هیدروژن چیست: خواص و کاربردها
هیدروژن ساده‌ترین و سبک‌ترین عنصر شیمیایی است و در شرایط عادی بهحالت گاز است. عدد اتمی هیدروژن ۱ است، یعنی هر اتم هیدروژن در هسته خود فقط ۱ پروتون دارد. به‌همین سبب، هیدروژن اولین عنصر در جدول تناوبی عناصر است. در حالت عادی، گاز هیدروژن بی‌رنگ، بی‌بو و بی‌طعم است. ضمنا هیدروژن غیرسمی و بسیار اشتعال‌پذیر است، یعنی زود آتش می‌گیرد. هیدروژن فراوان‌ترین عنصر در تمام کیهان است. حدود ۸۰ درصد اتم‌های جهانِ مرئی، هیدروژن و حدود ۲۰ درصد آن هلیوم است. سایر عناصر که سنگین‌ترند در مجموع فقط ۱ درصد مواد موجود در کیهان را تشکیل می‌دهند. بسیاری از ترکیبات شیمیایی حاوی اتم یا مولکول هیدروژن هستند که نامآشناترین آنها آب است. هر مولکول آب حاصل پیوند دو اتم هیدروژن با یک اتم اکسیژن است. در ادامه بیشتر با هیدروژن آشنا می‌شویم و توضیح می‌دهیم که خواص هیدروژن و کاربردهای هیدروژن چیست.
هیدروژن چیست: خواص هیدروژن
با بررسی خواص هیدروژن بهتر درمی‌یابیم که هیدروژن چیست و چگونه گازی است. ابتدا خواص هیدروژن را کوتاه و سریع برمی‌شمریم و سپس خواص و ویژگی‌های آن از جمله ساختار اتمی، مولکولی و واکنش‌پذیری را با جزییات بیشتری توضیح می‌دهیم.
کوتاه درباره خواص هیدروژن:
- هیدروژن سبک‌ترین و ساده‌ترین اتم در بین تمام عناصر است.
- هیدروژن نافلز یا غیرفلز است.
- عدد اتمی هیدروژن ۱ است، یعنی هسته هیدروژن فقط یک پروتون دارد.
- هیدروژن در دما و فشار عادی بهحالت گاز است.
- اتم هیدروژن بسیار واکنش‌پذیر است و تقریبا با همه عناصر شیمیایی جدول تناوبی وارد واکنش می‌شود. اما مولکول هیدروژن در دمای عادی واکنش‌پذیری کمتری دارد.
- هیدروژن از هوای معمولی سبک‌تر است.
- بسیاری از ترکیبات شیمیایی در ساختار خود، هیدروژن دارند که آب از آن جمله است.
- مقدار هیدروژن موجود در جو زمین کم است اما هیدروژن موجود روی سطح زمین فراوان است، زیرا بیشتر سطح زمین پوشیده از آب اقیانوس است و آب، هیدروژن دارد.
- هیدروژن فراوان‌ترین عنصر شیمیایی در همه عالم است. بیشتر جِرم کیهان و اجرام آسمانی از جمله کهکشان‌ها از هیدروژن است.
- بسیاری از ستاره‌ها و از جمله خورشید طی پدیده‌ای موسوم به هم‌جوشی هسته‌ای، هیدروژن را می‌سوزانند و به هلیوم تبدیل می‌کنند. خورشید با همین روش گرما و انرژی تولید می‌کند.
- هیدروژن غیرسمی و اشتعال‌پذیر است و لذا جایگزین خوبی برای سوخت‌های فسیلی و آلاینده است.
- در حال حاضر، هیدروژن در سوخت راکت‌های فضایی و خودروهای هیدروژنی به‌کار می‌رود.
- هیدروژن سوختی غیرآلاینده و پاک است، یعنی به محیط زیست آسیب نمی‌رساند. اما بسیاری از روش‌های فعلی تولید هیدروژن، آلاینده هستند. اگر روش‌های تولید صنعتی هیدروژن نیز با محیط زیست سازگار شوند، هیدروژن از هر دو جنبه سوختی بسیار پاک و مناسب خواهدبود.
- رنگ شعله ناشی از سوختن هیدروژن، آبی کمرنگ است.
- هیدروژن سه ایزوتوپ طبیعی دارد: بدون نوترون، تک‌نوترونی و دو‌نوترونی
اکنون که کمی با هیدروژن و ویژگی‌هایش آشنا شدیم، خواص هیدروژن را با جزییات بیشتری بررسی می‌کنیم.
شکل اتم هیدروژن
عدد اتمی هیدروژن ۱ است. یعنی هر اتم هیدروژن در هسته خود فقط یک پروتون دارد و طبیعتا یک الکترون نیز حول آن در گردش است. لذا اتم هیدروژن ساده‌ترین و سبک‌ترین اتم در بین تمام عناصر شیمیایی است.
اما تعداد نوترون‌های موجود در هسته اتم هیدروژن ممکن است متفاوت باشد. به عبارت دیگر، اتم هیدروژن ۳ ایزوتوپ طبیعی دارد. به انواع اتم‌های یک عنصر که تعداد نوترون‌های متفاوت دارند، ایزوتوپ‌های آن عنصر می‌گوییم.
ایزوتوپ‌های هیدروژن
هیدروژن ۳ ایزوتوپ طبیعی دارد:
- پروتیوم (۱H): در هسته خود نوترون ندارد.
- دوتریوم (۲H): در هسته خود یک نوترون دارد.
- تریتیوم (۳H): در هسته خود دو نوترون دارد.
هیدروژن ایزوتوپ‌های مصنوعی نیز دارد که بصورت آزمایشگاهی یا مصنوعی تولید می‌شوند، اما ایزوتوپ‌های طبیعی هیدروژن همان سه مورد فوق است که مهم‌ترین ایزوتوپ‌های هیدروژن نیز هستند.
جدول مشخصات ایزوتوپ‌های طبیعی هیدروژن
| نام ایزوتوپ‌های هیدروژن | نماد | مشخصات ایزوتوپ |
| پروتیوم (هیدروژن سبک) | ۱H | بدون نوترون است؛ بیشترین اتم‌های هیدروژن موجود در جهان یعنی ۹۹.۹۸۵ درصد آنها از همین نوع هستند. |
| دوتریوم (هیدروژن سنگین) | ۲H یا D | حاوی یک نوترون است؛ فقط ۰.۰۱۵ درصد اتم‌های هیدروژن موجود در کیهان از این نوع هستند. |
| تریتیوم (هیدروژن فوق‌سنگین) | ۳H یا T | حاوی دو نوترون است؛ بسیار کمیاب است و ضمنا ایزوتوپ پرتوزا یا رادیواکتیو است یعنی تشعشعات هسته‌ای دارد و نیمه عمر آن ۱۲.۳ سال است. |
یادآوری می‌کنیم که عدد اتمی هیدروژن یعنی تعداد پروتون‌های موجود در هسته اتم هیدروژن در همه حالت‌های فوق ۱ است و تغییر نمی‌کند. خواص شیمیایی همه ایزوتوپ‌های گاز هیدروژن در اصل یکسان است اما خواص فیزیکی ایزوتوپ‌های هیدروژن فرق می‌کند. ضمنا هیدروژن تنها عنصر شیمیایی است که الکترون والانس در اتم‌های آن مستقیما تحت تاثیر هسته اتم است.
جایگاه هیدروژن در جدول تناوبی عناصر
هیدروژن چون تنها ۱ پروتون دارد، عدد اتمی آن ۱ است و لذا اولین عنصر جدول تناوبی است. هیدروژن نافلز است اما در جدول تناوبی عناصر با فلزهای قلیایی (عناصر ستون زرد سمت چپ) هم‌گروه است. زیرا خواص هیدروژن شبیه خواص فلزهای قلیایی است. یعنی مانند فلزهای قلیایی، عامل کاهنده قدرتمندی است و آرایش الکترونی بیرونی‌ترین مدار الکترونی آن ۱s1 است. (البته هیدروژن تک‌الکترونی است و لذا تنها یک مدار الکترونی دارد.) عناصر گروه اول، هفت عنصر هستند که عبارتند از: هیدروژن، لیتیوم، سدیم، پتاسیم، روبیدیم، سزیم و فرانسیم.
ساختار مولکول هیدروژن
هیدروژن موجود روی زمین عمدتا به‌شکل مولکول هیدروژن با نماد H۲ است. هر مولکول هیدروژن دو اتم هیدروژن دارد که با پیوند کووالانسی غیرقطبی به هم متصل هستند. دو اتم هر کدام یک الکترون دارند که هنگام پیوند، آنها را با هم به اشتراک می‌گذارند و با پیوند کووالانسی غیرقطبی به هم متصل می‌شوند و مولکول هیدروژن می‌سازند.
سبکی هیدروژن
هیدروژن چون سبک‌تر از هوا است، بالاتر از جو زمین شناور است. بنابراین در زمین، هیدروژن خالص در طبیعت یافت نمی‌شود و باید به‌‌روش‌های مصنوعی استخراج و تولید شود.
واکنش‌پذیری هیدروژن
الکترون والانس در اتم هیدروژن فقط یک الکترون دارد. (به الکترون‌های موجود در بیرونی‌ترین مدار اتم، الکترون‌های والانس می‌گویند. البته اتم هیدروژن فقط یک مدار و یک الکترون والانس دارد.) به همین علت، اتم هیدروژن بسیار مایل است که آن الکترون را از دست بدهد تا به پایداری برسد. همین ویژگی، واکنش‌پذیری هیدروژن را بسیار افزایش می‌دهد. اما مولکول هیدروژن برخلاف اتم هیدروژن، در دمای عادی واکنش‌پذیری کمتری دارد، زیرا پیوند کووالانسی بین دو اتم هیدروژن بسیار قوی است و بنابراین تمایلی ندارند که پیوند خود را بگسلند و با اتم‌های دیگر وارد واکنش شوند.
فراوانی هیدروژن
هیدروژن فراوان‌ترین عنصر در تمام عالم است. حدود ۷۵ درصد جرم کیهان، هیدروژن است. اما فراوانی هیدروژن در زمین بسیار کمتر است. در واقع میزان هیدروژن موجود در جو زمین فقط ۰.۵ تا ۱ واحد در هر یک‌میلیون واحد است. هیدروژن موجود در پوسته زمین نیز اندک است اما روی سطح زمین هیدروژن بسیار بیشتری وجود دارد زیرا بیش از ۷۰ درصد سطح زمین پوشیده از آب اقیانوس است و آب سرشار از هیدروژن است.
هیدروژن برخلاف هلیوم روی زمین نیز فراوانی زیادی دارد زیرا اتم هیدروژن بسیار واکنش‌پذیر است و به همین سبب، بسیاری از مواد روی زمین در ترکیبات‌شان هیدروژن هم دارند.
علت اشتعال‌پذیری هیدروژن چیست؟
هیدروژن خیلی زود آتش می‌گیرد زیرا ساختار ساده‌ای دارد، بسیار واکنش‌پذیر است و بار الکترواستاتیک تولید می‌کند. همین بار الکترواستاتیک ممکن است به‌راحتی جرقه ایجاد کند. لذا اگر هیدروژن در مجاورت هوا باشد، با کمی افزایش دما سریع و وسیع آتش می‌گیرد. سرعت انتشار آتش ناشی از سوختن هیدروژن ۲۳۰ سانتی‌متر در ثانیه است.
باتوجه به آنچه گفتیم، نقل و انتقال هیدروژن کار بسیار حساس و حتی خطرناکی است و باید با رعایت نکات ایمنی جابه‌جا شود. به همین علت مراکز صنعتی معمولا همیشه هیدروژن موردنیازشان را در محلی که باید استفاده شود، تولید می‌کنند. رنگ شعله هیدروژن آبی کمرنگ است.
حالت‌های مختلف هیدروژن چیست؟
هیدروژن می‌تواند به گاز، مایع، جامد و حتی پلاسما تغییر حالت دهد. هیدروژن در شرایط عادی زمین به حالت گاز است اما اگر دمای آن را کاهش یا فشار وارد بر آن را افزایش دهیم به هیدروژن مایع تبدیل می‌شود. ابتدا اجازه دهید دمای ذوب، جوش، انجماد و انفجار هیدروژن را ذکر کنیم:
- دمای ذوب هیدروژن ۲۵۹.۸۷- درجه سانتی‌گراد است.
- دمای جوش هیدروژن ۲۵۲- درجه سانتی‌گراد است.
- دمای انجماد هیدروژن ۲۵۹.۲- درجه سانتی‌گراد است.
- دمای انفجار هیدروژن در هوا ۵۸۵.۸۵ درجه سانتی‌گراد است.
گاز هیدروژن
هیدروژن در دمای عادی زمین و تحت فشار ۱ اتمسفر، حالت گاز دارد.
هیدروژن مایع
اگر دمای گاز هیدروژن را به کمتر از ۲۵۳- درجه سانتی‌گراد کاهش دهیم، هیدروژن به مایع تبدیل می‌شود.
هیدروژن جامد
اگر دمای هیدروژن به کمتر از ۲۵۹- درجه سانتی‌گراد کاهش یابد، هیدروژن منجمد می‌شود و به هیدروژن جامد تغییر حالت می‌دهد.
هیدروژن پلاسما
اگر بخشی از اتم‌های پلاسما یونیده شوند (به یون تبدیل شوند)، هیدروژن از گاز به پلاسما تغییر حالت می‌دهد. برای این منظور باید به چند هزار درجه سانتی‌گراد افزایش یابد.
کاربرد هیدروژن چیست؟
بعضی از حوزه‌های کاربرد هیدروژن چنین است:
- پالایش نفت
- خالص‌سازی شیشه
- ساخت نیمه‌رساناها
- سوخت راکت‌های فضایی
- استفاده در باتری‌های هیدروژنی برای تامین سوخت خودروهای برقی‌هیدروژنی
- تولید کودهای شیمیایی
- جوشکاری، بازپخت و گرمادهی فلزها
- داروسازی
- خنک‌سازی ژنراتورها در نیروگاه‌های برق
بعضی از حوزه‌های کاربرد هیدروژن را بیشتر توضیح می‌دهیم:
کاربرد هیدروژن در تولید آمونیاک و کود شیمیایی
آمونیاک (NH3) مهم‌ترین ترکیب حاوی هیدروژن و نیتروژن است. برای تولید صنعتی آمونیاک، از روشی موسوم به فرآیند هابر-بوش بهره می‌برند. در روش هابر-بوش، هیدروژن و نیتروژن را مستقیما از طریق سنتز با هم ترکیب می‌کنند. برای این منظور ابتدا باید هیدروژن و نیتروژن موردنیاز برای واکنش را تهیه کرد. جهت تهیه نیتروژن، هوای معمولی را در دمای کم تجزیه می‌کنند. برای تامین هیدروژن از روش اصلاح بخار گاز طبیعی استفاده می‌کنند. حدود ۹۰ درصد آمونیاک تولیدی در جهان برای تولی کود شیمیایی به‌کار می‌رود. بخش زیادی از آمونیاک به نمک‌های کود جامد یا پس از اکسایش کاتالیتی، به اسید نیتریک (HNO3) و نمک‌های آن (نیترات‌ها) تبدیل می‌شود. آمونیاک به علت انرژی بالای تبخیر آن در کارخانه‌های تبرید نیز به‌عنوان مبرد ارزان و سازگار با محیط زیست به کار می‌رود.
کاربرد هیدروژن در صنعت چیست؟
هیدروژن کاربردهای صنعتی مختلفی دارد؛ فلزکاری (عمدتا در آلیاژسازی)، تولید شیشه مسطح (به‌عنوان گاز محافظ جهت جلوگیری از واکنش‌های ناخواسته از جمله اکسید شدن)، صنعت الکترونیک (به‌عنوان گاز حامل، در فرآیندهای رسوب‌گذاری، تمیزکاری، حکاکی، فرآیندهای کاهشی و…) و تولید برق مثلا برای خنک‌سازی ژنراتور یا برای جلوگیری از خوردگی در لوله‌های نیروگاه به کار می‌رود.
کاربرد هیدروژن در پالایش نفت چیست؟
هیدروژن در پالایش نفت خام و تبدیلش آن به سوخت‌هایی مثل بنزین و گازوئیل و همچنین برای حذف آلاینده‌هایی مثل گوگرد از آنها کاربرد دارد.
حدود ۷۵ درصد هیدروژنی که امروزه در دنیا بوسیله پالایشگاه‌های نفت مصرف می‌شود را کارخانه‌های بزرگ تولید هیدروژن تامین می‌کنند. آنها هیدروژن را از گاز طبیعی یا دیگر سوخت‌های هیدروکربنی استخراج می‌کنند.
ضمنا هیدروژن یکی از مواد اصلی برای تولید متانول (CH۳OH) است. متانول می‌تواند مستقیما به‌عنوان سوخت در موتورهای احتراق داخلی و یا غیرمستقیم در سلول‌های سوختی متانولی به کار رود.
سوخت هیدروژنی چیست؟
یکی از کاربردهای جدید هیدروژن استفاده از آن به عنوان سوخت در سلول‌های سوختی است. سلول سوختی یک وسیله الکتروشیمیایی است که با ترکیب هیدروژن و اکسیژن برق تولید می‌کند. آنچه از سوختن این سوخت به جا می‌ماند فقط آب و گرما است که برای محیط زیست ضرری ندارد.
هیدروژن چون غیرسمی و پاک است، جایگزین خوبی برای بنزین و سایر سوخت‌های فسیلی است. وسایل نقلیه برقی‌هیدرژونی هیچ دی‌اکسیدکربن یا گاز آلاینده دیگری در هوا منتشر نمی‌کنند. خودروهایی که هیدروژن می‌سوزانند، از اگزوزشان فقط بخار آب بیرون می‌دهند که برای محیط زیست هیچ خطری ندارد. ضمنا بازده موتورهای سوخت‌هیدروژنی از موتورهای احتراق داخلی (که بنزین یا گازوئیل می‌سوزانند) بیشتر است.
هیدروژن را به چند روش می‌توان به عنوان سوخت به کار برد.
- کاربرد مستقیم: در این روش مولکول هیدروژن (H2) مستقیما به عنوان سوخت به کار می‌رود و نیازی نیست که آن را به شکل دیگری تبدیل کنیم. در این صورت، هیدروژن هم در موتورهای احتراق داخلی و هم در سلول‌های سوختی می‌تواند به کار رود.
- کاربرد غیرمستقیم: در این روش، هیدروژن طی مراحلی بین گاز یا مایع حاوی هیدروژن تبدیل می‌شود و محصول مذکور به عنوان سوخت در موتورهای حرارتی به کار می‌رود.
با بهبود و گسترش تولید سوخت هیدروژنی، می‌توان علاوه بر خودروها در هواپیماها، کشتی‌ها و قایق‌ها و قطارها نیز از سوخت هیدروژنی بهره برد.
روش‌های تولید هیدروژن چیست؟
گفتیم که هیدروژن خالص در طبیعت تقریبا نایاب است زیرا عموما با اتم‌های دیگر ترکیب می‌شود. پس باید به‌روش مصنوعی تولید شود. برای تولید هیدروژن (یا به عبارت دقیق‌تر دی‌هیدروژن) روش‌های مختلفی وجود دارد از جمله:
- استخراج شیمیایی هیدروکربن‌های فسیلی
- الکترولیز آب
- تولید ارگانیک هیدروژن از جلبک‌ها یا باکتری‌ها
اما رایج‌ترین روش، همان روش نخست یعنی استخراج شیمیایی هیدروکربن‌های فسیلی و عمدتا متان، زغال سنگ و برش نفت (یعنی تبدیل بخار گاز طبیعی، تبدیل به گاز و تجزیه در اثر حرارت زیست‌توده و غیره) است.
الکترولیز آب، تجزیه گرما‌شیمیایی یا فتوشیمیایی آب یا تولید ارگانیک آن از جلبک‌ها یا باکتری‌ها، فرآیندهای کاملا متفاوتی هستند که در مقیاس کوچکتر نیز صنعتی شده‌اند و امکان تولید کاملا سبز (سازگار با محیط زیست) را نیز فراهم می‌کنند.
در حال حاضر ۹۵ درصد هیدروژن دنیا از سوخت‌های فسیلی تولید می‌شود. تولید پاک هیدروژن طی الکترولیز آب با استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر را اصطلاحا هیدروژن سبز می‌گوییم.
مزایای سوخت هیدروژن چیست؟
هیدروژن چند مزیت مهم دارد:
- هیدروژن پاک است: هیدروژن پاک است: هیدروژن اگر از منابع تجدیدپذیر تولید شده باشد، به عنوان سوخت در صنعت حمل‌ونقل هیچ‌نوع گاز گلخانه‌ای و آلاینده تولید نمی‌کند. هیدروژن در خودروهای برقی علاوه بر پاکی، مزیت بی‌صدایی را هم دارد.
- فراوان است: منابع تامین هیدروژن پایدار و اصطلاحا بی‌پایان است. فراوان‌ترین منبع هیدروژن روی زمین، آب است. هنگام الکترولیز و تبدیل الکتروشیمیایی از طریق سلول سوختی، فقط اکسیژن و بخار آب در هوا منتشر می‌شود فلذا همیشه در دسترس است و تمام نمی‌شود.
- مملو از انرژی است: هرچند هیدروژن چگالی کمی دارد و باید فشرده یا مایع شود، اما چگالی انرژی آن بی‌نظیر است. هر کیلوگرم هیدروژن، ۴.۱ برابر زغال سنگ، ۲.۸ برابر گازوئیل و ۲.۴ برابر گاز طبیعی انرژی تولید می‌کند.
- هیدروژن سبک است: مخازن هیدروژن ۱۰ بار سبک‌تر از باتری‌هایی با همان میزان ظرفیت هستند و همین ویژگی نیز تا حد زیادی در مصرف انرژی صرفه‌جویی می‌کند.
پرسش و پاسخ‌های کوتاه درباره هیدروژن
در ادامه به چند پرسش رایج درباره هیدروژن پاسخ می‌دهیم. البته بعضی از پرسش‌ها در بخش‌های قبلی با تفصیل بیشتری توضیح داده شده‌اند.
هیدروژن فلز است یا نافلز؟
هیدروژن نافلز است اما در جدول تناوبی با فلزهای قلیایی هم‌گروه است. یعنی با لیتیوم، سدیم، پتاسیم، روبیدیم، سزیم و فرانسیم در یک گروه جای دارد.
جرم اتم هیدروژن بر حسب گرم چقدر است؟
جرم اتم هیدروژن بر حسب گرم چنین است:
۱.۶۷۳۵ x 10^-۲۴ گرم
تعداد الکترون و پروتون و نوترون هیدروژن
تعداد پروتون هسته اتم هیدروژن ۱ است و تعداد الکترون اتم هیدروژن ۱ است. اما تعداد نوترون‌های هسته اتم هیدروژن اکثراً صفر و گاهی ۱ و گاهی ۲ است. بیش از ۹۹ درصد اتم‌های هیدروژن در هسته خود نوترون ندارند. به اتم‌های بدون نوترونِ هیدروژن، پروتیوم هم می‌گویند.
تعداد نوترون‌های هیدروژن
همانطور که گفتیم بیشتر اتم‌های هیدروژن در هسته خود نوترون ندارند. درصد کمی از آنها تنها یک نوترون و درصد بسیار کمتری از آنها دو نوترون دارند. به این سه نوع اتم، ایزوتوپ‌های هیدروژن می‌گویند. برای اطلاعات بیشتر می‌توانید به بخش «ایزوتوپ‌های هیدروژن» در اوایل همین مقاله مراجعه کنید.
مولکول هیدروژن چند اتم دارد؟
مولکول هیدروژن (H2) دو اتم دارد که با پیوند کووالانسی غیرقطبی به هم متصل هستند.
نوع پیوند اتم‌ها در مولکول هیدروژن (H2) چیست؟
نوع پیوند اتم‌ها در مولکول هیدروژن (H2)، کووالانسی غیرقطبی است.
هیدروژن مایع چیست؟
هیدروژن در دما و شرایط عادی به‌شکل گاز است. اما اگر دما را کاهش یا فشار وارد بر آن‌را افزایش دهیم، هیدروژن مایع به دست می‌آید.
نقش هیدروژن در بدن انسان چیست؟
حدود ۱۰ درصد جرم بدن انسان را هیدروژن تشکیل می‌دهد. هیدروژن در کنار اکسیژن یکی از عناصر سازنده آب است. سلول‌های بدن انسان و سایر جانوران برای این‌که مرطوب (یا اصطلاحا هیدراته) بمانند تا بتوانند سموم بدن را دفع کنند، به آب و درنتیجه به هیدروژن احتیاج دارند. آب همچنین به جذب گرما و تنظیم دمای بدن کمک می‌کند. ضمنا بدن انسان با کمک هیدروژن انرژی تولید می‌کند. هیدروژن همچنین از مواد اصلی سازنده پروتئین‌ها، کربوهیدرات‌ها، چربی‌ها و دیگر مولکول‌های زیستی بدن است.
یون هیدروژن اسیدی است یا بازی؟
یون هیدروژن (H+) اسیدی محسوب می‌شود، زیرا اسیدها وقتی به یک محلول اضافه می‌شوند، یون‌های هیدروژن آزاد می‌کنند. لذا یون هیدروژن مبنایی بر تعیین اسیدی بودن مواد در شیمی است.
ترکیب هیدروژن و اکسیژن
مهم‌ترین ترکیب هیدروژن و اکسیژن آب است. اما هیدروژن و اکسیژن با هم ترکیبات دیگری هم می‌سازند. بعضی از رایج‌ترین ترکیبات هیدروژن و اکسیژن چنین است:
- آب (H۲O)
- پراکسید هیدروژن (H۲O۲)
- تری‌اکسید هیدروژن (H۲O۳)
خاصیت بعضی از ترکیبات حاوی هیدروژن چیست؟
اکنون برای نمونه، سه ماده معروف را که در ترکیب‌شان هیدروژن دارند، مختصراً اسم می‌بریم و خواص‌شان توضیح می‌دهیم:
- آب: آب نامآشناترین و مهم‌ترین ماده حاوی هیدروژن است. بدون آب زندگی روی زمین ممکن نیست. هر مولکول آب از ترکیب دو اتم هیدروژن با یک اتم اکسیژن تشکیل می‌شود. با کمک برق و روشی موسوم به الکترولیز می‌توان مولکول‌های آب را تجزیه و هیدروژن‌شان را استخراج کرد.
- آمونیاک: آمونیاک گازی بی‌رنگ و سمی است. با این‌حال در تولید کودهای شیمیایی از جمله اوره، فسفات آمونیوم، نیترات آمونیوم و دیگر نیترات‌ها از آن استفاده می‌کنند. سایر مواد شیمیایی مهمی که از آمونیاک ساخته می‌شوند، عبارتند از: اسید نیتریک، هیدرازین، سیانیدها و اسیدهای آمینه.
- پراکسید هیدروژن: پراکسید هیدروژن ضدعفونی‌کننده ملایمی است که برای جلوگیری از عفونت ناشی از بریدگی‌های جزئی، خراش‌ها و سوختگی‌ها استفاده می‌شود. در بعضی از تمیزکننده‌ها و سفیدکننده‌های دست‌شویی نیز از این بهره می‌برند. فرمول شیمیایی پراکسید هیدروژن H۲O۲ است. توجه داشته باشید که برای درمان زخم‌های عمیق، گزش حیوانات یا سوختگی‌های جدی و شدید نباید از پراکسید هیدروژن استفاده کنید. عده‌ای دهان‌شان را با پراکسید هیدروژن می‌شویند که اگر مقدار کم و نحوه استفاده از آن درست باشد، برای بهداشت دهان و دندان سودمند است و می‌تواند جلوی بعضی از عفونت‌های ویروسی را بگیرد. اما حتما به یاد داشته باشید که پراکسید هیدروژن را هرگز نباید بخورید یا قورت بدهید زیرا برای بدن مضر است و حتی قورت دادن کمی از آن می‌تواند موجب بروز حالت تهوع شود. شست‌وشوی دهان با محلول آب‌نمک یا محلول زردچوبه بسیار ایمن‌تر است و خطری ندارد.
هیدروژن در فضا و کیهان
بیشتر جرم کیهان از هیدروژن است. خورشید و جو سیاره‌های گازی منظومه شمسی (مشتری و زحل و اورانوس و نپتون) عمدتا حاوی هیدروژن است. هیدروژن سنگ بنای کهکشان راه‌شیری و بسیاری از دیگر کهکشان‌های مارپیچی عالم است.
برای مثال، به عکس ۷ که خود شامل سه عکس کوچکتر است، بنگرید. هر سه عکس کهکشان فرفره (NGC 5457) را نشان می‌دهد. عکس اول با نور مرئی و بوسیله تلسکوپ هابل ثبت شده است. دومین عکس حاصل کار تلسکوپ رادیویی NRAO است و توانسته است گاز حاوی اتم‌های هیدروژن را (با رنگ نارنجی) در نواحی مختلف کهکشان نشان دهد. عکس سوم، حاصل ترکیب دو عکس قبلی است. با دقت در عکس دوم و سوم می‌توان به فراوانی هیدروژن در کهکشان مذکور پی برد.
کشف هیدروژن
انسان از دیرباز با گاز هیدروژن سروکار داشته است. اما ظاهرا تعیین دقیق مشخصات هیدروژن از قرن هجدهم میلادی آغاز شد. هنری کاوندیش شیمیدان انگلیسی در سال ۱۷۶۶ متوجه شد که هیدروژن عنصر شیمیایی منحصربه‌فردی است. همچنین دریافت که با سوختن هیدروژن آب تولید می‌شود (زیرا هیدروژن با اکسیژن موجود در هوا ترکیب می‌شود و مولکول آب می‌سازد که فرمول آن H۲O است.)
چند سال بعد در ۱۷۸۳ آنتونی لاووازیه عنصر شیمیایی مذکور را هیدروژن نام نهاد. واژه «هیدروژن» (hydrogen) ترکیبی از دو واژه یونانی هیدرو (hydro) و جنز (genes) است. «هیدرو» یه معنی آب و «جنز» به معنی ساختن است. فلذا معنی هیدروژن، «آب‌ساز» است.
هارولد اوری در سال ۱۹۳۱ ایزوتوپ دوتریوم را کشف کرد. دوتریوم یکی از ایزوتوپ‌های طبیعی هیدروژن است که در هسته خود یک نوترون دارد. او دو ایزوتوپ پروتیوم و دوتریوم هیدروژن را با تقطیر از هم جدا کرد.
جمع‌بندی: هیدروژن چیست و چه خواص و کاربردهایی دارد؟
گفتیم که هیدروژن ساده‌ترین و سبک‌ترین عنصر شیمیایی است زیرا فقط هسته اتم هیدروژن فقط یک پروتون دارد. همچنین اضافه کردیم که هیدروژن فراوان‌ترین عنصر در تمام کیهان است و بخش زیادی از اتم‌ها و مولکول‌های موجود در کیهان و از جمله ستارگان و نیز کهکشان‌ها هیدروژن است. هیدروژن خالص در زمین تقریبا نایاب است زیرا هیدروژن عنصر واکنش‌پذیری است و زود با عناصر دیگر ترکیب می‌شود. به همین علت برای تولید هیدروژن باید از روش‌های صنعتای کمک بگیریم.
ضمنا گفتیم که هیدروژن گازی غیرسمی و اشتعال‌پذیر است. لذا جایگزین خوبی برای سوخت‌های فسیلی است، زیرا در اثر سوختن هیدروژن، هیچ گاز آلاینده‌ای در فضا منتشر نمی‌شود. اما در حال حاضر بیشتر روش‌های صنعتی تولید هیدروژن، دی‌اکسیدکربن تولید می‌کنند. به عبارت دیگر، خود هیدروژن آلاینده نیست اما روش‌های فعلی تولید هیدروژن آلاینده است. اگر بتوانیم هیدروژن را با روش‌های پاک تولید کنیم، آنگاه هیدروژن سوختی پاک و اصطلاحا سبز محسوب می‌شود. در حال حاضر، در پلایش نفت، داروسازی، فلزکاری و تامین سوخت خودروهای برقی‌هیدروژنی و حتی در سوخت بعضی از راکت‌های فضایی از هیدروژن استفاده می‌شود.
