Wodór to najlżejszy gaz na świecie. Jest aż $14$ razy lżejszy od powietrza. Tę właściwość wykorzystał francuski fizyk, Jacques Charles (czyt. żak szarl), który jako pierwszy wypełnił balon wodorem. Pokaz odbył się w $1783 \text{r}.$ w Paryżu, podczas którego balon wzniósł się na wysokość $550$ metrów.

R1e5L3yUNgVVk

Rycina przedstawia balon unoszący się nad dużym placem, na którym stoją tłumy. W dolnej części balonu jest zawieszony element przypominający łódkę. Są tam dwie osoby. jedna trzyma flagę. W tle dużego placu jest długi budynek z kopułą w centralnej części.

W $\text{XIX}$ wieku francuz Henri Giffard (czyt. ąri żifard) skonstruował pierwszy na świecie sterowiec, wykorzystując do tego silnik parowy, którego wynalazcą był James Watt. Składał się z komór wypełnionych wodorem. Dzięki temu początek $\text{XX}$ wieku stał się epoką sterowców, które zainicjowały transport lotniczy. Dopiero katastrofa największego na świecie niemieckiego sterowca Hindenburga przerwała popularność tych aerostatów. Nie spowodowało to jednak wyjścia sterowców zupełnie z użytku. Obecnie znajdują zastosowanie jako banery reklamowe.

Utwardzanie tłuszczów

Wodór wykorzystuje się w przemyśle spożywczym do otrzymywania margaryny. W tym procesie stosuje się reakcję przyłączania wodoru do wiązania podwójnego ciekłego tłuszczu pochodzenia roślinnego. W wyniku reakcji uzyskujemy tłuszcz w postaci stałej. Najczęstszym katalizatoremkatalizatorkatalizatorem powyższej reakcji jest nikiel. Proces jest nazywany utwardzaniem tłuszczówutwardzanie tłuszczówutwardzaniem tłuszczów. Do produkcji margaryny używa się częściowo uwodornionych olejów, w których pozostała pewna ilość wiązań nienasyconych.

Synteza amoniaku oraz innych związków azotowych

Innym zastosowaniem wodoru jest produkcja amoniaku. Otrzymany amoniak służy do otrzymywania nawozów azotowych, kwasu azotowego($\text{V}$). Wodór znajduje również zastosowanie w produkcji chlorowodoru i kwasu solnego, a także metanolu. Bierze też udział w przemysłowym procesie otrzymywania sorbitolu z glukozy. Można stwierdzić, że wodór pośrednio uczestniczy w produkcji tworzyw sztucznych, lekarstw, materiałów wybuchowych oraz artykułów spożywczych. W syntezach przemysłowych wykorzystywany jest jako tzw. gaz syntezowygaz syntezowygaz syntezowy, czyli mieszanina gazów: tlenku węgla($\text{II}$) oraz wodoru.

Paliwo

Bardzo często słyszy się, że wodór jest „paliwem przyszłości”. Wykazuje o wiele więcej zalet w porównaniu z obecnie używanymi paliwami. Przede wszystkim jest nietoksyczny. W wyniku spalania wodoru, jedynym końcowym produktem jest woda, co przedstawia poniższe równanie reakcji:

Warto przypomnieć, że mieszanina wodoru i tlenu w stosunku objętościowym $2:1$ gwałtownie wybucha, dlatego jest nazywana mieszaniną piorunującąmieszanina piorunującamieszaniną piorunującą. Obecnie branża motoryzacyjna przeżywa prawdziwy rozkwit pod względem opracowywania i produkcji aut napędzanych wodorem. W $2012 \text{r}.$ na Politechnice Lubelskiej zaprezentowano samochód napędzany wodorem. W grudniu $2014 \text{r}.$ japońska firma wyprodukowała pierwszy taki samochód – Toyotę Mirai. Wystarczy mu jedno tankowanie, by móc przejechać $550 \text{km}$. Obecne auta produkowane przez Hondę czy Hyundaia mogą pokonać już około $700 \text{km}$ po jednym ładowaniu.

Ruwrm0KWIsJF4

Zdjęcie przedstawiające biały samochód sportowy o niskim zawieszeniu. Wokół auta stoją słupki odgradzające z czerwoną taśmą.

Ograniczeniem dla powszechnego zastosowania wodoru jako paliwa jest wciąż wysoka cena oraz brak infrastruktury w postaci stacji paliwowych.

R1Fjb3SFzGYxt

Zdjęcie przedstawia nowoczesny autobus. Na dachu ma płaskie zbiorniki.

Warto podkreślić, że wodór może być wykorzystany w samochodach na dwa sposoby. Po pierwsze – jako paliwo w tradycyjnych silnikach, gdzie ulega spalaniu. Po drugie – w ogniwach paliwowych, które zamieniają energię chemiczną na elektryczną, która z kolei napędza silnik elektryczny.

Ogniwa paliwowe

Ogniwa paliwoweogniwo paliwowe (wodorowe)Ogniwa paliwowe to kolejne zastosowanie wodoru. Używa się ich nie tylko w samochodach. W latach sześćdziesiątych zostały wykorzystane jako źródła energii w rakietach Apollo. W ogniwa paliwowe wyposażono stację kosmiczną SkyLab czy statki kosmiczne, takie jak Gemini 5. Ogniwa wodorowe stosuje się w bateriach dla urządzeń przenośnych, w generatorach elektryczności i ciepła.

Jak działają wspomniane wyżej ogniwa paliwowe?

Ogniwo składa się z dwóch elektrod: katody i anody. Elektrody rozdzielone są elektrolitem lub membraną elektrolityczną, co umożliwia przepływ kationów. Przepływ elektronów jest blokowany. Wodór zostaje wprowadzony do anody, a tlen do katody. Katalizator, występujący na anodzie, powoduje rozbicie wodoru na protony i elektrony. Dzięki membranie elektrolitycznej protony przedostają się do katody. Natomiast elektrony przemieszczają się do katody zewnętrznym obwodem, generując prąd elektryczny. Na katodzie dochodzi do połączenia kationów wodoru i elektronów z tlenem. W wyniku reakcji powstaje woda, prąd elektryczny i ciepło.

Reakcja zachodząca na anodzie:

Reakcja zachodząca na katodzie:

Sumarycznie:

Palniki tlenowo‑wodorowe

Wodór służy również to wytwarzania wysokich temperatur w palnikach wodorowo‑tlenowych. Ich działanie opiera się na reakcji syntezy wody. Ten proces jest przyjazny dla środowiska. Palniki wodorowo‑tlenowe wykorzystuje się w jubilerstwie, medycynie oraz w przemyśle. Przykładowe zastosowania palników: naprawa biżuterii, otrzymywanie syntetycznych kamieni szlachetnych, lutowanie instrumentów medycznych, naprawy optyczne, naprawy protetyczne, naprawy układów scalonych, wygładzanie akryli oraz krawędzi itp.

Reaktor termonuklearny i bomba wodorowa

Wodór występuje w przyrodzie w postaci trzech izotopów: protu $\text{H}$ (${}_1{}^1\text{H}$), deuteru $\text{D}$ (${}_1{}^2\text{H}$) i sztucznie wytworzonego trytu $\text{T}$ (${}_1{}^3\text{H}$). Izotopy te różnią się liczbą neutronów. W wyniku syntezy dwóch izotopów wodoru, np. deuteru i trytu, powstaje cięższe jądro helu, neutron oraz znaczna ilość energii. Opisana reakcja jest nazywana reakcją termojądrowąreakcja termojądrowa (fuzja jądrowa)reakcją termojądrową lub fuzją jądrowąreakcja termojądrowa (fuzja jądrowa)fuzją jądrową. Zachodzi w jądrze Słońca oraz innych gwiazd.

RvqzFX6tNCzrs

Ilustracja prezentuje reakcję fuzji jądrowej. W środku ilustracji jest wieloramienna gwiazda imitująca wybuch. Po lewej stronie u góry są dwie szare kulki połączone z jedną czerwoną kulką. To ${}_{}{}^3\text{H}$. Na dole po lewej stronie jest jedna szara kulka połączona z jedną czerwoną kulką - to ${}_{}{}^2\text{H}$. Po prawej stronie u góry są dwie szare kulki połączone z dwiema czerwonymi kulkami. To ${}_{}{}^4\text{H}$ <math aria‑label="plus trzy przecinek pięć Megaelektronowolta">+3,5 MeV. Na dole po prawej stronie ilustracji jest szara kulka - to neutron <math aria‑label="plus czternaście przecinek jeden megaelektronowolta">+14,1 MeV.

Działanie bomby wodorowej jest oparte na reakcjach termojądrowych. Wymagana jest wysoka temperatura i duże ciśnienie. Aby spełnić te warunki, stosuje się rozszczepialny uran lub pluton. Ich wybuch rozpoczyna proces łączenia się izotopów wodoru w cięższe jądro helu. Często wykorzystuje się lit, który podczas wybuchu generuje tryt. Deuter i tryt zapoczątkowują reakcję termojądrową. Poniżej zostały przedstawione główne reakcje zachodzące w bombie wodorowej:

Dwie pierwsze reakcje są bardzo istotne, ponieważ zapoczątkowują samopodtrzymujący się cykl przemian.

Ciekawostka

R15MdfsB8Yikt1

Na zdjęciu jest wnętrze muzeum, w którym stoi bomba. Ma kształt opływowo zakończonego walca. Bomba umieszczona jest na platformie wyposażonej w kółka.

Największą bombą wodorową w dziejach ludzkości była Car‑bomba. Skonstruowana i zdetonowana przez Związek Radziecki. Jej moc wynosiła $50$ megaton, co odpowiadało sile wybuchu $50 \text{mln}$ ton trotylu.

Ciekawą i przyszłościową propozycją jest stworzenie reaktora termonuklearnego. Jego działanie opierałoby się na reakcji termojądrowej. Przypuszcza się, że jedna taka elektrownia wystarczyłaby do zapewnienia energii całej Europie. W $2008 \text{r}.$ we Francji rozpoczęto budowę międzynarodowego reaktora termojądrowego – ITER (ang. International Thermonuclear Experimental Reactor – Międzynarodowy Eksperymentalny Reaktor Termonuklearny).

Słownik

Bibliografia

Bárta M., Pierwiastki chemiczne wokół nas, Warszawa 2013, s. 104‑106.

Bielański A., Podstawy Chemii nieorganicznej, Warszawa 2004, t. 2, s. 528‑537.

Czerwiński A., Czerwińska A., Jelińska – Kazimierczuk M., Kuśmierczyk K., Chemia. Podręcznik dla liceum ogólnokształcącego, liceum profilowanego, technikum, Warszawa 2002, s. 208‑210, 226‑230.

Hassa R., Mrzigod A., Mrzigod J., To jest chemia. Podręcznik dla szkół ponadgimnazjalnych. Zakres podstawowy, Warszawa 2016, s. 87.

Lautenschläger K. H., Schröter W., Wanninger A., Nowoczesne kompendium chemii, Warszawa 2007, s. 367‑369.

Pajdowski L., Chemia ogólna, Warszawa 1997, s. 397‑401.

Pazdro K. M., Chemia. Pierwiastki i związki nieorganiczne, Warszawa 2012, s. 108‑111.