يعود الفضل في اكتشاف الهيدروجين إلى العالمهنري كافيندش وذلك عام 1766 حيث عرف الهيدروجين لأوّل مرّة كمادّة متميّزة عن غيرها من الغازات القابلة للاشتعال.[5] سمّى كافيندش الغاز المنطلق الناتج عن تفاعل الفلزّات مع الأحماض الممدّدةبالهواء القابل للاشتعال،[6] وافترض أنّ هذه المادّة مماثلة للمادّة الافتراضيّةفلوجستون،[7] وفي عام 1781 اكتشف أنّ هذا الغاز يعطي باحتراقه الماء، لذلك ينسب اكتشاف هذا العنصر له.[8][9]
في عام 1783، قام العالمأنطوان لافوازييه بمنح العنصر المكتشف اسم الهيدروجين، وذلك باشتقاق التسمية منالإغريقيّة، حيث أن لفظة هيدروὕδρω تعني ماء، ولفظة جينγενῆς تعني مكوّن أو مولّد أو مشكّل،[10] وذلك عندما قام هووبيير لابلاس بإعادة تجربة كافنديش بتشكيل الماء عند حرق الهيدروجين.[9]
كان نفخالمناطيد من أوّل استخدامات الهيدروجين، وكانجاك شارل أوّل من قام بهذا العمل وذلك عام 1783.[9] بناء على هذه الفكرة قام الكونت الألمانيفرديناند فون زبلين بتسويق فكرة المناطيد المزوّدة بالهيدروجين، حيث أسّس لاحقاً شركة متخصّصة بهذا الشأن أسماها على اسمه مناطيدزبلين، والتي كانت الرحلة الأولى لها عام 1900.[9] إلّا أنّ هذه المناطيد لم تكن آمنة وتراجع استخدامها بعدحادث تحطم هيندنبورغ.[9]
نظراً للبنية الذريّة البسيطةلذرة الهيدروجين حيث تتألّف من بروتون واحد وإلكترون واحد، فإنّها استخدمت لتفسير نظرية البنية الذرّيّة، وذلك عن طريق تفسير طيف إصدار الهيدروجين في المجال المرئي.[11]تعدّ ذرّة الهيدروجين على سبيل المثال، الذرّة الوحيدة المعتدلة التي لها حلّ فيمعادلة شرودنغر.
يعدّ الهيدروجين بالشكل الذرّي H أكثرالعناصر الكيميائيّةوفرةً فيالكون حيث يشكّل 75% من الكتلة بالنسبة لباقي العناصر، وفي نفس الوقت أكثر من 90% بالنسبة لعدد ذرّات العناصر في الكون. تجدر الإشارة بأنّ معظم كتلة الكون توجد على شكل مغاير للمادّة الموجودة على الأرض وذلك من حيث ارتباط العناصر، ولكن يعتقد أنّها توجد على شكلمادّةوطاقة مظلمة.[12]يوجد عنصر الهيدروجين بكميّات كبيرة فيالنجوموالعماليق الغازيّة، كما تلعبالسحب الجزيئيّة للهيدروجين H2 دوراً فيولادة النجوم وفي تزويدها بالوقود اللازم من خلالسلسلة تفاعل بروتون-بروتون ومن خلالدورة كربون-نيتروجين-أكسجين CNO لتشكيلالهيليوم عن طريقالاندماج النووي.[13]إنّ عنصر الهيدروجين الموجود على مدى الكون يكون في الحالةالذرية وفي حالةالبلازما واللتان تختلفان بخواصهما عن شكل الهيدروجين الجزيئي. في حالة البلازما مثلاً، فإنّ إلكترون وبروتون الهيدروجين غير مرتبطين ببعضهما البعض، إنّما في حالة سحابة متداخلة، ممّا يمنحهناقلية كهربائية وإشعاعيّة عالية كحالته في النجوم مثلالشمس، وتدعى حالته تلك باسمأنيون الهيدروجين. هذه الجسيمات المشحونة تتأثّر بالمجالات المغناطيسيّة والكهربائيّة، كما يحدث فيالرياح الشمسيّة التي تتأثّربالغلاف المغناطيسي للأرض مشكّلةًتيارات بيركلاندوالشفق القطبي. بالمقابل، فإنّ الحالة الذرّيّة المعتدلة للهيدروجين تكثر فيالأوساط بين النجميّة، حيث أنّ أنظمةلايمان-ألفا المخمّدة توجد فيها كمّيّات كبيرة من الهيدروجين الذرّي المعتدل مشكّلة قسماً كبيراً من كثافةالباريونات الكونيّة حيث تؤدّي إلى حدوثانزياح أحمر بمقدارz=4 في الكون.[14]
يتوافر الهيدروجين خارج الأنظمة النجميّة على شكل سحب غازيّة، وذلك فيمناطق الهيدروجين I حيث يوجد على شكل ذرّي معتدل غير متأيّن. هذه المناطق تصدر إشعاعاً له تردّد 1420 ميغا هرتز، والذي يسمّىخط هيدروجين. هذا الإشعاع يمكّن من تحديد مواقع تركّز الهيدروجين في الكون. بالمقابل، فإنّ السحب الغازيّة المتأيّنة للهيدروجين تسمىمناطق هيدروجين II. في هذه المناطق الأخيرة تصدر النجوم إشعاعاً بكمّيّات كبيرة، ممّا يمكّن من إجراء البحث حول تركيب المادّة المكوّنة للوسط بين النجمي.
يجب الانتباه إلى أنّالفلزّات القلويّةوالقلويّة الترابيّة تطلق الهيدروجين بشدّة، ممّا يجعل من الصعب السيطرة على التفاعل.[19] أمّا المعادن الأخرى مثل الفضّة والذهب والزئبق والنحاس فهي لا تطلق الهيدروجين بتفاعلها مع الأحماض.
ينتج الهيدروجين من إجراء عمليةتحليل كهربائي للماء، وهي طريقة قديمة بسيطة يمكن تطبيقها بتمريرتيار كهربائي بين قطبين كهربائيين مغموسين في الماء.
نتيجة لذلك يتشكّل الهيدروجين علىالمهبط في حين أنّالأكسجين يتشكّل علىالمصعد. يصنع المهبط عادةً منالبلاتين أو أيّ فلز خامل آخر. لا يمكن الاعتماد على هذه العمليّة لإنتاج الهيدروجين صناعيّاً لأنّها غير مجدية اقتصاديّاً، وذلك للطاقة الكبيرة المستهلكة لإجراء العمليّة، ولحدوث تفاعلات جانبيّة تقلّل من الكفاءة. إنّ الكفاءة النظريّة للعمليّة تقع ضمن مجال يتراوح بين 80–94%.[21]ينتج الهيدروجين أيضاً منالتحليل الكهربائيللأجاج أثناء إنتاجالكلور.[22]
لا زالت الأبحاث جارية لزيادة فعّالية العمليّة، من بينها بحث نشر عام 2007 يتضمّن وصف طريقة استخدامسبيكة من الألومنيوموالغاليوم على شكل حبيبات تضاف إلى الماء لتوليد الهيدروجين. هذه العملية تشكّلالألومينا بالإضافة إلى الغاليوم الذي يمنع تشكّل طبقة الأكسيد على الحبيبات ممّا يمكّن من إعادة استخدامها. هذه الطريقة توفّر أحد المقترحات لصالحاقتصاد الهيدروجين بحيث أنّ الهيدروجين يولّد في الموقع دون الحاجة لنقله.[23]
إنّ أكثر الطرق كفاءةً من الناحية الاقتصاديّة لإنتاج الهيدروجين هي عمليةإصلاح بخاري للهيدروكربونات وخاصّة بالنسبةللغاز الطبيعي.[26] ينتج الهيدروجين في هذه العمليّة كناتج ثانوي حيث يمرّر بخار الماء عند درجات حرارة مرتفعة تتراوح بين 700 إلى 1000°س على الهيدروكربونات (غازالميثان في المثال أدناه) وينتج بذلكغاز الاصطناع، وهو مزيج من الهيدروجينوأحادي أكسيد الكربون.
هذا التفاعل يفضّل إجراؤه تحت ضغوط منخفضة ولكن عمليّاً يجرى تحت ضغوط مرتفعة (حوالي 2 ميغا باسكال)، لأن تسويق الهيدروجين المضغوط أسهل، ولأنّ أنظمة وحداتالامتزاز بالضغط المتأرجح تعمل بشكل أفضل عند ضغوط مرتفعة. يستعمل غاز الاصطناع بشكل رئيسي لإنتاجالميثانول والمركّبات المتعلّقة.
تتضمّن عملية الإصلاح البخاري استخدام زيادة من بخار الماء، ولضبط كميّة الغازين إلى بعضهما البعض يستخدمتفاعل انزياح ماء-غاز لتوليد كمّيّة إضافيّة من الهيدروجين، وذلك بوجودحفّاز منأكسيد الحديد. هذا التفاعل بدوره يعدّ طريقة صناعيّة لتحضيرثنائي أكسيد الكربون.[26]
من إحدى الطرق الأخرى المهمّة لإنتاج الهيدروجين هيالأكسدة الجزئيّة للهيدروكربونات:[27]
واستخدام الفحم كإحدى المواد الأوليّة لتفاعل انزياح ماء-غاز:[26]
ينتج الهيدروجين أحياناً في العمليّات الصناعيّة ويستهلك في نفس العملية دون الحاجة إلى فصله. ففيعملية هابر لإنتاجالأمونيا يتولّد الهيدروجين من الغاز الطبيعي لاستخدامه من أجل الإنتاج.[28]
يجري البحث في الوقت الراهن على إيجاد طرق بديلة لإنتاج الهيدروجين نتيجة ازدياد الطلب على مصادر الطاقة إمّا باستخدامالأشنيات الخضراء أو الأنزيمات. من الاقتراحات التي ظهرت مؤخراً عام 2014 استخدام طريقة محفّزةأنزيمياً لتحويلالزيلوز إلى الهيدروجين. تتضمّن العمليّة استخدام 13 أنزيم من ضمنها زيلولوكينازXylulokinaseمتعدد الفوسفات.[29][30]
للهيدروجين ثلاثةنظائر رئيسيّة وهي1H ويدعى البروتيوم وله الرمز H، و2H ويدعىديوتيريوم وله الرمز D، و3H ويدعىتريتيوم وله الرمز T. وبذلك يعدّ الهيدروجين العنصر الوحيد الذي لنظائره أسماءً مختلفة، حيث أن أسماء نظائر باقي العناصر يشار إليها باسم العنصر مرفقاً بعدد النيوترونات في النواة.
النظير
الاسم
الرمز
الخواص
1H
بروتيوم
H
أكثر نظائر الهيدروجين ثباتاً وأخفّها[31]، ولهنواة ذرة تتكون منبروتون واحد، ويستخدم الاسمبروتيوم للتعبير عن هذا النظير (اسم غير شائع الاستخدام).[32] لهذا النظير وفرة نسبيّة مقدارها 99.98%.
للنظير2H نيوترون بالإضافة إلى البروتون الموجود في النواة، ويسمىديوتيريوم وله الرمز D. وهو يشكل 0.015% من ذرّات الهيدروجين في الطبيعة. إنّ الديويتيريوم عبارة عن نظير غير مشعّ ولا يشكّل خطراً على جسم الإنسان. تستخدم المركّبات والمذيباتالموسومة بالديوتيريوم في تجاربمطيافية الرنين المغناطيسي النووي.[33] يدعى الماء الذي تكون جزيئاته مخصّبة بالديوتيريوم D مكان الهيدروجين (البروتيوم) H باسمالماء الثقيل. والديوتيريوم قليل جدًا في الماء، إذ توجد منه ذرّة واحدة فقط مقابل 6700 ذرة من البروتيوم.[31] يستعمل الماء الثقيل في المفاعلات النوويّةكمهدّئ للنيوترونات وكمادّة تبريد. يعدّ الديويتيريوم كأحد الاحتمالات الممكنة للاستخدام كوقودللاندماج النووي.[34]
الهيدروجين أخفّ العناصر الكيميائيّة على الإطلاق وأقلّها كثافةً حيث يتكوّن من بروتون وإلكترون واحد. في درجة الحرارة والضغط القياسيّين يكون الهيدروجين على شكل غاز ثنائي الذرة. يعدّ غاز الهيدروجين H2 أخفّ من الهواء بحوالي 14 مرة، وله درجة غليان مقدارها 21.15كلفن (−252 °س) ودرجة انصهار 14.02 كلفن (−259 °س). تبلغانحلالية (ذوبانية) الهيدروجين في الماء حوالي 1.6 مغ/ل. يتميّز الهيدروجين عن باقي الغازات أنّ له أكبر قدرة علىالانتشار، وأنّ له أعلىناقلية حرارية وأنّ له أكبر قدرة علىالتدفق، كما أنّ لهلزوجة منخفضة نسبيّاً.
إنّ الهيدروجين له قابليّة عالية للانحلال فيالعناصر الأرضية النادرة والفلزات الانتقاليّة،[43] كما أنّه ينحلّ فيالفلزّات اللابلّورية.[44] إنّ انحلاليّة الهيدروجين في الفلزّات تتأثّر بوجود عدم انتظام موضعي وبوجود شوائب فيالشبكة البلّوريّة.[45] هذه الخواص تفيد بمعرفة مدى نقاوة الهيدروجين بتمريره عبر أقراص ساخنة منالبالاديوم. بالمقابل تمثّل هذه الانحلاليّة إحدى المشاكل في التعدين، حيث تؤدي إلى حدوث ظاهرةالتقصّف الهيدروجيني للعديد من الفلزّات، ممّا يجعلها أكثر هشاشةً وعرضةً للكسر،[46] ممّا يعقّد من مسألة نقل وتخزين الهيدروجين.[47]
خطوط طيف إصدار الهيدروجين في المجال المرئي، هنالك أربعة خطوط مرئيّة منسلسلة بالمر.
يوجد الهيدروجين في الشروط القياسيّة من الضغط ودرجة الحرارة على شكلغاز ثنائي الذرة H2. عند درجات حرارة أقلّ من 21.15 كلفن يتكاثف الهيدروجين إلى سائل عديم اللون يدعىبالهيدروجين السائل ويرمز لهLH2. يبدأ الهيدروجين بتشكيل بلّورات صلبة عند درجة حرارة مقدارها 14.02 كلفن (−259.2 °س) ويتشكّل عندها مزيج من الهيدروجين السائلوالهيدروجين الصلب، والذي يدعىبالطين الهيدروجيني. عند درجات حرارة أقلّ من 14.02 كلفن يوجد الهيدروجين بالشكل الصلب فقط.
بخلافالهيليوم الذي يبدي عند تسييلهميوعة فائقة فإنّ الهيدروجين لا يبدي هذه الخاصيّة. تعدّالنقطة الثلاثيّة للهيدروجين، حيث توجد الأطوار الثلاثة للهيدروجين في حالة توازن، إحدى النقاط الثابتة فيمقياس درجة الحرارة العالمي ومقدارها 13.8033 كلفن عند ضغط 7.042 كيلو باسكال.[48] تقعالنقطة الحرجة للهيدروجين عند درجة حرارة مقدارها 33.18 كلفن وذلك عند ضغط مقداره 13.0 بار.[48]
تنبّأ فريق بحث سوفييتي في السابق أنّ الهيدروجين يكتسب فجأة لدى تعريضه إلى ضغط يبلغ ثلاثة ملايين ضغط جوّي خاصّة غريبة وهي أنه يصبح ناقلاً للكهرباء كأيّفلز من الفلزّات المعروفة.[31] تحت ظروف الضغط العالية، كالتي توجد في مركزالعملاق الغازي يفقد الهيدروجين خواصّه ويصبح على شكلهيدروجين فلزي. وتحت ظروف الضغط المنخفض كالتي توجد في الفضاء، يميل الهيدروجين لأن يتواجد على شكل ذرّات مفردة، نظراً لعدم وجود ظروف مناسبة لها لأن تتّحد. بالمقابل، تتكون سحب من الهيدروجين H2 عندولادة النجوم.
يمكن عن طريقنموذج بور أن يتم حساب مستويات طاقة الهيدروجين بطريقة شبه دقيقة. ويتمّ هذا بجعل الإلكترون يدور حول البروتون مثلما تدور الأرض حول الشمس. ولكنّ الأرض لها مدار ثابت حول الشمس محكوم بقوىالجاذبية بين الأرض والشمس، أمّا الإلكترون فإنّه يحتفظ بمداره تحت تأثير القوةالكهرومغناطيسيّة. كما يوجد فرق آخر بين النظامين، وهو أنّه طبقاًلميكانيكا الكمّ يمكن للإلكترون أن يكون على مسافة ثابتة فقط من البروتون. وعند عمل تصوّر لذرّة الهيدروجين طبقاً لهذا النظام وفق نموذج بور فإنّ هنالك طاقات مسموحة ومحدّدة للإلكترون.[50] يمكن تقديم وصف أدقّ لذرّة الهيدروجين من خلال استعمالمعادلة شرودنغر أو بحساباحتماليّة تواجد الإلكترون حول البروتون باستخدام حساباتفاينمان.[51]
في الظروف العاديّة فإنّ غاز الهيدروجين الجزيئي H2 عبارة عن خليط من نوعين يختلفان عن بعضهما البعض وذلكباتّجاه اللف المغزلي للبروتون. تدعى هاتان الحالتان أورثو وبارا.[52] في حالة الهيدروجين أورثو فإنّ البروتونين يقومان بلفّ مغزلي موازي، أمّا في حالة الهيدروجين بارا فإنّ اللفّ المغزلي لبروتوني النواة يكون باتّجاه معاكس.[53]
فيالظروف القياسيّة يتكوّن الهيدروجين من 25% من النمط بارا و 75% من النمط أورثو.[54] تعتمد نسبة التوازن بين هذين الشكلين على درجة الحرارة، خاصّةً أنّ الهيدروجين أورثو له طاقة أكبر ويكون فيالحالة المثارة، فبالتالي لا يكون مستقراً في حالته النقيّة. لذلك فإنّ إجراء عمليّة تكثيف سريعة للهيدروجين، تجعله حاوياً على نسبة أكبر من النمط أورثو عالي الطاقة، والذي يتحول ببطء إلى النمط بارا.[55] عند درجات حرارة منخفضة جدّاً فإنّ الهيدروجين يكون بشكل شبه حصري من النمط بارا. يمكن تمييز ظاهرة وجود أورثو/بارا الهيدروجين في المركّبات الحاوية على الهيدروجين مثل الماء أومجموعة الميثيلين، ولكن لذلك تأثير ضئيل على خواصها الحراريّة.[56]
إنّ لخاصّيّة تحوّل الهيدروجين المكثّف بين النمطين أورثو/بارا لها أهميّة في مجال تحضير وتخزين الهيدروجين السائل، حيث أنّ التحوّل من النمط أورثو إلى النمط بارا عمليّةناشرة للحرارة، بحيث أنّها تقدّم حرارة كافية لتبخير قسم من الهيدروجين السائل، ممّا يؤدّي إلى حدوث خسارة في المادّة المسالة. من أجل ذلك تضافحفّازات لعمليّة تحوّل أورثو/بارا مثلأكسيد الحديد الثلاثيوأكسيد الزنك.[57]
احتراق غاز الهيدروجين مع الأكسجين في محرّك مكوك الفضاء الرئيسي.
إنّ غاز الهيدروجينسريع الاشتعال ويحترق في الهواء ضمن مجال كبير من التركيز يتراوح بين 4% و 75% تركيز حجمي.[58] إنّالمحتوى الحراري القياسي للاحتراق بالنسبة لغاز الهيدروجين يبلغ −286 كيلوجول/مول.[59]
يحدث تفاعل الاحتراق وفق التفاعل:
يمكن أن يتشكّل مزيج انفجاري مع الهواء بتراكيز منخفضة من الهيدروجين وذلك بوجود مصدر حراري أو نتيجة تماس كهربائي. إندرجة حرارة الاشتعال الذاتي للهيدروجين تبلغ 500°س.[60] يصدر الهيدروجين بتفاعله مع كمّيّات كبيرة منالأكسجبن عند الاحتراق لهباً لا يرى بالعين المجرّدة، لأنّ له إصدار في منطقةالأشعّة فوق البنفسجيّة، ممّا يتطلّب وجود كواشف خاصّة للهب من أجل الكشف عن الهيدروجين المحترق. في الشروط العادية يحترق الهيدروجين بلهب أزرق يشبه لهب احتراقالغاز الطبيعي.[61]
يشكّل الهيدروجين مركّبات أيضاً مع عناصر لها كهرسلبيّة ضعيفة نسبياً مثلالفلزّاتوأشباهها، حيث يحمل الهيدروجين في المركّبات الناتجة شحنة جزئيّة سالبة H−. تدعى هذه المركّبات باسمالهيدريدات.[67]
إنّ أكسدة الهيدروجين تؤدّي إلى فقدان إلكترون ليعطي جسيم+H والذي لا يحتوي على أيّ إلكترون آخر وتتكوّن نواته من بروتون واحد، لذلك يدعى+H باسم البروتون، والذي له أهمّيّة كبيرة في تكوينالأحماض حسبنظرية برونستد-لوري والتي تكون فيها الأحماض مانحة للبروتون في حين أن القواعد مستقبلة للبروتون.
لا يمكن عزل البروتون في الأوساط المائيّة حيث يوجد على شكل أيونالهيدرونيوم+H3O. على أرض الواقع يوجد الهيدروجين على شكلأيونات أوكسونيوم أخرى في الأوساط الحمضيّة ومع مذيبات أخرى.[68][69]
يعدّالماء من الناحية الكيميائيّة النظريّة أكسيداً للهيدروجين، كما يعدّ الماء الأكسجيني، والذي اسمه العلميبيروكسيد الهيدروجين H2O2 عبارة عنبيروكسيد للهيدروجين.
يعدّ الهيدروجين H2 أحد النواتج الطبيعية لبعض أنواعالاستقلاب اللاهوائي (التخمّر) وينتج من قبل عدّة أنواع منالميكروبات وذلك من خلال تفاعل محفّزبأنزيمات حاوية في تركيبها على الحديد أو النيكل وتدعى باسمهيدروجيناز. هذه الأنزيمات تحفّزتفاعل أكسدة-اختزال بين H2 وبين بروتونين وإلكترونين اثنين. على سبيل المثال، ينتج غاز الهيدروجين عند عمليّة استقلابالبيروفات إلى الماء.[70]
إنّ عمليّة فصل الماء إلى مكوّناته من الأكسجين والهيدروجين تحدث فيالتفاعلات الضوئيّة التي تحدث في المتعضّيّات المعتمدة علىالتركيب الضوئي في بقائها. هنالك بعض الأنواع منالطحالب الخضراء (الاسم العلمي:Chlamydomonas reinhardtii) وأنواع من الجراثيم الزرقاء (زراقم) تقوم بنوع منالتفاعلات المظلمة (غير المعتمدة على الضوء) حيث تجري عمليّة اختزال تتحوّل فيها البروتونات والإلكترونات لتشكّل غاز الهيدروجين بنوع خاص من أنزيم الهيدروجيناز الموجود فيالبلاستيدات الخضراء.[71] تجري بعض الأبحاث لتعديل هيدروجيناز الجراثيم الزرقاء لتقوم بإنتاج H2 حتّى بوجود الأكسجين.[72] كما أنّ هناك محاولات أخرى لإنتاج الهيدروجين من الطحالب المعدّلة وراثياً من أجلإنتاج الهيدروجين الحيوي.[73]
يوجد الهيدروجين في جسم الإنسان والثديّات الأخرى على شكل مركّبات كيميائيّة حيويّة كالماءوالسكريات (الكربوهيدرات). يحتلّ الهيدروجين المرتبة الثالثة من حيث ترتيب العناصر الموجودة في جسم الإنسان وذلك بالنسبة للكتلة. على سبيل المثال بالنسبة لإنسان يزن 70 كيلوغرام فإنّ حوالي 10% منه (أي 7 كغ) عبارة عن هيدروجين. فقط الأكسجين (حوالي 63% من الوزن) والكربون (حوالي 20% من الوزن) يفوقان الهيدروجين في هذا الترتيب. إذا قمنا بترتيب العناصر في جسم الإنسان بالنسبة لعددها، فإنّ الهيدروجين بذلك يحتلّ صدارة القائمة (عدد الذرّات الموجودة في 7 كغ في جسم الإنسان توافق3.5×103 مول أي4.2×1027 ذرة هيدروجين).
عن طريقالاندماج النووي تستمدّ الشمس حرارتها وكذلك النجوم. في هذا التفاعل تندمج ذرّات الهيدروجين في درجة حرارة نحو 12 مليون درجة مئويّة وضغط عالي جداً فيتكوّنالهيليوم. يقوم النجم بذلك التفاعل أثناء 90% من عمره، بعد ذلك يكون الجزء الأكبر من الهيدروجين قد استهلك وتحوّل إلى هيليوم.
يمكن سريان التفاعل الاندماجي بطريقتين، وبواسطتهما يلتحم 4بروتونات وهي أنوية الهيدروجين فتتكوّن نواة الهيليوم4He عن طريق:
وعند حساب الطاقة الناتجة فيجب الأخذ في الحسبان تولّد اثنين منالبوزيترونات في كلّ تفاعل يؤدي إلى هيليوم-4 سواء في تفاعل البروتون-بروتون أو في دورة CNO. يتفاعل كل بوزيترون مع أحدالإلكترونات في الحال عن طريقإفناء إلكترون-بوزيترون وينتجاطاقة إضافيّة قدرها 1.022 ميغاإلكترون فولت. أي أنّه يلزم لحساب الطاقة الناتجة حسابنقص الكتلة للأربعة بروتونات التي التحمت مكوّنة نواة الهيليوم بالإضافة إلى ضعفكتلة الإلكترون.ونقص الكتلة هو الفرق في كتلة المواد الداخلة في التفاعل وهي كتلة أربعة ذرات الهيدروجين (وهي تتكون من 4 بروتونات وأربعة إلكترونات) وطرح كتلة ذرّةالهليوم4He.كما ينتج عن ذلك أيضانيوترينو يأخذ جزءاً من الطاقة ويغادر بهاالشمس أوالنجم.
وعن طريق الاندماج النووي يفقد الهيدروجين الداخل في التفاعل نحو 0.73% من كتلته تتحوّل إلى طاقة، وتلك ما يسمّىنقص الكتلة. ويمكن حساب الطاقة الناتجة عن ذلك النقص في الكتلة عن طريق المعادلة الشهيرةلأينشتاين وهي معادلةتكافؤ المادة والطاقة:E = mc² حيث mالكتلة و cسرعة الضوء في الفراغ.
يعتبر الاندماج النووي بين الهيدروجين لإنتاج الهيليوم أكثر التفاعلات النوويّة إنتاجاً للطاقة من بين التفاعلات النوويّة الأخرى.
يدخل الهيدروجين كعنصر أساسي في العديد منالعمليّات وذلك في الصناعات الكيميائيّة والنفطيّة. من أكبر الاستخدامات للهيدروجين هو دخوله في تصنيعالأمونيا من خلالعملية هابر-بوش وكذلك في عمليّات تحسين نوعيّة الوقود الأحفوري مثل عمليةنزع الكبريت المهدرجوالتكسير الهيدروجيني بالإضافة إلى كونه عامل أساسي في عمليّةالهدرجة.
يستخدم الهيدروجينكعامل اختزال في العديد من التطبيقات منها استخدامه لاختزالالخامات المعدنيّة.[74]
نظراً لأن لهمقاومة مائع ولزوجة منخفضة، يستخدم الهيدروجين في تبريد المولّدات التوربينيّة.[78]
يستعمل مزيج من غاز الهيدروجين مع غازالنيتروجين من أجل الكشف عن وجود تسريبات دقيقة في الأنظمة المستخدمة في الصناعات الكيميائيّة ومحطّات توليد الطاقة وفي صناعة السيّارات والمركبات الفضائيّة.[79] يسمح استخدام غاز الهيدروجين في الاتحاد الأوروبي كمادّة للكشف عن تسريبات أغلفة الأغذية ولهرقم إي (E 949)، كما يستفاد من خواصه الاختزاليّة.[80]
نتيجة الاضمحلال التدريجي لمصادر الطاقة المعتمدة على الوقود الأحفوري ظهرت اقتراحات بالاتجاه نحو مصادر طاقة بديلة تعتمد على الهيدروجين، فظهرت دراسات حول التوجّه نحواقتصاد الهيدروجين من أجل استخدام الهيدروجين كحامل مستقبلي للطاقة.[81] مع العلم أن تكاليف هذا التوجّه منبنية تحتية هيدروجينية مرتفعة جداً.[82] تجدر الإشارة إلى أنّ الهيدروجين نفسه لا يعدّ عمليّاً ضمن ضوء التطبيقات الحالية مصدراً للطاقة، إنّما هو عبارة عن حامل للطاقة،[83] وذلك أنّ اعتباره مصدر للطاقة يكون في مفاعلاتالاندماج النووي، والتي لا تطبّق عمليّاً في شكل واسع.[84]
من المشاكل التي تواجه العمل في استخدام الهيدروجين كحامل للطاقة هوكثافة الطاقة بالنسبة للحجمللهيدروجين السائل، حيث أنّها أقلّ من أيّ مصدر طاقة تقليدي، مع العلم أنّ كثافة الطاقة بالنسبة للكتلة أعلى من مصادر الطاقة التقليديّة.[83] فعلى سبيل المقارنة بين الهيدروجين ووقود السيارات (البنزين)، فإنّ كثافة الطاقة بالنسبة للكتلة للهيدروجين أعلى منها للبنزين بأكثر من ضعفين، حيث تعادل 33.3 كيلوواط ساعي لكل كيلوغرام هيدروجين مقابل 12.7 كيلوواط ساعي لكل كيلوغرام بنزين. بالمقابل، فإنّ كثافة الطاقة بالنسبة للحجم للهيدروجين أقلّ بحوالي أربع مرات منها للبنزين، حيث تعادل 2360 كيلو واط ساعي لكلّ متر مكعب هيدروجين سائل مقابل 8760 كيلو واط ساعي لكل متر مكعب بنزين.[85]
من مشروعات المحافظة على البيئة والاستغناء عنالوقود الأحفوري مشروع استخدام غاز الهيدروجين لإنتاج الطاقة وذلك عن طريقخلايا وقود. وخليّة الطاقة تُنتج الكهرباء من خلالتفاعل كيميائي باستخدام الهيدروجين والأكسجين، ومن أحد التطبيقات،السيّارات الهيدروجينيّة.
إنّ غاز الهيدروجين غير سام وغير مضرّ بالبيئة، لذلك لا يذكر له قيمة عدديّة تعرّفحد التعرض للأخطار المهنية.
يشكّل الهيدروجين في بعض الحالات خطراً على السلامة البشريّة وذلك إمّا على شكلانفجارات أو حرائق عند امتزاجه مع الهواء أو لكونه مسبّباًللاختناق في جوّ خال ٍ من الأكسجين.[86] عند تراكيز عالية من الهيدروجين تفوق 30% تبدأ عوارض عدم انتظام حركات الجسم وفقدان الوعي، والتي يمكن ان تنتهي بالوفاة في حال عدم توفّر الأكسجين.[87]
إنّ الهيدروجين غاز له قابلية كبيرةللاشتعال حتّى في التراكيز القليلة (4%). كما أنّه يتفاعل بشدّة معالكلوروالفلور لينتج أحماضأكّالة والتي تكون مضرّة للجهاز التنفسي عند استنشاقها كما أنّها مخرّشةللأنسجة الحيويّة. وعند خلطه مع الأكسجين فإنّ الهيدروجين ينفجر عند الاشتعال. والهيدروجين أيضاً له خاصّيّة فريدة وهي أنّ شعلته في الهواء نظيفة تماما. وعلى هذا فإنّه من الصعب معرفة حدوث أي احتراق يحدث من تسرّب الهيدروجين، كما أنّه هناك خطر كبير من أن يكون هناك حريق هيدروجين بدون أي ملاحظة.[88]
بالإضافة إلى ذلك، فإنّ الهدروجين السائل يكون في حالةتبريد عميق ويمكن بذلك أن يسبّب ما يسمّىعضة برد، والتي يمكن ان تحدث عند التعامل مع السوائل المبرّدة بشدّة.[89]
^بلامر، ديفيد (الجمعة، 01 يناير 2010)."الهيدروجين في الكون". ناسا. مؤرشف منالأصل في 29 أكتوبر 2014. اطلع عليه بتاريخ 25 فبراير 2011.{{استشهاد ويب}}:تحقق من التاريخ في:|تاريخ= (مساعدة)
^"اكتشاف الهيدروجين والنظائر المشعة له".هذه الصفحة هي جزء من مقالة مقسمة إلى مجموعة مقاطع منشورة في المقدمة والخواص ومجموعة مقالات أخرى. موسوعة كولومبيا. مؤرشف منالأصل في 2 أكتوبر 2012. اطلع عليه بتاريخ 25 يناير، 2011..{{استشهاد ويب}}:تحقق من التاريخ في:|تاريخ الوصول= (مساعدة)
^Ernst F. Schwenk:Sternstunden der frühen Chemie. Verlag C.H. Beck, 1998,ISBN 3-406-45601-4.
^Crepeau، Bob (1 يناير 2006).Niels Bohr: The Atomic Model. Great Neck Publishing.ISBN:1-4298-0723-7.{{استشهاد بكتاب}}:تجاهل المحلل الوسيط|صحيفة= (مساعدة)
^Gagnon، Steve."Hydrogen". Jefferson Lab. مؤرشف منالأصل في 2019-05-03. اطلع عليه بتاريخ2008-02-05.
^McCall Group, Oka Group (22 أبريل 2005)."H3+ Resource Center". Universities of Illinois and Chicago. مؤرشف منالأصل في 2017-08-10. اطلع عليه بتاريخ2008-02-05.
^ابMiessler، Gary L.؛ Tarr، Donald A. (2003).Inorganic Chemistry (ط. 3rd). Prentice Hall.ISBN:0-13-035471-6.
^Dresselhaus, Mildred؛ وآخرون (15 مايو 2003)."Basic Research Needs for the Hydrogen Economy"(PDF). Argonne National Laboratory, U.S. Department of Energy, Office of Science Laboratory. مؤرشف منالأصل(PDF) في 2013-09-14. اطلع عليه بتاريخ2008-02-05.{{استشهاد ويب}}:Explicit use of et al. in:|مؤلف= (مساعدة)
^ابجد"الهدروجين". الموسوعة العربية. مؤرشف منالأصل في 2016-09-24. اطلع عليه بتاريخ2014-05-07.
^Martín Del Campo، J. S.؛ Rollin، J.؛ Myung، S.؛ Chun، Y.؛ Chandrayan، S.؛ Patiño، R.؛ Adams، M. W.؛ Zhang، Y. -H. P. (2013). "High-Yield Production of Dihydrogen from Xylose by Using a Synthetic Enzyme Cascade in a Cell-Free System".Angewandte Chemie International Edition. ج. 52 ع. 17: 4587.DOI:10.1002/anie.201300766.
^ابجدبتريانوف، إيغور فاسيلفيتش (1987)، "الماء: تلك المادة العجيبة"،دار مير للطباعة والنشر،ترجمة الدكتور عيسى مسوح
^Holte، Aurali E.؛ Houck، Marilyn A.؛ Collie، Nathan L. (2004). "Potential Role of Parasitism in the Evolution of Mutualism in Astigmatid Mites".Experimental and Applied Acarology. Lubbock: Texas Tech University. ج. 25 ع. 2: 97–107.DOI:10.1023/A:1010655610575.
^Gurov, Yu. B.; Aleshkin, D. V.; Behr, M. N.; Lapushkin, S. V.; Morokhov, P. V.; Pechkurov, V. A.; Poroshin, N. O.; Sandukovsky, V. G.; Tel'kushev, M. V.; Chernyshev, B. A.; Tschurenkova, T. D (2004). "Spectroscopy of superheavy hydrogen isotopes in stopped-pion absorption by nuclei".Physics of Atomic Nuclei. ج. 68 ع. 3: 491–97.Bibcode:2005PAN....68..491G.DOI:10.1134/1.1891200.{{استشهاد بدورية محكمة}}: صيانة الاستشهاد: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين (link)
^Korsheninnikov، A.؛ Nikolskii، E.؛ Kuzmin، E.؛ Ozawa، A.؛ Morimoto، K.؛ Tokanai، F.؛ Kanungo، R.؛ Tanihata، I.؛ وآخرون (2003). "Experimental Evidence for the Existence of7H and for a Specific Structure of8He".Physical Review Letters. ج. 90 ع. 8: 082501.Bibcode:2003PhRvL..90h2501K.DOI:10.1103/PhysRevLett.90.082501.
^Takeshita، T.؛ Wallace، W.E.؛ Craig، R.S. (1974). "Hydrogen solubility in 1:5 compounds between yttrium or thorium and nickel or cobalt".Inorganic Chemistry. ج. 13 ع. 9: 2282–2283.DOI:10.1021/ic50139a050.
^ابP. J. Linstrom, W. G. Mallard (Hrsg.): NIST Chemistry WebBook, NIST Standard Reference Database Number 69. National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg MD.
^Millar، Tom (10 ديسمبر 2003)."Lecture 7, Emission Lines — Examples".PH-3009 (P507/P706/M324) Interstellar Physics. University of Manchester. مؤرشف منالأصل في 2011-11-16. اطلع عليه بتاريخ2008-02-05.
^P. Atkins and J. de Paula, Atkins' Physical Chemistry, 8th edition (W.H.Freeman 2006), p.452
^Tikhonov، Vladimir I.؛ Volkov، Alexander A. (2002). "Separation of Water into Its Ortho and Para Isomers".Science. ج. 296 ع. 5577: 2363.DOI:10.1126/science.1069513.PMID:12089435.
^Milenko، Yu. Ya.؛ Sibileva، R. M.؛ Strzhemechny، M. A (1997). "Natural ortho-para conversion rate in liquid and gaseous hydrogen".Journal of Low Temperature Physics. ج. 107 ع. 1–2: 77–92.Bibcode:1997JLTP..107...77M.DOI:10.1007/BF02396837.
^Shinitzky، Meir؛ Elitzur، Avshalom C. (2006). "Ortho-para spin isomers of the protons in the methylene group".Chirality. ج. 18 ع. 9: 754–756.DOI:10.1002/chir.20319.PMID:16856167.
^Svadlenak، R. Eldo؛ Scott، Allen B (1957). "The Conversion of Ortho- to Parahydrogen on Iron Oxide-Zinc Oxide Catalysts".Journal of the American Chemical Society. ج. 79 ع. 20: 5385–5388.DOI:10.1021/ja01577a013.
^Carcassi، M.N.؛ Fineschi، F. (2005). "Deflagrations of H2–air and CH4–air lean mixtures in a vented multi-compartment environment".Energy. ج. 30 ع. 8: 1439–1451.DOI:10.1016/j.energy.2004.02.012.
^Sandrock، Gary (2 مايو 2002)."Metal-Hydrogen Systems". Sandia National Laboratories. مؤرشف منالأصل في 2010-05-27. اطلع عليه بتاريخ2008-03-23.
^Okumura، Anthony M.؛ Yeh، L. I.؛ Myers، J. D.؛ Y. T (1990). "Infrared spectra of the solvated hydronium ion: vibrational predissociation spectroscopy of mass-selected H3O+•(H2O)n•(H2)m".Journal of Physical Chemistry. ج. 94 ع. 9: 3416–3427.DOI:10.1021/j100372a014.
^Perdoncin، Giulio؛ Scorrano، Gianfranco (1977). "Protonation Equilibria in Water at Several Temperatures of Alcohols, Ethers, Acetone, Dimethyl Sulfide, and Dimethyl Sulfoxide".Journal of the American Chemical Society. ج. 99 ع. 21: 6983–6986.DOI:10.1021/ja00463a035.
^Chemistry Operations (15 ديسمبر 2003)."Hydrogen". Los Alamos National Laboratory. مؤرشف منالأصل في 2019-05-03. اطلع عليه بتاريخ2008-02-05.
^Durgutlu، Ahmet (2003). "Experimental investigation of the effect of hydrogen in argon as a shielding gas on TIG welding of austenitic stainless steel".Materials & Design. ج. 25 ع. 1: 19–23.DOI:10.1016/j.matdes.2003.07.004.
