Zastosowanie wodoru.

Wodór jest to najprostszym i najlżejszym pierwiastkiem chemicznym, rozpoczynającym układ okresowy. W 1661r. R. Boyle działając na żelazo roztworem kwasu siarkowego otrzymał po raz pierwszy palne powietrze- wodór, jednak nie zainteresował się nim bliżej. W 1766r. angielski chemik H. Cavendish uważał, że jest to czysty flogiston - hipotetyczna substancja uważana w XVII i XVIII w. za przyczynę palności. (Wg teorii "flogistonu" - opracowanej przez chemików niemieckich J. J. Bechera i J. E. Stahla - wszystkie ciała palne, a w szczególności metale, miały składać się z "ziemi" i "flogistonu", a proces spalania - polegać na wydzielaniu flogistonu i uwalnianiu się "ziemi", czyli tlenku. Dopiero pod koniec XVIII w. A. Lavoisier wykazał, że w rzeczywistości spalanie nie polega na utracie żadnej substancji, lecz na przyłączaniu tlenu. Teoria flogistonu, choć absolutnie błędna, przyczyniła się do rozwoju chemii.)

W 1787r. A. Lavoisier uznał wodór za pierwiastek i nadał mu jego łacińską nazwę, która oznacza "tworzący wodę". Wodór jest bezbarwnym gazem bez smaku i zapachu, znacznie lżejszym od powietrza. Jest najlżejszy ze wszystkich gazów. Temperatura topnienia wynosi - 259 C, temperatura wrzenia 252,8 C.

Wodór jest najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem w kosmosie. Znajduje się na Słońcu, gwiazdach i w przestrzeni kosmicznej. Z upływem czasu ulega zużyciu: młode gwiazdy zawierają go więcej niż stare. Na Ziemi występuje głównie w postaci związanej: w wodzie, ropie naftowej, w związkach organicznych stanowiących budulec żywych organizmów roślinnych i zwierzęcych. Wolny wodór bywa niekiedy obecny w gazie ziemnym i gazach wulkanicznych. Występuje także w górnych warstwach atmosfery.

W niskich temperaturach jest dość bierny chemicznie. Reakcja wodoru z tlenem przebiega wybuchowo dopiero w temperaturze 550 C lub po zainicjowaniu iskrą elektryczną. Produktem spalania jest woda H2O. W odpowiednich warunkach wodór reaguje z fluorowcami, azotem, siarką i in. Z niektórymi metalami - np. z I i II grupy, tworzy wodorki.

W laboratoriach otrzymywany jest przez działanie rozcieńczonymi kwasami na metale (np. Zn, Fe), w przemyśle - z gazu wodnego (mieszaniny CO + H2, powstałej przez działanie pary wodnej na rozżarzony koks).
Wodór stosuje się jako surowiec w wielu syntezach przemysłowych, np. do otrzymywania amoniaku, chlorowodoru, utwardzania olejów roślinnych, w syntezie benzyny i in. Jako najlżejszy ze wszystkich gazów jest używany do napełniania balonów. W palnikach tlenowo-wodorowych umożliwia uzyskanie temperatury do 2500 C. Przechowuje się go i przewozi w stalowych butlach pod zwiększonym ciśnieniem. Wodór stanowi źródło energii elektrycznej w ogniwach paliwowych zaopatrujących w energię statki kosmiczne, np. amerykańskie statki "Apollo". W przyszłości, po opanowaniu kontrolowanej syntezy jądrowej, wodór może się stać jednym z najważniejszych źródeł energii.

Obecnie wodór jest najczystszym nośnikiem energii wśród paliw. Należy on do pierwiastków bardzo rozpowszechnionych w przyrodzie, a jego zapasy są praktycznie niewyczerpalne. Stanowi on jedno z najbardziej promowanych paliw alternatywnych przyszłości. Istotnym argumentem dla wykorzystania wodoru jako paliwa jest to, że przemysł chemiczny i metalurgiczny może łatwo przestawić swe technologie na wykorzystanie go jako nośnika energii (zamiast gazu ziemnego). Może on również służyć do napędu wszelkiego rodzaju środków transportu takich jak samochody, koleje, okręty, statki kosmiczne.

W chwili obecnej produkcja paliwa wykorzystującego wodór nie należy do najtańszych, przez co nie jest jeszcze opłacalna. Przy jego uzyskiwaniu metodą klasycznej elektrolizy (będącą najstarszą metodą produkcji wodoru) zużywa się więcej energii niż można by jej później uzyskać z wodoru. Do pozyskania 1 m3 wodoru potrzeba 3 kWh prądu. Należy jednak zaznaczyć, że 100 mln m3 „wodorowego" paliwa odpowiada 25 tyś. ton ropy naftowej.

Istnieją jednak inne metody produkcji wodoru do których należą: reforming, fermentacja biomasy, fotokonwersja, oraz chemiczna wymiana. Podstawową zaletą wodoru jest to, że produktem jego spalania jest czysta woda, co przy zastosowaniu go jako paliwa nie wpływa ujemnie na środowisko naturalne. Ma on również małą energię inicjacji zapłonu, przez co jego spalanie jest o 60% sprawniejsze od innych paliw. Większa wartość opałowa i większa lotność wodoru w porównaniu np. z gazem ziemnym pozwala na zwiększenie przepustowości rurociągów wskutek możliwości stosowania większej prędkości wodoru niż gazu ziemnego, co w efekcie umożliwia przesył znacznie większej ilości ciepła w jednostce czasu. Większa lotność powoduje jednak nieco większe straty wodoru w zbiornikach i rurociągach.

Zastosowanie wodoru wiąże się jednak z wieloma trudnościami technicznymi, jak np. silne oddziaływanie chemiczne na metale a także z problemami z przechowywaniem wytworzonego produktu. Patrząc z perspektywy czasu, wodór wykorzystywany jest najczęściej w ogniwach paliwowych, w których stosuje się go jako paliwo. W porównaniu z energią elektryczną, która w celu zmagazynowania musi być przekształcona w inną postać energii, wodór można łatwo magazynować w postaci gazowej, ciekłej lub stałej. W związku z tym może się on stać najwygodniejszym sposobem magazynowania energii. Do wytworzenia tego gazu z rozkładu wody będą zużyte nadwyżki energii, a uzyskiwane wielkie ilości wodoru będą użyte jako czynnik chłodzący kable i urządzenia elektroenergetyczne, wykonane z wysokotemperaturowych nadprzewodników, dzięki czemu zmniejszą się straty przesyłu i rozdziału energii elektrycznej.

Jak wynika z powyższego, zastosowanie wodoru jako paliwa nie spowoduje naruszenia równowagi przyrody, gdyż jego wykorzystanie odbywa się w obiegu zamkniętym, a ze względu na brak w paliwie węgla, w spalinach zasilanego nim silnika praktycznie nie występuje dwutlenek węgla. Prawie 2/3 wytwarzanej obecnie przez przemysł ilości wodoru wykorzystuje się do produkcji amoniaku metodą Habera. Dużo wodoru zużywa również przemysł spożywczy do uwodorniania prostych olejów roślinnych. Takie produkty jak margaryna i sosy do sałatek są znacznie zdrowsze niż ich odpowiedniki otrzymywane z tłuszczów zwierzęcych. Niewielkie ilości ciekłego wodoru stosuje się jako paliwo rakietowe. Również wszelka materia biologiczna - od najprostszych składników cząsteczki DNA do złożonej struktury ludzkiej tkanki mózgowej - zawiera związki wodoru. Bez wodoru nie byłoby życia.

Słupsk, 25.09.2004r.
A. ***********
Klasa 3d