A hidrogén a H jelű kémiai elem, amelynek atomi száma 1. A Standard atomtömege 1,008, ami azt jelenti, hogy a legkönnyebb elem a periódusos rendszerben. A hidrogén a leggyakoribb kémiai elem az Univerzumban, a bariónikus tömeg körülbelül 75%-a hidrogén. A csillagok nagyrészt hidrogénből állnak. A hidrogén leggyakoribb izotópjának atommagjában egy proton található, amely körül egy elektron kering.
Normál hőmérsékleten és nyomáson a hidrogénnek nincs színe, szaga, íze, nem mérgező, nem fém és nagyon könnyen ég. Szabaddá válva kétatomos molekulákat alkot, azaz általában önmagához kötődik, és így H 2 formában fordul elő.
Általános tulajdonságok
A hidrogén gáz halmazállapotú standard körülmények között; moláris tömege kb. 2,016 g/mol (H2). Olvadáspontja körülbelül -259,16 °C, forráspontja pedig -252,87 °C. Sűrűsége gázként nagyon kicsi (kb. 0,0899 g/L 0 °C-on és 1 atm nyomáson), ezért könnyen felfelé száll a levegőben, és kisméretű molekulája miatt gyorsan diffundál. A H–H kötés kötési energiája nagy (kb. 436 kJ/mol), ezért a molekula stabil, ugyanakkor reakciókban könnyen szerepet vállal.
A hidrogén jellemzően redukálószer: sok szervetlen és szerves anyaggal reagál, hidrogénezési folyamatokban (például telítetlen kötéseket telít) vesz részt. Oxigénnel robbanásszerűen reagálva vizet képez (2 H2 + O2 → 2 H2O). Kémiai reakciókban fontos szerepet játszik savas közegben proton (H+) formájában.
Izotópok
A hidrogénnek több izotópja ismert. A leggyakoribb a protium (¹H), amelynek magja egyetlen protonból áll és egy elektron kering körülötte. A nehezebb stabil izotóp a deutérium (²H vagy D), amely magában egy proton és egy neutron található; deutériumból áll például a nehézvíz (D2O). A tritium (³H vagy T) egy radioaktív izotóp, amelyet nukleáris folyamatokban használnak és a természetben kis mennyiségben fordul elő.
Előfordulás a Földön és az Univerzumban
A hidrogén a világegyetem legelterjedtebb eleme: a csillagok és a csillagközi anyag nagy részét képezi. A Földön azonban a hidrogén túlnyomó többsége vegyületekben található meg (vízben, szerves vegyületekben, ásványokban), mivel a szabad H2 könnyen kiszökne a légkörből. Vízben és szénhidrogénekben megkötve rendkívül fontos az anyag- és energiafolyamatokban.
Előállítás és felhasználás
Iparilag leggyakrabban földgázból végzett gőzreformálással (steam methane reforming, SMR) állítják elő, de elterjedt a szén gázosítása és ipari mellékfolyamatokból való kivonása is. Az elektrolízis – különösen megújuló energiával működtetett elektrolízis – környezetbarát módja a hidrogén előállításának; ezt gyakran „zöld hidrogénnek” nevezik.
A hidrogént számos iparág használja: ammónia-előállítás (Haber–Bosch eljárás), kőolajfinomítás, metanolgyártás, zsírok és olajok hidrogénezése, valamint üzemanyagként üzemanyagcellákban. Folyékony hidrogént használnak rakétaüzemanyagként a világűrkutatásban, valamint potenciális hajtóanyagként a közlekedés zöldítése terén.
A hidrogént különböző módszerekkel lehet tárolni és szállítani: sűrítve palackokban, cseppfolyósítva nagyon alacsony hőmérsékleten, fémhidridekben megkötve, vagy kémiai hordozók (például ammónia, folyékony szerves hidrogénhordozók – LOHC) formájában.
Biztonság és környezet
A hidrogén nagy gyulladási tartománnyal rendelkezik, és alacsony gyújtási energiára gyullad, ezért szivárgás esetén különösen veszélyes. Színtelen és szagtalan volta miatt szivárgást nehéz észrevenni; ezért ipari alkalmazásoknál érzékelők, szellőzés és megfelelő biztonsági berendezések szükségesek. A hidrogén fémeket rideggé tehet (hidrogénridegülés), ami anyagválasztási és tervezési szempontból fontos.
Környezeti szempontból a hidrogén önmagában nem bocsát ki szén-dioxidot használat közben (pl. üzemanyagcellában vízzé ég), de előállításának CO2-kibocsátása nagyban függ az alkalmazott technológiától. A megújuló energiával előállított „zöld hidrogén” kulcsfontosságú lehet az energiaátmenetben és a szén-dioxid-kibocsátás csökkentésében.
Történeti érdekesség
A hidrogént először a 18. században vizsgálták részletesen: Henry Cavendish 1766-ban leírta a gázt, majd Antoine Lavoisier nevezte el „hidrogène” (vízképző) néven, mivel elégetve vizet kapott.
A hidrogén ezért egyszerre alapvető kémiai elem, stratégiai ipari nyersanyag és ígéretes tiszta energiahordozó, amely várhatóan fontos szerepet játszik a jövő energiarendszereiben.