Hidrogen

Bir Şeydən Hər Şey: Hidrogen

“Hidrogen”, eyni Ərəb dilindəki qarşılığı olan “muvellidul-ma” (su meydana gətirən) kimi Yunan dilində də “su əmələ gətirən” mənasını verir (“su” mənasına gələn “hydro”, “əmələ gətirən” mənasında “genes”). İlk dəfə 1776-cı ildə Henri Kavendiş tərəfindən izolyasiya edilən, 1784-cü ildə su buxarını qızdırılmış metal üzərindən keçirərək hidrogen və oksigenə ayıran Anton Laurent de Lavoiser tərəfindən adlandırılan hidrogen; Kainatda ən çox və ən yayğın olan elementdir. Digər bütün elementlər başlanğıcdakı hidrogenin üzərinə bina edilən digər elementlərdən yaradılmışdır. Bu günkü məlumatımıza görə hidrogen kainatdakı bütün atomların %90-dən çoxunu və ümumi kütlənin dörddə üçünü təşkil edir. Ulduzları əmələ gətirən əsas elementdir. Günəşdəki bitişmə prosesi ilə birləşərək helium atomlarının nüvələrini əmələ gətirən hidrogen atomları çox miqdarda enerji meydana gətirir.

Ancaq hidrogen kainatda məlum olan ən yüngül qaz olduğuna görə cazibə qüvvəsindən az təsirlənir və dünya atmosferində çox az sadəcə 1ppm-dən (milyonda bir) daha az miqdarda sərbəst element kimi tapılır. O qədər yüngüldür ki, digər qazlarla toqquşanda böyük sürət qazanır və sürətlə atmosferdən kənara çıxır.

Havanın ən zahiri təbəqəsini təşkil edən və santimetrlik küpdə sadəcə bir neçə yüz atom ehtiva edəcək qədər seyrək bir xüsusiyyəti olan eksosferin eyni şəkildə incə olan Günəşin ən zahiri atmosferinin içinə qarışıb itdiyi və hidrogen atomu azlığının Günəşdən hidrogen axını ilə tarazlandığı hesab edilir. Başqa bir sözlə, Günəşin ətrafında fırlandığı üçün Yer kürəsinin yalnız boş fəzada deyil, Günəşdəki nüvə proseslərindən irəli gələn başlıca hidrogen və heliumdan ibarət olan incə bir Günəş atmosferi içində də hərəkət etməkdədir (Lavlok, 1987).

Hidrogen, Yupiterin və digər nəhəng qaz planetlərinin əsas ünsürüdür. Yupiterin dərinliklərində təzyiq o qədər yuxarıdır ki, qatı molekulyar hidrogenin qatı metallik hidrogenə çevrildiyi hesab edilir. 1973-cü ildə bir qrup Rus alimləri 2.8 Mbar təzyiq altında metallik hidrogen əldə etmişdilər. Metallik hidrogenin otaq istiliyində super ötürücü xüsusiyyəti göstərə biləcəyi təxmin edilmişdi. Maye hidrogen də ərimə dərəcəsi mütləq sıfırdan yalnız 20 dərəcə yuxarı (-253 ^OC) olduğu üçün çox aşağı istilik materiallarında və ötürücü araşdırmalarında əhəmiyyətlidir.

Hidrogen bizə həm çox yaxın, həm də çox uzaqdır. Yaxındır: çünki vücudumuzda müxtəlif birləşmələrin içində mövcuddur; hər gün içdiyimiz suyun, qəbul etdiyimiz qidaların, canlı bitkilərin, artıq həyatımızın vacib ünsürü sayılan neft, kömür və təbii qaz kimi yanacaqların quruluşunda vardır. Uzaqdır: çünki yer üzündə sərbəst halda tapılmır (yerin dərinliyində təzyiq altında olur). Buna görə onu izolyasiya etmək üçün müxtəlif ayırma əməliyyatları tətbiq edilir; dərhal əldə etmək asan deyil.

Hidrogenin izotopları

Hidrogenin mümkün izotopu (H) Prosium kimi tanınır. Digər ikisi Doterium (bir proton və bir neytron) və Trisiumdur (bir proton və iki neytron). İzotopları fərqli adlandırılan yeganə element Hidrogendir. Doterium və Trisiumun ikisi də nüvə bitişmə reaktorlarında yanacaq kimi istifadə edilir. Təbiətdə təxminən 6.000 mümkün hidrogen atomuna qarşı bir Doterium atomu vardır. Doterium reaktorlarda neytronları yavaşlaşdıran bir moderator kimi də istifadə edilməkdədir. Trisium atomları isə daha da kiçik nisbətlərdə mövcuddur. Trisium nüvə reaktorlarda asanca alınır və hidrogen bombasının hazırlanmasında istifadə olunur. İşıq saçan boyalarda radioaktiv bir element və bundan başqa su tədqiqatlarında müşahidəçi kimi istifadə edilir.

Hidrogenin istehsalı

Hidrogenin istehsalı üçün bir neçə üsul var. İndi istifadə olunan iki proses su-qaz dəyişikliyi reaksiyasında koks kömürünü və ya metan kimi hidrokarbonları buxarla isitmə formasındadır. Ancaq bu üsullarda planetin isinməsinə yol verən istilik qazı vəziyyətində olan karbon-dioksid (CO²) də üzə çıxdığına görə təmiz bir proses deyil və yalnız laboratoriya şəraitində tətbiq edilir.

Ticarətdə hidrogen, elektrikdən istifadə edilərək su molekulunun tərkibindəki hidrogeni oksigendən ayırmaq üçün elektroliz üsulu ilə sudan istehsal edilə bilər. Burada istifadə olunan elektrik enerjisinin də təmiz enerji ehtiyatlarından istehsal edilməsi mühümdür. Külək və günəş də daxil olmaqla geotermal və hidrolik kimi təmiz enerji ehtiyatları bu mövzuda əsas variantlardır (beləliklə, bu ehtiyatlardan istehsal olunan elektrik enerjisinin saxlanılma problemi həll olunur. İstehsal edilən hidrogen anbara yığılır, istənilən yerə konteynerlərə və ya boru xəttləri ilə çatdırılır və istənilən vaxt istifadə olunur.).

Elektrolizdən başqa iki nəzəriyyə tədqiq edilmişdir. Birincisi, təbii qazdan hidrogen istehsalına kömək edəcək nüvə istiliyini istifadə etməkdir. Təbii qazın buxar təşkil etməsi enerji-ağır prosesdir və 900^OC istilik lazımdır. Bu prosesin məhsulu artıq CO₂-dir. Alternativ kimi bir çox birbaşa termokimya prosesi sudan hidrogen istehsal etmək üçün təkmilləşdirilir. Qənaətcil istehsalda (kiçik təsis, kiçik sərmayə), sürətli əməliyyatlar və yüksək çevrilmə səmərəsi əldə etmək baxımından yüksək dərəcə istilik lazımdır. Gələcəkdə yüksək istilik reaktorlarında nüvə enerjisi elektrolit üsulla hidrogen istehsalında istilik ehtiyatı kimi istifadə edilə biləcək.

Hidrogen istehsalı iqtisadiyyatı istifadə olunan üsulun məhsuldarlığına bağlıdır və H₂-dəki enerji sərfinin qazanılmasına nisbəti kimi ifadə edilə bilər. Elektroliz yolu ilə hidrogen istehsalı yalnız elektrik enerjisi düşünüləndə %80 səmərə alınır. Ancaq bu elektrik enerjisi istehsalının istilik məhsuldarlığı yüngül su reaktorlarında təxminən 34%-dən təkmilləşdirilmiş sistemlərdə 50%-ə qədər dəyişir. Elektrolitik hüceyrələrin önəmli bir sərmayəyə ehtiyacı var. Bunun yan istehsalı olan oksigen də istifadə edilir. Hem H2, həm də elektrik istehsal edən kombinasiya çevrilmə təsisləri %60 məhsuldarlığa çata bilər (UİC, 2002).

Hidrogenin istifadəsi

Bəzi amonyak proseslərində havadan azot tutmaq üçün azot gübrələrinin istehsalında, qatı və maye yağların hidrogenləşdirilməsində, metanol istehsalında, hidrodealkilasiyada, xam neftdən yanacaq istehsalında, neftdəki digər ayırma proseslərində, aşağı dərəcəli xam petrolun maşın yanacağına çevrilməsində, hidrosulfurizasiyada, qaynaqçılıqda, hidroxlorid turşu istehsalında, metal gövhərlərin ixtisar olunmasında (metal rafinə), raket yancağında, tullantıları metan və etilenə çevirməkdə və ən əhəmiyyətlisi yanacaq kimi hidrogendən istifadə edilməkdədir. İndi illik dünya istehlakı təxminən 50 milyon ton olan hidrogen təzyiqli tanklarda kommersiyalaşdırılmışdır. Bundan başqa havadan yüngül balonlarda daşıma məqsədilə istifadə edilə bilər (1 feet kub hidrogen qazının qaldırma gücü 0^OC-də və 760 mm-də təxminən 32 qramdır.).

Hidrogenin yanacaq kimi istifadəsi

Hidrogenin yandırılması yalnız su buxarı çıxardır; karbon dioksid və karbon monoksid meydana gəlmir. Dünyada ən təmiz və ən məhsuldar yanma enerjisinə malik yeganə yanacaq olan hidrogen, normal daxildən yanmalı motorda yanacaq kimi hal hazırda istifadə olunur və səmərəsi müəyyən qədər artır. Təyyarələrdə də bu sınaqdan keçirilmişdir. Fəqət əsas istifadəsi, hidrogenin oksidləşdirilməsini nisbətən aşağı istilikdə birbaşa elektrik enerjisinə kataliz edən və kimyəvi enerjini kinetik enerjiyə çevirməkdə iki qat təsirli olan yanacaq hüceyrələrində olur. “Hidrogen yanacaq hüceyrəsi”, hidrogen qazı istifadə edilərək çox miqdarda elektrik enerjisi alınmasına imkan verən texnologiyadır.

Hidrogen çox aşağı istilikdə, yüksək təzyiqdə və ya kimyəvilər kimi (hidridlərdə) yığıla bilər. Son variant daha çox potansiala sahib olduğu görünür. Çünki həm istiliyi -253^OC-yə endirmək, həm də yüksək təzyiq təşkil etmək çox maliyyətli işdir. Gələcək vəd edən bir hidrid anbar sistemində, yüksək enerji ağırlığına malik bir enerji daşıyıcısı olan sodium borohidrid (NaBH₄) istifadə ediləcəkdir. Bu maddə hidrogenini verəcək formada kataliz edilir və bu zaman yenidən prosesdən keçəcək borat buraxır (NaBO₂).

Hidrogen gələcəyin yeganə təmiz, güvənilir, praktik və yayğın yanacağıdır. Bu gün əlaqədar ölkələrdə günəş və nüvə enerjisindən istifadə edilərək hidrogenə arxalanan bir iqtisadiyyata əhəmiyyət verilməkdədir. İctimaiyyətin bu mövzuda tam məlumatlandırılmaması yüksək sərmayə qoyuluşu və mövcud yanacaqlara nisbətlə maliyyəti belə bir iqtisadiyyatın qarşılaşdığı problemlərdəndir.

Hidrogenin iqtisadiyyatı

Təxminən otuz ildir ki, hidrogen istehsalının inkişafı ilə bütün dünyada kimya və neft sənayesinə bağlı olan və gedərək böyüyən bir hidrogen iqtisadiyyatı böyük bir mövzudur artıq. Hidrogen; neft, kömür və təbii qazın gələcəkdə yayıla biləcək tək alternatividir.

Hidrogenlə işləyən ilk elektrikli avtomobillərin artıq bazara çıxması, 2010-cu ildə ardıcıl istehsalla yayılacağı gözlənilir (indiki elektrikli avtomobil texnologiyası ağır anbar batareyalarından ibarətdir, yenidən doldurulması çox vaxt aparır və bu batareyalar olduqca məhdud bir müddətdə enerji təmin edə bilir.).

Hidrogen, saxlanma probleminin daha az olduğu yerlərdə yanacaq hüceyrələri istifadə edilərək elektrik enerjisi istehsal edən kiçik miqyaslı müstəqil qovşaqlarda da istifadə edilə bilir. İndi Tokioda bu formada işləyən və şəhərin elektrik enerjisinin bir qismini istehsal edən bir stansiya mövcuddur.

Almaniya, Kanada kimi ölkələr dəniz altı işlərini hidrogenlə işləyəcək hala gətirməkdədirlər.

Gələcəkdə bütün elektrikli ev alətlərinin enerjisini hidrogendən istehsal olunan yanacaq hüceyrələri ilə çalışması ilə əlaqədar təhqiqat-inkişaf fəaliyyətləri davam edir.

Hidrogenin fərqi

Hidrogen fiziki aləmdə hər şeyin ondan yaradıldığı bir parçadır. İlk ulduzlar tamamilə hidrogendən ibarət idi. Bunların bağrında bitişmə prosesi ilə hidrogendən dəmirə doğru elementlərin yaradılmasını, ulduzun içinə doğru çökməsi, bunu da partlaması təqib etdi (nova və supernova) və digər elementlər bu formada təşəkkül etdi. Beləliklə, 92 təbii elementdən mütəşəkkil bir Yer kürəsi yaradıldı; bir başqa sözlə, insana ev sahibliyi edəcək, insan üçün təchiz ediləcək, ilahi qüdrətin təzahür və ilahi isimlərin təcəlli yeri olacağı üçün çox müxtəlif məxluqlara beşiklik edəcək bir planet.

Bəşəriyyət dünya üzərində hər zaman enerjiyə ehtiyac duydu. Əzələ gücünü at və sığır kimi heyvanların təmin etdiyi daşıma gücü təqib etdi. Sonra odun, daha sonra kömür, 19-cu əsrdən etibarən isə müvafiq olaraq neft, təbii qaz kimi yanacaqlar və nəhayət nüvə enerjisi həyatımıza daxil oldu. Ancaq günəş enerjisinin milyonlarla il boyunca yavaş-yavaş yığılmış halı olan qazıntı yanacaqların istehlakı çox sürətlə oldu. Təxminən 50-60 il kifayət edəcək neft və təbii qaz, 200 illik istifadə oluna biləcək kömür ehtiyatının qaldığı təxmin edilir. Dünya atmosferini və yer kürəsini kirlədən yanacaq, artıq insan üçün böyük problem təşkil edir.

Canlı qalığı yanacaqlar əsasən hidrogen və karbondan ibarətdir. Yanma zamanı hidrogen funksiya yerinə yetirərkən, karbon isə oksigenlə birləşərək karbon monoksid və karbon dioksidə çevrilir. CO₂ qazı yerdən əks edən günəş işığının aşağı atmosferdə saxlayaraq fəzaya qaçmasının qarşısını alır və beləliklə havanın isinməsinə səbəb olur. Bununla əlaqəli yer kürəsinin bəzi yerlərində daha çox buxarlanma, bu səbəblə də çoxlu yağış və sellər, bəzi yerlərdə isə çox quraqlıqlar meydana gəlir. Qısacası, dünya bir iqlim dəyişikliyi prosesi yaşayır. Atmosferin həddindən çox isinməsi ilə qütb buzlaqları əriyir, dəniz səviyyəsi yüksəlir, sıx əhalının və kənd təsərrüfatı tarlalarının olduğu sahil ovaları su altında qalma təhlükəsi ilə qarşılaşır.

Canlı qalığı yanacaqların əvəzinə təmiz, praktik və səmərəli tək alternativ hələ ki hidrogen görünməkdədir. Hidrogenin yer üzündə olduğu maddələrdən izolyasiya edilməsi, geniş miqyasda istehsal edilib yığılması, paylanması və yanacaq kimi istifadə edilməsi həm müəyyən informasiya yığımına ehtiyac olduğuna görə, həm də dünyanın kirlənmə probleminə həll gətirdiyinə görə bəlkə də, ilahi təqdir hidrogeni insanlığın son zamanlarına saxlamışdır. Və ən yüngül elementə zahiri cüssəsindən ağır olan mühüm vəzifələrin yüklənməsi, həqiqi qüdrətin və təsirin Səbəblərin Yaradıcısı olan Zati Zülcəlalda olduğunu bir daha göstərir.

Əgər pul gücünə malik neft, kömür və təbii qaz istehsalçıları başda olmaqla, zəngin ölkələr, hidrogen istehsalına böyük məbləğlər ayırsalar, qlobal ətraf mühit problərinin qarşısı alınar. Əks təqdirdə, qısa günün mənfəətini düşünərkən bəşəriyyətin sonunu hazırlayan həris insanların yer üzünə xəyanəti davam edər ki, bunun nəticələrini təxmin etmək bu gün elə də çətin deyil.

Qaynaqlar

— Lovelock, J.E., 1987 — Gaia: A New Look at Life on Earth. Oxford University Press.
— UIC, 2002 — Hydrogen Economy, UIC Nuclear Issues Briefing Paper # 73, November.

Akademiya.net