Hidrogenul

Cum a fost descoperit hidrogenul???

Hidrogenul a fost descoperit de către chimistul și fizicianul englez Henry Cavendish în 1766, în urma unui experiment în care a studiat reacțiile dintre mercur și acid. Când a amestecat cele două substanțe, a observat apariția unor mici bule de gaz în amestec. Acest aspect l-a determinat să efectueze o cercetare suplimentară, numind substanța necunoscută „aer inflamabil”. În 1781 a descoperit că acest element produce apă atunci când arde.

O analiză mai detaliată a fost efectuată de către Antoine Lavoisier, care descoperă gazul independent de Cavendish în urma unui experiment ce urmărea determinarea masei pierdute sau create în urma unei reacții chimice. Cercetătorul a încălzit apa într-un recipient închis, vaporii formați condensându-i într-un alt recipient. Cantitatea pierdută a fost atribuită degajării unui gaz (H2). Chimistul francez a observat că „aerul inflamabil” al lui Cavendish în combinație cu oxigenul formează picături de apă. Lavoisier a numit gazul „hidrogen” (din greacă, unde hydro înseamnă apă, iar gignomai înseamnă a naște, a crea).

Hidrogenul este cel mai răspândit element în univers, reprezentând mai mult de 75% în masă și mai mult de 90% după numărul de atomi. Se găsește în cantități mari în compoziția stelelor și a planetelor gigantice gazoase. Norii moleculari de H2 sunt asociați cu formarea stelelor. Hidrogenul joacă un rol-cheie și în exploziile stelare datorate reacțiilor de fuziune nucleară dintre protoni.

În Univers, hidrogenul este întâlnit mai ales sub forma de atomi și în stare de plasmă. Proprietățile acestora sunt diferite față de cele ale moleculei de hidrogen. Electronul și protonul de hidrogen nu formează legături în starea de plasmă, din cauza conductivității electrice diferite și a unei emisii radiative mari (originea luminii emise de Soare și alte stele). Particulele încărcate cu sarcini electrice sunt puternic influențate de câmpurile magnetice și electrice. De exemplu, în vânturile solare particulele interacționează cu magnetosfera terestră, generând curenți Birkeland și produc fenomenul cunoscut sub denumirea de auroră boreală. Hidrogenul se găsește în stare atomică neutră în mediul interstelar.

Răspîndirea Hidrogenului

În condiții normale, hidrogenul există pe Pământ sub formă de moleculă diatomică, H2, însă nu este foarte răspândit în atmosfera terestră (în concentrație medie de 1 ppm de volum) din cauza masei mici, forța gravitațională a planetei are un efect foarte slab asupra sa. Totuși, hidrogenul (prin compușii săi) este cel mai răspândit element de la suprafața Terrei. Cei mai întâlniți compuși chimici ai săi sunt hidrocarburile și apa. Hidrogenul gazos este produs de anumite specii de bacterii și alge. Metanul este o importantă sursă de hidrogen.

Cantități mari de hidrogen sunt găsite în stele și planete de tip "giganţi de gaz". Acesta joacă un rol esențial în reacțiile care au loc în sinteza stelelor.

Anual consumul mondial de hidrogen se cifrează la peste 500 miliarde metri cub în diverse scopuri și în diferite domenii, a căror varietate și necesități sunt în creștere pe măsura scăderii resurselor de combustibili fosili și schimbărilor climatice datorate creșterii emisiunii de CO2 în atmosferă. Pentru a putea asigura accesul diferiților consumatori la sursele de hidrogen este necesară dezvoltarea unei infrastructuri adecvate.

Gaz de umplere pentru baloane

Una din primele utilizări ale hidrogenului a fost în cazul baloanelor. Inițial a fost utilizat de Jacques Alexandre César Charles în 1783 pentru un zbor de 45 minute. Primele dirijabile au fost umplute cu hidrogen. Datorită inflamabilității ușoare, s-au produs însă nenumărate accidente (catastrofa dirijabilelor Dixmude în 1923 și Hindenburg în 1937) și a fost înlocuit de heliu. Datorită densității mici, baloanele umplute cu hidrogen au o forță ascensională mare. Astfel se pretează foarte bine la utilizarea și în prezent în cazul baloanelor meteorologice, de transport și de publicitate.

Utilizarea hidrogenului

Sudură

Pe lângă sudarea oxiacetilenică, la sudarea cu gaz (tot mai rar utilizată, temperatura flăcării cca. 3100°C) se poate utiliza energia de ardere a hidrogenului în locul acetilenei. De fapt pentru prima dată în anii 1838/40 francezul Desbassayns de Richmont a reușit să sudeze cu o flacără de hidrogen două plăci de plumb. La sudura cu arc cu hidrogen atomic se utilizează energia de recombinare a hidrogenului atomic în hidrogen molecular rezultând în punctul de sudare o temperatură de până la 4000°C. La sudură în mediu cu gaz inert, hidrogenul este utilizat și în componența gazului de protecție.

Combustibil pentru rachete

În tehnica spațială hidrogenul lichid este un combustibil obișnuit pentru motoarele criogenice ale rachetelor, fiind stocat în rezervorul de combustibil al rachetei de lansare a navetelor spațiale americane. În aceste motoare hidrogenul lichid este folosit întâi la răcirea ajutajului și a altor părți ale motorului, înainte de a fi amestecat cu oxidantul, de obicei oxigenul lichid, și apoi ars. Din ardere rezultă apă, ozon și apă oxigenată.

Materie primă în procesul de reducere a minereurilor

Hidrogenul poate reacționa cu oxizii metalelor preluând oxigenul din aceștia. Va rezulta apă și metalul al cărui oxid a intrat în reacție. Acest procedeu este utilizat în industria metalurgică pentru a obține metale cu o puritate mai ridicată.

Materie primă în procesul de fabricare a amoniacului

În procedeul Haber-Bosch din gaz metan, prin reformare în trei faze, se obține hidrogen care mai apoi reacționează cu azotul din aer la o presiune de 300 bar și o temperatură de 450°C. Rezultă amoniac utilizat la fabricarea îngrășămintelor și explozivilor. Datorită temperaturii și presiunii mari, fabricarea amoniacului necesită un consum de energie ce reprezintă 1,1% din producția mondială.

Agent de răcire

Datorită capacității termice mari, hidrogenul este utilizat în centrale și instalații industriale ca agent de răcire. De obicei se utilizează H2 în cazurile în care nu se poate apela la lichide. Avantajul capacității mari se evidențiază în cazurile când viteza de circulație a gazului se cere a fi redusă sau nulă. Deoarece hidrogenul prezintă și o bună conductibilitate termică, se pot utiliza curenți de hidrogen pentru transportul căldurii în rezervoare mari. În astfel de aplicații hidrogenul apără instalațiile de supraîncălzire și mărește eficiența.
Criogenie

Hidrogenul lichid având o capacitate termică foarte mare se poate utiliza ca agent de răcire pentru temperaturi foarte mici necesare în cazul supraconductorilor, a distilării criogenice, conservării celulelor și organelor, intervențiilor chirurgicale criogenice. Hidrogenul lichid poate absorbi mari cantități de căldură înainte ca să se observe o variație semnificativă de temperatură rezultând o stabilitate mare chiar și la oscilații mari ale temperaturii exterioare.