Wodór – niedoceniony pierwiastek?

Pisałem czas jakiś temu o helu, jego właściwościach i reaktywności – a właściwie jej braku. Tym razem chciałbym Wam przybliżyć inny ciekawy pierwiastek, którego mamy we Wszechświecie nawet więcej niż helu: wodór. Wydaje się niepozorny, a przecież stanowi przeszło 70% Wszechświata, jeśli spojrzeć na masę. Jeśli zamiast tego przeliczyć poszczególne atomy, wodoru będzie ponad 90%. Co o nim wiemy i do czego się nam przydaje?

Czym jest wodór?

Przede wszystkim warto wiedzieć, że wodór jest najlżejszym i najprostszym możliwym pierwiastkiem. Jądro jego najpopularniejszego izotopu składa się tylko z jednego protonu, a wokół niego krąży jeden elektron. Ten izotop stanowi 99.98% naturalnego wodoru. Dodatkowo mogliście kiedyś słyszeć o deuterze i trycie. Są to izotopy zwierające w jądrze poza protonem odpowiednio jeden lub dwa neutrony. Deuteru jest w naturze bardzo mało, a trytu jeszcze mniej. Dodatkowo tryt jest niestabilny i ulega rozpadowi promieniotwórczemu, przekształcając się w hel.

W przeciwieństwie jednak do szlachetnego pierwiastka wodór zasadniczo (przynajmniej na Ziemi) nie występuje w postaci pojedynczych atomów. Zamiast tego tworzy dwuatomowe cząsteczki. Dlaczego? Ponieważ posiadanie tylko jednego elektronu jest bardzo niekorzystne, można przyjąć, że utrzymanie takiej konfiguracji wymaga bardzo dużej energii. To trochę tak, jakbyście usiłowali utrzymać miskę na szczycie długiego patyka ustawionego na Waszym nosie. Energii jest tam tyle, że wodór atomowy jest wykorzystywany do… spawania. Specjalny rodzaj spawarki generuje łuk elektryczny, przez który przepuszcza się wodór w postaci cząsteczek H₂. Łuk sprawia, że te cząsteczki rozpadają się na pojedyncze atomy wodoru. Następnie te atomy znów się łączą, wytwarzając przy okazji bardzo wysoką temperaturę. Jak wysoką? W zależności od warunków pomiędzy 3400 a 4000 stopni Celsjusza! Mówimy tu o jednym z najgorętszych płomieni znanych człowiekowi. Dodatkową zaletą tej metody jest to, że obecność wodoru powstrzymuje utlenianie w miejscu spawania¹Podobnie jak likwiduje zanieczyszczenia węglem czy kilkoma innymi pierwiastkami.

Najlepsze paliwo?

Wynika to oczywiście z faktu, że wodór bardzo chętnie reaguje z tlenem, produkując związek o nazwie DHMO²Przez nie-chemicznych ludzi nazywany zwyczajowo “wodą”. Jak chętnie? A słyszeliście kiedyś o Hindenburgu? Ten największy sterowiec świata wypełniony był właśnie wodorem. Dlaczego? Ponieważ jest to najlżejszy gaz świata, a co za tym idzie, daje sterowcom największą wyporność. Ale gdy coś zainicjowało jego reakcję z tlenem, cały sterowiec spłonął błyskawicznie, rozgrzewając się przy tym do temperatury rzędu 2800 stopni. Tak właśnie wygląda reakcja wodoru z tlenem.

Ze względu na to, jak dużo energii wydziela się w tej reakcji, znalazła ona również zastosowanie w napędzaniu rakiet kosmicznych. Wspominałem już o tym w artykule poświęconym paliwu rakietowemu. Otóż tlen i wodór to mieszanka o najwyższym impulsie właściwym spośród powszechnie stosowanych paliw rakietowych. Oczywiście nie oznacza to, że możemy tę mieszankę nazwać “najlepszym” paliwem, ponieważ jest z nim związany poważny problem. Problem, który powtarza się również przy próbach innego zastosowania wodoru. Przechowywanie.

Wodór ma problem

Wodór wykorzystywany do napędzania rakiet przechowujemy w formie ciekłej w -253°C. I nawet w tej formie zajmuje bardzo dużo miejsca – piętnastokrotnie więcej, niż woda o tej samej masie. Innymi słowy: kilogram wody zajmuje litr. Kilogram ciekłego wodoru – piętnaście litrów… I ten problem dotyczy też reklamowania wodoru jako “paliwa przyszłości”. No bo tak, w przeliczeniu na jednostkę masy wodór ma trzykrotnie wyższą gęstość energii niż paliwa kopalne. Innymi słowy, ze spalenia kilograma wodoru uzyskuje się trzykrotnie tyle energii, co ze spalenia kilograma benzyny czy gazu.

Problem polega na tym, że gdy przestaniemy przeliczać na masę, a zaczniemy na objętość, to cała zabawa staje się mniej opłacalna. Nawet ciekły wodór ma wtedy gęstość energii na poziomie około ⅓ tego, co benzyna. Jeśli jednak nie chcemy utrzymywać go w temperaturze 20 kelwinów, tylko po prostu sprężyć – gęstość energii znów spada dwukrotnie. A do tego trzeba jeszcze uwzględnić pojemnik ciśnieniowy, który potrafi swoje ważyć – więcej niż wodór, który zawiera.

Czy da się ten problem jakoś rozwiązać? W pewnym stopniu – tak. Otóż są materiały, które dla wodoru są niczym gąbka. Ba, nawet lepsze niż gąbka, bo są w stanie “przyjmując” wodór jednocześnie go skompresować. Innymi słowy: litr takiego materiału może przyjąć więcej wodoru, niż zawiera litr tego gazu pod tym samym ciśnieniem. Wciąż pozostaje jednak kilka problemów do rozwiązania, a trudzą się nad nimi tęgie głowy. Bo z jednej strony trzeba opracować materiał, który jest w stanie bardzo dobrze wchłaniać wodór. Ale jeśli materiał dobrze wchłania wodór, to nie jest zbyt skłonny go potem oddać. A jeśli “wyciśnięcie” naszej gąbki wodorowej jest zbyt trudne, to cała zabawa staje się bezsensowna. Do tego jeszcze cała procedura musi być odpowiednio bezpieczna. Nabiera to ma szczególnego znaczenie gdy sobie uświadomić, że standardowo do “wyciśnięcia” gąbki wodorowej zbiornik podgrzewa się do kilkuset stopni. Procedura musi być też opłacalna, a sam zbiornik nie może potrzebować wyszukanej regeneracji pomiędzy kolejnymi napełnieniami. Żeby to osiągnąć, jeszcze daleka droga przed nami, choć są już pierwsze pojazdy poruszające się na paliwie wodorowym.

Skąd wziąć wodór?

Jednak, zamiast spalać wodór tak, jak w standardowych silnikach spala się benzynę, pojazdy te wykorzystują ogniwa paliwowe. Ogniwo paliwowe jest czymś, co pozwala przeprowadzać reakcję wodoru z tlenem w spokojniejszy sposób niż to, co widzimy w silnikach rakietowych. Generuje się przy tym energię nie w postaci ciepła, tylko elektryczności – a przy tym “popiołem” pozostałym ze spalania wodoru jest woda. Wydaje się więc, że rozwiązanie problemu magazynowania wodoru rozwiąże problem dostępności czystego paliwa… Poniekąd tak, tylko trzeba zadać sobie pytanie: skąd się to paliwo właściwie bierze?

Aktualnie najczęściej spotykaną metodą jest tak zwany reforming parowy. O co chodzi? Otóż metan, ale też inne węglowodory, może reagować z parą wodną w wysokiej temperaturze, produkując między innymi wodór. Widzicie tutaj problem, a nawet dwa, z określaniem wodoru mianem czystego paliwa? Po pierwsze, metan. Czyli gaz ziemny, czyli znów musimy wykorzystywać paliwa kopalne. Ale ten problem jest stosunkowo łatwy do rozwiązania, metan można zastąpić etanolem czy innymi związkami, które da się uzyskiwać w sposób odnawialny.

Większym problemem jest wysoka temperatura. Odparowanie wody i dogrzanie pary do temperatury rzędu tysiąca stopni wymaga naprawdę dużych ilości energii. A tę energię trzeba skądś wziąć… Jeśli przypadkiem bierzemy ją ze spalania węgla czy ropy, to wodór przestaje być czystym paliwem, po prostu zanieczyszczenia kumulujemy w innym miejscu. Alternatywą jest oczywiście zasilanie czystą energią elektryczną, co stosuje się coraz częściej przy alternatywnym sposobie produkcji wodoru – elektrolizie wody. Czyli przepuszczaniu przez nią prądu, co prowadzi do rozpadu wody na tlen i wodór. Elektroliza zużywa jeszcze więcej energii, ale jeśli energia pochodzi ze źródeł odnawialnych czy z atomu, to nie ma problemu z emisjami dwutlenku węgla.

Pierwiastek wielorakich zastosowań

A gdzie jeszcze wodór znajduje zastosowanie? Cóż, nawet w produkcji energii znajdziemy zastosowanie nieoczywiste: jako chłodziwo do generatorów. Niska gęstość i wysokie ciepło właściwe sprawiają, że chłodzenie wodorem jest znacznie efektywniejsze, niż chłodzenie powietrzem. Porównywalne z wodorem jest chłodzenie helem – ale wodór jest znacząco tańszy i łatwiej dostępny.

Cóż jeszcze? Wiele procesów przemysłowych. Od rafinacji ropy naftowej do produkcji nawozów sztucznych. Razem te dwa procesy odpowiadają za 80% światowego zużycia wodoru. W szczególności produkcja nawozów, która zużywa około 1.2% światowej produkcji energii, zaczyna się od reakcji, w której wodór łączy się z azotem, dając w efekcie amoniak. A o co chodzi z rafinacją ropy? Cóż, wodór chętnie reaguje nie tylko z tlenem, ale również z siarką. W związku z tym można go wykorzystać do zmniejszenia zawartości tego pierwiastka w ropie i, co za tym idzie, w pochodzących z niej paliwach. Ta sama właściwość pozwala również wykorzystywać wodór przy obróbce metali czy produkcji szkła.

Co ma wodór do języka?

A zdarzyło się Wam jeść margarynę? Jedna z metod jej produkcji polega na utwardzaniu tłuszczy przez uwodornianie, czyli reakcję, w której cząsteczki wodoru przyłączają się do cząsteczek tłuszczu. A skoro już przy jedzeniu jesteśmy – zastanawialiście się kiedyś, dlaczego to, co nazywamy “kwasami”, smakuje kwaśno? Co mają ze sobą wspólnego ocet i kwas węglowy³Obecny w napojach gazowanych.? Otóż właśnie obecny w nich wodór sprawia, że obydwa smakują kwaśno.

Pamiętacie, jak na początku pisałem, że posiadanie jednego elektronu jest bardzo niekorzystne, i lepiej uwspólnić go z sąsiadem, żeby każdy miał po dwa? Okazuje się, że lepszą opcją może być też oddanie go zupełnie. I co wtedy, po okolicy pływa sobie “goły” proton? Też nie do końca, choć tego się właśnie uczy na lekcjach chemii w szkole. Jest to znaczące uproszczenie. Ze względu na bardzo wysoką gęstość ładunku, taki proton przyłączy się chętnie do dowolnej, niezbyt zajętej pary elektronów – na przykład tej, która siedzi na tlenie, będącym częścią wody. I w ten sposób powstają jony składające się z trzech wodorów i tlenu⁴A tak naprawdę, to często powstają jeszcze większe układy, zawierające po dwie, trzy czy cztery cząsteczki wody i jeden dodatkowy proton. I to właśnie takie jony nasz język odbiera jako smak kwaśny.

Wodór jest więc wszędzie. Choć mały i niepozorny, to bardzo użyteczny. Czy stanie się naszym paliwem przyszłości? Osobiście trochę wątpię, ale czas pokaże. Tymczasem jednak jest nam niezbędny do przeżycia i doczekania się owej przyszłości. W jaki sposób? Choćby przez wyhodowanie odpowiedniej ilości roślin, a do tego wciąż potrzebujemy sztucznych nawozów.

Źródła:

https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-storage

https://h2tools.org/bestpractices/hydrogen-applications

https://www.lenntech.com/periodic/elements/h.htm



Zainteresowało Cię to, co czytasz? Chcesz wiedzieć więcej? Śledź nas na Facebooku, i – pozwól, że wyjaśnię!