Hidrojen

Hidrojen, atom numarası 1 ve sembolü H olan, temel halinde bir proton ve bir elektrondan oluşan en basit atom yapısına sahip kimyasal elementtir; standart sıcaklık ve basınçta (STP) esas olarak renksiz, kokusuz, tatsız ve iki atomlu bir gaz (H₂) olarak bulunur.^[1][2] En hafif element olarak, evrenin baryonik kütlesinin yaklaşık %75’ini oluşturur; büyük ölçüde Büyük Patlama nükleosentezinden kaynaklanır ve evren genelinde enerji üreten yıldız füzyon süreçleri için birincil yakıt görevi görür.^[3] Dünya’da hidrojen, kütlece kabukta dokuzuncu sırada yer alır ancak reaktif yapısı nedeniyle nadiren serbest halde bulunur; bunun yerine su ve hidrokarbonlar gibi bileşiklerde yer alır.^[2]

Hidrojenin doğal olarak oluşan üç izotopu vardır: Protyum (¹H, %99.98’in üzerinde bolluk), Döteryum (²H veya D) ve 12.32 yıllık yarı ömre sahip radyoaktif Trityum (³H); her biri bir proton paylaşır ancak nötron sayıları farklıdır. Bu durum fiziksel özelliklerini ve araştırmalarda izotopik etiketleme veya füzyon yakıtı gibi uygulamalarını etkiler.^[4] 1766 yılında Henry Cavendish tarafından metallerin asitlerle reaksiyonu yoluyla (daha sonra izole edilip karakterize edilen “yanıcı hava” vererek) keşfedilen element, 1783 yılında Antoine Lavoisier tarafından oksijenle yanması sonucu su oluşturduğu için “hidrojen” (su yapıcı) olarak adlandırılmıştır.^[1] Yüksek reaktivitesi, kovalent bağlar veya hidritler oluşturmanın enerjik uygunluğundan kaynaklanır ve metalürjide indirgeyici ajan olmaktan DNA baz çiftlerinde kilit bileşen olmaya kadar çeşitli rolleri mümkün kılar.^[5]

Endüstriyel olarak hidrojen, esas olarak doğal gazın buharla reformlanması (SMR) veya suyun elektrolizi yoluyla üretilir; gübrelerde amonyak sentezi, petrol rafinasyonunda hidrokraking ve araçlar ile enerji üretimi için yakıt hücreleri gibi gelişmekte olan temiz enerji yolları için küresel talebin %95’inden fazlasını destekler. Ancak geniş yanıcılık aralığı nedeniyle enerji yoğun üretim ve depolama güvenliği gibi zorluklar mevcuttur.^[6][7] Tarihsel olarak, hava gemilerinde kaldırma gazı olarak kullanımı 1937 Hindenburg felaketinden sonra sona ermiş ve tutuşma risklerini vurgulamıştır; ancak son gelişmeler, çelik üretimi ve havacılık gibi elektriklendirilmesi zor sektörlerin karbondan arındırılması için onu çok yönlü bir vektör olarak konumlandırmaktadır.^[8]

Fiziksel Özellikler

Atomik Yapı ve Enerji Seviyeleri

Hidrojen atomu, çekirdekte pozitif yüklü bir proton ve ona Coulomb çekimi ile bağlı negatif yüklü bir elektrondan oluşur.^[9] Kuantum mekaniğinde, elektronun davranışı Schrödinger denkleminin çözümleriyle tanımlanır ve kuantum sayıları ile belirlenen durağan durumlar veya orbitaller elde edilir: baş kuantum sayısı $n$ (n = 1, 2, 3, …), açısal momentum kuantum sayısı $l$ (0 ≤ l ≤ n-1), manyetik kuantum sayısı $m_l$ (-l ≤ m_l ≤ l) ve spin kuantum sayısı $m_s$ (±1/2).^[9] Çok elektronlu atomların aksine, hidrojendeki enerji seviyeleri yalnızca $n$’ye bağlıdır ve $l$ ve $m_l$’den bağımsız olması nedeniyle her seviye için $n^2$ kat yozlaşma (degeneracy) ile sonuçlanır.^[10]

n. seviyedeki elektronun enerjisi şu formülle verilir:

$$E_n = -\frac{13.6}{n^2}$$

Burada sonuç eV (elektronvolt) cinsindendir ve negatif işaret, E = 0’daki iyonlaşma eşiğine göre bağlı durumları gösterir.^[11][12] Temel durum (ground state), $E_1 = -13.6$ eV ile n = 1’e karşılık gelirken, uyarılmış durumlar (excited states) art arda daha yüksek (daha az negatif) enerjilere sahiptir; örneğin n = 2 için $E_2 = -3.4$ eV.^[11] Elektronu temel durumdan sonsuza uzaklaştırmak için gereken iyonlaşma enerjisi böylece 13.6 eV’dir.^[9] Bu seviyeler ilk olarak 1913’te Bohr modeli tarafından yaklaşık olarak hesaplanmış ve 1926’da Schrödinger denkleminden hassas bir şekilde türetilerek atomik enerjilerin kuantumlu doğasını doğrulamıştır.^[11]

Bu seviyeler arasındaki elektron geçişleri, $\Delta E = E_i – E_f$ farkına eşit enerjilere sahip fotonlar yayar veya soğurur; bu da hidrojen emisyon veya absorpsiyon spektrumunu üretir.^[9] Spektrum, kaşiflerinin adını taşıyan ayrık serilerden oluşur: Lyman serisi (n=1’e geçişler, ultraviyole), Balmer serisi (n=2’ye, görünür), Paschen serisi (n=3’e, kızılötesi), Brackett serisi (n=4’e, kızılötesi) ve Pfund serisi (n=5’e, kızılötesi).^[13] Bu serilerdeki dalga boyları Rydberg formülünü izler:

$$\frac{1}{\lambda} = R_H \left( \frac{1}{n_f^2} – \frac{1}{n_i^2} \right)$$

Burada $R_H$, yaklaşık $1.097 \times 10^7 m^{-1}$ olan Rydberg sabitidir.^[14]

Fazlar ve Termofiziksel Özellikler

Standart sıcaklık ve basınçta (STP) hidrojen, yaklaşık 0.08988 kg/m³ yoğunluğa sahip iki atomlu bir gaz (H₂) olarak bulunur.^[15] 1 atm’de 20.28 K (-252.87°C) olan normal kaynama noktasının altına soğutulduğunda sıvılaşarak, kaynama noktasında yaklaşık 70.8 kg/m³ yoğunluğa sahip renksiz bir sıvı oluşturur.^[15][2] Katılaşma, 1 atm’de 14.01 K (-259.14°C) normal erime noktasının altında gerçekleşir ve beyaz kristal bir katı verir.^[15] Katı, sıvı ve gaz fazlarının dengede bir arada bulunduğu üçlü nokta 13.80 K ve 7.04 kPa’dadır.^[16] Sıvı-gaz ayrımının sona erdiği kritik nokta 33.145 K ve 1.2963 MPa’da meydana gelir.

Hidrojenin faz davranışı, nükleer spin izomerlerinden etkilenir: orto-hidrojen (çekirdek spinleri paralel, daha yüksek enerji) ve para-hidrojen (antiparallel, daha düşük enerji). Yüksek sıcaklıklarda orto:para oranı 3:1’de dengelenir (normal hidrojen olarak adlandırılır); düşük sıcaklıklarda ise saf para-hidrojene doğru kayar. Bu durum, kaynama ve erime noktaları gibi termofiziksel özellikleri etkiler; para-hidrojen için bu noktalar normal hidrojene göre yaklaşık 0.1 K daha düşüktür.^[17] Katı fazlar, düşük basınçlı altıgen sıkı paketlenmiş yapıları içerir ve 100 GPa’nın ötesindeki kırık simetri fazları gibi daha yüksek basınçlarda daha karmaşık kuantum katılarına faz geçişleri gösterir.^[18]

Temel termofiziksel özellikler faz ve sıcaklıkla önemli ölçüde değişir. Gaz halindeki hidrojenin 298 K ve 1 atm’de sabit basınçtaki özgül ısı kapasitesi ($C_p$) 28.84 J/(mol·K)’dir.^[15] 298 K’de gazın viskozitesi 8.9 μPa·s olup sıcaklıkla artar.^[18] Gaz halindeki hidrojenin 300 K’deki termal iletkenliği 0.1865 W/(m·K)’dir.^[18] Sıvı hidrojen, kaynama noktasında 445.7 kJ/kg buharlaşma gizli ısısı ile daha yüksek yoğunluk ve daha düşük buhar basıncı sergiler.^[15] NIST gibi kaynaklardan alınan ampirik durum denklemlerinden türetilen bu özellikler, kriyojenik ve itki (propulsion) uygulamaları için kritiktir.^[19]

Özellik	Gaz H₂ (300 K, 1 atm)	Sıvı H₂ (20 K, 1 atm)	Katı H₂ (14 K, 1 atm)
Yoğunluk (kg/m³)	0.081	70.8	~86
Özgül Isı $C_p$ (J/mol·K)	28.84	~22	~10-15 (izomere göre değişir)
Termal İletkenlik (W/m·K)	0.186	0.117	~0.1

Dihidrojenin Spin İzomerleri

Dihidrojen veya H₂, özdeş fermiyonik protonlar nedeniyle iki farklı nükleer spin izomerinde bulunur: toplam nükleer spin kuantum sayısı $I = 1$ olan (simetrik spin fonksiyonu, yozlaşma 3) orto-hidrojen ve $I = 0$ olan (antisimetrik spin fonksiyonu, yozlaşma 1) para-hidrojen.^[20][21] Pauli dışlama ilkesi, toplam moleküler dalga fonksiyonunun proton değişimi altında antisimetrik olmasını gerektirir; bu nedenle, orto-hidrojen antisimetrik olan tek dönme kuantum seviyelerini ($J = 1, 3, 5, …$) işgal ederken, para-hidrojen simetrik olan çift seviyeleri ($J = 0, 2, 4, …$) işgal eder.^[22] Bu ayrım, erişilebilir enerji seviyelerini kısıtlar; para-hidrojenin $J = 0$’daki temel durumu, orto-hidrojenin $J = 1$’deki en düşük durumundan enerjik olarak daha düşüktür (dönme sıcaklığı birimlerinde yaklaşık 170 K).^[23]

Oda sıcaklığına (yaklaşık 300 K) yakın termal dengede, orto:para oranı 3:1’dir (%75 orto, %25 para), bu nükleer spin yozlaşmalarını yansıtır; çünkü daha yüksek sıcaklıklar dönme uyarılması yoluyla daha fazla orto durumunu doldurur.^[24][25] 50 K’nin altındaki kriyojenik sıcaklıklarda denge, $J = 0$ durumunun baskın olması ve yeterli termal enerji olmadan orto durumlarının erişilemez hale gelmesi nedeniyle neredeyse %100 para-hidrojene kayar.^[26] Orto-para dönüşümü ekzotermiktir ve dönme seviyesi farkına eşdeğer enerji açığa çıkarır (molekül başına yaklaşık 0.09 kcal/mol), ancak verimli molekül içi yolların olmaması nedeniyle saf hidrojende yavaş ilerler ve kataliz olmadan düşük sıcaklıklarda yarı ömrü ayları aşar.^[27] Aktif karbon, demir oksitler veya geçiş metalleri (örneğin krom katkılı alümina) gibi katalizörler, H-H bağını geçici olarak bozarak spin yeniden dengelenmesini sağlar ve dönüşümü hızlandırır; bu, ısı oluşumunu ve kaynama kaybını en aza indirmek için sıvı hidrojen depolamada kritiktir.^[28][29]

İzomerler belirgin termofiziksel özellikler sergiler: orto-hidrojen, düşük sıcaklıklarda daha yüksek özgül ısı kapasitesine sahiptir (erişilebilir tek-$J$ seviyeleri nedeniyle rijit bir rotor için beklenen değerin üzerinde), bu da saf para-hidrojene kıyasla daha büyük termal iletkenlik ve viskozite farklarına yol açar.^[30] Bu varyasyonlar, dönüşüm entalpisi nedeniyle dönüştürülmemiş normal hidrojenin (3:1 karışımı) sıvılaştırmada %15’e kadar ek tersinir işe neden olabileceği kriyojenik yakıt sistemleri gibi uygulamaları etkiler.^[27] Raman spektroskopisi, dönme Raman çizgileri (tek $\Delta J$’de orto, çiftte para) aracılığıyla izomerleri ayırt eder ve hidrojen kullanımında saflık kontrolü için gerekli hassas oran ölçümlerini mümkün kılar.^[30] Döteryum, benzer ancak tersine çevrilmiş bir davranış sergiler (orto-döteryum $I = 0$, çift $J$; para $I = 1$, tek $J$), oda sıcaklığı dengesi 1:2 orto:para’dır, ancak bozonik döteronlar nedeniyle daha az belirgindir.^[20]

İzotoplar

Protyum, Döteryum ve Trityum

Hidrojenin üç ana izotopu—protyum, döteryum ve trityum—her biri bir proton ve bir elektrona sahiptir ancak nötron sayısında farklılık gösterir: protyumda hiç yok, döteryumda bir ve trityumda iki nötron vardır. Bu varyasyon kütlelerini ve kararlılıklarını etkiler; protyum ve döteryum kararlıyken trityum radyoaktiftir.^[5][31]

Protyum ($^1H$), atomik bolluk bakımından doğal hidrojenin yaklaşık %99.985’ini oluşturan baskın izotoptur. Çekirdeği yalnızca bir protondan oluşur ve 1.007825 u atomik kütle verir. Çoğu kimyasal ve fiziksel bağlamda hidrojenin varsayılan formu olan protyum, su, organik bileşikler ve yıldız bileşimlerinde baskındır.^[32][33]

Döteryum ($^2H$ veya D), bir nötrona sahip kararlı bir izotoptur, 2.014102 u atomik kütleye sahiptir ve doğal hidrojen atomlarının yaklaşık %0.0156’sını oluşturur. 1931’de Harold Urey tarafından daha ağır hidrojen çizgilerinin spektroskopik kanıtlarıyla keşfedilen döteryum, Dünya okyanuslarında kabaca 6.420 hidrojen atomunda 1 atom oranında doğal olarak bulunur. Daha yüksek kütlesi, ağır su ($D_2O$) oluşumunda olduğu gibi kimyadaki reaksiyon kinetiğini ve izotop etkilerini etkiler.^[34][35][33]

Trityum ($^3H$ veya T), iki nötron ve 3.016049 u atomik kütle ile radyoaktiftir ve 12.32 yıllık bir yarı ömürle beta emisyonu yoluyla helyum-3’e bozunur. Atmosferik azot ve oksijen ile kozmik ışın etkileşimleri tarafından eser miktarda doğal olarak üretilir, karasal bolluğu hidrojene göre $10^{-18}$ mertebesindedir. 1934’teki keşfinden bu yana nükleer reaktörlerde veya hızlandırıcılarda yapay olarak üretilen trityum, füzyon araştırmalarında ve ışıklı cihazlarda uygulama alanı bulur ancak radyoaktivitesi nedeniyle dikkatli kullanım gerektirir.^[36][37][38]

İzotop	Sembol	Nötron	Atomik Kütle (u)	Kararlılık	Doğal Bolluk
Protyum	$^1H$	0	1.0078	Kararlı	~99.985%
Döteryum	$^2H$	1	2.0141	Kararlı	~0.015%
Trityum	$^3H$	2	3.0160	Radyoaktif ($t_{1/2}=12.32$ yıl)	İz ($10^{-18}$)

İzotopik Bolluk ve Üretim

Dünya’da, hidrojenin doğal izotopik bileşimi, hidrojen atomlarının yaklaşık %99.985’ini oluşturan protyum ($^1H$) tarafından domine edilir; döteryum ($^2H$) yaklaşık %0.015’ini oluşturur (deniz suyunda kabaca $1.56 \times 10^{-4}$ D/H oranına karşılık gelir). 12.32 yıllık yarı ömre sahip radyoaktif bir izotop olan Trityum ($^3H$), toplam hidrojene göre $10^{-18}$ civarında eser miktarda bulunur ve öncelikle atmosferik azot ve oksijenle kozmik ışınların etkileşimleri yoluyla kozmojenik olarak üretilir.^[39][40][41]

Kozmik olarak, Büyük Patlama nükleosentezinden kaynaklanan ilksel döteryum bolluğu daha düşüktür; erken evrende D/H oranı yaklaşık $2.5 \times 10^{-5}$’tir, ancak yıldız nükleosentezinin döteryumu tüketmesi nedeniyle yıldızlararası gazda gözlemlenen değerler daha düşüktür. Dünya’nın daha yüksek D/H oranı, gezegen oluşumu ve atmosferik süreçler sırasında daha hafif protyumun diferansiyel kaçışından kaynaklanır ve nispeten daha fazla döteryum tutulur. Protyum, kozmik ortamlarda ezici bir çoğunlukla bol miktarda bulunurken, trityum lokalize üretim alanları dışında ihmal edilebilir düzeydedir.^[42][43]

Döteryum, ticari olarak deniz suyundan doğal olarak oluşan ağır suyun ($D_2O$) izotopik zenginleştirilmesiyle üretilir; bu işlem öncelikle çift sıcaklıklı hidrojen sülfür-su değişimini içeren Girdler-sülfit işlemi veya ayrımsal damıtma ve elektroliz yoluyla yapılır. Bu yöntemler, buhar basıncı ve denge fraksiyonlamasına yol açan hafif kütle farkından yararlanarak, nükleer reaktörler gibi uygulamalar için yüksek saflıkta döteryum gazı veya ağır su verir. Yıllık küresel üretim binlerce ton ağır su eşdeğeri mertebesindedir.^[44][45]

Trityum üretimi, üst atmosferde kozmik ışın kaynaklı parçalanma (spallation) yoluyla doğal olarak düşük oranlarda gerçekleşir ve yılda küresel olarak yaklaşık 4-7 kg verir; ancak mevcut trityumun çoğu, lityum-6 üzerinde nötron yakalama yoluyla nükleer fisyon reaktörlerinde ($^6Li + n \rightarrow ^4He + ^3H$) veya daha az yaygın olarak bor veya döteryum üzerinde yapay olarak üretilir. Savannah River Site gibi tesisler tarihsel olarak füzyon araştırmaları ve silahlar için yıllık kilogramlarca üretim yapmıştır; gelecekteki füzyon reaktörleri, füzyon nötronlarından lityum kullanarak trityum üretmek için kendi kendine yeten üretken battaniyeler (breeding blankets) planlamaktadır.^[46][47]

Kimyasal Özellikler

Hidrojen Moleküllerinin Reaktivitesi

Dihidrojen molekülü (H₂), standart sıcaklık ve basınçta nispeten düşük kimyasal reaktivite ile karakterize edilir; bu durum öncelikle 436 kJ/mol ölçülen ve homolitik bölünme için önemli aktivasyon enerjisi gerektiren H–H sigma bağının yüksek bağ ayrışma enerjisinden kaynaklanır.^[48] Bu bağ gücü, iki hidrojen 1s atomik orbitalinin simetrik örtüşmesinden kaynaklanır ve H₂’yi kinetik olarak kararlı hale getirerek ısı, ışık veya katalizörlerle başlatılmadan çoğu maddeye karşı tepkisiz kılar.^[49] Sonuç olarak H₂, alkali metaller gibi daha reaktif elementlerin aksine, ortam koşullarında sudan veya seyreltik asitlerden hidrojeni yerinden etmez.^[49]

Doğal kararlılığına rağmen, H₂ uygun koşullar altında ametallerle ekzotermik reaksiyonlara girer. Oksijen ile stokiyometrik H₂ ve O₂ karışımları, yaklaşık 500–585 °C’lik kendiliğinden tutuşma sıcaklığının üzerinde patlayıcı bir şekilde tutuşur ve oldukça ekzotermik olan $2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$ ($\Delta H = -572$ kJ/mol) reaksiyonu yoluyla su verir.^[50] Benzer şekilde, H₂ halojenlerle reaksiyona girerek hidrojen halojenürleri oluşturur; flor ($F_2$) ile reaksiyon oda sıcaklığında kendiliğinden ve şiddetli bir şekilde ilerler ($H_2 + F_2 \rightarrow 2HF$), klor ($Cl_2$) başlatma için ultraviyole ışık veya ısı gerektirir ($H_2 + Cl_2 \rightarrow 2HCl$), brom veya iyot ise daha yüksek sıcaklıklar talep eder.^[51] Bu reaksiyonlar, yüksek bağ enerjisi bariyerinin harici olarak başlatılan radikal zincir mekanizmalarıyla aşıldığı H₂’nin indirgeyici ajan rolünü vurgular.^[51]

H₂ ayrıca belirli metallerle reaksiyona girerek hidritler oluşturur ve kinetik bariyeri aşmak için genellikle yüksek sıcaklıklar gerektirir. Sodyum gibi aktif metaller 300–400 °C’de H₂ ile birleşerek tuzlu özellikler ve güçlü bazlık sergileyen NaH ($2Na + H_2 \rightarrow 2NaH$) gibi iyonik hidritler üretir.^[49] Paladyum ve platin gibi geçiş metalleri, H₂’yi yüzeylerinde ayrışarak adsorbe eder ve daha düşük sıcaklıklarda katalitik aktivasyonu mümkün kılar; örneğin, ince bölünmüş platin, bağ kırma için aktivasyon enerjisini düşürerek ortam koşullarında bile hidrojen-oksijen birleşmesini katalize eder.^[52]

Organik kimyada, H₂’nin reaktivitesi, hidrojenasyon süreçleri için heterojen kataliz yoluyla kullanılır. Nikel (Raney nikel) veya karbon üzerinde paladyum gibi katalizörler, metal yüzeyi H₂’yi atomik hidrojene ayrıştırdığından ve bu da daha sonra substrata aktarıldığından, orta basınç ve sıcaklıklarda (tipik olarak 25–150 °C ve 1–50 atm) karbon-karbon çoklu bağları boyunca (örneğin alkenlerden alkanlara) H₂ eklenmesini kolaylaştırır.^[49] Bu kontrollü reaktivite, yüzey yardımı olmadan ilk H₂ ayrışmasının endotermik doğası nedeniyle katalizörsüz doğrudan reaksiyonların pratik olarak yavaş olacağı amonyak sentezi ve yağ sertleştirme gibi endüstriyel uygulamaların temelini oluşturur.^[49]

Hidrojen Bağı ve Bileşikleri

Hidrojen bağı, tipik olarak azot, oksijen veya flor gibi oldukça elektronegatif bir atoma kovalent olarak bağlı bir hidrojen atomu ile ayrı bir molekülde veya aynı molekül içinde başka bir elektronegatif atom üzerindeki ortaklanmamış elektron çifti arasındaki elektrostatik çekimden kaynaklanır.^[53] Bu etkileşim yönlüdür ve güçlü durumlarda donör-hidrojen-akseptör açısı 180°’ye yakındır.^[54] Bağ gücü tipik olarak 4 ila 50 kJ/mol arasında değişir ve onu ara bir konuma yerleştirir: van der Waals kuvvetlerinden (genellikle <5 kJ/mol) daha güçlü ancak kovalent bağlardan (150–400 kJ/mol veya daha fazla) daha zayıftır.^[55][53]

Su ($H_2O$), amonyak ($NH_3$) ve hidrojen florür (HF) gibi bileşiklerde, hidrojen bağı, kaynama ve erime noktalarını hidrojen bağı içermeyen analog moleküllere göre yükselten moleküller arası kuvvetler olarak kendini gösterir; örneğin, suyun 100°C’lik kaynama noktası, sıvı sudaki molekül başına ortalama 3.5 hidrojen bağı nedeniyle, benzer moleküler kütlelere sahip olmasına rağmen $H_2S$’ninkini (-60°C) aşar.^[55][56] Bu bağlar ayrıca suyun 4°C’deki anormal yoğunluk maksimumuna ve yüksek yüzey gerilimine katkıda bulunur.^[55] Biyolojik bağlamlarda, hidrojen bağı, adenin-timin (iki bağ) ve guanin-sitozin (üç bağ) arasındaki spesifik eşleşmeler yoluyla DNA’nın çift sarmalı gibi yapıları stabilize eder.^[57]

Hidrojen, bağ türüne ve partner elementin periyodik tablodaki konumuna göre sınıflandırılan, başta hidritler olmak üzere çeşitli ikili bileşikler oluşturur. İyonik (tuzlu) hidritler, alkali (grup 1) ve toprak alkali (grup 2) metallerle oluşur ve metal katyonlu bir kafes içinde $H^-$ anyonları içerir; örnekler arasında her ikisi de ekzotermik olarak hidrolize olan renksiz katılar olan lityum hidrit (LiH, yoğunluk 0.82 g/cm³) ve kalsiyum hidrit ($CaH_2$) bulunur: $MH + H_2O \rightarrow MOH + H_2$ (M = metal).^[58][59] Bunlar indirgeyici ajanlardır ve nemli havada kendiliğinden tutuşurlar.^[60]

Kovalent hidritler ametallerle (grup 13–17) baskındır ve hidrojenin elektronları polar veya apolar bağlarda paylaştığı metan ($CH_4$), fosfin ($PH_3$) ve hidrojen sülfür ($H_2S$) gibi moleküler bileşikler verir.^[58] Bunlar arasında N–H, O–H veya F–H gruplarına sahip olanlar, amonyak ağında (kaynama noktası –33°C) veya suda olduğu gibi hidrojen bağını mümkün kılar. Hidrojen halojenürleri (HX, X = F, Cl, Br, I), hidrojen bağı nedeniyle sıvı olan HF (k.n. 19.5°C) hariç oda sıcaklığında iki atomlu gazlardır; bağ polariteleri HI’dan HF’ye artar ve asit oluşturmak için suda ayrışırlar.^[61] Geçiş metalleriyle olan metalik hidritler, metal kafeslerindeki arayer bölgelerini işgal eden hidrojen atomlarını içerir (genellikle stokiyometrik olmayan, örn. $PdH_{0.6}$) ve tersinir absorpsiyon/desorpsiyon nedeniyle hidrojen depolama ortamı olarak hizmet ederler.^[60]

Asitlik ve Proton Kimyasındaki Rolü

Asit-baz kimyasında asitlik, elektronundan arındırılmış bir hidrojen atomunun çekirdeği olan protonları ($H^+$ iyonları) bağışlama eğiliminden kaynaklanır.^[62] 1923’te Johannes Brønsted ve Thomas Lowry tarafından bağımsız olarak önerilen Brønsted-Lowry teorisi, bir asidi proton verici ve bir bazı proton alıcı olarak tanımlar; su gibi spesifik çözücülere güvenmek yerine proton transferini asit-baz reaksiyonlarının temel mekanizması olarak vurgular.^[63] Bu çerçeve, susuz sistemler de dahil olmak üzere geniş bir alana uygulanır ve hidrojenin, iyonlaşmış formu protonun kendisini oluşturan element olarak benzersiz rolünü vurgular.^[64]

Sulu çözeltilerde, serbest protonlar yüksek reaktiviteleri nedeniyle bağımsız olarak bulunmazlar; bunun yerine $H^+$, $H^+ + H_2O \rightleftharpoons H_3O^+$ reaksiyonu yoluyla hidronyum iyonu $H_3O^+$’u (genellikle çözücü kümelerinde $[H(H_2O)_n]^+$ olarak temsil edilir) oluşturmak üzere hızla su molekülleriyle birleşir.^[65] Bu solvasyon protonu stabilize eder ve 25°C’de iyon çarpımı $K_w = [H_3O^+][OH^-] = 1.0 \times 10^{-14}$ olan suyun otoiyonizasyonu ($2H_2O \rightleftharpoons H_3O^+ + OH^-$) gibi olayların merkezinde yer alır.^[66] Asit gücü, proton bağışının denge derecesini ölçen asit ayrışma sabiti $K_a$ ile nicelendirilir: $HA \rightleftharpoons H^+ + A^-$ için, $K_a = [H^+][A^-]/[HA]$.^[67] HCl gibi güçlü asitlerin $K_a > 1$ (tam ayrışma) iken, asetik asit ($CH_3COOH$) gibi zayıf asitlerin 25°C’de $K_a = 1.8 \times 10^{-5}$ olup kısmi ayrışmayı gösterir.^[68]

1909’da Søren Sørensen tarafından tanıtılan pH ölçeği, asitliği $pH = -\log_{10}[H^+]$ olarak nicelendirir; burada $[H^+]$, hidrojen iyonlarının molar konsantrasyonudur (suda $[H_3O^+]$ olarak yaklaşık).^[69] pH’ın 1 birim azalması, $[H^+]$’da on kat artışı yansıtır; oldukça asidik (pH < 0, örn. pH ≈ -1.1’de 12 M HCl) ile nötr (25°C’de pH 7, $[H^+] = 10^{-7}$ M) ve bazik (pH > 7) arasında değişir.^[70] Proton kimyası, asitliği modüle eden hidrojen bağına kadar uzanır; örneğin karboksilik asitlerde, molekül içi hidrojen bağları eşlenik bazı stabilize ederek homolog seriler boyunca $K_a$ değerlerini etkiler.^[71] Biyolojik sistemlerde, proton gradyanları ATP sentezi gibi süreçleri yönlendirir ve proton hareket kuvveti yoluyla hidrojenin enerji transferindeki nedensel rolünü vurgular.^[72]

Tarihçe

Keşif ve Erken İzolasyon (18. Yüzyıl)

1766’da Henry Cavendish, çinko ve demir gibi metallerin sülfürik asit veya hidroklorik asit gibi seyreltik asitlerle reaksiyonunu içeren deneyler yoluyla hidrojen gazını izole etti ve daha önce bilinen havalardan farklı, oldukça yanıcı bir gaz üretti.^[2] Gazı cıva üzerinde topladı ve özelliklerini sistematik olarak inceledi; düşük yoğunluğu (normal havanın yaklaşık onda biri) ve havada tutuşturulduğunda patlayıcı bir şekilde yanarak su damlacıkları oluşturma yeteneği buna dahildi.^[73] Cavendish bu maddeye “yanıcı hava” adını verdi ve bulgularını Kraliyet Cemiyeti’nin Philosophical Transactions dergisinde “Yapay Havalar Üzerine” başlıklı bir makalede detaylandırdı; bu, hidrojenin sadece asit-metal reaksiyonlarının bir yan ürünü değil, benzersiz bir gaz elementi olarak ilk kez tanınmasıydı.^[74]

Cavendish’in çalışması, 17. yüzyılın sonlarında demir ve asitlerden gaz çıkışını fark eden ancak onu izole etmeyen veya karakterize etmeyen Robert Boyle gibi önceki tesadüfi gözlemlere dayanıyordu.^[75] Hassas ölçümlerle Cavendish, yanıcı havanın farklı metallerden ve asitlerden sabit oranlarda üretildiğini gösterdi ve sudaki çözünürlüğünü ve basınç altındaki davranışını araştırarak pnömatik kimya için temel nicel veriler sağladı. Deneyleri ayrıca hidrojenin yanmadaki rolüne de işaret etti; gazın oksijenle yanması saf su veriyordu, ancak o başlangıçta bunu o zamanlar yaygın olan filojiston teorisi içinde yorumladı.^[76]

1780’lere gelindiğinde, Antoine Lavoisier, hidrojeni kendi oksijen merkezli yanma ve asitlenme teorisine entegre ederek anlayışı ilerletti. 1783’te Lavoisier, “yanıcı hava”yı oksijenle (daha önce izole etmişti) kapalı bir cam kapta yakarak deneyler yaptı, sadece suyun oluşumunu gözlemledi ve suyun elementel bir madde değil, bu iki gazın bir bileşiği olduğu sonucuna vardı.^[77] Yunanca hydro (su) ve genes (oluşturan) köklerinden gelen ve su üretme kapasitesini ifade eden “hidrojen” adını önerdi ve bu isimlendirme bilimsel literatürde Cavendish’in tanımlayıcı teriminin yerini aldı.^[78] Lavoisier’in reaktanları ve ürünleri tartmayı içeren nicel analizleri, Aristo’nun suyun bölünmezliği ve katılaşmış hidrojenin elementel statüsü görüşlerini deviren ampirik kanıtlar sağladı.^[79]

Bu 18. yüzyıl gelişmeleri, kimyayı niteliksel gözlemlerden hassas, tekrarlanabilir izolasyon tekniklerine kaydırdı ve Jacques Charles’ın 1783’teki hidrojen dolu uçuşu gibi erken balon yükselişlerinde hidrojenin kullanılmasına olanak tanıdı, ancak yanıcılığından kaynaklanan güvenlik riskleri hemen belirgindi.^[77]

Endüstriyel ve Bilimsel İlerlemeler (19.-20. Yüzyıllar)

1800 yılında, İngiliz bilim insanları William Nicholson ve Anthony Carlisle, bir voltaik pilden elektrik akımı uygulayarak suyu hidrojen ve oksijen gazlarına ayrıştırıp suyun elektrolizini gösterdiler; bu, hidrojen üretimi için kilit bir yöntem oluşturdu ve elektrokimyasal ayrışma anlayışını ilerletti.^[80] Bu süreç, 1830’larda Michael Faraday tarafından, açığa çıkan hidrojen miktarını geçen elektrik miktarıyla ilişkilendiren elektroliz yasalarıyla nicelendirildi ve laboratuvar ortamlarında hassas kontrol sağlandı.^[81] Eş zamanlı olarak, yüksek sıcaklıklı bir alev (2.800°C’yi aşan) üretmek için hidrojen ve oksijen karışımını kullanan oksi-hidrojen torçu, 19. yüzyılın başlarında refrakter malzemelerin kaynağı ve kesimi için ortaya çıktı ve hidrojen yanmasının ilk endüstriyel kullanımlarından birini işaret etti.^[82]

Yüzyıl ortasındaki bilimsel ilerlemeler arasında, 1839’da William Grove tarafından yakıt hücresinin icadı yer aldı; burada hidrojen ve oksijen gazları bir voltaik hücrede birleştirilerek elektrik ve su üretildi ve bu, elektrokimyasal enerji dönüşüm teknolojilerinin habercisi oldu.^[83] 1885’te İsviçreli matematikçi Johann Balmer, hidrojen emisyonlarındaki görünür spektral çizgilerin dalga boylarını tanımlayan ampirik bir formül türetti: tam sayı n > 2 için $\lambda = 364.56 n^2 / (n^2 – 4)$ nanometre; bu, sonraki atom modelleri ve kuantum teorisi için çok önemli veriler sağladı.^[84] Yüzyılın sonuna doğru, James Dewar 1898’de yaklaşık 20 K’ye soğutulmuş vakum ceketli bir aparat kullanarak hidrojenin sıvılaştırılmasını başardı, düşük sıcaklık özelliklerinin incelenmesini sağladı ve kriyojenik uygulamaların yolunu açtı.^[85]

20. yüzyılın başlarındaki kuantum içgörüleri, dihidrojenin spin izomerlerini ortaya çıkardı: ortohidrojen (paralel nükleer spinli, toplam spin I=1) ve parahidrojen (antiparalel spinli, I=0); bunlar ilk kez 1929’da Karl Bonhoeffer ve Paul Harteck tarafından termal iletkenlik ölçümleriyle deneysel olarak ayırt edildi, Heisenberg’in tahminlerini doğruladı ve hidrojenin özgül ısısındaki anomalileri açıkladı.^[86] Endüstriyel olarak, hidrojen üretimi, 1890’lardan itibaren Norveç gibi ucuz hidroelektriğe sahip bölgelerde elektrolitik yöntemlerle ölçeklendi ve gelişmekte olan uygulamalar için yüksek saflıkta gaz sağladı; su gazı reaksiyonu ($C + H_2O \rightarrow CO + H_2$) gibi termal süreçler ise hidrojene daha fazla geçiş için sentez gazı sağladı.^[87]

1909 ve 1913 yılları arasında Fritz Haber ve Carl Bosch tarafından geliştirilen Haber-Bosch süreci, demir katalizörlerle yüksek basınç (200-300 atm) ve sıcaklık (400-500°C) altında amonyak sentezleyerek ($N_2 + 3H_2 \rightarrow 2NH_3$) endüstriyel hidrojen kullanımında devrim yarattı ve I. Dünya Savaşı sırasında küresel tarımı ve patlayıcı üretimini artıran kitlesel gübre üretimini mümkün kıldı.^[88] Hidrojenin rolü, 1890’ların sonlarında Paul Sabatier tarafından öncülük edilen ve 1900’lerde bitkisel yağların margarine doyurulması ve petrolün rafine edilmesi için geliştirilen katalitik hidrojenasyonla genişledi; süreçler nikel katalizörler kullanılarak 100-200°C ve 1-10 atm’de çalışıyordu.^[89] Havacılıkta hidrojen, 1890’lardan 1930’lara kadar sert hava gemileri için birincil kaldırma gazı olarak hizmet etti, düşük yoğunluğu (STP’de 0.0899 kg/m³) nedeniyle metreküp başına yaklaşık 1.1 kg kaldırma kuvveti sağladı ve Graf Zeppelin gibi transatlantik geçişlere güç verdi, ancak yanıcılığı riskler oluşturdu.^[90]

Modern Gelişmeler ve İzotop Araştırmaları (20.-21. Yüzyıllar)

1931’de Harold Urey, Ferdinand Brickwedde ve George Murphy, ayrımsal damıtma ve elektroliz yoluyla zenginleştirilmiş sıvı hidrojen örneklerinin spektroskopik analizi yoluyla, kütle numarası 2 olan hidrojenin kararlı izotopu döteryumu tespit ettiler.^[34] Urey, 1933’te protyuma göre iki katına çıkan kütlesini yansıtarak “döteryum” adını önerdi.^[91] Bu keşif, Urey’e ağır hidrojen izotoplarını izole ettiği için 1934 Nobel Kimya Ödülü’nü kazandırdı.^[92]

Kütle numarası 3 ve yaklaşık 12.32 yıllık yarı ömre sahip radyoaktif hidrojen izotopu olan Trityum, ilk kez 1934’te Ernest Rutherford, Mark Oliphant ve Paul Harteck tarafından bir parçacık hızlandırıcıda döteron-döteron bombardımanı yoluyla üretildi ve iyonlaşma yöntemleriyle tespit edilebilir izler verdi.^[93] Doğal trityum, atmosferik azot ile kozmik ışın etkileşimlerinden çok küçük miktarlarda oluşur, ancak üretim II. Dünya Savaşı sırasında reaktörlerdeki nötron akısını artırmak da dahil olmak üzere nükleer uygulamalar için ölçeklendirildi.^[93]

Döteryum oksitten türetilen ağır su ($D_2O$), ilk üretimini 1934’ten itibaren Norveç’teki Norsk Hydro’nun Vemork tesisinde, elektrolitik hidrojen konsantrasyonu ve ardından oksidasyon ve damıtma kullanarak gördü.^[94] II. Dünya Savaşı sırasında Müttefik sabotajı, Nazi Almanyası’nın potansiyel nükleer silahlar için ağır suya erişimini engellemek amacıyla bu tesisi hedef aldı, çünkü döteryumun protyuma kıyasla daha düşük nötron absorpsiyon kesiti nedeniyle reaktörlerde verimli bir nötron moderatörü olarak hizmet eder.^[94] Savaş sonrası, ağır su, grafit moderatörlü tasarımlarda plütonyum üretimini mümkün kıldı ve zenginleştirme olmadan doğal uranyum kullanan, 1971’den beri faaliyette olan Kanada’nın CANDU sistemleri gibi basınçlı ağır su reaktörlerine (PHWR’ler) yakıt sağladı.^[95]

Hidrojen izotop ayrımı, 20. yüzyılın ortalarında gaz difüzyonu, hidrojen akımlarının kriyojenik damıtılması ve kimyasal değişim süreçleri gibi yöntemlerle ilerledi ve nükleer yakıt döngüleri için hayati önem taşıyan zenginleştirme faktörlerine ulaşıldı.^[96] Damlatmalı yatak (trickle-bed) katalizi ile birleştirilen elektroliz, protyumun tercihen açığa çıktığı kinetik izotop etkilerinden yararlanarak protyum-döteryum fraksiyonlaması için verimli bir yöntem olarak ortaya çıktı.^[96] 20. yüzyılın sonlarına gelindiğinde, bu teknikler nötron ışınlaması altında lityum döterit reaksiyonları yoluyla füzyon battaniyelerinde trityum üretimini (breeding) destekledi.

21. yüzyılda, hidrojen izotopları nükleer füzyon araştırmalarının temelini oluşturmaktadır; döteryum-trityum (D-T) reaksiyonu, yüksek kesiti ve enerji verimi (füzyon olayı başına 17.6 MeV açığa çıkarır, esas olarak 14 MeV’lik bir nötron olarak) nedeniyle tercih edilmektedir ve Ulusal Ateşleme Tesisi’ndeki (National Ignition Facility) 2022 ateşlemesi gibi net enerji kazanımı gösterimlerini mümkün kılmaktadır.^[46] Devam eden çabalar, paladyum membranlar ve kriyopompalar kullanarak tokamak egzoz akımlarındaki trityumun geri kazanılması ve saflaştırılmasına odaklanmakta ve 2025’te ilk plazması planlanan ITER gibi cihazlarda sürdürülebilir operasyonlar için envanter zorluklarını ele almaktadır.^[97] Kuantum eleme (quantum sieving) için metal-organik çerçeveler (MOF’lar) dahil olmak üzere gelişmiş malzemeler, geleneksel kriyojenik yöntemleri aşan oda sıcaklığında ayırma verimliliği vaat etmekte ve potansiyel olarak füzyon yakıt maliyetlerini düşürmektedir.^[98] Bu gelişmeler, kataliz çalışmalarında izotopik etiketleme ve döteryum ikameli izleyiciler aracılığıyla gelişmiş petrol geri kazanımı gibi daha geniş hidrojen uygulamalarına kadar uzanmaktadır.^[99]

Doğal Oluşum

Kozmik Dağılım ve Yıldız Rolü

Hidrojen, kütlece evrendeki sıradan (baryonik) maddenin yaklaşık %73-75’ini ve atom sayısı bakımından yaklaşık %90’ını oluşturur; geri kalanı esas olarak Büyük Patlama nükleosentezi sırasında onunla birlikte üretilen helyumdur.^[100][101] Bu ilksel hidrojen, Büyük Patlama’dan sonraki ilk birkaç dakika içinde, evren protonların ve nötronların hafif çekirdekler halinde birleşmesi için yeterince soğuduğunda oluştu ve daha fazla helyum füzyonu baskın hale gelmeden önce çoğunlukla hidrojen-1 (protonlar) ve iz miktarda döteryum verdi.^[102] Kozmik mikrodalga arka plan dalgalanmalarının ve hafif element oranlarının gözlemleri bu bollukları doğrulamaktadır; kütlece hidrojenin yaklaşık %0.0025’i oranındaki döteryum seviyeleri hassas bir baryon yoğunluğu sondası görevi görür.^[103]

Yıldızlararası ortamda ve galaksiler arası gazda, hidrojen ağırlıklı olarak nötr atomik (HI) veya moleküler (H2) formlarda bulunur; iyonize plazma boşlukları ve galaksi dış bölgelerini doldurur. Son taramalar, dağınık iyonize hidrojenin galaksilerin etrafındaki daha önce “kayıp” olan baryonik kütlenin kabaca yarısını oluşturduğunu göstermektedir.^[104] Yıldızlar, işlenmiş hidrojenin büyük kısmını içerir ve anakol evrelerinde kütlelerinin %70-75’ini oluştururken, dağınık gaz işlenmemiş ilksel fraksiyonu tutar.^[42] Bu dağılım, hidrojen ağırlıklı bulutların kozmik zaman boyunca yıldızlara ve galaksilere yerçekimsel çöküşünü yansıtır ve sonraki dönemlere kadar minimal ağır element kirlenmesi olmuştur.

Hidrojen, yıldızlarda birincil nükleer yakıt olarak hizmet eder; düşük kütleli yıldızlarda proton-proton zinciri veya büyük kütleli yıldızlarda CNO döngüsü yoluyla helyuma füzyon ile parlaklıklarını (luminosity) artırır ve anakol ömrü boyunca yerçekimsel büzülmeye karşı koyan enerji açığa çıkarır.^[105] Çekirdek hidrojeninin tükenmesi yıldız çekirdeğini büzer, kabuk füzyonunu ateşler ve kırmızı dev evrelerine genişlemeyi teşvik ederken, büyük kütleli yıldızlarda bu durum daha ağır element yanmasından ve potansiyel süpernovalardan önce gelir.^[106] Yıldız oluşumu, soğuk moleküler hidrojen bulutlarında başlar; burada yerçekimsel kararsızlık gazı çökertip ön yıldız füzyonunu ateşler ve rüzgarlar ve patlamalarla fırlatılan hidrojeni sonraki nesilleri beslemek üzere geri dönüştürür.^[100]

Karasal Kaynaklar ve Jeolojik Süreçler

Hidrojen, Dünya’da yüksek reaktivitesi ve kararlı bağlar oluşturma veya atmosferden kaçma eğilimi nedeniyle serbest moleküler hidrojen (H₂) yerine öncelikle su (H₂O), hidrokarbonlar ve sulu mineraller gibi bileşik formlarda bulunur. Yer kabuğunda hidrojen, kütlece yaklaşık %0.14 oranında bulunur ve elementler arasında onuncu sırada yer alır; esas olarak silikat minerallerine ve organik maddeye dahil olmuştur.^[107] Okyanuslar, deniz suyuna bağlı hidrojenin en büyük rezervuarını temsil ederken, atmosfer, öncelikle su buharının fotokimyasal ayrışmasından ve mikrobiyal aktiviteden kaynaklanan hacimce yaklaşık milyonda 0.5 parça serbest H₂ içerir; ancak jeolojik akışlar bu havuza minimum düzeyde katkıda bulunur.

Jeolojik süreçler, biyolojik aracılıktan bağımsız abiyotik reaksiyonlar yoluyla serbest H₂ üretir ve serpantinleşme baskın mekanizmadır. Bu süreç, peridotit gibi ultramafik kayaçlardaki demirli (ferrous) demirin, tipik olarak 400°C’nin altındaki sıcaklıklarda su tarafından oksidasyonunu içerir ve protonların indirgenmesi yoluyla H₂ verir: $2FeO + H_2O \rightarrow Fe_2O_3 + H_2$. Serpantinleşme, ofiyolit komplekslerinde, okyanus ortası sırtlarında ve yitim (subduction) zonlarında meydana gelir ve ilişkili akışkanlarda ve gazlarda hacimce yüzde birkaça varan H₂ konsantrasyonları üretir. Radyoliz, kabuk kayaçlarındaki doğal uranyum, toryum ve potasyum izotoplarından gelen iyonlaştırıcı radyasyonun su moleküllerini ayrıştırdığı ($2H_2O \rightarrow 2H_2 + O_2$) başka bir anahtar kaynak sağlar ve granitik batolitler gibi düşük geçirgenlikli ortamlarda verim artar. Küresel tahminler, radyolitik H₂ üretim oranlarının gram kayaç başına yılda $10^{-12}$ ila $10^{-10}$ mol H₂ mertebesinde olduğunu ve derin akiferlerde veya çatlaklarda biriktiğini göstermektedir.

Volkanik ve hidrotermal sistemler, manto kaynaklı uçucuların gazdan arınması ve yüksek sıcaklık ortamlarındaki su-kaya etkileşimleri yoluyla yılda 9.6 ± 7.2 megaton olduğu tahmin edilen en büyük yeraltı H₂ akısına katkıda bulunur. Kısmi erime ve uçucu salımı dahil olmak üzere derin manto süreçleri de H₂’yi serbest bırakabilir, ancak doğrudan örneklemenin sınırlı olması nedeniyle nicelendirme belirsizliğini korumaktadır. Bu süreçler, geçirimsiz tuzlar veya şeyllerle kapatılmış gözenekli rezervuarlar gibi jeolojik tuzaklarda doğal birikimlere yol açabilir; bunun bir kanıtı, Mali’deki Bourakebougou sahasında 1987’de açılan bir su kuyusunun, yaklaşık 100 metre sığ derinliklerdeki çatlaklı Prekambriyen temelden %97’nin üzerinde H₂ içeren gaz vererek yılda 5 ila 50 ton üretim yapmasıdır. Benzer rezervuarlar Arnavutluk ofiyolitlerinde tanımlanmış ve kıta ortası bölgelerde jeofizik haritalama yoluyla çıkarım yapılmıştır; ABD Jeolojik Araştırmalar Kurumu (USGS) değerlendirmeleri, en az 30 eyaletin altında yatan demir zengini kratonik alanlardaki potansiyeli vurgulamaktadır. Birikimler, üretimin sızıntıyı veya oksidasyonu aştığı yerlerde, genellikle demir zengini Prekambriyen kalkanlarında veya faylı ultramafiklerde oluşur, ancak keşif henüz başlangıç aşamasındadır ve toplam geri kazanılabilir kaynak tahminleri küresel olarak trilyonlarca ton arasında geniş bir yelpazede değişmektedir.^[108]

Üretim

Fosil Yakıt Kaynaklı Yöntemler

Fosil yakıt kaynaklı hidrojen üretimi için baskın yöntem, hammadde olarak doğal gazı kullanan ve küresel hidrojen çıktısının kabaca %75’ini oluşturan buhar metan reformlamadır (SMR).^[109] Bu endotermik süreçte metan, nikel bazlı bir katalizör varlığında 700–1.000 °C sıcaklıklarda ve 3–25 bar basınçlarda buharla reaksiyona girerek karbon monoksit ve hidrojen verir: $CH_4 + H_2O \rightarrow CO + 3H_2$.^[109] Ardından gelen su-gaz değişim reaksiyonu, ek karbon monoksiti hidrojene dönüştürür: $CO + H_2O \rightarrow CO_2 + H_2$; bu işlem verimi en üst düzeye çıkarmak için tipik olarak iki aşamada (yüksek ve düşük sıcaklık değişimleri) gerçekleşir.^[109] SMR için genel verimlilik, proses entegrasyonuna ve ısı geri kazanımına bağlı olarak %70-85’e ulaşır; modern tesisler buhar ihracatı hariç optimize edilmiş senaryolarda %81’e kadar ulaşmaktadır.^[110]

SMR tesisleri, hem reformlama reaksiyonlarından hem de proses ısısı için doğal gazın yanmasından kaynaklanan, kg hidrojen başına yaklaşık 9–12 kg CO₂ olmak üzere önemli karbondioksit emisyonlarıyla hidrojen üretir.^[109] Küresel olarak, SMR’nin hakim olduğu fosil yakıt bazlı yöntemler, 2023’te talep edilen 97 milyon ton hidrojenin %95’inden fazlasını sağladı; bu talep öncelikle amonyak sentezi, rafinasyon ve kimyasallar içindi.^[111] Amerika Birleşik Devletleri’nde, yıllık üretilen 10 milyon metrik tonun neredeyse %99’u bu tür kaynaklardan elde edilmektedir.^[112]

Kömür gazlaştırma, özellikle Çin gibi bölgelerde yaygın olan bir başka büyük fosil kaynaklı yoldur ve dünya çapındaki hidrojen üretiminin yaklaşık %20–30’una katkıda bulunur.^[113] Süreç, sentez gazı (syngas—CO ve H₂ karışımı) üretmek için kömürün buhar ve sınırlı oksijen ile yüksek sıcaklıklarda (1.000–1.500 °C) ve basınçlarda reaksiyona girmesini, ardından su-gaz değişimi ve hidrojeni izole etmek için gaz temizlemeyi içerir.^[113] Bu yöntem, karbon yoğun hammadde ve tipik olarak %60-70 arasında değişen eksik gazlaştırma verimliliği nedeniyle SMR’den daha yüksek emisyonlar (kg H₂ başına yaklaşık 18–25 kg CO₂) verir.^[113]

Hidrokarbonların (doğal gaz veya daha ağır yağlar dahil) kısmi oksidasyonu (POX), ısı gereksinimlerini dengelemek için genellikle ototermal reformlama için SMR ile entegre edilen alternatif veya tamamlayıcı bir süreç olarak hizmet eder.^[109] POX’ta, oksijenle stokiyometrik altı yanma ekzotermik olarak sentez gazı üretir: $2CH_4 + O_2 \rightarrow 2CO + 4H_2$; bu, saf SMR’ye kıyasla daha hızlı reaksiyon hızları ve daha küçük reaktör hacimleri sağlar, ancak birim hammadde başına daha düşük hidrojen verimi sunar.^[109] Bu yöntem ağır kalıntılar veya uzak gaz kaynakları için uygundur ancak daha fazla CO₂ üretir ve saf oksijen üretimi gerektirir, bu da enerji maliyetlerini ve kg H₂ başına yaklaşık 15–20 kg CO₂ emisyonunu ekler.^[109]

Elektroliz ve Düşük Emisyonlu Yollar

Elektroliz, bir elektrik akımını sudan geçirerek hidrojeni üretir; suyu katotta hidrojene ve anotta oksijene ayrıştırır, genellikle iletkenliği artırmak için bir elektrolit varlığında yapılır.^[114] Süreç, sistem verimliliğine bağlı olarak üretilen kilogram hidrojen başına yaklaşık 50-55 kWh elektrik gerektirir.^[115] Ticari elektrolizörler %56-73 sistem verimliliğine ulaşır; gelişmiş tasarımlarda daha yüksek verimlilikler mümkündür ancak termodinamik kısıtlamalar ve aşırı potansiyeller ile sınırlıdır.^[116]

Su elektroliz teknolojilerinin birincil türleri şunları içerir: Sıvı potasyum hidroksit elektroliti ve nikel bazlı elektrotlar kullanan, büyük ölçekli, kararlı durum çalışması için uygun Alkali Elektroliz (AWE); protonları iletmek için katı bir polimer membran kullanan, daha yüksek akım yoğunlukları ve değişken güç girdilerine hızlı yanıt sunan Proton Değişim Membranı (PEM) elektrolizi; ve ısı entegrasyonu yoluyla potansiyel olarak daha yüksek verimlilikler için seramik elektrolitlerle yüksek sıcaklıklarda (700-1000°C) çalışan Katı Oksit Elektroliz (SOEC), ancak dayanıklılık zorluklarıyla karşı karşıyadır.^[114][117] Anyon Değişim Membranı (AEM) elektrolizi, alkali ve PEM sistemlerinin yönlerini birleştiren, gelişmekte olan bir varyantı temsil eder ancak ticari olarak daha az olgundur.^[117]

Düşük emisyonlu hidrojen için elektroliz, elektrik üretimiyle ilişkili sera gazı emisyonlarını en aza indirmek amacıyla rüzgar veya güneş gibi yenilenebilir kaynaklarla veya nükleer enerjiyle güçlendirilmelidir; bu tür “yeşil” veya “pembe” hidrojen, genellikle fosil yakıtlara dayanan şebeke elektriğinin karbon yoğunluğundan kaçınır.^[114] Küresel olarak, elektrolitik hidrojen toplam üretimin %4’ünden azını oluşturur ve yeşil hidrojen yüksek maliyetler ve sınırlı yenilenebilir kapasite nedeniyle daha da küçük bir kesri oluşturur, ancak proje boru hatları 2024’te nihai yatırım kararına ulaşan 40 GW’ın üzerinde elektrolizör kapasitesiyle potansiyel büyümeye işaret etmektedir.^[118][119]

Elektrolitik hidrojen için üretim maliyetleri bugün kg başına 3 ila 6 dolar arasında değişmekte olup, toplam maliyetlerin %70’ini aşabilen elektrik fiyatlarından büyük ölçüde etkilenmektedir; yenilenebilir enerjiyle çalışan sistemler genellikle 5$/kg’ı aşarken, karbon yakalama içermeyen fosil bazlı yöntemler için bu maliyet 1-2$/kg’dır. Projeksiyonlar, ölçeklendirme, daha ucuz yenilenebilir enerjiler ve verimlilik kazanımlarıyla 2040 yılına kadar maliyetlerin 2-3$/kg’a düşebileceğini öne sürüyor, ancak kesintili arza uyan dinamik operasyon, optimize edilmiş senaryolarda %63’e varan maliyet düşüşü için esas olmaya devam ediyor.^[120][121]

Temel zorluklar arasında, doğrudan elektrifikasyon ihtiyaçlarıyla rekabet eden yüksek elektrik talebi; kg hidrojen başına yaklaşık 9-15 litre su tüketimi (kurak bölgelerde kaynakları zorlar); ve PEM sistemlerinde iridyum katalizörleri gibi malzeme bulunabilirliğinden kaynaklanan ölçeklenebilirlik sınırları, ayrıca elektrot bozulması ve kirlenmeyi önlemek için saf su ihtiyacı yer alır.^[122][114] Yenilenebilir enerjilerin kesintili olması depolama veya hibrit sistemleri gerektirirken, sıfıra yakın emisyona ulaşmak yukarı akış tedarik zinciri emisyonlarını ele almayı gerektirir; bu da elektrolitik yolların uygulanabilirliğinin, yalnızca doğal süreç avantajlarından ziyade bol, düşük maliyetli temiz güce bağlı olduğunun altını çizer.^[111][123]

Gelişmekte Olan ve Biyolojik Yöntemler

Fotoelektrokimyasal (PEC) su ayrıştırma, güneş ışığını emmek ve harici güç girişi olmadan su elektrolizi için elektron üretmek üzere yarı iletken malzemeler kullanan, hidrojen üretimi için gelişmekte olan bir yöntemi temsil eder. Son gelişmeler, yük ayrımını ve kararlılığı artıran I-III-VI yarı iletken kuantum noktalarının geliştirilmesini içerir ve 2024 itibariyle laboratuvar prototiplerinde %10’a yaklaşan güneşten hidrojene verimlilikler elde edilmiştir.^[124] 100 saatin üzerinde sürekli çalışma gösteren pilot sistemlerle ölçeklendirme zorlukları devam etmektedir, ancak fotokorozyona direnmek için dayanıklı fotoanotlar gereklidir.^[125]

Genellikle platin gibi feda edici ajanlar veya eş katalizörlerle eşleştirilen fotokatalitik hidrojen evrimi, görünür ışık kullanımını iyileştiren heteroeklem (heterojunction) malzemelerinde ilerleme kaydetti ve optimize edilmiş kurulumlarda 10.000 μmol h⁻¹ g⁻¹ katalizör oranlarına ulaştı.^[126] Haziran 2025’te MIT araştırmacıları tarafından gösterilen yeni bir alüminyum-deniz suyu reaksiyonu, soda kutularından geri dönüştürülmüş alüminyum kullanarak talep üzerine hidrojen üretiyor ve kaynağında CO₂ emisyonu olmadan gram alüminyum başına 1.3 litreyi aşan verimle taşınabilir uygulamalar için potansiyel ölçeklenebilirlik sunuyor.^[127] Konsantre güneş ısısıyla çalışan kükürt-iyot süreçleri gibi termokimyasal döngüler, yüksek teorik verimlilikler (%50’ye kadar) sunar ancak yüksek sıcaklık ortamlarında malzeme bozulması sorunlarıyla karşılaşır.^[128]

Biyolojik yöntemler, öncelikle karanlık fermantasyon, fotobiyolojik süreçler ve fotofermentasyon yoluyla yenilenebilir hammaddelerden hidrojen üretimi için mikroorganizmaları kullanır, ancak genel verimlilikler substrat enerjisinin hidrojene dönüşümünde %1-5 gibi düşük seviyelerde kalmaktadır.^[129] Clostridium türleri gibi anaerobik bakteriler tarafından yapılan karanlık fermantasyon, biyokütle atıklarından karbonhidratları piruvat bozunması yoluyla hidrojene dönüştürür ve mezofilik koşullar (30-40°C) ve pH 5-6 altında mol glikoz başına 2-4 mol H₂ verimi elde eder.^[130] Fermentatif bakterilerin genetik mühendisliği, hidrojenaz enzimlerinin aşırı ekspresyonu yoluyla verimi %20-50 artırmıştır, ancak inhibitör birikimi (örneğin asitler) endüstriyel uygulanabilirliği sınırlar.^[131]

Chlamydomonas reinhardtii gibi yeşil alglerde fotobiyolojik üretim, oksijen oluşumunu baskılamak için kükürt yoksunluğundan sonra [FeFe]-hidrojenaz aracılı su ayrıştırma yoluyla gerçekleşir; laboratuvar ölçeğindeki oranlar 0.5-1 mL H₂ L⁻¹ h⁻¹ ve güneş verimliliği %2’nin altındadır.^[132] Alg ve bakteri ortak kültürleri, oksijen inhibisyonunu hafifleterek verimi artırır ve algal biyokütleden hidrojen çıktısında %10’a varan iyileşme sağlar.^[133] Mor sülfürsüz bakteriler (örneğin Rhodobacter) tarafından yapılan fotofermentasyon, anaerobik ışık koşulları altında organik asitleri kullanır ve mol asetat başına 3-7 mol H₂ üretir, ancak karmaşık atıklardan daha yüksek genel verimlilik için entegre karanlık-foto sistemleri gerektirir.^[134] Ekonomik analizler, biyolojik yolların hammadde optimizasyonuna ve biyoreaktör tasarımındaki ilerlemelere bağlı olarak ölçek büyütme ile 3-5$/kg H₂ maliyetlerine ulaşabileceğini göstermektedir.^[135]

Depolama ve Taşıma

Depolama Teknikleri

Hidrojen depolama teknikleri, gazı sıkıştırmaya veya sıvılaştırmaya dayanan fiziksel yöntemleri ve katılara kimyasal veya fiziksel adsorpsiyonu içeren malzeme tabanlı yaklaşımları kapsar. Fiziksel depolama, aşırı koşullar yoluyla daha yüksek yoğunluklar elde eder ancak sıkıştırma veya soğutma için enerji cezalarına maruz kalır; malzeme tabanlı yöntemler ise daha yavaş kinetik ve malzeme maliyetleri pahasına ortam koşulları için potansiyel sunar. ABD Enerji Bakanlığı (DOE), 2020 yılına kadar yerleşik araç depolama sistemleri için ağırlıkça %5.5 gravimetrik kapasite ve 0.040 kg H₂/L hacimsel kapasite hedefleri belirlemiştir, ancak birçok sistem sistem düzeyindeki verimsizlikler nedeniyle pratikte yetersiz kalmaktadır.^[136][137]

Sıkıştırılmış gaz depolama, hidrojeni takviyeli tanklarda 350–700 bar (5.000–10.000 psi) basınca çıkarmayı içerir; bu tanklar genellikle hafif uygulamalar için karbon fiber kompozitlerden yapılır. Bu yöntem, 700 barda ağırlıkça %5–6 civarında sistem gravimetrik kapasiteleri ve 0.040 kg H₂/L’ye varan hacimsel yoğunluklar sağlar, araçlar ve küçük ölçekli kullanımlar için uygundur, ancak sıkıştırma için önemli enerji (hidrojenin alt ısıl değerinin %15’ine kadar) gerektirir. Yüksek basınçlardan kaynaklanan güvenlik endişeleri, ISO 19881 gibi standartlara göre sertifikalandırılmış sağlam tank tasarımlarını gerektirir ve tehlikeye girerse yırtılma riski taşır.^[136][138]

Sıvı hidrojen depolama, gazı ortam basıncında 20.28 K (-252.87°C) kaynama noktasına soğutarak, yalıtımlı devarlarda yaklaşık 0.070 kg H₂/L’lik daha yüksek hacimsel yoğunluklar elde eder; ancak günde %0.2–3’lük kaynama kayıpları, uzun süreli depolama için aktif soğutma gerektirir. NASA’nın SLS roketi gibi uzay uygulamalarında kullanılan bu teknik, sıvılaştırma için hidrojenin enerji içeriğinin yaklaşık %30-40’ını tüketir ve karasal taşımacılık için verimliliği sınırlar. Orto-para dönüşüm katalizörleri dönüşüm ısısını azaltır, ancak kriyojenik kullanım malzemelerde donma ve gevrekleşme riskleri oluşturur.^[136][139]

Malzeme bazlı depolama, hidrojen atomlarının metal kafeslerine girdiği metal hidritleri (örn. $LaNi_5H_6$ veya $MgH_2$) içerir; bunlar ortam basıncına yakın basınçlarda ve 300°C’nin altındaki sıcaklıklarda ağırlıkça %4–8 tersinir kapasiteler sunar. Bu sistemler daha düşük basınçlar nedeniyle daha güvenli kullanım sağlar ancak yavaş absorpsiyon/desorpsiyon kinetiği, yüksek termal yönetim ihtiyaçları (endotermik salım için 30 kJ/mol H₂’ye kadar) ve ufalanma nedeniyle döngülerde bozulma sorunları yaşar. $NaAlH_4$ veya amonyak boran gibi kimyasal hidritler ağırlıkça %7–10 depolar ancak salım için genellikle hidroliz veya yüksek sıcaklıklar gerektirir, bu da onları birçok uygulama için geri döndürülemez hale getirir ve yakıt ikmalini zorlaştırır.^[140][141]

Teknik	Gravimetrik Kapasite (ağırlıkça %)	Hacimsel Kapasite (kg H₂/L)	Çalışma Koşulları	Temel Zorluklar
Sıkıştırılmış Gaz (700 bar)	5–6	0.040	Ortam sıcaklığı, yüksek basınç	Sıkıştırma enerjisi, tank ağırlığı/maliyeti
Sıvı H₂	100 (saf) / ~10 sistem	0.070	-253°C, 1 bar	Kaynama, sıvılaştırma enerjisi
Metal Hidritler	4–8	0.015–0.050	25–300°C, 1–100 bar	Kinetik, döngü kararlılığı
Kimyasal Hidritler	7–10	Değişken	Genellikle geri döndürülemez salım	Yakıt ikmali karmaşıklığı, yan ürünler

İlerlemelere rağmen, hiçbir tek teknik yaygın benimsenme için verimlilik, maliyet ve güvenlik taleplerini tam olarak karşılamamaktadır; örneğin, tank ve yardımcı donanımlar nedeniyle sistem düzeyindeki yoğunluklar saf hidrojenin teorik sınırlarının altında kalmaktadır ve devam eden araştırmalar hibrit yaklaşımları hedeflemektedir.^{[136][142][143]}

Altyapı Zorlukları

Özel bir hidrojen altyapısı geliştirmek, gazın düşük hacimsel enerji yoğunluğu (doğal gazın yaklaşık üçte biri) nedeniyle önemli teknik, ekonomik ve düzenleyici engellerle karşı karşıyadır; bu da verimli taşıma ve depolama için özel yüksek basınçlı veya kriyojenik sistemleri gerektirir.^[144][145] Boru hatları birincil bir engeldir; yeni hidrojen boru hatları, taşınan enerji birimi başına eşdeğer yeni doğal gaz boru hatlarının kabaca iki katına mal olur; tahminler, hidrojen gevrekleşmesini azaltmak için çap ve malzeme gereksinimlerine bağlı olarak maliyetlerin %68’e kadar daha yüksek olduğunu göstermektedir.^[146][144] Mevcut doğal gaz altyapısının hidrojen harmanlama veya tam dönüşüm için güçlendirilmesi (retrofitting), boru hattı durumuna ve hidrojen oranına göre değişen ek masraflar getirir ve genellikle hidrojenin difüzif özelliklerinden kaynaklanan çatlamayı önlemek için kapsamlı malzeme yükseltmeleri gerektirir.^[147][148]

500 km’nin üzerindeki daha uzun mesafeli taşımacılık için, sıkıştırılmış gaz kamyonları veya sıvılaştırılmış hidrojen nakliyesi gibi alternatifler ek zorluklar getirir; bunlar arasında hidrojenin enerji içeriğinin %30-40’ını tüketen ve sıcaklıkları -253°C’nin altında tutmak için özel kriyojenik kaplar gerektiren enerji yoğun sıvılaştırma süreçleri yer alır.^[149] Kamyon taşıma maliyetleri, 300 km’nin üzerindeki mesafeler için kg başına 1-2 doları aşabilir ve bu da sübvansiyonlar olmadan büyük ölçekli dağıtımı ekonomik olmaktan çıkarır.^[149] Depolama altyapısı bu sorunları daha da karmaşık hale getirir; sıkıştırılmış gaz halindeki hidrojen 350-700 bar’da tanklar talep ederken, sıvı depolama günde %0.2-3’lük kaynama kayıplarına maruz kalır ve bu da operasyonel karmaşıklığı ve maliyetleri artıran havalandırma veya yeniden sıvılaştırma sistemlerini gerektirir.^[150][151]

Hidrojen araçları için yakıt ikmal istasyonları gibi son kullanım dağıtım ağları küresel olarak seyrek kalmaya devam etmektedir; 2025 itibariyle 1.000’den az operasyonel istasyon bulunmaktadır ve bunlar Kaliforniya ve Japonya gibi bölgelerde yoğunlaşmıştır. İstasyon başına 2-3 milyon dolarlık yüksek sermaye maliyetleri ve belirsiz talep ölçeklenebilirliği sınırlamaktadır.^[152] Tesislere yönelik “arka bahçemde değil” (NIMBY) muhalefeti ve yetki alanına göre değişen ve proje zaman çizelgelerini yavaşlatan hidrojen kullanımı için tutarsız güvenlik standartları dahil olmak üzere düzenleyici ve izin gecikmeleri ilerlemeyi daha da engellemektedir.^[153][154] Bu faktörler, 2050 yılına kadar net sıfır hedeflerine ulaşmak için trilyonlarca küresel harcama gerektireceği tahmin edilen yüksek ön maliyetler ve altyapı boşlukları arasında birçok düşük emisyonlu hidrojen projesinin iptal edilmesi veya gecikmesiyle kalıcı yatırım eksikliğine katkıda bulunmaktadır.^[155][156]

Uygulamalar

Endüstriyel ve Kimyasal Kullanımlar

Hidrojen, 2020 itibariyle yıllık 90 milyon metrik tonu aşan küresel tüketimle, ağırlıklı olarak kimyasal sentez ve rafinasyon için olmak üzere çok sayıda endüstriyel süreçte temel bir hammadde ve indirgeyici ajan olarak hizmet eder.^[157] Hidrojenin yaklaşık %55’i, gübreler için $NH_3$ oluşturmak üzere demir bazlı katalizörler varlığında yüksek basınç ve sıcaklık (tipik olarak 150-300 bar ve 400-500°C) altında azotla reaksiyona girdiği Haber-Bosch işlemi yoluyla amonyak üretiminde kullanılır.^[158] Bu süreç küresel enerji kullanımının yaklaşık %1-2’sini oluşturur ve hidrojen ağırlıkça hammaddenin kabaca %70-80’ini oluşturur.^[159]

Petrol rafinasyonunda hidrojen, düşük kükürtlü yakıt standartlarını karşılamak (örneğin ultra düşük kükürtlü dizel için 10 ppm’in altı) için kükürt safsızlıklarını gideren ve ağır hidrokarbonları benzin ve jet yakıtı gibi daha hafif ürünlere dönüştüren hidro-işlem (hydrotreating) ve hidrokraking süreçleri için gereklidir.^[160] Rafineriler, artan dizel üretimi ve daha ağır ham petrol listeleriyle talebin artmasıyla üretilen hidrojenin yaklaşık %40-50’sini tüketmektedir; örneğin ABD rafinerileri 2022’de günde 18 milyon varilden fazla ham petrolü işlemek için hidrojen kullanmıştır ve bunun çoğu hidrojen ilavesini içermektedir.^[157] Bu reaksiyonlar 300-450°C ve 30-100 barda, genellikle kobalt-molibden katalizörleriyle gerçekleşir ve yan ürün olarak hidrojen sülfür verir.^[161]

Hidrojenasyon reaksiyonları, metanol sentezi ($CO + 2H_2 \rightarrow CH_3OH$; 200-300°C ve 50-100 barda bakır-çinko katalizörlerle) dahil olmak üzere çeşitli kimyasal üretimleri destekler; bu işlem hidrojenin yaklaşık %10-12’sini tüketir ve formaldehit, asetik asit ve yakıtlar için ara ürünler üretir.^[8] Gıda endüstrisinde, 120-180°C’de nikel katalizörler kullanılarak bitkisel yağların kısmi hidrojenasyonu, doymamış yağları yarı katı margarinlere ve katı yağlara dönüştürerek erime noktalarını ve kararlılığı değiştirir; ancak tam hidrojenasyon, sağlık sorunlarıyla bağlantılı trans yağlardan kaçınır.^[162] Diğer uygulamalar arasında ilaçların, vitaminler gibi hassas kimyasalların ve doymamış bağlara seçici ekleme yoluyla polimerlerin üretimi yer alır.^[163]

Metalürjide hidrojen, demir cevherinin doğrudan indirgenmesi (örneğin bazı DRI tesislerinde doğal gazla hidrojen harmanlanması) gibi süreçlerde indirgeyici ajan olarak ve metallerin oksidasyonu önlemek için tavlanması ve sinterlenmesi için koruyucu bir atmosfer olarak işlev görür; ayrıca yarı iletken plaka temizliği için elektronikte ve kalay banyoları için indirgeyici koşullar oluşturmak üzere cam şamandıra (glass float) üretiminde kullanılır.^[164] Çelik üretimi şu anda karbon bazlı yöntemlere kıyasla sınırlı hidrojen hacimleri kullanmaktadır, ancak toz metalurjisi ve kaynak akılarını mümkün kılar.^[165] Genel olarak, bu kullanımlar, çoğu ilgili emisyonlarla birlikte fosil türevli tedarike dayansa da, hidrojenin yüksek saflıkta ürünleri ve süreç verimliliğini sağlamadaki rolünü vurgulamaktadır.^[166]

Enerji Taşıyıcı ve Yakıt Uygulamaları

Hidrojen, elektrik enerjisini elektroliz yoluyla kimyasal forma dönüştürerek bir enerji taşıyıcısı işlevi görür ve şebeke kısıtlamaları nedeniyle aksi takdirde kısıtlanacak olan yenilenebilir kaynaklardan üretilen gücün depolanmasını ve taşınmasını sağlar. Yakıt hücrelerinde oksijenle yeniden birleştirildiğinde veya motorlarda yakıldığında, kullanım noktasında doğrudan $CO_2$ çıktısı olmadan enerji açığa çıkarır ve öncelikle su buharı yayar.^[111] Bu yol, bataryaların yoğunluk ve döngü ömrü sınırlamalarının alternatifleri kısıtladığı mevsimsel veya uzun mesafeli enerji transferi için uygundur. Ancak, girdi elektriğinden çıktı işine kadar olan uçtan uca verimlilik %25-40 civarındadır; bu oran, elektroliz kayıpları (yaklaşık %70 verimli), sıkıştırma veya sıvılaştırma ve yakıt hücreleri aracılığıyla yeniden dönüşümü (%50-60 verimli) faktörlerine dayanır ve kısa süreli depolama için lityum-iyon pillerin %80-90’lık gidiş-dönüş verimliliğinin çok altındadır.^[167][168]

Yakıt hücreli elektrikli araçlar (FCEV’ler), hidrojenin elektrik motorları için elektrik üretmek üzere proton değişim membran yığınlarını beslediği birincil bir uygulamayı temsil eder. Toyota’nın Mirai ve Hyundai’nin Nexo gibi modelleri, tank başına 400 mili aşan menzillere ulaşmış, batarya ağırlığının yükü engellediği ağır hizmet kamyon taşımacılığı veya otobüsler için cazip hale gelmiştir. Yine de, küresel FCEV satışları 2025’in ilk yarısında büyük pazarlarda düşüş gösterdi; yıl ortasına kadar ABD’de kümülatif olarak 20.000 adetten az satıldı, bu da seyrek yakıt ikmal altyapısını (dünya çapında 100 istasyonun altında) ve 10$/kg’ı aşan hidrojen maliyetlerini vurguluyor. Pazar projeksiyonları 2030 yılına kadar 2 milyara büyüme öngörüyor ancak benimseme, bu engeller nedeniyle bataryalı EV’lerin büyüklük sıralaması kadar gerisinde kalıyor.^[169]

İçten yanmalı motorlarda hidrojen yanması (H2-ICE), gaz veya sıvı hidrojen enjekte ederek mevcut dizel mimarilerini uyarlar ve karbon emisyonlarını ortadan kaldırırken benzine kıyasla güç yoğunlukları sağlar. Cummins ve Volvo, yakıt hücrelerinin maliyet açısından engelleyici olduğu uzun mesafeli navlun gibi sektörleri hedefleyerek kamyonlar ve deniz taşıtları için H2-ICE’yi sürdürüyor. Optimize edilmiş prototiplerde verimlilik %40-45’e ulaşır, ancak yüksek yanma sıcaklıklarından kaynaklanan NOx oluşumu, fakir yanma (lean-burn) stratejilerini veya egzoz son işlemini gerektirir.^[170][171] Eleştirmenler, hidrojenin düşük hacimsel enerji yoğunluğunun daha büyük tanklar gerektirmesi ve çoğu mobil kullanım için elektrifikasyona kıyasla genel sistem uygulanabilirliğini azaltması gibi doğal verimsizlikleri vurgulamaktadır.^[172]

Havacılık ve uzayda, sıvı oksijenle eşleştirilmiş kriyojenik sıvı hidrojen (LH2), Uzay Fırlatma Sistemi (Space Launch System) üzerindeki NASA’nın RS-25’i gibi yüksek itişli motorlara güç verir ve hidrojenin yüksek kütleye özgü enerjisi (120 MJ/kg) sayesinde üst aşama itkisi için 450 saniyenin üzerinde özgül itici kuvvet sağlar.^[173] SpaceX, Starship için LH2 yerine metanı tercih ediyor; bu, daha kolay depolama ve daha yüksek yoğunluk sağlayarak yeniden kullanılabilirlik döngüleri sırasında hidrojenin kaynama kayıplarını ve gevrekleşme risklerini önlüyor.^[174] Bloom Energy’nin katı oksit sistemleri gibi sabit yakıt hücreleri, 2025 yılına kadar megawatt ölçeğine ulaşan dağıtımlarla şebeke yedeklemesini veya mikro şebekeleri desteklemektedir, ancak toplam üretimin %1’inin altındaki sübvansiyonlu düşük emisyonlu hidrojen kaynaklarına bağımlıdır.^[175] Genel olarak, hidrojenin yakıt rolü niş yüksek enerji yoğunluğu ihtiyaçlarında genişlemektedir ancak üretim ekonomisi ve altyapı açıklarından kaynaklanan ölçeklenebilirlik engelleriyle karşı karşıyadır.^[176]

Özelleşmiş ve Niş Kullanımlar

Yarı iletken üretiminde, hidrojen tavlaması (annealing), silikon plakaları temizlemek için kritik bir süreç olarak hizmet eder; 600°C ile 1200°C arasındaki sıcaklıklarda dakikada 5 ila 40 litre yüksek saflıkta hidrojen akış hızları altında doğal oksitleri aşındırarak arayüz kalitesini iyileştirir ve sonraki epitaksiyel büyüme veya cihaz üretimi için kusur yoğunluklarını azaltır.^[177] Bu teknik, silikon-silikon dioksit arayüzündeki sarkan bağları hidrojen sonlandırması yoluyla en aza indirerek, tamamlayıcı metal-oksit-yarı iletken (CMOS) cihazlarda elektriksel performansı artırır, ancak hidrojen kaynaklı bozulmayı önlemek için hassas kontrol gerektirir.^[178]

Atomik hidrojen kaynağı, bir hidrojen koruyucu atmosferi içinde iki tüketilmez tungsten elektrot arasında çakılan bir elektrik arkı kullanır; moleküler hidrojeni atomik forma ayrıştırarak, paslanmaz çelik veya alaşımlar gibi ince, oksidasyona duyarlı metallerin hassas bir şekilde birleştirilmesi için 5000°C’ye kadar sıcaklıklar üretir.^[179] 1920’lerde tanıtılan bu yöntem, düşük bozulma ve akı gereksinimi olmayan temiz, yüksek saflıkta kaynaklar üretir ve ince tel örgü veya ince levhalar gibi hassas uygulamalar için uygun hale getirir, ancak gaz metal ark kaynağının yükselişi ve ekipman taşınabilirlik sorunları nedeniyle 1960’lardan sonra benimsenmesi azalmıştır.^[180]

Gelişmekte olan tıbbi uygulamalar, moleküler hidrojeni bir inhalasyon tedavisi olarak veya zararlı reaktif oksijen türlerini seçici olarak nötralize etmek için suda çözünmüş olarak araştırmaktadır; klinik deneyler solunum yolu hastalıkları ve kalp durması sonrası iyileşme gibi durumlarda enflamasyonu ve oksidatif stresi azaltmada potansiyel faydalar bildirmektedir; örneğin, 2023 tarihli bir çalışma incelemesi, hidrojen inhalasyonunun sitokin seviyelerini modüle ederek akut solunum sıkıntısı sendromu hastalarında sonuçları iyileştirdiğini bulmuştur.^[181] Ancak bu etkiler, rutin klinik kullanım için büyük randomize kontrollü kanıtlardan yoksun olan küçük ölçekli denemelerden (genellikle n<100) ve klinik öncesi modellerden kaynaklanmaktadır ve mekanizmalar, geniş bir radikal temizleyiciden ziyade hafif bir antioksidan olarak hidrojenin hücre zarları boyunca difüzyonuna atfedilmektedir.^[182] Gıda muhafazasında, ambalajdaki hidrojenle zenginleştirilmiş atmosferler, lipid peroksidasyonunu ve mikrobiyal büyümeyi engelleyerek çilek gibi bozulabilir ürünlerin raf ömrünün uzatıldığını göstermiştir; %2-4 hidrojen karışımlarının 4°C’de hava kontrollerine kıyasla besin ve duyusal nitelikleri 7 güne kadar daha uzun süre koruduğu deneylerde gösterilmiştir.^[183] Bu tür uygulamalar deneysel kalmaya devam etmekte, öncelikle oksidasyona duyarlı ürünler için laboratuvar ortamlarında doğrulanmakta olup, ölçeklenebilirlik gaz taşıma maliyetleri ve doğrudan gıda teması için düzenleyici onayla sınırlıdır.^[184]

Güvenlik ve Tehlikeler

Yanıcılık ve Patlama Riskleri

Hidrojen, havada hacimce %4 alt patlama sınırı ve %75 üst patlama sınırı ile geniş bir yanıcılık aralığına sahiptir; bu, metan (%5-15) gibi tipik hidrokarbonlardan daha geniş bir konsantrasyon spektrumunda tutuşmayı mümkün kılar.^[185][186] Bu geniş aralık, sızıntılar veya havalandırma sırasında yanıcı karışımların oluşma olasılığını artırır. Gerekli minimum tutuşma enerjisi yaklaşık 0.02 mJ’dir ve benzinden (yaklaşık 0.24 mJ) önemli ölçüde düşüktür; bu da statik elektrik, mekanik sürtünme veya elektrik arklarından kaynaklanan kıvılcımların yanmayı kolayca başlatmasına izin verir.^[185] Kendiliğinden tutuşma 535-560°C civarındaki sıcaklıklarda meydana gelir, ancak gazın hassasiyeti nedeniyle tutuşma kaynakları genellikle daha düşük enerjilidir.^[187]

Ulusal Yangın Koruma Birliği (NFPA), hidrojene maksimum olan 4 yanıcılık derecesini atar; bu, kolayca yandığını, atmosferik basınçta tamamen buharlaştığını ve ciddi yangın tehlikeleri oluşturduğunu belirtir.^[188] Hidrojen alevleri gün ışığında çıplak gözle neredeyse görünmezdir, hidrokarbon yangınlarının isi veya parlaklığından yoksundur, bu da görsel tespiti geciktirir ve müdahale zorluklarını artırır.^[189][190] Düşük yoğunluğu (standart koşullarda 0.0899 kg/m³), serbest bırakıldığında hızlı bir şekilde yukarı doğru dağılmasına neden olur ve potansiyel olarak tavanların altında veya muhafazaların havalandırılmayan üst alanlarında birikerek zemin seviyesindeki sensörler tarafından tespit edilemeyen yanıcı katmanlar oluşturabilir.^[191]

Kapalı ortamlarda, tutuşmuş hidrojen-hava karışımları 2.7 m/s’yi aşan alev hızlarıyla parlama (deflagrasyon) olarak yayılır ve belirli geometriler ve konsantrasyonlar altında patlamalara (detonasyon) dönüşebilir; 15-20 bar’a kadar tepe aşırı basınçlar (başlangıç atmosferik basıncını çok aşan) oluşturarak katastrofik yapısal hasara neden olabilir.^[192][193] Bu tür geçişler, türbülansı hızlandıran ve alev cephesini sıkıştıran engeller veya hapislik (confinement) ile teşvik edilir. Ancak patlamalar hem hapislik hem de hava gibi bir oksitleyici gerektirir; oksijen girişi olmayan kapalı bir kaptaki saf hidrojen yanmayı veya patlamayı sürdüremez.^[185] Ampirik testler, LEL’e yakın fakir karışımların bile yukarı doğru yayılabileceğini ancak hasar verici basınç oluşumu için yeterli hacim gerektirdiğini doğrulamaktadır.^[194]

Elleçleme ve Azaltma Önlemleri

Hidrojenin güvenli kullanımı, tüketici tesislerindeki gaz halindeki ve sıvılaştırılmış hidrojen sistemlerini yöneten OSHA 1910.103 ve sıkıştırılmış gaz veya kriyojenik sıvı formlarının üretimi, kurulumu, depolanması, boru tesisatı ve kullanımı için koruma önlemleri sağlayan Hidrojen Teknolojileri Kodu NFPA 2 gibi yerleşik standartlara uyumu gerektirir.^[195][196] Bu yönetmelikler, basınçlı sistemler üzerinde çalışmadan bağlantıların sızdırmazlık testini yapmayı ve yalnızca hidrojene adanmış regülatörler kullanmayı içeren sistem bütünlüğünü vurgular.^[197]

Azaltma önlemleri, hidrojenin düşük tutuşma enerjisi ve hızla yükselme eğilimi göz önüne alındığında sızıntıları ve tutuşmayı önlemeye odaklanır. Temel uygulamalar arasında, hidrojen kokusuz ve renksiz olduğu için erken sızıntı tespiti için hidrojene özgü sensörlerin kurulması, bunların taşınabilir dedektörler ve küçük sızıntıları belirlemek için sabun köpüğü çözeltileriyle desteklenmesi yer alır.^[198][199] Yeterli havalandırma potansiyel birikimleri dağıtırken, operasyonlardan önce sistemlerin inert gazla temizlenmesi patlama risklerini en aza indirir.^[200]

Depolama ve taşıma protokolleri, yangın fıskiyeli havalandırmalı dolapları, ısı kaynaklarından ve yanıcılardan ayrılmayı ve silindirlerde akış kısıtlayıcıların kullanılmasını zorunlu kılar. Personel, tehlikeler ve acil durum prosedürleri konusunda kapsamlı eğitim alarak ateşe dayanıklı giysiler, kimyasallara dayanıklı eldivenler ve koruyucu gözlükler giymelidir.^[201][202] Yangınlar için su etkili bir soğutma maddesi olarak hizmet ederken, hızlı kapanma için izolasyon vanaları ve yangına dayanıklı bariyerler de kullanılır.^[203] Düzenli risk değerlendirmeleri ve kıvılcım veya statik elektrik gibi tutuşma kaynaklarının ortadan kaldırılması tehlikeleri daha da azaltır.^[204]

Sınırlamalar ve Tartışmalar

Verimlilik ve Ekonomik Gerçekler

Düşük emisyonlu “yeşil” hidrojen için birincil yöntem olan elektroliz yoluyla hidrojen üretimi, aşırı potansiyeller, ısı dağılımı ve sıkıştırma gereksinimleri nedeniyle önemli enerji kayıplarıyla birlikte %50-70 pratik verimliliklere ulaşır.^[205][206] Buna karşılık, küresel çıktının %95’inden fazlasını domine eden buhar metan reformlama (SMR), %65-75 verimlilikte çalışır ancak doğal gaza dayanır ve önemli miktarda CO2 yayar. Bu süreçler hidrojenin doğal enerji cezasını vurgulamaktadır: optimal elektroliz bile kg hidrojen başına yaklaşık 50-55 kWh gerektirir, bu da üretilen hidrojendeki sadece 33 kWh’lik enerji içeriğine eşdeğerdir.^[109]

Enerji depolama ve şebeke uygulamaları için, hidrojenin gidiş-dönüş verimliliği—elektroliz, depolama ve yakıt hücreleri aracılığıyla yeniden dönüşümü kapsayan—%30-50 arasında değişmektedir; bu, lityum-iyon pillerin %85-95’inin çok altındadır.^[207][208] Yakıt hücreleri hidrojeni elektriğe %40-60 verimlilikle dönüştürürken, hidrojen yanmalı motorlar yalnızca %20-30 elde eder, bu da mobil veya güç üretimi kullanımlarındaki kayıpları artırır.^[209] Bu verimsizlik, termodinamik sınırlardan ve pratik geri döndürülemezliklerden kaynaklanır ve hidrojeni, piller yoluyla doğrudan elektrifikasyonun daha fazla kullanılabilir enerjiyi koruduğu kısa veya orta süreli depolama için uygunsuz hale getirir.

Ekonomik olarak, yeşil üretim için seviyelendirilmiş hidrojen maliyeti (LCOH), elektrolizörler için yüksek sermaye maliyetleri (500-1000 $/kW civarında) ve elektrik fiyatları nedeniyle 2024’te kg başına 4-8$ seviyesindeydi; buna kıyasla gri hidrojen 1-2$ civarındadır. Karbon yakalama ve depolamayı (CCS) fosil bazlı üretime dahil eden mavi hidrojen, CO2’nin sadece %50-90’ını yakalar, bu da potansiyel olarak fosil yakıt bağımlılığını kilitlerken CCS ölçeklenebilirlik şüpheleriyle karşı karşıya kalır.^[215] Ampirik değerlendirmeler, yenilenebilir enerjilerin elektrolize (%60-80 verimlilikle) yönlendirilmesinin, pillerin %85-95 gidiş-dönüş verimliliğine ulaştığı doğrudan elektrifikasyonu zayıflattığını, hidrojenin ise sıkıştırma, depolama ve yakıt hücrelerini içeren güçten-güce döngüler için %18-46 verimlilikte kaldığını vurgulamaktadır.^[216][207] Su ayrıştırma ve yeniden birleştirme sırasındaki termodinamik kayıplara dayanan bu enerji cezası, hidrojenin elektrik veya ısı için geniş bir ikame yerine niş rollere uygun olduğunu göstermektedir.^[206]

Ekonomik ve ölçeklenebilirlik zorlukları şüpheciliği daha da artırıyor. Küresel hidrojen talebi 2024’te 100 milyon tona ulaştı, ancak IEA analizine göre proje gecikmeleri ve maliyet aşımları nedeniyle 2030 için düşük emisyonlu üretim potansiyeli yıllık 37 milyon tona düştü; arazi, su ve altyapı talepleri nedeniyle yeşil hidrojenin 2035 yılına kadar nihai enerji arzının %1’ini aşması muhtemel değil.^[217][218] Avrupa ve ABD’deki sübvansiyonlar—Enflasyon Azaltma Yasası gibi yasalarla milyarlarca doları bulan—pilotları yönlendirse de, eleştirmenler bunların piyasaları bozduğunu, gelişmiş nükleer veya verimlilik kazanımları gibi kanıtlanmış seçenekler yerine hidrojeni tercih ettiğini ve projeksiyonların başarısız olması durumunda atıl varlık riski taşıdığını savunuyor.^[175] Buna karşılık savunucular, kaçınılmaz fosil kullanımlarını hedefleyerek 2060 yılına kadar 1.72 trilyon dolarlık alternatif karbondan arındırma maliyetinden kaçınma potansiyelini vurguluyor, ancak bu, terawatt ölçeğinde kanıtlanmamış elektrolizör dağıtımı ve tedarik zincirlerinde atılımlar varsayıyor.^[219]

Alternatiflerle yapılan karşılaştırmalar nedensel ödünleşimlerin (trade-offs) altını çiziyor: güç üretiminde hidrojenin kayıpları kesintili kaynaklara bağımlılığı artırırken, piller veya pompaj depolamalı hidroelektrik günlük döngüler için üstün depolama ekonomisi sunar; endüstri için ısı pompaları veya biyokütle yoluyla elektrifikasyon, birçok süreç için fizibilitede hidrojenden daha iyi performans gösterebilir.^[220] Jeopolitik boyutlar çekişme ekliyor; güneş zengini bölgelerden hidrojen ihracatı enerji güvenliği vaat ederken, doğal gaza benzer ithalat bağımlılıkları konusunda endişeleri artırıyor, bu da boru hattı dönüşüm maliyetleri ve güvenlik riskleriyle birleşiyor.^[212] Genel olarak, hidrojen seçili uygulamalar için umut vaat etse de, enerji dönüşüm verimsizliklerinin ve ampirik üretim gerçeklerinin ilk ilkeler değerlendirmesi, evrensel savunuculuk yerine hedeflenen dağıtıma öncelik vererek hidrojen ağırlıklı bir geçiş beklentilerini yumuşatmaktadır.^[221]

İzotop	Sembol	Nötron	Atomik Kütle (u)	Kararlılık	Doğal Bolluk
Protyum	\(^1H\)	0	1.0078	Kararlı	~99.985%
Döteryum	\(^2H\)	1	2.0141	Kararlı	~0.015%
Trityum	\(^3H\)	2	3.0160	Radyoaktif (\(t_{1/2}=12.32\) yıl)	İz (\(10^{-18}\))