هیدروژن

هیدروژن، ₁H

درخشش بنفش در حالت پلاسما
هیدروژن
ظاهر	گاز بی رنگ و بی بو
جرم اتمی استاندارد (Ar، استاندارد)	(۷۰۰۰۱۰۰۷۸۴۰۰۰۰۰۰۰۰۰♠۱٫۰۰۷۸۴، ۷۰۰۰۱۰۰۸۱۱۰۰۰۰۰۰۰۰۰♠۱٫۰۰۸۱۱) conventional: ۷۰۰۰۱۰۰۸۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰♠۱٫۰۰۸
هیدروژن در جدول تناوبی
– ↑ H ↓ لیتیم – ← هیدروژن → هلیوم
عدد اتمی (Z)	1
گروه	1: H and alkali metals
دوره	دوره 1
بلوک	بلوک-s
دسته	Reactive nonmetal
آرایش الکترونی	1s1
لایه الکترونی	1
ویژگی‌های فیزیکی
فاز در STP	گاز
نقطه ذوب	13.99 K ​(−259.16 °C, ​−434.49 °F)
نقطه جوش	20.271 K ​(−252.879 °C, ​−423.182 °F)
چگالی (در STP)	0.08988 g/L
در حالت مایع (at m.p.)	0.07 g/cm3 (solid: 0.0763 g/cm3)
در حالت مایع (در نقطه جوش)	0.07099 g/cm3
نقطه سه‌گانه	13.8033 K, ​7.041 kPa
نقطه بحرانی	32.938 K, 1.2858 MPa
حرارت همجوشی	(H2) 0.117 kJ/mol
آنتالپی تبخیر	(H2) 0.904 kJ/mol
ظرفیت حرارتی مولی	(H2) 28.836 J/(mol·K)
فشار بخار فشار (Pa) ۱ ۱۰ ۱۰۰ ۱ K ۱۰ K ۱۰۰ K در دمای (K) 15 20
ویژگی‌های اتمی
عدد اکسایش	−1, +1 (an amphoteric اکسید)
الکترونگاتیوی	مقیاس پائولینگ: 2.20
انرژی یونش
شعاع کووالانسی	pm 31±5
شعاع واندروالسی	120 pm
خط طیف نوری هیدروژن
دیگر ویژگی ها
ساختار بلوری	​دستگاه بلوری شش‌گوشه
سرعت صوت	1310 m/s (gas, 27 °C)
رسانندگی گرمایی	0.1805 W/(m·K)
رسانش مغناطیسی	دیامغناطیس
پذیرفتاری مغناطیسی	−3.98·10−6 cm3/mol (298 K)
شماره ثبت سی‌ای‌اس	12385-13-6 1333-74-0 (H2)
تاریخچه
کشف	هنری کاوندیش (1766)
نامگذار	آنتوان لاووازیه (1783)
ایزوتوپ‌های هیدروژن
ایزوتوپ فراوانی نیمه‌عمر (t۱/۲) حالت فروپاشی محصول 1H 99.98% ضریب ایزوتوپ پایدار با 0 نوترون 2H 0.02% پایدار با 1 نوترون 3H ایزوتوپ پرتوزای ناچیز 12.32 y واپاشی بتا 0.01861 3He

هیدروژن (به انگلیسی: Hydrogen) با نماد شیمیایی H، یک عنصر شیمیایی در جدول تناوبی با عدد اتمی ۱ است. جرم اتمی این عنصر ۱٫۰۰۷۹۴ u است. هیدروژن سبک‌ترین عنصر در جهان بوده و در شرایط استاندارد هیدروژن گازی از مولکول‌های دو اتمی با فرمول H₂ ساخته می‌شود. این عنصر بی‌رنگ، بی‌بو، بی‌مزه، غیر سمی و بسیار قابل احتراق نیز می‌باشد. هیدروژن فراوان‌ترین ماده شیمیایی در جهان بوده که تقریباً ۷۵٪ از جرم جهان را تشکیل می‌دهد و بر روی زمین به اشکال مولکولی مانند آب و ترکیبات آلی وجود دارد اما به سختی می‌توان تک اتم هیدروژن را بر روی زمین پیدا کرد. برخی جرم‌های آسمانی مانند کوتولهٔ سفید یا ستاره‌های نوترونی از حالت پلاسمای هیدروژن ساخته شده‌اند؛ و به سختی می‌توان تک اتم هیدروژن را پیدا کرد.

ایزوتوپی از هیدروژن که بیشتر دیده می‌شود، پروتیوم نام دارد (بیشتر از نماد آن ^۱H یاد می‌شود تا نام آن) این ایزوتوپ، یک پروتون دارد و نوترون ندارد و در ترکیب‌های یونی می‌تواند بار منفی (آنیون هیدرید با نماد ^-H) به خود بگیرد. همچنین بار مثبت آن نیز به صورت ⁺H یافت می‌شود که در این صورت تنها از یک پروتون ساده ساخته شده‌است. البته در حقیقت بدست آوردن کاتیون هیدروژن در ترکیب‌های پیچیده تری ممکن می‌شود.

عنصر هیدروژن با بیشتر عنصرها می‌تواند ترکیب شود و می‌توان آن را در آب، تمامی ترکیب‌های آلی و موجودات زنده پیدا کرد. این عنصر در واکنش‌های اسید و قلیایی در بسیاری واکنش‌ها با داد و ستد پروتون میان مادهٔ حل شدنی و حلال نقش مهمی از خود نشان می‌دهد. هیدروژن به عنوان ساده‌ترین عنصر شناخته شده در دانش نظری بسیار کمک‌کار بوده‌است، برای نمونه از آن در حل معادلهٔ شرودینگر یا در مطالعهٔ انرژی و پیوند و در نهایت پیشرفت دانش مکانیک کوانتوم نقش کلیدی داشته‌است.

گاز هیدروژن (با نماد H_۲) نخستین بار در سدهٔ ۱۸ میلادی به صورت آزمایشگاهی از واکنش اسیدهای قوی با فلزهایی مانند روی بدست آمد (۱۷۶۶ تا ۱۷۸۱). هنری کاوندیش نخستین کسی بود که دریافت گاز هیدروژن برای خود، یک مادهٔ جداگانه‌است. و از سوختن آن آب پدید می‌آید. دلیل نامگذاری هیدروژن هم همین ویژگی آن است به معنی آب‌ساز در زبان یونانی. در شرایط استاندارد دما و فشار هیدروژن عنصری است بی‌رنگ، بی‌بو، بی‌مزه، نافلز، غیرسمّی یک ظرفیتی، گازی دو اتمی، بسیار آتش‌گیر و با فرمول شیمیایی H_۲.

در صنعت برای تولید هیدروژن از گاز طبیعی بهره می‌برند و کمتر به الکترولیز آب روی می‌آورند. بیشتر هیدروژن تولیدی در نزدیکی محل تولید، در فرایند سوخت سنگواره‌ای (مانند کراکینگ) و تولید آمونیاک برای ساخت کود شیمیایی، مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرد. امروزه دانشمندان در تلاش اند تا جلبک‌های سبز را در تولید هیدروژن به‌کار ببندند.

تست طیف هیدروژن

در دانش فلزشناسی، تردی هیدروژنی بسیاری فلزها مورد بررسی است تا با کمک آن در طراحی لوله‌ها و مخزن‌ها دگرگونی‌هایی پدیدآورند.

ویژگی‌ها

سوختن

موتور اصلی شاتل فضایی که در آن، هیدروژن و اکسیژن به‌طور کامل می‌سوزند و شعله نا مریی تولید می‌کنند چون نور مریی تولید نمی‌شود.

گاز هیدروژن (دی‌هیدروژن یا مولکول هیدروژن) بسیار آتش‌گیر است و می‌تواند در هوا و در بازهٔ گسترده‌ای از غلظت، میان ۴٪ تا ۷۵٪ حجمی، بسوزد. آنتالپی استاندارد سوختن برای هیدروژن ۲۸۶ کیلوژول بر مول است:

2 H_۲(g) + O_۲(g) → 2 H_۲O(l) + 572 kJ (286 kJ/mol)

اگر هیدروژن با هوا آمیخته شود و غلظت آن میان ۴ تا ۷۴ درصد باشد یا آمیزه‌ای از هیدروژن و کلر با درصد ۵ تا ۹۵ درصد می‌تواند ماده‌ای انفجاری را پدیدآورد. این آمیزه‌های گازی با یک جرقه، کمی گرما یا نور خورشید بی‌درنگ منفجر می‌شود. دمای خودآتشگیری هیدروژن، دمایی که هیدروژن در آن خود به خود در هوا آتش می‌گیرد، ۵۰۰ درجهٔ سانتیگراد یا ۹۳۲ فارنهایت است. از شعلهٔ سوختن هیدروژن-اکسیژن خالص پرتوهای فرابنفش تابیده می‌شود که برای چشم ناپیدایند. مانند شعله‌ای که در موتور اصلی شاتل فضایی در اثر سوختن هیدروژن-اکسیژن پدید می‌آید. برای ردیابی نشتی در هیدروژن در حال سوختن نیاز به ابزارهای ردیابی شعله داریم، چنین نشتی‌هایی می‌توانند بسیار خطرناک باشند. فاجعهٔ آتش‌گیری کشتی هوایی هیندنبرگ و سقوط آن یک نمونهٔ مصیبت‌بار از سوختن هیدروژن است دلیل این آتش‌سوزی مورد بررسی است اما شعله و آتشی که از بیرون دیده شد به دلیل سوختن دیگر مواد روی این کشتی هوایی بود. چون هیدروژن سبک است و در هوا شناور می‌شود شعلهٔ آتش هیدروژن خیلی زود بالا رفت و نسبت به سوخت‌های هیدروکربنی خرابی کمتری به بار آورد. دو-سوم سرنشینان این فضاپیما از آتش‌سوزی جان سالم به در بردند. بیشتر کشته‌ها به دلیل سقوط یا آتش‌گیری سوخت دیزل بود.

H_۲ می‌تواند با هر عنصر اکسید شده‌ای وارد واکنش شود همچنین می‌تواند در دمای اتاق به صورت خود به خودی و البته خطرآفرین با کلر و فلوئور واکنش دهد و هالیدهای هیدروژن، هیدروژن کلرید و هیدروژن فلوئورید را پدیدآورد. این هالیدها خود اسیدهای خطرناکی‌اند.

تراز انرژی الکترونی

مقالهٔ اصلی: اتم هیدروژن

نگاره‌ای از اتم هیدروژن که در آن بزرگی پروتون مرکزی و قطر اتم، هر دو نشان داده شده‌است. قطر اتم تقریباً دو برابر شعاع بدست آمده توسط مدل بور است. (مقیاس این نگاره دقیق نیست)

تراز انرژی الکترون در اتم هیدروژن، در پایین‌ترین سطح خود یا حالت صفر، ۱۳٫۶- الکترون‌ولت است؛ که برابر است با یک فوتون فرابنفش با طول موجی نزدیک به ۹۲ نانومتر.

تراز انرژی هیدروژن را می‌توان با کمک مدل اتمی بور، با تقریب خوبی بدست آورد. در مدل بور فرض بر این است که الکترون‌ها در اتم، مانند زمین که به گِرد خورشید می‌گردد، به گِرد پروتون (هستهٔ اتم) می‌چرخند. البته نیروی الکترومغناطیسی میان الکترون‌ها و پروتون‌ها ربایش پدیدمی‌آورد مانند سیاره‌ها که به خاطر نیروی گرانش سوی ستاره‌ها رباییده می‌شوند. در دوران آغازین مکانیک کوانتوم چنین انگار شده بود که تکانهٔ زاویه‌ای کمیتی گسسته‌است در نتیجه الکترون در مدل بور اجازه داشت در فاصله‌های مشخصی از پروتون جای گیرد و در نتیجه انرژی آن هم با مقدارهای مشخصی برابر می‌شد.

برای دریافت توضیح دقیق تری دربارهٔ اتم هیدروژن باید به رفتار آن در مکانیک کوانتوم نگاه کرد. با توجه به معادلهٔ شرودینگر و فرمول انتگرالی فاینمن می‌توان رفتار احتمالاتی الکترون به گِرد پروتون را محاسبه کرد. برپایهٔ مکانیک کوانتوم، الکترون در یک اتم هیدروژن در حالت تراز صفر، هیچگونه تکانهٔ زاویه‌ای ندارد، تفاوت میان همانندسازی گردش الکترون‌ها به منظومهٔ خورشیدی و آنچه در عمل رخ می‌دهد اینجا است.

ساختار مولکولی

نخستین نشانه‌های دیده شده در هیدروژن مایع در اتاقک حباب در بواترن

دو اسپین متفاوت برای همپارهای مولکول دو اتمی هیدروژن وجود دارد که در آن، تفاوت در اسپین هسته‌ها نسبت به یکدیگر است. در ساختار راست‌هیدروژن (اورتوهیدروژن) اسپین دو پروتون هم‌سو است و با عدد کوانتومی اسپین مولکول ۱ (½+½) یک حالت سه‌گانه می‌سازد. در پاراهیدروژن اسپین‌ها ناهم‌سو است در نتیجه با عدد کوانتومی اسپین ۰ (½–½) یک یگانه را می‌سازد. در دما و فشار استاندارد، ساختار ۲۵٪ از گاز هیدروژن به صورت پارا و ۷۵٪ آن به صورت راست یا اورتو است که به آن «ساختار معمولی» هم گفته می‌شود. نسبت تعادلی هیدروژن پارا به راست (اورتو) به دمای آن بستگی دارد اما چون ساختار راست یک حالت برانگیخته است و تراز انرژی بالاتری نسبت به پارا دارد، ناپایدار است و نمی‌توان آن را پالایید. در دمای بسیار پایین می‌توان گفت حالت تعادل تنها از پارا ساخته شده‌است. ویژگی‌های گرمایی پاراهیدروژن پالاییده در حالت‌های گازی و مایع، با ساختار معمولی بسیار متفاوت است و این از آنجا است که ظرفیت گرمایی گردشی آن‌ها متفاوت است. تفاوت‌های پارا و راست در مولکول‌های دیگری که هیدروژن دارند یا در گروه‌های عاملی نیز دیده می‌شود. برای نمونه آب و متیلن چنین اند اما این تفاوت در ویژگی‌های گرمایی آن‌ها بسیار ناچیز است. برای نمونه نقطهٔ ذوب و جوش پاراهیدروژن ۰٫۱ کلوین از هیدروژن راست (اورتو) پایین‌تر است.

با افزایش دما، تغییر ویژگی‌های هیدروژن از پارا به راست (اورتو) افزایش می‌یابد و پس از اندکی H_۲ فشرده سرشار از ساختار پُرانرژی اورتو می‌شود، ساختاری که با کندی بسیار به ساختار پارا بازمی‌گردد. نسبت اورتو/پارا در هیدروژن فشرده، نکتهٔ کلیدی در آماده‌سازی و ذخیرهٔ هیدروژن مایع است که باید آن را در نظر داشت. فرایند دگرگونی هیدروژن از راست (اورتو) به پارا گرمازا است و آنقدر گرما تولید می‌کند که باعث بخار شدن بخشی از هیدروژن مایع شود. در این فرایند از آسان‌گرهایی مانند زغال فعال، اکسید آهن(III)، آزبست پلاتینی، برخی فلزهای کمیاب، ترکیب‌های اورانیوم، اکسید کروم(III) و برخی ترکیب‌های نیکل کمک گرفته می‌شود. این آسان‌گرها هنگام خنک‌سازی هیدروژن افزوده می‌شوند.

حالت‌های گوناگون

• هیدروژن فشرده
• هیدروژن مایع
• هیدروژن دوغاب
• هیدروژن جامد
• هیدروژن فلزی

هیدروژن در فاز فلزی یک ماده تباهیده است. در این فاز، هیدروژن به شکل یک رسانای الکتریکی رفتار می‌کند. این فاز به صورت نظری در سال ۱۹۳۵ پیش‌بینی شد، اما هنوز به روشنی دیده نشده‌است و همچنان این احتمال وجود دارد که فازهای جدیدی از هیدروژن جامد، در شرایط استاتیک، پیدا شود.

ترکیب‌ها

نگاه کنید به: رده:ترکیب‌های هیدروژن

کووالانت و ترکیب‌های آلی

هیدروژن از سبک‌ترین گازها است و می‌تواند با بیشتر عنصرها وارد واکنش شود در حالی که در حالت مولکولی، H_۲ در شرایط استاندارد چندان واکنش پذیر نیست. هیدروژن الکترونگاتیوی ۲٫۲ دارد و می‌تواند با عنصرهایی که الکترونگاتیوی بیشتری دارند مانند هالوژن‌ها (مانند F، Ca، Br و I) یا اکسیژن وارد واکنش شود. در تمامی این واکنش‌ها هیدروژن بار مثبت به خود می‌گیرد. هیدروژن در ترکیب با فلوئور، اکسیژن یا نیتروژن پیوندی غیرکووالانسی با توانمندی میانگین به نام پیوند هیدروژنی برقرار می‌کند. این پیوند در پایداری بسیاری از مولکول‌های زیستی نقش اساسی دارد. همچنین هیدروژن این توان را دارد که با عنصرهایی با الکترونگاتیوی کمتر مانند فلزها و شبه‌فلزها وارد واکنش شود. در این صورت هیدروژن بار منفی به خود می‌گیرد. این گونه ترکیب‌ها بیشتر با نام هیدرید شناخته می‌شوند.

هیدروژن می‌تواند رشته‌های ترکیب‌های گسترده‌ای را با کربن پدیدآورد. این ترکیب‌ها هیدروکربن نام دارند. بیش از این، رشته ترکیب‌های هیدروژن با ناجوراتم‌ها هم وجود دارد که از هیدروکربن‌ها هم گسترده‌تر است و به دلیل ارتباطی که میان آن‌ها و اندام‌های زنده وجود دارد به آن‌ها ترکیب‌های آلی گفته می‌شود. و دانش بررسی ویژگی‌های چنین ترکیب‌هایی شیمی آلی نام دارد. و چنان‌که این بررسی در زمینهٔ سازوکار اندامک‌های زنده باشد زیست‌شیمی خوانده می‌شود. البته تعریف دیگری هم وجود دارد: برخی بر این باور اند که هر ترکیبی که کربن داشته باشد ترکیب آلی نام دارد، هرچند، بیشتر این ترکیب‌های کربنی دارای هیدروژن‌اند. امروزه میلیون‌ها هیدروکربن در جهان شناخته شده‌است که برای ساخت بسیاری از آن‌ها از فرایندهای پیچیده‌ای بهره برده شده‌است.

هیدریدها

بیشتر ترکیب‌های هیدروژن، هیدرید نام دارند. عبارت هیدرید نشان می‌دهد که در آن ترکیب اتم هیدروژن بار منفی یا آنیون به خود گرفته و به صورت ^-H نمایش داده می‌شود. این حالت زمانی پیش می‌آید که هیدروژن با عنصرهایی که دوست دارند الکترون از دست دهند، ترکیب شود. این مطلب نخستین بار توسط گیلبرت لوویس در سال ۱۹۱۶ برای هیدریدهای گروه یک و دو پیشنهاد شد؛ پس از آن مورئر، در سال ۱۹۲۰ با کمک الکترولیز لیتیم هیدرید مذاب، درستی این پدیده را نشان داد. همچنین مقدار هیدروژن در آنُد با کمک معادلات استوکیومتری قابل شمارش بود. برای هیدرید عنصرهایی غیر از فلزهای گروه یک و دو، با در نظر گرفتن الکترون‌دوستی پایین هیدروژن، وضعیت کمی متفاوت است. همچنین ترکیب BeH^۲ در گروه دو، یک پلیمری و استثنا است. در لیتیم آلومینیوم هیدرید، آنیون AlH−
۴ مرکزهای هیدریدی را با خود می‌برد در حالی که به سختی با Al(III) در پیونداند.

هیدریدها تقریباً با همهٔ عنصرهای گروه اصلی ساخته می‌شوند ولی شمار و آمیزش آن‌ها متفاوت است. برای نمونه بیش از ۱۰۰ هیدرید بور دوتایی شناخته شده‌است درحالی که تنها یک هیدرید آلومینیم دوتایی داریم و هیدرید ایندیم دوتایی هنوز شناخته نشده‌است هرچند که ترکیب‌های پیچیده‌تر وجود دارند.

در شیمی معدنی، هیدریدها به عنوان یک پل لیگاندی یا لیگاند واسطه هم کاربرد دارند؛ به این ترتیب که میان دو مرکز فلزی در ترکیب‌های کمپلس ارتباط برقرار می‌کنند. این کاربرد هیبرید بیشتر در میان عنصرهای گروه ۱۳ به ویژه در هیدریدهای بور، کمپلکس‌های آلومینیم و کربوران‌های خوشه‌دار دیده می‌شود.

پروتون‌ها و اسیدها

آگاهی بیشتر در واکنش اسید و باز

هیدروژن با اکسید شدن الکترون خود را از دست می‌دهد در نتیجه H⁺ بدست می‌آید که تنها دارای یک هسته‌است که خود آن هسته تنها یک پروتون دارد. به همین دلیل H⁺ را پروتون نیز می‌نامند. این ویژگی در بحث واکنش‌های اسیدها در خور توجه‌است. برپایهٔ نظریهٔ اسید و باز برونستد-لاری اسیدها دهندهٔ پروتون و قلیاها گیرندهٔ پروتون‌اند.

پروتون یا H⁺ را نمی‌توان به صورت تکی در یک محلول یا بلور یونی پیدا کرد، این به دلیل ربایش بسیار بالای آن به الکترون اتم‌ها یا مولکول‌های دیگر است. مگر در دماهای بسیار بالای مرتبط با حالت پلاسما. چنین پروتون‌هایی را نمی‌توان از ابر الکترونی اتم یا مولکول جدا کرد بلکه چسبیده به آن‌ها باقی می‌ماند. البته گاهی از عبارت «پروتون» برای اشاره به هیدروژن با بار مثبت یا کاتیون که در پیوند با دیگر مواد است هم استفاده می‌شود.

ایزوتوپ‌ها

مقالهٔ اصلی: ایزوتوپ‌های هیدروژن

پروتیوم، معمولی‌ترین ایزوتوپ هیدروژن فاقد نوترون است گرچه دو ایزوتوپ دیگر به نام دوتریوم دارای یک نوترون و تریتیوم رادیو اکتیو دارای دو نوترون، وجود دارند. دو ایزوتوپ پایدار هیدروژن پروتیوم(H-1) و دیتریوم(D, H-۲) هستند. دیتریوم شامل ۰٫۰۱۸۴–۰٫۰۰۸۲٪ درصد کل هیدروژن است (آیوپاک)؛ نسبت‌های دیتریوم به پروتیوم با توجه به استاندارد مرجع آب VSMOW اعلام می‌گردد. تریتیوم(T یا H-3)، یک ایزوتوپ پرتوزا (رادیواکتیو) دارای یک پرتون و دو نوترون است. هیدروژن تنها عنصری است که ایزوتوپ‌های آن اسمی مختلفی دارند.

پیشینه

شناسایی هیدروژن و دست‌آوردهای پس از آن

در سال ۱۶۷۱، رابرت بویل دریافت و توضیح داد که از واکنش میان آهن و یک اسید رقیق باعث تولید گاز هیدروژن می‌شود. پس از او در سال ۱۷۶۶ هنری کاوندیش نخستین کسی بود که گاز هیدروژن را به عنوان یک مادهٔ جداگانه شناخت. ماده‌ای که نتیجهٔ واکنش شیمیایی میان فلز و اسید بوده و البته آتش‌گیر نیز بوده‌است برای همین وی نام «هوای آتش‌گیر» را بر آن نهاد. او گمان برد «هوای آتش‌گیر» در حقیقت همان مادهٔ افسانه‌ای «آتش‌دوست» یا phlogiston است. آزمایش‌های پس از آن در سال ۱۷۸۱ نشان داد که از سوختن این گاز، آب پدید می‌آید. کاوندیش به عنوان کسی که برای نخستین بار هیدروژن را به عنوان یک عنصر دانست، شناخته می‌شود. در سال ۱۷۸۳ لاوازیه و لاپلاس هنگامی که یافته‌های کاوندیش را آزمودند و دیدند که از سوختن این گاز، آب پدید می‌آید به پیشنهاد لاوازیه نام هیدروژن را برای آن برگزیدند. هیدروژن به معنی سازندهٔ آب یا آبزا، از واژهٔ یونانی ὕδρω یا hydro به معنی «آب» و γενῆς یا genes به معنی «سازنده» ساخته شده‌است.

لاوازیه در آزمایش‌های سرشناس خود دربارهٔ بقای ماده، از واکنش میان بخار آب با فلز آهنی که در آتش به شدت داغ و دچار تابش شده بود، به تولید هیدروژن دست یافت. اکسید کردن آهن در یک فرایند بدون هوا با کمک پروتون‌های آب در دمای بسیار بالا از واکنش‌های زیر پیروی می‌کند:

Fe + H_۲O → FeO + H_۲

2 Fe + 3 H_۲O → Fe_۲O_۳ + 3 H_۲

3 Fe + 4 H_۲O → Fe_۳O_۴ + 4 H_۲

زیرکونیم و بسیاری دیگر از فلزها اگر همین فرایند را با آب داشته باشند باز به تولید هیدروژن می‌رسند.

نخستین بار در سال ۱۸۹۸ جیمز دیوئر توانست هیدروژن را در فرایند سرمایش بازیابی و با کمک چندی از ابتکارهای خودش مانند فلاسک خلاء مایع کند. او یک سال بعد توانست هیدروژن را جامد کند. در دسامبر ۱۹۳۱، هارولد یوری توانست دوتریوم و پس از او در ۱۹۳۴ ارنست رادرفورد، مارک اولیفانت و پاول هارتک توانستند تریتیوم را بدست آورند. در ادامه، آب سنگین که به جای هیدروژن معمولی از دوتریوم ساخته شده را گروه هارولد یوری در ۱۹۳۲ بدست آوردند. در سال ۱۸۰۶ فرانسوآ ایزاک دو ریواز نخستین ماشین درون‌سوز با سوخت آمیزه‌ای از هیدروژن و اکسیژن را ساخت و ادوارد دانیل کلارک لوله‌های دم دهندهٔ هیدروژن را در سال ۱۸۱۹ درست کرد. روشنایی کلسیم و لامپ دوبراینر هم نخستین بار در سال ۱۸۲۳ درست شدند.

نخستین نسل کشتی هوایی در آسمان

نخستین بادکنک هیدروژنی را ژاک شارل در ۱۷۸۳ پدیدآورد، اما آنری ژیفار نخستین کسی بود که توانست از این بادکنک‌های هیدروژنی یک وسیلهٔ جابجایی در آسمان بسازد و به اندازهٔ کافی در هوا بالا رود. او در سال ۱۸۵۲ به این کامیابی دست یافت. پس از آن فردیناند زپلین آلمانی پیشنهاد ساخت یک کشتی پرنده را داد و در سال ۱۹۰۰ نخستین زپلین در آسمان به پرواز درآمد. با آمدن این ابزار مسافرت‌های هوایی ممکن شد تا آنجا که از سال ۱۹۱۰ تا ۱۹۱۴ که جنگ جهانی اول آغاز شد، ۳۵٬۰۰۰ مسافر بدون هیچ حادثهٔ جدی در آسمان جابجا شدند. در طول جنگ هم این ابزار به عنوان دیده‌بان یا بمب افکن کاربرد داشت.

کشتی‌های هوایی بریتانیایی آر۳۴ که در سال ۱۹۱۹ ساخته شد می‌توانست عرض اقیانوس اطلس را بدون توقف طی کند. پس از آن در دههٔ ۱۹۲۰ پروازهای مرتب برای مسافرین فراهم شد. با شناسایی گاز هلیم توسط آمریکایی‌ها امید آن بود که این مسافرت‌ها از امنیت بیشتری برخوردار شوند. اما دولت آمریکا نپذیرفت که هلیوم را برای این هدف بفروشد. برای همین به ناچار این کشتی‌های فضایی همچنان با هیدروژن کار می‌کردند. کشتی هوایی هیندنبورگ که در ۶ مه ۱۹۳۷ در آسمان نیوجرسی آتش گرفت هم با گاز H_۲ پرواز می‌کرد. این رویداد به صورت زنده از رادیو پخش می‌شد و از آن فیلم گرفته می‌شد. گمان آن می‌رفت که آتش‌سوزی به دلیل نشت گاز هیدروژن رخ داده‌است اما چندی بعد بررسی‌ها نشان داد که از جرقهٔ میان تارهای آلومینیمی در اثر الکتریسیتهٔ ساکن آتش‌سوزی روی داده‌است اما هر چه بود این رویداد باعث از بین رفتن اعتماد عمومی نسبت به ابزارهای پروازی به کمک گاز هیدروژن شد.

در سال ۱۹۷۷ برای نخستین بار از پیل‌های نیکل‌هیدروژن در سامانهٔ ردیابی ماهواره‌ای نیروی دریایی بهره برده شد. برای نمونه در ایستگاه فضایی بین‌المللی، اودیسهٔ مریخ و نقشه‌بردار سراسر مریخ، پیل‌های نیکل‌هیدروژن بکار رفته‌است. تلسکوپ فضایی هابل هم در بخش‌هایی از گردشش که فضا تاریک است از نیرو پیل‌های نیکل‌هیدروژن بهره می‌برد. اما این پیل‌ها در مه سال ۲۰۰۹ جایگزین شدند.

نقش هیدروژن در گسترش نظریهٔ کوانتوم

طیف مرئی تابیده شده از هیدروژن، چهار خط مرئی سری بالمر.

ساختار اتمی نسبتاً سادهٔ هیدروژن یعنی اینکه تنها دارای یک پروتون و یک الکترون بود و افزون بر آن، طیف نوری که از هیدروژن تابیده می‌شد یا توسط هیدروژن دریافت می‌شد، همگی در گسترش نظریهٔ ساختار اتم بسیار کمک‌کار بودند. سادگی ساختار مولکول هیدروژن و کاتیون H_۲⁺ کمک کرد تا شناخت بهتری از پیوندهای شیمیایی بدست آید. این دستاورد اندکی پس از بیان نظریهٔ رفتار مکانیک کوانتوم اتم هیدروژن در میانهٔ دههٔ ۱۹۲۰، بدست آمد.

یکی از اثرها و ویژگی‌های کوانتومی که به خوبی دیده شد (اما در آن هنگامه فهمیده نشد) مشاهدات ماکسول در زمینهٔ هیدروژن بود که نیم قرن پیش از رسیدن به نظریهٔ مکانیک کوانتوم روی داد. ماکسول مشاهده کرد که ظرفیت گرمایی H_۲ در دماهای زیر دمای اتاق به سرعت از انرژی گرمایی گازهای دو اتمی دور و به تک اتمی‌ها نزدیک می‌شود. برپایهٔ نظریهٔ کوانتوم این رفتار به فاصلهٔ میان ترازهای انرژی دورانی بازمی‌گردد که به ویژه در H_۲ به دلیل جرم کوچک آن، با هم فاصلهٔ زیادی دارند این ترازهای بافاصله، از پخش شدن یکنواخت انرژی گرمایی در حرکت دورانی هیدروژن در دمای پایین پیشگیری می‌کند. گازهای دو اتمی که از اتم‌های سنگین تری ساخته شده‌اند دارای چنین ترازهای با فاصلهٔ انرژی نیستند و نمی‌توانند چنین رفتاری را از خود نشان دهند.

پیدایش

ان‌جی‌سی ۶۰۴ یک ناحیهٔ گسترده از هیدروژن یونی شده از کهکشان سه تکه

هیدروژن فراوانترین عنصر در جهان است تا آنجا که ۷۵٪ جرم مواد طبیعی از این عنصر ساخته شده و بیش از ۹۰٪ اتم‌های سازندهٔ آن‌ها اتم هیدروژن است و البته گمان آن می‌رود که جرم‌های ناشناخته مانند مادهٔ تاریک و انرژی تاریک هم چنین ساختاری داشته باشند. هیدروژن و ایزوتوپ‌های آن به فراوانی در ستاره‌ها و سیاره‌های غول‌های گازی یافت می‌شوند. هیدروژن از راه واکنش‌های پروتون-پروتون و چرخهٔ سی‌ان‌او در همجوشی هسته‌ای نقشی کلیدی در زاییده شدن، درخشان شدن و پُرتوان شدن یک ستاره بازی می‌کند چون ابرهای مولکول هیدروژن رابطه‌ای مستقیم با زایش یک ستاره دارند.

در سراسر کیهان، هیدروژن بیشتر در حالت اتمی یا پلاسمایی دیده می‌شود. در حالت پلاسما ویژگی‌های ماده کاملاً متفاوت از ویژگی‌های آن در حالت مولکولی است چرا که در این وضعیت الکترون و پروتون دیگر در بند یکدیگر نیستند در نتیجه رسانش الکتریکی و تابش بسیار بالایی در ماده رخ می‌دهد (نوری که از خورشید و دیگر ستارگان تابیده می‌شود) و ذره‌های باردار به شدت زیر تأثیر میدان‌های مغناطیسی و الکتریکی قرار دارند. برای نمونه بادهای خورشیدی که با مغناط‌کرهٔ زمین در اندرکنش قرار می‌گیرد و باعث به‌وجود آمدن شفق قطبی و جریان‌های بیرکلند در زمین می‌شوند، چنین‌اند.

برخلاف فراوانی زیاد هیدروژن در کیهان، غلظت این عنصر در هواکرهٔ زمین بسیار کم است (۱ ppm برحسب حجم) و این بیشتر به دلیل سبکی این گاز نسبت به دیگر گازها است که می‌تواند آسان‌تر از میدان گرانش زمین بگریزد هیدروژن گازی هم که در زمین یافت می‌شود بیشتر به صورت مولکول دو اتمی H_۲ دیده می‌شود. با وجود تمام این توضیح‌ها، از دیدگاه فراوانی، هیدروژن سومین عنصر فراوان در سطح زمین است و این به دلیل حضور آن در بیشتر ترکیب‌های شیمیایی مانند هیدروکربن‌ها و آب است. آب در دسترس‌ترین سرچشمهٔ هیدروژن در زمین است که از دو بخش هیدروژن و یک بخش اکسیژن (H_۲O) ساخته شده‌است.

همچنین هیدروژن در بیشتر گونه‌های مواد آلی که در اندام‌های زنده کاربرد دارند پیدا می‌شود، زغال، سوخت فسیلی و گاز طبیعی. متان (CH_۴)، که یکی از محصولات فرعی فساد ترکیبات آلی است همگی دارای هیدروژن‌اند. گاز هیدروژن توسط باکتری‌ها و جلبک‌ها ساخته می‌شود و البته یکی از سازندگان طبیعی باد شکم است.

هیدروژن از راه‌های گوناگون بدست می‌آید، گذر بخار از روی کربن داغ، تجزیه هیدروکربن بوسیلهٔ حرارت، واکنش هیدروکسید سدیم یا پتاسیم بر آلومینیوم، الکترولیز آب یا از جابجایی آن در اسیدها توسط فلزات خاص.

تولید

در آزمایشگاه‌های زیست‌شناسی و شیمی می‌توان گاز هیدروژن را تولید کرد. این گاز معمولاً محصول کناری دیگر واکنش‌ها است.

در آزمایشگاه

در آزمایشگاه با کمک دستگاه کیپ می‌توان از واکنش اسیدها با فلزهایی مانند روی، هیدروژن بدست آورد:

Zn + 2 H+
→ Zn
۲+ + H
۲

از واکنش آلومینیم با قلیاها هم می‌توان به نتیجه رسید:

۲ Al + 6 H
۲O + 2 OH−
→ ۲ Al(OH)−
۴ + ۳ H
۲

الکترولیز آب هم یک روش آسان برای تولید هیدروژن است. با گذر یک جریان کم ولتاژ از آب می‌توان گاز اکسیژن را در آنُد و گاز هیدروژن را در کاتُد جمع کرد. برای جمع‌آوری هیدروژن معمولاً کاتد از پلاتین یا یک فلز واسطهٔ دیگر برگزیده می‌شود. البته چون امکان آتش گرفتن وجود دارد و اکسیژن هم به این سوختن کمک می‌کند برای همین فلز کاتد و آند هر دو واسطه در نظر گرفته می‌شود (آهن اکسید می‌شود و مقدار اکسیژن بدست آمده را کاهش می‌دهد). بیشترین بازده نظری این واکنش یعنی نسبت جریان الکتریسیته به هیدروژن تولیدی میان ۸۰ تا ۹۴ درصد است.

۲ H
۲O(l) → ۲ H
۲(g) + O
۲(g)

شیمیدانان در سال ۲۰۰۷ دریافتند که اگر آلیاژی از گالیم و آلومینیم را به صورت گلوله‌ای درآورند و در آب بیندازند می‌تواند هیدروژن تولید کند. همچنین این فرایند آلومینا هم پدیدمی‌آورد. در این میان گالیم نمی‌گذارد که لایه‌ای از اکسیژن بر روی گلوله ساخته شود و البته گالیم پس از واکنش دوباره قابل استفاده‌است و این به دلیل گرانی این فلز نکتهٔ مهمی است. این روش از نظر کاهش هزینه هم درخور توجه‌است چرا که هیدروژن در همان‌جا تولید می‌شود و دیگر نیازی به جابجایی ندارد.

در صنعت

راه‌های گوناگونی برای تولید صنعتی هیدروژن پیدا شده‌است. اما بهترین آن‌ها از نظر اقتصادی، برداشتن هیدروژن از هیدروکربن‌ها است. در این روش بخار آب در دمای بالا با سوخت‌های سنگواره‌ای مانند متان موجود در گاز طبیعی واکنش می‌دهد و مخلوط مونوکسید کربن و H
۲ پدیدمی‌آورد که به آن گاز آب یا گاز سنتز می‌گویند. منظور از دمای بالا در این واکنش ۱۰۰۰ تا ۱۴۰۰ کلوین، ۷۰۰ تا ۱۱۰۰ سانتیگراد، ۱۳۰۰ تا ۲۰۰۰ فارنهایت است.

CH
۴ + H
۲O → CO + 3 H
۲

تمایل بر این است که این واکنش در فشار پایین انجام گیرد ولی چنین نمی‌شود و در فشارهای بالا (۲ مگاپاسکال، ۲۰ اتمسفر یا ۶۰۰ اینچ جیوه) رخ می‌دهد چون هیدروژن با فشار بالا کالای تجاری تری است و فرایند پالایش آن و جداسازی اش از دیگر گازها (PSA) در فشار بالا بهتر صورت می‌گیرد. مخلوط گاز سنتز جهت تولید متانول و ترکیب‌های مرتبط دیگر بکار می‌رود. جدای از متان، هیدروکربن‌های پیچیده‌تر هم می‌توانند در تولید گاز سنتز بکار روند تنها نسبت محصولات تولیدی متفاوت است. یکی از بزرگ‌ترین پیچیدگی‌ها در این فرایندهای بهینه‌سازی پدیداری کُک یا کربن است.

CH
۴ → C + 2 H_۲

برای پالایش گاز هیدروژن از بخار آب زیادی که در آغاز واکنش افزودیم، از مونوکسید کربن استفاده می‌شود و اکسید آهن در این میان نقش آسان‌گر را بازی می‌کند. این واکنش از واکنش‌های مهم صنعتی در تولید کربن دی‌اکسید است.

CO + H
۲O → CO
۲ + H
۲

یک روش صنعتی و مهم دیگر در تولید هیدروژن، اکسید کردن جزئی هیدروکربن‌ها است:

۲ CH
۴ + O
۲ → ۲ CO + 4 H
۲

و البته واکنش زغال سنگ که به عنوان پیش‌درآمدی بر واکنش بالایی است:

C + H
۲O → CO + H
۲

هیدروژن مورد نیاز در فرایند هابر برای تولید آمونیاک هم از گاز طبیعی بدست می‌آید. برقکافت آب‌نمک هم علاوه بر تولید سدیم هیدروکسید و آزادسازی کلر، هیدروژن نیز آزاد می‌کند.

به علت خورندگی و اشتعال‌پذیری گاز هیدروژن، جابجایی آن با دشواری روبروست. از این رو در بسیاری از این فرایندهای صنعتی، هیدروژن تولید شده در همان‌جا مصرف می‌شود بدون آنکه پالایش یا جداسازی انجام گیرد.

چرخهٔ گرماشیمی

بیش از ۲۰۰ چرخهٔ گرماشیمی (ترموشی) برای شکستن مولکول آب به اتم‌های سازنده اش وجود دارد. دانشمندان بر روی نزدیک به دو جین از این چرخه‌ها مانند چرخهٔ اکسید آهن، چرخهٔ اکسید سریم (IV)-اکسید سریم (III)، چرخهٔ روی-اکسید روی، چرخهٔ گوگرد-ید، چرخهٔ مس-کلر، چرخهٔ هیبرید گوگرد پژوهش و آزمایش می‌کنند و در تلاش اند تا از آب و گرما، به هیدروژن و اکسیژن برسند بدون اینکه از جریان برق کمک بگیرند. شماری از آزمایشگاه‌ها (از جمله در فرانسه، آلمان، یونان، ژاپن و آمریکا) در حال گسترش روش‌های ترموشیمی یا گرماشیمی اند تا بتوانند با کمک انرژی خورشیدی و آب، هیدروژن تولید کنند.

خوردگی بدون هوا

در شرایط بدون هوا، آهن و فولاد به آرامی با پروتون‌های آب، اکسید می‌شوند و مولکول هیدروژن (H_۲) آزاد می‌شود. در این فرایند نخستین چیزی که ساخته می‌شود هیدروکسید آهن(II) (زنگارهای سبز) است و واکنش آن به صورت زیر است:

Fe + 2 H_۲O → Fe(OH)_۲ + H_۲

در شرایط بی هوا، هیدروکسید آهن(II) آزاد شده می‌تواند با پروتون‌های آب اکسید شود و مگنتیت و هیدروژن را پدیدمی‌آورد. فرایندی که توضیح داده شد، واکنش شیکور نام دارد.

۳ Fe(OH)_۲ → Fe_۳O_۴ + ۲ H_۲O + H_۲

هیدروژن + آب + مگنتیت → هیدروکسید آهن

بلور مگنتیت (Fe_۳O_۴)، اگر به خوبی ساخته شده باشد از دید ترمودینامیکی پایدارتر از هیدروکسید آهن (Fe(OH)_۲) است.

آنچه گفته شد فرایند خوردگی بدون هوای آهن و فولاد است که در آب‌های زیرزمینی بدون اکسیژن یا در خاک‌های کاهندهٔ زیر سفره‌های آب روی می‌دهد.

درون زمین

در نبود اکسیژن هوا (O_۲)، در شرایط ویژهٔ درون زمین و در فاصله‌ای بسیار دور از هواکره، در فرایندی به نام سرپانتینی کردن، گاز هیدروژن یا H_۲ پدید می‌آید. در این فرایند: اکسیدکردن بدون هوا، توسط پروتون‌های (H⁺) آب موجود در یون آهن Fe^۲+ سیلیکات در شبکهٔ بلوری فایالیت (Fe_۲SiO_۴، الیوین سرشار از آهن) دیده می‌شود. در پایان، این واکنش به ساخت مگنتیت (Fe_۳O_۴)، کوارتز (SiO_۲) و هیدروژن (H_۲) می‌رسد:

۳ Fe_۲SiO_۴ + ۲ H_۲O → ۲ Fe_۳O_۴ + ۳ SiO_۲ + ۳ H_۲

هیدروژن + کوارتز + مگنتیت → آب + فایالیت

این واکنش به واکنش شیکور که در خوردگی بدون هوا گفته شد، بسیار نزدیک است.

کاربردها

کاربرد در فرایندها

هیدروژن یا H_۲ به فراوانی در صنایع شیمیایی و پتروشیمی کاربرد دارد. بزرگ‌ترین کاربرد آن در فراوری سوخت‌های سنگواره‌ای و تولید آمونیاک است. مصرف‌کنندگان کلیدی H_۲ در کارخانه‌های پتروشیمی عبارتند از هیدرودآلکیلاسیون، هیدرودسولفوریزاسیون و کراکینگ. البته هیدروژن چندین کاربرد مهم دیگر هم دارد. هیدروژن در هیدروژنه کردن به ویژه در افزایش سطح اشباع چربی‌های غیر اشباع و تولید روغن جامد، دانه‌های روغنی و تولید متانول کاربرد دارد. کاربرد دیگر آن به عنوان منبع هیدروژن در تولید هیدروکلریک اسید است. همچنین هیدروژن به عنوان عامل کاهنده در احیای سنگ معدن‌های فلزی کار می‌کند.

هیدروژن به خوبی در بسیاری از عنصرهای خاکی کمیاب و فلزهای واسطه حل می‌شود. همچنین در فلزهای آمورفی و بلورهای نانو حل شدنی است.

جدا از واکنش‌های شیمیایی که هیدروژن می‌تواند در آن‌ها شرکت کند، این ماده کاربرد فراوانی در مهندسی و فیزیک دارد. برای نمونه به عنوان گاز پوششی (محافظ) در روش‌های گوناگون جوشکاری مانند جوشکاری اتمی هیدروژن مورد نیاز است. کاربرد دیگر هیدروژن در خنک کردن مولد الکتریکی نیروگاه‌های برق است. این کاربرد به این دلیل است که هیدروژن دارای بالاترین رسانش گرمایی در میان گازها است. در پژوهش‌های سرماشناسی مانند مطالعهٔ ابررسانایی هم بر روی هیدروژن مایع کار می‌شود. چگالی گاز هیدروژن نزدیک به ۱/۱۵ هوا است. به همین دلیل در گذشته به عنوان گاز بالابر در بالون‌ها و کشتی‌های هوایی کاربرد داشت.

به تازگی از هیدروژن خالص یا آمیخته‌ای از هیدروژن و نیتروژن برای شناسایی نشتی‌های ریز و سوراخ‌های بسیار کوچک در نیروگاه‌ها، صنعت‌های شیمیایی، هوافضا، خودروسازی و مخابرات بهره برده می‌شود. هیدروژن یک افزودنی مجاز به مواد خوراکی است (E 949) با کمک آن می‌توان بسته‌بندی مواد خوراکی را از نظر نشتی و سوراخ آزمود همچنین از اکسید شدن مواد خوراکی هم پیشگیری می‌کند. دمای هیدروژن در نقطهٔ سه‌گانه اش به عنوان یکی از نقطه‌های ثابت در ITS-90 (مقیاس بین‌المللی دما در ۱۹۹۰) نشانه‌گذاری شده که برابر با ۱۳٫۸۰۳۳ کلوین است.

ایزوتوپ‌های کمیاب هیدروژن هر یک کاربرد ویژه‌ای دارند.

• دوتریوم (هیدروژن-۲) در واکنش‌های شکافت هسته‌ای به عنوان کُندکننده در کاهش حرکت نوترون‌ها کار می‌کند و در واکنش‌های همجوشی هسته‌ای کاربرد دارد.
• ترکیب‌های دوتره (حاوی دوتریوم) در پژوهش‌های زیست‌شناسی و شیمی دربارهٔ تأثیرات ایزوتوپ‌ها مورد نیازند.
• تریتیوم (هیدروژن-۳) که در رآکتورهای هسته‌ای پدید می‌آید در ساخت بمب‌های هیدروژنی مورد نیاز است.
• تریتیوم یک ایزوتوپ طبقه‌بندی شده در علوم زیستی است و به عنوان یک منبع ذرات بتا کاربرد دارد (مثلاً در رادیولومینسانس).

حامل انرژی

همچنین ببینید: اقتصاد هیدروژن

هیدروژن به خودی خود یک منبع انرژی نیست. مگر آنکه با کمک واکنش‌های همجوشی هسته‌ای در دوتریوم یا تریتیوم برای نیروگاه‌ها انرژی تولید کند؛ که البته این فناوری بسیار پیشرفته‌است. انرژی خورشید هم از همجوشی هسته‌ای هیدروژن گرفته شده‌است اما بر روی زمین به سختی می‌توان به صورت کنترل شده به این فرایند دست یافت. هیدروژن بدست آمده از خورشید، فرایندهای زیستی یا الکتریکی انرژی مورد نیاز برای تولیدش بیشتر از انرژی بدست آمده از سوختنش است به همین دلیل در این موقعیت‌ها با هیدروژن به عنوان یک حامل انرژی برخورد می‌شود مانند یک باتری. هیدروژن را می‌توان از سوخت‌های سنگواره‌ای (مانند متان) بدست آورد اما این گونه منبع‌ها همیشگی و پایدار نیستند.

چگالی انرژی در یکای حجم هم برای هیدروژن مایع و هم برای گاز فشردهٔ هیدروژن در هر فشاری که بتوان با آن کار کرد آشکارا از چگالی انرژی سوخت‌های سنگواره‌ای سنتی پایین‌تر است همچنین چگالی انرژی در یکای جرم هم برای سوخت‌های سنگواره‌ای بالاتر است. اما همچنان پژوهش‌ها بر سر این است که در آینده به گستردگی از هیدروژن عنوان یک حامل انرژی بهره برده شود. برای نمونه می‌توان فرایند جداسازی کربن از هواکره و ذخیره‌سازی آن را برای هیدروژن هم همانند کرد و از سوخت‌های سنگواره‌ای هیدروژن بدست آورد. اگر بتوان از هیدروژن به عنوان سوخت در ترابری بهره برد، این سوخت به نسبت دیگر سوخت‌ها، پاک می‌سوزد، اندکی NO_x تولید می‌کند اما به هر حال بدون پدیدآوردن کربن می‌سوزد. نباید فراموش کرد که هزینه‌های مربوط به دگرگونی کامل سامانه، به اقتصاد هیدروژنی درخور نگرش است.

خنک‌کننده

مقالهٔ اصلی: مولد توربینی با خنک‌کننده هیدروژنی

از هیدروژن در نیروگاه‌های برق به عنوان خنک‌کنندهٔ ژنراتورها بهره برده می‌شود. این به دلیل ظرفیت گرمایی بسیار بالای این گاز است که از همهٔ گازها بالاتر است.

در نیمه رساناها

هیدروژن برای اشباع پیوندهای شکستهٔ سیلیسیم آمورف و کربن آمورف کاربرد دارد و کمک می‌کند تا ویژگی‌های ماده پایدار شود. همچنین در بسیاری از اکسیدهای مواد به عنوان دهندهٔ الکترون کار می‌کند. چند مورد از این اکسیدها عبارتند از:

ZnO, SnO_۲, CdO, MgO, ZrO_۲, HfO_۲, La_۲O_۳, Y_۲O_۳, TiO_۲, SrTiO_۳، LaAlO_۳، SiO_۲, Al_۲O_۳، ZrSiO_۴، HfSiO_۴ و SrZrO_۳.

دیگر کاربردها

به مقدار بسیار زیادی هیدروژن در فرایند هابر (Haber Process) نقش دارد. دیگر کاربردهای هیدروژن عبارت‌اند از:

• آلکیل زدایی آبی (هیدرو دِ آلکیلاسیون hydrodealkylation)، گوگردزدایی آبی (هیدرو دِ سولفوریزاسیون، hydrodesulfurization) و هیدروکرکینک (hydrocracking)
• در سوخت‌های موشک

هیدروژن می‌تواند در موتورهای درون‌سوز سوخته شود یا در پیل‌های هیدروژنی، انرژی الکتریکی تولید کند. تاکنون چند خودروی آزمایشی توسط چند شرکت خودروسازی از جمله BMW (موتور گرمایی) و بنز، تویوتا، اپل و … (پیل هیدروژنی) تولید شده‌است. پیل‌های سوختی هیدروژنی، به‌عنوان راه کاری برای تولید توان بالقوهٔ ارزان و بدون آلودگی، مورد توجه قرار گرفته‌است.

واکنش‌های زیستی

H_۲ محصول برخی از واکنش‌های بدون هوا است که توسط چندین گونه میکروب درست می‌شود. این واکنش‌ها معمولاً با کمک آهن یا نیکل موجود در آنزیم‌هایی به نام هیدروژناس آسان می‌شوند. این آنزیم‌ها به عنوان آسانگر در واکنش‌های برگشت‌پذیر اکسایش و کاهش میان H_۲ و اجزایش، دو پروتون و دو الکترون، کار می‌کنند. گاز هیدروژن هنگام انتقال تعادل‌های کاهشی به‌وجود آمده در اثر تخمیر اسید پیرویک با آب، پدید می‌آید.

همه روزه شکستن مولکول آب به اجزای سازنده اش، پروتون‌ها، الکترون‌ها و اکسیژن در واکنش نورساخت در اندام‌های زنده روی می‌دهد. برخی از اندام‌ها مانند سیانوباکتر و جلبک کلامیدوموناز رینهارتی یک گام دوم را هم وارد واکنش می‌کنند که مربوط به واکنش‌های در تاریکی است و در آن پروتون‌ها و الکترون‌ها کاهیده می‌شوند و با کمک آنزیم‌های ویژه‌ای که در کلروپلاست وجود دارد گاز H_۲ را درست می‌کنند. تلاش شده تا آنزیم‌های سیانوباکتری را به صورت ژنی تصحیح کنند و با کمک آن‌ها حتی در حضور اکسیژن هم گاز هیدروژن تولید کنند. همچنین تلاش شده تا ژن‌های جلبک یک واکنش دهندهٔ زیستی را هم اصلاح کنند.

هشدارها

هیدروژن
خطرات
GHS pictograms
سیستم هماهنگ جهانی طبقه‌بندی و برچسب‌گذاری مواد شیمیایی	Danger
GHS hazard statements	H220
GHS precautionary statements	P202, P210, P271, P403, P377, P381
لوزی آتش
به استثنای جایی که اشاره شده‌است در غیر این صورت، داده‌ها برای مواد به وضعیت استانداردشان داده شده‌اند (در 25 °C (۷۷ °F)، ۱۰۰ kPa)
Infobox references

هنگام کار با هیدروژن باید بسیار هشیار بود. این به دلیل توان آتش‌گیری و انفجار آن است به ویژه هنگامی که با هوا آمیخته می‌شود و هنگامی که خالص یا بدون اکسیژن باشد هم فرد را دچار خفگی می‌کند. هیدروژن مایع توان سردکنندگی بسیار بالایی دارد و مانند دیگر مایعات بسیار سرد، می‌تواند آسیب‌هایی همچون یخ‌زدگی را به بار آورد. هیدروژن در بسیاری از فلزها حل می‌شود گاهی این توانایی دلخواه ما نیست مانند امکان نشت به بیرون و پدیدهٔ تردی هیدروژنی که در صورت ادامه باعث ترک خوردگی یا انفجار می‌شود. نشت هیدروژن در هوای آزاد باعث شعله‌ور شدن آن می‌شود افزون بر این سوختن هیدروژن هنگامی که بسیار داغ باشد، تقریباً پدیده‌ای ناپیدا (نامرئی) است و می‌تواند باعث رویدادهای ناگواری شود.

داده‌های مربوط به هیدروژن از جمله داده‌های مربوط به امنیت آن به دسته‌ای از پدیده‌ها بستگی دارد. بسیاری از ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی هیدروژن به نسبت اورتوهیدروژن و پاراهیدروژن گاز وابسته‌است که معمولاً روزها و گاهی هفته‌ها طول می‌کشد تا در یک دمای مشخص به تعادل برسد و چون داده‌های امنیت مربوط به حالت تعادل است کمی کار دشوار می‌شود همچنین پارامترهای انفجار، مانند فشار و دمای بحرانی به شدت به هندسهٔ ظرف دربردارنده هم بستگی دارد.

جستارهای وابسته

• طیف اتمی هیدروژن
• پادهیدروژن
• یون هیدروژن
• پیل سوختی
• ایزوتوپ‌های هیدروژن

منابع

جدول تناوبی بر اساس دوره کشف
	۱	۲	۳		۴	۵	۶	۷	۸	۹	۱۰	۱۱	۱۲	۱۳	۱۴	۱۵	۱۶	۱۷	۱۸
گروه →
↓ دوره
۱	۱ H																		۲ He
۲	۳ Li	۴ Be												۵ B	۶ C	۷ N	۸ O	۹ F	۱۰ Ne
۳	۱۱ Na	۱۲ Mg												۱۳ Al	۱۴ Si	۱۵ P	۱۶ S	۱۷ Cl	۱۸ Ar
۴	۱۹ K	۲۰ Ca	۲۱ Sc		۲۲ Ti	۲۳ V	۲۴ Cr	۲۵ Mn	۲۶ Fe	۲۷ Co	۲۸ Ni	۲۹ Cu	۳۰ Zn	۳۱ Ga	۳۲ Ge	۳۳ As	۳۴ Se	۳۵ Br	۳۶ Kr
۵	۳۷ Rb	۳۸ Sr	۳۹ Y		۴۰ Zr	۴۱ Nb	۴۲ Mo	۴۳ Tc	۴۴ Ru	۴۵ Rh	۴۶ Pd	۴۷ Ag	۴۸ Cd	۴۹ In	۵۰ Sn	۵۱ Sb	۵۲ Te	۵۳ I	۵۴ Xe
۶	۵۵ Cs	۵۶ Ba	57 La		۷۲ Hf	۷۳ Ta	۷۴ W	۷۵ Re	۷۶ Os	۷۷ Ir	۷۸ Pt	۷۹ Au	۸۰ Hg	۸۱ Tl	۸۲ Pb	۸۳ Bi	۸۴ Po	85 At	86 Rn
۷	۸۷ Fr	۸۸ Ra	۸۹ Ac		۱۰۴ Rf	۱۰۵ Db	۱۰۶ Sg	۱۰۷ Bh	۱۰۸ Hs	۱۰۹ Mt	۱۱۰ Ds	۱۱۱ Rg	۱۱۲ Cn	۱۱۳ Nh	۱۱۴ Fl	۱۱۵ Mc	۱۱۶ Lv	۱۱۷ Ts	۱۱۸ Og
					۵۸ Ce	۵۹ Pr	۶۰ Nd	۶۱ Pm	۶۲ Sm	۶۳ Eu	۶۴ Gd	۶۵ Tb	۶۶ Dy	۶۷ Ho	۶۸ Er	۶۹ Tm	۷۰ Yb	۷۱ Lu
					۹۰ Th	۹۱ Pa	۹۲ U	۹۳ Np	۹۴ Pu	۹۵ Am	۹۶ Cm	۹۷ Bk	۹۸ Cf	۹۹ Es	۱۰۰ Fm	۱۰۱ Md	۱۰۲ No	۱۰۳ Lr
رنگ پس‌زمینه سن کشف را نشان می‌دهد: روزگار باستان تا قرون وسطی قرون وسطی–​۱۷۹۹ ۱۸۰۰–​۱۸۴۹ ۱۸۵۰–​۱۸۹۹ ۱۹۰۰–​۱۹۴۹ ۱۹۵۰–​۱۹۹۹ تا ۲۰۰۰ (۱۲ عنصر) روزگار باستان تا قرون وسطی: تا قرون وسطی اکتشاف‌ها ثبت نشده‌است. (۲۲ عنصر) اکتشافات در عصر روشنگری (۲۵ عنصر) انقلابات علمی و صنعتی (۲۴ عنصر) عصر طبقه‌بندی عناصر; استفاده از تکنیک‌های تجزیه و تحلیل طیف: بیسبودرن، روبرت بونزن، ویلیام کروکز، کیرشهف و دیگران (۱۴ عنصر) توسعه تئوری کوانتوم و مکانیک کوانتوم (۱۶ عنصر) بعد از پروژه منهتن، سنتز اعداد اتمی ۹۸ و بالاتر (برخورددهنده‌ها، روش‌های بمباران) (۵ عنصر) سنتزهای اخیر رنگ عدد اتمی فازهای ماده را (در شرایط استاندارد دما و فشار) نشان می‌دهد: black=جامد green=مایع red=گاز grey=Unknown کناره فراوانی طبیعی عنصر را نشان می‌دهد: دیرینه از واپاشی مصنوعی

For other uses, see Hydrogen (disambiguation).

Hydrogen, ₀₀H

Purple glow in its plasma state
Hydrogen
Appearance	colorless gas
Standard atomic weight Ar°(H)
	[1.00784, 1.00811] 1.0080±0.0002 (abridged)
Hydrogen in the periodic table
Hydrogen Helium Lithium Beryllium Boron Carbon Nitrogen Oxygen Fluorine Neon Sodium Magnesium Aluminium Silicon Phosphorus Sulfur Chlorine Argon Potassium Calcium Scandium Titanium Vanadium Chromium Manganese Iron Cobalt Nickel Copper Zinc Gallium Germanium Arsenic Selenium Bromine Krypton Rubidium Strontium Yttrium Zirconium Niobium Molybdenum Technetium Ruthenium Rhodium Palladium Silver Cadmium Indium Tin Antimony Tellurium Iodine Xenon Caesium Barium Lanthanum Cerium Praseodymium Neodymium Promethium Samarium Europium Gadolinium Terbium Dysprosium Holmium Erbium Thulium Ytterbium Lutetium Hafnium Tantalum Tungsten Rhenium Osmium Iridium Platinum Gold Mercury (element) Thallium Lead Bismuth Polonium Astatine Radon Francium Radium Actinium Thorium Protactinium Uranium Neptunium Plutonium Americium Curium Berkelium Californium Einsteinium Fermium Mendelevium Nobelium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Hassium Meitnerium Darmstadtium Roentgenium Copernicium Nihonium Flerovium Moscovium Livermorium Tennessine Oganesson – ↑ H ↓ Li – ← hydrogen → helium
Group	group 1: hydrogen and alkali metals
Period	period 1
Block	s-block
Electron configuration	1s1
Electrons per shell	1
Physical properties
Phase at STP	gas
Melting point	(H2) 13.99 K ​(−259.16 °C, ​−434.49 °F)
Boiling point	(H2) 20.271 K ​(−252.879 °C, ​−423.182 °F)
Density (at STP)	0.08988 g/L
when liquid (at m.p.)	0.07 g/cm3 (solid: 0.0763 g/cm3)
when liquid (at b.p.)	0.07099 g/cm3
Triple point	13.8033 K, ​7.041 kPa
Critical point	32.938 K, 1.2858 MPa
Heat of fusion	(H2) 0.117 kJ/mol
Heat of vaporization	(H2) 0.904 kJ/mol
Molar heat capacity	(H2) 28.836 J/(mol·K)
Vapor pressure P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k at T (K) 15 20
Atomic properties
Oxidation states	−1, +1 (an amphoteric oxide)
Electronegativity	Pauling scale: 2.20
Ionization energies	1st: 1312.0 kJ/mol
Covalent radius	31±5 pm
Van der Waals radius	120 pm
Spectral lines of hydrogen
Other properties
Natural occurrence	primordial
Crystal structure	​hexagonal
Speed of sound	1310 m/s (gas, 27 °C)
Thermal conductivity	0.1805 W/(m⋅K)
Magnetic ordering	diamagnetic
Molar magnetic susceptibility	−3.98×10−6 cm3/mol (298 K)
CAS Number	12385-13-6 1333-74-0 (H2)
History
Discovery	Henry Cavendish (1766)
Named by	Antoine Lavoisier (1783)
Isotopes of hydrogen
Main isotopes Decay abun­dance half-life (t1/2) mode pro­duct 1H 99.9855% stable 2H 0.0145% stable 3H trace 12.32 y β− 3He

Hydrogen is the chemical element with the symbol H and atomic number 1. Hydrogen is the lightest element. At standard conditions hydrogen is a gas of diatomic molecules having the formula H₂. It is colorless, odorless, tasteless, non-toxic, and highly combustible. Hydrogen is the most abundant chemical substance in the universe, constituting roughly 75% of all normal matter. Stars such as the Sun are mainly composed of hydrogen in the plasma state. Most of the hydrogen on Earth exists in molecular forms such as water and organic compounds. For the most common isotope of hydrogen (symbol ¹H) each atom has one proton, one electron, and no neutrons.

In the early universe, the formation of protons, the nuclei of hydrogen, occurred during the first second after the Big Bang. The emergence of neutral hydrogen atoms throughout the universe occurred about 370,000 years later during the recombination epoch, when the plasma had cooled enough for electrons to remain bound to protons.

Hydrogen is nonmetallic (except it becomes metallic at extremely high pressures) and readily forms a single covalent bond with most nonmetallic elements, forming compounds such as water and nearly all organic compounds. Hydrogen plays a particularly important role in acid–base reactions because these reactions usually involve the exchange of protons between soluble molecules. In ionic compounds, hydrogen can take the form of a negative charge (i.e., anion) where it is known as a hydride, or as a positively charged (i.e., cation) species denoted by the symbol H⁺. The H⁺ cation is simply a proton (symbol p) but its behavior in aqueous solutions and in ionic compounds involves screening of its electric charge by nearby polar molecules or anions. Because hydrogen is the only neutral atom for which the Schrödinger equation can be solved analytically, the study of its energetics and chemical bonding has played a key role in the development of quantum mechanics.

Hydrogen gas was first artificially produced in the early 16th century by the reaction of acids on metals. In 1766–1781, Henry Cavendish was the first to recognize that hydrogen gas was a discrete substance, and that it produces water when burned, the property for which it was later named: in Greek, hydrogen means "water-former".

Industrial production is mainly from steam reforming of natural gas, oil reforming, or coal gasification. A small percentage is also produced using more energy-intensive methods such as the electrolysis of water. Most hydrogen is used near the site of its production, the two largest uses being fossil fuel processing (e.g., hydrocracking) and ammonia production, mostly for the fertilizer market. It can be burned to produce heat or combined with oxygen in fuel cells to generate electricity directly, with water being the only emissions at the point of usage. Hydrogen atoms (but not gaseous molecules) are problematic in metallurgy because they can embrittle many metals.

Properties

Combustion

Combustion of hydrogen with the oxygen in the air. When the bottom cap is removed, allowing air to enter at the bottom, the hydrogen in the container rises out of top and burns as it mixes with the air.

The Space Shuttle Main Engine burnt hydrogen with oxygen, producing a nearly invisible flame at full thrust.

Hydrogen gas (dihydrogen or molecular hydrogen) is highly flammable:

2 H₂(g) + O₂(g) → 2 H₂O(l) (572 kJ/2 mol = 286 kJ/mol = 141.865 MJ/kg)

The enthalpy of combustion is −286 kJ/mol.

Hydrogen gas forms explosive mixtures with air in concentrations from 4–74% and with chlorine at 5–95%. The explosive reactions may be triggered by spark, heat, or sunlight. The hydrogen autoignition temperature, the temperature of spontaneous ignition in air, is 500 °C (932 °F).

Flame

Pure hydrogen-oxygen flames emit ultraviolet light and with high oxygen mix are nearly invisible to the naked eye, as illustrated by the faint plume of the Space Shuttle Main Engine, compared to the highly visible plume of a Space Shuttle Solid Rocket Booster, which uses an ammonium perchlorate composite. The detection of a burning hydrogen leak may require a flame detector; such leaks can be very dangerous. Hydrogen flames in other conditions are blue, resembling blue natural gas flames. The destruction of the Hindenburg airship was a notorious example of hydrogen combustion and the cause is still debated. The visible flames in the photographs were the result of carbon compounds in the airship skin burning.

Reactants

H₂ is unreactive compared to diatomic elements such as halogens or oxygen. The thermodynamic basis of this low reactivity is the very strong H–H bond, with a bond dissociation energy of 435.7 kJ/mol. The kinetic basis of the low reactivity is the nonpolar nature of H₂ and its weak polarizability. It spontaneously reacts with chlorine and fluorine to form hydrogen chloride and hydrogen fluoride, respectively. The reactivity of H₂ is strongly affected by the presence of metal catalysts. Thus, while mixtures of H₂ with O₂ or air combust readily when heated to at least 500 °C by a spark or flame, they do not react at room temperature in the absence of a catalyst.

Electron energy levels

Main article: Hydrogen atom

Depiction of a hydrogen atom with size of central proton shown, and the atomic diameter shown as about twice the Bohr model radius (image not to scale)

The ground state energy level of the electron in a hydrogen atom is −13.6 eV, which is equivalent to an ultraviolet photon of roughly 91 nm wavelength.

The energy levels of hydrogen can be calculated fairly accurately using the Bohr model of the atom, which conceptualizes the electron as "orbiting" the proton in analogy to the Earth's orbit of the Sun. However, the atomic electron and proton are held together by electromagnetic force, while planets and celestial objects are held by gravity. Because of the discretization of angular momentum postulated in early quantum mechanics by Bohr, the electron in the Bohr model can only occupy certain allowed distances from the proton, and therefore only certain allowed energies.

A more accurate description of the hydrogen atom comes from a purely quantum mechanical treatment that uses the Schrödinger equation, Dirac equation or Feynman path integral formulation to calculate the probability density of the electron around the proton. The most complicated treatments allow for the small effects of special relativity and vacuum polarization. In the quantum mechanical treatment, the electron in a ground state hydrogen atom has no angular momentum at all—illustrating how the "planetary orbit" differs from electron motion.

Spin isomers

Main article: Spin isomers of hydrogen

Molecular H₂ exists as two spin isomers, i.e. compounds that differ only in the spin states of their nuclei. In the orthohydrogen form, the spins of the two nuclei are parallel, forming a spin triplet state having a total molecular spin $S=1$; in the parahydrogen form the spins are antiparallel and form a spin singlet state having spin $S=0$. The equilibrium ratio of ortho- to para-hydrogen depends on temperature. At room temperature or warmer, equilibrium hydrogen gas contains about 25% of the para form and 75% of the ortho form. The ortho form is an excited state, having higher energy than the para form by 1.455 kJ/mol, and it converts to the para form over the course of several minutes when cooled to low temperature. The thermal properties of the forms differ because they differ in their allowed rotational quantum states, resulting in different thermal properties such as the heat capacity.

The ortho-to-para ratio in H₂ is an important consideration in the liquefaction and storage of liquid hydrogen: the conversion from ortho to para is exothermic and produces enough heat to evaporate a most of the liquid if not converted first to parahydrogen during the cooling process. Catalysts for the ortho-para interconversion, such as ferric oxide and activated carbon compounds, are used during hydrogen cooling to avoid this loss of liquid.

Phases

Hydrogen gas is colorless and transparent, here contained in a glass ampoule.

Phase diagram of hydrogen. The temperature and pressure scales are logarithmic, so one unit corresponds to a 10× change. The left edge corresponds to 10⁵ Pa, which is about atmospheric pressure.

• Gaseous hydrogen
• Liquid hydrogen
• Slush hydrogen
• Solid hydrogen
• Metallic hydrogen
• Plasma hydrogen

Compounds

Further information: Category:Hydrogen compounds

Covalent and organic compounds

While H₂ is not very reactive under standard conditions, it does form compounds with most elements. Hydrogen can form compounds with elements that are more electronegative, such as halogens (F, Cl, Br, I), or oxygen; in these compounds hydrogen takes on a partial positive charge. When bonded to a more electronegative element, particularly fluorine, oxygen, or nitrogen, hydrogen can participate in a form of medium-strength noncovalent bonding with another electronegative element with a lone pair, a phenomenon called hydrogen bonding that is critical to the stability of many biological molecules. Hydrogen also forms compounds with less electronegative elements, such as metals and metalloids, where it takes on a partial negative charge. These compounds are often known as hydrides.

Hydrogen forms a vast array of compounds with carbon called the hydrocarbons, and an even vaster array with heteroatoms that, because of their general association with living things, are called organic compounds. The study of their properties is known as organic chemistry and their study in the context of living organisms is known as biochemistry. By some definitions, "organic" compounds are only required to contain carbon. However, most of them also contain hydrogen, and because it is the carbon-hydrogen bond that gives this class of compounds most of its particular chemical characteristics, carbon-hydrogen bonds are required in some definitions of the word "organic" in chemistry. Millions of hydrocarbons are known, and they are usually formed by complicated pathways that seldom involve elemental hydrogen.

Hydrogen is highly soluble in many rare earth and transition metals and is soluble in both nanocrystalline and amorphous metals. Hydrogen solubility in metals is influenced by local distortions or impurities in the crystal lattice. These properties may be useful when hydrogen is purified by passage through hot palladium disks, but the gas's high solubility is a metallurgical problem, contributing to the embrittlement of many metals, complicating the design of pipelines and storage tanks.

Hydrides

Main article: Hydride

A sample of sodium hydride

Compounds of hydrogen are often called hydrides, a term that is used fairly loosely. The term "hydride" suggests that the H atom has acquired a negative or anionic character, denoted H⁻, and is used when hydrogen forms a compound with a more electropositive element. The existence of the hydride anion, suggested by Gilbert N. Lewis in 1916 for group 1 and 2 salt-like hydrides, was demonstrated by Moers in 1920 by the electrolysis of molten lithium hydride (LiH), producing a stoichiometric quantity of hydrogen at the anode. For hydrides other than group 1 and 2 metals, the term is quite misleading, considering the low electronegativity of hydrogen. An exception in group 2 hydrides is BeH₂, which is polymeric. In lithium aluminium hydride, the [AlH₄]⁻ anion carries hydridic centers firmly attached to the Al(III).

Although hydrides can be formed with almost all main-group elements, the number and combination of possible compounds varies widely; for example, more than 100 binary borane hydrides are known, but only one binary aluminium hydride. Binary indium hydride has not yet been identified, although larger complexes exist.

In inorganic chemistry, hydrides can also serve as bridging ligands that link two metal centers in a coordination complex. This function is particularly common in group 13 elements, especially in boranes (boron hydrides) and aluminium complexes, as well as in clustered carboranes.

Protons and acids

Further information: Acid–base reaction

Oxidation of hydrogen removes its electron and gives H⁺, which contains no electrons and a nucleus which is usually composed of one proton. That is why H⁺ is often called a proton. This species is central to discussion of acids. Under the Brønsted–Lowry acid–base theory, acids are proton donors, while bases are proton acceptors.

A bare proton, H⁺, cannot exist in solution or in ionic crystals because of its unstoppable attraction to other atoms or molecules with electrons. Except at the high temperatures associated with plasmas, such protons cannot be removed from the electron clouds of atoms and molecules, and will remain attached to them. However, the term 'proton' is sometimes used loosely and metaphorically to refer to positively charged or cationic hydrogen attached to other species in this fashion, and as such is denoted "H⁺" without any implication that any single protons exist freely as a species.

To avoid the implication of the naked "solvated proton" in solution, acidic aqueous solutions are sometimes considered to contain a less unlikely fictitious species, termed the "hydronium ion" ([H₃O]⁺). However, even in this case, such solvated hydrogen cations are more realistically conceived as being organized into clusters that form species closer to [H₉O₄]⁺. Other oxonium ions are found when water is in acidic solution with other solvents.

Although exotic on Earth, one of the most common ions in the universe is the H+3 ion, known as protonated molecular hydrogen or the trihydrogen cation.

Isotopes

Main article: Isotopes of hydrogen

Hydrogen discharge (spectrum) tube

Deuterium discharge (spectrum) tube

Hydrogen has three naturally occurring isotopes, denoted ¹
H, ²
H and ³
H. Other, highly unstable nuclei (⁴
H to ⁷
H) have been synthesized in the laboratory but not observed in nature.

• ¹
  H is the most common hydrogen isotope, with an abundance of more than 99.98%. Because the nucleus of this isotope consists of only a single proton, it is given the descriptive but rarely used formal name protium. It is unique among all stable isotopes in having no neutrons; see diproton for a discussion of why others do not exist.
• ²
  H, the other stable hydrogen isotope, is known as deuterium and contains one proton and one neutron in the nucleus. All deuterium in the universe is thought to have been produced at the time of the Big Bang, and has endured since that time. Deuterium is not radioactive, and does not represent a significant toxicity hazard. Water enriched in molecules that include deuterium instead of normal hydrogen is called heavy water. Deuterium and its compounds are used as a non-radioactive label in chemical experiments and in solvents for ¹
  H-NMR spectroscopy. Heavy water is used as a neutron moderator and coolant for nuclear reactors. Deuterium is also a potential fuel for commercial nuclear fusion.
• ³
  H is known as tritium and contains one proton and two neutrons in its nucleus. It is radioactive, decaying into helium-3 through beta decay with a half-life of 12.32 years. It is so radioactive that it can be used in luminous paint, making it useful in such things as watches. The glass prevents the small amount of radiation from getting out. Small amounts of tritium are produced naturally by the interaction of cosmic rays with atmospheric gases; tritium has also been released during nuclear weapons tests. It is used in nuclear fusion reactions, as a tracer in isotope geochemistry, and in specialized self-powered lighting devices. Tritium has also been used in chemical and biological labeling experiments as a radiolabel.

Unique among the elements, distinct names are assigned to its isotopes in common use today. During the early study of radioactivity, various heavy radioactive isotopes were given their own names, but such names are no longer used, except for deuterium and tritium. The symbols D and T (instead of ²
H and ³
H) are sometimes used for deuterium and tritium, but the symbol P is already in use for phosphorus and thus is not available for protium. In its nomenclatural guidelines, the International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) allows any of D, T, ²
H, and ³
H to be used, although ²
H and ³
H are preferred.

The exotic atom muonium (symbol Mu), composed of an antimuon and an electron, can also be considered a light radioisotope of hydrogen. Because muons decay with lifetime 2.2 µs, muonium is too unstable to exhibit observable chemistry. Nevertheless, muonium compounds are important test cases for quantum simulation, due to the mass difference between the antimuon and the proton, and IUPAC nomenclature incorporates such hypothetical compounds as muonium chloride (MuCl) and sodium muonide (NaMu), analogous to hydrogen chloride and sodium hydride respectively.

Thermal and physical properties

Table of thermal and physical properties of hydrogen (H2) at atmospheric pressure:

Temperature (K)	Density (kg/m^3)	Specific heat (kJ/kg °C)	Dynamic viscosity (kg/m s)	Kinematic viscosity (m^2/s)	Thermal conductivity (W/m °C)	Thermal diffusivity (m^2/s)	Prandtl Number
100	0.24255	11.23	4.21E-06	1.74E-05	6.70E-02	2.46E-05	0.707
150	0.16371	12.602	5.60E-06	3.42E-05	0.0981	4.75E-05	0.718
200	0.1227	13.54	6.81E-06	5.55E-05	0.1282	7.72E-05	0.719
250	0.09819	14.059	7.92E-06	8.06E-05	0.1561	1.13E-04	0.713
300	0.08185	14.314	8.96E-06	1.10E-04	0.182	1.55E-04	0.706
350	0.07016	14.436	9.95E-06	1.42E-04	0.206	2.03E-04	0.697
400	0.06135	14.491	1.09E-05	1.77E-04	0.228	2.57E-04	0.69
450	0.05462	14.499	1.18E-05	2.16E-04	0.251	3.16E-04	0.682
500	0.04918	14.507	1.26E-05	2.57E-04	0.272	3.82E-04	0.675
550	0.04469	14.532	1.35E-05	3.02E-04	0.292	4.52E-04	0.668
600	0.04085	14.537	1.43E-05	3.50E-04	0.315	5.31E-04	0.664
700	0.03492	14.574	1.59E-05	4.55E-04	0.351	6.90E-04	0.659
800	0.0306	14.675	1.74E-05	5.69E-04	0.384	8.56E-04	0.664
900	0.02723	14.821	1.88E-05	6.90E-04	0.412	1.02E-03	0.676
1000	0.02424	14.99	2.01E-05	8.30E-04	0.448	1.23E-03	0.673
1100	0.02204	15.17	2.13E-05	9.66E-04	0.488	1.46E-03	0.662
1200	0.0202	15.37	2.26E-05	1.12E-03	0.528	1.70E-03	0.659
1300	0.01865	15.59	2.39E-05	1.28E-03	0.568	1.96E-03	0.655
1400	0.01732	15.81	2.51E-05	1.45E-03	0.61	2.23E-03	0.65
1500	0.01616	16.02	2.63E-05	1.63E-03	0.655	2.53E-03	0.643
1600	0.0152	16.28	2.74E-05	1.80E-03	0.697	2.82E-03	0.639
1700	0.0143	16.58	2.85E-05	1.99E-03	0.742	3.13E-03	0.637
1800	0.0135	16.96	2.96E-05	2.19E-03	0.786	3.44E-03	0.639
1900	0.0128	17.49	3.07E-05	2.40E-03	0.835	3.73E-03	0.643
2000	0.0121	18.25	3.18E-05	2.63E-03	0.878	3.98E-03	0.661

History

Discovery and use

Main article: Timeline of hydrogen technologies

In 1671, Robert Boyle discovered and described the reaction between iron filings and dilute acids, which results in the production of hydrogen gas.

Having provided a saline spirit [hydrochloric acid], which by an uncommon way of preparation was made exceeding sharp and piercing, we put into a vial, capable of containing three or four ounces of water, a convenient quantity of filings of steel, which were not such as are commonly sold in shops to Chymists and Apothecaries, (those being usually not free enough from rust) but such as I had a while before caus'd to be purposely fil'd off from a piece of good steel. This metalline powder being moistn'd in the viol with a little of the menstruum, was afterwards drench'd with more; whereupon the mixture grew very hot, and belch'd up copious and stinking fumes; which whether they consisted altogether of the volatile sulphur of the Mars [iron?], or of metalline steams participating of a sulphureous nature, and join'd with the saline exhalations of the menstruum, is not necessary to be here discuss'd. But whencesoever this stinking smoak proceeded, so inflammable it was, that upon the approach of a lighted candle to it, it would readily enough take fire, and burn with a blewish and somewhat greenish flame at the mouth of the viol for a good while together; and that, though with little light, yet with more strength than one would easily suspect.

— Robert Boyle, Tracts written by the Honourable Robert Boyle containing new experiments, touching the relation betwixt flame and air...

In 1766, Henry Cavendish was the first to recognize hydrogen gas as a discrete substance, by naming the gas from a metal-acid reaction "inflammable air". He speculated that "inflammable air" was in fact identical to the hypothetical substance called "phlogiston" and further finding in 1781 that the gas produces water when burned. He is usually given credit for the discovery of hydrogen as an element. In 1783, Antoine Lavoisier gave the element the name hydrogen (from the Greek ὑδρο- hydro meaning "water" and -γενής genes meaning "former") when he and Laplace reproduced Cavendish's finding that water is produced when hydrogen is burned.

Antoine-Laurent de Lavoisier

Lavoisier produced hydrogen for his experiments on mass conservation by reacting a flux of steam with metallic iron through an incandescent iron tube heated in a fire. Anaerobic oxidation of iron by the protons of water at high temperature can be schematically represented by the set of following reactions:

1) Fe + H₂O → FeO + H₂

2) Fe + 3 H₂O → Fe₂O₃ + 3 H₂

3) Fe + 4 H₂O → Fe₃O₄ + 4 H₂

Many metals such as zirconium undergo a similar reaction with water leading to the production of hydrogen.

Hydrogen was liquefied for the first time by James Dewar in 1898 by using regenerative cooling and his invention, the vacuum flask. He produced solid hydrogen the next year. Deuterium was discovered in December 1931 by Harold Urey, and tritium was prepared in 1934 by Ernest Rutherford, Mark Oliphant, and Paul Harteck. Heavy water, which consists of deuterium in the place of regular hydrogen, was discovered by Urey's group in 1932. François Isaac de Rivaz built the first de Rivaz engine, an internal combustion engine powered by a mixture of hydrogen and oxygen in 1806. Edward Daniel Clarke invented the hydrogen gas blowpipe in 1819. The Döbereiner's lamp and limelight were invented in 1823.

The first hydrogen-filled balloon was invented by Jacques Charles in 1783. Hydrogen provided the lift for the first reliable form of air-travel following the 1852 invention of the first hydrogen-lifted airship by Henri Giffard. German count Ferdinand von Zeppelin promoted the idea of rigid airships lifted by hydrogen that later were called Zeppelins; the first of which had its maiden flight in 1900. Regularly scheduled flights started in 1910 and by the outbreak of World War I in August 1914, they had carried 35,000 passengers without a serious incident. Hydrogen-lifted airships were used as observation platforms and bombers during the war.

The first non-stop transatlantic crossing was made by the British airship R34 in 1919. Regular passenger service resumed in the 1920s and the discovery of helium reserves in the United States promised increased safety, but the U.S. government refused to sell the gas for this purpose. Therefore, H₂ was used in the Hindenburg airship, which was destroyed in a midair fire over New Jersey on 6 May 1937. The incident was broadcast live on radio and filmed. Ignition of leaking hydrogen is widely assumed to be the cause, but later investigations pointed to the ignition of the aluminized fabric coating by static electricity. But the damage to hydrogen's reputation as a lifting gas was already done and commercial hydrogen airship travel ceased. Hydrogen is still used, in preference to non-flammable but more expensive helium, as a lifting gas for weather balloons.

In the same year, the first hydrogen-cooled turbogenerator went into service with gaseous hydrogen as a coolant in the rotor and the stator in 1937 at Dayton, Ohio, by the Dayton Power & Light Co.; because of the thermal conductivity and very low viscosity of hydrogen gas, thus lower drag than air, this is the most common type in its field today for large generators (typically 60 MW and bigger; smaller generators are usually air-cooled).

The nickel hydrogen battery was used for the first time in 1977 aboard the U.S. Navy's Navigation technology satellite-2 (NTS-2). For example, the ISS, Mars Odyssey and the Mars Global Surveyor are equipped with nickel-hydrogen batteries. In the dark part of its orbit, the Hubble Space Telescope is also powered by nickel-hydrogen batteries, which were finally replaced in May 2009, more than 19 years after launch and 13 years beyond their design life.

Role in quantum theory

Hydrogen emission spectrum lines in the visible range. These are the four visible lines of the Balmer series.

Because of its simple atomic structure, consisting only of a proton and an electron, the hydrogen atom, together with the spectrum of light produced from it or absorbed by it, has been central to the development of the theory of atomic structure. Furthermore, study of the corresponding simplicity of the hydrogen molecule and the corresponding cation H+2 brought understanding of the nature of the chemical bond, which followed shortly after the quantum mechanical treatment of the hydrogen atom had been developed in the mid-1920s.

One of the first quantum effects to be explicitly noticed (but not understood at the time) was a Maxwell observation involving hydrogen, half a century before full quantum mechanical theory arrived. Maxwell observed that the specific heat capacity of H₂ unaccountably departs from that of a diatomic gas below room temperature and begins to increasingly resemble that of a monatomic gas at cryogenic temperatures. According to quantum theory, this behavior arises from the spacing of the (quantized) rotational energy levels, which are particularly wide-spaced in H₂ because of its low mass. These widely spaced levels inhibit equal partition of heat energy into rotational motion in hydrogen at low temperatures. Diatomic gases composed of heavier atoms do not have such widely spaced levels and do not exhibit the same effect.

Antihydrogen (
H
) is the antimatter counterpart to hydrogen. It consists of an antiproton with a positron. Antihydrogen is the only type of antimatter atom to have been produced as of 2015.

Cosmic prevalence and distribution

NGC 604, a giant region of ionized hydrogen in the Triangulum Galaxy

Hydrogen, as atomic H, is the most abundant chemical element in the universe, making up 75 percent of normal matter by mass and more than 90 percent by number of atoms. (Most of the mass of the universe, however, is not in the form of chemical-element type matter, but rather is postulated to occur as yet-undetected forms of mass such as dark matter and dark energy.) This element is found in great abundance in stars and gas giant planets. Molecular clouds of H₂ are associated with star formation. Hydrogen plays a vital role in powering stars through the proton-proton reaction in case of stars with very low to approximately 1 mass of the Sun and the CNO cycle of nuclear fusion in case of stars more massive than the Sun.

States

Throughout the universe, hydrogen is mostly found in the atomic and plasma states, with properties quite distinct from those of molecular hydrogen. As a plasma, hydrogen's electron and proton are not bound together, resulting in very high electrical conductivity and high emissivity (producing the light from the Sun and other stars). The charged particles are highly influenced by magnetic and electric fields. For example, in the solar wind they interact with the Earth's magnetosphere giving rise to Birkeland currents and the aurora.

Hydrogen is found in the neutral atomic state in the interstellar medium because the atoms seldom collide and combine. They are the source of the 21-cm hydrogen line at 1420 MHz that is detected in order to probe primordial hydrogen. The large amount of neutral hydrogen found in the damped Lyman-alpha systems is thought to dominate the cosmological baryonic density of the universe up to a redshift of z = 4.

Under ordinary conditions on Earth, elemental hydrogen exists as the diatomic gas, H₂. Hydrogen gas is very rare in the Earth's atmosphere (around 0.53 ppm on a molar basis) because of its light weight, which enables it to escape from the atmosphere more rapidly than heavier gases. However, hydrogen is the third most abundant element on the Earth's surface, mostly in the form of chemical compounds such as hydrocarbons and water.

A molecular form called protonated molecular hydrogen (H+3) is found in the interstellar medium, where it is generated by ionization of molecular hydrogen from cosmic rays. This ion has also been observed in the upper atmosphere of the planet Jupiter. The ion is relatively stable in the environment of outer space due to the low temperature and density. H+3 is one of the most abundant ions in the universe, and it plays a notable role in the chemistry of the interstellar medium. Neutral triatomic hydrogen H₃ can exist only in an excited form and is unstable. By contrast, the positive hydrogen molecular ion (H+2) is a rare molecule in the universe.

Production

Main article: Hydrogen production

H₂ is produced in chemistry and biology laboratories, often as a by-product of other reactions; in industry for the hydrogenation of unsaturated substrates; and in nature as a means of expelling reducing equivalents in biochemical reactions.

Water electrolysis

Illustrating inputs and outputs of simple electrolysis of water production of hydrogen

The electrolysis of water is a simple method of producing hydrogen. A current is run through the water, and gaseous oxygen forms at the anode while gaseous hydrogen forms at the cathode. Typically the cathode is made from platinum or another inert metal when producing hydrogen for storage. If, however, the gas is to be burnt on site, oxygen is desirable to assist the combustion, and so both electrodes would be made from inert metals. (Iron, for instance, would oxidize, and thus decrease the amount of oxygen given off.) The theoretical maximum efficiency (electricity used vs. energetic value of hydrogen produced) is in the range 88–94%.

2 H₂O(l) → 2 H₂(g) + O₂(g)

Methane pyrolysis

Illustrating inputs and outputs of methane pyrolysis, a process to produce hydrogen

Hydrogen production using natural gas methane pyrolysis is a one-step process that produces no greenhouse gases. Developing volume production using this method is the key to enabling faster carbon reduction by using hydrogen in industrial processes, fuel cell electric heavy truck transportation, and in gas turbine electric power generation. Methane pyrolysis is performed by having methane CH₄ bubbled up through a molten metal catalyst containing dissolved nickel at 1,340 K (1,070 °C; 1,950 °F). This causes the methane to break down into hydrogen gas and solid carbon, with no other byproducts.

CH₄(g) → C(s) + 2 H₂(g) (ΔH° = 74 kJ/mol)

The industrial quality solid carbon may be sold as manufacturing feedstock or permanently landfilled; it is not released into the atmosphere and does not cause ground water pollution in landfill. Methane pyrolysis is in development and considered suitable for commercial bulk hydrogen production. Volume production is being evaluated in the BASF "methane pyrolysis at scale" pilot plant. Further research continues in several laboratories, including at Karlsruhe Liquid-metal Laboratory (KALLA) and the chemical engineering laboratory at University of California – Santa Barbara

Other industrial methods

Illustrating inputs and outputs of steam reforming of natural gas, a process to produce hydrogen

Hydrogen is often produced by reacting water with methane and carbon monoxide, which causes the removal of hydrogen from hydrocarbons at very high temperatures, with 48% of hydrogen production coming from steam reforming. The water vapor is then reacted with the carbon monoxide produced by steam reforming to oxidize it to carbon dioxide and turn the water into hydrogen. Commercial bulk hydrogen is usually produced by the steam reforming of natural gas with release of atmospheric greenhouse gas or with capture using CCS and climate change mitigation. Steam reforming is also known as the Bosch process and is widely used for the industrial preparation of hydrogen.

At high temperatures (1000–1400 K, 700–1100 °C or 1300–2000 °F), steam (water vapor) reacts with methane to yield carbon monoxide and H₂.

CH₄ + H₂O → CO + 3 H₂

This reaction is favored at low pressures but is nonetheless conducted at high pressures (2.0 MPa, 20 atm or 600 inHg). This is because high-pressure H₂ is the most marketable product, and pressure swing adsorption (PSA) purification systems work better at higher pressures. The product mixture is known as "synthesis gas" because it is often used directly for the production of methanol and related compounds. Hydrocarbons other than methane can be used to produce synthesis gas with varying product ratios. One of the many complications to this highly optimized technology is the formation of coke or carbon:

CH₄ → C + 2 H₂

Consequently, steam reforming typically employs an excess of H₂O. Additional hydrogen can be recovered from the steam by use of carbon monoxide through the water gas shift reaction, especially with an iron oxide catalyst. This reaction is also a common industrial source of carbon dioxide:

CO + H₂O → CO₂ + H₂

Other important methods for CO and H₂ production include partial oxidation of hydrocarbons:

2 CH₄ + O₂ → 2 CO + 4 H₂

and the coal reaction, which can serve as a prelude to the shift reaction above:

C + H₂O → CO + H₂

Hydrogen is sometimes produced and consumed in the same industrial process, without being separated. In the Haber process for the production of ammonia, hydrogen is generated from natural gas. Electrolysis of brine to yield chlorine also produces hydrogen as a co-product.

Olefin production units may produce substantial quantities of byproduct hydrogen particularly from cracking light feedstocks like ethane or propane.

Metal-acid

Many metals react with water to produce H₂, but the rate of hydrogen evolution depends on the metal, the pH, and the presence alloying agents. Most commonly, hydrogen evolution is induced by acids. The alkali and alkaline earth metals, aluminium, zinc, manganese, and iron react readily with aqueous acids. This reaction is the basis of the Kipp's apparatus, which once was used as a laboratory gas source:

Zn + 2 H⁺ → Zn²⁺ + H₂

In the absence of acid, the evolution of H₂ is slower. Because iron is widely used structural material, its anaerobic corrosion is of technological significance:

Fe + 2 H₂O → Fe(OH)₂ + H₂

Many metals, such as aluminium, are slow to react with water because they form passivated coatings of oxides. An alloy of aluminium and gallium, however, does react with water. At high pH, aluminium can produce H₂:

2 Al + 6 H₂O + 2 OH⁻ → 2 [Al(OH)₄]⁻ + 3 H₂

Some metal-containing compounds react with acids to evolve H₂. Under anaerobic conditions, ferrous hydroxide (Fe(OH)
₂) can be oxidized by the protons of water to form magnetite and H₂. This process is described by the Schikorr reaction:

3 Fe(OH)₂ → Fe₃O₄ + 2 H₂O + H₂

This process occurs during the anaerobic corrosion of iron and steel in oxygen-free groundwater and in reducing soils below the water table.

Thermochemical

More than 200 thermochemical cycles can be used for water splitting. Many of these cycles such as the iron oxide cycle, cerium(IV) oxide–cerium(III) oxide cycle, zinc zinc-oxide cycle, sulfur-iodine cycle, copper-chlorine cycle and hybrid sulfur cycle have been evaluated for their commercial potential to produce hydrogen and oxygen from water and heat without using electricity. A number of laboratories (including in France, Germany, Greece, Japan, and the United States) are developing thermochemical methods to produce hydrogen from solar energy and water.

Serpentinization reaction

In deep geological conditions prevailing far away from the Earth's atmosphere, hydrogen (H₂) is produced during the process of serpentinization. In this process, water protons (H⁺) are reduced by ferrous (Fe²⁺) ions provided by fayalite (Fe₂SiO₄). The reaction forms magnetite (Fe₃O₄), quartz (SiO₂), and hydrogen (H₂):

3 Fe₂SiO₄ + 2 H₂O → 2 Fe₃O₄ + 3 SiO₂ + 2 H₂

fayalite + water → magnetite + quartz + hydrogen

This reaction closely resembles the Schikorr reaction observed in anaerobic oxidation of ferrous hydroxide in contact with water.

Applications

Petrochemical industry

Large quantities of H₂ are used in the "upgrading" of fossil fuels. Key consumers of H₂ include hydrodealkylation, hydrodesulfurization, and hydrocracking. Many of these reactions can be classified as hydrogenolysis, i.e., the cleavage of bonds to carbon. Illustrative is the separation of sulfur from liquid fossil fuels:

R₂S + 2 H₂ → H₂S + 2 RH

Hydrogenation

Hydrogenation, the addition of H₂ to various substrates is conducted on a large scale. The hydrogenation of N₂ to produce ammonia by the Haber–Bosch process consumes a few percent of the energy budget in the entire industry. The resulting ammonia is used to supply the majority of the protein consumed by humans. Hydrogenation is used to convert unsaturated fats and oils to saturated fats and oils. The major application is the production of margarine. Methanol is produced by hydrogenation of carbon dioxide. It is similarly the source of hydrogen in the manufacture of hydrochloric acid. H₂ is also used as a reducing agent for the conversion of some ores to the metals.

Coolant

Main article: Hydrogen-cooled turbo generator

Hydrogen is commonly used in power stations as a coolant in generators due to a number of favorable properties that are a direct result of its light diatomic molecules. These include low density, low viscosity, and the highest specific heat and thermal conductivity of all gases.

Energy carrier

See also: Hydrogen economy, Hydrogen infrastructure, and Hydrogen fuel

Elemental hydrogen has been widely discussed in the context of energy, as a possible future carrier of energy on an economy-wide scale. Hydrogen is a ''carrier'' of energy rather than an energy resource, because there is no naturally occurring source of hydrogen in useful quantities.

Hydrogen can be burned to produce heat or combined with oxygen in fuel cells to generate electricity directly, with water being the only emissions at the point of usage. The overall lifecycle emissions of hydrogen depend on how it is produced. Nearly all of the world's current supply of hydrogen is created from fossil fuels. The main method is steam methane reforming, in which hydrogen is produced from a chemical reaction between steam and methane, the main component of natural gas. Producing one tonne of hydrogen through this process emits 6.6–9.3 tonnes of carbon dioxide. While carbon capture and storage can remove a large fraction of these emissions, the overall carbon footprint of hydrogen from natural gas is difficult to assess as of 2021, in part because of emissions created in the production of the natural gas itself.

Electricity can be used to split water molecules, producing sustainable hydrogen provided the electricity was generated sustainably. However, this electrolysis process is currently more expensive than creating hydrogen from methane and the efficiency of energy conversion is inherently low. Hydrogen can be produced when there is a surplus of variable renewable electricity, then stored and used to generate heat or to re-generate electricity. It can be further transformed into synthetic fuels such as ammonia and methanol.

Innovation in hydrogen electrolysers could make large-scale production of hydrogen from electricity more cost-competitive. There is potential for hydrogen to play a significant role in decarbonising energy systems because in certain sectors, replacing fossil fuels with direct use of electricity would be very difficult. Hydrogen fuel can produce the intense heat required for industrial production of steel, cement, glass, and chemicals. For steelmaking, hydrogen can function as a clean energy carrier and simultaneously as a low-carbon catalyst replacing coal-derived coke. Hydrogen used in transportation would burn relatively cleanly, with some NO_x emissions, but without carbon emissions. Disadvantages of hydrogen as an energy carrier include high costs of storage and distribution due to hydrogen's explosivity, its large volume compared to other fuels, and its tendency to make pipes brittle. The infrastructure costs associated with full conversion to a hydrogen economy would be substantial.

Semiconductor industry

Hydrogen is employed to saturate broken ("dangling") bonds of amorphous silicon and amorphous carbon that helps stabilizing material properties. It is also a potential electron donor in various oxide materials, including ZnO, SnO₂, CdO, MgO, ZrO₂, HfO₂, La₂O₃, Y₂O₃, TiO₂, SrTiO₃, LaAlO₃, SiO₂, Al₂O₃, ZrSiO₄, HfSiO₄, and SrZrO₃.

Aerospace

Liquid hydrogen and liquid oxygen together serve as cryogenic fuel in liquid-propellant rockets, as in the Space Shuttle main engines.

Niche and evolving uses

• Shielding gas: Hydrogen is used as a shielding gas in welding methods such as atomic hydrogen welding.

• Cryogenic research: Liquid H₂ is used in cryogenic research, including superconductivity studies.

• Buoyant lifting: Because H₂ is lighter than air, having only 7% of the density of air, it was once widely used as a lifting gas in balloons and airships.
• Leak detection: Pure or mixed with nitrogen (sometimes called forming gas), hydrogen is a tracer gas for detection of minute leaks. Applications can be found in the automotive, chemical, power generation, aerospace, and telecommunications industries. Hydrogen is an authorized food additive (E 949) that allows food package leak testing, as well as having anti-oxidizing properties.

• Neutron moderation: Deuterium (hydrogen-2) is used in nuclear fission applications as a moderator to slow neutrons.
• Nuclear fusion fuel: Deuterium is used in nuclear fusion reactions.
• Isotopic labeling: Deuterium compounds have applications in chemistry and biology in studies of isotope effects on reaction rates.

• Rocket propellant: NASA has investigated the use of rocket propellant made from atomic hydrogen, boron or carbon that is frozen into solid molecular hydrogen particles that are suspended in liquid helium. Upon warming, the mixture vaporizes to allow the atomic species to recombine, heating the mixture to high temperature.
• Tritium uses: Tritium (hydrogen-3), produced in nuclear reactors, is used in the production of hydrogen bombs, as an isotopic label in the biosciences, and as a source of beta radiation in radioluminescent paint for instrument dials and emergency signage.

Biological reactions

Further information: Biohydrogen and Biological hydrogen production (Algae)

H₂ is a product of some types of anaerobic metabolism and is produced by several microorganisms, usually via reactions catalyzed by iron- or nickel-containing enzymes called hydrogenases. These enzymes catalyze the reversible redox reaction between H₂ and its component two protons and two electrons. Creation of hydrogen gas occurs in the transfer of reducing equivalents, produced during pyruvate fermentation, to water. The natural cycle of hydrogen production and consumption by organisms is called the hydrogen cycle. Bacteria such as Mycobacterium smegmatis can utilize the small amount of hydrogen in the atmosphere as a source of energy when other sources are lacking, using a hydrogenase with samll channels that exclude oxygen and so permits the reaction to occur even though the hydrogen concentration is very low and the oxygen concentration is as in normal air.

Hydrogen is the most abundant element in the human body in terms of numbers of atoms of the element but the third most abundant element by mass. H₂ occurs in the breath of humans due to the metabolic activity of hydrogenase-containing microorganisms in the large intestine and is a natural component of flatus. The concentration in the breath of fasting people at rest is typically less than 5 parts per million (ppm) but can be 50 ppm when people with intestinal disorders consume molecules they cannot absorb during diagnostic hydrogen breath tests.

Water splitting, in which water is decomposed into its component protons, electrons, and oxygen, occurs in the light reactions in all photosynthetic organisms. Some such organisms, including the alga Chlamydomonas reinhardtii and cyanobacteria, have evolved a second step in the dark reactions in which protons and electrons are reduced to form H₂ gas by specialized hydrogenases in the chloroplast. Efforts have been undertaken to genetically modify cyanobacterial hydrogenases to efficiently synthesize H₂ gas even in the presence of oxygen. Efforts have also been undertaken with genetically modified alga in a bioreactor.

Safety and precautions

Main article: Hydrogen safety

Hydrogen

Hazards
GHS labelling:
Pictograms
Signal word	Danger
Hazard statements	H220
Precautionary statements	P202, P210, P271, P377, P381, P403
NFPA 704 (fire diamond)	0 4 0

Hydrogen poses a number of hazards to human safety, from potential detonations and fires when mixed with air to being an asphyxiant in its pure, oxygen-free form. In addition, liquid hydrogen is a cryogen and presents dangers (such as frostbite) associated with very cold liquids. Hydrogen dissolves in many metals and in addition to leaking out, may have adverse effects on them, such as hydrogen embrittlement, leading to cracks and explosions. Hydrogen gas leaking into external air may spontaneously ignite. Moreover, hydrogen fire, while being extremely hot, is almost invisible, and thus can lead to accidental burns.

Even interpreting the hydrogen data (including safety data) is confounded by a number of phenomena. Many physical and chemical properties of hydrogen depend on the parahydrogen/orthohydrogen ratio (it often takes days or weeks at a given temperature to reach the equilibrium ratio, for which the data is usually given). Hydrogen detonation parameters, such as critical detonation pressure and temperature, strongly depend on the container geometry.

See also

• Hydrogen economy – Using hydrogen to decarbonize sectors which are hard to electrify
• Hydrogen production – Family of industrial methods for generating hydrogen
• Hydrogen safety – Procedures for safe production, handling and use of hydrogen
• Hydrogen technologies – Technologies that relating to the production & use of hydrogen
• Hydrogen transport
• Liquid hydrogen – Liquid state of the element hydrogen
• Methane pyrolysis – Thermal decomposition of materials at elevated temperatures in an inert atmospherePages displaying short descriptions of redirect targets (for hydrogen)
• Natural hydrogen – Hydrogen not produced any industrial process
• Pyrolysis – Thermal decomposition of materials at elevated temperatures in an inert atmosphere