A hidrogén története és felhasználása

A hidrogén a legegyszerűbb és leggyakoribb kémiai elem, amely minden anyag építőköve. A többi atomot protonok, neutronok és elektronok alkotják. A hidrogénnek azonban csak egy elektronja és egy protonja van. Ez egyben a legnagyobb mennyiségben előforduló elem is. Valójában a hidrogén alkotja az univerzumban található összes anyag mintegy háromnegyedét.

Tudtad?

Az Egyesült Államok évente mintegy 85 millió köbméter hidrogént termel. Ez több mint 50-szerese a torontói Rogers Centre térfogatának!

A hidrogén színtelen, szagtalan nem fém. Leggyakoribb formájában rendkívül gyúlékony. Más szóval, hajlamos lángra lobbanni. Ez a hajlam teszi a hidrogént egyszerre nagyon veszélyes és nagyon hasznos nyersanyaggá.

Mikor fedezték fel a hidrogént?

A hidrogént először 1671-ben fedezte fel Robert Boyle brit tudós. Különböző fémekkel kísérletezett, savba mártva őket. Amikor egy tiszta fémet savba helyezünk, egy olyan típusú reakció megy végbe, amelyet egyszeri kiszorítási reakciónak nevezünk. Például egy darab kálium (K) hozzáadása sósav (HCl) oldatához a következő reakciót idézi elő:

2K + 2HCl → 2KCl + H2

A szilárd káliumfém a savval reagálva a káliumklorid nevű sóvá alakul. Eközben a megmaradt hidrogénatomok hidrogéngázzá egyesülnek.

Egy 1776-os tanulmányában egy Henry Cavendish nevű brit tudós megerősítette, hogy a hidrogén egy különálló elem. Boyle és Cavendish is észrevette, hogy a hidrogéngáz nagyon gyúlékony. Pontosabban, gyorsan és hevesen égési reakcióba lép az oxigénnel.

2H2 + O2 → 2H2O (+ hő)

A reakció során a hidrogén és az oxigén molekulái egyesülnek, és H2O (víz) keletkezik. Ez a reakció exoterm. Ez azt jelenti, hogy hőenergiát – más szóval tüzet – termel. Más tudósok később felfedezték, hogy a hidrogén szolgáltatja az üzemanyagot a csillagok belsejében lejátszódó magfúziós reakciókhoz. Ezek a fúziós reakciók termelik az összes fényt és hőt, amit a Nap és más csillagok termelnek.

Tudtad?

A hidrogén 14°-kal az abszolút nulla fok felett olvad (14° Kelvin vagy -259 C

Mire használták a hidrogént a múltban?

A gyúlékonysága mellett Boyle és Cavendish azt is megfigyelte, hogy a hidrogén kevésbé sűrű (könnyebb) a levegőnél. A hidrogén kiválóan alkalmas olyan dolgok felemelésére, mint a léggömbök. Ebben hasonlít a második legegyszerűbb elemhez, a héliumhoz. Valójában a hidrogén még a héliumnál is jobban képes felemelni dolgokat. Így csak idő kérdése volt, hogy az emberek hidrogénnel töltött léggömböket tervezzenek szállításra. Az 1900-as évek elejére a hidrogént emelőgázként használó nagy léghajók a légi közlekedés népszerű formájává váltak.

A hidrogénnel töltött léghajók őrülete azonban nem tartott sokáig. Az Egyesült Államokban 1937-ben tragédia történt. A német Hindenburg léghajó kigyulladt és felrobbant a New Jersey állambeli Lakehurstnél, 36 ember halálát okozva.

A léghajó tervezői tudták, hogy a hidrogén gyúlékony, és a hélium biztonságosabb választás volt. A hélium azonban ritka és drága volt. Ezért az olcsóbb, de kevésbé biztonságos megoldás mellett döntöttek. A Hindenburg-katasztrófa után a hidrogénről mint emelőgázról gyorsan lemondtak. Ugyanakkor a repülőgépek egyre elterjedtebbé váltak.

Mire használták a hidrogént az utóbbi időben?

Valószínűleg látott már videókat a Kennedy Űrközpontból történő űrsiklóindításról vagy a Nemzetközi Űrállomás dokkolásáról. Ezt a programot 2011-ben törölték. De addig a Shuttle volt a NASA űrhajósai számára a fő módja annak, hogy az űrbe jussanak. Gondolkodott már azon, hogy mi hajtotta azokat a hihetetlenül hatalmas hajtóműveket? Hidrogén volt!

A Space Shuttle fő hajtóművét folyékony hidrogén és folyékony oxigén elégetésével hajtották. Mennyi energiát ad az égő hidrogén? Olyan sokat, hogy azt nehéz elképzelni! A Space Shuttle három hajtóműve együtt dolgozva nagyjából annyi energiát ad ki, mint 120 vasúti mozdony.
A NASA mérnökei azt is megértették, hogy a hidrogén milyen veszélyes lehet. Úgy döntöttek azonban, hogy kihasználhatják ezt a sok nyers energiát, ha nagyon óvatosak.

Az utóbbi időben az emberek egyre inkább érdeklődnek a környezetre gyakorolt hatásuk csökkentése iránt. Ennek egyik módja, hogy nem égetnek többé üzemanyagot az autók meghajtásához. Nagy az érdeklődés a hidrogén üzemanyagcellás autók fejlesztése iránt. A hidrogén üzemanyagként való felhasználásában az a jó, hogy a benzinnel ellentétben a hulladéktermék nem üvegházhatású gáz, hanem víz!

Tudta?

2018-ban már három hidrogénüzemű autót gyártanak. A Honda, a Hyundai és a Toyota egy-egy hidrogénüzemű autót gyárt.

A Hindenburggal ellentétben a hidrogénüzemű autóknak nem kell szuper könnyűnek lenniük, mint a léggömböknek, ezért az üzemanyagot nagyon kemény tartályokban sűrítik és tárolják, hogy megakadályozzák a szivárgást. A legjobb megoldás az lenne, ha az üzemanyagot nem gázként, hanem szilárd anyagként tárolnák. Egy baleset következtében az anyag még mindig eléghet. Az azonban valószínűtlen, hogy felrobbanjon. A baleseteknél a tűzveszély nagyjából ugyanolyan mértékű, mint egy benzinüzemű autó esetében.

A hidrogén autók üzemanyagforrásként való felhasználásának egyik fő problémája azonban a tárolás. A hidrogénnek súlyra számítva több energiája van, mint a benzinnek, de térfogatra számítva kevesebb. Ez azt jelenti, hogy elég nagy tartály hidrogéngázra van szükség ahhoz, hogy az autóval ésszerű távolságot tegyünk meg a tankolás előtt. A legtöbb autó gáztartálya túl kicsi ahhoz, hogy elegendő hidrogéngázt tároljon a városban való közlekedéshez!

A tudósok a hidrogén gázból szilárd anyaggá alakításával foglalkoznak. Ennek oka az alacsony energiasűrűség. Ha a hidrogén szilárd vegyi anyagba kerül, nagyobb energiasűrűségre tehet szert. Akadémiai, ipari és kormányzati kutatók egyaránt vizsgálják ezt az innovatív módszert, amellyel a hidrogén az energiagazdaság élvonalába kerülhet.