Wodór (H)– właściwości, działanie i występowanie wodoru

Najprostszy ze wszystkich pierwiastków chemicznych – wodór – jest zarazem najpowszechniejszym w całym wszechświecie! Bez niego nie byłoby niezbędnej do życia wody ani słońca, które jest po prostu mieszaniną wodoru i helu. Jednocześnie o wodorze mówi się jako o paliwie przyszłości, które może uchroni Ziemię przed ekologiczną katastrofą.



H2 – czyli cząsteczki wodoru. Źródło: shutterstockH2 – czyli cząsteczki wodoru. Źródło: shutterstock
  1. Historia wodoru
  2. Właściwości wodoru – jakie związki tworzy?
  3. Występowanie i pozyskiwanie wodoru
  4. Zastosowania wodoru
  5. Wpływ wodoru na zdrowie
  6. Wodór a ekologia
Jeśli spojrzeć na dobrze znaną ze szkoły Tablicę Mendelejewa, wodór (H) zajmuje na niej zaszczytną pierwszą pozycję. Oznacza to, że w jądrze komórkowym zawiera dokładnie jeden proton, a na orbicie jeden elektron – neutronu nie posiada wcale. Trudno też się dziwić, że jest najlżejszym i najmniej gęstym ze wszystkich pierwiastków chemicznych, a zarazem najbardziej podstawowym.

Historia wodoru

Paradoksalnie, wodór był pierwszym atomem powstałym we wszechświecie, ale przez człowieka został odkryty i opisany dopiero jako 19 z rzędu pierwiastek – wcześniej znaliśmy już m.in cały szereg metali, które faktycznie są łatwiej namacalne, a także fosfor czy magnez. Dopiero w 1766 r. Henry Cavendish, studiując reakcje rozpuszczania żelaza w kwasach stwierdził, że w ich trakcie wydobywa się gaz, który nazwał „palnym powietrzem”. Aż piętnastu lat potrzeba było jednak uczonym, aby przekonać się, że po spalaniu wodór tworzy wodę. Jako udokumentowanie tego faktu Antoine Lavoisier zaproponował w 1783 r. nazwę łacińską hydrogenium, oznaczającą dosłownie „tworzący wodę”. Lavoisier opracował też szereg reakcji dających w wyniku czysty wodór.

Pod koniec XIX w. James Dewar zdołał skroplić wodór, a nawet zmienić go w ciało stałe. W latach 30-tych XX w. natomiast odkryto deuter, czyli jeden z dwóch stabilnych izotopów wodoru zawierający neutron, oraz radioaktywny izotop tryt, który przy połowicznym czasie rozpadu 12.33 lat przekształca się w hel.

Warto jeszcze na chwilę cofnąć się jednak do początków, a właściwie prapoczątków. Zdaniem fizyków już w pierwszej sekundzie po Wielkim Wybuchu, który zapoczątkował wszechświat, powstały protony. Potrzeba było jednak 370 tysięcy lat, aby temperatura spadła na tyle, by owe protony mogły związać się z elektronami – to wtedy właśnie powstały pierwsze atomy stabilnego wodoru!
Tabela przedstawiająca właściwości wodoru; opracowanie własne

Właściwości wodoru – jakie związki tworzy?

W naturalnej postaci wodór jest gazem tworzącym dwuatomowe cząsteczki H2. Bezbarwny i bezwonny może zostać wykryty za pomocą zapałki – jego łatwopalność prowokuje wówczas wybuch. W towarzystwie tlenu spala się do postaci wody, tworząc najbardziej znaną na świecie cząsteczkę H20. Mieszanka wodoru z tlenem w proporcji 2:1 jest też najbardziej eksplozywna przy odpowiednio wysokich temperaturach.

Pomiędzy cząsteczkami wodoru obserwuje się bardzo słabe przyciąganie, w efekcie czego temperatura topnienia i wrzenia jest bardzo niska – odpowiednio -259.20 stopni C oraz -252.77 stopni C. Z owych słabych wiązań wynika również ciekawy fakt, że gdy wodór rozpręża się w pokojowej temperaturze, jego temperatura rośnie, w przeciwieństwie do większości innych gazów. Sytuacja zmienia się jednak poniżej -68.6 stopni C, kiedy siły przyciągania rosną, a wodór chłodzi się przy rozprężaniu do tego stopnia, że może sam siebie skroplić! Z innych fascynujących właściwości, warto nadmienić, że wodór rozprzestrzenia się szybciej niż wszystkie inne gazy, co sprawia, że dystrybuuje swoją energię kinetyczną w niezwykłym tempie i jest doskonałym przewodnikiem ciepła.

W wysokich temperaturach niemal wszystkie metale i niemetale reagują z wodorem i to często w sposób dość agresywny. Przy odpowiednim stężeniu wodór może nawet redukować tlenki metalu, dając nam na przykład czyste żelazo! Metale przejściowe mają natomiast zdolność do absorbowania wodoru w wysokich temperaturach tworząc tzw. wodorki. Wodór jest też bardzo ważną częścią składową związków organicznych – obecny jest praktycznie we wszystkich tkankach roślinnych i zwierzęcych. Dodatkowo występuje w związkach nieorganicznych, zwłaszcza takich jak kwasy, wodorotlenki czy alkohole.

Ciekawostka: Bez wodoru nie byłoby życia na Ziemi. Ta prawda odnosi się jednak nie tylko do struktury wody, ale także DNA. Podwójna helisa kryjąca w sobie wszystkie nasze geny utrzymywana jest w ryzach właśnie dzięki niezwykle silnym wiązaniom wodorowym!
Wodór wykorzystywany jest m.in. jako paliwo rakietowe. Źródło: shutterstock

Występowanie i pozyskiwanie wodoru

Mimo, że jest najczęstszym pierwiastkiem we wszechświecie, wodór obecny jest w skorupie ziemskiej zaledwie w stężeniu 0.14%. Jest go natomiast całkiem sporo w atmosferze oraz zbiornikach wodnych i lodowcach, jak również złożach ropy naftowej i gazu ziemnego. Te ostatnie są też podstawowym źródłem pozyskiwania wodoru do celów przemysłowych. Obecnie nawet 95% cennego gazu pochodzi z parowego reformingu gazu ziemnego, częściowego utleniania metanu lub gazyfikacji węgla. Rocznie tymi metodami produkuje się nawet 87 milionów ton czystego wodoru. Stany Zjednoczone, Południowa Korea, Japonia to czołowi producenci.

Zastosowania wodoru

Jak się łatwo domyśleć, wodór jest dziś człowiekowi niezbędny do wielu procesów. Jednym z pierwszych zastosowań były balony i sterowce – te ostatnie odegrały istotną rolę podczas I Wojny Światowej. Do dziś wodór pozwala wznosić się stacjom meteorologicznym jako tańszy zamiennik dla helu. W latach 30-tych XX w. przełomowym odkryciem stało się za to wynalezienie pierwszego turbosilnika chłodzonego wodorem, zaś w latach 70-tych rzeczywistością stały się niklowo-wodorowe baterie, które zasilały m.in. słynny teleskop Hubble’a. Poza tym współczesne wykorzystanie hydrogenium obejmuje przede wszystkim:
  • produkcję amoniaku, wykorzystywanego szeroko w rolnictwie – która pochłania nawet 2/3 globalnej produkcji wodoru;
  • rafinowanie paliw kopalnych;
  • uwodornienie tłuszczów, w wyniku którego oleje roślinne nabierają stałej konsystencji, niezbędne do produkcji margaryny;
  • chłodzenie urządzeń wysokoenergetycznych;
  • produkcję ogniw paliwowych, będących alternatywą dla ogniw galwanicznych; są one źródłem energii elektrycznej wykorzystując wodór znajdujący się na anodzie oraz tlen na katodzie do łańcucha reakcji.
  • produkcję półprzewodników, przy której wodór stabilizuje właściwości materiałów wysycając ich wiązania elektronami;
  • paliwo rakietowe – ciekły wodór wraz z ciekłym tlenem tworzą kriogeniczne paliwo, które napędza statki kosmiczne.

Deuter, będący izotopem wodoru, wykorzystywany jest również do reakcji fuzji jądrowej oraz rozczepienia atomu – niestety również w kontekście produkcji zabójczej broni. Tzw. bomby wodorowe łączą pierwotną reakcję rozszczepienia uranu lub plutonu z reakcją termojądrową prowokowaną właśnie przez deuter, tryt lub wodorek litu.

Wpływ wodoru na zdrowie

Przez wiele lat wydawało się, że wodór jest ważnym składnikiem naszych organizmów, ale jako gaz jest neutralny dla zdrowia. W roku 2007 okazało się jednak, że wodór cząsteczkowy posiada niezwykle silne właściwości antyutleniające. Badania naukowe dowiodły, że jako taki może być substancją leczniczą działają przeciwzapalnie, eliminują wolne rodniki oraz przeciwdziałając apoptozie, czyli planowej śmierci komórek. Co więcej, administracja H2 może wpływać na ekspresję poszczególnych genów. W świetle współczesnej wiedzy korzyści mogą obejmować walkę z nowotworami, zaburzeniami tkanek, zmysłów i skóry, a także leczenie problemów układu rozrodczego, moczowego, oddechowego, krążeniowego, pokarmowego oraz nerwowego – trudno o szersze spektrum działania! Wodór cząsteczkowy w celach terapeutycznych podaje się zarówno w drodze inhalacji, jak i wzbogaconej wody do picia  (tzw. wody wodorowej) oraz zastrzyków z odpowiednio zmodyfikowanej solanki.
Wodór to ekologiczne paliwo przyszłości. Źródło: shutterstock

Wodór a ekologia

Sława, jakiej doczekał się wodór w ostatnich dekadach, związana jest przede wszystkim z wykorzystaniem go jako źródła czystej energii. Wspomniane wyżej ogniwa paliwowe mają szerokie zastosowanie m.in. w pojazdach, przenośnych urządzeniach elektronicznych czy nawet budynkach, a przy tym nie wiążą się ze spalaniem ani emisją szkodliwych dla atmosfery i zdrowia gazów. Instalowane w samochodach osobowych i środkach transportu publicznego są zdaniem wielu ekspertów jedyną racjonalną przyszłością podróżowania bez emisji dwutlenku węgla.

Niestety, i ta optymistyczna wizja ma swoją czarną stronę. Klasyczne pozyskiwanie wodoru poprzez reforming metanu wiąże się bowiem ze znaczącą produkcją CO2, który wypuszczany jest do atmosfery – mówimy wówczas o tzw. szarym wodorze, którego wciąż jest najwięcej. Istnieje jednak technologia wychwytywania i magazynowania owych szkodliwych emisji, a jej produktem jest tzw. wodór niebieski. Z myślą o ekologii i przyszłości naszej planety stworzono jednak i trzecią drogę, czyli wodór zielony. Jest to gaz produkowany w oparciu o odnawialne źródła energii, wietrznej lub solarnej, w drodze elektrolizy lub też reformingu gazu wysypiskowego.
Wydaje się więc, że przyszłość może faktycznie być „napędzana wodorem” i to bez uszczerbku dla środowiska naturalnego. Pozostaje mieć nadzieję, że stosowne zmiany technologiczne wprowadzone zostaną zanim będzie za późno!
Ekologia.pl (Agata Pavlinec)

Bibliografia

  1. James Kirchoff ; “Five intriguing facts about mighty hydrogen”; data dostępu: 2021-09-15
  2. Royal Society of Chemistry ; “Hydrogen”; data dostępu: 2021-09-15
  3. Britannica; “Hydrogen”; data dostępu: 2021-09-15
  4. Agata Błaszczak-Boxe; “Facts about hydrogen”; data dostępu: 2021-09-15
  5. Energy.gov; “5 Fast Facts about Hydrogen and Fuel Cells”; data dostępu: 2021-09-15
  6. US Energy Information Administration; “Hydrogen explained”; data dostępu: 2021-09-15
  7. Li Ge i in.; “Molecular hydrogen: a preventive and therapeutic medical gas for various diseases”; data dostępu: 2021-09-15
Ocena (2.9) Oceń: