هیدروژن اولین عنصر جدول تناوبی و فراوان ترین ماده شیمیایی در کیهان است. هیدروژن که تقریباً 75 درصد از کل جرم باریونی را شامل می شود، به مقدار زیادی در ستارگان و سیارات غول پیکر گازی یافت می شود.
هیدروژن یک عنصر شیمیایی با نماد H و عدد اتمی 1 است. هیدروژن به عنوان سبک ترین عنصر از یک پروتون منفرد و در رایج ترین شکل آن از یک الکترون تشکیل شده است. معمولاً به عنوان یک گاز، به ویژه یک مولکول دو اتمی ( \(H_2\) ) در دمای اتاق یافت می شود.
گاز هیدروژن ( \(H_2\) ) بی رنگ، بی بو، بی مزه، غیر سمی و بسیار قابل اشتعال است. چگالی آن تقریباً \(0.08988 \, \textrm{g/L}\) در دما و فشار استاندارد است که چگالی آن را کمتر از هوا می‌کند. این گاز زمانی تشکیل می شود که دو اتم هیدروژن به یکدیگر پیوند می خورند و الکترون های خود را به اشتراک می گذارند.
گاز هیدروژن را می‌توان از طریق روش‌های مختلفی از جمله رفرمینگ بخار و متان و الکترولیز تولید کرد. اصلاح بخار متان در حال حاضر مقرون به صرفه ترین روش است و شامل واکنش متان با بخار با دمای بالا است. از سوی دیگر، الکترولیز شامل استفاده از الکتریسیته برای تقسیم آب به هیدروژن و اکسیژن است.
هیدروژن کاربردهای گسترده ای دارد. در صنایع شیمیایی برای تولید آمونیاک (از طریق فرآیند هابر) که یک عنصر کلیدی در کود است، استفاده می شود. هیدروژن همچنین در پالایش نفت، تصفیه فلزات و تولید اسید هیدروکلریک استفاده می شود. علاوه بر این، هیدروژن به عنوان یک سوخت پاک، برای نیرو دادن به وسایل نقلیه و تولید الکتریسیته نویدبخش است و تنها آب را به عنوان محصول جانبی تولید می کند.
هیدروژن به عنوان فراوان ترین عنصر در کیهان نقش مهمی ایفا می کند. این سوخت اولیه برای همجوشی هسته ای در ستارگان، از جمله خورشید ما است. در هسته ستارگان، اتم های هیدروژن با هم ترکیب می شوند و هلیوم را تشکیل می دهند و در این فرآیند مقادیر زیادی انرژی آزاد می کنند. این همجوشی هسته ای ستاره ها را روشن می کند و انرژی را فراهم می کند که حیات روی زمین را پشتیبانی می کند.
هیدروژن سه ایزوتوپ اصلی دارد: پروتیوم ( \(^1H\) )، دوتریوم ( \(^2H\) ) و تریتیوم ( \(^3H\) ). پروتیوم، بدون نوترون، رایج ترین شکل است. دوتریوم یا هیدروژن سنگین حاوی یک نوترون است و در راکتورهای هسته ای و برای تولید آب سنگین استفاده می شود. تریتیوم، با دو نوترون، رادیواکتیو است و در سلاح های هسته ای و به عنوان ردیاب در تحقیقات علمی کاربرد دارد.
آزمایش های ساده می توانند خواص و واکنش های گاز هیدروژن را نشان دهند. یک آزمایش کلاسیک واکنش فلز با اسید است که گاز هیدروژن تولید می کند. به عنوان مثال، واکنش روی با اسید کلریدریک ( \(Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2\) ) به طور ایمن گاز هیدروژن تولید می‌کند که سپس می‌توان آن را با آوردن یک آتل شعله‌ور نزدیک گاز و مشاهده صدای «پاپ» مشخص، آزمایش کرد. وجود هیدروژن
در حالی که هیدروژن یک سوخت پاک است، تولید و ذخیره آن چالش هایی را به همراه دارد. در حال حاضر بیشتر هیدروژن از سوخت‌های فسیلی تولید می‌شود که به انتشار گازهای گلخانه‌ای کمک می‌کند. با این حال، تلاش‌ها برای افزایش استفاده از هیدروژن سبز، تولید شده از طریق الکترولیز با انرژی‌های تجدیدپذیر، برای کاهش این تأثیر در حال انجام است. علاوه بر این، به دلیل قابل اشتعال بودن، هیدروژن برای جلوگیری از انفجار نیاز به نگهداری و نگهداری دقیق دارد.
هیدروژن یک عنصر اساسی است که هم برای صنعت و هم برای فرآیندهای طبیعی جهان ضروری است. ساختار اتمی ساده آن نقش پیچیده آن را در واکنش های شیمیایی، تولید انرژی و پتانسیل به عنوان یک منبع سوخت پاک نادیده می گیرد. پیشرفت در تولید و استفاده پایدار از آن می تواند مزایای زیست محیطی و اقتصادی قابل توجهی داشته باشد.
