هیدروژن، با نماد شیمیایی H نام یک عنصر شیمیایی در جدول تناوبی با عدد اتمی ۱ است. وزن اتمی این عنصر ۱٫۰۰۷۹۴ u است. هیدروژن سبکترین عنصر در جهان است و بیش از دیگر عنصرها میتوان آن را به صورت آزاد در طبیعت پیدا کرد. میتوان گفت نزدیک به ۷۵% از جرم جهان از هیدروژن ساخته شدهاست. برخی جرمهای آسمانی مانند کوتولهٔ سفید و یا ستارههای نوترونی از حالت پلاسمای هیدروژن ساخته شدهاند. ولی در طبیعت روی زمین به سختی میتوان تک اتم هیدروژن را پیدا کرد.
گاز هیدروژن (با نماد H۲) نخستین بار در سدهٔ ۱۶ میلادی به صورت آزمایشگاهی از واکنش اسیدهای قوی با فلزهایی مانند روی بدست آمد (۱۷۶۶ تا ۸۱). هنری کاوندیش نخستین کسی بود که دریافت گاز هیدروژن برای خود، یک مادهٔ جداگانهاست.و از سوختن آن آب پدید میآید. دلیل نامگذاری هیدروژن هم همین ویژگی آن است به معنی آبساز در زبان یونانی. در شرایط استاندارد دما و فشار هیدروژن عنصری است بی رنگ، بی بو، بی مزه، نافلز، غیرسمّی یک ظرفیتی، گازی دو اتمی، بسیار آتشگیر و با فرمول شیمیایی H۲.
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-1) و دیتریوم(D، H-۲) هستند. دیتریوم شامل ۰٫۰۱۸۴-۰٫۰۰۸۲٪ درصد کل هیدروژن است (آیوپاک)؛ نسبتهای دیتریوم به پروتیوم با توجه به استاندارد مرجع آب VSMOW اعلام میگردد. تریتیوم(T یا H-3)، یک ایزوتوپ پرتوزا (رادیواکتیو) دارای یک پرتون و دو نوترون است. هیدروژن تنها عنصری است که ایزوتوپهای آن اسمی مختلفی دارند.بیشتر ایزوتوپهایی که در طبیعت یافت میشوند پایدارند. در واقع تعداد پروتونها و نوترونهای هستهٔ اتمهای آنها با گذشت زمان تغییر نمیکند. این در حالی است که برخی ایزوتوپها هستههایی ناپایدار دارند به این معنا که تعداد معینی پروتون دارد تجمع این تعداد ذره با بار مثبت مجموعهای ناپایدار به وجود میآورد بنابراین به تعدادی نوترون هم نیاز است تا گردهمایی این تعداد پروتون را امکان پذیر سازد و هستهای پایدار ایجاد کند. اگر هستهای بیش از اندازه نوترون داشته باشد(بیش از ۱/۵ برابر تعداد پروتونها)باز هم ناپایدار میشود و زمینه برای تغییر در آن فراهم میآید.
تولید :
در آزمایشگاههای زیست شناسی و شیمی می توان گاز هیدروژن را تولید کرد. این گاز معمولا محصول کناری دیگر واکنشها است.
در آزمایشگاه :
در آزمایشگاه با کمک دستگاه کیپ می توان از واکنش اسیدها با فلزهایی مانند روی، هیدروژن بدست آورد:
Zn + ۲ H+ → Zn۲+ + H۲
از واکنش آلومینیم با قلیاها هم می توان به نتیجه رسید:
۲Al + ۶ H۲O + ۲ OH− → ۲ Al(OH)−۴ + ۳ H۲
آبکافت آب هم یک روش آسان برای تولید هیدروژن است. با گذر یک جریان کم ولتاژ از آب می توان گاز اکسیژن را در آنُد و گاز هیدروژن را در کاتُد جمع کرد. برای جمع آوری هیدروژن معمولا کاتد از پلاتین یا یک فلز واسطهٔ دیگر برگزیده میشود. البته چون امکان آتش گرفتن وجود دارد و اکسیژن هم به این سوختن کمک میکند برای همین فلز کاتد و آند هر دو واسطه در نظر گرفته میشود (آهن اکسید میشود و مقدار اکسیژن بدست آمده را کاهش میدهد). بیشترین بازده نظری این واکنش یعنی نسبت جریان الکتریسیته به هیدروژن تولیدی میان ۸۰ تا ۹۴ درصد است.
۲ H۲O(l) → ۲ H۲(g) + O۲(g)
شیمیدانان در سال ۲۰۰۷ دریافتند که اگر آلیاژی از گالیم و آلومینیم را به صورت گلولهای در آورند و در آب بیاندازند میتواند هیدروژن تولید کند. همچنین این فرایند آلومینا هم پدید میآورد. در این میان گالیم نمیگذارد که لایهای از اکسیژن بر روی گلوله ساخته شود و البته گالیم پس از واکنش دوباره قابل استفادهاست و این به دلیل گرانی این فلز نکتهٔ مهمی است. این روش از نظر کاهش هزینه هم درخور توجهاست چرا که هیدروژن در همانجا تولید میشود و دیگر نیازی به جابجایی دارد.
در صنعت برای تولید هیدروژن از گاز طبیعی بهره میبرند و کمتر به الکترولیز آب روی میآورند. بیشتر هیدروژن تولیدی در نزدیکی محل تولید، در فرایند سوخت سنگوارهای (مانند کراکینگ) و تولید آمونیاک برای ساخت کود شیمیایی، مورد بهره برداری قرار میگیرد. امروزه دانشمندان در تلاش اند تا جلبکهای سبز را در تولید هیدروژن بکار ببندند.
در دانش فلزشناسی، تردی هیدروژنی بسیاری فلزها مورد بررسی است تا با کمک آن در طراحی لولهها و مخزنها دگرگونیهایی پدید آورند.
منابع:
wikipedia.org
normalite.ir
وبلاگ دانشجویان شیمی دانشگاه پیام نور کوهپایه