تاریخچه
هیدروژن ( کلمه فرانسوی به معنی سازنده آب و واژه یونانی hudôr یعنی آب و gennen یعنی تولید کننده ) برای اولین بار در سال 1776 بوسیله "هنری کاوندیش" بعنوان یک ماده مستقل شناخته شده ، "آنتونی لاوازیه" نام هیدروژن را برای این عنصر انتخاب کرد.
پیدایش
هیدروژن فراوانترین عنصر در جهان است، بطوریکه 75% جرم مواد طبیعی از این عنصر ساخته شده و بیش از 90% اتم های تشکیل دهنده آنها اتم‌های هیدروژن است. این عنصر به مقدار زیاد و به‌وفور در ستارگان و سیارات غولهای گازی یافت می‌شود. به نسبت فراوانی زیاد آن در جاهای دیگر ، هیدروژن در اتمسفر زمین بسیار رقیق است (1ppm برحسب حجم). متعارف‌ترین منبع برای این عنصر در زمین آب است که از دو قسمت هیدروژن و یک قسمت اکسیژن (H2O) ساخته شده است.
منابع دیگر عبارتند از بیشترین اشکال مواد آلی که در اندام تمام موجودات زنده شناخته شده وجود دارند، زغال ، سوخت فسیلی و گاز طبیعی. متان ( CH4 ) 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 بوسیله حرارت ، واکنش هیدروکسید سدیم یا پتاسیم بر آلومینیوم ، الکترولیز آب یا از جابجائی آن در اسیدها توسط فلزات خاص.
هیدروژن تجاری در حجمهای زیاد معمولا بوسیله تجزیه گاز طبیعی تولید می‌شود.
خصوصیات قابل توجه
هیدروژن سبک ترین عنصر شیمیایی با معمول‌ترین ایزوتوپ آن است که شامل تنها یک پروتون و الکترون است. در شرایط فشار و دمای استاندارد هیدروژن یک گاز ، H2 ، دو اتمی با نقطه جوش 20.27K و نقطه ذوب 14.02K را می‌سازد. در صورتی‌که این گاز تحت فشار فوق‌العاده 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.
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 H2 (هیدروژنی) تشکیل می‌شود که به شکل گیری ستارگان نیز مرتبط می‌باشد.
این عنصر نقش بسیار حیاتی در تامین انرژی جهان از طریق واکنش پروتون-پروتون و چرخه کربن-نیتروژن به عهده دارد (اینها فرآیندهای همجوشی 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) در صنعت نیاز می‌باشد، مقدار قابل توجهی در برای تولید آمونیاک ، هیدروژنه کردن چربی‌ها و روغنها و تولید متانول.
هیدرودیلکیلاسیون (hydrodealkylation) ، هیدرودیسولفوریزاسیون (hydrodesulfurization) و هیدروکرکینک (hydrocracking) .
تولید اسید هیدروکلریک ، جوشکاری ، سوختهای موشک و احیاء سنگ معدن فلزی
هیدروژن مایع در تحقیقات سرما شناسی 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 بعنوان 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 بعنوان یک کند کننده جهت کاهش حرکت نوترونها در فعالیت های هستهای مورد استفاده قرار می‌گیرد و ترکیبات دوتریوم در شیمی و زیست شناسی در مطالعاتتاثیرات ایزوتوپ ، مورد استفاده واقع می‌شوند.
تریتیوم که یک ایزوتوپ طبقه‌بندی شده در علوم زیست شناسی است که بعنوان یک منبع تشعشع در رنگهای نورانی کاربرد دارد.
هیدروژن می‌تواند در موتورهای درون سوز سوخته شود و در برهه کوتاهی اتومبیلهایی با سوخت هیدروژنی توسط شرکت Chrysler-BMW تولید شدند. پیل های سوختی هیدروژنی ، بعنوان راه کاری برای تولید توان بالقوه ارزان و بدون آلودگی ، مورد توجه قرار گرفته است.
ترکیبات
هیدروژن سبک‌ترین گازها با اکثر عناصر ترکیب شده و ترکیبات مختلف را بوجود می‌آورد. هیدروژن دارای عدد الکترونگاتیویته 2.2 است، پس هیدروژن هنگامی ترکیبات را می‌سازد که عناصر غیر فلزی‌تر و عناصر فلزی‌تری 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 +H3O را دید که گویی پروتونها به جایی محکم به چیزی چسبیده‌اند.
هیدروژن با اکسیژن ترکیب شده ، تولید آب میکند، H2O که در این واکنش مقدار زیادی انرژی را بصورتی آزاد میکند که باعث انفجار در هوا می‌شود و یا به اکسید دوتریوم یا D2O که معمولا آب سنگین گفته می‌شود، تبدیل می‌شود. همچنین هیدروژن با کربن ترکیبات گسترده ای را بوجود می آورد. 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. در شرایط استاندارد ، هیدروژن معمولی ترکیبی از 25% شکل پارا و 75% 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 مسئله موجب می‌گردد تا خصوصیات فیزیکی آنها کمی متفاوت باشد، مثلا نقطه ذوب و جوش پاراهیدروژن تقریبا 0.1K پائین‌تر از ارتوهیدروژن است.
ایزوتوپها
پروتیوم ، معمولی‌ترین ایزوتوپ هیدروژن فاقد نوترون است، گرچه دو ایزوتوپ دیگر به نام دوتریوم دارای یک نوترون و تریتیوم رادیواکتیویته دارای دو نوترون وجود دارند. دو ایزوتوپ پایدار هیدروژن پروتیوم(H-1) و دیتریوم(D ، H-2) می‌باشند. دیتریوم شامل 0.0184-0.0082% درصد کل هیدروژن است (IUPAC)؛ نسبتهای دیتریوم به پروتیوم با توجه به استاندارد مرجع آب VSMOW اعلام می‌گردد. تریتیوم(T یا H-3) یک ایزوتوپ رادیواکتیو دارای یک پرتون و دو نوترون می‌باشد. هیدروژن تنها عنصری است که ایزوتوپهای آن اسمهای مختلفی دارند.
هشدارها
هیدروژن ، گازی است با قدرت اشتعال فوق‌العاده زیاد. این گاز همچنین به‌شدت با کلر و فلوئور واکنش نشان می‌دهد. D2O یا آب سنگین برای بسیاری از گونه‌ها سمی است. اما مقدار قابل توجهی از آن برای کشتن انسان لازم است.