هیدروژن

هیدروژن یا آبزا، یک عنصر شیمیایی در جدول تناوبی است که با حرف H و عدد اتمی ۱ نشان داده شده است. هیدروژن عنصری بی رنگ، بی بو، غیر فلز، یک ظرفیتی و گازی دو اتمی، با خاصیت شعله وری فوق العاده بالا است. هیدروژن سبک‌ترین و فراوانترین عنصر در جهان  بوده و در آب و نیز در تمامی ترکیبات آلی و موجودات زنده یافت می‌شود. هیدرژن قابلیت واکنش شیمیایی با بیشتر عناصر را دارد. ستارگان در توالی اصلی خود به وفور از هیدروژن در حالت پلاسمایی تشکیل شده اند. این عنصر در تولید آمونیاک، به‌عنوان یک گاز بالا برنده، یک سوخت جایگزین و اخیرا به‌عنوان منبع انرژی مورد استفاده پیلهای سوختی قرار می‌گیرد.
                        
در آزمایشگاه، از واکنش اسیدها بر فلزهایی مثل روی، بدست می‌آید. اما برای تولید در حجم زیاد از الکترولیز آب که معمول‌ترین روش است، استفاده می‌شود. اکنون دانشمندان سعی دارند تا روش‌های جدیدی را بوجود آوردند که از جلبک‌های سبز برای تولید هیدروژن استفاده نمایند....

ویژگی‌های درخور نگرش

هیدروژن سبک‌ترین عنصر شیمیایی بوده با معمول‌ترین ایزوتوپ آن که شامل تنها یک پروتون  و الکترون  است. در شرایط فشار و دمای استاندارد هیدروژن یک گاز،H۲، دو اتمی با نقطه جوش ۲۰.۲۷° K و نقطه ذوب ۱۴.۰۲° K را میسازد. در صورتیکه این گاز تحت فشار فوق العاده بالایی، مانند شرایطی که در مرکز غولهای گازی وجود دارد، قرار گیرد مولکولها ماهیت خود را از دست داده و هیدروژن بصورت فلزی  مایع در می‌آید. (رجوع شود به هیدروژن فلزی). اما در فشارهای بسیار پایین مانند شرایطی که در فضا یافت می‌شود، به این علت که هیچ راهی برای ترکیب اتمهایش وجود ندارد، هیدروژن تمایل دارد تا بصورت اتم‌های مجزا در آمده؛ ابرهای H۲ (هیدروژنی) تشکیل می‌شود که به شکل گیری ستارگان  نیز مرتبط است.

این عنصر نقش بسیار حیاتی در تأمین انرژی جهان از طریق واکنش پروتون-پروتون و چرخه کربن-نیتروژن به عهده دارد(اینها فرآیندهای هم جوشی هسته‌ای هستند که با ترکیب دو اتم هیدروژن به یک اتم هلیم، مقدار بسیار عظیمی از انرژی آزاد می‌کنند.)

کاربردها

به مقدار بسیار زیادی هیدروژن در فرآیند هابر (Haber Process) صنعت، مقدار قابل توجهی برای تولید آمونیاک، هیدروژنه کردن چربی‌ها و روغن‌ها، و تولید متانول  نیاز است. سایر مواردی که نیازمند هیدروژن است عبارت‌اند از:

    * آلکیل زدایی آبی (هیدرودیلکیلاسیون hydrodealkylation)، گوگردزدایی آبی (هیدرودیسولفوریزاسیون، hydrodesulfurization) و هیدروکرکینک (hydrocracking)
    * تولید اسید هیدروکلریک، جوشکاری، سوخت‌های موشک و احیاء سنگ معدن فلزی
    * هیدروژن مایع در تحقیقات سرماشناسی مانند مطالعات ابررسانایی بکار می‌رود.
    * تریتیوم که در رآکتورهای اتمی تولید می‌شود در ساخت بمبهای هیدروژنی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
    * هیدروژن چهارده و نیم بار از هوا سبکتر است و سابقا به‌عنوان عامل بالا برنده در بالون‌ها و کشتی‌های هوایی مورد استفاده قرار می‌گرفت تا وقتیکه فاجعه هیندنبرگ ثابت کرد که استفاده از این گاز برای این منظور بسیار خطرناک است.
    * دوتریوم به‌عنوان یک کند کننده جهت کاهش حرکت نوترونها در فعالیت‌های هسته‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد، و ترکیبات دوتریوم در شیمی و زیست‌شناسی در مطالعات تأثیرات ایزوتوپ، مورد استفاده وافع می‌شوند.
    * تریتیوم که یک ایزوتوپ طبقه بندی شده در علوم زیست‌شناسی است که به‌عنوان یک منبع تشعشع در رنگهای نورانی کاربرد دارد.

هیدروژن می‌تواند در موتورهای درون سوز سوخته شود و یا در پیلهای هیدروژنی انرژی بصورت برق تولید کند.تاکنون چند خودرو آزمایشی توست شرکتهای مختلف اتومبیل سازی از جمله BMW(موتور گرمایی) و Mercedes Benz ،Toyota ،Opel و ... (پیل هیدروژنی) تولید شدند. پیل‌های سوختی هیدروژنی، به‌عنوان راه کاری برای تولید توان بالقوه ارزان و بدون آلودگی، مورد توجه قرار گرفته است.

پیدایش

هیدروژن فراوانترین عنصر در جهان است بطوریکه ۷۵٪ جرم مواد طبیعی از این عنصر ساخته شده و بیش از ۹۰٪ اتم‌های  تشکیل دهنده آنها اتم‌های هیدروژن است.
این عنصر به مقدار زیاد و به وفور در ستارگان و سیارات غولهای گازی یافت می‌شود. به نسبت فراوانی زیاد آن در جاهای دیگر، هیدروژن در اتمسفر زمین بسیار رقیق است(۱ ppm برحسب حجم). متعارف‌ترین منبع برای این عنصر در زمین آب است که از دو قسمت هیدروژن و یک قسمت اکسیژن (H۲O) ساخته شده است.
منابع دیگر عبارت‌اند از بیشترین اشکال مواد آلی که در اندام تمام موجودات زنده شناخته شده وجود دارند، زغال، سوخت فسیلی و گاز طبیعی. متان (CH۴)، که یکی از محصولات فرعی فساد ترکیبات آلی است که اهمیت منابع آن رو به افزایش است.
هیدروژن از چندین راه مختلف بدست می‌آید، عبور بخار از روی کربن داغ، تجزیه هیدروکربن به‌وسیله حرارت، واکنش هیدروکسید سدیم یا پتاسیم بر آلومینیوم، الکترولیز آب یا از جابجایی آن در اسیدها توسط فلزات خاص.

هیدروژن تجاری در حجمهای زیاد معمولاً به‌وسیله تجزیه گاز طبیعی تولید می‌شود.

ترکیبات

هیدروژن سبک‌ترین گازها با اکثر عناصر ترکیب شده و ترکیبات مختلف را بوجود می‌آورد. هیدروژن دارای عدد اکترونگاتیویته  ۲.۲ است پس هیدروژن هنگامی ترکیبات را می‌سازد که عناصر غیر فلزی تر و عناصر فلزی تری وجود داشته باشند. در این حالت(غیر فلزی) تشکیل دهنده‌ها هیدریدها نامیده می‌شوند، که هیدروژن یا بصورت یونهای H-  یا بصورت حل شده در عنصر دیگر وجود خواهد داشت (مانند هیدرید پالادیوم). در حالت دوم (ترکیب با فلز) هیدروژن تمایل برای تشکیل پیوند کووالانسی دارد، چون یونهای H+ بصورت یک اتم عریان فاقد الکترون در می‌آیند بنابراین تمایل شدیدی به جذب الکترونها به سمت خود دارند. هر دوی اینها تولید اسید می‌کنند. لذا حتی در یک محلول اسیدی می‌توان یونهایی مثل H۳O+ را دید که گویی پروتونها به جایی محکم به چیزی چسبیده اند.

هیدروژن با اکسیژن ترکیب شده و تولید آب می‌کند، H۲O، که در این واکنش مقدار زیادی انرژی را بصورتی آزاد می‌کند که، باعث انفجار در هوا می‌گردد. به اکسید دوتریوم یا D۲O، که معمولاً آب سنگین گفته می‌شود. همچنین هیدروژن با کربن یک سری ترکیبات گسترده‌ای را بوجود می‌آورد. بخاطر ارتباط این ترکیبات با چیزهای زنده، این ترکیبات را ترکیبات آلی می‌نامند، و به مطالعه خصوصیات این ترکیبات شیمی آلی گفته می‌شود.

حالتها

در شرایط عادی گاز هیدروژن ترکیبی از دو نوع متمایز مولکول  است که با هم از نظر جهت چرخش الکترون‌ها و هسته تفاوت دارند. این دو شکل به نام ارتو- و پارا- هیدروژن معروفند. (این مورد با ایزوتوپ‌ها فرق می‌کند به پاراگراف بعد توجه کنید.) در شرایط استاندارد هیدروژن معمولی ترکیبی از ۲۵٪ شکل پاراو ۷۵٪ شکل ارتو است. شکل ارتو را نمی‌توان بصورت حالت خالص آن تهیه کرد. این دو مدل هیدروژن از نظر انرژی با هم متفاوتند که این مسیله موجب می‌گردد، تا خصوصیات فیزیکی آنها کمی متفاوت باشد. مثلاً نقطه ذوب و جوش پاراهیدروژن تقریباً ۰.۱ K ° پایین تر از ارتوهیدروژن است. (به اصطلاح شکل عادی.)
ایزوتوپها
پروتیوم، معمولی‌ترین ایزوتوپ هیدروژن فاقد نوترون است گرچه دو ایزوتوپ دیگر به نام دوتریوم دارای یک نوترون و تریتیوم رادیو اکتیویته دارای دو نوترون، وجود دارند. دو ایزوتوپ پایدار هیدروژن پروتیوم(H-۱) و دیتریوم(D، H-۲) هستند. دیتریوم شامل ۰.۰۱۸۴-۰.۰۰۸۲٪ درصد کل هیدروژن است (IUPAC)؛ نسبتهای دیتریوم به پروتیوم با توجه به استاندارد مرجع آب VSMOW اعلام می‌گردد. تریتیوم(T یا H-۳)، یک ایزوتوپ پرتوزا (رادیواکتیو) دارای یک پرتون و دو نوترون است. هیدروژن تنها عنصری است که ایزوتوپ‌های آن اسمی مختلفی دارند.