Istoria și utilizările hidrogenului

Hidrogenul este cel mai simplu și cel mai comun dintre elementele chimice, care sunt elementele constitutive ale întregii materii. Ceilalți atomi sunt formați din protoni, neutroni și electroni. Dar hidrogenul are doar un singur electron și un singur proton. Este, de asemenea, cel mai abundent element. De fapt, hidrogenul reprezintă aproximativ trei sferturi din toată materia din univers.

Știați că?

Statele Unite produc aproximativ 85 de milioane de metri cubi de hidrogen în fiecare an. Această cantitate este echivalentă cu de peste 50 de ori volumul Rogers Centre din Toronto!

Hidrogenul este un nemetal incolor și inodor. În forma sa cea mai comună, este extrem de combustibil. Cu alte cuvinte, are tendința de a izbucni în flăcări. Această tendință face din hidrogen atât o resursă foarte periculoasă, cât și una foarte utilă.

Când a fost descoperit hidrogenul?

Hidrogenul a fost descoperit pentru prima dată în 1671 de către omul de știință britanic Robert Boyle. El făcuse experimente cu diferite metale prin scufundarea lor în acid. Atunci când un metal pur este plasat în acid, are loc un tip de reacție numită reacție de deplasare unică. De exemplu, adăugarea unei bucăți de potasiu (K) într-o soluție de acid clorhidric (HCl) provoacă următoarea reacție:

2K + 2HCl → 2KCl + H2

Metalul de potasiu solid reacționează cu acidul pentru a forma o sare numită clorură de potasiu. Între timp, atomii de hidrogen rămași se combină pentru a forma hidrogen gazos.

Într-o lucrare din 1776, un om de știință britanic pe nume Henry Cavendish a confirmat că hidrogenul este un element distinct. Atât Boyle, cât și Cavendish au observat că hidrogenul gazos este foarte inflamabil. Mai exact, acesta suferă rapid și violent o reacție de combustie cu oxigenul.

2H2 + O2 → 2H2O (+ Căldură)

Reacția ia moleculele de hidrogen și oxigen și le combină împreună pentru a forma H2O (apă). Această reacție este exotermă. Asta înseamnă că generează energie termică – cu alte cuvinte, foc. Alți oameni de știință aveau să descopere mai târziu că hidrogenul furnizează combustibilul pentru reacțiile de fuziune nucleară care au loc în interiorul stelelor. Aceste reacții de fuziune generează toată lumina și căldura pe care Soarele și alte stele le produc.

Știați că?

Hidrogenul se topește la 14° peste zero absolut (14° Kelvin sau -259 C

La ce a fost folosit hidrogenul în trecut?

Pe lângă inflamabilitatea sa, Boyle și Cavendish au observat, de asemenea, că hidrogenul este mai puțin dens (mai ușor) decât aerul. Hidrogenul este excelent pentru a ridica lucruri precum baloanele. În acest fel, este similar cu al doilea cel mai simplu element, heliul. De fapt, hidrogenul este chiar mai bun la ridicarea lucrurilor decât heliul. Așadar, a fost doar o chestiune de timp până când oamenii au început să proiecteze baloane umplute cu hidrogen pentru transport. Până la începutul anilor 1900, dirijabilele mari care foloseau hidrogenul ca gaz de ridicare au devenit o formă populară de călătorie cu avionul.

Cu toate acestea, nebunia dirijabilelor umplute cu hidrogen nu a durat mult timp. În 1937, o tragedie s-a produs în Statele Unite. Dirijabilul german Hindenburg a luat foc și a explodat la Lakehurst, New Jersey, omorând 36 de persoane.

Proiectanții de nave aeriene știau că hidrogenul este inflamabil și că heliul era o alegere mai sigură. Cu toate acestea, heliul era rar și scump. Așa că au optat pentru varianta mai ieftină, dar mai puțin sigură. După dezastrul de la Hindenburg, hidrogenul a fost rapid abandonat ca gaz de ridicare. În același timp, avioanele deveneau din ce în ce mai frecvente.

La ce a fost folosit hidrogenul mai recent?

Ați văzut probabil videoclipuri cu lansarea unei navete spațiale de la Centrul Spațial Kennedy sau cu andocarea la Stația Spațială Internațională. Acest program a fost anulat în 2011. Dar, până atunci, naveta a fost principala modalitate prin care astronauții NASA ajungeau în spațiu. V-ați întrebat vreodată ce a alimentat acele motoare imposibil de uriașe? Era hidrogenul!

Motorul principal al navetei spațiale a fost alimentat prin arderea hidrogenului lichid și a oxigenului lichid. Câtă energie oferă arderea hidrogenului? Atât de multă încât este greu de imaginat! Trei motoare ale navetei spațiale care lucrează împreună au produs aproximativ aceeași cantitate de energie ca 120 de locomotive de cale ferată.
Inginerii NASA au înțeles, de asemenea, cât de periculos poate fi hidrogenul. Cu toate acestea, ei au decis că pot profita de toată această putere brută atâta timp cât sunt foarte atenți.

În ultima vreme, oamenii au fost din ce în ce mai interesați de reducerea impactului lor asupra mediului. O modalitate de a face acest lucru este să nu mai ardă combustibil pentru a alimenta mașinile. Există un mare interes pentru dezvoltarea de mașini alimentate cu pile de combustie cu hidrogen. Partea bună a utilizării hidrogenului pentru alimentarea mașinilor este că, spre deosebire de benzină, produsul rezidual nu este un gaz cu efect de seră – este apă!

Știați că?

În 2018, există trei mașini alimentate cu hidrogen în producție. Honda, Hyundai și Toyota produc fiecare câte o mașină alimentată cu hidrogen.

În comparație cu Hindenburg, mașinile alimentate cu hidrogen nu trebuie să fie super ușoare ca baloanele, astfel încât combustibilul este comprimat și depozitat în rezervoare foarte rezistente pentru a preveni scurgerile. Cea mai bună soluție ar fi să stocăm combustibilul sub formă solidă și nu sub formă de gaz. Materialul poate arde în continuare în urma unui accident. Cu toate acestea, ar fi puțin probabil să explodeze. Riscul de incendiu în caz de accident este aproximativ același ca în cazul unei mașini alimentate cu benzină.

Dar una dintre principalele probleme legate de utilizarea hidrogenului ca sursă de combustibil pentru mașini este depozitarea. Hidrogenul are mai multă energie decât benzina în greutate, dar are mai puțină energie în volum. Asta înseamnă că aveți nevoie de un rezervor destul de mare de hidrogen gazos pentru a conduce mașina pe o distanță rezonabilă înainte de a o realimenta. Rezervoarele de benzină ale majorității mașinilor sunt prea mici pentru a stoca suficient hidrogen pentru a se deplasa în oraș!

Cercetătorii au încercat să transforme hidrogenul din gaz în solid. Motivul pentru aceasta este densitatea energetică scăzută. Atunci când hidrogenul este absorbit într-o substanță chimică solidă, acesta poate căpăta o densitate energetică mai mare. Cercetătorii academici, industriali și guvernamentali analizează cu toții acest mod inovator de a aduce hidrogenul în prim-planul economiei energetice.

.