Hidrojen Elementi ve Kullanım Alanları

Hidrojen elementi 1766 yılında Henry Cavendish tarafından keşfedildi. Ancak 1500’lü yıllarda Paracelsus ve sonra 1671’de Robert Boyle hidrojenin keşfine en çok yaklaşan bilim insanları olmuştu. Paracelsus ve Robert Boyle demir tozuna yanıcı olan sülfürik asiti eklediklerinde ortaya kabarcıklar çıkıyordu. Bu kabarcıkların diğer gazlardan farklı olduğunu Cavendish göstermişti. Hidrojen yandığında suyun oluştuğunu da gösteren Cavendish böylece suyun bir element olduğu düşüncesini sona erdirmiş oldu. Sonraları Antoine Lavoiser, Cavendish’in bulgularını tekrarlarken bu gaza “su oluşturucu” anlamına gelen hidrojen adını vermiştir.

Periyodik tabloda sol üst köşede 1. Grup’ta bulunan Hidrojen elementi her ne kadar alkali metalleri arasında bulunsa da, alkali metal değildir. Ametal bir element olan hidrojen bilinen en hafif ve evrende en bol bulunan elementtir. Evrenin kütlesinin yaklaşık yüzde 75’i hidrojenden oluşmaktadır.

Yaşamın bir anlamda yapı taşının hidrojen elementi olduğu söylenebilir. Evrenin başlangıcı olarak kabul edilen Büyük Patlama’nın arkasından meydana gelen hidrojen ve helyum atomlarından oluşan bir gaz bulutunun çökmesiyle ilk yıldız oluşur. Bu ilk yıldızda olduğu gibi tüm yıldızlar enerji ve ısı üretmek için hidrojeni bir yakıt olarak kullanırlar. Yıldızların içinde süre gelen nükleer füzyon tepkimeleri ile hidrojen karbon ve oksijen hatta demir kadar ağır elementlere dönüşmüş olur. Yıldız ömrünü tamamladığında ise bu elementler süpernova patlaması ile evrende dağılmış olur. Üstüne üstlük bu patlama ile açığa çıkan enerji sayesinde demirden daha ağır elementler de oluşmuş olur. Tüm evren hidrojen elementinin bir yıldızın yakıtı olarak kullanılmasıyla müthiş bir çeşitliliğe sahip olur.

Bu çeşitlilik yaşam ile taçlanır. Hidrojen elementi yaşam için sizin de kabul edeceğiniz üzere temel bir elementtir. Çünkü hidrojen suda ve canlı hücrelerdeki neredeyse tüm moleküllerde mevcuttur. Ancak, hidrojen elementi biyolojik anlamda tek başına belirleyici bir aktif rol oynamaz. Karbon ve oksijen atomları ile hidrojen elementinin bağlanmış olması yaşamın kimyasını oluşturur.

Hidrojen Elementinin Atomik Yapısı

Bilinen en hafif element olan hidrojenin atom yapısı da aslında oldukça sadedir. Ancak bu sadeliği doğru anlayabilmek 1913 yılında Niels Bohr’un öne sürdüğü Bohr Atom Modeli’ne kadar pek mümkün olmamıştır. 1 proton ve 1 elektron atom altı parçacığa sahip olan hidrojen atomunun bağlanma durumları ve enerjilerinin araştırılması kuantum mekaniğinin geliştirilmesinde anahtar bir öneme sahip olmuştur. Atom yapısına ilişkin modern teorisinin oluşmasında sahip olduğu sadece 1 proton ve 1 elektrondan dolayı ilk basamak olmuştur. Olan bir elektronunu vermiş hidrojen molekülü kimyasal bağlanmanın doğasının tamamen anlaşılmasına olanak tanıdı. Böylece hidrojen atomunun kuantum mekaniksel yorumu 1920’li yılların ortasında geliştirildi. Bugün hâlâ kuantum mekaniğinin temel dersleri hidrojen atomunun Schrödinger denkleminin çözümleri ile başlamaktadır.

Hidrojen atomunun yapısını gösteren aşağıdaki video hidrojenin bir proton ve bir elektrondan oluşunu güzel bir şekilde tasvir etmektedir.

Diğer taraftan Kuark Bilim Topluluğu Fizik Çalışma Grubu’nun Türkçeleştirdiği aşağıdaki videoda atomik yapı hakkında açıklayıcı bilgiler içermektedir.

Oda sıcaklığında gaz olarak bulunan hidrojen elementi ancak -252.77 °C’de sıvı haldedir. Hidrojen bilinen tüm yakıtlar içerisinde birim kütle başına en yüksek enerji içeriğine sahiptir. 1 kg hidrojen 2,1 kg doğalgaz veya 2,8 kg petrolün sahip olduğu enerjiye sahiptir [5].

Bir hidrojen atomunun taban durum enerji seviyesi -13,6 elektronvolttur. Tüm fizik ve kimya öğrencileri için bu değer çok önemlidir, her zaman her yerde karşınıza çıkabilir. Ayrıca bu enerjinin karşılık geldiği ultraviyole fotonun dalgaboyu da yaklaşık 91 nanometredir.

Hidrojen Elementinin Kullanım Alanları

Hidrojen gaz olarak yakın gelecekte temiz enerji yakıt kaynağı olarak kullanılması bekleniyor. Sudan üretilen hidrojenin oksitlenmesi ile tekrar suya dönüştürülmesi, küresel iklim değişikliğinin eşiğindeki dünyamız için ümit vericidir. Çünkü hidrojen yakıt hücreleri hava kirliliği oluşturan fosil yakıtlara karşı önemli bir alternatiftir. Çünkü hidrojen yakıt hücrelerinin kullanımı çevre dostudur. Hatta günümüzde bazı otobüslerde ve otomobillerde kullanılmaya başlanmıştır. 2014 yılında Hyundai firması hidrojen kullanan arabaların ilk seri üretime başladığını duyurmuştu.

Hidrojen başka amaçlar için de kullanılmaktadır. Kimya endüstrisinde, hidrojen elementi Haber süreci ile tarım gübresinin üretilmesi için amonyak yapımında kullanılmaktadır. Aynı zamanda plastik ve ilaçların üretilmesinde ara ürün olan metanol ve siklohekzanın üretilmesinde de paya sahiptir. Petrol rafinerilerinde petrolün rafine edilmesi süresinde yakıtlardan sülfürün kaldırılmasında da hidrojen elementi kullanılmaktadır. Büyük miktarlarda hidrojen ise örneğin margarin yapımında yağ oluşturmak amacıyla hidrojene yağ olarak kullanılmaktadır.

Cam endüstrisinde hidrojen düz cam levhaların yapılmasında koruyucu atmosfer olarak kullanılmaktadır. Elektronik endüstrisinde silisyum çiplerin üretilmesi sırasında yıkama gazı olarak kullanılır. Hidrojen elementinin kullanımı özellikle yarıiletken malzeme endüstrisinde oldukça yaygındır. Bugün kullandığınız herhangi bir elektronik cihazın yapımı sırasında bir süreç içerisinde muhakkak hidrojen yer almıştır.

Hindenburg felaketine ait fotoğraf. Hindenburg zeplini 1937 yılında ilk uçuşunda sadece saniyeler içinde yanmaya başlamıştı. Kaynak, wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Hindenburg_disaster

Düşük yoğunluklu hidrojen ise taşımacılık için balon ve zeplinlerin doldurulmasında bir zamanlar heyecan verici olmuştu. Ancak zamanında Hindenburg zeplinini yanmasıyla bu heyecan oldukça kısa sürmüştü. Çünkü hidrojen oksijenle su oluşturmak üzere kuvvetlice reaksiyona girmektedir.

Belki hava taşımacılığı için hidrojenin kullanımı biraz sert bir deyim olacak ama bir fiyasko ile sonuçlanmış olsa da uzay taşımacılığında oldukça rağbet görmüştür.

Uzay Mekiği Ana Motoru oksijenle hidrojeni yakıt olarak kullanmaktadır. Bu sırada ise tam itişte neredeyse görünmez bir alev üretir.

Aerojet Rocketdyne RS-25 olarak bilinen Uzay Mekiği Ana Motoru (İng. SSME) bir tür sıvı yakıt kriyojenik roket motorudur. 1980’li yıllarda NASA’nın Uzay Mekiği programlarında kullanılmıştır. Kriyojenik sıvı hidrojen ve sıvı oksijen yakıtlarının yanmasıyla her bir motor fırlatma için 1859 kN’luk bir itme üretmiştir. Bu teknoloji 1970’lerde geliştirilmeye başlanmış ve 12 Nisan 1981’de STS-1 ile ilk uçuşta kullanılmıştır. Bu teknoloji günümüzde çeşitli testlerle daha güçlü bir şekilde kullanılması için geliştirilmeye devam ediyor.

Yazımızın başında hidrojenin bir ametal olduğunu söylemiştik. Ancak, bilim insanları yaklaşık 80 yıldır hidrojenin ametalden metale dönüşebileceğini teoride iddia ediyorlardı. 2015 yılı içerisinde gerçekleşen bir deneyle bu kanıtlandı (detaylı bilgi). Buna göre belirli özel koşullar gerçekleştiğinde hidrojenin de metal gibi davrandığını söyleyebiliriz. Bu son bilgiyle yazımızın sonuna geliyoruz.

Gökhan Atmaca, MSc.
Takip: twitter.com/kuarkatmaca
İletişim: facebook.com/anadoluca

Kaynaklar:

1. http://www.webelements.com/hydrogen/
2. http://www.rsc.org/periodic-table/element/1/hydrogen
3. https://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen
4. https://en.wikipedia.org/wiki/Space_Shuttle_main_engine
5. https://tr.wikipedia.org/wiki/Hidrojen