Hidrojen, yeryüzündeki en hafif, en basit ve en bol bulunan elementtir. Evrenin temel enerji kaynağıdır ve yaklaşık yüzde 75’ini oluşturur. Bilinen bütün yakıtlar arasında en yüksek enerji içeriğine sahip olan hidrojen, özellikle ulaşım araçları için alternatif bir enerji kaynağıdır. Kötü amaçlarla kullanıldığında bir katliam aracı da olabilir. Hayatımızda önemli bir yer tutar hidrojenin hikâyesi oldukça uzun…
Tarihçesi
Hidrojen, Osmanlıca “su yapan” anlamındaki müvellidülmâ kelimesinin karşılığıdır. Yunanca da yine “su yapan” anlamındaki “hidrogenes” kelimesi ile ifade edilir. Hidrojen 1500’lü yıllarda keşfedilmiş, 1700’lü yıllarda yanma özelliği fark edilmiş bir gazdır.
Hidrojenin gelişimiyle ilgili bazı tarihler şöyle;
- İlk olarak 16. yüzyılda İsviçreli simyacı Paracelsus, asitlerin metaller üzerindeki etkilerine yönelik araştırmaları sırasında hidrojeni elde etti.
- İngiliz kimyager Henry Cavendish ise, 1776 yılında hidrojenin niteliği, fiziksel ve kimyasal özellikleri gibi konularda çalışmalar yaptı. Suyun oksijen ve hidrojenden meydana geldiğini ispatlayan Cavendish, hidrojeni “yanan hava” olarak adlandırdı, element olduğunu ispatladı.
- Fransız kimyacı ve fizikçi Antonie-Laurent de Lavoisier, 1781 yılında bu yanan gaza “hidrojen” adını verdi.
- 1782’de Jacques Charles tarafından ilk hidrojen gazı elde edildi.
- 1800 yılında İngiliz bilim adamları William Nicholson ve Anthony Carlisle suya elektrik akımı uygulayarak yani elektroliz yöntemi ile hidrojen gazı üretildi.
- 1898 yılında sıvılaştırılan hidrojen, 1929 yılında saf olarak elde edildi.
- İlk hidrojen bombası 1954 yılında ABD’nin Bikini Atoll’daki patlatıldı ve bir ada yok oldu. Deneme sırasında 1,6 kilometre çapında ve 6 metre derinliğinde çukur oluştu.
- Hidrojen enerjisi ile ilgili çalışmalar 1955 yılında başladı.
- 1980’li yıllarda da hidrojen prosesleri gelişmeye başladı.
Geçmişte balonlar ve zeplin adı hava araçlarında hidrojen kullanılırdı. Ancak çok tehlikeli olduğu için ve çok yer kapladığı için helyum gazına dönüldü.
Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri
Hidrojenin kimyasal sembolü “H”dir. Atom numarası 1, atom ağırlığı 1,008’dir. Element tablosunun 1-A grubunda yer alır. Alkali metal olmamasına rağmen alkali metal grubunda yer alır. Bunun nedeni, periyodik cetvelde +1 değerlikli olmasıdır. Sadece bir katmanı vardır. Ergime noktası -257 derece, kaynama noktası -253 derecedir. Kaynama noktasında sıvı hale getirilebilir. Tatsız, renksiz, kokusuz, zehirsiz bir gazdır. Havadan 14,4 kat daha hafiftir.
İndirgen bir özelliğe sahip gazdır. Metal oksitleri metale indirgeyebilir. Kurşun ve bakır gibi değerli metallerin oksitlerini indirger. İki atomlu moleküler bir yapıya sahiptir. Hidrojen molekülünden serbest hidrojen atomu elde etmek için çok büyük enerji gerekir. Hidrojen atomları arasında kovalent bağ vardır. Bileşikleri bakımından en zengin ametal elementtir. Asal gazlar hariç bütün elementlerle reaksiyona girebilir. Alkali metaller, kalsiyum ve baryum gibi elementlerle iyonik bileşikler oluşturur. Flor, brom, krom ve iyotla yaptığı bileşiklerin sudaki çözeltileri asidi meydana getirir. Suda çok az erir. Gözenekli yüzeylerden kolayca geçerek, yayılır (difüzyon). Kızgın demir, platin ve iridyum gibi metallerden sızabilir. Bu sebeple çelik kaplarda depolanabilir.
Kolay yanabilen hidrojen, yüzde 4-74 oranları arasında havaya karıştığında çeşitli şiddetlerde patlamaya yol açabilir. 700 derecede tutuşur. Hidrojen ve oksijen yakıldığında yüksek sıcaklıkta alev elde edilir. Bu alevin derecesi 1500 dereceye kadar çıkabilir. İki hacim hidrojen ile bir hacim oksijen karşımı alevle patlar. Yandığında çevreye zarar vermez. Hidrojenin atığı sadece su veya su buharıdır. Soluk ve mavi bir alevi vardır. Halojenler ve bor gibi elementlerle oluşturduğu bileşikler uçucudur. İyi bir ısı iletkenidir.
Doğada bol miktarda bulunan hidrojen, atmosferin en üst tabalarında da vardır. Sabit yıldızların atmosferinde genellikle elementel hidrojen hakimdir. Evrende atomik veya plazma halindedir, normal şartlar altında biatomiktir. İçinde olduğumuz hava da çok az miktarda su buharı halinde hidrojen içerir. Yeryüzünde genellikle bileşikler halinde bulunur, serbest olarak az miktardadır. Bazı mineral ve tuzlarda kristal suyu olarak rastlanır. Dünyayı meydana getiren elementler arasında atom yüzdesi oranı 15,5’tir.
En önemli hidrojen bileşiği ve kaynağı sudur. Sudaki hidrojen miktarı yüzde 11 oranındadır. Oksijenle bileşerek suyu oluşturan hidrojen, canlıların yapısında ve maden filizlerinde de bulunur. Karbon bileşiği akaryakıtları ve yanıcı gazları oluşturur. En fazla su, azot ve karbonlu bileşiklerde bulunur. Kömür depolarında, gaz kuyularında ve organik bozulmalarda hidrojene rastlanır. Organik bileşiklerde karbonla birlikte yer alır. Kömürden imal edilen gaz yakıt olan havagazı, yüzde 50 oranında hidrojen içerir.
Hidrojenin özellikleri ile ilgili son günlerdeki bir gelişmeyi de not düşelim: Bilim adamları yaptıkları çalışmalar sonucu metalik hidrojen üretmeyi başardıklarını açıkladı. Metalik hidrojenin hem sıvı hem de katı olabileceği iddia edilirken, gizemli bir madde haline gelen metalik hidrojenle ilgili önümüzdeki yıllarda önemli sonuçlar alınacağı aşikâr…
Nasıl Elde Edilir?
Hidrojenin üretimi, saflaştırılması ve sıvılaştırılması oldukça güçtür. Elde edilmesi için çeşitli yöntemler kullanılır. Bu yöntemler şu şekilde uygulanır;
- Suyun elektorlize edilmesi yani elektrik akımı verilerek bileşiklerinin ayrılması yöntemi ile hidrojen ve oksijen ayrıştırılır. Bu yöntemle hidrojen katotta birikir.
- Sodyum, potasyum ve lityum gibi bazı metallere normal sıcaklıkta su etkisiyle hidrojen açığa çıkarılır.
- Kömürün koklaştırılması işlemi sırasında kızgın kok kömürü üzerinden su buharı geçirildiğinde hidrojen ve karbonmonoksit karışımı “su gazı” adı verilen bir gaz açığa çıkar. Bu gaz soğutulup basınç uygulandığında hidrojen açığa çıkar ve karbonmonoksit sıvılaşır.
- Soy olmayan madenlerle hidroklorik asit reaksiyona sokulduğunda da hidrojen açığa çıkar.
- Fosil yakıtlardan termokimyasal yöntemlerle elde edilebilmektedir.
- Yeşil yosunlarla doğal fotosentez işlemleri ile hidrojen elde etmek mümkün.
- Laboratuvar ortamında kalsiyum hidrür ile suyun reaksiyona sokulmasıyla veya seyreltik sülfürik asit ile demirin reaksiyonu sonucu hidrojen gazı elde edilebilir.
- Güneş enerjisi ve türevleri, rüzgâr, dalga ve biyokütleler ile de elde edilebilir. Güneş enerjisi ile elde edilen hidrojen yakıtı çevre dostu bir yakıttır.
Nerelerde Kullanılır?
Isı ve patlama enerjisi gerektiren her alan ve üründe kullanılabilir. Çevre dostu, temiz ve kolay kullanımlıdır.
Kömürden benzin elde etmek için hidrojen kullanılır. Ayrıca, organik bileşiklerin sentetik olarak elde edilmesinde, sıvı yağlardan katı yağ üretiminde de kullanılır. Hidrojen üretiminin üçte ikisi amonyak elde etmek için kullanılır. Ayrıca petrol rafinesi için önemli bir gazdır. Metanol üretimi için kullanıldığı gibi havayla soğutulamayan dinamo gibi parçaların soğutulmasında da hidrojenden faydalanılır. Elektrik enerjisi üretiminde de kullanılabilmektedir.
Kullanıldığı bazı ürünler şunlardır; margarin, organik bileşikler, plastikler, kaynak yakıtı, füze ve roket yakıtı, otomobil yakıtları…
Hidrojen Enerjisi ve Yakıtı Nedir?
Dünyanın enerji ihtiyacı giderek artıyor ve enerji kaynakları olan fosil kaynaklar azalıyor. Bunun dışında fosil yakıtların çevreye verdiği zarar da düşünülürse hidrojen çok ideal bir enerji taşıyıcısı ve alternatifidir. Bu sebeple son zamanlarda hidrojen enerjisi ve yakıtı üzerinde yapılan araştırmalarda önemli gelişmeler kaydedildi.
Hidrojen yakıtı doğal değildir. Su, fosil yakıtlar ve biyokütle gibi ürünlerden elde edilen sentetik bir yakıttır. Temiz ve yenilenebilir bir enerji kaynağıdır. Hidrojen yakıtı; kara ve hava ulaşım araçlarında kullanılabilmektedir. Uzay araçları ve roketlerde de hidrojen yakıtı kullanılmaktadır. Güç üniteleri, cep telefonları ve bilgisayarlar gibi bazı mobil ürünlerde de kullanılmasıyla ilgili araştırma ve geliştirme çalışmaları yürütülüyor.
Hidrojen, önümüzdeki yıllarda yakıt olarak bütün araçlarda kullanılabilecektir. Bununla ilgili bazı otomobil firmaları hidrojenle çalışan araçlar üretmeye başladı. Bazı ülkelerde de hidrojen yakıtı istasyonları kurulmaya başlandı. Hidrojen enerjisi, gelişen teknolojiyle fosil yakıtlarına bağımlılığı da minimuma indirebilecek alternatif olarak önemini koruyor.
En yüksek enerji içeren gaz olan hidrojenin 1 kilogramının enerjisi; 2 kilogram doğalgaz ve yaklaşık 3 kilogram akaryakıtın enerjisine eşittir. Akaryakıttan yaklaşık 1,33 kat daha verimlidir. Ancak normal yakıtlardan 3 kat daha pahalıdır. Gelişen teknolojilerle maliyet düşürücü yöntemler geliştirildikçe yaygın bir enerji kaynağı olarak kullanılabilecektir.
Hidrojen enerjisi elde etmek için yakma ve yakıt pili gibi yöntemler kullanılıyor. Yakma yönteminde hidrojen, doğalgaz ve benzin gibi yakılıyor. Bu yöntemde açığa çıkan emisyon oranı doğalgaz ve benzine göre çok düşüktür. Yakıt pili yönteminde de hidrojen ve oksijenle elektrik akımı üretiliyor. Yakma yöntemine göre daha verimli bir yöntemdir ve araçlarda kullanılmaya başlanan hidrojen enerjisi bu yöntemle elde edilir. Bu yöntemin çevreye zararlı emisyon değeri sıfırdır.
2003 yılından bu yana bazı otomobil markaları bazı modellerinde yakıt pilli, basınçlı veya sıvı hidrojen depoları üretmişlerdir. Hidrojenle çalışan yakıt pilleri çok büyük ve ağır olduğundan otomobiller için en büyük handikaptır. Hidrojenle çalışan otomobil modelleri için katı, gaz veya sıvı hidrojen depolama yöntemleriyle ilgili çalışmalar ve testler devam ediyor. Hidrojen yakıtlı içten yanmalı araçlar geliştirilmektedir. NASA ve bazı uçak firmaları da hidrojen ile çalışan gaz türbinleri ve yakıt pilleri ile çalışan uçak ve uzay araçları geliştirme çalışmaları yürütmektedir.
Hidrojenin Depolanması
Hidrojen, boru hatları veya tankerlerle taşınabilir, depolanabilir. Düşük yoğunluklu bir gaz olduğu için gaz hali çok yer kaplar. Bu sebeple gaz formu basınçlı tüpler veya tanklarda depolanmaktadır. Basınçlı depolamadan dolayı hidrojen tank veya depolarının güvenliği ve sağlamlığı çok önemli…
Sıvı ve kimyasal bileşik olarak da depolanabiliyor. Hidrojeni sıvılaştırmak çok enerji gerektiriyor. Basit bir formülle; 1 birim sıvı hidrojen elde etmek için 3 birim enerji harcamak gerekiyor. Hidrojen, helyumdan sonra sıvılaştırılması en zor gazdır.
Katı hidrojenin depolanması için de metal hidritler kullanılıyor. Metal hidrit gözenekleri hidrojeni bünyesine çekiyor. Metal hidritler çok ağır olduğundan katı hidrojen için nano teknoloji ile hafif depolama sistemleri geliştirilmektedir.
Hidrojen Bombası Nedir?
Hidrojen bombası, diğer adıyla füzyon bombası, kontrolsüz termonükleer enerji sağlayabilen yıkıcı bir nükleer silahtır.
Hidrojen bombası basit bir anlatımla şöyle elde edilir; hidrojenin izotopları olan döteryum ve trityum çekirdeklerinin kaynaşması işlemine “füzyon” adı verilir. Bu işlemde ortaya çıkan reaksiyonun zincirleme olarak devam ettirilmesi ile hidrojen bombası elde edilir. Hidrojen bombasının yüksek patlama gücü, hidrojen atomlarının birleşerek helyum atom yapısına dönüştüğü termonükleer tepkime sonucu ortaya çıkar.
Hidrojen bombası patlamasıyla oluşan şok dalgası kilometrelerce yayılarak binaları yerler bir eder ve canlıları yok eder. Bomba patladığında yaydığı ışık kilometrelerce uzaktan görülebilir ve gözlere zarar verebilir. Yaydığı yüksek ısı 26 kilometre uzaktaki ağaçları bile yakabilir. Bir termonükleer bombanın gücü 1 milyon ton dinamitin gücüne eşittir. Bu güç, “megaton” olarak ifade edilir. Gücü 60 megatona kadar çıkabiliyor.
Atom bombasından daha büyük tahrip gücü vardır. Hidrojenin tarihçesinde de bahsettiğimiz gibi ilk hidrojen bombası 1954 yılında Amerika’daki bir adada denendi ve adayı yok etti. Bu bombanın gücü, Hiroşima ve Nagazaki’ye atılan atom bombalarının bin katı daha fazla güce sahipti.
Hidrojen bombası 1970’de uluslararası bir anlaşmayla yasaklandığı halde günümüzde dünya üzerinde 20 binden fazla hidrojen bombası olduğu tahmin ediliyor. ABD, Rusya, Çin, İngiltere ve Fransa’nın hidrojen bombasına sahip ülkeler. Hindistan da hidrojen bombası üretme aşamasında. Kuzey Kore de hidrojen bombasına sahip olduğunu ve bombayı denediğini iddia ederek düşman ülkelere gözdağı veriyor.