumu üzerine yaptığı deneyler için, ateşte ısıtılan akkor halindeki bir demir tüp aracılığıyla metalik demir ile bir buhar akışını tepkimeye sokarak hidrojen üretmiştir. Demirin yüksek sıcaklıkta suyun protonları tarafından anaerobik oksidasyonu aşağıdaki reaksiyonlar dizisi ile şematik olarak gösterilebilir:

1) Fe + H₂O → FeO + H_{2 ⓘ}

2) Fe + 3 H₂O → Fe₂O₃ + 3 H_{2 ⓘ}

3) Fe + 4 H₂O → Fe₃O₄ + 4 H_{2 ⓘ}

Zirkonyum gibi birçok metal su ile benzer bir reaksiyona girerek hidrojen üretimine yol açar. ⓘ

Hidrojen ilk kez 1898 yılında James Dewar tarafından rejeneratif soğutma ve kendi icadı olan vakum şişesi kullanılarak sıvılaştırılmıştır. Bir sonraki yıl katı hidrojen üretti. Döteryum Aralık 1931'de Harold Urey tarafından keşfedildi ve trityum 1934'te Ernest Rutherford, Mark Oliphant ve Paul Harteck tarafından hazırlandı. Normal hidrojenin yerine döteryumdan oluşan ağır su, 1932'de Urey'in grubu tarafından keşfedildi. François Isaac de Rivaz, 1806 yılında hidrojen ve oksijen karışımıyla çalışan bir içten yanmalı motor olan ilk de Rivaz motorunu yaptı. Edward Daniel Clarke 1819'da hidrojen gazı üfleme borusunu icat etti. Döbereiner'in lambası ve limelight 1823'te icat edildi. ⓘ

İlk hidrojen dolu balon 1783 yılında Jacques Charles tarafından icat edilmiştir. Hidrojen, Henri Giffard'ın 1852'de ilk hidrojenli zeplini icat etmesinin ardından ilk güvenilir hava yolculuğu için kaldırma kuvveti sağlamıştır. Alman kont Ferdinand von Zeppelin, daha sonra Zeplin olarak adlandırılan hidrojenle kaldırılan sert hava gemileri fikrini destekledi; bunlardan ilki 1900 yılında ilk uçuşunu gerçekleştirdi. Düzenli tarifeli uçuşlar 1910'da başladı ve Ağustos 1914'te I. Dünya Savaşı patlak verdiğinde ciddi bir olay yaşanmadan 35.000 yolcu taşıdılar. Hidrojenle kaldırılan hava gemileri savaş sırasında gözlem platformu ve bombardıman uçağı olarak kullanıldı. ⓘ

İlk kesintisiz transatlantik geçişi 1919 yılında İngiliz zeplini R34 tarafından gerçekleştirilmiştir. Düzenli yolcu hizmetleri 1920'lerde yeniden başladı ve Amerika Birleşik Devletleri'nde helyum rezervlerinin keşfi daha fazla güvenlik vaat etti, ancak ABD hükümeti gazı bu amaçla satmayı reddetti. Bu nedenle H₂, 6 Mayıs 1937'de New Jersey üzerinde havada çıkan bir yangınla yok olan Hindenburg zeplininde kullanıldı. Olay radyoda canlı olarak yayınlanmış ve filme çekilmiştir. Olayın nedeninin sızan hidrojenin tutuşması olduğu varsayılır, ancak daha sonra yapılan incelemeler alüminize kumaş kaplamanın statik elektrikle tutuştuğuna işaret etmiştir. Ancak hidrojenin bir kaldırma gazı olarak itibarına verilen zarar çoktan verilmişti ve ticari hidrojen zeplin yolculuğu sona erdi. Hidrojen halen, yanıcı olmayan ancak daha pahalı olan helyum yerine, meteoroloji balonları için kaldırma gazı olarak kullanılmaktadır. ⓘ

Aynı yıl, ilk hidrojen soğutmalı turbojeneratör, 1937'de Dayton Power & Light Co. tarafından Dayton, Ohio'da rotor ve statorda soğutucu olarak gaz halindeki hidrojenle hizmete girdi; hidrojen gazının termal iletkenliği ve çok düşük viskozitesi, dolayısıyla havadan daha düşük sürtünmesi nedeniyle, bugün büyük jeneratörler (tipik olarak 60 MW ve daha büyük; daha küçük jeneratörler genellikle hava soğutmalıdır) için kendi alanında en yaygın tiptir. ⓘ

Nikel hidrojen bataryası ilk kez 1977 yılında ABD Donanması'nın Navigasyon teknolojisi uydusu-2'de (NTS-2) kullanılmıştır. Örneğin, ISS, Mars Odyssey ve Mars Global Surveyor nikel-hidrojen pillerle donatılmıştır. Yörüngesinin karanlık kısmında bulunan Hubble Uzay Teleskobu da nikel-hidrojen pillerle çalışmaktadır; bu piller fırlatıldıktan 19 yıl sonra ve tasarım ömürlerinin 13 yıl ötesinde Mayıs 2009'da değiştirilmiştir. ⓘ

Kuantum teorisindeki rolü

Görünür aralıktaki hidrojen emisyon spektrum çizgileri. Bunlar Balmer serisinin dört görünür çizgisidir ⓘ

Sadece bir proton ve bir elektrondan oluşan basit atomik yapısı nedeniyle hidrojen atomu, kendisinden üretilen veya kendisi tarafından emilen ışık spektrumuyla birlikte, atomik yapı teorisinin geliştirilmesinde merkezi bir öneme sahip olmuştur. Ayrıca, hidrojen molekülünün ve buna karşılık gelen H⁺ katyonunun karşılık gelen basitliğinin incelenmesi
₂ kimyasal bağın doğasının anlaşılmasını sağlamış, bu da 1920'lerin ortalarında hidrojen atomunun kuantum mekaniksel olarak ele alınmasından kısa bir süre sonra gerçekleşmiştir. ⓘ

Açıkça fark edilen (ancak o zamanlar anlaşılamayan) ilk kuantum etkilerinden biri, tam kuantum mekanik teorisi ortaya çıkmadan yarım yüzyıl önce hidrojenle ilgili bir Maxwell gözlemiydi. Maxwell, H₂'nin özgül ısı kapasitesinin oda sıcaklığının altında açıklanamaz bir şekilde iki atomlu bir gazınkinden ayrıldığını ve kriyojenik sıcaklıklarda giderek tek atomlu bir gazınkine benzemeye başladığını gözlemledi. Kuantum teorisine göre bu davranış, düşük kütlesi nedeniyle H₂'de özellikle geniş aralıklı olan (kuantize) dönme enerji seviyelerinin aralığından kaynaklanmaktadır. Bu geniş aralıklı seviyeler, düşük sıcaklıklarda hidrojende ısı enerjisinin dönme hareketine eşit olarak bölünmesini engeller. Daha ağır atomlardan oluşan iki atomlu gazlar bu kadar geniş aralıklı seviyelere sahip değildir ve aynı etkiyi göstermezler. ⓘ

Antihidrojen (
H
) hidrojenin antimadde karşılığıdır. Bir pozitron ile bir antiprotondan oluşur. Antihidrojen, 2015 yılı itibariyle üretilmiş olan tek antimadde atom türüdür. ⓘ

Kozmik yaygınlık ve dağılım

NGC 604, Triangulum Gökadası'nda iyonlaşmış hidrojenden oluşan dev bir bölge ⓘ

Hidrojen, atomik H olarak, evrende en bol bulunan kimyasal elementtir ve kütle olarak normal maddenin yüzde 75'ini, atom sayısı olarak da yüzde 90'ından fazlasını oluşturur. (Ancak evrendeki kütlenin çoğu kimyasal element türü madde biçiminde olmayıp, karanlık madde ve karanlık enerji gibi henüz keşfedilmemiş kütle biçimlerinden oluştuğu varsayılmaktadır). Bu element yıldızlarda ve gaz devi gezegenlerde bol miktarda bulunur. H₂ moleküler bulutları yıldız oluşumu ile ilişkilidir. Hidrojen, çok düşük kütleli yıldızlarda proton-proton reaksiyonu ile Güneş'in yaklaşık 1 kütlesine kadar, Güneş'ten daha büyük kütleli yıldızlarda ise CNO nükleer füzyon döngüsü ile yıldızlara güç sağlamada hayati bir rol oynar. ⓘ

Durumlar

Evrende hidrojen çoğunlukla moleküler hidrojenden oldukça farklı özelliklere sahip olan atomik ve plazma hallerinde bulunur. Bir plazma olarak hidrojenin elektron ve protonları birbirine bağlı değildir, bu da çok yüksek elektrik iletkenliği ve yüksek emisyonla (Güneş ve diğer yıldızlardan gelen ışığı üretir) sonuçlanır. Yüklü parçacıklar manyetik ve elektrik alanlardan oldukça etkilenir. Örneğin, güneş rüzgarında Dünya'nın manyetosferi ile etkileşime girerek Birkeland akımlarına ve aurora'ya yol açarlar. ⓘ

Hidrojen yıldızlararası ortamda nötr atom halinde bulunur çünkü atomlar nadiren çarpışır ve birleşir. Bunlar, ilkel hidrojeni araştırmak için tespit edilen 1420 MHz'deki 21 cm hidrojen çizgisinin kaynağıdır. Sönümlü Lyman-alfa sistemlerinde bulunan büyük miktardaki nötr hidrojenin, evrenin kozmolojik baryonik yoğunluğunu z = 4 kırmızıya kaymaya kadar domine ettiği düşünülmektedir. ⓘ

Dünya'daki olağan koşullar altında elementel hidrojen, iki atomlu gaz H₂ olarak bulunur. Hidrojen gazı, daha ağır gazlara göre atmosferden daha hızlı kaçmasını sağlayan hafifliği nedeniyle Dünya atmosferinde çok nadir bulunur (hacimce 1 ppm). Bununla birlikte hidrojen, çoğunlukla hidrokarbonlar ve su gibi kimyasal bileşikler şeklinde Dünya yüzeyinde en bol bulunan üçüncü elementtir. ⓘ

Protonlanmış moleküler hidrojen olarak adlandırılan moleküler bir form (H⁺
₃) yıldızlararası ortamda bulunur ve burada moleküler hidrojenin kozmik ışınlardan iyonlaşmasıyla oluşur. Bu iyon Jüpiter gezegeninin üst atmosferinde de gözlemlenmiştir. İyon, düşük sıcaklık ve yoğunluk nedeniyle dış uzay ortamında nispeten kararlıdır. H⁺
₃ evrende en bol bulunan iyonlardan biridir ve yıldızlararası ortamın kimyasında kayda değer bir rol oynar. Nötr triatomik hidrojen H₃ yalnızca uyarılmış bir biçimde var olabilir ve kararsızdır. Buna karşılık, pozitif hidrojen moleküler iyonu (H⁺
₂) evrende nadir bulunan bir moleküldür. ⓘ

Üretim

H
₂ kimya ve biyoloji laboratuvarlarında, genellikle diğer reaksiyonların bir yan ürünü olarak; endüstride doymamış substratların hidrojenasyonu için; ve doğada biyokimyasal reaksiyonlarda indirgeyici eşdeğerleri dışarı atmanın bir yolu olarak üretilir. ⓘ

Su elektrolizi

Suyun basit elektroliziyle hidrojen üretiminin girdi ve çıktılarının gösterilmesi ⓘ

Suyun elektrolizi hidrojen üretmenin basit bir yöntemidir. Sudan bir akım geçirilir ve anotta gaz halinde oksijen oluşurken katotta gaz halinde hidrojen oluşur. Depolama için hidrojen üretilirken tipik olarak katot platin ya da başka bir inert metalden yapılır. Ancak gaz yerinde yakılacaksa, yanmaya yardımcı olması için oksijen istenir ve bu nedenle her iki elektrot da inert metallerden yapılır. (Örneğin demir oksitlenir ve böylece verilen oksijen miktarını azaltır). Teorik maksimum verimlilik (kullanılan elektriğe karşılık üretilen hidrojenin enerji değeri) %88-94 aralığındadır. ⓘ

2 H
₂O(l) → 2 H
₂(g) + O
₂(g) ⓘ

Metan pirolizi

Hidrojen üretmek için bir süreç olan metan pirolizinin girdi ve çıktılarının gösterilmesi ⓘ

Doğal gaz metan pirolizi kullanılarak hidrojen üretimi, sera gazı üretmeyen tek adımlı bir süreçtir. Bu yöntem kullanılarak hacimli üretimin geliştirilmesi, hidrojenin endüstriyel süreçlerde, yakıt hücreli elektrikli ağır kamyon taşımacılığında ve gaz türbinli elektrik enerjisi üretiminde kullanılarak daha hızlı karbon azaltımına olanak sağlamanın anahtarıdır. Metan pirolizi, metan CH
₄ 1.340 K'de (1.070 °C; 1.950 °F) çözünmüş nikel içeren erimiş bir metal katalizörden fokurdatılır. Bu, metanın başka hiçbir yan ürün olmadan hidrojen gazı ve katı karbona parçalanmasına neden olur. ⓘ

CH
₄(g) → C(s) + 2 H
₂(g) ΔH° = 74 kJ/mol

Endüstriyel kalitede katı karbon, üretim hammaddesi olarak satılabilir veya kalıcı olarak düzenli depolanabilir; atmosfere salınmaz ve düzenli depolamada yeraltı suyu kirliliğine neden olmaz. Metan pirolizi geliştirme aşamasındadır ve ticari dökme hidrojen üretimi için uygun olduğu düşünülmektedir. BASF "ölçekte metan pirolizi" pilot tesisinde hacimli üretim değerlendirilmektedir. Karlsruhe Sıvı Metal Laboratuvarı (KALLA) ve Kaliforniya Üniversitesi - Santa Barbara'daki kimya mühendisliği laboratuvarı da dahil olmak üzere çeşitli laboratuvarlarda daha fazla araştırma devam etmektedir. ⓘ

Diğer endüstriyel yöntemler

Hidrojen üretmek için bir süreç olan doğal gazın buhar reformasyonunun girdi ve çıktılarının gösterilmesi ⓘ

Hidrojen genellikle suyun metan ve karbon monoksit ile reaksiyona sokulmasıyla üretilir, bu da çok yüksek sıcaklıklarda hidrokarbonlardan hidrojenin çıkarılmasına neden olur ve hidrojen üretiminin %48'i buhar reformundan gelir. Su buharı daha sonra buhar reformu ile üretilen karbon monoksit ile reaksiyona sokularak karbon dioksite oksitlenir ve su hidrojene dönüştürülür. Ticari dökme hidrojen genellikle doğal gazın buhar reformu ile atmosferik sera gazı salınımı veya CCS kullanılarak yakalama ve iklim değişikliği azaltımı ile üretilir. Buhar reformu Bosch süreci olarak da bilinir ve hidrojenin endüstriyel olarak hazırlanması için yaygın olarak kullanılır. ⓘ

Yüksek sıcaklıklarda (1000-1400 K, 700-1100 °C veya 1300-2000 °F), buhar (su buharı) metan ile reaksiyona girerek karbon monoksit ve H
₂. ⓘ

CH
₄ + H
₂O → CO + 3 H
_{2 ⓘ}

Bu reaksiyon düşük basınçlarda tercih edilir ancak yine de yüksek basınçlarda (2.0 MPa, 20 atm veya 600 inHg) gerçekleştirilir. Bunun nedeni yüksek basınçlı H
₂ en pazarlanabilir üründür ve basınç salınımlı adsorpsiyon (PSA) arıtma sistemleri daha yüksek basınçlarda daha iyi çalışır. Ürün karışımı "sentez gazı" olarak bilinir çünkü genellikle doğrudan metanol ve ilgili bileşiklerin üretimi için kullanılır. Metan dışındaki hidrokarbonlar, değişen ürün oranlarına sahip sentez gazı üretmek için kullanılabilir. Bu son derece optimize edilmiş teknolojinin birçok komplikasyonundan biri de kok veya karbon oluşumudur:

CH
₄ → C + 2 H
_{2 ⓘ}

Sonuç olarak, buhar reformasyonunda tipik olarak fazla miktarda H
₂O. İlave hidrojen, özellikle demir oksit katalizörü ile su gazı kaydırma reaksiyonu yoluyla karbon monoksit kullanılarak buhardan geri kazanılabilir. Bu reaksiyon aynı zamanda yaygın bir endüstriyel karbondioksit kaynağıdır:

CO + H
₂O → CO
₂ + H
_{2 ⓘ}

CO ve H için diğer önemli yöntemler
₂ üretimi hidrokarbonların kısmi oksidasyonunu içerir:

2 CH
₄ + O
₂ → 2 CO + 4 H
_{2 ⓘ}

ve yukarıdaki kayma reaksiyonunun başlangıcı olarak hizmet edebilecek kömür reaksiyonu:

C + H
₂O → CO + H
_{2 ⓘ}

Hidrojen bazen ayrıştırılmadan aynı endüstriyel süreçte üretilir ve tüketilir. Amonyak üretimi için kullanılan Haber prosesinde hidrojen doğal gazdan üretilir. Klor elde etmek için tuzlu suyun elektrolizi de bir yan ürün olarak hidrojen üretir. ⓘ

Metal-asit

Birçok metal su ile reaksiyona girerek H
₂, ancak hidrojen evriminin hızı metale, pH'a ve alaşım maddelerinin varlığına bağlıdır. En yaygın olarak, hidrojen evrimi asitler tarafından indüklenir. Alkali ve toprak alkali metaller, alüminyum, çinko, manganez ve demir sulu asitlerle kolayca reaksiyona girer. Bu reaksiyon, bir zamanlar laboratuvar gaz kaynağı olarak kullanılan Kipp aparatının temelini oluşturur:

Zn + 2 H⁺
→ Zn²⁺
+ H
_{2 ⓘ}

Asit yokluğunda, H
₂ daha yavaştır. Demir yaygın olarak kullanılan bir yapı malzemesi olduğundan, anaerobik korozyonu teknolojik öneme sahiptir:

Fe + 2 H
₂O → Fe(OH)
₂ + H
_{2 ⓘ}

Alüminyum gibi birçok metalin suyla reaksiyona girmesi yavaştır çünkü pasifleştirilmiş oksit kaplamaları oluştururlar. Ancak alüminyum ve galyum alaşımı su ile reaksiyona girer. Yüksek pH değerinde alüminyum, H
₂:

2 Al + 6 H
₂O + 2 OH-
→ 2 Al(OH)-
₄ + 3 H
_{2 ⓘ}

Bazı metal içeren bileşikler asitlerle reaksiyona girerek H
₂. Anaerobik koşullar altında, demir hidroksit (Fe(OH)
₂) suyun protonları tarafından manyetit ve H oluşturmak üzere oksitlenebilir.
₂. Bu süreç Schikorr reaksiyonu ile tanımlanır:

3 Fe(OH)
₂ → Fe
₃O
₄ + 2 H
₂O + H
_{2 ⓘ}

Bu süreç, oksijensiz yeraltı sularında ve su tablasının altındaki indirgen topraklarda demir ve çeliğin anaerobik korozyonu sırasında meydana gelir. ⓘ

Termokimyasal

Su ayrıştırma için 200'den fazla termokimyasal döngü kullanılabilir. Demir oksit döngüsü, seryum (IV) oksit-seryum (III) oksit döngüsü, çinko çinko-oksit döngüsü, sülfür-iyot döngüsü, bakır-klor döngüsü ve hibrit sülfür döngüsü gibi bu döngülerin birçoğu, elektrik kullanmadan su ve ısıdan hidrojen ve oksijen üretmek için ticari potansiyelleri açısından değerlendirilmiştir. Bir dizi laboratuvar (Fransa, Almanya, Yunanistan, Japonya ve ABD dahil) güneş enerjisi ve sudan hidrojen üretmek için termokimyasal yöntemler geliştirmektedir. ⓘ

Serpentinizasyon reaksiyonu

Dünya atmosferinden uzakta hüküm süren derin jeolojik koşullarda, hidrojen (H
₂) serpantinleşme süreci sırasında üretilir. Bu süreçte, su protonları (H⁺) fayalit tarafından sağlanan demir (Fe²⁺) iyonları tarafından indirgenir (Fe
₂SiO
₄). Reaksiyon manyetit (Fe
₃O
₄), kuvars (SiO
₂) ve hidrojen (H
₂):

3Fe
₂SiO
₄ + 2 H
₂O → 2 Fe
₃O
₄ + 3 SiO
₂ + 3 H
₂

fayalit + su → manyetit + kuvars + hidrojen ⓘ

Bu reaksiyon, demir hidroksitin su ile temas halinde anaerobik oksidasyonunda gözlemlenen Schikorr reaksiyonuna çok benzemektedir. ⓘ

Uygulamalar

Petrokimya endüstrisi

Büyük miktarlarda H
₂ fosil yakıtların "iyileştirilmesinde" kullanılmaktadır. H'nin başlıca tüketicileri
₂ hidrodealkilasyon, hidrodesülfürizasyon ve hidrokrakingi içerir. Bu reaksiyonların çoğu hidrojenoliz, yani karbon bağlarının ayrılması olarak sınıflandırılabilir. Sıvı fosil yakıtlardan sülfürün ayrıştırılması buna örnektir:

R-S-R + 2 H₂ → H₂S + 2 RH ⓘ

Hidrojenasyon

Hidrojenasyon, H
₂'nin çeşitli substratlara dönüştürülmesi büyük ölçekte gerçekleştirilmektedir. Haber-Bosch süreci ile amonyak üretmek için N2'nin hidrojenasyonu, tüm endüstrideki enerji bütçesinin yüzde birkaçını tüketmektedir. Elde edilen amonyak, insanlar tarafından tüketilen proteinin çoğunu sağlamak için kullanılır. Hidrojenasyon, doymamış katı ve sıvı yağları doymuş katı ve sıvı yağlara dönüştürmek için kullanılır. Başlıca uygulama margarin üretimidir. Metanol, karbondioksitin hidrojenasyonu ile üretilir. Benzer şekilde hidroklorik asit üretiminde hidrojen kaynağıdır. H
₂ ayrıca bazı cevherlerin metallere dönüştürülmesi için indirgeyici bir madde olarak da kullanılır. ⓘ

Soğutucu

Hidrojen, hafif diyatomik moleküllerinin doğrudan bir sonucu olan bir dizi elverişli özelliği nedeniyle elektrik santrallerinde jeneratörlerde soğutucu olarak yaygın şekilde kullanılmaktadır. Bunlar arasında düşük yoğunluk, düşük viskozite ve tüm gazlar arasında en yüksek özgül ısı ve termal iletkenlik yer alır. ⓘ

Enerji taşıyıcı

Elementel hidrojen, gelecekte ekonomi çapında olası bir enerji taşıyıcısı olarak enerji bağlamında yaygın bir şekilde tartışılmaktadır. Hidrojen, bir enerji kaynağından ziyade bir enerji taşıyıcısıdır, çünkü yararlı miktarlarda doğal olarak oluşan bir hidrojen kaynağı yoktur. ⓘ

Hidrojen ısı üretmek için yakılabilir veya doğrudan elektrik üretmek için yakıt hücrelerinde oksijenle birleştirilebilir, kullanım noktasında tek emisyon su olur. Hidrojenin genel yaşam döngüsü emisyonları nasıl üretildiğine bağlıdır. Dünyadaki mevcut hidrojen arzının neredeyse tamamı fosil yakıtlardan elde edilmektedir. Ana yöntem, buhar ve doğal gazın ana bileşeni olan metan arasındaki kimyasal reaksiyondan hidrojenin üretildiği buhar metan reformasyonudur. Bu işlemle bir ton hidrojen üretmek 6,6-9,3 ton karbondioksit salınımına yol açmaktadır. Karbon yakalama ve depolama bu emisyonların büyük bir kısmını ortadan kaldırabilirken, kısmen doğal gazın üretiminde yaratılan emisyonlar nedeniyle doğal gazdan elde edilen hidrojenin genel karbon ayak izini 2021 itibariyle değerlendirmek zordur. ⓘ

Elektrik, su moleküllerini ayırmak için kullanılabilir ve elektriğin sürdürülebilir bir şekilde üretilmesi koşuluyla sürdürülebilir hidrojen üretebilir. Ancak bu elektroliz işlemi şu anda metandan hidrojen üretmekten daha pahalıdır ve enerji dönüşümünün verimliliği doğal olarak düşüktür. Hidrojen, değişken yenilenebilir elektrik fazlası olduğunda üretilebilir, daha sonra depolanabilir ve ısı üretmek veya yeniden elektrik üretmek için kullanılabilir. Ayrıca amonyak ve metanol gibi sentetik yakıtlara dönüştürülebilir. ⓘ

Hidrojen elektrolizörlerindeki yenilikler, elektrikten büyük ölçekli hidrojen üretimini maliyet açısından daha rekabetçi hale getirebilir. Hidrojenin enerji sistemlerinin karbondan arındırılmasında önemli bir rol oynama potansiyeli vardır çünkü bazı sektörlerde fosil yakıtların doğrudan elektrik kullanımıyla değiştirilmesi çok zor olacaktır. Hidrojen yakıtı çelik, çimento, cam ve kimyasalların endüstriyel üretimi için gereken yoğun ısıyı üretebilir. Çelik üretimi için hidrojen temiz bir enerji taşıyıcısı ve aynı zamanda kömür türevi kok kömürünün yerini alan düşük karbonlu bir katalizör olarak işlev görebilir. Ulaşımda kullanılan hidrojen, bir miktar NO_x emisyonu ile ancak karbon emisyonu olmadan nispeten temiz bir şekilde yanacaktır. Bir enerji taşıyıcısı olarak hidrojenin dezavantajları arasında hidrojenin patlayıcılığı, diğer yakıtlara kıyasla büyük hacmi ve boruları kırılgan hale getirme eğilimi nedeniyle yüksek depolama ve dağıtım maliyetleri yer almaktadır. Hidrojen ekonomisine tam dönüşümle ilgili altyapı maliyetleri önemli olacaktır. ⓘ

Yarı iletken endüstrisi

Hidrojen, malzeme özelliklerini stabilize etmeye yardımcı olan amorf silikon ve amorf karbonun kırılmış ("sarkan") bağlarını doyurmak için kullanılır. Ayrıca ZnO, SnO₂, CdO, MgO, ZrO₂, HfO₂, La₂O₃, Y₂O₃, TiO₂, SrTiO₃, LaAlO₃, SiO₂, Al₂O₃, ZrSiO₄, HfSiO₄ ve SrZrO₃ dahil olmak üzere çeşitli oksit malzemelerde potansiyel bir elektron vericidir. ⓘ

Roket itici gazları

Sıvı hidrojen ve sıvı oksijen birlikte Uzay Mekiği ana motorlarında olduğu gibi sıvı yakıtlı roketlerde kriyojenik yakıt olarak kullanılır. ⓘ

Niş ve gelişen kullanım alanları

• Koruyucu gaz: Hidrojen, atomik hidrojen kaynağı gibi kaynak yöntemlerinde koruyucu gaz olarak kullanılır. ⓘ

• Kriyojenik araştırma: Sıvı H₂, süper iletkenlik çalışmaları da dahil olmak üzere kriyojenik araştırmalarda kullanılır. ⓘ

• Kaldırma kuvveti: Çünkü H
  ₂ havadan daha hafiftir, havanın yoğunluğunun sadece %7'sine sahiptir, bir zamanlar balonlarda ve hava gemilerinde kaldırma gazı olarak yaygın bir şekilde kullanılmıştır.
• Sızıntı tespiti: Saf veya nitrojenle karıştırılmış (bazen şekillendirici gaz olarak adlandırılır) hidrojen, küçük sızıntıların tespiti için bir izleyici gazdır. Uygulamalar otomotiv, kimya, enerji üretimi, havacılık ve telekomünikasyon endüstrilerinde bulunabilir. Hidrojen, oksitlenmeyi önleyici özelliklere sahip olmasının yanı sıra, gıda paketi sızıntı testine izin veren yetkili bir gıda katkı maddesidir (E 949). ⓘ

• Nötron moderasyonu: Döteryum (hidrojen-2) nükleer fisyon uygulamalarında nötronları yavaşlatmak için moderatör olarak kullanılır.
• Nükleer füzyon yakıtı: Döteryum nükleer füzyon reaksiyonlarında kullanılır.
• İzotopik etiketleme: Döteryum bileşiklerinin kimya ve biyolojide reaksiyon hızları üzerindeki izotop etkileri çalışmalarında uygulamaları vardır. ⓘ

• Roket iticisi: NASA, sıvı helyum içinde asılı katı moleküler hidrojen parçacıkları halinde dondurulan atomik hidrojen, bor veya karbondan yapılan roket itici gazının kullanımını araştırmıştır. Isınma üzerine karışım buharlaşarak atomik türlerin yeniden birleşmesini sağlar ve karışımı yüksek sıcaklığa kadar ısıtır.
• Trityum kullanım alanları: Nükleer reaktörlerde üretilen trityum (hidrojen-3), hidrojen bombası üretiminde, biyolojik bilimlerde izotopik bir etiket olarak ve alet kadranları ve acil durum tabelaları için radyolüminesan boyada bir beta radyasyon kaynağı olarak kullanılır. ⓘ

Biyolojik reaksiyonlar

H₂, bazı anaerobik metabolizma türlerinin bir ürünüdür ve genellikle hidrojenaz adı verilen demir veya nikel içeren enzimler tarafından katalize edilen reaksiyonlar yoluyla çeşitli mikroorganizmalar tarafından üretilir. Bu enzimler H₂ ile bileşeni olan iki proton ve iki elektron arasındaki tersinir redoks reaksiyonunu katalize eder. Hidrojen gazının oluşumu, piruvat fermantasyonu sırasında üretilen indirgeyici eşdeğerlerin suya aktarılmasıyla gerçekleşir. Organizmalar tarafından hidrojen üretimi ve tüketiminin doğal döngüsüne hidrojen döngüsü denir. Hidrojen, elementin atom sayısı bakımından insan vücudunda en bol bulunan elementtir, ancak hidrojen çok hafif olduğu için kütle bakımından en bol bulunan 3. elementtir. H₂, kalın bağırsaktaki hidrojenaz içeren mikroorganizmaların metabolik aktivitesi nedeniyle insanların nefesinde oluşur. Dinlenme halindeki aç insanlarda konsantrasyon tipik olarak milyonda 5 parçadan (ppm) azdır, ancak bağırsak rahatsızlıkları olan kişiler tanısal hidrojen nefes testleri sırasında ememedikleri molekülleri tükettiklerinde 50 ppm olabilir. Hidrojen gazı bazı bakteriler ve algler tarafından üretilir ve önemi giderek artan bir hidrojen kaynağı olan metan gibi flatusun doğal bir bileşenidir. ⓘ

Suyun bileşenleri olan proton, elektron ve oksijene ayrıştığı su bölünmesi, tüm fotosentetik organizmalarda ışık reaksiyonlarında meydana gelir. Chlamydomonas reinhardtii algleri ve siyanobakteriler de dahil olmak üzere bu tür bazı organizmalar, kloroplasttaki özel hidrojenazlar tarafından proton ve elektronların H₂ gazı oluşturmak üzere indirgendiği karanlık reaksiyonlarda ikinci bir adım geliştirmiştir. Oksijen varlığında bile H₂ gazını verimli bir şekilde sentezlemek için siyanobakteriyel hidrojenazları genetik olarak modifiye etme çabaları yürütülmüştür. Bir biyoreaktörde genetiği değiştirilmiş alglerle de çalışmalar yürütülmüştür. ⓘ

Güvenlik ve önlemler

Hidrojen ⓘ

Tehlikeler
GHS etiketlemesi:
Piktogramlar
Sinyal kelimesi	Tehlike
Tehlike bildirimleri	H220
Önlem ifadeleri	P202, P210, P271, P377, P381, P403
NFPA 704 (yangın elması)	0 4 0

Hidrojen, hava ile karıştığında potansiyel patlamalar ve yangınlardan saf, oksijensiz formunda boğucu olmaya kadar insan güvenliği için bir dizi tehlike oluşturmaktadır. Buna ek olarak, sıvı hidrojen bir kriyojendir ve çok soğuk sıvılarla ilişkili tehlikeler (donma gibi) sunar. Hidrojen birçok metalde çözünür ve dışarı sızmanın yanı sıra, hidrojen gevrekleşmesi gibi çatlaklara ve patlamalara yol açan olumsuz etkileri olabilir. Dış havaya sızan hidrojen gazı kendiliğinden tutuşabilir. Dahası, hidrojen yangını son derece sıcak olmasına rağmen neredeyse görünmezdir ve bu nedenle kazara yanıklara yol açabilir. ⓘ

Hidrojen verilerinin (güvenlik verileri dahil) yorumlanması bile bir dizi olgu nedeniyle karmaĢıktır. Hidrojenin birçok fiziksel ve kimyasal özelliği parahidrojen/ortohidrojen oranına bağlıdır (verilerin genellikle verildiği denge oranına ulaşmak belirli bir sıcaklıkta genellikle günler veya haftalar alır). Kritik patlama basıncı ve sıcaklığı gibi hidrojen patlama parametreleri büyük ölçüde kap geometrisine bağlıdır. ⓘ