الهيدروجين هو العنصر الأول في الجدول الدوري وهو المادة الكيميائية الأكثر وفرة في الكون. يشكل الهيدروجين حوالي 75% من الكتلة الباريونية، ويوجد بكميات كبيرة في النجوم والكواكب الغازية العملاقة.
الهيدروجين عنصر كيميائي رمزه H وعدده الذري 1 . باعتباره أخف العناصر، يتكون الهيدروجين من بروتون واحد، وفي صورته الأكثر شيوعًا، إلكترون واحد. يوجد عادة كغاز، وتحديداً جزيء ثنائي الذرة ( \(H_2\) ) ، في درجة حرارة الغرفة.
غاز الهيدروجين ( \(H_2\) ) عديم اللون والرائحة والمذاق وغير سام وقابل للاشتعال للغاية. تبلغ كثافته حوالي \(0.08988 \, \textrm{جم/لتر}\) عند درجة الحرارة والضغط القياسيين، مما يجعله أقل كثافة من الهواء. يتشكل هذا الغاز عندما ترتبط ذرتان هيدروجين معًا وتتشاركان إلكتروناتهما.
يمكن إنتاج غاز الهيدروجين عبر طرق مختلفة، بما في ذلك إعادة تشكيل بخار الميثان والتحليل الكهربائي . يعد إصلاح الميثان بالبخار الطريقة الأكثر فعالية من حيث التكلفة حاليًا ويتضمن تفاعل الميثان مع بخار عالي الحرارة. ومن ناحية أخرى، يتضمن التحليل الكهربائي استخدام الكهرباء لتقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين.
الهيدروجين لديه مجموعة واسعة من التطبيقات. يتم استخدامه في الصناعة الكيميائية لإنتاج الأمونيا (من خلال عملية هابر)، وهو عنصر رئيسي في الأسمدة. ويستخدم الهيدروجين أيضًا في تكرير البترول ومعالجة المعادن وإنتاج حمض الهيدروكلوريك. علاوة على ذلك، يبشر الهيدروجين كوقود نظيف بتشغيل المركبات وتوليد الكهرباء، وإنتاج الماء فقط كمنتج ثانوي.
يلعب الهيدروجين دورًا حاسمًا في الكون باعتباره العنصر الأكثر وفرة. وهو الوقود الأساسي للاندماج النووي في النجوم، بما في ذلك شمسنا. في قلب النجوم، تندمج ذرات الهيدروجين لتشكل الهيليوم، مما يؤدي إلى إطلاق كميات هائلة من الطاقة في هذه العملية. يضيء هذا الاندماج النووي النجوم ويوفر الطاقة التي تدعم الحياة على الأرض.
يحتوي الهيدروجين على ثلاثة نظائر أولية: البروتيوم ( \(^1H\) ) والديوتيريوم ( \(^2H\) ) والتريتيوم ( \(^3H\) ). البروتيوم، الذي لا يحتوي على نيوترونات، هو الشكل الأكثر شيوعًا. يحتوي الديوتيريوم، أو الهيدروجين الثقيل، على نيوترون واحد ويستخدم في المفاعلات النووية وفي إنتاج الماء الثقيل. التريتيوم، الذي يحتوي على نيوترونين، مشع وله تطبيقات في الأسلحة النووية وكأداة تتبع في البحث العلمي.
تجارب بسيطة يمكن أن توضح خصائص وتفاعلات غاز الهيدروجين. إحدى التجارب الكلاسيكية هي تفاعل المعدن مع الحمض، مما يؤدي إلى إنتاج غاز الهيدروجين. على سبيل المثال، يؤدي تفاعل الزنك مع حمض الهيدروكلوريك ( \(Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2\) ) بأمان إلى توليد غاز الهيدروجين، والذي يمكن بعد ذلك اختباره عن طريق وضع جبيرة مشتعلة بالقرب من الغاز وملاحظة صوت "فرقعة" مميز، مما يشير إلى وجود الهيدروجين.
في حين أن الهيدروجين هو وقود نظيف، فإن إنتاجه وتخزينه يشكل تحديات. يتم إنتاج معظم الهيدروجين حاليًا من الوقود الأحفوري، مما يساهم في انبعاثات الغازات الدفيئة. ومع ذلك، فإن الجهود المبذولة لزيادة استخدام الهيدروجين الأخضر، الذي يتم إنتاجه عن طريق التحليل الكهربائي المدعوم بالطاقة المتجددة، جارية للتخفيف من هذا التأثير. علاوة على ذلك، نظرًا لقابليته للاشتعال، يتطلب الهيدروجين معالجة وتخزينًا دقيقًا لتجنب الانفجارات.
الهيدروجين عنصر أساسي، ضروري لكل من الصناعة والعمليات الطبيعية في الكون. ويتناقض تركيبها الذري البسيط مع دورها المعقد في التفاعلات الكيميائية، وإنتاج الطاقة، وإمكاناتها كمصدر للوقود النظيف. ويمكن أن يكون للتقدم في إنتاجه واستخدامه المستدامين فوائد بيئية واقتصادية كبيرة.
