Hidrojen

Hidrojen, ₁H

Plazma durumunda mor parlaklık
Hidrojen
Görünüm	renksiz gaz
Standart atom ağırlığı Ar, std(H)	[7000100784000000000♠1.00784, 7000100811000000000♠1.00811] Konvansiyonel: 7000100800000000000♠1.008
Periyodik tablodaki Hidrojen
– ↑ H ↓ Li – ← hidrojen → helyum
Atom numarası (Z)	1
Grup	group 1
Period	periyot 1
Blok	s-blok
Element kategorisi	Reaktif ametal
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)	0.08988 g/L
sıvı olduğunda ( m.p.)	0.07 g/cm3 (katı: 0.0763 g/cm3)
sıvı olduğunda (b.p.)	0.07099 g/cm3
Üçlü nokta	13.8033 K, ​7.041 kPa
Kritik nokta	32.938 K, 1.2858 MPa
Isı entalpisi	(H2) 0.117 kJ/mol
Buharlaştırma ısı	(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 at T (K) 15 20
Atom özellikleri
Oksidasyon durumları	−1, +1 (bir amfoterik oksit)
Elektronegatiflik	Pauling ölçeği: 2.20
İyonlaşma enerjisi	1.: 1312.0 kJ/mol
Kovalent yarıçapı	31±5 pm
Van der Waals yarıçapı	120 pm
hidrojen spektral çizgileri
Diğer özellikler
Kristal yapı	​altıgen
Sesin hızı	1310 m/s (gaz, 27 °C)
Termal iletkenlik	0.1805 W/(m·K)
Manyetik sıralama	diyamanyetik
Manyetik alınganlık	−3.98·10−6 cm3/mol (298 K)
CAS Numarası	12385-13-6 1333-74-0 (H2)
Tarihçe
Keşfeden	Henry Cavendish (1766)
Adlandıran	Antoine Lavoisier (1783)
hidrojen ana izotopları
İzo­top Bol­luk Half-life (t1/2) Bozunma modu Boz­unma 1H 99.98% kararlı 2H 0.02% kararlı 3H izi 12.32 y β− 0.01861 3He

Hidrojen, sembolü H ve atom numarası 1 olan kimyasal elementtir. 1.008 standart atom ağırlığı ile hidrojen, periyodik tablodaki en hafif elementtir. Hidrojen, tüm baryonik kütlenin kabaca %75'ini oluşturan, evrendeki en bol kimyasal maddedir. Kalanı yıldızlarda çoğunlukla plazma halindeki hidrojenden oluşur. Protium olarak adlandırılan en yaygın hidrojen izotopu (nadiren kullanılan isim, sembol ¹H), bir protona sahiptir ve nötron içermez.

Atomik hidrojenin evrensel olarak ortaya çıkışı ilk olarak rekombinasyon döneminde (Büyük Patlama) meydana geldi. Standart sıcaklık ve basınçta hidrojen, H₂ moleküler formülüne sahip renksiz, kokusuz, tatsız, toksik olmayan, metalik olmayan, oldukça yanıcı bir iki atomlu gazdır. Hidrojen, çoğu metalik olmayan elementle kovalent bileşikler oluşturduğundan, Dünya üzerindeki hidrojenin çoğu, su veya organik bileşikler gibi moleküler formlarda bulunur. Hidrojen, asit-baz reaksiyonlarında özellikle önemli bir rol oynar çünkü çoğu asit-baz reaksiyonu, çözünür moleküller arasında proton değişimini içerir. İyonik bileşiklerde hidrojen, bir hidrit olarak bilindiğinde negatif bir yük (yani anyon) veya H+ sembolü ile gösterilen pozitif yüklü (yani katyon) bir tür olarak olabilir. Hidrojen katyonu yalın bir protondan oluşuyormuş gibi yazılır, ancak gerçekte iyonik bileşiklerdeki hidrojen katyonları her zaman daha karmaşıktır. Schrödinger denkleminin analitik olarak çözülebildiği tek nötr atom olarak, hidrojen atomunun enerji ve bağlanmasının incelenmesi, kuantum mekaniğinin gelişiminde kilit bir rol oynamıştır.

Hidrojen gazı ilk olarak 16. yüzyılın başlarında asitlerin metaller üzerinde reaksiyona girmesiyle yapay olarak üretildi. 1766-81'de Henry Cavendish, hidrojen gazının ayrı bir madde olduğunu ilk fark eden oldu ve yandığında su ürettiğini ve bu özelliği sonradan adını almıştır: Yunanca'da hidrojen "su-oluşturucu" anlamına gelir.

Endüstriyel üretim esas olarak doğal gazı buharla yeniden biçimlendirmekten ve daha az sıklıkla suyun elektrolizi gibi daha enerji yoğun yöntemlerden elde edilmektedir. Hidrojenin çoğu, üretim sahasının yakınında kullanılmaktadır; en büyük iki kullanım fosil yakıt işleme (örneğin, hidro-kırma) ve çoğunlukla gübre pazarı için amonyak üretimidir. Hidrojen, metalurjide sorunludur çünkü birçok metali gevrekleştirebilir, boru hatlarının ve depolama tanklarının tasarımını zorlaştırabilir.

Tarihçe

Keşif ve kullanım

1671'de Robert Boyle, demir talaşları ile seyreltik asitler arasındaki reaksiyonu keşfetti ve tanımladı, bu da hidrojen gazı üretimiyle sonuçlandı. 1766'da Henry Cavendish, gazı bir metal-asit reaksiyonundan "yanıcı hava" olarak adlandırarak hidrojen gazını ayrı bir madde olarak tanıyan ilk kişi oldu. "Yanıcı hava" nın aslında "flojiston" denen varsayımsal maddeyle aynı olduğunu ve 1781'de gazın yandığında su ürettiğini bulduğunu tahmin etti. Hidrojenin bir element olarak keşfi için genellikle kendisine kredi verilir. 1783'te Antoine Lavoisier, Cavendish ve Laplace'ın hidrojen yakıldığında suyun üretildiği bulgusunu yeniden ürettiğinde elemente hidrojen adını verdi (Yunanca "su" anlamına gelen ὑδρο- hydro ve "oluşturucu" -γενής "su-oluşturucu" anlamına gelir).

Lavoisier, kütle koruma deneyleri için, bir buhar akışını metalik demir ile ateşte ısıtılmış akkor bir demir borudan geçirerek reaksiyona sokarak hidrojen üretti. Yüksek sıcaklıkta su protonları tarafından demirin anaerobik oksidasyonu, aşağıdaki reaksiyonlar dizisi ile şematik olarak temsil edilebilir:

   Fe +    H₂O → FeO + H₂

2 Fe + 3 H₂O → Fe₂O₃ + 3 H₂

3 Fe + 4 H₂O → Fe₃O₄ + 4 H₂

Zirkonyum gibi birçok metal, hidrojen üretimine yol açan suyla benzer bir reaksiyona girer. Hidrojen ilk kez 1898'de James Dewar tarafından rejeneratif soğutma ve icadı olan termos kullanılarak sıvılaştırıldı. daha 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'nin grubu tarafından keşfedildi. François Isaac de Rivaz, 1806'da hidrojen ve oksijen karışımıyla çalışan içten yanmalı bir motor olan ilk de Rivaz motorunu inşa etti. Edward Daniel Clarke 1819'da hidrojen gazı üfleme borusunu icat etti. Döbereiner'ın lambası ve ilgi odağı 1823'te icat edildi.

İlk hidrojen dolu balon, 1783'te Jacques Charles tarafından icat edildi. Hidrojen, Henri Giffard tarafından 1852'de hidrojenle kaldırılan ilk hava gemisinin icat edilmesinin ardından ilk güvenilir hava yolculuğu şekli için asansörü sağladı. Alman kont Ferdinand von Zeppelin, daha sonra Zeplinler olarak adlandırılan, hidrojenle kaldırılan sert hava gemileri fikrini destekledi; bunlardan ilki 1900'de ilk uçuşunu yaptı. Düzenli tarifeli uçuşlar 1910'da başladı ve Ağustos 1914'te I.Dünya Savaşı'nın patlak vermesiyle, ciddi bir olay olmadan 35.000 yolcu taşıdılar. Hidrojenle kaldırılan hava gemileri savaş sırasında gözlem platformları ve bombardıman uçakları olarak kullanıldı.

İlk kesintisiz transatlantik geçiş, 1919'da İngiliz hava gemisi R34 tarafından yapıldı. 1920'lerde düzenli yolcu servisi yeniden başladı ve Amerika Birleşik Devletleri'nde helyum rezervlerinin keşfi daha fazla güvenlik vaat etti, ancak ABD hükümeti bu amaçla gazı satmayı reddetti. Bu nedenle, 6 Mayıs 1937'de New Jersey'de bir havada çıkan yangında tahrip olan Hindenburg hava gemisinde H2 kullanıldı. Olay radyoda canlı olarak yayınlandı ve filme alındı. Sızan hidrojenin tutuşmasının yaygın olarak nedeni olduğu varsayılmaktadır, ancak daha sonraki araştırmalar alüminize kumaş kaplamanın statik elektrikle tutuştuğuna işaret etmiştir. Ancak hidrojenin bir kaldırma gazı olarak ününe verilen zarar çoktan yapıldı ve ticari hidrojen hava gemisi yolculuğu durduruldu. Hava balonları için bir kaldırma gazı olarak yanıcı olmayan ancak daha pahalı helyuma tercih edilen hidrojen hala kullanılmaktadır.

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

Nikel hidrojen bataryası ilk kez 1977'de ABD Donanmasının Navigasyon teknolojisi uydusu-2'de (NTS-2) kullanıldı. Örneğin, ISS, Mars Odyssey ve Mars Global Surveyor nikel-hidrojen pillerle donatılmıştır. Hubble Uzay Teleskobu yörüngesinin karanlık kısmında, nihayet Mayıs 2009'da, lansmandan 19 yıl ve tasarım ömürlerinin ötesinde 13 yıl sonra değiştirilen nikel-hidrojen pillerle de çalışıyor.

Kuantum teorisindeki rolü

Sadece bir proton ve bir elektrondan oluşan basit atomik yapısı nedeniyle, hidrojen atomu, ondan üretilen veya onun tarafından emilen ışık spektrumu ile birlikte, atomik yapı teorisinin gelişiminin merkezinde yer almıştır. Dahası, hidrojen molekülünün karşılık gelen basitliği ve buna karşılık gelen katyon H+
2'nin incelenmesi, 1920'lerin ortalarında hidrojen atomunun kuantum mekanik işleminin geliştirilmesinden kısa bir süre sonra izleyen kimyasal bağın doğasının anlaşılmasını sağladı.

Açıkça fark edilen (ancak o sırada anlaşılmayan) ilk kuantum etkilerinden biri, tam kuantum mekanik teorisinin gelmesinden yarım yüzyıl önce, hidrojeni içeren bir Maxwell gözlemiydi. Maxwell, H₂'nin özgül ısı kapasitesinin, oda sıcaklığının altındaki diatomik bir gazınkinden açıklanamayacak şekilde ayrıldığını ve kriyojenik sıcaklıklarda tek atomlu bir gazınkine giderek daha fazla benzemeye başladığını gözlemledi. Kuantum teorisine göre, bu davranış, düşük kütlesi nedeniyle H₂'de özellikle geniş aralıklı olan (nicelleştirilmiş) dönme enerji seviyelerinin aralıklarından kaynaklanmaktadır. Bu geniş aralıklı seviyeler, düşük sıcaklıklarda hidrojende ısı enerjisinin dönme hareketine eşit 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. Pozitronlu bir antiprotondan oluşur. Antihidrojen, 2015 itibariyle üretilen tek antimadde atomudur.

Özellikleri

Yanma

Hidrojen gazı (dihidrojen veya moleküler hidrojen) oldukça yanıcıdır:

2 H₂(g) + O₂(g) → 2 H₂O(l) + 572 kJ (286 kJ/mol)

Yanma entalpisi −286 kJ/mol:

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

Alev

Saf hidrojen-oksijen alevleri ultraviyole ışık yayar ve yüksek oksijen karışımı ile neredeyse çıplak gözle görülemez. Uzay Mekiği Ana Motorunun sönük dumanında gösterildiği gibi, bir amonyum perklorat kompoziti kullanan bir Uzay Mekiği Katı Roket Hızlandırıcısının dumanına kıyasla oldukça görünürdür. Yanan bir hidrojen sızıntısının tespiti bir alev dedektörü gerektirebilir; bu tür sızıntılar çok tehlikeli olabilir. Diğer koşullarda hidrojen alevleri mavidir ve mavi doğal gaz alevlerine benzer. Hindenburg hava gemisinin imhası, hidrojen yanmasının kötü bir şöhret örneğiydi ve nedeni hala tartışılıyor. Bu olaydaki görünür turuncu alevler, hava gemisi derisindeki karbon bileşikleri ile birleştirilmiş zengin hidrojen ve oksijen karışımının sonucuydu.

Elektron enerji seviyeleri

Bir hidrojen atomundaki elektronun temel enerji seviyesi, yaklaşık 91 nm dalga boyuna sahip bir ultraviyole fotona eşdeğer olan -13,6 eV'dir.

Hidrojenin enerji seviyeleri, elektronu, Güneş'in yörüngesine benzer şekilde protonu "yörüngede döndürüyor" olarak kavramsallaştıran Bohr atom modeli kullanılarak oldukça doğru bir şekilde hesaplanabilir. Bununla birlikte, atomik elektron ve proton elektromanyetik kuvvet tarafından bir arada tutulurken, gezegenler ve gök cisimleri yerçekimi tarafından tutulur. Bohr tarafından erken kuantum mekaniğinde öne sürülen açısal momentumun ayrıklaştırılması nedeniyle, Bohr modelindeki elektron protondan yalnızca belirli izin verilen mesafeleri işgal edebilir ve bu nedenle yalnızca izin verilen belirli enerjileri işgal edebilir.

Hidrojen atomunun daha doğru bir tanımı, proton etrafındaki elektronun olasılık yoğunluğunu hesaplamak için Schrödinger denklemini, Dirac denklemini veya hatta Feynman yol integral formülasyonunu kullanan tamamen kuantum mekaniksel bir işlemden gelir. En karmaşık çalışmalar, özel görelilik ve vakum polarizasyonunun küçük etkilerine izin verir. Kuantum mekaniği işleminde, temel haldeki hidrojen atomundaki elektronun hiç açısal momentumu yoktur - bu, "gezegensel yörüngenin" elektron hareketinden nasıl farklı olduğunu gösterir.

Elemental moleküler formlar

Moleküler H₂, iki spin izomeri, yani iki nükleer spin durumuna sahip bileşikler vardır. Ortohidrojen formunda, iki çekirdeğin spinleri paraleldir ve moleküler spin kuantum sayısı 1 ( ¹⁄₂+ ¹⁄₂) olan üçlü bir durum oluşturur; parahidrojen formunda, spinler antiparaleldir ve moleküler spin kuantum sayısı 0 ( ¹⁄₂– ¹⁄₂) olan bir singlet oluşturur. Standart sıcaklık ve basınçta, hidrojen gazı, "normal form" olarak da bilinen orto formunun yaklaşık %25'i para formunu ve %75'ini içerir. Ortohidrojenin parahidrojene denge oranı sıcaklığa bağlıdır, ancak orto formu uyarılmış bir durum olduğundan ve para formundan daha yüksek bir enerjiye sahip olduğundan, kararsızdır ve saflaştırılamaz. Çok düşük sıcaklıklarda denge durumu neredeyse tamamen para formundan oluşur. Saf parahidrojenin sıvı ve gaz fazı termal özellikleri, hidrojenin spin izomerlerinde daha ayrıntılı olarak tartışıldığı gibi dönme ısı kapasitelerindeki farklılıklar nedeniyle normal formdakilerden önemli ölçüde farklıdır. Orto / para ayrımı, diğer hidrojen içeren moleküllerde veya su ve metilen gibi fonksiyonel gruplarda da meydana gelir, ancak termal özellikleri açısından çok az önem taşır.

Düşük sıcaklıklarda yavaş yavaş para forma orto formuna dönüşür. Yoğunlaştırılmış H₂'deki orto / para oranı, sıvı hidrojenin hazırlanmasında ve depolanmasında önemli bir husustur: ortodan para'ya dönüşüm ekzotermiktir ve hidrojen sıvısının bir kısmını buharlaştırmak için yeterli ısı üreterek sıvılaştırılmış malzeme kaybına yol açar. Hidrojen soğutması sırasında demir oksit, aktif karbon, platinleştirilmiş asbest, nadir toprak metalleri, uranyum bileşikleri, krom oksit veya bazı nikel bileşikleri gibi orto-para dönüşümü için katalizörler kullanılır.

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 olan elementlere sahip bileşikler oluşturabilir; bu bileşiklerde hidrojen kısmi bir pozitif yük alır. Daha elektronegatif bir elemente, özellikle florin, oksijen veya nitrojene bağlandığında, hidrojen, tek bir çift ile başka bir elektronegatif element ile orta kuvvette kovalent olmayan bir bağlanma formuna katılabilir, Birçok biyolojik molekülün kararlılığı için kritik olan hidrojen bağı adı verilen bir fenomen oldugu söeylenir. Hidrojen ayrıca, kısmi bir negatif yük aldığı metaller ve metaloidler gibi daha az elektronegatif elementlere sahip bileşikler oluşturur. Bu bileşikler genellikle hidritler olarak bilinir.

Hidrojen, hidrokarbon adı verilen çok çeşitli karbonlu bileşikler ve canlılarla genel ilişkileri nedeniyle organik bileşikler olarak adlandırılan heteroatomlarla daha da geniş bir dizi oluşturur. Özelliklerinin incelenmesi organik kimya olarak bilinir ve canlı organizmalar bağlamındaki çalışmaları biyokimya olarak bilinir. Bazı tanımlara göre, "organik" bileşiklerin yalnızca karbon içermesi gerekir. Bununla birlikte, çoğu aynı zamanda hidrojen içerir ve bu sınıftaki bileşiklere özel kimyasal özelliklerinin çoğunu veren karbon-hidrojen bağı olduğundan, kimyadaki "organik" kelimesinin bazı tanımlarında karbon-hidrojen bağları gereklidir. Milyonlarca hidrokarbon bilinmektedir ve bunlar genellikle nadiren elemental hidrojeni içeren karmaşık yollardan oluşur.

Hidrojen, birçok nadir toprak ve geçiş metalinde yüksek oranda çözünür ve hem nanokristalin hem de amorf metallerde çözünür. Metallerdeki hidrojen çözünürlüğü, kristal kafesteki yerel bozulmalardan veya safsızlıklardan etkilenir. Bu özellikler, hidrojen sıcak paladyum disklerden geçerek saflaştırıldığında yararlı olabilir, ancak gazın yüksek çözünürlüğü, birçok metalin gevrekleşmesine katkıda bulunan, boru hatlarının ve depolama tanklarının tasarımını zorlaştıran metalurjik bir sorundur.

Hidrürler

Hidrojen bileşiklerine genellikle hidrit denir ve bu terim oldukça gevşek bir şekilde kullanılır. "Hidrit" terimi, H atomunun negatif veya anyonik bir karakter kazandığını,H⁻ olarak ifade edildiğini ve hidrojen daha elektropozitif bir elemente sahip bir bileşik oluşturduğunda kullanıldığını gösterir. Gilbert N. Lewis tarafından 1916'da grup 1 ve 2 tuz benzeri hidritler için önerilen hidrit anyonunun varlığı, Moers tarafından 1920'de erimiş lityum hidritin (LiH) elektrolizi ile gösterildi ve burada stokiyometrik miktarda hidrojen üretildi. Grup 1 ve 2 metalleri dışındaki hidritler için, hidrojenin düşük elektronegatifliği göz önüne alındığında bu terim oldukça yanıltıcıdır. Grup 2 hidritlerdeki bir istisna, polimerik olan BeH
2'dir. Lityum alüminyum hidridde, AlH−
4 anyonu, Al(III) 'e sıkıca bağlı hidridik merkezler taşır.

Hidritlerin hemen hemen 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 bilinmektedir. İkili indiyum hidrit henüz tanımlanmamıştır, ancak daha büyük kompleksler mevcuttur.

İnorganik kimyada hidritler, bir koordinasyon kompleksinde iki metal merkezini birbirine bağlayan köprü ligandları olarak da hizmet edebilir. Bu işlev, grup 13 elementlerinde, özellikle boranlarda (bor hidrürler) ve alüminyum komplekslerinde ve ayrıca kümelenmiş karboranlarda yaygındır.

Protonlar ve asitler

Hidrojenin oksidasyonu elektronunu uzaklaştırır ve elektron içermeyen H⁺ ve genellikle bir protondan oluşan bir çekirdek verir. H⁺'ya genellikle proton denmesinin nedeni budur. Bu tür, asit tartışmalarının merkezinde yer alır. Brønsted – Lowry asit-baz teorisine göre, asitler proton vericilerdir, bazlar ise proton alıcılarıdır.

Çıplak bir proton, H⁺, elektronlu diğer atomlara veya moleküllere karşı durdurulamaz çekiciliği nedeniyle çözeltide veya iyonik kristallerde var olamaz. Plazmalarla ilişkili yüksek sıcaklıklar dışında, bu tür protonlar atomların ve moleküllerin elektron bulutlarından çıkarılamaz ve onlara bağlı kalacaktır. Bununla birlikte, 'proton' terimi bazen bu şekilde diğer türlere bağlanan pozitif yüklü veya katyonik hidrojeni belirtmek için gevşek ve mecazi olarak kullanılır ve bu nedenle, herhangi bir tek protonun bir tür olarak serbestçe var olduğuna dair herhangi bir ima olmaksızın "H⁺" olarak adlandırılır.

Çözeltide yalın "solvatlanmış proton" imasından kaçınmak için, asidik sulu çözeltilerin bazen daha az olası olmayan hayali türler içerdiği kabul edilir, "hidronyum iyonu" (H
3O+
) olarak adlandırılır. Bununla birlikte, bu durumda bile, bu tür solvatlanmış hidrojen katyonlarının H
9O+
4'e daha yakın türler oluşturan kümeler halinde organize edildiği daha gerçekçi bir şekilde düşünülmektedir. Su, diğer çözücülerle asidik çözelti içinde olduğunda diğer oksonyum iyonları bulunur.

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

Atomik hidrojen

NASA, atomik hidrojenin bir roket itici gazı olarak kullanımını araştırdı. Moleküler hidrojene dönüşmesini önlemek için sıvı helyumda saklanabilir. Helyum buharlaştığında, atomik hidrojen açığa çıkar ve tekrar moleküler hidrojene dönüşür. Sonuç, son derece sıcak bir hidrojen ve helyum gazı akışı olacaktır. Bu yöntemle roketlerin kalkış ağırlığı %50 azaltılabilir.

Yıldızlararası hidrojenin çoğu, atomik hidrojen biçimindedir çünkü atomlar nadiren çarpışabilir ve birleşebilir. 1420 MHz'de astronomideki önemli 21 cm'lik hidrojen hattının kaynağıdırlar.

İzotoplar

Hidrojen, ¹H, ²H ve ³H olarak adlandırılan, doğal olarak oluşan üç izotopa sahiptir. Diğer, oldukça kararsız çekirdekler (⁴H ila ⁷H) laboratuvarda sentezlenmiş ancak doğada gözlenmemiştir.

• ¹H, %99.98'den fazla bolluk ile en yaygın hidrojen izotopudur. Bu izotopun çekirdeği yalnızca tek bir protondan oluştuğu için, ona tanımlayıcı ancak nadiren kullanılan resmi ad protium verilir.
• Diğer kararlı hidrojen izotopu olan ²H döteryum olarak bilinir ve çekirdekte bir proton ve bir nötron içerir. Evrendeki tüm döteryumun Büyük Patlama zamanında üretildiği ve o zamandan beri sürdüğü düşünülüyor. Döteryum radyoaktif değildir ve önemli bir toksisite tehlikesi oluşturmaz. Normal hidrojen yerine döteryum içeren moleküller bakımından zenginleştirilmiş suya ağır su denir. Döteryum ve bileşikleri, kimyasal deneylerde ve ¹H-NMR spektroskopisi için çözücülerde radyoaktif olmayan bir etiket olarak kullanılır. Ağır su, nükleer reaktörler için nötron moderatörü ve soğutucu olarak kullanılır. Döteryum ayrıca ticari nükleer füzyon için potansiyel bir yakıttır.
• ³H, trityum olarak bilinir ve çekirdeğinde bir proton ve iki nötron içerir. Radyoaktiftir, yarı ömrü 12.32 yıl olan beta bozunması yoluyla helyum-3'e bozunmaktadır.

O kadar radyoaktif ki ışıltılı boyalarda kullanılabilir, bu da onu saat gibi şeylerde kullanışlı kılar. Cam, az miktardaki radyasyonun dışarı çıkmasını engeller. Küçük miktarlarda trityum, kozmik ışınların atmosferik gazlarla etkileşimi ile doğal olarak üretilir; Trityum da nükleer silah testleri sırasında serbest bırakıldı. Nükleer füzyon reaksiyonlarında, izotop jeokimyasında izleyici olarak ve özelleştirilmiş kendi kendine çalışan aydınlatma cihazlarında kullanılır. Trityum ayrıca kimyasal ve biyolojik etiketleme deneylerinde bir radyo etiket olarak kullanılmıştır.

Elementler arasında benzersiz olan, bugün ortak kullanımda olan izotoplarına farklı isimler verilmiştir. Erken radyoaktivite çalışmaları sırasında, çeşitli ağır radyoaktif izotoplara kendi isimleri verildi, ancak bu isimler artık döteryum ve trityum dışında kullanılmıyor. D ve T sembolleri (²H ve ³H yerine) bazen döteryum ve trityum için kullanılır, ancak protium için karşılık gelen sembol olan P zaten fosfor için kullanılmaktadır ve bu nedenle protium için mevcut değildir. Uluslararası Saf ve Uygulamalı Kimya Birliği (IUPAC), isimlendirme yönergelerinde, ²H ve ³H tercih edilmesine rağmen D, T, ²H ve ³H'den herhangi birinin kullanılmasına izin verir.

Bir antimuon ve bir elektrondan oluşan egzotik atom muonyumu (Mu sembolü), antimuon ile elektron arasındaki kütle farkından dolayı bazen hafif bir hidrojen radyoizotopu olarak kabul edilir. Muonium 1960 yılında keşfedildi. Müonun 2.2 µs ömrü boyunca, müonyum, sırasıyla hidrojen klorür ve sodyum hidrüre benzer şekilde, muonyum klorür (MuCl) veya sodyum muonid (NaMu) gibi bileşiklere girebilir.

Kozmik yaygınlık ve dağılım

Atomik H olarak hidrojen, normal maddenin kütlece %75'ini ve atom sayısının %90'ından fazlasını oluşturan, evrende en bol bulunan kimyasal elementtir. (Bununla birlikte, evrenin kütlesinin çoğu kimyasal element türü madde biçiminde değildir, daha ziyade karanlık madde ve karanlık enerji gibi henüz tespit edilmemiş kütle biçimleri olarak ortaya çıktığı varsayılmaktadır.) Bu element yıldızlarda ve gaz devi gezegenlerde bol miktarda bulunur. Moleküler H₂ bulutları yıldız oluşumuyla ilişkilidir. Hidrojen, Güneş'in çok düşük kütlesinden yaklaşık 1'e kadar kütleye sahip yıldızlarda proton-proton reaksiyonu yoluyla ve Güneşimizden daha büyük yıldızlarda CNO nükleer füzyon döngüsünde yıldızlara güç verilmesinde hayati bir rol oynar.

Durumlar

Evren boyunca hidrojen, moleküler hidrojenden oldukça farklı özelliklere sahip, çoğunlukla atomik ve plazma hallerinde bulunur. Bir plazma olarak, hidrojenin elektronu ve protonu birbirine bağlı değildir, bu da çok yüksek elektriksel iletkenlik ve yüksek emisyona neden olur (Güneş ve diğer yıldızlardan ışık üretir). Yüklü parçacıklar, manyetik ve elektrik alanlardan oldukça etkilenir. Örneğin, güneş rüzgarında Dünya'nın manyetosferi ile etkileşime girerek Birkeland akıntılarına ve aurora'ya yol açarlar. Hidrojen, yıldızlararası ortamda nötr atomik durumda bulunur. Lyman-alfa sistemlerinde bulunan büyük miktarda nötr hidrojenin, kırmızıya kayma z=4'e kadar evrenin kozmolojik baryonik yoğunluğuna hakim olduğu düşünülmektedir.

Dünyadaki olağan koşullar altında, elemental hidrojen, diatomik gaz H₂ olarak bulunur. Bununla birlikte, hidrojen gazı, hafifliği nedeniyle Dünya atmosferinde çok nadirdir (hacimce 1 ppm), bu da onun Dünya'nın yerçekiminden daha ağır gazlara göre daha kolay kaçmasını sağlar. Bununla birlikte, hidrojen, çoğunlukla hidrokarbonlar ve su gibi kimyasal bileşikler şeklinde, Dünya yüzeyinde en bol bulunan üçüncü elementtir. Hidrojen gazı, bazı bakteri ve algler tarafından üretilir ve metanın kendisi de önemi artan bir hidrojen kaynağı olan metan gibi gazın doğal bir bileşenidir.

Protonlanmış moleküler hidrojen (H+
3) adı verilen moleküler bir form, kozmik ışınlardan moleküler hidrojenin iyonlaşmasıyla üretildiği yıldızlararası ortamda bulunur. Bu iyon, Jüpiter gezegeninin üst atmosferinde de gözlemlendi. İyon, düşük sıcaklık ve yoğunluk nedeniyle dış uzay ortamında nispeten kararlıdır. H+
3, evrendeki en bol iyonlardan biridir ve yıldızlararası ortamın kimyasında dikkate değer bir rol oynar. Nötr üç atomlu hidrojen H₃ yalnızca uyarılmış bir biçimde var olabilir ve kararsızdır. Buna karşılık, pozitif hidrojen moleküler iyonu (H+
2), evrende nadir bulunan bir moleküldür.

Üretim

H₂, kimya ve biyoloji laboratuvarlarında, genellikle diğer reaksiyonların bir yan ürünü olarak üretilir; doymamış substratların hidrojenasyonu için endüstride; ve doğada biyokimyasal reaksiyonlarda indirgeyici eşdeğerleri atmanın bir yolu olarak.

Suyun elektrolizi

Suyun elektrolizi, hidrojen üretmenin basit bir yöntemidir. Düşük voltajlı bir akım sudan geçer ve anotta gaz halinde oksijen oluşurken katotta gaz halinde hidrojen oluşur. Tipik olarak katot, depolama için hidrojen üretirken platin veya başka bir inert metalden yapılır. Bununla birlikte, gaz yerinde yakılacaksa, yanmaya yardımcı olmak için oksijen istenir ve bu nedenle her iki elektrot da eylemsiz metallerden yapılır. (Örneğin demir oksitlenir ve böylece açığa çıkan oksijen miktarını azaltır.) Teorik maksimum verimlilik (üretilen hidrojenin enerjik değerine karşı kullanılan elektrik) %88-94 aralığındadır.

2 H
2O(l) → 2 H
2(g) + O
2(g)

PEM (proton değişim membranı) elektrolizinin elektriksel verimini belirlerken, daha yüksek olan ısı değeri (HHV) kullanılır. Bunun nedeni katalizör tabakasının su ile buhar olarak etkileşime girmesidir. Proses, PEM elektrolizörleri için 80 °C'de çalıştığından, atık ısı, buharı oluşturmak için sistem üzerinden yeniden yönlendirilebilir, bu da daha yüksek bir genel elektrik verimliliği sağlar. Alkalin elektrolizörler için düşük ısı değeri (LHV) kullanılmalıdır çünkü bu elektrolizörlerdeki işlem sıvı halde su gerektirir ve hidrojen ve oksijen atomlarını bir arada tutan bağın kopmasını kolaylaştırmak için alkalinite kullanır. Buhar girdi değil çıktı olduğundan, daha düşük ısı değeri yakıt hücreleri için de kullanılmalıdır.

Buhar reformu (endüstriyel yöntem)

Hidrojen, genellikle hidrokarbonlardan hidrojenin çok yüksek sıcaklıklarda uzaklaştırılmasını içeren doğal gaz kullanılarak üretilir ve hidrojen üretiminin yaklaşık %95'i 2000 yılı civarında buhar reformundan gelir. Ticari dökme hidrojen, genellikle doğal gazın buharla reforme edilmesiyle üretilir. Bu yöntem aynı zamanda Bosch süreci olarak da bilinir ve hidrojenin endüstriyel olarak hazırlanması için yaygın olarak kullanılır.