Wodór — właściwości, otrzymywanie i zastosowania
Wodór to najlżejszy pierwiastek o symbolu H i liczbie atomowej 1. Jest bezbarwnym, palnym gazem, najpospolitszym pierwiastkiem we Wszechświecie, choć na Ziemi występuje głównie w związkach.
Wodór stanowi około trzech czwartych masy Wszechświata, a na Ziemi niemal nie występuje w postaci wolnej. Poniżej właściwości, otrzymywanie i rola jako nośnika energii.
Podstawowe dane
- Symbol — H, liczba atomowa 1
- Budowa atomu — jeden proton i jeden elektron, najprostszy z pierwiastków
- Postać — bezbarwny gaz bez zapachu, cząsteczka dwuatomowa H₂
- Gęstość — najlżejszy gaz, około czternaście razy lżejszy od powietrza
Właściwości chemiczne
Wodór jest palny i tworzy z powietrzem mieszaninę wybuchową, zwaną mieszaniną piorunującą. Spalając się, daje wyłącznie wodę: 2H₂ + O₂ → 2H₂O.
Wykrywa się go charakterystycznym testem: zapalony wodór w probówce daje krótki, ostry dźwięk przypominający szczeknięcie. Brak dźwięku oznacza czysty wodór, huk świadczy o domieszce powietrza.
Otrzymywanie
- Metal aktywny + kwas — Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂
- Metal aktywny + woda — 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂
- Elektroliza wody — rozkład prądem na wodór i tlen
- Reforming gazu ziemnego — metoda przemysłowa, dziś najtańsza
Dlaczego nie ma go w atmosferze
Wodór jest tak lekki, że cząsteczki osiągają prędkości pozwalające im uciec z pola grawitacyjnego Ziemi. Przez miliardy lat wolny wodór stopniowo uleciał w przestrzeń.
Dlatego mimo ogromnej powszechności we Wszechświecie, na Ziemi występuje niemal wyłącznie związany — w wodzie, węglowodorach i substancjach organicznych. Planety o silniejszej grawitacji, jak Jowisz, zachowały atmosferę wodorową.
Wodór jako paliwo
Spalanie wodoru daje wyłącznie parę wodną, bez dwutlenku węgla ani innych zanieczyszczeń. To czyni go atrakcyjnym nośnikiem energii.
Problemem nie jest samo spalanie, lecz pozyskiwanie i magazynowanie. Większość wodoru produkuje się dziś z gazu ziemnego, co przenosi emisje na wcześniejszy etap. Elektroliza zasilana energią odnawialną rozwiązuje ten problem, ale jest droższa.
Magazynowanie wymaga wysokiego ciśnienia albo bardzo niskich temperatur, bo wodór ma niewielką gęstość energii na jednostkę objętości — choć na jednostkę masy jest rekordowa.
Izotopy wodoru
Wodór jako jedyny pierwiastek ma izotopy z własnymi nazwami. Zwykły wodór, zwany protem, ma w jądrze wyłącznie proton. Deuter zawiera dodatkowo neutron, a tryt dwa neutrony i jest promieniotwórczy.
Woda zbudowana z deuteru nazywa się ciężką wodą i jest wykorzystywana w niektórych typach reaktorów jądrowych jako spowalniacz neutronów. Różnica mas jest tu wyjątkowo duża: deuter waży dwa razy więcej niż zwykły wodór, podczas gdy u pozostałych pierwiastków izotopy różnią się masą o kilka procent. Dlatego właściwości ciężkiej wody dają się zauważyć — zamarza w wyższej temperaturze i jest o około jedną dziesiątą gęstsza.
Zastosowania
- Przemysł chemiczny — produkcja amoniaku do nawozów
- Rafinerie — odsiarczanie paliw
- Spożywczy — utwardzanie tłuszczów roślinnych
- Transport — ogniwa paliwowe w pojazdach
- Kosmonautyka — ciekły wodór jako paliwo rakietowe