هيدروجين

في الظروف القياسية ، الهيدروجين غاز يتكون من جزيئات ثنائية الذرة صيغتها الكيميائية H₂ ، _ويُسمى رسميًا "ثنائي الهيدروجين" ^{[ 37 ] ،} ويُعرف أيضًا باسم "الهيدروجين الجزيئي" ^{[ 38 ] ،} أو ببساطة الهيدروجين. ثنائي الهيدروجين غاز عديم اللون والرائحة وقابل للاشتعال. ^{[ 38 ]} 

المراحل

يمكن أن يوجد الهيدروجين السائل عند درجات حرارة أقل من النقطة الحرجة للهيدروجين البالغة 33 كلفن (-240.2 درجة مئوية؛ -400.3 درجة فهرنهايت) . ^{[ 54 ]} ومع ذلك، لكي يكون الهيدروجين في حالة سائلة تمامًا عند _الضغط الجوي ، يجب تبريده إلى 20.28 كلفن (-252.87 درجة مئوية؛ -423.17 درجة فهرنهايت) . وقد تمكن جيمس ديوار من تسييل الهيدروجين عام 1898 باستخدام التبريد التجديدي واختراعه، وهو القارورة المفرغة من الهواء . ^{[ 55 ]}      

يتحول الهيدروجين السائل إلى هيدروجين صلب عند الضغط القياسي تحت درجة انصهار الهيدروجين البالغة 14.01 كلفن (-259.14 درجة مئوية؛ -434.45 درجة فهرنهايت) . توجد أطوار صلبة متميزة، تُعرف بالأطوار من الأول إلى الخامس، ويُظهر كل منها ترتيبًا جزيئيًا مميزًا. ^{[ 56 ]} يمكن أن تتواجد الأطوار السائلة والصلبة معًا عند النقطة الثلاثية ؛ ويُعرف هذا المزيج باسم الهيدروجين شبه الصلب . ^{[ 57 ]}     

الهيدروجين المعدني ، وهو طور يتم الحصول عليه عند ضغوط عالية للغاية (تتجاوز 400 مليار باسكال (58,000,000 رطل لكل بوصة مربعة ) )، موصل للكهرباء. ويُعتقد أنه موجود في أعماق الكواكب العملاقة مثل كوكب المشتري . ^{[ 56 ] [ 58 ]}   

عندما يتأين الهيدروجين، يتحول إلى بلازما . وهذا هو الشكل الذي يوجد فيه الهيدروجين داخل النجوم . ^{[ 59 ]}

في عام 1671، اكتشف العالم الأيرلندي روبرت بويل ووصف تفاعل برادة الحديد مع الأحماض المخففة ، والذي ينتج عنه غاز الهيدروجين. ^{[ 62 ] [ 63 ]} لم يشر بويل إلى أن الغاز قابل للاشتعال، لكن الهيدروجين لعب دورًا محوريًا في دحض نظرية الفلوجستون للاحتراق. ^{[ 64 ]}

في عام 1766، كان هنري كافنديش أول من اكتشف غاز الهيدروجين كمادة مستقلة، وذلك بتسميته الغاز الناتج عن تفاعل المعدن مع الحمض "الهواء القابل للاشتعال". افترض كافنديش أن "الهواء القابل للاشتعال" هو في الواقع المادة الافتراضية " الفلوجستون " ^{[ 65 ] [ 66 ]} ، واكتشف لاحقًا في  عام 1781 أن الغاز ينتج الماء عند احتراقه. ويُنسب إليه عادةً الفضل في اكتشاف الهيدروجين كعنصر. ^{[ 9 ] [ 8 ]}

في عام ١٧٨٣، اكتشف أنطوان لافوازييه العنصر الذي عُرف فيما بعد باسم الهيدروجين ^{[ ٦٧ ]} عندما أعاد هو ولابلاس تأكيد اكتشاف كافنديش بأن الماء ينتج عند احتراق الهيدروجين. ^{[ ٨ ]} أنتج لافوازييه الهيدروجين لتجاربه على قانون حفظ الكتلة بمعالجة الحديد المعدني بتيار من الماء عبر أنبوب حديدي متوهج مُسخّن في النار. يمكن تمثيل الأكسدة اللاهوائية للحديد بواسطة بروتونات الماء عند درجة حرارة عالية تخطيطيًا بمجموعة التفاعلات التالية:

• Fe + H ₂ O → FeO + H ₂
• 2 Fe + 3 H ₂ O → Fe ₂ O ₃ + 3 H ₂
• 3 Fe + 4 H ₂ O → Fe ₃ O ₄ + 4 H ₂

تتفاعل العديد من المعادن بشكل مماثل مع الماء، مما يؤدي إلى إنتاج الهيدروجين. ^{[ 68 ]} في بعض الحالات، تُعدّ عملية إنتاج _{الهيدروجين} هذه إشكالية، على سبيل المثال في حالة غلاف الزركونيوم على قضبان الوقود النووي . ^{[ 69 ]}

بحلول عام 1806، استُخدم الهيدروجين لملء البالونات . ^{[ 70 ]} بنى فرانسوا إسحاق دي ريفاز أول محرك دي  ريفاز ، وهو محرك احتراق داخلي يعمل بمزيج من الهيدروجين والأكسجين، في  عام 1806. اخترع إدوارد دانيال كلارك أنبوب نفخ غاز الهيدروجين في  عام 1819. اخترع دوبراينر مصباحه وضوء الجير في عام 1823. تم تسييل  الهيدروجين لأول مرة على يد جيمس ديوار في عام 1898 باستخدام التبريد التجديدي واختراعه، وهو الترمس المفرغ . أنتج الهيدروجين الصلب في العام التالي. ^{[ 8 ]} 

كانت إحدى أولى التأثيرات الكمومية التي لُوحظت بوضوح، وإن لم تُفهم في ذلك الوقت، هي ملاحظة جيمس كلارك ماكسويل بأن السعة الحرارية النوعية للهيدروجين ( H₂ ₎ تختلف بشكل غير مفهوم عن تلك الخاصة بالغاز ثنائي الذرة عند درجات حرارة أقل من درجة حرارة الغرفة، وتبدأ في التشابه بشكل متزايد مع تلك الخاصة بالغاز أحادي الذرة عند درجات الحرارة المنخفضة جدًا. ووفقًا لنظرية الكم، ينشأ هذا السلوك من تباعد مستويات الطاقة الدورانية ( المكممة ) ، والتي تكون متباعدة بشكل خاص في الهيدروجين نظرًا لكتلته _{المنخفضة} . وتمنع هذه المستويات المتباعدة توزيع الطاقة الحرارية بالتساوي بين الحركة الدورانية في الهيدروجين عند درجات الحرارة المنخفضة. أما الغازات ثنائية الذرة المكونة من ذرات أثقل، فلا تمتلك مستويات متباعدة بهذا الشكل، ولا تُظهر التأثير نفسه. ^{[ 71 ]}

اقترح جيلبرت ن. لويس وجود أيون الهيدريد في عام 1916 لمركبات شبيهة بالأملاح من المجموعتين الأولى والثانية. وفي عام 1920 ، قام مويرز بتحليل هيدريد الليثيوم المنصهر كهربائياً ، مما أنتج كمية مكافئة من الهيدروجين عند المصعد . ^{[ 72 ]}      

بسبب بنيتها الذرية البسيطة، التي تتكون فقط من بروتون وإلكترون، كانت ذرة الهيدروجين ، إلى جانب طيف الضوء الناتج عنها أو الممتص بواسطتها، محورًا أساسيًا في تطوير نظرية البنية الذرية . ^{[ 73 ]} يمكن حساب مستويات طاقة الهيدروجين بدقة معقولة باستخدام نموذج بور للذرة، حيث يدور الإلكترون حول البروتون، تمامًا كما تدور الأرض حول الشمس. ومع ذلك، فإن الإلكترون والبروتون مرتبطان معًا بفعل التجاذب الكهروستاتيكي ، بينما الكواكب والأجرام السماوية مرتبطة بفعل الجاذبية . ونظرًا لتجزئة الزخم الزاوي التي افترضها بور في ميكانيكا الكم المبكرة ، فإن الإلكترون في نموذج بور لا يمكنه أن يشغل إلا مسافات محددة مسموح بها من البروتون، وبالتالي طاقات محددة مسموح بها فقط. ^{[ 74 ]}

ساهم موقع الهيدروجين الفريد، باعتباره الذرة المتعادلة الوحيدة التي يمكن حل معادلة شرودنغر الخاصة بها مباشرةً، بشكلٍ كبير في فهم ميكانيكا الكم من خلال استكشاف طاقته. ^{[ 75 ]} علاوة على ذلك، أدت دراسة بساطة جزيء الهيدروجين وأيونه الموجب H₂⁺ إلى فهم طبيعة الرابطة الكيميائية ، وذلك بعد فترة وجيزة من تطوير المعالجة الميكانيكية الكمية لذرة الهيدروجين في منتصف عشرينيات القرن العشرين . ^{[ 76 ]}

منطاد يعمل بالهيدروجين

نظرًا لأن كثافة الهيدروجين (H₂ ₎ لا تتجاوز 7% من كثافة الهواء، فقد استُخدم على نطاق واسع كغاز رافع في المناطيد والسفن الهوائية . ^{[ 77 ]} اخترع جاك شارل أول منطاد مملوء بالهيدروجين عام 1783. ووفر الهيدروجين قوة الرفع لأول وسيلة سفر جوي موثوقة بعد اختراع هنري جيفارد أول سفينة هوائية تعمل بالهيدروجين عام 1852. روّج الكونت الألماني فرديناند فون زبلين لفكرة السفن الهوائية الصلبة التي تعمل بالهيدروجين، والتي سُميت لاحقًا باسم "زبلين" ، وقد قامت أول سفينة منها برحلتها الأولى عام 1900. ^{[ 8 ]} بدأت الرحلات المنتظمة عام 1910، وبحلول اندلاع الحرب العالمية الأولى في أغسطس 1914، كانت قد نقلت 35,000 راكب دون وقوع أي حادث خطير. استُخدمت السفن الهوائية التي تعمل بالهيدروجين، والتي كانت تُشبه المناطيد الصغيرة ، كمنصات مراقبة وقاذفات قنابل خلال الحرب العالمية الثانية، وخاصة على الساحل الشرقي للولايات المتحدة . ^{[ 78 ]}         

أُجريت أول رحلة عبر المحيط الأطلسي دون توقف بواسطة المنطاد البريطاني R34 عام 1919، واستؤنفت خدمة نقل الركاب المنتظمة في عشرينيات القرن العشرين. استُخدم الهيدروجين في منطاد هيندنبورغ الذي اشتعلت فيه النيران فوق نيوجيرسي في 6 مايو 1937. ^{[ 8 ]} اشتعل الهيدروجين الذي كان يملأ المنطاد، ربما بفعل الكهرباء الساكنة، وانفجر مشتعلاً. ^{[ 79 ]} في أعقاب هذه الكارثة ، توقف السفر التجاري بالمناطيد الهيدروجينية . لا يزال الهيدروجين يُستخدم، بدلاً من الهيليوم غير القابل للاشتعال ولكنه أغلى ثمناً ، كغاز رافع لبالونات الأرصاد الجوية . ^{[ 80 ]}    

يُعتبر الهيدروجين (H₂ ₎ غير نشط نسبيًا. ويعود الأساس الديناميكي الحراري لهذا النشاط المنخفض إلى قوة الرابطة H–H ، والتي تبلغ طاقة تفككها 10 ...435.7 كيلوجول/مول  . ^{[ 81 ]} يشكل الهيدروجين معقدات تناسقية تُسمى معقدات ثنائي الهيدروجين . تُقدم هذه المركبات معلومات قيّمة حول المراحل الأولى لتفاعلات الهيدروجين مع المحفزات المعدنية. وفقًا لحيود النيوترونات ، يشكل المعدن وذرتي هيدروجين  مثلثًا في هذه المعقدات. تبقى الرابطة HH سليمة ولكنها مُستطيلة. وهي حمضية. ^{[ 82 ]}

على الرغم من غرابة أيون الهيدروجين الثلاثي ( H + 3) على الأرض، إلا أنه شائع في الكون. وهو أيون مثلث الشكل، مثل معقدات ثنائي الهيدروجين المذكورة سابقًا. ويُعرف باسم الهيدروجين الجزيئي المُبرتَن أو كاتيون ثلاثي الهيدروجين. ^{[ 83 ]} 

يتفاعل الهيدروجين مع الكلور لإنتاج حمض الهيدروكلوريك (HCl )، ومع البروم لإنتاج بروميد الهيدروجين (HBr )، عبر تفاعل متسلسل . يتطلب هذا التفاعل بدء التفاعل. على سبيل المثال، في حالة البروم (Br₂ ₎ ، ينقسم جزيء ثنائي البروم: Br₂ ₊ (ضوء فوق بنفسجي) → 2Br• . تستهلك التفاعلات المتسلسلة جزيئات الهيدروجين وتنتج بروميد الهيدروجين، بالإضافة إلى ذرات البروم والهيدروجين .     

وأخيراً، رد الفعل النهائي:

يستهلك الذرات المتبقية. ^{[ 84 ] : 289}

تُسمى إضافة الهيدروجين (H₂ ₎ إلى المركبات العضوية غير المشبعة ، مثل الألكينات والألكاينات ، بالهدرجة . ورغم أن التفاعل مُفضل من الناحية الطاقية ، إلا أنه لا يحدث تلقائيًا حتى في درجات الحرارة المرتفعة. في وجود عامل حفاز مثل البلاتين أو النيكل المُجزأ بدقة ، يحدث التفاعل عند درجة حرارة الغرفة. ^{[ 85 ] : 477}

يوجد الهيدروجين في حالتي أكسدة +1 و-1 ، مكونًا مركبات عبر روابط أيونية وتساهمية . يدخل هذا العنصر في تركيب مجموعة واسعة من المواد، بما في ذلك الماء والهيدروكربونات والعديد من المركبات العضوية الأخرى . ^{[ 86 ]} أيون الهيدروجين (H ⁺ )، الذي يُشار إليه عادةً بالبروتون نظرًا لاحتوائه على بروتون واحد فقط وعدم وجود إلكترونات فيه، يُعدّ عنصرًا أساسيًا في كيمياء الأحماض والقواعد ، على الرغم من أن البروتون لا يتحرك بحرية. في إطار برونستد -لوري ، تُعرَّف الأحماض بقدرتها على منح أيونات الهيدروجين (H ⁺⁾ للقواعد. ^{[ 87 ]}   

يشكل الهيدروجين مجموعة واسعة من المركبات مع الكربون ، والمعروفة باسم الهيدروكربونات، وتنوعًا أكبر مع العناصر الأخرى ( الذرات غير المتجانسة )، مما يؤدي إلى ظهور فئة واسعة من المركبات العضوية التي غالبًا ما ترتبط بالكائنات الحية. ^{[ 86 ]}

 تُعرف مركبات الهيدروجين التي يكون فيها الهيدروجين في حالة الأكسدة -1 باسم الهيدريدات ، والتي تتشكل عادةً بين الهيدروجين والفلزات. يمكن أن تكون الهيدريدات أيونية (ملحية)، أو تساهمية، أو فلزية. عند التسخين، يتفاعل الهيدروجين بكفاءة مع _{الفلزات} القلوية والفلزات القلوية الترابية لإنتاج الهيدريدات الأيونية ذات الصيغتين  MH وMH₂ _على التوالي. تتميز هذه المركبات البلورية الشبيهة بالأملاح بدرجات انصهار عالية، وتتفاعل جميعها مع الماء لتحرير الهيدروجين. تشمل الهيدريدات التساهمية البورانات وهيدريد الألومنيوم البوليمري . تُشكل الفلزات الانتقالية هيدريدات الفلزات من خلال الذوبان المستمر للهيدروجين في الفلز. ^{[ 88 ]} من الهيدريدات المعروفة هيدريد الليثيوم والألومنيوم : يحمل الأنيون [ AlH₄ _] ^⁻ مراكز هيدريدية مرتبطة بقوة بالألومنيوم (III). ^{[ 89 ]} ولعلّ أكثر سلاسل الهيدريدات شمولاً هي البورانات ، وهي مركبات تتكون فقط من البورون والهيدروجين. ^{[ 90 ]} 

يمكن للهيدريدات أن ترتبط بهذه العناصر ^{الموجبة} كهربائياً ليس فقط كرابطة طرفية، _بل أيضاً كروابط جسرية . في ثنائي البوران  ( B₂H₆ )، تكون أربع ذرات هيدروجين طرفية، بينما تربط ذرتان منها بين ذرتي البورون. ^[ ₂₅ ^]

عندما يرتبط الهيدروجين بعنصر ذي كهرسلبية أعلى ، وخاصة الفلور أو الأكسجين أو النيتروجين ، فإنه يُشارك في رابطة غير تساهمية متوسطة القوة مع عنصر آخر ذي كهرسلبية عالية يمتلك زوجًا إلكترونيًا حرًا، مثل الأكسجين أو النيتروجين. تُعرف هذه الظاهرة بالرابطة الهيدروجينية ، وهي بالغة الأهمية لاستقرار العديد من الجزيئات البيولوجية. ^{[ 91 ] : 375 [ 92 ]} تُغير الرابطة الهيدروجينية بنية الجزيئات، ولزوجتها ، وذوبانها ، ونقاط انصهارها وغليانها، وحتى ديناميكيات طي البروتينات . ^{[ 93 ]}

في الماء، تلعب الروابط الهيدروجينية دورًا هامًا في الديناميكا الحرارية للتفاعلات. يمكن أن تتحول الرابطة الهيدروجينية إلى نقل بروتون. وفقًا لنظرية برونستد -لوري للأحماض والقواعد ، تُعد الأحماض مانحة للبروتونات، بينما تُعد القواعد مستقبلة لها. ^{[ 94 ] : 28} لا يمكن للبروتون الحر  ( H ⁺ ) أن يوجد إلا في الفراغ. وإلا فإنه يرتبط بذرات أو أيونات أو جزيئات أخرى. حتى الأنواع الكيميائية الخاملة مثل الميثان يمكن أن تُبرتَن. يُستخدم مصطلح "البروتون" بشكل فضفاض ومجازي للإشارة إلى كاتيونات الهيدروجين المذابة المرتبطة بأنواع كيميائية أخرى؛ ويُرمز له بـ " H ⁺ " دون أي دلالة على وجود أي بروتونات منفردة حرة في المحلول كنوع كيميائي. لتجنب دلالة وجود البروتون الحر في المحلول، تُعتبر المحاليل المائية الحمضية أحيانًا تحتوي على " ^أيون _{الهيدرونيوم} " ( [ H3O ] + ) ^، أو بدقة أكبر ، [ H9O4 _] + _. ^{[ 95 ]} توجد أيونات الأوكسونيوم الأخرى عندما يكون الماء في محلول حمضي مع مذيبات أخرى. ^{[ 96 ]}  

يُحدد تركيز هذه البروتونات المذابة درجة حموضة المحلول، وهي مقياس لوغاريتمي يعكس حموضته أو قاعديته.  تشير قيم الأس الهيدروجيني المنخفضة إلى تركيزات أعلى من أيونات الهيدرونيوم، مما يتوافق مع ظروف أكثر حمضية. ^{[ 97 ]}

يُعدّ الهيدروجين، بصيغته الذرية H، أكثر العناصر الكيميائية وفرةً في الكون، إذ يُشكّل 75% من المادة العادية من حيث الكتلة ^{[ 98 ]} وأكثر من 90% من حيث عدد الذرات ^{[ 99 ]} . في بدايات الكون ، تشكّلت البروتونات في الثانية الأولى بعد الانفجار العظيم ؛ وتشكّلت ذرات الهيدروجين المتعادلة بعد حوالي 370,000 سنة خلال حقبة إعادة التركيب ، مع توسّع الكون وبرودة البلازما بدرجة كافية لبقاء الإلكترونات مرتبطة بالبروتونات ^{[ 100 ] .} 

في الفيزياء الفلكية، يُطلق على الهيدروجين المتعادل في الوسط بين النجوم اسم H  I، بينما يُطلق على الهيدروجين المتأين اسم H  II . ^{[ 101 ]} يُؤيّن الإشعاع المنبعث من النجوم H  I إلى H  II، مُكوّنًا أغلفة من H II المتأين  حول النجوم. في التسلسل الزمني للكون، ساد الهيدروجين المتعادل حتى ولادة النجوم خلال عصر إعادة التأين ، والتي أنتجت بدورها فقاعات من الهيدروجين المتأين نمت واندمجت على مدى مئات الملايين من السنين. ^{[ 102 ]} هذه الفقاعات هي مصدر خط الهيدروجين عند 21 سنتيمترًا.تم رصد تردد 1420 ميجاهرتز  بهدف استكشاف الهيدروجين البدائي. ويُعتقد أن الكمية الكبيرة من الهيدروجين المتعادل الموجودة في أنظمة لايمان-ألفا المخمدة تُهيمن على الكثافة الباريونية الكونية للكون حتى انزياح أحمر مقداره z = 4. ^{[ 103 ]}

يوجد الهيدروجين بوفرة كبيرة في النجوم والكواكب الغازية العملاقة . وترتبط السحب الجزيئية للهيدروجين (H₂ ₎ بتكوين النجوم . ويلعب الهيدروجين دورًا حيويًا في تزويد النجوم بالطاقة من خلال تفاعل البروتون-بروتون في النجوم ذات الكتلة المنخفضة، ومن خلال دورة CNO للاندماج النووي في النجوم ذات الكتلة الأكبر من الشمس . ^{[ 104 ]} 

يوجد الهيدروجين الجزيئي البروتوني (  H₃⁺ ) في الوسط بين النجوم ، حيث يتولد نتيجة تأين الهيدروجين الجزيئي بواسطة الأشعة الكونية . وقد رُصد هذا الأيون أيضًا في الغلاف الجوي العلوي لكوكب المشتري . يتميز هذا الأيون بعمره الطويل في الفضاء الخارجي نظرًا لانخفاض درجة حرارته وكثافته. يُعدّ H₃⁺ أحد أكثر الأيونات وفرةً في الكون، ويلعب دورًا بارزًا في كيمياء الوسط بين النجوم. ^{[ 105 ]} أما الهيدروجين ثلاثي الذرات المتعادل (H₃ _{) فلا يوجد إلا في حالة مثارة} ، وهو غير مستقر. ^{[ 106 ]}

يُعدّ الهيدروجين ثالث أكثر العناصر وفرةً على سطح الأرض، ^{[ 107 ]} ويتواجد في الغالب ضمن مركبات كيميائية مثل الهيدروكربونات والماء. ^{[ 25 ]} يوجد الهيدروجين العنصري عادةً في صورة غاز، H2 _، في الظروف القياسية . وهو موجود بتركيز منخفض جدًا في الغلاف الجوي للأرض (حوالييبلغ تركيز الهيدروجين الأرضي 0.53 جزءًا في المليون  على أساس مولاري ^{[ 108 ]} ، وذلك لخفة وزنه التي تمكنه من التسرب من الغلاف الجوي بسرعة أكبر من الغازات الأثقل. وعلى الرغم من انخفاض تركيزه في الغلاف الجوي، إلا أن الهيدروجين الأرضي متوفر بوفرة كافية لدعم عمليات الأيض لدى أنواع عديدة من البكتيريا. ^{[ 109 ]}

تم اكتشاف رواسب كبيرة من غاز الهيدروجين تحت الأرض في عدة دول، منها مالي وفرنسا وأستراليا . [ 110 ^{] وحتى عام} 2024، لم يكن من المؤكد كمية الهيدروجين التي يمكن استخراجها اقتصادياً من باطن الأرض . ^{[ 110 ]}

يُنتج معظم إمدادات غاز الهيدروجين  ( H2 ₎ الحالية في العالم من الوقود الأحفوري، ^{[ 111 ] [ 112 ] : 1} حيث سيتم إنتاج أقل من 1% من الهيدروجين بتقنيات منخفضة الانبعاثات في عام 2025. ^{[ 113 ]} توجد طرق عديدة لإنتاج الهيدروجين _، لكن ثلاث طرق هي السائدة تجاريًا: إعادة تشكيل البخار المقترن غالبًا بتحويل غاز الماء، والأكسدة الجزئية للهيدروكربونات، والتحليل الكهربائي للماء. ^{[ 114 ]}

إعادة تشكيل البخار

يُنتج الهيدروجين بشكل رئيسي عن طريق إعادة تشكيل الميثان بالبخار  (SMR)، وهو تفاعل الماء والميثان. ^{[ 115 ] [ 116 ]} وبالتالي، عند درجة حرارة عالية ( 1000-1400 كلفن [730-1130 درجة مئوية؛ 1340-2060 درجة فهرنهايت] )، يتفاعل البخار ( _بخار الماء) مع الميثان لإنتاج أول أكسيد الكربون والهيدروجين .     

CH ₄ + H ₂ O → CO + 3 H ₂

ينتج عن إنتاج طن واحد من الهيدروجين من خلال هذه العملية انبعاثات6.6-9.3  طن من ثاني أكسيد الكربون. ^{[ 117 ]} كما ينتج عن إنتاج الغاز الطبيعي مواد خام، مثل غاز الميثان المتسرب والمتسرب ، مما يساهم بشكل أكبر في البصمة الكربونية الإجمالية للهيدروجين. ^{[ 118 ]}

يُفضّل هذا التفاعل عند الضغوط المنخفضة، ولكنه يُجرى مع ذلك عند ضغوط عالية ₍  2.0 ميجا باسكال [20 ضغط جوي ؛ 590 بوصة زئبقية ] ) لأن الهيدروجين عالي الضغط هو المنتج الأكثر رواجًا، ولأن أنظمة تنقية امتزاز تأرجح الضغط (PSA) تعمل بكفاءة أكبر عند الضغوط العالية. يُعرف مزيج المنتج باسم " غاز التخليق " لأنه يُستخدم غالبًا مباشرةً لإنتاج الميثانول والعديد من المركبات الأخرى. يمكن استخدام هيدروكربونات أخرى غير الميثان لإنتاج غاز التخليق بنسب منتجات متفاوتة. من بين التعقيدات العديدة لهذه التقنية المُحسّنة للغاية، تكوّن الفحم أو الكربون.      

CH ₄ → C + 2 H ₂

لذلك، تستخدم عملية إعادة تشكيل البخار عادةً كمية زائدة من _الماء ( H₂O ) . ويمكن استخلاص المزيد من الهيدروجين من البخار باستخدام أول أكسيد الكربون من خلال تفاعل تحويل غاز الماء (WGS). تتطلب هذه العملية عاملًا حفازًا من أكسيد الحديد : ^{[ 116 ]}  

CO + _H₂O → _CO₂ + _H₂

يُنتج الهيدروجين ويُستهلك أحيانًا في نفس العملية الصناعية دون فصلهما. ففي عملية هابر لإنتاج الأمونيا ، يُستخلص الهيدروجين من الغاز الطبيعي. ^{[ 119 ]}

التحليل الكهربائي للماء

يُعد التحليل الكهربائي للماء طريقة بسيطة من حيث المفهوم لإنتاج الهيدروجين.

2 H ₂ O(l) → 2 H ₂ (g) + O ₂ (g)

تستخدم المحللات الكهربائية التجارية محفزات أساسها النيكل في محلول قلوي قوي. يُعد البلاتين محفزًا أفضل، ولكنه باهظ الثمن. ^{[ 121 ]} يُشار إلى الهيدروجين الناتج عن التحليل الكهربائي باستخدام الطاقة المتجددة باسم " الهيدروجين الأخضر ". ^{[ 122 ]}

ينتج عن التحليل الكهربائي للمحلول الملحي لإنتاج الكلور ^{[ 123 ]} أيضًا الهيدروجين عالي النقاء كمنتج ثانوي، والذي يستخدم في مجموعة متنوعة من التحولات مثل الهدرجة . ^{[ 124 ]}

تُعد عملية التحليل الكهربائي أكثر تكلفة من إنتاج الهيدروجين من الميثان بدون احتجاز الكربون وتخزينه . ^{[ 125 ]}

قد يؤدي الابتكار في مجال أجهزة التحليل الكهربائي للهيدروجين إلى جعل إنتاج الهيدروجين على نطاق واسع من الكهرباء أكثر تنافسية من حيث التكلفة. ^{[ 126 ]}

يتم إنتاج H2 في بيئات المختبر _، كما هو الحال في التحليل الكهربائي على نطاق صغير للماء باستخدام أقطاب معدنية وماء يحتوي على إلكتروليت ، مما يؤدي إلى تحرير غاز الهيدروجين عند الكاثود : ^{[ 97 ]}

يُعدّ الهيدروجين أيضًا ناتجًا ثانويًا شائعًا لتفاعلات أخرى. تتفاعل العديد من المعادن مع الماء لإنتاج الهيدروجين (H₂ ₎ ، لكن معدل انطلاق الهيدروجين يعتمد على نوع المعدن، ودرجة الحموضة، ووجود عوامل مُضافة. في أغلب الأحيان، يُحفّز انطلاق الهيدروجين بواسطة الأحماض. تتفاعل المعادن القلوية والقلوية الترابية ، بالإضافة إلى الألومنيوم والزنك والمنغنيز والحديد ، بسهولة مع الأحماض المائية. ^{[ 97 ]} 

تتفاعل العديد من المعادن، كالألومنيوم، ببطء مع الماء لأنها تُكوّن طبقات أكسيد مُخَمِّلة . مع ذلك، يتفاعل سبيكة الألومنيوم والغاليوم مع الماء. في المحاليل ذات الرقم الهيدروجيني العالي، يمكن للألومنيوم أن يتفاعل مع الهيدروجين (H₂ ₎ : ^{[ 97 ]} 

إذا كان سيتم استخدام الهيدروجين _كمصدر للطاقة، فإن تخزينه أمر بالغ الأهمية. فهو يذوب بشكل ضعيف في المذيبات. على سبيل المثال، عند ^درجة حرارة الغرفة وضغط 0.1 ملي باسكال (9.9 × 10⁻¹⁰ ضغط جوي ) ، يكون حجمه تقريبًا...  يذوب 0.05 مول  من الهيدروجين في كيلوغرام واحد (2.2 رطل) _{من ثنائي إيثيل الإيثر. [88] يمكن تخزين الهيدروجين} مضغوطًا ، مع ^{أن عملية الضغط} تتطلب طاقة. يُعدّ التسييل غير عملي نظرًا لانخفاض درجة الحرارة الحرجة للهيدروجين . في المقابل، يمكن تسييل الأمونيا والعديد من الهيدروكربونات عند درجة حرارة الغرفة تحت الضغط. لهذه الأسباب، حظيت حوامل الهيدروجين - وهي مواد ترتبط بالهيدروجين بشكل عكسي - باهتمام كبير. السؤال الأساسي إذًا هو النسبة المئوية الوزنية لمكافئات الهيدروجين _{داخل مادة} الحامل. على سبيل المثال، يمكن امتصاص الهيدروجين بشكل عكسي في العديد من العناصر الأرضية النادرة والمعادن الانتقالية ^{[ 144 ]} وهو قابل للذوبان في كل من المعادن النانوية البلورية وغير المتبلورة . ^{[ 145 ]} تتأثر قابلية ذوبان الهيدروجين في المعادن بالتشوهات الموضعية أو الشوائب في الشبكة البلورية . ^{[ 146 ]} قد تكون هذه الخصائص مفيدة عند تنقية الهيدروجين بتمريره عبر أقراص البلاديوم الساخنة ، ولكن ذوبانية الغاز العالية تُشكل أيضًا مشكلة في علم المعادن، مما يُساهم في هشاشة العديد من المعادن، ^{[ 147 ]} مما يُعقد تصميم خطوط الأنابيب وخزانات التخزين. ^{[ 148 ]}  

إنّ أكثر ما يُثير القلق بشأن استخدام هيدريدات المعادن في تخزين الهيدروجين هو محتواها المتواضع من الهيدروجين _،  والذي غالبًا ما يكون في حدود  1%. ولذلك، ثمة اهتمام بتخزين الهيدروجين _في مركبات ذات وزن جزيئي منخفض . فعلى سبيل المثال، يحتوي بوران الأمونيا ( H₃N -BH₃ ₎ على 19.8 _% وزنيًا من الهيدروجين . تكمن مشكلة هذه المادة في أن نتريد البورون الناتج، بعد إطلاق الهيدروجين _، لا يُعيد إضافة الهيدروجين _، أي أن بوران الأمونيا ناقل هيدروجين غير قابل للانعكاس. ^{[ 149 ]} أما الهيدروكربونات، _مثل رباعي هيدروكينولين ، فهي أكثر جاذبية _، إذ تُطلق بعض الهيدروجين بشكل عكسي عند تسخينها بوجود عامل حفاز. ^{[ 150 ]}   

تُستخدم كميات كبيرة من الهيدروجين (H₂ ₎ في "تحسين" الوقود الأحفوري . ومن أهم مستهلكي الهيدروجين _عمليات إزالة الكبريت بالهيدروجين والتكسير الهيدروجيني . ويمكن تصنيف العديد من هذه التفاعلات ضمن تفاعلات التحلل الهيدروجيني ، أي كسر الروابط بواسطة الهيدروجين. ومن الأمثلة على ذلك فصل الكبريت عن الوقود الأحفوري السائل : ^{[ 114 ] [ 152 ]}

تُجرى عملية الهدرجة ، وهي إضافة الهيدروجين (H2 ₎ إلى مواد مختلفة، على نطاق واسع. وتنتج هدرجة النيتروجين ( N2 ₎ الأمونيا من خلال عملية هابر : ^{[ 152 ]}

تستهلك هذه العملية نسبة ضئيلة من إجمالي الطاقة في الصناعة، وهي أكبر مستهلك للهيدروجين. يُستخدم الأمونيا الناتج على نطاق واسع في إنتاج الأسمدة ، التي أصبحت بدورها مواد خام أساسية في الزراعة الحديثة. [153] كما تُستخدم الهدرجة لتحويل الدهون والزيوت ^{غير المشبعة إلى} دهون وزيوت مشبعة ، ويُعدّ إنتاج السمن النباتي التطبيق الرئيسي لها . يُنتج الميثانول من هدرجة ثاني أكسيد الكربون، ويُعرف خليط الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون المستخدم في هذه العملية باسم _الغاز التخليقي . وهو أيضاً مصدر الهيدروجين في صناعة حمض الهيدروكلوريك . يُستخدم الهيدروجين أيضاً كعامل مُختزل لتحويل بعض الخامات إلى معادن. ^{[ 154 ] [ 97 ]}

لقد نوقشت إمكانية استخدام الهيدروجين  (H₂ ₎ كوقود على نطاق واسع. يمكن استخدام الهيدروجين في خلايا الوقود لإنتاج الكهرباء، ^{[ 155 ]} أو حرقه لتوليد الحرارة. ^{[ 156 ]} عند استهلاك الهيدروجين في خلايا الوقود، يكون بخار الماء هو الانبعاثات الوحيدة عند نقطة الاستخدام. ^{[ 156 ]} عند حرقه، ينتج الهيدروجين تلوثًا ضئيلاً نسبيًا عند نقطة الاحتراق، ولكنه قد يؤدي إلى تكوين حراري لأكاسيد النيتروجين الضارة . ^{[ 156 ]}

إذا تم إنتاج الهيدروجين بانبعاثات غازات دفيئة منخفضة أو معدومة ( الهيدروجين الأخضر )، فإنه يمكن أن يلعب دورًا هامًا في إزالة الكربون من أنظمة الطاقة حيث توجد تحديات وقيود على استبدال الوقود الأحفوري بالاستخدام المباشر للكهرباء. ^{[ 157 ] [ 125 ]}

يُمكن لوقود الهيدروجين إنتاج الحرارة الشديدة اللازمة للإنتاج الصناعي للصلب والأسمنت والزجاج والمواد الكيميائية، مما يُساهم في خفض انبعاثات الكربون في الصناعة إلى جانب تقنيات أخرى، مثل أفران القوس الكهربائي لصناعة الصلب. ^{[ 158 ]} ومع ذلك، من المرجح أن يلعب دورًا أكبر في توفير المواد الخام الصناعية لإنتاج الأمونيا والمواد الكيميائية العضوية بشكل أنظف. ^{[ 157 ]} على سبيل المثال، في صناعة الصلب ، يُمكن أن يعمل الهيدروجين كوقود نظيف وكعامل حفاز منخفض الكربون، ليحل محل فحم الكوك المُستخرج من الفحم . ^{[ 159 ]}

من المرجح أن يجد الهيدروجين، المستخدم لإزالة الكربون من قطاع النقل، تطبيقاته الأوسع في الشحن والطيران، وبدرجة أقل في مركبات نقل البضائع الثقيلة، وذلك من خلال استخدام أنواع الوقود الاصطناعي المشتقة من الهيدروجين، مثل الأمونيا والميثانول ، وتقنية خلايا الوقود. ^{[ 157 ]} أما بالنسبة للمركبات الخفيفة، بما فيها السيارات، فإن الهيدروجين لا يزال متأخراً كثيراً عن أنواع الوقود البديلة الأخرى ، خاصةً بالمقارنة مع معدل انتشار المركبات الكهربائية التي تعمل بالبطاريات ، وقد لا يلعب دوراً مهماً في المستقبل. ^{[ 160 ]}

يُستخدم الهيدروجين السائل والأكسجين السائل معًا كوقود دافع مبرد في الصواريخ التي تعمل بالوقود السائل ، كما هو الحال في المحركات الرئيسية لمكوك الفضاء . وقد بحثت وكالة ناسا استخدام وقود دافع للصواريخ مصنوع من الهيدروجين الذري أو البورون أو الكربون، والذي يتم تجميده إلى جزيئات هيدروجين جزيئية صلبة معلقة في الهيليوم السائل. عند التسخين، يتبخر الخليط ليسمح للذرات بإعادة الاتحاد، مما يؤدي إلى تسخين الخليط إلى درجة حرارة عالية. ^{[ 161 ]}

يمكن من حيث المبدأ تخزين الهيدروجين الناتج عن فائض الكهرباء المتجددة المتغيرة ، واستخدامه لاحقًا لتوليد الحرارة أو إعادة توليد الكهرباء. ^{[ 162 ]} كما يمكن تحويله إلى وقود اصطناعي مثل الأمونيا والميثانول . ^{[ 163 ]} تشمل عيوب وقود الهيدروجين ارتفاع تكاليف التخزين والتوزيع نظرًا لقابليته للاشتعال، وحجمه الكبير مقارنةً بأنواع الوقود الأخرى، وميله إلى جعل المواد هشة . ^{[ 118 ]} ويمكن التخفيف من العائق الاقتصادي للتوزيع من خلال إنشاء مرافق تستخدم الهيدروجين في مراكز صناعة التعدين. ^{[ 164 ]}

تستخدم بطارية النيكل-هيدروجين القابلة لإعادة الشحن، والتي تتميز بعمرها الطويل جدًا، والمُصممة لأنظمة الطاقة في الأقمار الصناعية، غاز الهيدروجين المضغوط _.  [ 165 ^{] محطة الفضاء} الدولية ، [ ^{166 ] ومركبة} مارس أوديسي، ^{[ 167 ]} ومركبة مارس غلوبال سيرفيور، ^{[ 168 ]} مُجهزة ببطاريات النيكل-هيدروجين. وفي الجزء المظلم من مداره، يُغذى تلسكوب هابل الفضائي أيضًا ببطاريات النيكل-هيدروجين، والتي تم استبدالها نهائيًا في مايو 2009، ^{[ 169 ]} أي بعد أكثر من 19 عامًا من إطلاقه و13 عامًا من انتهاء عمره الافتراضي. ^{[ 170 ]}   

يُستخدم الهيدروجين في صناعة أشباه الموصلات لتشبيع الروابط المكسورة ("غير المشبعة") في السيليكون والكربون غير المتبلورين ، مما يُسهم في استقرار خصائص المواد. ^{[ 171 ]} يعمل الهيدروجين، الذي يُضاف كأثر جانبي غير مقصود أثناء الإنتاج، كمانح إلكترونات سطحي، مما يؤدي إلى موصلية من النوع السالب (n) في أكسيد الزنك (ZnO) ، وله استخدامات مهمة في المحولات والمواد الفسفورية . ^{[ 172 ] [ 173 ]} يُظهر التحليل المُفصّل لأكسيد الزنك وأكسيد المغنيسيوم وجود روابط هيدروجينية متعددة المراكز رباعية وسداسية. ^{[ 174 ]} يختلف سلوك التطعيم بالهيدروجين باختلاف المادة. ^{[ 175 ] [ 176 ]}

بالإضافة إلى الاستخدامات المذكورة أعلاه، يُستخدم الهيدروجين على نطاق أصغر في التطبيقات التالية:

• الغاز الواقي: يُستخدم الهيدروجين كغاز واقٍ في طرق اللحام مثل لحام الهيدروجين الذري . ^{[ 177 ] [ 178 ]}

• سائل التبريد: يُستخدم الهيدروجين كسائل تبريد في المولدات الكهربائية الكبيرة نظرًا لموصليته الحرارية العالية وكثافته المنخفضة. ^{[ 179 ]} دخل أول مولد توربيني مُبرد بالهيدروجين الخدمة باستخدام الهيدروجين الغازي كسائل تبريد في الدوار والجزء الثابت عام  1937 في دايتون، أوهايو . ^{[ 180 ]}
• أبحاث التبريد: يُستخدم الهيدروجين السائل (H2 ₎ في أبحاث التبريد ، بما في ذلك دراسات الموصلية الفائقة . ^{[ 181 ]}
• صناعة الأغذية: يُعد الهيدروجين مادة مضافة غذائية معتمدة ( E949 ) ^{[ 182 ]} ، ويُستخدم كغاز للتعبئة والتغليف، ^{[ 183 ]} ​​كما أنه يتمتع بخصائص مضادة للأكسدة . ^{[ 184 ]}
• الكشف عن التسرب: يُستخدم الهيدروجين، سواءً كان نقيًا أو مخلوطًا بالنيتروجين (ويُسمى أحيانًا غاز التشكيل )، كغاز مُتتبِّع للكشف عن التسربات الدقيقة. وتُستخدم تطبيقاته في صناعات السيارات، والكيماويات، وتوليد الطاقة، والفضاء، والاتصالات؛ ^{[ 185 ]} كما يُتيح اختبار التسرب في تغليف المواد الغذائية.

• تهدئة النيوترونات: يستخدم الديوتيريوم (الهيدروجين-2) في تطبيقات الانشطار النووي كمهدئ لإبطاء النيوترونات .
• وقود الاندماج النووي: يُستخدم الديوتيريوم في تفاعلات الاندماج النووي . ^{[ 8 ]}
• الوسم النظائري: لمركبات الديوتيريوم تطبيقات في الكيمياء والبيولوجيا في دراسات تأثيرات النظائر على معدلات التفاعل. ^{[ 186 ]}

• استخدامات التريتيوم: يُستخدم التريتيوم (الهيدروجين-3)، الذي يُنتج في المفاعلات النووية ، في إنتاج القنابل الهيدروجينية ، ^{[ 187 ]} وكعلامة نظيرية في علوم الحياة، ^{[ 31 ]} وكمصدر لإشعاع بيتا في الطلاء المشع المستخدم في عدادات الأجهزة ولوحات الطوارئ. ^{[ 26 ]}