Hidrojen Atomu: Evrenin ham maddesi dünyada neredeyse hiç yok, şimdi onu bir balonda ürettik

Kaynak: Kein Lander, Pexels

Geceleri gökyüzüne baktığınızda ne görürsünüz? Herkesin farklı bir cevabı olabilir ama gerçek şu ki, oradaki neredeyse her şey hidrojidir. Periyodik tablodaki ilk element, evrendeki en yaygın madde. Yıldızların yakıtı ve daha ağır elementlerin milyarlarca yıl boyunca oluşturulduğu ham madde. Hatta Güneş‘in merkezinde, hidrojen atomlarını birleştiren bir fırın.

Bu bolluğa rağmen, hidrojen atomu bir asırdan fazla bir süredir kimya laboratuvarında neredeyse tamamen erişilemez durumda. Garip bir ironi; fizikçiler modern bilimin var olduğu kadar süredir hidrojen atomunu inceliyor.

Aslında hidrojen atomu, fizik tarihinin en çok çalışılan ve en iyi anlaşılan sistemi. Niels Bohr’un ünlü atom yapısı modelini düşünün—hidrojen atomu üzerine kurulmuştu. Erwin Schrödinger, ünlü kuantum dalga denklemini önce onun için çözdü. Paul Dirac ise kuantum mekaniğini parçacıklar ve atomlar teorisiyle Albert Einstein’ın özel göreliliğiyle birleştirdiğinde, elementin ince yapısının birçok yönünü ortaya çıkardı.

Sentez kimyacıları için, kimyasal bileşikler ve moleküller kuran kimyacılar için neredeyse ulaşılabilir değildi—şimdiye kadar.

Açıkçası, gaz tüpünden gelen hidrojen molekülünden bahsetmiyorum; bu, bir araya bağlanmış iki hidrojen atomundan oluşur. Hidrojen iyonundan da bahsetmiyorum (bir fazla elektrona sahiptir) ya da protondan—hidrojen atomunun atom çekirdeğini oluşturan bir parçacık. Söylediğim şey, yalnız, sade hidrojen atomu: tek bir proton etrafında yörüngede dönen tek bir elektron.

Bu eşleşmemiş tek elektron, onu kimyacıların “radikal” dediği şey yapar: tüm kimyanın en temel tepkime türü. Yakın zamana kadar, onu üretmek için gereken koşullar o kadar aşırıydı ki, sentez kimyacılarının kullanabileceği bir araç değildi.

Bu noktaya nasıl geldik

1912’de, 1932’de Kimya alanında Nobel Ödülü’nü kazanacak olan General Electric’te çalışan Amerikalı kimyacı Irving Langmuir, atomik hidrojeni geçici olarak üreten ilk bilim insanı oldu. Bunu, moleküler hidrojeni volfram tel üzerinde 1.700°C’nin üzerine ısıtarak, hidrojen gazını ayrı hidrojen atomlarına parçalararak gerçekleştirdi. Bu atomlar daha soğuk bir metal yüzeyde birleştiğinde, devasa miktarlarda enerji salarak 3.400°C ile 4.000°C arasında sıcaklıklar üretiyor.

Aslında bu ısı, ısının en dirençli metali olan volframı kaynatmak için yeterli kanıtlandı. Onlarca yıl boyunca bu yöntem, en güçlü endüstriyel kaynatma işlemlerinden biriydi.

Ve ilerleme sürdü. 1922’de, daha sonra Fizik alanında Nobel Ödülü’nü kazanacak olan Alman-Amerikalı fizikçi James Franck, 254 nanometrelik ultraviyole ışına maruz kalan cıva atomlarının bu enerjiyi absorbe edip ardından hidrojen moleküllerine aktararak onları atomlara parçalayabildiğini keşfetti.

Cıva fotosensitleme olarak adlandırılan bu süreç, temelde fiziksel bir temele dayanıyordu; ancak kimya yapmak için kullanılmak üzere tasarlanmamıştı. Ve işe yarasa da, ağır şekilde düzenlenen toksik cıva buharının kullanımı ve özel ultraviyole lambaları gerektiriyordu.

Hidrojen atomlarının sentetik reaktif (kimyasal tepkimeleri oluşturabilen, kontrol edebilen veya destekleyebilen yapay maddeler) olarak gerçekten kullanışlı olabileceğini fark eden ilk kimyacı, Yale Üniversitesi’nden Robert Crabtree oldu. 1991 yılında Amerikan Kimya Derneği Dergisi‘nde yayımladığı bir makalede, Franck’ın cıva fotosensitleme işleminin uyarlanabileceğini gösterdi.

Süreccte oluşturulan hidrojen atomları, plastiklerin yapı taşı olan olefinler gibi organik bileşiklerdeki çift karbon bağlarını (iki karbon atomunun iki bağlanma elektronu yerine dört bağlanma elektronu ile birbirine bağlandığı yer) kırmak için kullanılabilirdi. Bu, hidrojen atomunun başarılı bir şekilde kimya yapmak—örneğin yeni ilaçlar keşfetmek—için kullanılabileceğini göstermesi açısından önemli bir çalışmaydı.

Ancak bu yöntem hâlâ toksik cıva buharı ve özel bir UV lambası gerektiriyordu. Kritik olan, ayrıca sıvı çözeltilerde çalışmaması, bunun yerine buhar gerektirmesiydi. Sentetik kimya ise çözeltilerde yapılır (bileşenleri sıvıda karıştırmak daha kolaydır). Bu nedenle Crabtree’den sonra da hidrojen atomu sentetik kimyacılar için ulaşılabilir olmadı.

Bir balon ve bir lamba

University College London’daki laboratuvarım, o açığı kapatmayı hedefledi. Oda sıcaklığında, sıv bir çözeltilde, sıradan laboratuvar ekipmanlarıyla hidrojen atomu oluşturmak mümkün mü olduğunu merak ediyordum. Şaşırtıcı gelecek kadar, tüm bu yıllardan sonra cevabın evet olduğu görülüyor. Sonuçları artık Amerikan Kimya Derneği Dergisi‘nde yayımladık.

Bu çalışmaya laboratuvarımda yalnızca başladım. Ancak şansım, Almanya’daki Potsdam’daki Max Planck Kolloidler ve Arayüzler Enstitüsü’nden doktora sonrası araştırmacı Nils Flodén’in işbirlikçisi olarak yakında bana katılmasıydı.

Yöntemimiz, iki ucuz ve ticari olarak temin edilebilen kimyasal kullanır: hidrazin (iki azot atomu ve dört hidrojen atomundan oluşan bir molekül) ve tiyofenol (karbon, hidrojen ve kükürt karışımından oluşan). Birbirleriyle karıştırıldığında ve standart bir LED lambasından yakın-ultraviole ışığa maruz bırakıldığında, yalnızca 30°C’de hidrojen atomu üretirler. Sonuç beni şaşırttı. Toksik cıva buharı kullanmadık, aşırı sıcaklıklar gerekmedi. İhtiyacımız olan tek şey bir balon, bir lamba ve herhangi bir kimyasal tedarikçiden alınabilecek iki reaktifti.

Hidrazin ve tiyofenol karıştırıldığında, yakın-ultraviole ışığı soğuran ara bir madde oluştururlar. Bu, bir elektronun yer değiştirerek kısa ömürlü, son derece kararsız bir tür oluşturmasını tetikler; bu tür hızla parçalanır ve bu sırada bir hidrojen atomu salar.

Ama hedefimiz, hızla kaybolan geçici bir hidrojen atomu oluşturmak değildi—onu kimya yapmak için kullanmak istedik. Ve oluşturduğumuz hidrojen atomunun, organik moleküllerle tepkimeye girebileceğini keşfettik; bu tepkimeler, karbon çift bağlarına eklenerek daha az tepkimeye giren (daha kararlı) tek bağlar oluşturmak ve halojenleri (flor, iyot ve klor gibi) uzaklaştırmak gibi birçok kimyasal deneyde kritik öneme sahip.

Bu kararsız ara ürünün kesin doğası hâlâ inceleniyor, ancak güncel bulgularımız, fizikçilerin Rydberg radikalı dediği bir türü işaret ediyor; burada bir elektron, bütün sistemin parçalanmadan önce molekülün etrafında olağandışı derecede büyük ve yaygın bir yörüngede bulunuyor. Aslında hipotezimiz, Nobel ödüllü Gerhard Herzberg’in 1981 yılında yayımladığı, amonyak (amonyum radikalı) adı verilen bir Rydberg radikaline dair çalışmalarından esinlenmiştir.

Hidrojen atomu oluşturduğumuzu nasıl biliyoruz? Manyetik parmak izleriyle tanımlayabildiğimiz, kısa ömürlü radikalleri sonuna kadar yakalayabilen kimyasal bir ağdan oluşan, EPR spin-tuzaklama adı verilen bir yöntem kullandık. Bu da hidrojen atomlarının sonunda oluştuğunu ortaya koydu.

Hidrazinin, hidrojen atomlarının daha ağır izotop olan deuterium (nükleüsüne bir nötron eklenen hidrojen atomu) ile değiştirilmiş bir versiyonunu kullandığımızda, tahmin edildiği gibi bunun yerine deuterium atomlarını yakaladık. Bu EPR spektroskopisi, Imperial College London’dan Alberto Collauto ile birlikte gerçekleştirildi.

Radikal saat olarak adlandırılan moleküler bir duraklama aracı, mekanizmayı daha da destekledi. Her deney aynı yöne işaret ediyordu.

Buyla ne yapılabilir?

Sıvı çözeltide pratik bir reaktif olarak hidrojen atomu elde etmek, bundan önce mevcut olmayan olanakları açabilir. En yakın uygulama hidrojendir: hidrojen atomlarını karbon-karbon çift bağının üzerine ekleyerek onu kırmak. Bu, kolesterol tedavilerinden antivirallara kadar uzanan ilaçların üretiminde kullanılan, ilaç üretimindeki en önemli tepkimelerden biridir.

Şu anda endüstriyel hidrojenasyon, çoğu zaman yüksek basınçlı hidrojen gazı altında, katalizör olarak paladyum, rodium veya iridyum gibi metalleri gerektiriyor. Ancak böyle metallerin küresel arzı sınırlı olduğu için pahalı ve ilaç ürünlerinde sıkı düzenlemeye tabiler.

Hidrojen atomu yöntemimiz bunların hiçbirini gerektirmiyor. Metallsizdir, atmosferik basınçta ve oda sıcaklığına yakın koşullarda çalışır. Ancak gerçekten ilaç üretiminde kullanılabilecek mi? Yöntemimizi, diğer kimyasal grupları bozmadan, fluoksetinin (bir SSRI) türevindeki çift bağları, terpenoidlerde (kokular ve aromalarda bulunan bileşikler) ve bir amino asitte indirgedik. Bu, ilaçların vücutta daha kararlı ve daha az tepkimeye giren hale gelmesine yardımcı olabilir.

Aynı zamanda hidrohalojenasyon da dahil olmak üzere, organik moleküllerden halojen atomlarının seçici olarak uzaklaştırılması işlemini gösterdik. Bu işlem, genellikle ilaç adaylarının ince ayarında medicinal kimyada yapılır.

Diğer uygulamalara gelince, hidrojen atomu şu anda mikroişlemci üretiminde yarı iletken yüzeylerin temizlenmesinde endüstriyel olarak kullanılıyor; burada cihaz performansını düşüren doğal olarak oluşan oksit tabakalarını uzaklaştırıyor. Bu süreçler şu anda plazma ekipmanları ve ultra yüksek vakum koşulları gerektiriyor.

Mild çözümümüzün nihayetinde bir alternatif sunabilecek olup olmadığı şu anda bilinmiyor. Ancak ilk kez, araştırılmaya değer gerçek bir alternatif mevcut.

Uzun süredir süren takıntı

Fikri ilk olarak nasıl geliştirdim? İki paralel ilgi alanından doğdu. Uzun süredir hidrojeni temiz bir yakıt olarak ve onu pratik biçimde saklama zorluğuyla büyüleyici buluyorum. Zaten hidrojen, 13 milyar yıldır evrenin yakıtı.

Bu arada, organik kimyada yeni sentetik yöntemler geliştirme üzerinde çalışıyordum. Yaklaşık yarım yıl önce, onlarca yıllık araştırmaya rağmen, tepkimeye giren hidrojen atomunun kendisinin sentetik bir araç olarak neredeyse tamamen keşfedilmediği farkındalığı oluştu. Onu üretmenin pratik bir yolunu bulmak, hidrojen saklama ve ötesi için faydalı olabilirdi. Başlangıç noktası buydu.

Bu nihayetinde bir hayal projesiydi. Ne kadar çok düşünsem, onu bırakmak o kadar zorlaşıyordu. Bir noktada neredeyse beni tamamen içine çekmişti.

Benim için uzun bir yolculuktu. 2010 yılında, Hindistan’ın kuzeyindeki küçük bir köyden gelen bir öğrenci olarak, Berlin’e gitme ve Freie Universität Berlin’den Hans Ulrich Reissig’in laboratuvarında çalışma fırsatı buldum; bu, ayak bastığım ilk araştırma laboratuvarıydı. Makale, 77. yaş günü dolayısıyla ona adandı. Orada, kimyanın benim çağrım olduğu konusunda mutlak kesinlikle ilk kez anladım.

Atomik hidrojeni sentetik kimyagerin laboratuvarına getirmek bir asır almış olabilir, ancak umarız beklemenin değmiş olduğunu kanıtlar.

Dergi bilgisi:
Journal of the American Chemical Society

Bu hikayenin ardındaki kim?

BA sanat tarihi, MA malzeme kültürü. Eski müze editörü, paramedik ve organ nakil koordinatörü. 2021’den beri Science X için düzenleme yapıyor.

Profilin tamamı →

Araştırma deneyimine sahip fizik alanında yüksek lisans. Uzun süredir haberleşen bilim meraklısı. Science X’in editöryal başarısında anahtar rol oynar.

Profilin tamamı →

Bu makale, Creative Commons lisansı altında The Conversation tarafından yeniden yayınlanmaktadır. Orijinal makaleyi okuyun.

Atıf

:
The hydrogen atom: The raw material of the universe barely exists on Earth—now we’ve made it in a flask (2026, 28 Ekim)
28 Ekim 2026 tarihinde
https://phys.org/news/2026-10-hydrogen-atom-raw-material-universe.html

Bu belge telif hakkına tabidir. Özel çalışma veya araştırma amacıyla yapılan adil kullanım dışında, içerik yazılı izinsiz hiçbir şekilde çoğaltılamaz. İçerik yalnızca bilgi amaçlı sunulmaktadır.