هیدروژن

هیدروژن ( نماد H ، از hydrogenium لاتین مدرن ، [2] به نوبه خود بر اساس یونانی ὕδωρ ، hýdor ، «آب»، با ریشه γεν-، ghen- ، «تولید» [3] [4] ، بنابراین «آب». مولد”) اولین عنصر شیمیایی جدول تناوبی ( عدد اتمی 1) و سبک ترین عنصر است . با هیدروژن اولین دوره سیستم تناوبی و گروه اول و بنابراین بلوک آغاز می شود .

این عنصر فراوان ترین عنصر در جهان قابل مشاهده است و رایج ترین ایزوتوپ آن، پروتیوم ، از یک پروتون تشکیل شده است که هسته را تشکیل می دهد و یک الکترون . به عنوان ساده ترین اتم، به طور گسترده توسط مکانیک کوانتومی مورد مطالعه قرار گرفته است .

در حالت آزاد، در فشار اتمسفر و دمای محیط (298  K )، به شکل گاز دو اتمی با فرمول H 2 (دی هیدروژن)، بی رنگ، بی بو، بی مزه و بسیار قابل اشتعال ، [5] [6] با نقطه جوش 20.27 K و نقطه ذوب 14.02 یافت می شود. K. در حالت محدود در آب (11.19%) و در تمام ترکیبات آلی و موجودات زنده وجود دارد . همچنین در برخی از سنگها مانند گرانیت مسدود شده و ترکیباتی را تشکیل می دهدبا بیشتر عناصر، اغلب با سنتز مستقیم .

این ماده اصلی تشکیل دهنده ستارگان است، جایی که در حالت پلاسما وجود دارد و نشان دهنده سوخت واکنش های گرما هسته ای است ، در حالی که در زمین به ندرت در حالت آزاد و مولکولی وجود دارد و بنابراین باید برای کاربردهای مختلف آن تولید شود. به ویژه در تولید آمونیاک ، در هیدروژنه کردن روغن های گیاهی ، در هوانوردی (در گذشته در کشتی های هوایی )، به عنوان سوخت جایگزین و اخیراً به عنوان ذخیره انرژی در سلول های سوختی استفاده می شود .

فهرست مطالب

• 1تاریخ
  • 1.1اولین استفاده ها
• 2ایزوتوپ ها
• 3دی هیدروژن
  • 3.1خواص مولکولی
  • 3.2شیمی یونی در فاز گازی
  • 3.3ارتوهیدروژن و پاراهیدروژن
• 4دسترسی
• 5تولید
• 6برنامه های کاربردی
  • 6.1به عنوان یک معرف استفاده کنید
  • 6.2ترکیبات هیدروژنی
  • 6.3هیدروژن به عنوان یک حامل انرژی
  • 6.4استفاده های دیگر
• 7موارد احتیاط
  • 7.1احتراق
• 8توجه داشته باشید
• 9کتابشناسی – فهرست کتب
• 10آیتم های مرتبط
• 11پروژه های دیگر
• 12لینک های خارجی

تاریخچه [ ویرایش | ویرایش ویکی متن ]

گاز هیدروژن دو اتمی H 2 اولین بار به طور رسمی توسط تئوفراستوس فون هوهنهایم (معروف به پاراسلسوس ، 1493-1541) توصیف شد، که آن را به طور مصنوعی با مخلوط کردن فلزات با اسیدهای قوی به دست آورد . پاراسلسوس متوجه نشد که گاز قابل اشتعال به دست آمده در این واکنش های شیمیایی شامل یک عنصر شیمیایی جدید است که بعدها هیدروژن نامیده شد. در سال 1671، رابرت بویل واکنشی را که هنگام مخلوط شدن براده های آهن و اسیدهای رقیق رخ داد ، دوباره کشف کرد و توصیف کرد که باعث تولید H2 شد .

در سال 1766، هنری کاوندیش اولین کسی بود که گاز هیدروژن مولکولی H 2 را به عنوان یک ماده مجزا تشخیص داد و گاز تولید شده در واکنش فلز-اسید را به عنوان “هوای قابل اشتعال” شناسایی کرد و کشف کرد که سوزاندن گاز باعث تولید آب می شود. کاوندیش در این آزمایش ها از اسیدها و جیوه استفاده کرد و به اشتباه به این نتیجه رسید که دی هیدروژن ماده ای است که از جیوه آزاد شده است و نه از اسید، اما او توانست بسیاری از خواص اساسی هیدروژن و دی هیدروژن را به دقت توصیف کند. به طور سنتی، کاوندیش به عنوان کاشف هیدروژن در نظر گرفته می شود.

در سال 1783، آنتوان لاووازیه زمانی که کشف کاوندیش را ثابت کرد (همراه با لاپلاس) این عنصر را «هیدروژن» (در فرانسوی Hydrogène ، از یونانی ὕδωρ، ὕδᾰτος، «آب» و γένος-ου، «مولد») گذاشت. آب تولید شده هیدروژن

اولین استفاده ها [ ویرایش | ویرایش ویکی متن ]

یکی از اولین کاربردهای هیدروژن به عنوان گاز پرکننده بالن و بعداً برای انواع دیگر هواپیماها بود . معروف تراژدی کشتی هوایی هندنبورگ است که علیرغم اینکه مهندسان ساختار کشتی هوایی را پوشش داده بودند تا جرقه ای ایجاد نشود، اتفاق افتاد ، زیرا اشتعال پذیری گاز مشخص بود. این یک مورد استفاده ویژه بود، زیرا هلیوم ، گازی تقریباً به اندازه سبک، اما بی اثر، در دسترس نبود. در آن زمان، هیدروژن مولکولی از واکنش اسید سولفوریک با آهن به دست آمد .

ایزوتوپ ها

هیدروژن تنها عنصری است که شناخته‌شده‌ترین ایزوتوپ‌های آن نام‌های خاصی دارند [8] : پروتیوم ، رایج‌ترین ایزوتوپ، نوترون ندارد . دوتریوم دارای یک نوترون و تریتیوم ( رادیواکتیو) دو نوترون است. دو ایزوتوپ پایدار پروتیوم ( 1H ) و دوتریوم ( 2H ,D) هستند. ایزوتوپ های 4H ، 5H و 6H نیز مشاهده شده اند .

دی هیدروژن [ ویرایش | ویرایش ویکی متن ]

هیدروژن
نام IUPAC
دی هیدروژن
نام های جایگزین
o-hydrogen p-hydrogen molecular hydrogen UN 1049 UN 1966
خصوصیات عمومی
فرمول بروت یا مولکولی	H 2
جرم مولکولی ( u )	2.01568
من صبر می کنم	گاز بی رنگ
شماره CAS	1333-74-0
شماره EINECS	215-605-7
خواص شیمیایی-فیزیکی
حلالیت در آب	1.96 میلی گرم در لیتر
نقطه بحرانی	-239.96  درجه سانتی گراد a1315 کیلو  پاسکال شکم
فشار بخار ( Pa ) در K	0.07
خواص ترموشیمیایی
C 0 p,m (J K -1 mol- 1 )	14266
دستورالعمل های ایمنی
محدودیت های انفجاری	4 تا 76 درصد
دمای اشتعال خودکار	773.15-844.15 (500-571 درجه سانتی گراد)
نمادهای خطر شیمیایی
خطر
جملات H	220 – 280
مشاوره پ	210 – 377 – 381 – 403 [9]
ویرایش داده ها در ویکی داده  · دستی

در حالت آزاد، در شرایط عادی ، هیدروژن به صورت دی هیدروژن ظاهر می‌شود، ماده‌ای که توسط مولکول‌های دو اتمی (H2 ) تشکیل می‌شود که گازی بی‌رنگ، بی‌بو، بی مزه، غیر سمی و بسیار قابل اشتعال است. علاوه بر دی هیدروژن، نام های صحیح دیگر عبارتند از: هیدروژن مولکولی، هیدروژن دو اتمی، هیدروژن دو اتمی. همچنین اغلب، عجولانه، اما به اشتباه، “هیدروژن” نامیده می شود.

H 2 با داشتن کوچکترین جرم مولکولی، تنها 2.016 گرم در مول، سبک ترین گاز است . این ماده در دمای 252.76- درجه سانتی گراد (20.39 کلوین) به یک مایع بی رنگ و متحرک متراکم می شود که چگالی آن تنها 0.0708 گرم در میلی لیتر است [10] و در دمای 259.19- درجه سانتی گراد (13.96 کلوین) جامد می شود و به یک جامد کریستالی بی رنگ با شبکه شش ضلعی محکم از مولکول های H2 . [11] به همین دلیل، در دما و فشار یکسان، بالاترین سرعت ترشح را دارد و به طور کلی، انتشار بسیار بالایی از طریق غشاهای متخلخل دارد. همچنین به طور قابل توجهی با گازهای دیگر و هلیوم متفاوت استبه طور خاص، دی هیدروژن روی سطح فلزات مختلف مانند تیتانیوم ، نیکل ، روتنیم ، اسمیم ، پلاتین و به ویژه پالادیوم جذب می شود . در دومی H2 به راحتی در داخل پخش می شود و حلالیت آن در آن، که همچنین بر فعل و انفعالات شیمیایی دلالت دارد، [12] بسیار بزرگ است و به یک محلول جامد و فلزی تبدیل می شود که می تواند به غلظتی برسد که می تواند به صورت Pd 4 H3 فرموله شود . _ [13] همچنین، H 2این می تواند به راحتی از سپتوم پالادیوم عبور کند که به عنوان یک غشای نیمه تراوا عمل می کند و به دی هیدروژن اجازه می دهد تا از سایر گازهای موجود در مخلوط جدا شود و بنابراین خالص شود.

دی هیدروژن رسانایی حرارتی بالایی دارد ، 0.168 W/(m×K)، حتی بالاتر از هلیوم [0.142 W/(m×K)] [14] و همین اتفاق برای سرعت صوت : 1320 m/s برای H 2 و 973 m/s برای He. [15] هر دو این خصوصیات و نرخ افیوژن ذکر شده مربوط به میانگین سرعت مولکولی هستند که برای H 2 بالاتر از He در همان دما است، با توجه به اینکه جرم مولکولی دی هیدروژن عملاً نصف He است.

هیدروژن مولکولی در آزمایشگاه از واکنش اسیدها با فلزاتی مانند روی و به طور صنعتی با الکترولیز آب ، اصلاح گاز طبیعی ، گاز شدن باقیمانده‌های حاصل از پالایش نفت به دست می‌آید. دی هیدروژن برای تولید آمونیاک ، برای گوگرد زدایی از مشتقات نفتی، به عنوان سوخت جایگزین و اخیراً به عنوان منبع انرژی برای سلول های سوختی استفاده می شود .

خواص مولکولی

مولکول دی هیدروژن متشکل از دو اتم هیدروژن است که توسط پیوند کووالانسی قوی‌تر و کوتاه‌تر (74.14  بعد از ظهر ) بین دو اتم خنثی به هم متصل می‌شوند . این از اشتراک دو الکترون جفت نشده دو اتم H از طریق همپوشانی دو اوربیتال 1 ثانیه ای هر اتم H برای ایجاد پیوند سیگما (σ) ناشی می شود: این همپوشانی به این معنی است که چگالی الکترون در ناحیه بین هسته ای دو اتم متحد شده در مولکول H 2 با توجه به اتم موجود در دو اتم H جداگانه به طور قابل توجهی افزایش می یابد و این عمل پیوندی را تشکیل می دهد که نسبت به دو هسته اعمال می کند. [16] هسته‌هایی که در اینجا توسط لایه‌های الکترونی محافظت نمی‌شوندکه در صورت وجود، یک عمل دافعه را اعمال می‌کنند. [17] برای این، H2 یک گونه شیمیایی بسیار پایدار است: انرژی مورد نیاز برای تفکیک همولیتیک پیوند برای ایجاد دو اتم هیدروژن جداگانه، به عنوان مثال:

H 2 → 2 H

در دمای 25 درجه سانتی گراد و 1 اتمسفر، Δ H r ° = 435.7 کیلوژول بر مول است [18] (4.516 eV). در دمای 2700 درجه سانتی گراد و فشار محیط، در شرایط تعادل ، تنها 8 درصد از مولکول های H 2 به اتم ها ( هیدروژن اتمی ) تفکیک می شود و برای دستیابی به تفکیک تقریباً کامل با وسایل حرارتی، باید به دمای حدود 6000 کلوین، وضعیتی که به طور طبیعی در سطح خورشید وجود دارد . [19] از سوی دیگر، تفکیک هترولیتیک ، یعنی:

H 2 → H + + H –

هزینه انرژی بسیار بالاتری دارد، 1675 کیلوژول بر مول [19] (17.36 eV) و همچنین انرژی یونیزاسیون برای به دست آوردن یون مولکولی شناخته شده H 2 + بطور قطعی بالا (15.43 eV) است، [20] بیشتر از آن، اما از خود اتم هیدروژن زیاد است (13.60 eV). [21] این داده ها نشان دهنده دشواری مولکول در شکستن پیوند یا شل شدن آن به هر طریقی است و این در انرژی های فعال سازی قابل توجهی منعکس می شود.

علاوه بر فقدان آشکار قطبیت مولکول H2 ، اینها مفروضات اصلی هستند که هیدروژن مولکولی را در غیاب کاتالیزور و نور ، به ندرت در دمای اتاق و حتی فراتر از آن واکنش نشان می دهند . در این شرایط که با اکسیژن مخلوط می شود ، واکنش نشان نمی دهد، مگر اینکه مثلاً توسط جرقه ایجاد شود، اما در این حالت، این کار را به صورت بسیار انفجاری انجام می دهد (مخلوط رعد و برق [22] ) و باعث تشکیل آب می شود. بخار ، با توسعه حرارت زیاد (Δ H r ° = -241.98 کیلوژول بر مول): [23]

2H 2 ( گرم ) + O 2 (گرم) → 2H 2O (گرم)

در عمل، در میان عناصر شیمیایی به شکل مولکولی، هیدروژن در دمای اتاق فقط با فلوئور مولکولی (F 2 )، به صورت انفجاری حتی در تاریکی و در دمای بسیار پایین H2 مایع واکنش می دهد ، [24] و هیدروژن فلوراید HF می دهد . همچنین در حضور نور خورشید با کلر واکنش می دهد و هیدروژن کلرید هیدروژن می دهد . [25] با برم در 400 درجه سانتی گراد واکنش می دهد تا HBr و دوباره در 400 درجه سانتی گراد با ید ، اما در حضور پلاتین به عنوان کاتالیزور، برای ایجاد (به طور برگشت پذیر) HI.. [25] حتی واکنش با نیتروژن (N 2 )، برای ایجاد آمونیاک NH 3 ، نیاز به افزایش دما و کاتالیز دارد ( Fe و Mo به عنوان فعال کننده) و در هر صورت منجر به تعادل می شود. [25] با این حال، هیدروژن، که در دمای اتاق در محلول آبی کلرید پالادیوم (II) حباب می‌زند ، به آسانی واکنش نشان می‌دهد (اکسید می‌شود) و پالادیوم فلزی ایجاد می‌کند که به صورت پودر تیره رسوب می‌کند ، و HCl در محلول: [26]

PdCl 2 (sol) + H 2 (g) → Pd (s) ↓ + 2 HCl (sol)

شیمی یونی در فاز گاز

مولکول هیدروژن می تواند یک پروتون (H + ) را در فاز گازی با یک واکنش گرمازا اضافه کند تا یون هیدروژنیوم H 3 + ، یک گونه مولکولی مثلثی متساوی الاضلاع با دو الکترون پیوندی دارای تقارن D 3h باشد . [27] این یون مولکولی یک اسید برونستد-لوری بسیار قوی است که می‌تواند حتی یک باز بسیار ضعیف مانند متان (که باعث ایجاد CH 5 + یون متان می‌شود ) و هر هیدروکربن دیگری را پروتونه کند :

H 2 + H + → H 3 +

میل ترکیبی پروتون H2 ، برابر با تغییرات آنتالپی استاندارد (Δ Hr ° ) این واکنش 422.3 kJ/mol است [ 28] (4.377  eV ) ، در حالی که ΔGr ° همان، یعنی بازی بودن در فاز گازی H 2 ، 394.7 kJ/mol (4.090 eV) است. [28] این گونه ممکن است از واکنش گاز هیدروژن با یون HeH + (هلیوم پروتونه) تولید شود، که تصور می‌شود اولین ترکیبی است که از انفجار بزرگ پدید آمده است : [29]

HeH + + H 2 → H 3 + + He

این واکنش از نظر ترمودینامیکی مطلوب است زیرا میل ترکیبی پروتون هلیوم (177.8 کیلوژول بر مول [30] ) بسیار کمتر از H2 است ( وید بالا ).

یون مولکولی HeH + را نیز می توان در آزمایشگاه، در محل، با اجازه دادن به مولکول HT ( ایزوتوپولوگ H2 ) به دست آورد: [31] [32]

HT (بتا (-)) → HHe + + e – + anti ν

Orthohydrogen و Parahydrogen

در شرایط عادی، دی هیدروژن مخلوطی از دو نوع مختلف مولکول است که بر اساس موازی یا ضد موازی بودن اسپین دو هسته اتمی متفاوت است . این دو شکل به ترتیب با نام‌های «اورتو هیدروژن» و «پارهیدروژن» شناخته می‌شوند. در شرایط استاندارد، نسبت ارتو به پارا تقریباً 3 به 1 است و تبدیل یک شکل به شکل دیگر آنقدر کند است که در غیاب کاتالیزور نمی تواند اتفاق بیفتد . این دو شکل از نظر انرژی با هم تفاوت دارند که باعث تفاوت های کوچک در خواص فیزیکی آنها می شود. مثلا نقاط ذوبو نقطه جوش پاراهیدروژن تقریباً 0.1 K کمتر از ارتوهیدروژن است.

وجود این دو شکل اشکالی را در تولید صنعتی دی هیدروژن مایع ایجاد می کند: زمانی که دی هیدروژن به صورت مایع در می آید، به طور کلی یک پارا : مخلوط ارتو حدود 25:75 است. به حال خود رها می شود، ظرف یک ماه مخلوط با فرم پارا غنی می شود که 90٪ می شود. این تبدیل گرما را آزاد می کند که مقدار زیادی از دی هیدروژن را تبخیر می کند که از بین می رود. برای غلبه بر این، مایع سازی دی هیدروژن در حضور یک کاتالیزور مبتنی بر اکسید آهن انجام می شود . به این ترتیب دی هیدروژن مایع به دست آمده از بیش از 99 درصد فرم پارا تشکیل شده است .

در دسترس بودن

هیدروژن فراوان ترین عنصر در جهان است که تا 75 درصد ماده را بر اساس جرم و بیش از 90 درصد بر اساس تعداد اتم ها تشکیل می دهد. بیشتر در ستارگان و غول های گازی یافت می شود . نسبت به فراوانی آن در محیط، هیدروژن در جو زمین بسیار نادر است (1ppm  ) و عملاً به عنوان H2 در سطح و زیر خاک وجود ندارد . مشتری و زحل از حدود 80 درصد هیدروژن و خورشید 90 درصد تشکیل شده اند .

این عنصر نقش اساسی در تامین انرژی جهان از طریق فرآیندهای همجوشی هسته ای دارد . هنگامی که دو هسته هیدروژن (دوتریوم یا پروتیوم و تریتیوم) در یکی از هلیم ترکیب می شوند ، مقادیر زیادی انرژی به شکل تابش الکترومغناطیسی آزاد می شود .

تحت فشارهای فوق العاده بالا ، مانند فشارهای موجود در مرکز غول های گازی ( مثلا مشتری )، مولکول ها هویت خود را از دست می دهند و هیدروژن به یک فلز مایع ( هیدروژن فلزی ) تبدیل می شود. برعکس، در شرایط فشار بسیار کم، مولکول‌های H2 می‌توانند تحت تفکیک قرار گیرند و هنگامی که در معرض تابش فرکانس مناسب قرار می‌گیرند ، اتم‌های منفرد می‌توانند به اندازه کافی زنده بمانند تا شناسایی شوند. ابرهای H 2 تشکیل می شوند و با تولد ستاره همراه هستند .

در زمین، رایج ترین منبع این عنصر آب است که از دو اتم هیدروژن و یکی از اتم اکسیژن (H 2 O) تشکیل شده است. منابع دیگر عبارتند از: بیشتر مواد آلی (که شامل تمام اشکال زندگی شناخته شده است)، سوخت های فسیلی و گاز طبیعی . متان (CH 4 ) که جزء اصلی گاز طبیعی است اما می تواند از طریق هضم بی هوازی مواد آلی نیز بدست آید، در حال تبدیل شدن به یک منبع مهم هیدروژن است .

تولید

H 2 در آزمایشگاه های شیمی و زیست شناسی ، اغلب به عنوان محصول جانبی واکنش های دیگر به دست می آید. در صنعت در کراکینگ هیدروکربن ها به دست می آید . با الکترولیز آب و فرآیند گاز آب در طبیعت به عنوان وسیله ای برای دفع معادل های تقلیل دهنده در واکنش های بیوشیمیایی استفاده می شود.

برنامه های کاربردی

استفاده به عنوان یک معرف

در صنایع شیمیایی و پتروشیمی مقادیر زیادی H 2 مورد نیاز است . کاربرد اصلی H2 در فرآیند پالایش سوخت های فسیلی و در سنتز آمونیاک ( فرایند هابر-بوش ) است. فرآیندهای کلیدی که H2 را در یک کارخانه پتروشیمی مصرف می‌کنند عبارتند از هیدرودآلکیلاسیون ، هیدروسولفورزدایی و هیدروکراکینگ [34] .

H2 همچنین به عنوان یک عامل هیدروژنه ، به ویژه برای افزایش درجه اشباع چربی ها و روغن های غیر اشباع (برای به دست آوردن محصولاتی مانند مارگارین ) و برای تولید متانول استفاده می شود . همچنین در سنتز اسید هیدروکلریک و برای انجام هیدروژنولیز استفاده می شود .

ترکیبات هیدروژنی

هیدروژن با اکثر عناصر ترکیب می شود. با الکترونگاتیوی برابر با 2.1، ترکیباتی را تشکیل می دهد که می تواند غیرفلزی ترین یا فلزی ترین جزء باشد: در حالت اول آنها هیدرید نامیده می شوند ، که در آن هیدروژن یا به صورت یون H- وجود دارد یا با القای خود به کریستالی. شبکه‌ای از فلزات که هیدریدهای بینابینی نامیده می‌شوند (مانند هیدرید پالادیوم ). در حالت دوم، هیدروژن تمایل به کووالانسی دارد، زیرا یون H + چیزی بیش از یک هسته ساده نیست و تمایل زیادی به جذب الکترون دارد.

دی هیدروژن H 2 با دی اکسیژن O 2 ترکیب می شود و آب (H 2 O ) را تشکیل می دهد و انرژی زیادی در این فرآیند آزاد می کند (گرمای واکنش برابر با حدود572.4 کیلوژول  ) . [5] اکسید دوتریوم بیشتر به عنوان آب سنگین شناخته می شود . هیدروژن تعداد زیادی ترکیب با کربن تشکیل می دهد. به دلیل ارتباط آنها با موجودات زنده، این ترکیبات “آلی” نامیده می شوند و مطالعات مربوط به خواص آنها شیمی آلی را تشکیل می دهد .

هیدروژن به عنوان یک حامل انرژی

از جمله کاربردهای مختلف هیدروژن، استفاده از یک منبع انرژی ممکن برای بخش خودرو است. استفاده از H2 مزیت استفاده از منابع فسیلی برای به دست آوردن مستقیم گاز را دارد (برای مثال، از متان شروع می شود). سپس H 2 به عنوان سوخت در وسایل حمل و نقل مورد استفاده قرار می گیرد و با O 2 واکنش می دهد ، آب را به عنوان تنها محصول زائد تولید می کند و انتشار CO 2 و مشکلات آب و هوایی و محیطی مرتبط با آنها را به طور کامل حذف می کند. از دی هیدروژن به عنوان سوخت استفاده کنیدچندین مزیت دارد زمانی که غلظت آن بین 4 تا 75 درصد حجمش باشد در هوا می سوزد در حالی که گاز طبیعی در غلظت های بین 4/5 تا 15 درصد می سوزد. دمای احتراق خود به خود 585 درجه سانتیگراد است در حالی که دمای گاز طبیعی 540 درجه سانتیگراد است. گاز طبیعی در غلظت های 6.3 تا 14 درصد منفجر می شود در حالی که دی هیدروژن به غلظت های 13 تا 64 درصد نیاز دارد. تنها نقطه ضعف در چگالی انرژی دی هیدروژن مایع یا گاز (در فشار قابل استفاده) است که به طور قابل توجهی کمتر از سوخت های سنتی است و بنابراین باید در فشارهای بالاتر در انبار فشرده شود.

با توجه به توسعه فناوری فعلی، هیدروژن می تواند در واقع برای مقاصد انرژی به عنوان سوخت در موتورهای احتراق داخلی مورد استفاده در برخی از نمونه های اولیه خودرو استفاده شود . سلول های سوختی ، که در حال حاضر در حال توسعه هستند، پس از آن روشی جایگزین برای به دست آوردن انرژی به شکل الکتریسیته از اکسیداسیون هیدروژن بدون احتراق مستقیم هستند و در آینده ای که در آن تولید هیدروژن می تواند از منابع تجدید پذیر انجام شود، کارایی بیشتری به دست می آورند. دیگر از سوخت های فسیلی خبری نیست به گفته حامیان به اصطلاح اقتصاد هیدروژنیاین دو فناوری هیدروژنی، علاوه بر حل مشکل انرژی، می‌توانند جایگزینی تمیز برای موتورهای احتراق داخلی فعلی با سوخت‌های فسیلی ارائه دهند.

مشکل واقعی، که توسط بسیاری از طرف‌ها مطرح شده است، در بالادست است: هیدروژن اتمی و مولکولی در طبیعت بسیار کمیاب است، یا بهتر است بگوییم که خود عنصر در ترکیب با عناصر دیگر در ترکیبات مختلف روی پوسته زمین یافت می‌شود. بنابراین مانند گاز طبیعی ، نفت و زغال سنگ منبع اولیه انرژی نیست ، زیرا باید به طور مصنوعی با صرف انرژی از منابع اولیه انرژی تولید شود. بنابراین تنها به عنوان یک بردار انرژی ، یعنی به عنوان وسیله ای برای ذخیره و انتقال انرژی موجود در صورت نیاز، قابل استفاده خواهد بود ، در حالی که چرخه تولید/استفاده همچنان از نقطه نظر ترمودینامیکی ناکارآمد خواهد بود.از آنجایی که تولید آن عموماً به انرژی بیشتری از آنچه که از طریق «احتراق» آن در دسترس می‌شود، نیاز دارد. راه حلی برای این مشکل با استفاده از پانل های فتوولتائیک اتخاذ شده است: در طول روز انرژی تولید شده به طور کامل برای تولید هیدروژن استفاده می شود که ذخیره می شود و برای تغذیه اتوبوس های هیدروژنی استفاده می شود.

مولکول آب در واقع پایدارتر و در نتیجه انرژی کمتری نسبت به دی‌اکسیژن O 2 و دی هیدروژن H 2 دارد و از قانونی پیروی می‌کند که طبق آن فرآیندهای «طبیعی» یک سیستم را از طریق یک تبدیل از انرژی بالاتر به انرژی پایین‌تر می‌آورند. بر اساس قوانین ترمودینامیک، استخراج هیدروژن از آب نمی تواند به عنوان یک واکنش معکوس بدون هزینه، یعنی بدون صرف کار انجام شود . بنابراین هر روش استخراج مستلزم هزینه ای است که برابر با انرژی است که متعاقباً توسط احتراق هیدروژن به شکل دی هیدروژن آزاد می شود، در صورتی که فرآیند دقیق معکوس برای این منظور استفاده شود.برابر 100٪ در طول فرآیند استخراج. به عبارت دیگر تولید هیدروژن به شکل دی هیدروژن از طریق ساده ترین روش یعنی الکترولیز آب و متعاقب آن استفاده از هیدروژن به شکل دی هیدروژن در واکنش معکوس با O 2 در پیل های سوختی نه تنها منجر نمی شود. به هر افزایش انرژی، بلکه همانطور که در بالا گفته شد، سود خالص انرژی منفی خواهد بود، یعنی به دلیل اتلاف گرما تلفات وجود خواهد داشت. تنها راه برای استفاده کارآمد از هیدروژن به عنوان منبع انرژی، بدست آوردن آن به عنوان بیوهیدروژن با هزینه جلبک ها و باکتری ها است.

در حال حاضر، دی هیدروژن به دست آمده از منابع خورشیدی، بیولوژیکی یا الکتریکی هزینه تولید، از نظر انرژی، بسیار بالاتر از هزینه احتراق آن برای به دست آوردن انرژی است. H 2 را می توان با یک افزایش خالص انرژی که از منابع فسیلی شروع می شود، مانند متان (واکنش های سنتز در واقع با واکنش های احتراق متفاوت است) به دست آورد، اما اینها منابع انرژی تجدید ناپذیر هستند، یعنی در هر صورت به پایان می رسند. در طول زمان و علاوه بر آن با انتشار مستقیم CO 2 .

در نهایت، هزینه های ساخت زیرساخت های لازم برای انجام یک تبدیل کامل به اقتصاد هیدروژنی به طور قابل ملاحظه ای بالا خواهد بود [35] .

روش دیگری که می‌توان از هیدروژن به‌عنوان منبع انرژی، بدون در نظر گرفتن هر فرآیند تولید، به‌طور مؤثر استفاده کرد، همجوشی هسته‌ای با راکتور دوتریوم یا تریتیوم است ، فناوری که تا سال 2022 هنوز در راکتور آزمایشی ITER . مقدار زیادی انرژی تولید شده شاید بتواند مشکلات انرژی جهان را حل کند، اما مدیریت آن از نظر فناوری فرآیندی پیچیده است و هنوز موضوع تحقیقات شدید است.

به طور خلاصه، در حال حاضر چهار شکل استفاده از هیدروژن برای تولید انرژی وجود دارد:

• ترکیب شیمیایی H 2 با O 2 هوا از طریق مشعل های معمولی و با فرآیندهای کاتالیزوری، همانطور که در موتورهای احتراق داخلی رخ می دهد، همچنین امکان کاربرد گسترده ای را در محیط خانگی فراهم می کند .
• ترکیب الکتروشیمیایی H 2 با O 2 بدون تولید شعله برای تولید مستقیم الکتریسیته در راکتوری که به عنوان پیل سوختی (یا سلول) شناخته می شود .
• با پیوستن به هسته های هیدروژن در راکتوری به نام توکامک ، طی فرآیندی که به نام همجوشی هسته ای شناخته می شود .
• با ترکیب شیمیایی H 2 با O 2 در یک محیط آبی در یک دیگ غیر متعارف برای تولید بخار محرک، در چرخه ای به نام Chan K’iin . [36]

سایر مشکلات مربوط به H 2 ذخیره سازی و حمل و نقل آن است. حمل و نقل می تواند در سیلندرهای گاز فشرده مایع یا از طریق شبکه های اختصاصی انجام شود، همانطور که در حال حاضر برای متان اتفاق می افتد. می توان آن را تحت فشار در سیلندرهای از200  بار تا 700 بار (هنوز در انتظار تایید) به صورت مایع در عوض به دمای -253 درجه سانتیگراد در سیلندرهای کاملا عایق شده نیاز دارد. شکل دیگر ذخیره سازی عبارت است از واکنش شیمیایی برگشت پذیر با مواد مختلف که هیدریدهای فلزی را تشکیل می دهند یا در حالت مایع به شکل آمونیاک NH 3 در دمای 4/33- درجه سانتی گراد.

کاربردهای دیگر [ ویرایش | ویرایش ویکی متن ]

• در جوشکاری و به عنوان یک عامل کاهنده برای سنگ معدن فلزی.
• در پیشرانه های هوانوردی و فضایی به عنوان سوخت موشک ها و ناوهای فضایی (در حالت مایع).
• به عنوان یک خنک کننده در ژنراتورهای نیروگاهی، زیرا گازی است که بیشترین هدایت حرارتی را دارد.
• هیدروژن مایع در تحقیقات برودتی استفاده می شود که شامل مطالعات ابررسانایی است .
• دمای تعادل سه گانه هیدروژن یک نقطه ثابت است که در مقیاس دمایی ITS-90 تعریف شده است .
• اسپین مولکول هیدروژن در معرض میدان های مغناطیسی شدید را می توان با استفاده از امواج فرکانس رادیویی به طور همگن تراز کرد . این ویژگی اساس تشدید مغناطیسی هسته ای است، از طریق یک دستگاه توموگرافی که قادر به دریافت تصاویر سه بعدی i به عنوان تابعی از سرعت متفاوت بازیابی چرخش اصلی اتم های هیدروژن موجود در بافت های موجودات زنده است، حتی در شکل آب، در غلظت های مختلف بسته به اندام. رزونانس مغناطیسی هسته ای را می توان برای تعیین ساختار مولکول های آلی استفاده کرد زیرا فرکانس تشدید اتم های هیدروژن به گروه های عاملی مجاور آن بستگی دارد.
• دوتریوم در کاربردهای هسته ای به عنوان تعدیل کننده برای کاهش سرعت نوترون ها استفاده می شود. ترکیبات دوتریوم در شیمی و زیست شناسی ، به ویژه در تحقیقات در زمینه اثرات ایزوتوپی استفاده می شود . برای تشدید مغناطیسی هسته ای در شیمی، حلال های حاوی دوتریوم و فاقد پروتیوم استفاده می شود که سیگنال را اشباع می کند.
• تریتیوم ( 3H ) در راکتورهای هسته ای تولید می شود و در تولید بمب های هیدروژنی ، به عنوان نشانگر رادیویی در علوم زیستی و سینتیک شیمیایی و به عنوان منبع تشعشع در رنگ های شب تاب استفاده می شود.
• یک پیامد معمولاً منفی، اما گاهی مطلوب هیدروژن، عملکرد تردی آن بر روی فلزات است. به دلیل اندازه اتمی کوچک خود، خود را به اتم های آهن داخل فضاهای بین بافتی شبکه مولکولی متصل می کند و به کاهش بسیار زیادی مقدار γ s (انرژی ایجاد یک رابط) کمک می کند و باعث شکستن یک قطعه برای خستگی ساکن می شود . .
• از آنجایی که تقریباً پانزده برابر سبکتر از هوا بود، به عنوان یک عامل بالابرنده برای بالن ها و کشتی های هوایی استفاده می شد. پس از فاجعه کشتی هوایی LZ 129 Hindenburg (پر از هیدروژن) در 6 مه 1937 که منجر به کشته شدن 35 مسافر شد، افکار عمومی متقاعد شدند که گاز برای ادامه استفاده در این زمینه بسیار خطرناک است. امروزه استفاده از هلیوم برای پرکردن بالن های هوا و کشتی های هوایی کمیاب ترجیح داده می شود زیرا بر خلاف هیدروژن، هلیوم یک گاز بی اثر است و بنابراین نمی سوزد. با این حال، هیدروژن هنوز در بالن ها و کاوشگرهای هواشناسی استفاده می شود، زیرا ارزان تر از هلیوم است.
• در سال 1930 در Verrès در Valle d’Aosta، ​​با انرژی اضافی تولید شده توسط کارخانه شرکت Castel Verrès، یک بخش الکتروشیمیایی با استفاده از مبدل های چرخشی و یک شبکه پلاتین بسیار مقاوم در برابر خوردگی ایجاد شد که از این روش با تکنیک هیدروژن الکترولیز به دست آمد. در حالت خلوص بسیار بالا که در یک خط لوله هیدروژن منتقل می شد، که از کل شهر عبور می کرد و سپس به کارخانه La Chimica di Verrès منتقل می شد، یکی از ویژگی های این کارخانه دقیقاً خط لوله هیدروژن بود، اولین خط لوله در ایتالیا انتقال هیدروژن با خط لوله زیرزمینی، تولید بسیار بالا بود و به میزان42000 متر مکعب  در روز، این عملیات امکان ایجاد کودهای ویژه را فراهم کرد که در عرض چند سال از تولید Montecatini پیشی گرفت . همه این شرکت ها بخشی از گروه صنعتی مستقر در Milan Costruzioni Brambilla بودند و رئیس گروه معمار انریکو برامبیلا بود. [37] [38]

ویژگی های حلالیت و جذب هیدروژن با فلزات مختلف در متالورژی (برخی فلزات را می توان توسط هیدروژن تضعیف کرد) و در توسعه اشکال ذخیره سازی ایمن برای استفاده به عنوان سوخت بسیار مهم است. هیدروژن در بسیاری از ترکیبات تشکیل شده توسط لانتانیدها و فلزات بلوک d بسیار محلول است [39] و می تواند در فلزات کریستالی و بی شکل حل شود [40] . حلالیت هیدروژن در فلزات تحت تأثیر اعوجاج و ناخالصی های موضعی در شبکه کریستالی فلز است . [41]

اقدامات احتیاطی [ ویرایش | ویرایش ویکی متن ]

احتراق [ ویرایش | ویرایش ویکی متن ]

دی هیدروژن یک گاز بسیار قابل اشتعال است و در هوا می سوزد و با آن مخلوط های انفجاری در غلظت های 4 تا 74.5 درصد (بخش هایی از دی هیدروژن تا 100 قسمت هوا در فشار اتمسفر) و در اتمسفر کلر از 5 تا 95 درصد تشکیل می دهد . همچنین به شدت با کلر و فلوئور واکنش نشان می دهد . کافی است نشت H 2 در تماس با O 2 آزاد شود تا یک انفجار شدید یا شعله نامرئی و خطرناکی ایجاد شود که آب را در گاز تولید می کند.

مخلوط‌های دی‌هیدروژن به‌راحتی در اثر جرقه‌های ساده یا اگر در غلظت‌های بالایی از معرف‌ها باشند، حتی فقط در اثر نور خورشید منفجر می‌شوند، زیرا گاز به شدت و خود به خود با هر ماده اکسیدکننده واکنش می‌دهد .
دمای خود اشتعال دی هیدروژن در هوا (21% O 2 ) است500  درجه سانتیگراد تقریبا

آنتالپی احتراق دی هیدروژن است286-  کیلوژول بر مول و واکنش احتراق در هوا به شرح زیر است:

2ساعت2(g)+یا2(g)⟶2ساعت2یا(L)+572kJ/مول

هنگام مخلوط شدن با دی‌اکسیژن در طیف وسیعی از نسبت‌ها، دی هیدروژن منفجر می‌شود. در هوا، دی هیدروژن به شدت می سوزد. شعله های دی اکسیژن و دی هیدروژن خالص برای چشم انسان نامرئی است. به همین دلیل، تشخیص بصری که آیا نشت دی هیدروژن در حال سوختن است، دشوار است. شعله های آتش قابل مشاهده در عکس سانحه کشتی هوایی هندنبورگ به دلیل احتراق دی هیدروژن همراه با مواد پوشش کشتی هوایی ساخته شده از چوب و بوم است. یکی دیگر از ویژگی های آتش سوزی با سوخت دی هیدروژن این است که شعله ها به سرعت با گاز از طریق هوا بالا می روند (همانطور که در عکس حادثه هیندبورگ مشاهده می شود) و باعث آسیب کمتر از آتش سوزی های سوخت هیدروکربنی می شود .. در واقع، دو سوم مسافران کشتی هوایی از آتش‌سوزی جان سالم به در بردند و بسیاری از آنها بر اثر سقوط از ارتفاعات یا آتش‌سوزی بنزین جان باختند [ 42] .

H 2 به طور مستقیم با سایر عناصر اکسید کننده واکنش می دهد. این می تواند یک واکنش خود به خود و خشونت آمیز در دمای اتاق در حضور کلر یا فلوئور با تشکیل هالیدهای هیدروژن مربوطه ایجاد کند: هیدروژن کلرید و هیدروژن فلوراید .