Historia i zastosowania wodoru

Wodór jest najprostszym i najbardziej powszechnym z pierwiastków chemicznych, które są budulcem całej materii. Inne atomy składają się z protonów, neutronów i elektronów. Ale wodór ma tylko jeden elektron i jeden proton. Jest to również najbardziej obficie występujący pierwiastek. W rzeczywistości wodór stanowi około trzech czwartych całej materii we wszechświecie.

Czy wiedziałeś?

Stany Zjednoczone produkują około 85 milionów metrów sześciennych wodoru każdego roku. Odpowiada to ponad 50-krotnej objętości Rogers Centre w Toronto!

Wodór jest bezbarwnym, bezwonnym niemetalem. W swojej najbardziej powszechnej formie jest niezwykle łatwopalny. Innymi słowy, ma tendencję do wybuchania w płomieniach. Ta skłonność czyni wodór zarówno bardzo niebezpiecznym, jak i bardzo użytecznym surowcem.

Kiedy odkryto wodór?

Wodór został po raz pierwszy odkryty w 1671 roku przez brytyjskiego naukowca Roberta Boyle’a. Eksperymentował on z różnymi metalami, zanurzając je w kwasie. Kiedy czysty metal jest umieszczony w kwasie, zachodzi typ reakcji zwany reakcją pojedynczego przesunięcia. Na przykład dodanie kawałka potasu (K) do roztworu kwasu solnego (HCl) powoduje zajście następującej reakcji:

2K + 2HCl → 2KCl + H2

Stały metal potasu reaguje z kwasem, tworząc sól zwaną chlorkiem potasu. Tymczasem resztki atomów wodoru łączą się, tworząc wodór gazowy.

W pracy z 1776 r. brytyjski naukowiec o nazwisku Henry Cavendish potwierdził, że wodór jest odrębnym pierwiastkiem. Zarówno Boyle, jak i Cavendish zauważyli, że gazowy wodór jest bardzo łatwopalny. W szczególności, szybko i gwałtownie przechodzi reakcję spalania z tlenem.

2H2 + O2 → 2H2O (+ Ciepło)

Reakcja ta bierze cząsteczki wodoru i tlenu i łączy je razem, tworząc H2O (wodę). Ta reakcja jest egzotermiczna. Oznacza to, że generuje energię cieplną – innymi słowy, ogień. Inni naukowcy odkryli później, że wodór stanowi paliwo dla reakcji fuzji jądrowej, które zachodzą wewnątrz gwiazd. Te reakcje syntezy jądrowej generują całe światło i ciepło, które wytwarza Słońce i inne gwiazdy.

Czy wiesz, że?

Wodór topi się w temperaturze 14° powyżej zera bezwzględnego (14° Kelvina lub -259 C

Do czego wodór był wykorzystywany w przeszłości?

Oprócz łatwopalności Boyle i Cavendish zaobserwowali również, że wodór ma mniejszą gęstość (jest lżejszy) niż powietrze. Wodór jest świetny w podnoszeniu rzeczy takich jak balony. W ten sposób jest podobny do drugiego najprostszego pierwiastka, helu. W rzeczywistości, wodór jest nawet lepszy w podnoszeniu rzeczy niż hel. Było więc tylko kwestią czasu, zanim ludzie zaczęli projektować balony wypełnione wodorem do transportu. Na początku lat 1900, duże sterowce, które używały wodoru jako gazu podnoszącego, stały się popularną formą podróży lotniczych.

Jednakże szaleństwo sterowców wypełnionych wodorem nie trwało długo. W 1937 roku w Stanach Zjednoczonych doszło do tragedii. Niemiecki sterowiec Hindenburg zapalił się i eksplodował w Lakehurst w stanie New Jersey, zabijając 36 osób.

Projektanci sterowców wiedzieli, że wodór jest łatwopalny i że hel był bezpieczniejszym wyborem. Jednak hel był rzadki i drogi. Poszli więc z tańszą, ale mniej bezpieczną opcją. Po katastrofie Hindenburga szybko zrezygnowano z wodoru jako gazu nośnego. W tym samym czasie samoloty stawały się coraz bardziej powszechne.

Do czego ostatnio wykorzystywany jest wodór?

Widziałeś zapewne filmy z wystrzelenia promu kosmicznego z Centrum Kosmicznego Kennedy’ego lub dokowania na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Ten program został anulowany w 2011 roku. Ale do tego czasu wahadłowiec był głównym sposobem astronautów NASA na dostanie się w kosmos. Czy zastanawialiście się kiedyś, co napędzało te niemożliwie ogromne silniki? To był wodór!

Główny silnik promu kosmicznego był zasilany przez spalanie ciekłego wodoru i ciekłego tlenu. Jak dużą moc zapewnia spalanie wodoru? Tak dużo, że aż trudno to sobie wyobrazić! Trzy silniki promu kosmicznego pracujące razem wytwarzają mniej więcej tyle samo energii, co 120 lokomotyw kolejowych.
Inżynierowie NASA zdawali sobie również sprawę, jak niebezpieczny może być wodór. Zdecydowali jednak, że mogą wykorzystać całą tę surową moc, o ile będą bardzo ostrożni.

Ostatnio ludzie są coraz bardziej zainteresowani zmniejszeniem swojego wpływu na środowisko. Jednym ze sposobów na to jest zaprzestanie spalania paliwa do zasilania samochodów. Istnieje duże zainteresowanie w rozwoju samochodów zasilanych wodorowymi ogniwami paliwowymi. Miłą rzeczą w używaniu wodoru do napędzania samochodów jest to, że w przeciwieństwie do benzyny, produktem odpadowym nie jest gaz cieplarniany – jest nim woda!

Czy wiedziałeś?

Jak na rok 2018, w produkcji są trzy samochody napędzane wodorem. Honda, Hyundai i Toyota produkują po jednym samochodzie napędzanym wodorem.

W przeciwieństwie do Hindenburga, samochody napędzane wodorem nie muszą być superlekkie jak balony, więc paliwo jest sprężane i przechowywane w bardzo wytrzymałych zbiornikach, aby zapobiec wyciekom. Najlepszym rozwiązaniem byłoby przechowywanie paliwa w postaci stałej, a nie gazowej. W wyniku wypadku materiał nadal może się zapalić. Jednak eksplozja jest mało prawdopodobna. Ryzyko pożaru w wypadkach jest mniej więcej takie samo jak w przypadku samochodu napędzanego benzyną.

Jednym z głównych problemów z wykorzystaniem wodoru jako źródła paliwa dla samochodów jest przechowywanie. Wodór ma więcej energii niż benzyna według wagi, ale ma mniej energii według objętości. Oznacza to, że potrzebny jest dość duży zbiornik wodoru, aby przejechać samochodem rozsądną odległość przed uzupełnieniem paliwa. Zbiorniki gazu w większości samochodów są zbyt małe, aby pomieścić wystarczającą ilość wodoru do poruszania się po mieście!

Naukowcy patrzyli na przekształcanie wodoru z gazu w ciało stałe. Powodem tego jest niska gęstość energii. Kiedy wodór jest wchłaniany do stałej substancji chemicznej, może uzyskać wyższą gęstość energii. Naukowcy akademiccy, przemysłowi i rządowi przyglądają się temu innowacyjnemu sposobowi wprowadzenia wodoru na czoło gospodarki energetycznej.

.