Położenie pierwiastka w układzie okresowym



Struktura elektronowa atomu – 1 s

1



Podobnie jak litowce zawiera 1 elektron na powłoce walencyjnej. Ze

względu na małe rozmiary atomu nie tak łatwo jak litowce się go

jednak pozbywa. I

H

= 13.6 eV i jest 2.5 razy wyższa od niż energia

jonizacji sodu.



Podobnie jak fluorowcom, atomowi wodoru brakuje 1 elektronu do

osiągnięcia struktury elektronowej najbliższego gazu szlachetnego.

Jednak przyłączenie dodatkowego elektronu do atomu wodoru daje

niewielki zysk energii - E

H

= - 0.72 eV. Przyłączenie elektronu do

atomu chloru daje zysk 5-cio krotnie wyższy.



Wniosek:

Wodór pod względem właściwości nie przypomina

pierwiastków żadnej grupy układu okresowego i jakiekolwiek

przyporządkowanie ma charakter czysto formalny.

Rozpowszechnienie i występowanie

Pierwiastek

% wagowy

% liczby atomów

Tlen

49.4

55.1

Krzem

25.8

16.3

Glin

7.5

5.0

Żelazo

4.7

1.5

Wapń

3.4

1.5

Sód

2.6

2.0

Potas

2.4

1.1

Magnez

1.9

1.4

Wodór

0.9

15.4

Tytan

0.6

0.2



Wodór jest najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem we wszechświecie.
Na podstawie analizy widmowej światła gwiazd szacuje się że jest go ponad
90%.



Na ziemi w stanie wolnym nie występuje.



Występuje w wielu związkach: woda, związki organiczne, kwasy, wodorotlenki

Otrzymywanie – metody przemysłowe



Zgazowywanie węgla:



3 Fe

(S)

+ 4 H

2

O → Fe

3

O

4

+ 4 H

2



półspalanie metanu:

CH

4

+ H

2

O → CO + 3 H

2

(katalizator Ni, temp. )



Przeróbka ropy naftowej



Produkt uboczny przy elektrolitycznej metodzie otrzymywania

NaOH

wodny

gaz

2

2

O

H

2

(g)

C

1000

(g)

2

(S)

2H

CO

H

CO

O

H

C

2

o





 







 





Otrzymywanie – metody laboratoryjne



Elektroliza wody (NaOH lub KOH)

anoda Ni: 4 OH

-

→ O

2

+ 2 H

2

O + 4 e

katoda Fe: 4 H

2

O + 4 e → 2 H

2

+ 4 OH

-



Reakcja aktywnych metali z kwasami:

2 H

3

O

+

+ Zn → Zn

2+

+ H

2

+ 2 H

2

O



Reakcja aktywnych amfoterycznych metali z mocnymi

zasadami:

2 Al + 2 OH

-

+ 6 H

2

O → 2 Al(OH)

4-

+ 3 H

2



Reakcja wodorków solopodobnych z wodą:

CaH

2

+ 2 H

2

O → Ca(OH)

2

+ 2 H

2

Wykorzystywanie procesów
biologicznych w pozyskiwaniu
wodoru



Z procesów tych można wyróżnić kilka grup. Jedną z nich jest

metoda fermentacyjna, w której następuje beztlenowa

fermentacja biomasy. Biomasę można pozyskiwać z produktów

odpadowych w rolnictwie oraz specjalnych, dających duże

przyrosty hodowli organizmów np.: glonów, bakterii. Proces ten

mogą przeprowadzić bakterie anaerobowe takie jak

Enterobacter, Citrobacter, Bacillius Clostridium. Produktami

reakcji są głównie wodór oraz dwutlenek węgla (w mniejszych

ilościach również metan, tlenek węgla, amoniak i siarkowodór):

C6H12O6 + H2O = 2CH¬3COOH + 4H2 + 2CO2
C6H12O6 = 2CH¬3(CH2)2COOH + 2H2 + 2CO2



Drugim sposobem jest bezpośrednia fotoliza wody przez

organizmy żywe. Proces ten jednak nie został jeszcze w pełni

opanowany na tyle, aby został uruchomiony na skale

przemysłową. Problemy wynikają z nieciągłości procesu oraz z

przygotowania (aktywacji) odpowiednich organizmów (np.: alga

Chlamidomonas reinhardtii). Inną metodą są zgazowanie bądź

piroliza biomasy.

Jak wykorzystać wodór?



Możliwości wykorzystania wodoru są bardzo duże. Ograniczają je w
tej chwili tylko ludzka pomysłowość i korporacje, które nie do końca
chcą ujawnić zakupione patenty i wyniki badań, jakie osiągnęły. Na
szczęście już w tej chwili wdrażane są w życie urządzenia zasilane
wodorem, dostępne dla „każdego”. Niestety dla „każdego” w tym
przypadku oznacza milionera, których nawiasem mówiąc jest
podobno coraz więcej. Potencjał wodoru jest tak ogromny, że często
nazywany jest on paliwem XXI wieku, a jego ceny kiedyś będą
bardziej konkurencyjne w stosunku do innych źródeł energii.

Obecnie wodór jest wykorzystywany:



w motoryzacji (do napędzania pojazdów)



do ogrzewania budynków



do ogrzewania wody



w palnikach kuchennych



w robotyce (np. jako źródło napędu protez)

Zalety i wady wodoru :

Zalety:



nie zanieczyszcza środowiska, produktem spalania jest woda



jest tańszy i łatwiejszy w magazynowaniu od energii

elektrycznej



jest praktycznie niewyczerpalny, gdyż jego zapasy znajdują

się w wodzie



ma małą energię inicjacji zapłonu, przez co spalanie jest

sprawniejsze

 

Wady:



tworzy mieszaninę wybuchową z powietrzem



podczas spalania tworzą się tlenki azotu



dyfunduje przez metale

Pierwsze dwie wady nie występują w bezpłomieniowym

spalaniu wodoru w ogniwach paliwowych, gdzie produktami

spalania jest woda i prąd elektryczny.

Cechy wodoru jako paliwa.



Wodór ze względu na swoją mała masę cząsteczkową oraz dużą wartość

ciepła spalania ma największy stosunek energii do masy, siła eksplozji

wodoru jest 2.5 razy większa niż konwencjonalnych paliw

węglowodorowych. Wodór cechuje się także dobrymi wartościami

charakteryzującymi paliwa takimi jak:



-temperatura zapłonu -253°C (dla porównania -188°C metan, -104°C

propan, -43°C benzyna, 11°C metanol)



-zakres palności jest szeroki od 4-75% V/V a wybuchowości 15-95 %V/V

przy czym zakres palności rośnie razem z temperaturą (dla porównania

5.3-15 % metan, 2.2-9.6 %, 6-36.5 % metanol, 1-7.6 % benzyna, 0.6-5.5

% benzyna (% jest objętościowy))



-temperatura samozapłonu 585°C (dla porównania 540°C metan, 490°C

propan, -385°C metanol, 230-480°C benzyna)



-energia zapłonu jest mała (0.02 mJ) o rząd wielkości mniejsza niż energia

zapłonu wyżej wymienionych paliw, dlatego wystarcza niewielka iskra,

żeby spowodować zapłon



-szybkość spalania, czyli szybkość z jaką płomień przesuwa się przez

palną mieszaninę gazów dla wodoru wynosi 2.65-3.25 m/s i jest o rząd

większy od spalania metanu czy benzyny.[1]



Największa zaletą wodoru jest brak emisji CO2 podczas spalania.

Problemami są skłonność wodoru do wycieku, zapalność i zapłon

mieszaniny wodorowej, wysoka temperatura płomienia wodoru, problemy

z przechowywaniem oraz z transportem.

Samochody napędzane
wodorem

Można wyróżnić dwa rodzaje silników. Pierwszym

rodzajem jest silnik spalinowy, gdzie wodór jest

dodatkiem do paliw zwiększającym ich kaloryczność

lub samym paliwem. Drugim rodzajem są ogniwa

wodorowe, są one bardziej efektywne. Wynikiem ich

działania jest wytworzenie prądu, który jest dalej

wykorzystywany do napędzania pojazdu.

Magazynowanie wodoru

Wodór w stanie gazowym



Najdłużej stosowaną metodą jest przechowywanie wodoru w

gazowym stanie skupienia. Gazowy wodór może zostać

sprężony do wysokiego ciśnienia, w celu podwyższenia jego

gęstości energii. Podwajając ciśnienie w zbiorniku z grubsza

biorąc podwaja się ilość zgromadzonej w nim energii. Obecnie

przechowywanie pod ciśnieniem 200-350 barów jest

technicznie możliwe. Jednakże, gęstość objętościowa

pozostaje wciąż około 10 razy niższa niż w przypadku benzyny.

W przypadku zastosowań komunikacyjnych to znacznie

ogranicza zakres działania. Wyjątkiem są autobusy miejskie,

które mogą często tankować. Prowadzone są prace nad

zastosowaniem lekkich materiałów kompozytowych, które

mogą znacznie obniżyć wagę i objętość zbiorników na wodór

gazowy. Rozwijana jest również technologia zbiorników krio-

ciśnieniowych, w których przechowywany jest sprężony wodór

w obniżonej temperaturze (od około -120 do -196 °C). Kilku

producentów samochodowych stosuje ciśnieniowy zbiornik

wodoru w swoich samochodach. 700 barowy system został

zbudowany we współpracy General Motors z Quantum Fuel

Systems Technology Worldwide, Inc.

Wodór w stanie ciekłym



Ciekły wodór musi być przechowywany poniżej -240,18 °C

(temperatura krytyczna wodoru), zazwyczaj jest to około -250

°C. Gęstość energii jest znacznie wyższa niż w przypadku

wodoru sprężonego, skroplenie i utrzymanie wodoru w stanie

ciekłym jest bardzo energochłonne. Pomimo tego, że

skomplikowanie układu czyni go bardziej odpowiednim do

dużych ilości, producenci samochodowi, jak BMW i General

Motors prowadzą badania nad samochodami wyposażonymi w

zbiornik z ciekłym wodorem oraz wodorowy silnik spalinowy

lub ogniwo paliwowe. Duża część badań nad skraplaniem

wodoru została przeprowadzona przy projektach kosmicznych,

gdzie wodór jest wykorzystywany jako paliwo do napędu rakiet

Porównanie zbiornika na wodór

ciekły i gazowy , sprężony pod

ciśnieniem 350 barów

Wodór jako napęd dla Jet
Pack



Oprócz konwencjonalnych urządzeń, w których tego typu

paliwo może być wykorzystywane, badano również jego

przydatność w maszynach typu Jet Pack. Są to urządzenia w

kształcie plecaka, które służą do latania. Były one

początkowe badane przez armię amerykańską dla

zastosowań wojskowych. Pierwsze prototypy skonstruowała

firma Bell Aerosystems w 1960 roku. Były one napędzane

nadtlenkiem wodoru (H2O2), jednak ze względu na krótki

czas działania, hałas oraz niebezpieczeństwo związane z

przechowywaniem nadtlenku wodoru armia amerykańska

wycofała się z projektów.



W roku 2007 został wypuszczony na rynek Jet Pack T-73

który w powietrzu może utrzymać się ok. 9 minut i pokonać

dystans 17.7 km. Działała on na specjalnym rodzaju paliwa

lotniczego Jet A, którego pali około 19 litrów. Model ten w

2007 roku kosztował 200 tysięcy dolarów. W roku 2008-2009

ukazał się następny model innej firmy, która wykorzystuje

obracające się turbiny umocowane podobnie jak plecak na

plecach pilota. Model ten kosztuje już mniej bo tylko 100.000

$.

Jet Pack