هیدروژن (H) یک گاز بی‌رنگ، بی‌بو، بی‌مزه و قابل اشتعال است که به عنوان ساده‌ترین، سبک‌ترین و در عین حال فراوان‌ترین عنصر در جدول تناوبی شناخته می‌شود.هر چند هیدروژن فراوان‌ترین عنصر در سراسر جهان است، اما تنها در حدود 0.14 درصد از وزن پوسته زمین را تشکیل می‌دهد. با این حال به عنوان یکی از اتم‌های اصلی تشکیل دهنده آب در اقیانوس‌ها، دریاها، دریاچه‌ها، یخچال‌های قطبی، جو و… پیدا می‌شود. همچنین با ترکیب شدن با اتم‌های کربن و سایر اتم‌ها، تقریبا بخشی از تمام بافت‌های جانوری، گیاهی را تشکیل می‌دهد. فراوان‌ترین ترکیباتی که هیدروژن در آن‌ها دخالت دارد، هیدروکربن‌ها هستند که از پیوند بین هیدروژن و کربن در تعداد و شکل‌های متفاوت تشکیل می‌شوند؛ هیدروکربن‌ها ترکیبات اصلی موجود در نفت هستند. این که گاز هیدروژن چیست و چه کاربردهایی دارد، سوال بسیاری از افراد است که در ادامه به بررسی جامع‌تر و دقیق‌تر آن خواهیم پرداخت. با ما همراه باشید.

مولکول هیدروژن چیست؟

هیدروژن (H) یک گاز بی‌رنگ، بی‌بو، بی‌مزه و قابل اشتعال است که به عنوان ساده‌ترین، سبک‌ترین و در عین حال فراوان‌ترین عنصر در جدول تناوبی شناخته می‌شود. اتم هیدروژن، یک هسته شامل یک پروتون با یک واحد بار الکتریکی مثبت را در مرکز خود جای داده است. در اطراف هسته نیز یک الکترون با یک واحد بار منفی می‌چرخد.

این اتم در حالت طبیعی نوترون ندارد. در شرایط عادی (فشار 1 atm و دمای اتاق) گاز هیدروژن از تعداد زیادی جفت اتم (H2) تشکیل شده است که پیوند سستی با یکدیگر دارند.

مشخصات فیزیکی و شیمیایی هیدروژن چیست؟

حالت فیزیکی در شرایط استاندارد: گاز
بی رنگ
بی بو
بی مزه
آتش زا
با چگالی کمتر از هوا
با ظرفیت گرمایی (قدرت خنک کنندگی) بالا
نقطه ذوب: 99˚K
نقطه جوش: -292.9 ˚C
چگالی: 0.000089 gr/cm3
تعداد ذرات زیر اتمی: 1 الکترون، 1 پروتون و 0 نوترون
جایگاه در جدول تناوبی: گروه 1، تناوب 1 و دسته s
جرم اتمی: 1.00794 gr/mol
عدد اتمی: 1
الکترونگاتیوی: 202
انرژی یونش: 1312 KJ/mol
شعاع اتمی: 53 pm
شعاع واندروالسی: 120 pm
تعداد لایه‌های الکترونی: 1

واکنش پذیری

این عنصر قابلیت واکنش پذیری بسیار بالایی دارد؛ به گونه‌ای که با اغلب عناصر جدول تناوبی وارد واکنش شده و با تشکیل پیوند، می‌تواند ترکیباتی جدید با خواص و مشخصات متنوع تشکیل دهد. به طور کلی می‌توان مواد را بر اساس نحوه واکنش با این عنصر، به سه دسته اصلی تقسیم کرد:

فلزات فعال مثل فلزات قلیایی خاکی
نافلزات از قبیل اکسیژن و هالوژن‌ها (برقراری پیوند اشتراکی همراه با تولید گرمای فراوان)
واکنش با فلزات واسطه و تولید هیدریدهای فلزی همراه با تشکیل ساختارهای بلوری

ایزوتوپ‌های هیدروژن در طبیعت

هیدروژن دارای سه ایزوتوپ طبیعی 1H، 2H و 3H است. دو ایزوتوپ اول پایدار بوده و ایزوتوپ سوم نیمه عمری مساوی با 12.32 سال دارد و ناپایدار است. علاوه بر این سه ایزوتوپ طبیعی، هیدروژون دارای ایزوتوپ‌های سنگین‌تری نیز است که نیمه عمر بسیار کمی داشته و به صورت مصنوعی ساخته می‌شوند. این ایزوتوپ شامل 4H تا 7H می‌شوند. در بین ایزوتوپ‌های ساختگی هیدروژن، 5H کمترین ثبات (کمترین نیمه عمر) و 7H بیشترین ثبات (بیشترین نیمه عمر) را دارد.

همچنین هیدروژن تنها عنصری است که ایزوتوپ‌های آن نام‌های متفاوتی دارند که به صورت زیر است:

2H: دوتریوم
3H: تریتیوم

کاربرد گاز هیدروژن چیست؟

هیدروژن همانطور که فراوانی زیادی دارد، کاربردهای زیادی نیز دارد. برخی از این کاربردها که در ادامه نیز به طور کامل آن‌ها را شرح خواهیم داد شامل موارد زیر هستند:

به صورت مایع برای تولید سوخت موشک
به عنوان عامل کاهنده در صنایع الکترونیک
به عنوان گاز حامل در دستگاه کروماتوگرافی
جوشکاری و برش فلزات
هیدروژن دار کردن سبزیجات و روغن‌های حیوانی برای تولید کره و دیگر چربی‌ها
در صنعت نفت و پتروشیمی برای گوگردزدایی، آلکیل زدایی و یا هیدروژن دار کردن
در لیزرهای شیمیایی DH/FH
احیاء شیمیایی در صنایع شیمیایی
هیدروژن مایع برای تحقیقات فیزیک حالت جامد
گاز خنک کننده در دستگاه مولد برق توربین‌دار در نیروگاه‌ها
برای سنتز آمونیاک
به عنوان واکنشگر برای تولید آب با خلوص بالا
به عنوان سوخت در برنامه‌های کاربردی سلول سوختی
هیدروژن درمانی در پزشکی به عنوان یک شیوه درمانی
یک جزء در انواع مخلوط گازی

کاربرد هیدروژن مایع

هیدروژن مایع در مقادیر گسترده‌ای در صنایع مربوط به فضا به عنوان سوخت اولیه موشک‌ها به کار می‌رود. هیدروژن برای سوختن در موشک، با اکسیژن یا فلوئور ترکیب شده و به عنوان سوخت پیشران به کار برده می‌شود. اگر چه بیشتر کاربرد هیدروژن در حالت گازی آن است؛ اما علاوه بر کاربرد آن در سوخت موشک، به صورت مایع نیز قابل ذخیره کردن و حمل و نقل است.

کاربرد گاز هیدروژن در پتروشیمی

امروزه مهمترین کاربرد هیدروژن، گوگردزدایی هیدروکربن‌ها به منظور تولید سوخت بدون گوگرد است. یکی از اهداف این فرآیند، تولید سوختی با آلایندگی کمتر برای حفاظت بیشتر از محیط زیست است.

انرژی‌های فسیلی مانند نفت خام و ذغال سنگ به طور طبیعی دارای مقداری گوگرد هستند که احتراق این سوخت‌‌ها در حالت طیعی باعث تولید اکسیدهای گوگرد (SOx) می‌شود. اکسیدهای گوگرد گازهایی هستند که می‌توانند باعث بروز مشکلات و بیماری‌های تنفسی زیادی مانند آسم شوند. علاوه بر این اکسیدهای گوگرد با ورود به جو باعث آلودگی هوا نیز می‌شوند و مشکلات بسیاری مانند تشکیل دود در بالای شهرها و بارش باران‌های اسیدی را به وجود می‌آورند. همچنین گوگرد باعث اختلال در عملکرد خروجی سیستم‌های کاتالیزوری می‌شود و سرعت فرسایش آن‌ها را افزایش می‌دهد. برای گوگرد زدایی با استفاده از هیدروژن، ابتدا آن را در دمایی بیش از 350˚C و فشار بالا (60 بار) تصفیه می‌کنند. سپس هیدروژن تصفیه شده را با گوگرد موجود در هیدروکربن‌ها واکنش داده تا ترکیب جدیدی به نام سولفور هیدروژن (H2S) تولید شود. ترکیب تولید شده را حذف و جمع آوری می‌کنند تا در فرآیندهای دیگری با گاز اکسیژن واکنش داده و گوگرد خالص که زرد رنگ است را تولید کند. این گوگرد به عنوان ماده اولیه در برخی از صنایع دیگر به کار برده می‌شود.

کاربرد هیدروژن در پزشکی

تحقیقات بسیاری نشان داده‌اند که هیدروژن یک عامل مهم فیزیولوژیکی برای سلول‌ها و اندام‌ها است که خواص ضد التهابی، آنتی اکسیدانی و ضد آپوپتوزی را برای آن‌ها فراهم می‌کند. این خواص ذکر شده خطر ابتلا به بیماری‌های مختلف را کاهش می‌دهند. هیدروژن درمانی از راه‌های متفاوتی مانند استنشاق مستقیم، نوشیدن هیدروژن محلول در آب و یا تزریق آن انجام می‌شود. به طور کلی هیدروژن در آینده می‌تواند کمک بسیار زیادی در زمینه پیشگیری از برخی بیماری‌ها به صنعت پزشکی و درمانی بکند.

کاربرد هیدروژن در صنعت

گاز هیدروژن به دلیل واکنش پذیری بالایی که دارد، به طور گسترده در بسیاری از کاربردهای صنعتی برای تولید مواد مختلف به کار برده می‌شود. برای مثال در صنعت الکترونیک به عنوان گاز حامل (گاز انتقال دهنده گازهای فعال) در زمینه‌های مختلفی از جمله ساخت قطعات الکترونیکی به کار می‌رود. همچنین گاز هیدروژن از قطعات در برابر ناخالصی‌ها و اکسید شدن به خوبی محافظت می‌کند.

در صنعت شیمی نیز استفاده‌های فروانی از این گاز می‌شود. برای مثال می‌توان از ترکیب کردن آن با نیتروژن، آمونیاک (NH3) تولید کرد؛ آمونیاک تولید شده به عنوان یک ماده پایه و اساسی برای تولید کود کاربرد دارد. همچنین از هیدروژن می‌توان برای تولید موادی مانند نایلون، فوم پلی اورتان و انواع دیگری از پلاستیک‌ها استفاده کرد.

در صنعت شیشه سازی نیز از گاز هیدروژن به منظور تولید شیشه‌های تخت برای صفحات نمایشگر استفاده می‌شود. در فرآیند تولید شیشه‌های تخت از هیدروژن با درصد خلوص بالا به عنوان یک اتمسفر محافظ کمک گرفته می‌شود.

گاز هیدوژن در متالورژی نیز به عنوان اتمسفر هنگام عملیات‌های حرارتی استفاده می‌شود که امکان تولید قطعات مکانیکی یا تغییر خواص و ویژگی آن‌ها را فراهم می‌کند.

ساخت سنگ‌های قیمتی مصنوعی، احیاء سنگ معدن فلزی، برش اکسیژنی زیر آب و … از جمله دیگر کاربردهای گاز هیدروژن در صنعت است.

کاربرد هیدروژن در سوخت موشک

از همان ابتدا که موشک‌ها و صنعت فضا به راه افتادند، هیدروژن نقش مهمی در تولید سوخت موشک داشته است. یکی از دلایلی که از این گاز به عنوان سوخت استفاده می‌شود، انرژی زیادی است که می‌تواند تامین کند. 1 کیلوگرم هیدروژن تقریبا 3 برابر بیشتر از 1 کیلوگرم بنزین انرژی دارد. با توجه به اینکه موشک هنگام پرتاب تا حد امکان باید سبک باشد، پس استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت آن بهترین انتخاب از بین سوخت‌های دیگر است.

هیدروژن برای تولید انرژی پاک

هیدروژن به منظور تولید انرژی پاک برای کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد. برخی از این کاربردها شامل موارد زیر می‌شوند:

تامین برق مناطقی که به شبکه برق متصل نیستند.
در برخی از ژنراتورهای قابل حمل به عنوان سوخت کار برده می‌شوند.
به عنوان انرژی پشتیبان قابل اعتماد در مکان‌های حساس استفاده می‌شوند.

همچنین برای حمل و نقل پاک، هیدروژنی که در پیل سوختی استفاده می‌شود، این امکان را فراهم می‌کند که برق ماشین را به طور مستقیم با موتور الکتریکی آن تولید کنیم. میزان آلودگی تولید شده توسط وسایل نقلیه‌ای که از هیدروژن به عنوان سوخت استفاده می‌کنند، صفر است. در قسمت بعد به بررسی دقیق‌تری از استفاده از گاز هیدروژن به عنوان سوخت در وسایل نقلیه خواهیم پرداخت.

کاربرد ایزوتوپ های هیدروژن

ایزوتوپ‌های هیدروژن در تحقیقات علمی، زیست پزشکی و انرژی همجوشی حیاتی کاربردهای قابل توجهی دارد. انرژی همجوشی حیاتی در واقع ترکیب انرژی فسیلی انسان و آلودگی محیطی ناشی از آن است. این نوع ایزوتوپ‌ها در صنایع مختلف به کار گرفته می‌شوند و بیش از هر چیزی از آن‌ها در صنعت شیمیایی استفاده می‌کنند.

در ضمن ایزوتوپ‌های هیدروژن در پالایشگاه و صنایع الکترونیک نیز کاربرد چشمگیری دارند. از آنجایی که ایزوتوپ‌های هیدروژن واکنش‌دهنده هستند حتی در آینده نیز از آن‌ها به عنوان یک سوخت تمیز استفاده می‌شود. در حال حاضر نیز اگر سوختی به این ایزوتوپ‌ها مجهز باشد، تا حدودی جزء انرژی‌های تمیز به شمار می‌آید. برخی از کاربردهای اصلی این ایزوتوپ‌ها را در ادامه نام می‌بریم:

پالایشگاه
صنعت متالوژی
سوخت کاربردی فضایی
صنعت شیشه
انرژی و سوخت درون برخی اتوبوس‌ها و ماشین‌ها
صنعت ساخت آمونیاک ضروری برای کودهای کشاورزی
صنعت پلاستیک‌سازی
صنعت داروسازی
ساخت روغن

برای اینکه با کاربردهای ایزوتوپ‌های هیدروژن بیشتر آشنا شوید، بد نیست به نقش گازهای هلیوم، نئون و هیدروژن در مخلوط های گازی نیز آشنایی پیدا کنید.

سنگین ترین ایزوتوپ هیدروژن چند نوترون دارد؟

سنگین‌ترین ایزوتوپ هیدروژن یک 3 است که به آن ترتیوم نیز گفته می‌شود. این ایزوتوپ از یک پروتون و 2 نوترون تشکیل شده است. زمانی که تریتیوم با افزودن یک نوترون به دوتریوم فرمول دیگری تشکیل می‌دهد، به طور حتم انرژی بیشتری آزاد خواهد شد.

انرژی حاصل از اتصال بیشتری تریتیوم در مقایسه با دوتریوم نشان می‌دهد که انرژی پتانسیل هسته‌ای به روش ساده توسعه پیدا نمی‌کند. در نظر داشته باشید پروتون‌ها و نوترون‌ها برای ساختن هسته‌های پرجرم‌تر اضافه می‌شوند.

ترتیب پایداری ایزوتوپ های هیدروژن

ترتیب پایداری ایزوتوپ‌های هیدروژن را می‌توان براساس عمر آن‌ها تعیین و مشخص کرد. در ایزوتوپ‌های طبیعی هیدروژن، ترتیب از هیدروژن یک شروع شده و به ایزوتوپ‌های دو و سه می‌رسد. در ابتدا هیدروژن بزرگ‌تر یعنی ایزوتوپ پایدارتر قرار می‌گیرد. بعد از ایزوتوپ‌های طبیعی، ایزوتوپ‌های ساختگی نیز دارای ترتیب مشخصی برای پایداری خود هستند.

این ترتیب پایداری آن‌ها از ایزوتوپ‌ هیدروژن شماره 5 آغاز می‌شود، شماره 6، ایزوتوپ شماره 4 و در نهایت شماره 7 است. از میان ایزوتوپ‌های ساختگی هیدروژن شماره 7 از همه ناپایدارتر است و هیدروژن شماره 5 نیز نسبت به سایر ایزوتوپ‌های ساختگی از پایداری بیشتری برخوردار خواهد بود.

نقش هیدروژن در بدن انسان چیست؟

هیدروژن اولین عنصر جدول تناوبی است. مهم‌ترین عملکرد هیدروژن در بدن انسان هیدراته نگه‌داشتن آن است. آب از هیدروژن و اکسیژن تشکیل شده و توسط سلول‌های بدن جذب می‌شود. بنابراین عنصر حیاتی است که نه در بدن ما بلکه به عنوان سوخت، در سلاح‌های نظامی و غیره نیز استفاده می‌شود. بدون شک می‌دانید گاز اکسیژن چیست و چه تاثیری بر روی بدن افراد دارد.

بیشتر ما می‌دانیم که کاربرد گاز اکسیژن چیست اما با کاربرد هیدروژن در بدن خود آشنایی نداریم. به خاطر داشته باشید، بیشترین ماده موجود در جهان، سیارات و غیره، به طور عمده هیدروژن است. در ادامه برخی از کاربردهای این عنصر در بدن انسان را شرح می‌دهیم:

آب یک منبع اساسی برای بقای هر شکلی از حیات روی زمین است که از هیدروژن و اکسیژن تشکیل می‌شود.
هیدروژن در قند، پروتئین، نشاسته و چربی یافت می‌شود که بخش مهمی از رژیم غذایی انسان هستند.
هیدروژن جزء مهم آب است. به دلیل وجود آب، سلول‌های بدن هیدراته می‌مانند و به دفع سموم از بدن کمک می‌کنند. مواد مغذی نیز به سلول‌های منتقل می‌شوند. مفاصل روغن‌کاری می‌شوند و سیستم ایمنی بدن را قوی می‌کند.
هیدروژن به تولید انرژی در بدن کمک می‌کند. همانطور که می‌دانیم بدن انسان از انرژی به شکل آدنوزین تری فسفات استفاده می‌کند. ما انرژی مصرف می‌کنیم که به مواد غذایی همانند کربوهیدرات‌های تشکیل شده از کربن، هیدروژن و اکسیژن آغشته هستند. آنزیم‌های موجود در بدن ما به هضم غذا کمک می‌کنند و غذای پیچیده را به مواد ساده‌تر تجزیه می‌کند.
هیدروژن مسئول کند کردن روند پیری بدن است. پیری توسط ماده‌ای به نام رادیکال‌های آزاد در بدن ایجاد می‌شود. هیدروژن در بافت‌های بدن ما ذخیره می‌شود و از آسیب‌هایی که رادیکال‌های آزاد می‌توانند به بدن وارد کنند، جلوگیری می‌کند.

کاربرد گاز هیدروژن در تولید برق

سلول‌های سوختی هیدروژنی با ترکیب کردن مولکول‌های اکسیژن و هیدروژن می‌توانند الکتریسیته تولید کنند. در واقع هیدروژن با اکسیژن در یک سلول الکتروشیمیایی که مانند باتری است واکنش داده و برق، آب و مقدار کمی گرما تولید می‌کند. انواع مختلفی از این سلول‌های سوختی در طیف وسیعی از وسایل به کار برده می‌شوند. سلول‌های سوختی کوچک می‌توانند رایانه‌ها، لپ تاپ‌ها و تلفن همراه‌ها را تغذیه کنند. سلول‌های سوختی بزرگ توانایی تامین برق برای شبکه‌های برق و برق پشتیبان یا اضطراری خانه‌ها و ساختمان‌ها را دارند. همچنین در تامین برق مکان‌هایی که به شبکه برق متصل نیستند نیز به خوبی عمل می‌کنند.

همانطور که گفته شد، گاز هیدروژن به عنوان جایگزین سوخت وسایل نقلیه نیز کاربرد دارد. دلیل این جایگزینی، قابلیت تامین این گاز بدون ایجاد آلودگی است. از طرف دیگر یک سلول سوختی می‌تواند دو تا سه برابر کارآمدتر از موتورهای بنزینی باشد؛ اما بالا بودن هزینه سلول‌های سوختی و بالا بودن هزینه‌های ماشین‌هایی که از این نوع موتور استفاده می‌کنند از یک طرف و محدود بودن ایستگاه‌های سوخت هیدروژنی از طرفی دیگر، باعث شده است که تعداد خودروهایی که با سوخت هیدروژنی کار می‌کنند، بسیار کم و محدود باشد.

منابع تولید گاز هیدروژن

منابع و شیوه‌های متنوعی برای تولید این گاز وجود دارد که به دو دسته کلی صنعتی و آزمایشگاهی تقسیم می‌شود. در صورتی که این گاز از طریق انجام واکنش‌های شیمیایی انجام شده باشد، اغلب در دسته روش تولید آزمایشگاهی جای دارد.

از جمله منابع تولید هیدروژن می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

الکترولیز آب (رایج‌ترین روش)
محل تولید گاز طبیعی
فرایند کلرآلکالی
برقکافت محلول کلرید سدیم
بازیافت پالایشگاه‌های نفت
بازیافت گاز کوره کک در صنایع فولاد

خطرات گاز هیدروژن

در بخش مشخصات به خاصیت آتش زا بودن این گاز اشاره کردیم. با توجه به این نکته، رنگ سیلندر گاز هیدروژن یکپارچه قرمز است. از طرف دیگر، دمای شعله هیدروژن حدود 500˚C است؛ این دمای بالا باعث انتشار پرتوهای فرابنفش از شعله هیدروژن شده و خطراتی برای افراد اطراف آن به دنبال دارد.

مجموعه این موارد موجب شده است تا نگهداری، حمل و نقل و محافظت از این سیلندر گاز بیش از پیش اهمیت داشته باشد. دقت و ظرافت دو مولفه مهمی هستند که در انجام این کار باید رعایت شود. تحت هیچ شرایطی نباید در مجاورت سیلندر گازهای آتش زا و اکسیدکننده مثل اکسیژن، نیتروز اکساید و … قرار بگیرد.

همچنین تابش نور خورشید، قرارگیری در مجاورت جرقه، حرارت و شعله از جمله دیگر عواملی هستند که می‌توانند محیط کاری شما را در معرض خطرات این گاز قرار دهند.

غلظت بالای هیدروژن می‌تواند کمبود اکسیژن و خطر خفگی را به دنبال داشته باشد. سردرد، سرگیجه، وزوز گوش، شنیدن صدای زنگ در گوش، تهوع، بیهوشی، افسردگی و … از جمله نتایج نامطلوب ناشی از تنفس این گاز است. در شرایط حاد ممکن است پوست فرد به رنگ آبی درآمده و حتی منجر به مرگ شود. در صورت استنشاق، هوای تازه را تنفس کنید و استراحت کنید. در برخی شرایط حاد ممکن است به تنفس مصنوعی و یا مراجعه به پزشک و مراکز درمانی نیاز باشد.

در صورت آتش سوزی، از اسپری آب، اسپری پودری و اسپری دی اکسید کربن استفاده کنید. همچنین در آتش سوزی شدید برای جلوگیری از انفجار، کپسول را با اسپری کردن آب سرد نگه دارید. توجه داشته باشید که بهتر است این کار را در محیط‌های بسته و دارای سقف یا محافظ انجام دهید.

گاز هیدروژن، کاربردی و دوستدار طبیعت

هیدروژن یک جایگزین سالم‌تر و بهتری برای متان و سوخت‌های فسیلی است. هیدروژن فراوان‌ترین عنصر شیمیایی است که به طور تقریبی 75% از جرم کیهان را تشکیل می‌دهد. روی زمین، مقادیر بسیار زیادی هیدروژن به صورت ترکیب در آب، گیاهان، بدن انسان، و… وجود دارد. اگرچه در تمام نقاط جهان یافت می‌شود، اما به عنوان یگ گاز خالص بسیار کمیاب است. هیدروژن را می‌توان از منابع مختلفی مانند گاز طبیعی، انرژی هسته‌ای و انرژی‌های طبیعی مثل خورشید و باد تولید کرد. در حال حاضر بزرگترین چالش در مورد استفاده از گاز هیدروژن، به کار بردن آن به عنوان سوخت در مقیاس‌های بزرگ برای خانه‌ها و صنعت است.

منبع: parshavayealborz