हाइड्रोजन

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हाइड्रोजन एक रासायनिक तत्व है; इसका प्रतीक  H और परमाणु क्रमांक  1 है। यह ब्रह्मांड का सबसे हल्का और सबसे प्रचुर रासायनिक तत्व है, जो सभी सामान्य पदार्थ का लगभग 75% हिस्सा बनाता है। मानक स्थितियों के तहत, हाइड्रोजन H2 रासायनिक सूत्र वाले द्विपरमाणुक अणुओं की एक गैस है, जिसे डाईहाइड्रोजन, या कभी-कभी हाइड्रोजन गैस, आणविक हाइड्रोजन, या केवल हाइड्रोजन कहा जाता है। डाईहाइड्रोजन रंगहीन, गंधहीन, गैर-विषाक्त और अत्यधिक दहनशील है। सूर्य सहित तारे, मुख्य रूप से प्लाज्मा अवस्था में हाइड्रोजन से बने होते हैं, जबकि पृथ्वी पर, हाइड्रोजन गैस H2 (डाईहाइड्रोजन) के रूप में और जल तथा कार्बनिक यौगिकों जैसे अणुओं में पाया जाता है। हाइड्रोजन का सबसे सामान्य समस्थानिक, 1H, एक प्रोटॉन, एक इलेक्ट्रॉन और शून्य न्यूट्रॉन से बना होता है।

हाइड्रोजन गैस का उत्पादन पहली बार 17वीं  शताब्दी में धातुओं के साथ अम्लों की अभिक्रिया द्वारा कृत्रिम रूप से किया गया था। हेनरी कैवेंडिश ने 1766–1781 के बीच, हाइड्रोजन गैस को एक विशिष्ट पदार्थ के रूप में पहचाना और जलने पर पानी उत्पन्न करने के इसके गुण की खोज की: यही हाइड्रोजन के नाम का मूल है, जिसका अर्थ जल-निर्माता होता है (जल, और मैं उत्पन्न करता हूँ से)। हाइड्रोजन द्वारा अवशोषित और उत्सर्जित प्रकाश के रंगों को समझना क्वांटम यांत्रिकी के विकास का एक महत्वपूर्ण हिस्सा था।

हाइड्रोजन, जो आमतौर पर अधात्विक होता है (अत्यधिक दबाव को छोड़कर), अधिकांश अधातुओं के साथ आसानी से सहसंयोजक बंध बनाता है, जो पानी और विभिन्न कार्बनिक पदार्थों जैसे यौगिकों के निर्माण में योगदान देता है। अम्ल-क्षार अभिक्रियाओं में इसकी भूमिका महत्वपूर्ण है, जिसमें मुख्य रूप से विलेय अणुओं के बीच प्रोटॉन का आदान-प्रदान शामिल होता है। आयनिक यौगिकों में, हाइड्रोजन या तो ऋणात्मक आवेशित ऋणायन के रूप में हो सकता है, जहाँ इसे हाइड्राइड के रूप में जाना जाता है, या धनात्मक आवेशित धनायन, H+, हाइड्रोन के रूप में। हालाँकि हाइड्रोन पानी के अणुओं से मजबूती से बंधे होते हैं, लेकिन वे जलीय विलयन के व्यवहार को दृढ़ता से प्रभावित करते हैं, जैसा कि pH के महत्व में परिलक्षित होता है। दूसरी ओर, हाइड्राइड शायद ही कभी देखा जाता है क्योंकि यह विलायकों को डीप्रोटोनित करने की प्रवृत्ति रखता है, जिससे H2 प्राप्त होता है।[1]

प्रारंभिक ब्रह्मांड में, तटस्थ हाइड्रोजन परमाणु बिग बैंग के लगभग 370,000 साल बाद बने जैसे-जैसे ब्रह्मांड का विस्तार हुआ और प्लाज्मा इतना ठंडा हो गया कि इलेक्ट्रॉन प्रोटॉन से बंधे रह सकें। तारों के बनना शुरू होने के बाद, अंतरतारकीय माध्यम में अधिकांश हाइड्रोजन का पुन: आयनीकरण हो गया।

लगभग सभी हाइड्रोजन उत्पादन जीवाश्म ईंधन, विशेष रूप से प्राकृतिक गैस के भाप सुधार (स्टीम रिफॉर्मिंग) द्वारा किया जाता है। इसे पानी या खारे पानी से विद्युत अपघटन द्वारा भी उत्पादित किया जा सकता है, लेकिन यह प्रक्रिया अधिक महंगी है। इसके मुख्य औद्योगिक उपयोगों में जीवाश्म ईंधन प्रसंस्करण और उर्वरक के लिए अमोनिया उत्पादन शामिल है। हाइड्रोजन के उभरते उपयोगों में बिजली उत्पन्न करने के लिए ईंधन सेल का उपयोग शामिल है।

गुण

परमाणु हाइड्रोजन

इलेक्ट्रॉन ऊर्जा स्तर

हाइड्रोजन परमाणु में इलेक्ट्रॉन का मूल अवस्था ऊर्जा स्तर −13.6  इलेक्ट्रॉनवोल्ट (eV) है,[2] जो लगभग 91  नैनोमीटर तरंग दैर्ध्य के पराबैंगनी फोटॉन के बराबर है।[3] हाइड्रोजन के ऊर्जा स्तरों को क्रमिक क्वांटम संख्याओं द्वारा संदर्भित किया जाता है, जिसमें n=1 मूल अवस्था है। हाइड्रोजन स्पेक्ट्रल श्रृंखला उच्च से निम्न ऊर्जा स्तरों में संक्रमण के कारण प्रकाश के उत्सर्जन से मेल खाती है।[4]:105 प्रत्येक ऊर्जा स्तर को इलेक्ट्रॉन और प्रोटॉन के बीच स्पिन अंतःक्रियाओं द्वारा चार हाइपरफाइन स्तरों में विभाजित किया गया है।[5]

भौतिक स्थिरांकों की परिभाषाओं के लिए हाइड्रोजन परमाणु ऊर्जा स्तरों के उच्च-सटीक मानों की आवश्यकता होती है। क्वांटम गणनाओं ने ऊर्जा स्तरों में नौ योगदानों की पहचान की है। डिराक समीकरण से प्राप्त आइगेनवैल्यू सबसे बड़ा योगदान है। अन्य शब्दों में सापेक्षतावादी रिकॉइल, स्व-ऊर्जा, और निर्वात ध्रुवीकरण शब्द शामिल हैं।[6]

नामकरण

रासायनिक नामों के लिए मानक संगठन, IUPAC, सामान्य नाम देता है जब संदर्भ प्राकृतिक समस्थानिक प्रचुरता को मानता है या समस्थानिक की उपेक्षा करता है। ये सामान्य नाम तटस्थ परमाणु के लिए हाइड्रोजन, धनायन H+ के लिए हाइड्रोन, और ऋणायन H- के लिए हाइड्राइड हैं। धनात्मक आवेशित धनायन के लिए अक्सर प्रोटॉन नाम का उपयोग किया जाता है, लेकिन यह केवल प्रमुख समस्थानिक 1H के धनायन के लिए ही सख्ती से सही है।[7]

समस्थानिक

हाइड्रोजन के तीन प्राकृतिक रूप से पाए जाने वाले समस्थानिक हैं, जिन्हें 1H, 2H और 3H के रूप में दर्शाया जाता है। अन्य, अत्यधिक अस्थिर न्यूक्लाइड (4H से 7H) प्रयोगशालाओं में नाभिकीय संश्लेषण किए गए हैं लेकिन प्रकृति में नहीं देखे गए हैं।[8][9]

1H सबसे सामान्य हाइड्रोजन समस्थानिक है, जिसकी प्रचुरता >99.98% है। चूँकि इस समस्थानिक का नाभिक केवल एक प्रोटॉन से बना होता है, इसलिए इसे वर्णनात्मक लेकिन शायद ही कभी इस्तेमाल किया जाने वाला औपचारिक नाम प्रोटियम दिया गया है।[10] यह बिना न्यूट्रॉन वाला एकमात्र स्थिर समस्थानिक है (अन्य क्यों मौजूद नहीं हैं, इस पर चर्चा के लिए डाइप्रोटॉन देखें)।

2H, दूसरा स्थिर हाइड्रोजन समस्थानिक, ड्यूटेरियम के रूप में जाना जाता है और इसके नाभिक में एक प्रोटॉन और एक न्यूट्रॉन होता है। माना जाता है कि ब्रह्मांड में लगभग सभी ड्यूटेरियम नाभिक बिग बैंग नाभिकीय संश्लेषण में उत्पन्न हुए थे, और तब से बने हुए हैं।[11] ड्यूटेरियम रेडियोधर्मी नहीं है, और यह कोई महत्वपूर्ण विषाक्तता खतरा नहीं है। सामान्य हाइड्रोजन के बजाय ड्यूटेरियम वाले अणुओं से समृद्ध पानी को भारी जल कहा जाता है। ड्यूटेरियम और इसके यौगिकों का उपयोग रासायनिक प्रयोगों में और 1H-NMR स्पेक्ट्रोस्कोपी के लिए विलायक के रूप में एक गैर-रेडियोधर्मी लेबल के रूप में किया जाता है।[12] भारी जल का उपयोग परमाणु रिएक्टरों के लिए न्यूट्रॉन मंदक और शीतलक के रूप में किया जाता है। ड्यूटेरियम व्यावसायिक नाभिकीय संलयन के लिए भी एक संभावित ईंधन है।[13]

3H को ट्रिटियम के रूप में जाना जाता है और इसके नाभिक में एक प्रोटॉन और दो न्यूट्रॉन होते हैं। यह रेडियोधर्मी है, जो 12.32  वर्षों के अर्ध-आयु के साथ बीटा क्षय के माध्यम से हीलियम-3 में क्षयित होता है।[14] यह इतना रेडियोधर्मी है कि इसका उपयोग डेटा डिस्प्ले की दृश्यता बढ़ाने के लिए रेडियोल्यूमिनसेंट पेंट में किया जाता है, जैसे कि घड़ियों के हाथों और डायल-मार्करों को पेंट करने के लिए। घड़ी का कांच विकिरण की थोड़ी मात्रा को केस से बाहर निकलने से रोकता है।[15] ट्रिटियम की थोड़ी मात्रा ब्रह्मांडीय किरणों द्वारा वायुमंडलीय गैसों से टकराने से प्राकृतिक रूप से उत्पन्न होती है; ट्रिटियम परमाणु हथियारों के परीक्षणों में भी जारी किया गया है।[16] इसका उपयोग नाभिकीय संलयन में,[17] समस्थानिक भू-रसायन में एक ट्रेसर के रूप में,[18] और विशेष स्व-संचालित प्रकाश उपकरणों में किया जाता है।[19] ट्रिटियम का उपयोग रासायनिक और जैविक लेबलिंग प्रयोगों में रेडियोलेबल के रूप में भी किया गया है।[20]

तत्वों के बीच अद्वितीय, सामान्य उपयोग में हाइड्रोजन के समस्थानिकों को अलग-अलग नाम दिए गए हैं। रेडियोधर्मिता के प्रारंभिक अध्ययन के दौरान, भारी रेडियोसमस्थानिकों को उनके अपने नाम दिए गए थे, लेकिन अब इनका उपयोग नहीं किया जाता है। ड्यूटेरियम और ट्रिटियम के लिए कभी-कभी D और  T (2H और 3H के बजाय) प्रतीकों का उपयोग किया जाता है, लेकिन प्रतीक  P का उपयोग पहले से ही फास्फोरस के लिए किया जाता था और इसलिए यह प्रोटियम के लिए उपलब्ध नहीं था।[21] अपने नामकरण दिशानिर्देशों में, इंटरनेशनल यूनियन ऑफ प्योर एंड एप्लाइड केमिस्ट्री  (IUPAC) D, T, 2H, और 3H में से किसी का भी उपयोग करने की अनुमति देता है, हालांकि 2H और 3H को प्राथमिकता दी जाती है।[22]

अनुरूप

एंटीहाइड्रोजन (H) हाइड्रोजन का प्रतिपदार्थ समकक्ष है। एक एंटीहाइड्रोजन परमाणु एक पॉज़िट्रॉन के साथ एक एंटीप्रोटॉन से बना होता है।[23][24]

म्यूओनिक हाइड्रोजन परमाणु हाइड्रोजन परमाणुओं के समान होते हैं जिनके इलेक्ट्रॉन म्यूऑन द्वारा प्रतिस्थापित होते हैं। म्यूऑन अल्पकालिक होते हैं और इलेक्ट्रॉनों की तुलना में लगभग 200 गुना भारी होते हैं; इसलिए म्यूओनिक हाइड्रोजन की बोर त्रिज्या हाइड्रोजन की त्रिज्या से लगभग 200 गुना छोटी होती है।[25] हाइड्रोजन के समान एक और विदेशी परमाणु म्यूओनियम (प्रतीक Mu) है, जो एक एंटीम्यूऑन और एक इलेक्ट्रॉन से बना है।[26]

डाईहाइड्रोजन

मानक स्थितियों के तहत, हाइड्रोजन H2 रासायनिक सूत्र वाले द्विपरमाणुक अणुओं की एक गैस है, जिसे आधिकारिक तौर पर "डाईहाइड्रोजन" कहा जाता है,[27]:308 लेकिन इसे "आणविक हाइड्रोजन",[28] या केवल हाइड्रोजन भी कहा जाता है। डाईहाइड्रोजन एक रंगहीन, गंधहीन, ज्वलनशील गैस है।[28]

दहन

हाइड्रोजन गैस अत्यधिक ज्वलनशील है, जो हवा में ऑक्सीजन के साथ अभिक्रिया करके तरल पानी उत्पन्न करती है: 2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l) हाइड्रोजन के प्रति मोल मुक्त होने वाली ऊष्मा की मात्रा −286 किलोजूल (kJ) है, या 141.9 मेगाजूल (MJ) 1 kilogram द्रव्यमान के लिए (उच्च ताप मान माप के आधार पर)।[29]

हाइड्रोजन गैस 4 ± – %[30] की सांद्रता में हवा के साथ और 5 ± – % की सांद्रता में क्लोरीन के साथ विस्फोटक मिश्रण बनाती है। हाइड्रोजन का स्वतः प्रज्वलन तापमान (autoignition temperature), यानी हवा में स्वतः जलने का तापमान, 500 C है।[31] उच्च-दाब वाले हाइड्रोजन रिसाव में, रिसाव से उत्पन्न शॉक वेव हवा को स्वतः प्रज्वलन तापमान तक गर्म कर सकती है, जिससे आग लग सकती है और संभवतः विस्फोट भी हो सकता है।[32]

हाइड्रोजन की लपटें हल्की नीली और पराबैंगनी (ultraviolet) प्रकाश उत्सर्जित करती हैं।[33] हाइड्रोजन की आग का पता लगाने के लिए फ्लेम डिटेक्टर का उपयोग किया जाता है क्योंकि दिन के उजाले में ये नग्न आंखों से लगभग अदृश्य होती हैं।[34][35]

स्पिन आइसोमर्स (Spin isomers)

मुख्य लेख: Spin isomers of hydrogen

आणविक H2 दो नाभिकीय आइसोमर्स (nuclear isomers) के रूप में मौजूद होता है जो उनके नाभिकों की स्पिन अवस्थाओं में भिन्न होते हैं।[36] हाइड्रोजन रूप में, दोनों नाभिकों की स्पिन समानांतर होती है, जिससे एक स्पिन ट्रिपलेट अवस्था (triplet state) बनती है जिसका कुल आणविक स्पिन S=1 होता है; हाइड्रोजन रूप में स्पिन समानांतर (anti-parallel) होती है और एक स्पिन सिंगलेट अवस्था (singlet state) बनाती है जिसका स्पिन S=0 होता है। ऑर्थो- से पैरा-हाइड्रोजन का संतुलन अनुपात तापमान पर निर्भर करता है। कमरे के तापमान या उससे अधिक तापमान पर, संतुलित हाइड्रोजन गैस में लगभग 25% पैरा रूप और 75% ऑर्थो रूप होता है।[37] ऑर्थो रूप एक उत्तेजित अवस्था (excited state) है, जिसकी ऊर्जा पैरा रूप से 1.455 kJ/mol अधिक होती है,[38] और कम तापमान पर ठंडा करने पर यह कुछ मिनटों के भीतर पैरा रूप में परिवर्तित हो जाता है।[39] इन आइसोमर्स के तापीय गुण भिन्न होते हैं क्योंकि प्रत्येक की विशिष्ट घूर्णी क्वांटम अवस्थाएं होती हैं।[40]

H2 में ऑर्थो-से-पैरा अनुपात द्रवीकरण (liquefaction) और तरल हाइड्रोजन के भंडारण में एक महत्वपूर्ण विचार है: ऑर्थो से पैरा में रूपांतरण ऊष्माक्षेपी (exothermic) होता है, और यदि शीतलन प्रक्रिया के दौरान हाइड्रोजन में रूपांतरण नहीं होता है, तो यह इतनी गर्मी पैदा करता है कि अधिकांश तरल वाष्पित हो सकता है।[41] इसलिए, तरल के इस नुकसान से बचने के लिए हाइड्रोजन को ठंडा करते समय ऑर्थो-पैरा रूपांतरण के लिए उत्प्रेरक (catalysts), जैसे फेरिक ऑक्साइड और सक्रिय कार्बन यौगिकों का उपयोग किया जाता है।[42]

अवस्थाएं

[43] तरल हाइड्रोजन हाइड्रोजन के क्रांतिक बिंदु 33 K से नीचे के तापमान पर मौजूद हो सकता है।[44] हालाँकि, वायुमंडलीय दबाव पर पूरी तरह से तरल अवस्था में रहने के लिए, H2 को 20.28 K तक ठंडा करने की आवश्यकता होती है। हाइड्रोजन को जेम्स डेवर द्वारा 1898 में पुनर्योजी शीतलन (regenerative cooling) और उनके आविष्कार, वैक्यूम फ्लास्क का उपयोग करके द्रवीकृत किया गया था।[45]

तरल हाइड्रोजन मानक दबाव पर हाइड्रोजन के गलनांक 14.01 K से नीचे ठोस हाइड्रोजन बन जाता है। अलग-अलग ठोस अवस्थाएं मौजूद हैं, जिन्हें फेज I से फेज V के रूप में जाना जाता है, जिनमें से प्रत्येक एक विशिष्ट आणविक व्यवस्था प्रदर्शित करती है।[46] त्रिक बिंदु (triple point) पर तरल और ठोस अवस्थाएं संयोजन में मौजूद हो सकती हैं; इस मिश्रण को स्लश हाइड्रोजन (slush hydrogen) के रूप में जाना जाता है।[47]

धात्विक हाइड्रोजन (Metallic hydrogen), जो अत्यधिक उच्च दबाव (400 e9Pa से अधिक) पर प्राप्त एक अवस्था है, एक विद्युत चालक है। माना जाता है कि यह बृहस्पति जैसे विशाल ग्रहों के भीतर गहराई में मौजूद है।[46][48]

जब आयनित (ionized) होता है, तो हाइड्रोजन एक प्लाज्मा बन जाता है। यह वह रूप है जिसमें हाइड्रोजन तारों के भीतर मौजूद होता है।[49]

तापीय और भौतिक गुण

वायुमंडलीय दबाव पर हाइड्रोजन (H2) के तापीय और भौतिक गुण[50][51]
तापमान (K) घनत्व (kg/m3) विशिष्ट ऊष्मा (kJ/kg K) गतिक श्यानता (Dynamic viscosity) (kg/m s) शुद्धगतिक श्यानता (Kinematic viscosity) (m2/s) तापीय चालकता (W/m K) तापीय विसरणशीलता (Thermal diffusivity) (m2/s) प्रांटल संख्या (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

इतिहास

Timeline of hydrogen technologies

17वीं शताब्दी

1671 में, आयरिश वैज्ञानिक रॉबर्ट बॉयल ने लोहे के बुरादे और तनु अम्ल के बीच की प्रतिक्रिया की खोज की और उसका वर्णन किया, जिसके परिणामस्वरूप हाइड्रोजन गैस का उत्पादन होता है।[52][53] बॉयल ने यह ध्यान नहीं दिया कि गैस ज्वलनशील थी, लेकिन हाइड्रोजन दहन के फ्लॉजिस्टन सिद्धांत (phlogiston theory) को पलटने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाएगी।[54]

18वीं शताब्दी

1766 में, हेनरी कैवेंडिश हाइड्रोजन गैस को एक अलग पदार्थ के रूप में पहचानने वाले पहले व्यक्ति थे, उन्होंने धातु-अम्ल प्रतिक्रिया से प्राप्त गैस को "ज्वलनशील हवा" (inflammable air) नाम दिया। उन्होंने अनुमान लगाया कि "ज्वलनशील हवा" वास्तव में काल्पनिक पदार्थ "फ्लॉजिस्टन" के समान थी[55][56] और 1781 में आगे यह पाया कि जलने पर यह गैस पानी बनाती है। उन्हें आमतौर पर एक तत्व के रूप में हाइड्रोजन की खोज का श्रेय दिया जाता है।[57][58]

1783 में, एंटोनी लेवोज़िए ने उस तत्व की पहचान की जिसे हाइड्रोजन के रूप में जाना जाने लगा[59] जब उन्होंने और लाप्लास ने कैवेंडिश के इस निष्कर्ष को दोहराया कि हाइड्रोजन के जलने पर पानी का उत्पादन होता है।[58] लेवोज़िए ने द्रव्यमान संरक्षण (mass conservation) पर अपने प्रयोगों के लिए आग में गर्म की गई एक तापदीप्त लोहे की नली के माध्यम से पानी की धारा प्रवाहित करके धात्विक लोहे को उपचारित करके हाइड्रोजन का उत्पादन किया। उच्च तापमान पर पानी के प्रोटॉन द्वारा लोहे के अवायवीय ऑक्सीकरण को निम्नलिखित प्रतिक्रियाओं के सेट द्वारा योजनाबद्ध रूप से दर्शाया जा सकता है:

  • Fe + H2O -> FeO + H2
  • 2 Fe + 3 H2O -> Fe2O3 + 3 H2
  • 3 Fe + 4 H2O -> Fe3O4 + 4 H2

कई धातुएं पानी के साथ इसी तरह प्रतिक्रिया करती हैं, जिससे हाइड्रोजन का उत्पादन होता है।[60] कुछ स्थितियों में, यह H2-उत्पादक प्रक्रिया समस्याग्रस्त होती है, उदाहरण के लिए परमाणु ईंधन छड़ों पर जिरकोनियम क्लैडिंग के मामले में।[61]

19वीं शताब्दी

1806 तक हाइड्रोजन का उपयोग गुब्बारों को भरने के लिए किया जाने लगा था।[62] फ्रांस्वा इसाक डी रिवाज़ ने 1806 में पहला डी रिवाज़ इंजन बनाया, जो हाइड्रोजन और ऑक्सीजन के मिश्रण से चलने वाला एक आंतरिक दहन इंजन था। एडवर्ड डैनियल क्लार्क ने 1819 में हाइड्रोजन गैस ब्लोपाइप का आविष्कार किया। डोबेराइनर लैंप और लाइमलाइट का आविष्कार 1823 में हुआ था। हाइड्रोजन को पहली बार जेम्स डेवर द्वारा 1898 में पुनर्योजी शीतलन और उनके आविष्कार, वैक्यूम फ्लास्क का उपयोग करके द्रवीकृत किया गया था। उन्होंने अगले वर्ष ठोस हाइड्रोजन का उत्पादन किया।[58]

स्पष्ट रूप से देखे गए पहले क्वांटम प्रभावों में से एक, हालांकि उस समय समझा नहीं गया था, जेम्स क्लर्क मैक्सवेल का यह अवलोकन था कि H2 की विशिष्ट ऊष्मा धारिता कमरे के तापमान से नीचे एक द्विपरमाणुक (diatomic) गैस की तुलना में अस्पष्ट रूप से अलग हो जाती है, और क्रायोजेनिक तापमान पर एक एकपरमाणुक गैस के समान होने लगती है। क्वांटम सिद्धांत के अनुसार, यह व्यवहार (क्वांटाइज्ड) घूर्णी ऊर्जा स्तरों (rotational energy levels) के अंतराल से उत्पन्न होता है, जो अपने कम द्रव्यमान के कारण H2 में विशेष रूप से व्यापक होते हैं। ये व्यापक अंतराल वाले स्तर कम तापमान पर हाइड्रोजन में घूर्णी गति में ऊष्मा ऊर्जा के समान विभाजन को रोकते हैं। भारी परमाणुओं से बनी द्विपरमाणुक गैसों में इतने व्यापक अंतराल वाले स्तर नहीं होते हैं और वे समान प्रभाव प्रदर्शित नहीं करती हैं।[63]

20वीं शताब्दी

हाइड्राइड आयन (hydride anion) का अस्तित्व गिल्बर्ट एन. लुईस द्वारा 1916 में समूह 1 और समूह 2 के नमक जैसे यौगिकों के लिए सुझाया गया था। 1920 में, मोअर्स ने पिघले हुए लिथियम हाइड्राइड (LiH) का विद्युत अपघटन किया, जिससे एनोड पर स्टोइकोमेट्रिक मात्रा में हाइड्रोजन का उत्पादन हुआ।[64]

अपनी सरल परमाणु संरचना के कारण, जिसमें केवल एक प्रोटॉन और एक इलेक्ट्रॉन होता है, हाइड्रोजन परमाणु, इससे उत्पन्न या इसके द्वारा अवशोषित प्रकाश के स्पेक्ट्रम के साथ, परमाणु संरचना के सिद्धांत के विकास के लिए केंद्रीय रहा है।[65] हाइड्रोजन के ऊर्जा स्तरों की गणना परमाणु के बोर मॉडल का उपयोग करके काफी सटीक रूप से की जा सकती है, जिसमें इलेक्ट्रॉन प्रोटॉन की "परिक्रमा" करता है, ठीक वैसे ही जैसे पृथ्वी सूर्य की परिक्रमा करती है। हालाँकि, इलेक्ट्रॉन और प्रोटॉन स्थिरवैद्युत आकर्षण (electrostatic attraction) द्वारा एक साथ बंधे होते हैं, जबकि ग्रह और खगोलीय पिंड गुरुत्वाकर्षण द्वारा बंधे होते हैं। बोर द्वारा प्रारंभिक क्वांटम यांत्रिकी में प्रतिपादित कोणीय संवेग के विवेकीकरण (discretization) के कारण, बोर मॉडल में इलेक्ट्रॉन प्रोटॉन से केवल कुछ निश्चित अनुमत दूरियों पर ही रह सकता है, और इसलिए केवल कुछ निश्चित अनुमत ऊर्जाएं ही हो सकती हैं।[66]

एकमात्र तटस्थ परमाणु के रूप में हाइड्रोजन की अनूठी स्थिति जिसके लिए श्रोडिंगर समीकरण को सीधे हल किया जा सकता है, ने इसकी ऊर्जाओं की खोज के माध्यम से क्वांटम यांत्रिकी की समझ में महत्वपूर्ण योगदान दिया है।[67] इसके अलावा, हाइड्रोजन अणु और संबंधित धनायन, H2+ की संबंधित सरलता के अध्ययन ने रासायनिक बंधन की प्रकृति की समझ प्रदान की, जो 1920 के दशक के मध्य में हाइड्रोजन परमाणु के क्वांटम यांत्रिक उपचार के विकसित होने के तुरंत बाद आई।[68]

हाइड्रोजन-लिफ्टेड एयरशिप

चूंकि H2 का घनत्व हवा का केवल 7% है, इसलिए इसे कभी गुब्बारों और एयरशिप में लिफ्टिंग गैस के रूप में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता था।[69] पहला हाइड्रोजन से भरा गुब्बारा 1783 में जैक्स चार्ल्स द्वारा बनाया गया था। 1852 में हेनरी गिफार्ड द्वारा पहले हाइड्रोजन-लिफ्टेड एयरशिप के आविष्कार के बाद हाइड्रोजन ने हवाई यात्रा के पहले विश्वसनीय रूप के लिए लिफ्ट प्रदान की। जर्मन काउंट फर्डिनेंड वॉन ज़ेपेलिन ने हाइड्रोजन द्वारा उठाए गए कठोर एयरशिप के विचार को बढ़ावा दिया, जिन्हें बाद में ज़ेपेलिन कहा गया, जिनमें से पहली की पहली उड़ान 1900 में हुई थी।[58] नियमित रूप से निर्धारित उड़ानें 1910 में शुरू हुईं और अगस्त 1914 में प्रथम विश्व युद्ध के प्रकोप तक, उन्होंने बिना किसी गंभीर घटना के 35,000 यात्रियों को ले जाया था। ब्लिंप के रूप में हाइड्रोजन-लिफ्टेड एयरशिप का उपयोग द्वितीय विश्व युद्ध के दौरान, विशेष रूप से अमेरिकी पूर्वी तट पर, अवलोकन प्लेटफार्मों और बमवर्षकों के रूप में किया गया था।[70]

पहली नॉन-स्टॉप ट्रांसअटलांटिक क्रॉसिंग 1919 में ब्रिटिश एयरशिप R34 द्वारा की गई थी और 1920 के दशक में नियमित यात्री सेवा फिर से शुरू हुई। हाइड्रोजन का उपयोग हिंडनबर्ग में किया गया था, जिसमें 6 मई 1937 को न्यू जर्सी के ऊपर आग लग गई थी।[58] एयरशिप को भरने वाली हाइड्रोजन में आग लग गई, संभवतः स्थिर बिजली (static electricity) के कारण, और वह लपटों में घिर गई।[71] इस आपदा के बाद, व्यावसायिक हाइड्रोजन एयरशिप यात्रा बंद हो गई। हाइड्रोजन का उपयोग अभी भी, गैर-ज्वलनशील लेकिन अधिक महंगे हीलियम की तुलना में, मौसम गुब्बारों के लिए लिफ्टिंग गैस के रूप में किया जाता है।[72]

ड्यूटेरियम और ट्रिटियम

ड्यूटेरियम की खोज दिसंबर 1931 में हेरोल्ड उरे द्वारा की गई थी, और ट्रिटियम को 1934 में अर्नेस्ट रदरफोर्ड, मार्क ओलिफेंट और पॉल हार्टेक द्वारा तैयार किया गया था।[57] भारी पानी, जिसमें नियमित हाइड्रोजन के स्थान पर ड्यूटेरियम होता है, की खोज 1932 में उरे के समूह द्वारा की गई थी।[58]

रसायन विज्ञान

H2 की प्रतिक्रियाएं

H2 अपेक्षाकृत कम प्रतिक्रियाशील है। इस कम प्रतिक्रियाशीलता का ऊष्मागतिक आधार बहुत मजबूत H–H बंधन है, जिसकी बंधन पृथक्करण ऊर्जा (bond dissociation energy) 435.7 kJ/mol है।[73] यह डाईहाइड्रोजन कॉम्प्लेक्स नामक समन्वय परिसर (coordination complexes) बनाता है। ये प्रजातियां धातु उत्प्रेरकों के साथ हाइड्रोजन की बातचीत के शुरुआती चरणों में अंतर्दृष्टि प्रदान करती हैं। न्यूट्रॉन विवर्तन (neutron diffraction) के अनुसार, इन परिसरों में धातु और दो H परमाणु एक त्रिभुज बनाते हैं। H-H बंधन बरकरार रहता है लेकिन लंबा हो जाता है। वे अम्लीय होते हैं।[74]

यद्यपि पृथ्वी पर यह दुर्लभ है, H3+ आयन ब्रह्मांड में सामान्य है। यह पूर्वोल्लिखित डाइहाइड्रोजन परिसरों की तरह एक त्रिकोणीय प्रजाति है। इसे प्रोटोनित आणविक हाइड्रोजन या ट्राइहाइड्रोजन धनायन के रूप में जाना जाता है।[75]

हाइड्रोजन क्लोरीन के साथ अभिक्रिया करके HCl और ब्रोमीन के साथ अभिक्रिया करके HBr उत्पन्न करता है, जो एक श्रृंखला अभिक्रिया के माध्यम से होती है। इस अभिक्रिया के लिए दीक्षा (initiation) की आवश्यकता होती है। उदाहरण के लिए, Br2 के मामले में, डाइब्रोमीन अणु विभाजित हो जाता है: Br2 + (UV light)-> 2Br•। प्रसार अभिक्रियाएं हाइड्रोजन अणुओं का उपभोग करती हैं और HBr के साथ-साथ Br और H परमाणु उत्पन्न करती हैं: Br• + H2 -> HBr + H H + Br2 -> HBr +Br अंत में समापन अभिक्रिया: H + HBr -> H2 + Br• 2 Br• -> Br2 शेष परमाणुओं का उपभोग करती है।[76]:289

असंतृप्त कार्बनिक यौगिकों, जैसे एल्कीन और एल्काइन में H2 के योग को हाइड्रोजनीकरण कहा जाता है। भले ही यह अभिक्रिया ऊर्जा की दृष्टि से अनुकूल हो, फिर भी यह उच्च तापमान पर भी स्वतः नहीं होती है। सूक्ष्म रूप से विभाजित प्लेटिनम या निकेल जैसे उत्प्रेरक की उपस्थिति में, यह अभिक्रिया कमरे के तापमान पर आगे बढ़ती है।[77]:477

हाइड्रोजन-युक्त यौगिक

मुख्य लेख: Hydrogen compounds

हाइड्रोजन +1 और -1 दोनों ऑक्सीकरण अवस्थाओं में मौजूद हो सकता है, जो आयनिक और सहसंयोजक बंधन के माध्यम से यौगिक बनाता है। यह तत्व जल, हाइड्रोकार्बन और कई अन्य कार्बनिक यौगिकों सहित पदार्थों की एक विस्तृत श्रृंखला का हिस्सा है।[78] H+ आयन—जिसे इसके एकल प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉनों की अनुपस्थिति के कारण आमतौर पर प्रोटॉन कहा जाता है—अम्ल-क्षार रसायन विज्ञान के लिए केंद्रीय है, हालांकि प्रोटॉन स्वतंत्र रूप से गति नहीं करता है। Brønsted–Lowry ढांचे में, अम्लों को क्षारों को H+ आयन दान करने की उनकी क्षमता से परिभाषित किया जाता है।[79]

हाइड्रोजन कार्बन के साथ कई प्रकार के यौगिक बनाता है, जिन्हें हाइड्रोकार्बन के रूप में जाना जाता है, और अन्य तत्वों (विषम परमाणुओं) के साथ और भी अधिक विविधता बनाता है, जिससे कार्बनिक यौगिकों का व्यापक वर्ग उत्पन्न होता है जो अक्सर जीवित जीवों से जुड़े होते हैं।[78]

-1 ऑक्सीकरण अवस्था में हाइड्रोजन वाले हाइड्रोजन यौगिकों को हाइड्राइड के रूप में जाना जाता है, जो आमतौर पर हाइड्रोजन और धातुओं के बीच बनते हैं। हाइड्राइड आयनिक (जिसे लवणीय भी कहा जाता है), सहसंयोजक या धात्विक हो सकते हैं। गर्म करने पर, H2 क्षार और क्षारीय मृदा धातुओं के साथ कुशलतापूर्वक अभिक्रिया करके क्रमशः MH और MH2 सूत्र के आयनिक हाइड्राइड देता है। इन नमक जैसे क्रिस्टलीय यौगिकों का गलनांक उच्च होता है और ये सभी हाइड्रोजन मुक्त करने के लिए पानी के साथ अभिक्रिया करते हैं। सहसंयोजक हाइड्राइड में बोरेन और बहुलक एल्युमीनियम हाइड्राइड शामिल हैं। संक्रमण धातुएं धातु में हाइड्रोजन के निरंतर विघटन के माध्यम से धातु हाइड्राइड बनाती हैं।[80] एक प्रसिद्ध हाइड्राइड लिथियम एल्युमीनियम हाइड्राइड है: [AlH4]- ऋणायन में हाइड्रिडिक केंद्र होते हैं जो Al(III) से मजबूती से जुड़े होते हैं।[81] शायद हाइड्राइड की सबसे व्यापक श्रृंखला बोरेन है, जो केवल बोरॉन और हाइड्रोजन से बने यौगिक हैं।[82]

हाइड्राइड इन विद्युतधनात्मक तत्वों से न केवल एक टर्मिनल लिगैंड के रूप में बल्कि ब्रिजिंग लिगैंड के रूप में भी जुड़ सकते हैं। डाइबोरेन (B2H6) में, चार हाइड्रोजन परमाणु टर्मिनल होते हैं, जबकि दो बोरॉन परमाणुओं के बीच सेतु का कार्य करते हैं।[14]

हाइड्रोजन बंधन

मुख्य लेख: Hydrogen bond

जब अधिक विद्युतऋणात्मक तत्व, विशेष रूप से फ्लोरीन, ऑक्सीजन, या नाइट्रोजन से बंधा होता है, तो हाइड्रोजन ऑक्सीजन या नाइट्रोजन जैसे लोन पेयर वाले किसी अन्य विद्युतऋणात्मक तत्व के साथ मध्यम-शक्ति के गैर-सहसंयोजक बंधन में भाग ले सकता है। यह घटना, जिसे हाइड्रोजन बंधन कहा जाता है, कई जैविक अणुओं की स्थिरता के लिए महत्वपूर्ण है।[83]:375[84] हाइड्रोजन बंधन अणु संरचनाओं, श्यानता, विलेयता, गलनांक और क्वथनांक, और यहां तक कि प्रोटीन फोल्डिंग गतिशीलता को भी बदल देता है।[85]

प्रोटॉन और अम्ल

यह भी देखें: Acid–base reaction

पानी में, हाइड्रोजन बंधन अभिक्रिया ऊष्मागतिकी में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। एक हाइड्रोजन बंधन प्रोटॉन स्थानांतरण की ओर स्थानांतरित हो सकता है। Brønsted–Lowry अम्ल-क्षार सिद्धांत के तहत, अम्ल प्रोटॉन दाता होते हैं, जबकि क्षार प्रोटॉन स्वीकर्ता होते हैं।[86] एक नग्न प्रोटॉन (H+) अनिवार्य रूप से निर्वात के अलावा कहीं और मौजूद नहीं हो सकता है। अन्यथा यह अन्य परमाणुओं, आयनों या अणुओं से जुड़ जाता है। मीथेन जैसी अक्रिय रासायनिक प्रजातियों को भी प्रोटोनित किया जा सकता है। "प्रोटॉन" शब्द का उपयोग ढीले और रूपक रूप से अन्य रासायनिक प्रजातियों से जुड़े विलायक हाइड्रोजन धनायनों को संदर्भित करने के लिए किया जाता है; इसे "H+" के रूप में दर्शाया जाता है, बिना इस निहितार्थ के कि कोई एकल प्रोटॉन समाधान में स्वतंत्र रूप से मौजूद है। समाधान में नग्न प्रोटॉन के निहितार्थ से बचने के लिए, अम्लीय जलीय समाधानों को कभी-कभी "हाइड्रोनियम आयन" ([H3O]+) या अधिक सटीक रूप से, [H9O4]+ युक्त माना जाता है।[87] अन्य ऑक्सोनियम आयन तब पाए जाते हैं जब पानी अन्य विलायकों के साथ अम्लीय समाधान में होता है।[88]

इन विलायक प्रोटॉन की सांद्रता समाधान के pH को निर्धारित करती है, जो एक लघुगणकीय पैमाना है जो इसकी अम्लता या क्षारीयता को दर्शाता है। कम pH मान उच्च हाइड्रोनियम आयन सांद्रता का संकेत देते हैं, जो अधिक अम्लीय स्थितियों के अनुरूप होते हैं।[89]

घटना

ब्रह्मांडीय

हाइड्रोजन, परमाणु H के रूप में, ब्रह्मांड में सबसे प्रचुर रासायनिक तत्व है, जो द्रव्यमान के अनुसार 75% सामान्य पदार्थ बनाता है।[90] और परमाणुओं की संख्या के अनुसार >90% है।[91] प्रारंभिक ब्रह्मांड में, प्रोटॉन बिग बैंग के पहले सेकंड में बने; तटस्थ हाइड्रोजन परमाणु लगभग 370,000 साल बाद पुनर्संयोजन युग के दौरान बने, जैसे-जैसे ब्रह्मांड का विस्तार हुआ और प्लाज्मा इतना ठंडा हो गया कि इलेक्ट्रॉन प्रोटॉन से बंधे रह सकें।[92]

खगोल भौतिकी में, अंतरतारकीय माध्यम में तटस्थ हाइड्रोजन को 'H I' और आयनित हाइड्रोजन को 'H II' कहा जाता है।[93] तारों से निकलने वाला विकिरण H I को H II में आयनित करता है, जिससे तारों के चारों ओर आयनित H II के गोले बन जाते हैं। ब्रह्मांड के कालक्रम में तटस्थ हाइड्रोजन का प्रभुत्व तब तक रहा जब तक कि पुनर्आयनन के युग के दौरान तारों का जन्म नहीं हुआ, जिसने फिर आयनित हाइड्रोजन के बुलबुले पैदा किए जो सैकड़ों लाखों वर्षों में बढ़े और विलीन हो गए।[94] ये 21-सेंटीमीटर हाइड्रोजन रेखा के स्रोत हैं, जो 1420 MHz पर है, जिसे आद्य हाइड्रोजन की जांच के लिए पता लगाया जाता है। डैम्प्ड लाइमैन-अल्फा सिस्टम में पाई जाने वाली तटस्थ हाइड्रोजन की बड़ी मात्रा को z = 4 के रेडशिफ्ट तक ब्रह्मांड के ब्रह्मांडीय बेरयोनिक घनत्व पर हावी माना जाता है।[95]

हाइड्रोजन तारों और गैस दिग्गजों में प्रचुर मात्रा में पाया जाता है। H2 के आणविक बादल तारा निर्माण से जुड़े होते हैं। हाइड्रोजन कम द्रव्यमान वाले तारों में प्रोटॉन-प्रोटॉन अभिक्रिया के माध्यम से और सूर्य से अधिक विशाल तारों में परमाणु संलयन के CNO चक्र के माध्यम से तारों को शक्ति प्रदान करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है।[96]

प्रोटोनित आणविक हाइड्रोजन (H3+) अंतरतारकीय माध्यम में पाया जाता है, जहाँ यह ब्रह्मांडीय किरणों द्वारा आणविक हाइड्रोजन के आयनीकरण से उत्पन्न होता है। यह आयन बृहस्पति के ऊपरी वायुमंडल में भी देखा गया है। कम तापमान और घनत्व के कारण अंतरिक्ष में यह आयन लंबे समय तक जीवित रहता है। H3+ ब्रह्मांड में सबसे प्रचुर आयनों में से एक है, और यह अंतरतारकीय माध्यम के रसायन विज्ञान में एक उल्लेखनीय भूमिका निभाता है।[97] तटस्थ त्रिपरमाण्विक हाइड्रोजन H3 केवल एक उत्तेजित रूप में मौजूद हो सकता है और अस्थिर है।[98]

स्थलीय

हाइड्रोजन पृथ्वी की सतह पर तीसरा सबसे प्रचुर तत्व है,[99] जो ज्यादातर हाइड्रोकार्बन और पानी जैसे रासायनिक यौगिकों के भीतर मौजूद है।[14] मौलिक हाइड्रोजन सामान्यतः मानक स्थितियों पर H2 गैस के रूप में होता है। यह पृथ्वी के वायुमंडल में बहुत कम सांद्रता में मौजूद है (लगभग 0.53 parts per million मोलर आधार पर[100]) क्योंकि इसके हल्के वजन के कारण, यह भारी गैसों की तुलना में अधिक तेजी से वायुमंडल से बाहर निकल जाता है। वायुमंडल में इसकी कम सांद्रता के बावजूद, स्थलीय हाइड्रोजन कई प्रकार के बैक्टीरिया के चयापचय का समर्थन करने के लिए पर्याप्त प्रचुर मात्रा में है।[101]

माली, फ्रांस और ऑस्ट्रेलिया सहित कई देशों में हाइड्रोजन गैस के बड़े भूमिगत भंडार खोजे गए हैं।[102] 2024 के दौरान, यह अनिश्चित था कि कितना भूमिगत हाइड्रोजन आर्थिक रूप से निकाला जा सकता है।[102] 2026 में, क्षमता पर चर्चा फिर से शुरू हुई।[103]

उत्पादन और भंडारण

मुख्य लेख: Hydrogen production

औद्योगिक मार्ग

दुनिया की वर्तमान हाइड्रोजन गैस (H2) की आपूर्ति का लगभग पूरा हिस्सा जीवाश्म ईंधन से उत्पादित होता है,[104][105]:1 जिसमें 2025 में कम उत्सर्जन वाली तकनीकों द्वारा 1% से भी कम हाइड्रोजन का उत्पादन किया गया।[106] H2 के उत्पादन के लिए कई तरीके मौजूद हैं, लेकिन व्यावसायिक रूप से तीन का प्रभुत्व है: स्टीम रिफॉर्मिंग जिसे अक्सर वॉटर-गैस शिफ्ट के साथ जोड़ा जाता है, हाइड्रोकार्बन का आंशिक ऑक्सीकरण, और जल इलेक्ट्रोलिसिस।[107]

स्टीम रिफॉर्मिंग

हाइड्रोजन मुख्य रूप से स्टीम मीथेन रिफॉर्मिंग (SMR) द्वारा उत्पादित किया जाता है, जो पानी और मीथेन की अभिक्रिया है।[108][109] इस प्रकार, उच्च तापमान (1000 –) पर, भाप (जल वाष्प) मीथेन के साथ अभिक्रिया करके कार्बन मोनोऑक्साइड और H2 देती है। CH4 + H2O → CO + 3 H2 इस प्रक्रिया के माध्यम से एक टन हाइड्रोजन का उत्पादन 6.6 ± – टन कार्बन डाइऑक्साइड उत्सर्जित करता है।[110] प्राकृतिक गैस फीडस्टॉक का उत्पादन वेंटेड और भगोड़ा मीथेन जैसे उत्सर्जन भी पैदा करता है, जो हाइड्रोजन के समग्र कार्बन फुटप्रिंट में और योगदान देता है।[111]

यह अभिक्रिया कम दबाव पर अनुकूल होती है लेकिन फिर भी इसे उच्च दबाव (2.0 MPa) पर संचालित किया जाता है क्योंकि उच्च दबाव वाली H2 सबसे अधिक विपणन योग्य उत्पाद है, और प्रेशर स्विंग सोखना (PSA) शुद्धिकरण प्रणालियां उच्च दबाव पर बेहतर काम करती हैं। उत्पाद मिश्रण को "संश्लेषण गैस" के रूप में जाना जाता है क्योंकि इसका उपयोग अक्सर मेथनॉल और कई अन्य यौगिकों के उत्पादन के लिए सीधे किया जाता है। मीथेन के अलावा अन्य हाइड्रोकार्बन का उपयोग विभिन्न उत्पाद अनुपात के साथ संश्लेषण गैस बनाने के लिए किया जा सकता है। इस अत्यधिक अनुकूलित तकनीक की कई जटिलताओं में से एक कोक या कार्बन का निर्माण है: CH4 → C + 2 H2

इसलिए, स्टीम रिफॉर्मिंग में आमतौर पर H2O की अधिकता का उपयोग किया जाता है। वॉटर गैस शिफ्ट अभिक्रिया (WGS) के माध्यम से कार्बन मोनोऑक्साइड का उपयोग करके भाप से अतिरिक्त हाइड्रोजन प्राप्त किया जा सकता है। इस प्रक्रिया के लिए आयरन ऑक्साइड उत्प्रेरक की आवश्यकता होती है:[109] CO + H2O → CO2 + H2

हाइड्रोजन कभी-कभी उसी औद्योगिक प्रक्रिया में उत्पादित और उपभोग किया जाता है, बिना अलग किए। Haber प्रक्रिया में अमोनिया उत्पादन के लिए, हाइड्रोजन प्राकृतिक गैस से उत्पन्न होता है।[112]

हाइड्रोकार्बन का आंशिक ऑक्सीकरण

CO और H2 उत्पादन के अन्य तरीकों में हाइड्रोकार्बन का आंशिक ऑक्सीकरण शामिल है:[36]

2 CH4 + O2 → 2 CO + 4 H2

यद्यपि व्यावसायिक रूप से कम महत्वपूर्ण है, कोयला उपरोक्त शिफ्ट अभिक्रिया के लिए एक प्रस्तावना के रूप में काम कर सकता है:[109]

C + H2O → CO + H2

ओलेफिन उत्पादन इकाइयां उप-उत्पाद हाइड्रोजन की पर्याप्त मात्रा का उत्पादन कर सकती हैं, विशेष रूप से एथेन या प्रोपेन जैसे हल्के फीडस्टॉक को क्रैक करके।[113]

जल इलेक्ट्रोलिसिस

पानी का इलेक्ट्रोलिसिस हाइड्रोजन उत्पादन का एक वैचारिक रूप से सरल तरीका है। 2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g) व्यावसायिक इलेक्ट्रोलाइज़र अत्यधिक क्षारीय समाधान में निकेल-आधारित उत्प्रेरकों का उपयोग करते हैं। प्लेटिनम एक बेहतर उत्प्रेरक है लेकिन महंगा है।[114] नवीकरणीय ऊर्जा का उपयोग करके इलेक्ट्रोलिसिस के माध्यम से बनाई गई हाइड्रोजन को आमतौर पर "ग्रीन हाइड्रोजन" कहा जाता है।[115]

क्लोरीन प्राप्त करने के लिए खारे पानी का इलेक्ट्रोलिसिस[116] भी सह-उत्पाद के रूप में उच्च-शुद्धता हाइड्रोजन का उत्पादन करता है, जिसका उपयोग हाइड्रोजनीकरण जैसे विभिन्न परिवर्तनों के लिए किया जाता है।[117]

इलेक्ट्रोलिसिस प्रक्रिया कार्बन कैप्चर और स्टोरेज के बिना मीथेन से हाइड्रोजन उत्पादन की तुलना में अधिक महंगी है।[118]

हाइड्रोजन इलेक्ट्रोलाइज़र में नवाचार बिजली से हाइड्रोजन के बड़े पैमाने पर उत्पादन को अधिक लागत-प्रतिस्पर्धी बना सकता है।[119]

मीथेन पायरोलिसिस

हाइड्रोजन का उत्पादन प्राकृतिक गैस (मीथेन) के पायरोलिसिस द्वारा किया जा सकता है, जिससे उत्प्रेरक की सहायता से और 74 kJ/mol ऊष्मा इनपुट के साथ हाइड्रोजन गैस और ठोस कार्बन प्राप्त होता है: CH4(g) → C(s) + 2 H2(g) (ΔH° = 74 kJ/mol) कार्बन को विनिर्माण फीडस्टॉक या ईंधन के रूप में बेचा जा सकता है, या लैंडफिल में डाला जा सकता है। इस मार्ग का कार्बन फुटप्रिंट मौजूदा हाइड्रोजन उत्पादन प्रक्रियाओं की तुलना में कम हो सकता है, लेकिन कार्बन को हटाने और इसे उत्प्रेरक के साथ प्रतिक्रिया करने से रोकने के तंत्र औद्योगिक-स्तर के उपयोग के लिए बाधा बने हुए हैं।[120]:17[121]

थर्मोकेमिकल

जल विभाजन (Water splitting) वह प्रक्रिया है जिसके द्वारा जल को उसके घटकों में विघटित किया जाता है। जैविक परिदृश्य के लिए यह समीकरण प्रासंगिक है: 2 H2O -> 4 H+ + O2 + 4 e- यह प्रतिक्रिया सभी प्रकाश-संश्लेषक (photosynthetic) जीवों में प्रकाश-निर्भर प्रतिक्रियाओं (light-dependent reactions) में होती है। कुछ जीवों ने, जिनमें शैवाल Chlamydomonas reinhardtii और साइनोबैक्टीरिया शामिल हैं, अंधकार प्रतिक्रियाओं (dark reactions) में एक दूसरा चरण विकसित किया है जिसमें विशिष्ट हाइड्रोजनेज (hydrogenases) द्वारा क्लोरोप्लास्ट में प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉनों को अपचयित (reduce) करके H2 गैस बनाई जाती है।[122]

साइनोबैक्टीरियल हाइड्रोजनेज को आनुवंशिक रूप से संशोधित (genetically modify) करने के प्रयास किए गए हैं ताकि ऑक्सीजन की उपस्थिति में भी H2 गैस का अधिक कुशलता से उत्पादन किया जा सके।[123] बायोरिएक्टर में आनुवंशिक रूप से संशोधित शैवाल के साथ भी प्रयास किए गए हैं।[124]

थर्मल जल-विभाजन परिदृश्य के लिए यह सरल समीकरण प्रासंगिक है: 2 H2O -> 2 H2 + O2 जल विभाजन के लिए 200 से अधिक थर्मोकेमिकल चक्रों का उपयोग किया जा सकता है। इनमें से कई चक्रों जैसे आयरन ऑक्साइड चक्र, सीरियम(IV) ऑक्साइड–सीरियम(III) ऑक्साइड चक्र, जिंक–जिंक ऑक्साइड चक्र, सल्फर–आयोडीन चक्र, कॉपर–क्लोरीन चक्र और हाइब्रिड सल्फर चक्र का मूल्यांकन बिजली का उपयोग किए बिना पानी और गर्मी से हाइड्रोजन और ऑक्सीजन का उत्पादन करने की उनकी व्यावसायिक क्षमता के लिए किया गया है।[125] कई प्रयोगशालाएं (जिनमें फ्रांस, जर्मनी, ग्रीस, जापान और संयुक्त राज्य अमेरिका शामिल हैं) सौर ऊर्जा और पानी से हाइड्रोजन का उत्पादन करने के लिए थर्मोकेमिकल विधियां विकसित कर रही हैं।[126]

प्राकृतिक मार्ग

बायोहाइड्रोजन

यह भी देखें: Biohydrogen

H2 का उत्पादन जीवों में हाइड्रोजनेज (hydrogenases) नामक एंजाइमों द्वारा किया जाता है। यह प्रक्रिया मेजबान जीव को ऊर्जा के स्रोत के रूप में किण्वन (fermentation) का उपयोग करने की अनुमति देती है।[127] ये वही एंजाइम H2 को ऑक्सीकृत (oxidize) भी कर सकते हैं, जिससे मेजबान जीव H2 से निकाले गए इलेक्ट्रॉनों का उपयोग करके ऑक्सीकृत सबस्ट्रेट्स को अपचयित करके जीवित रह सकते हैं।[128]

हाइड्रोजनेज एंजाइमों में उनके सक्रिय स्थल (active site) पर लोहा या लोहा-निकल मिश्र धातु केंद्र होते हैं।[129] जीवों द्वारा हाइड्रोजन उत्पादन और खपत के प्राकृतिक चक्र को हाइड्रोजन चक्र कहा जाता है।[130]

कुछ बैक्टीरिया जैसे Mycobacterium smegmatis अन्य स्रोतों की कमी होने पर वायुमंडल में मौजूद हाइड्रोजन की थोड़ी मात्रा का उपयोग ऊर्जा के स्रोत के रूप में कर सकते हैं। उनके हाइड्रोजनेज में छोटी नलिकाएं होती हैं जो सक्रिय स्थल से ऑक्सीजन को बाहर रखती हैं, जिससे प्रतिक्रिया तब भी हो पाती है जब हाइड्रोजन की सांद्रता बहुत कम होती है और ऑक्सीजन की सांद्रता सामान्य हवा के समान होती है।[100][131]

मानव आंत के वनस्पतियों (human gut flora) में हाइड्रोजनेज-नियोजित रोगाणुओं के अस्तित्व की पुष्टि करते हुए, मानव श्वास में H2 पाया जाता है। आराम की स्थिति में उपवास करने वाले लोगों की सांस में इसकी सांद्रता आमतौर पर 5 parts per million (ppm) से कम होती है, लेकिन जब आंतों के विकारों वाले लोग उन अणुओं का सेवन करते हैं जिन्हें वे अवशोषित नहीं कर सकते, तो नैदानिक हाइड्रोजन श्वास परीक्षण (hydrogen breath test) के दौरान यह 50 ppm तक पहुंच सकती है।[132]

सर्पेन्टिनाइजेशन

सर्पेन्टिनाइजेशन एक भूवैज्ञानिक तंत्र है जो अत्यधिक-अपचयन (reducing) स्थितियां पैदा करता है।[133] इन स्थितियों में, पानी फेयलाइट (fayalite) में फेरस (Fe2+) आयनों को ऑक्सीकृत करने में सक्षम होता है, जिससे हाइड्रोजन गैस उत्पन्न होती है:[134][135] Fe2SiO4 + H2O → 2 Fe3O4 + SiO2 + H2

इस भूवैज्ञानिक प्रक्रिया से निकटता से संबंधित शिकोरो प्रतिक्रिया (Schikorr reaction) है: 3 Fe(OH)2 → Fe3O4 + 2 H2O + H2 यह प्रक्रिया ऑक्सीजन-मुक्त भूजल में और जल तालिका (water table) के नीचे अपचयन मृदा (reducing soils) में लोहे और इस्पात के क्षरण के लिए भी प्रासंगिक है।[136]

प्रयोगशाला संश्लेषण

H2 का उत्पादन प्रयोगशाला सेटिंग्स में किया जाता है, जैसे कि धातु के इलेक्ट्रोड और इलेक्ट्रोलाइट युक्त पानी का उपयोग करके जल का इलेक्ट्रोलिसिस (electrolysis of water), जो कैथोड पर हाइड्रोजन गैस मुक्त करता है:[89] 2H+(aq) + 2 e− → H2(g) हाइड्रोजन अक्सर अन्य प्रतिक्रियाओं का उप-उत्पाद भी होता है। कई धातुएं H2 उत्पन्न करने के लिए पानी के साथ प्रतिक्रिया करती हैं, लेकिन हाइड्रोजन विकास की दर धातु, pH और मिश्र धातु एजेंटों की उपस्थिति पर निर्भर करती है। सबसे अधिक, हाइड्रोजन विकास अम्लों द्वारा प्रेरित होता है। क्षार धातुएं और क्षारीय मृदा धातुएं तथा एल्युमीनियम, जिंक, मैंगनीज और लोहा, जलीय अम्लों के साथ आसानी से प्रतिक्रिया करते हैं।[89] Zn + 2 H+ → Zn2+ + H2

कई धातुएं, जैसे एल्युमीनियम, पानी के साथ प्रतिक्रिया करने में धीमी होती हैं क्योंकि वे निष्क्रिय (passivated) ऑक्साइड कोटिंग बनाती हैं। हालांकि, एल्युमीनियम और गैलियम का एक मिश्र धातु पानी के साथ प्रतिक्रिया करता है। उच्च-pH समाधानों में, एल्युमीनियम H2 के साथ प्रतिक्रिया कर सकता है:[89]

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

भंडारण

यदि H2 का उपयोग ऊर्जा स्रोत के रूप में किया जाना है, तो इसका भंडारण महत्वपूर्ण है। यह विलायकों में बहुत कम घुलता है। उदाहरण के लिए, कक्ष तापमान और 0.1 mPa पर,  0.05 moles हाइड्रोजन 1 kg डाइएथिल ईथर में घुल जाता है।[80] H2 को संपीड़ित रूप में संग्रहीत किया जा सकता है, हालांकि संपीड़न में ऊर्जा खर्च होती है। हाइड्रोजन के निम्न क्रांतिक तापमान (critical temperature) को देखते हुए द्रवीकरण अव्यावहारिक है। इसके विपरीत, अमोनिया और कई हाइड्रोकार्बन को दबाव में कक्ष तापमान पर द्रवीकृत किया जा सकता है। इन कारणों से, हाइड्रोजन 'वाहक'—ऐसी सामग्रियां जो प्रतिवर्ती रूप से H2 को बांधती हैं—ने बहुत ध्यान आकर्षित किया है। मुख्य प्रश्न वाहक सामग्री के भीतर H2-समतुल्य का भार प्रतिशत है। उदाहरण के लिए, हाइड्रोजन को कई दुर्लभ मृदा (rare earths) और संक्रमण धातुओं (transition metals) में प्रतिवर्ती रूप से अवशोषित किया जा सकता है[137] और यह नैनोक्रिस्टलाइन और अक्रिस्टलीय धातु (amorphous metal) दोनों में घुलनशील है।[138] धातुओं में हाइड्रोजन विलेयता (solubility) क्रिस्टल जाली (crystal lattice) में स्थानीय विकृतियों या अशुद्धियों से प्रभावित होती है।[139] ये गुण तब उपयोगी हो सकते हैं जब हाइड्रोजन को गर्म पैलेडियम डिस्क के माध्यम से गुजारकर शुद्ध किया जाता है, लेकिन गैस की उच्च विलेयता एक धातुकर्म समस्या भी है, जो कई धातुओं के हाइड्रोजन भंगुरता (hydrogen embrittlement) में योगदान करती है,[140] जिससे पाइपलाइनों और भंडारण टैंकों का डिजाइन जटिल हो जाता है।[141]

भंडारण के लिए धातु हाइड्राइड्स का सबसे समस्याग्रस्त पहलू उनकी मामूली H2 सामग्री है, जो अक्सर 1% के क्रम की होती है। इस कारण से, कम आणविक भार वाले यौगिकों में H2 के भंडारण में रुचि है। उदाहरण के लिए, अमोनिया बोरेन (H3N\sBH3) में 19.8 भार प्रतिशत H2 होता है। इस सामग्री के साथ समस्या यह है कि H2 जारी होने के बाद, परिणामी बोरॉन नाइट्राइड H2 को पुन: नहीं जोड़ता है: यानी, अमोनिया बोरेन एक अपरिवर्तनीय हाइड्रोजन वाहक है।[142] टेट्राहाइड्रोक्विनोलिन जैसे हाइड्रोकार्बन अधिक आकर्षक हैं, जो उत्प्रेरक की उपस्थिति में गर्म करने पर कुछ H2 को प्रतिवर्ती रूप से छोड़ते हैं:[143] C9H10NH <-> C9H7N + 2 H2

अनुप्रयोग

यह भी देखें: Hydrogen economy

[144]

पेट्रोकेमिकल उद्योग

H2 की बड़ी मात्रा का उपयोग जीवाश्म ईंधन के "अपग्रेडिंग" में किया जाता है। H2 के प्रमुख उपभोक्ताओं में हाइड्रोडिसल्फराइजेशन और हाइड्रोक्रैकिंग शामिल हैं। इनमें से कई प्रतिक्रियाओं को हाइड्रोजिनोलिसिस के रूप में वर्गीकृत किया जा सकता है, यानी हाइड्रोजन द्वारा बंधनों का विखंडन। उदाहरण के लिए तरल जीवाश्म ईंधन से सल्फर का पृथक्करण:[107][145] R2S + 2 H2 → H2S + 2 RH

हाइड्रोजनीकरण

हाइड्रोजनीकरण (Hydrogenation), विभिन्न सबस्ट्रेट्स में H2 का योग, बड़े पैमाने पर किया जाता है। N2 का हाइड्रोजनीकरण हेबर प्रक्रिया (Haber process) द्वारा अमोनिया का उत्पादन करता है:[145] N2 + 3 H2 → 2 NH3 यह प्रक्रिया पूरे उद्योग में ऊर्जा बजट का कुछ प्रतिशत उपभोग करती है और हाइड्रोजन का सबसे बड़ा उपभोक्ता है। परिणामी अमोनिया का उपयोग उर्वरक उत्पादन में बड़े पैमाने पर किया जाता है; ये उर्वरक आधुनिक कृषि में आवश्यक फीडस्टॉक बन गए हैं।[146] हाइड्रोजनीकरण का उपयोग असंतृप्त वसा और वनस्पति तेलों को संतृप्त वसा और तेलों में बदलने के लिए भी किया जाता है। मुख्य अनुप्रयोग मार्जरीन का उत्पादन है। मेथनॉल का उत्पादन कार्बन डाइऑक्साइड के हाइड्रोजनीकरण द्वारा किया जाता है; इस प्रक्रिया के लिए उपयोग किए जाने वाले हाइड्रोजन और कार्बन मोनोऑक्साइड के मिश्रण को सिनगैस (syngas) के रूप में जाना जाता है।[147] H2 का उपयोग कुछ अयस्कों को धातुओं में बदलने के लिए अपचायक (reducing agent) के रूप में भी किया जाता है।[148][89]

ईंधन

ईंधन के रूप में हाइड्रोजन (H2) का उपयोग करने की क्षमता पर व्यापक रूप से चर्चा की गई है। हाइड्रोजन का उपयोग ईंधन सेल (fuel cells) में बिजली पैदा करने के लिए किया जा सकता है,[149] या गर्मी उत्पन्न करने के लिए जलाया जा सकता है।[150] जब हाइड्रोजन का उपयोग ईंधन सेल में किया जाता है, तो उपयोग के बिंदु पर एकमात्र उत्सर्जन जल वाष्प होता है।[150] जलने पर, हाइड्रोजन दहन के बिंदु पर अपेक्षाकृत कम प्रदूषण पैदा करता है, लेकिन हानिकारक नाइट्रोजन ऑक्साइड के थर्मल गठन का कारण बन सकता है।[150]

यदि हाइड्रोजन का उत्पादन कम या शून्य ग्रीनहाउस गैस उत्सर्जन (ग्रीन हाइड्रोजन) के साथ किया जाता है, तो यह उन ऊर्जा प्रणालियों को डीकार्बोनाइज करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभा सकता है जहां जीवाश्म ईंधन को बिजली के सीधे उपयोग से बदलने में चुनौतियां और सीमाएं हैं।[151][118]

हाइड्रोजन ईंधन स्टील, सीमेंट, कांच और रसायनों के औद्योगिक उत्पादन के लिए आवश्यक तीव्र गर्मी पैदा कर सकता है, इस प्रकार स्टीलमेकिंग के लिए इलेक्ट्रिक आर्क फर्नेस जैसी अन्य तकनीकों के साथ उद्योग के डीकार्बोनाइजेशन में योगदान दे सकता है।[152] हालांकि, यह अमोनिया और कार्बनिक रसायनों के स्वच्छ उत्पादन के लिए औद्योगिक फीडस्टॉक प्रदान करने में बड़ी भूमिका निभाने की संभावना है।[151] उदाहरण के लिए, स्टीलमेकिंग में, हाइड्रोजन एक स्वच्छ ईंधन के रूप में और एक निम्न-कार्बन उत्प्रेरक के रूप में कार्य कर सकता है, जो कोयले से प्राप्त कोक (कार्बन) की जगह ले सकता है:[153] 2FeO + C -> 2Fe + CO2 vs FeO + H2 -> Fe + H2O परिवहन को डीकार्बोनाइज करने के लिए उपयोग किया जाने वाला हाइड्रोजन शिपिंग, विमानन और, कुछ हद तक, भारी माल वाहनों में अपने सबसे बड़े अनुप्रयोग खोजने की संभावना है, जिसके लिए ग्रीन अमोनिया और ग्रीन मेथनॉल जैसे हाइड्रोजन-व्युत्पन्न सिंथेटिक ईंधन और ईंधन सेल तकनीक का उपयोग किया जाएगा।[151] कारों सहित हल्के-ड्यूटी वाहनों के लिए, हाइड्रोजन अन्य वैकल्पिक ईंधन वाहनों से बहुत पीछे है, विशेष रूप से बैटरी इलेक्ट्रिक वाहनों को अपनाने की दर की तुलना में, और भविष्य में यह कोई महत्वपूर्ण भूमिका नहीं निभा सकता है।[154]

तरल हाइड्रोजन और तरल ऑक्सीजन एक साथ तरल-प्रणोदक रॉकेट में क्रायोजेनिक प्रणोदक (cryogenic propellants) के रूप में कार्य करते हैं, जैसा कि स्पेस शटल मुख्य इंजन में होता है। NASA ने परमाणु हाइड्रोजन, बोरॉन या कार्बन से बने रॉकेट प्रणोदक के उपयोग की जांच की है, जिसे तरल हीलियम में निलंबित ठोस आणविक हाइड्रोजन कणों में जमाया जाता है। गर्म होने पर, मिश्रण वाष्पित हो जाता है ताकि परमाणु प्रजातियों को पुनर्संयोजित होने की अनुमति मिल सके, जिससे मिश्रण उच्च तापमान तक गर्म हो जाता है।[155]

परिवर्तनीय नवीकरणीय बिजली (variable renewable electricity) की अधिकता होने पर उत्पादित हाइड्रोजन को सिद्धांत रूप में संग्रहीत किया जा सकता है और बाद में गर्मी उत्पन्न करने या बिजली को पुनः उत्पन्न करने के लिए उपयोग किया जा सकता है।[156] इसे आगे संश्लेषित ईंधन (synthetic fuels) जैसे कि अमोनिया और मेथनॉल में परिवर्तित किया जा सकता है।[157] हाइड्रोजन ईंधन के नुकसान में हाइड्रोजन की विस्फोटक प्रकृति, अन्य ईंधन की तुलना में इसका बड़ा आयतन और हाइड्रोजन भंगुरता (hydrogen embrittlement) के कारण सामग्रियों को कमजोर करने की प्रवृत्ति के कारण भंडारण और वितरण की उच्च लागत शामिल है।[111] वितरण की आर्थिक हानि को उन सुविधाओं को एक साथ रखकर कम किया जा सकता है जो खनन उद्योग केंद्रों में हाइड्रोजन का उपयोग करती हैं।[158]

निकेल-हाइड्रोजन बैटरी

उपग्रह विद्युत प्रणालियों के लिए विकसित बहुत लंबे समय तक चलने वाली, रिचार्जेबल निकेल-हाइड्रोजन बैटरी दबावयुक्त गैसीय H2 का उपयोग करती है।[159] अंतर्राष्ट्रीय अंतरिक्ष स्टेशन,[160] मार्स ओडिसी[161] और मार्स ग्लोबल सर्वेयर[162] निकेल-हाइड्रोजन बैटरी से लैस हैं। अपनी कक्षा के अंधेरे हिस्से में, हबल स्पेस टेलीस्कोप भी निकेल-हाइड्रोजन बैटरी द्वारा संचालित होता है, जिन्हें अंततः मई 2009 में बदल दिया गया था,[163] जो लॉन्च के 19 साल से अधिक और उनके डिजाइन जीवन से 13 साल बाद हुआ।[164]

अर्धचालक उद्योग

हाइड्रोजन का उपयोग अर्धचालक निर्माण (semiconductor manufacturing) में अनाकार सिलिकॉन (amorphous silicon) और अनाकार कार्बन (amorphous carbon) के टूटे हुए ("लटकते") बंधनों को संतृप्त करने के लिए किया जाता है, जो सामग्रियों के गुणों को स्थिर करने में मदद करता है।[165] उत्पादन के अनपेक्षित दुष्प्रभाव के रूप में पेश की गई हाइड्रोजन, ZnO में n-प्रकार चालकता की ओर ले जाने वाले एक उथले इलेक्ट्रॉन दाता (electron donor) के रूप में कार्य करती है, जिसके ट्रांसड्यूसर और फॉस्फोर में महत्वपूर्ण उपयोग हैं।[166][167] ZnO और MgO का विस्तृत विश्लेषण चार और छह-गुना हाइड्रोजन मल्टीसेंटर बॉन्ड के प्रमाण दिखाता है।[168] हाइड्रोजन का डोपिंग व्यवहार (doping behavior) सामग्री के साथ बदलता रहता है।[169][170]

विशिष्ट और उभरते उपयोग

ऊपर बताए गए उपयोगों के अलावा, हाइड्रोजन का उपयोग छोटे पैमाने पर निम्नलिखित अनुप्रयोगों में किया जाता है:

  • शील्डिंग गैस: हाइड्रोजन का उपयोग वेल्डिंग विधियों जैसे परमाणु हाइड्रोजन वेल्डिंग (atomic hydrogen welding) में शील्डिंग गैस के रूप में किया जाता है।[171][172]
  • शीतलक (Coolant): हाइड्रोजन का उपयोग इसकी उच्च तापीय चालकता (thermal conductivity) और कम घनत्व के कारण बड़े विद्युत जनरेटरों में शीतलक के रूप में किया जाता है।[173] पहला हाइड्रोजन-कूल्ड टर्बोजेनरेटर 1937 में डेटन, ओहियो में रोटर और स्टेटर में शीतलक के रूप में गैसीय हाइड्रोजन का उपयोग करके सेवा में आया था।[174]
  • क्रायोजेनिक अनुसंधान: तरल H2 का उपयोग क्रायोजेनिक अनुसंधान में किया जाता है, जिसमें अतिचालकता (superconductivity) अध्ययन शामिल हैं।[175]
  • खाद्य उद्योग: हाइड्रोजन एक अधिकृत खाद्य योज्य (E949) है[176] जिसका उपयोग पैकेजिंग गैस के रूप में किया जाता है,[177] और इसमें एंटीऑक्सीडेंट गुण भी होते हैं।[178]
  • रिसाव का पता लगाना: शुद्ध या नाइट्रोजन के साथ मिश्रित (जिसे कभी-कभी फॉर्मिंग गैस कहा जाता है), हाइड्रोजन सूक्ष्म रिसाव का पता लगाने के लिए एक ट्रेसर गैस है। इसके अनुप्रयोग ऑटोमोटिव, रासायनिक, बिजली उत्पादन, एयरोस्पेस और दूरसंचार उद्योगों में पाए जा सकते हैं;[179] इसका उपयोग खाद्य पैकेजिंग में रिसाव परीक्षण के लिए भी किया जाता है।[180]
  • न्यूट्रॉन मॉडरेशन: तरल ड्यूटेरियम (हाइड्रोजन-2) का उपयोग अति-शीत न्यूट्रॉन (ultra cold neutron) अध्ययनों में उपयोग किए जाने वाले न्यूट्रॉन को धीमा करने के लिए न्यूट्रॉन मॉडरेटर के रूप में किया जा सकता है।[181]
  • परमाणु संलयन ईंधन: ड्यूटेरियम का उपयोग परमाणु संलयन (nuclear fusion) प्रतिक्रियाओं में किया जाता है।[58]
  • आइसोटोपिक लेबलिंग: ड्यूटेरियम यौगिकों के रसायन विज्ञान और जीव विज्ञान में प्रतिक्रिया दरों पर गतिज आइसोटोप प्रभाव (kinetic isotope effect) के अध्ययन में अनुप्रयोग हैं।[182]

सुरक्षा और सावधानियां

मुख्य लेख: Hydrogen safety
ज्ञानसन्दूक
Container only yes
Hazards
Ghspictograms GHS02
Ghssignalword Danger
Hphrases 220
Pphrases 381[184]
Nfpa-h 0
Nfpa-f 4
Nfpa-r 0

हाइड्रोजन पाइपलाइनों और स्टील भंडारण जहाजों में, हाइड्रोजन अणु धातुओं के साथ प्रतिक्रिया करने के लिए प्रवृत्त होते हैं, जिससे हाइड्रोजन भंगुरता होती है और पाइपलाइन या भंडारण जहाज में रिसाव होता है।[185] चूंकि यह हवा से हल्का होता है, इसलिए हाइड्रोजन आसानी से दहनशील गैस मिश्रण बनाने के लिए जमा नहीं होता है।[185] हालांकि, इग्निशन स्रोतों के बिना भी, उच्च दबाव वाले हाइड्रोजन रिसाव से स्वतः दहन और विस्फोट (detonation) हो सकता है।[185]

हवा के साथ थोड़ी मात्रा में मिश्रित होने पर भी हाइड्रोजन ज्वलनशील होता है। इग्निशन हवा में हाइड्रोजन के 4% तक के आयतन अनुपात (volumetric ratio) पर हो सकता है।[186] लगभग 70% हाइड्रोजन इग्निशन दुर्घटनाओं में, इग्निशन स्रोत का निर्धारण नहीं किया जा सकता है।[185]

हाइड्रोजन की आग, अत्यधिक गर्म होने के बावजूद, मानव आंख के लिए लगभग अदृश्य होती है, और इस प्रकार यह आकस्मिक जलन का कारण बन सकती है।[35] हाइड्रोजन गैर-विषाक्त है,[187] लेकिन अधिकांश गैसों की तरह अक्रिय गैस श्वासावरोध (inert gas asphyxiation) के रूप में यह पर्याप्त वेंटिलेशन के अभाव में श्वासावरोध का कारण बन सकता है।[188]

यह भी देखें

संदर्भ

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आगे पढ़ने के लिए

बाहरी लिंक

स्रोत: अंग्रेज़ी विकिपीडिया के "Hydrogen" लेख पर आधारित। मूल लेख: https://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen यह लेख स्वचालित रूप से तैयार किया गया है।

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