ΥΔΡΟΓΌΝΟ (H2)


   Έχετε ίσως ακούσει πολλά και διάφορα  σε σχέση με το Υδρογόνο. Θα προσπαθήσουμε στις επόμενες γραμμές να σας δώσουμε μια πιο αξιόπιστη πληροφόρηση για το στοιχείο του  Υδρογόνου. Το χημικό στοιχείο του Υδρογόνου είναι αμέταλλο με ατομικό αριθμό 1 και ατομικό βάρος 1,008. Το Υδρογόνο  είναι το πρώτο στοιχείο του περιοδικού πίνακα και συμβολίζεται με Η. Σε κανονικές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας βρίσκεται σε αέρια μορφή. Κατά την καύση του Υδρογόνου σχηματίζεται νερό. Ονομάστηκε από τον Γάλλο χημικό  Antoine Lavoisier από τις λέξεις της αρχαίας ελληνικής γλώσσας ‘ύδωρ’ και ‘γένομαι’. Το Υδρογόνο είναι το πιο άφθονο στοιχείο στη φύση και απαντάται σε δεκαπλάσια αναλογία σε σχέση με το δεύτερο κατά σειρά αφθονίας χημικό στοιχείο, το Ήλιο. Το Ήλιο είναι παράγωγο του Υδρογόνου μετά από μια σειρά θερμοπυρηνικών αντιδράσεων που λαμβάνουν χώρα έξω από την γήινη ατμόσφαιρα (διάβαζε ήλιος, διάστημα). Οι αντιδράσεις αυτές συνοδεύονται από την απελευθέρωση τεράστιων ποσοτήτων ενέργειας. Παρά την απίθανα μεγάλη αναλογία του στο διαστημικό χώρο, υπολογίζεται ότι πλησιάζει το 75% της συμπαντικής μάζας, στην γήινη σφαίρα αντιπροσωπεύει μόνο το 0,14% της μάζας του φλοιού της γης. Περιέχεται σε πολύ μεγάλες ποσότητες ως συστατικό του νερού σε αναλογία 11% του συνόλου των υδάτινων αποθεμάτων της γης συμπεριλαμβανομένων και της ατμόσφαιρας. Υπολογίζεται ότι αποτελεί το 0,9% της μάζας της γης. Η παρουσία του Υδρογόνου στην ατμόσφαιρα είναι πολύ χαμηλή λόγω της διαφυγής του προς το διάστημα. Αντίθετα με το ότι συμβαίνει στην ατμόσφαιρα, στη γη αποτελεί συστατικό πολυάριθμων οργανικών ενώσεων, φυτικών και ζωικών ιστών καθώς είναι το κύριο συστατικό μαζί με τον άνθρακα στο πετρέλαιο και στους υδρογονάνθρακες. Σχηματίζει ένα τεράστιο αριθμό ενώσεων με όλα τα χημικά στοιχεία εκτός από αυτά των ευγενών αερίων. 

 Ιστορία της ανακάλυψης και της χρήσης υδρογόνου

Η πρώτη υπερατλαντική πτήση (χωρίς στάσεις) έγινε από το βρετανικό αερόπλοιο R34 το 1919. Οι κανονικές αερογραμμές με αερόπλοια επαναλήφθηκαν τη δεκαετία του 1920 και η ανακάλυψη του ηλίου στις ΗΠΑ, ως μη εύφλεκτο υποσχόταν αυξημένη ασφάλεια, αλλά οι ΗΠΑ αρνήθηκαν να πουλήσουν το νέο αέριο για μια τέτοια χρήση. Γι' αυτό συνεχίστηκε η χρήση υδρογόνου στα αερόπλοια, μέχρι το περίφημο δυστύχημα του αερόπλοιου Hindenburg πάνω από τη Νέα Υερσέη στις 6 Μαΐου του 1937. Το επεισόδιο μεταδόθηκε ζωντανά από το ραδιόφωνο και κινηματογραφήθηκε. Η ανάφλεξη διαρροής υδρογόνου θεωρήθηκε ευρέως ως η αιτία του, αλλά πιο προσεκτικές έρευνες που έγιναν αργότερα έδειξαν πως η αιτία ήταν η ανάφλεξη του υφάσματος με επικάλυψη αλουμινίου, που χρησίμευε σαν περίβλημα, από στατικό ηλεκτρισμό. Όμως η δυσφήμιση του υδρογόνου ως ανυψωτικού αερίου από το συμβάν είχε γίνει και ήταν καταλυτική και προκάλεσε τη διακοπή της χρήσης αερόπλοιων εις όφελος των βαρύτερων του αέρα αεροπλάνων, που όμως, στην πραγματικότητα ποτέ δεν εγγυήθηκαν τη σχετικά ανώτερη ασφάλεια των αερόπλοιων (έστω και υδρογόνου), που είχαν μόλις ένα δυστύχημα σε 30 χρόνια πτήσεων. Βέβαια, στην επιλογή των αεροπλάνων στις εθνικές και διεθνείς αερογραμμές συνέβαλε και το γεγονός της αυξημένης ταχύτητας που τα τελευταία πέτυχαν καθώς εξελίσσονταν, που ήταν δύσκολο να την παρακολουθήσουν τα αναλογικά πιο ογκώδη αερόπλοια.

  • Η μη ύπαρξη καθαρού αερίου υδρογόνου θέτει το πρόβλημα της παρασκευής του. Οι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για την παρασκευή υδρογόνου είναι πολυάριθμες:

    1. Από το φυσικό αέριο ή το φωταέριο, με κλασματική διαπίδυση.

    2. Με την επίδραση νερού σε νάτριο (ή κάλιο) «εν ψυχρώ»:

    \mathrm{2H_2O + 2Na \xrightarrow{} 2NaOH + H_2 \uparrow}

    3. Με την επίδραση αλκοόλης σε νάτριο «εν ψυχρώ»:

    \mathrm{2CH_3CH_2OH + 2Na \xrightarrow{} 2CH_3CH_2ONa + H_2 \uparrow}

    4. Με την επίδραση υπέρθερμων υδρατμών σε διάπυρο σίδηρο:

    \mathrm{4H_2O + 3Fe \xrightarrow{\triangle} Fe_3O_4 + 4H_2}

    5. Με την επίδραση υπέρθερμων υδρατμών σε διάπυρο άνθρακα:

    \mathrm{2H_2O + C \xrightarrow{\triangle} CO_2 + 2H_2}

    6. Με την επίδραση νερού σε υδρίδια, όπως το υδρίδιο του λιθίου:

    \mathrm{2H_2O + 2LiH \xrightarrow{} 2LiOH + H_2}

    7. Με ηλεκτρόλυση νερού: Στην πράξη πρόκειται για ηλεκτρόλυση διαλύματος NaOH που αντιστοιχεί έμμεσα σε ηλεκτρόλυση νερού. (Το αποσταγμένο νερό είναι κακός αγωγός του ηλεκτρισμού και δεν περιέχει ιόντα για να γίνει ηλεκτρόλυση):

    NaOHelectrolysi.png

    \mathrm{H_2O \xrightarrow[NaOH]{\eta \lambda \epsilon \kappa \tau \rho \acute{o} \lambda \upsilon \sigma \eta } H_2 + \frac{1}{2}O_2}

    8. Από τα οξέα, με αντικατάσταση του Η από ηλεκτροθετικότερο μέταλλο:

    \mathrm{Zn + H_2SO_4 \xrightarrow{} ZnSO_4 + H_2}

    9. Από τις βάσεις με την επίδραση επαμφοτεριζόντων στοιχείων:

    \mathrm{6KOH + 2Al \xrightarrow{} 2K_2AlO_3 + 3H_2}

    10. Από την πυρόλυση του μεθανίου:

    \mathrm{CH_4 \xrightarrow{\triangle} C + 2H_2}

    11. Aπό το μεθάνιο με την επίδραση νερού και παρουσία νικελίου ως καταλύτη (παραγωγή υδραερίου):

    \mathrm{CH_4 + H_2O \xrightarrow[700-1100^oC]{Ni} CO + 3H_2}

    12. Με καταλυτική αφυδρογόνωση αιθανίου

    \mathrm{CH_3CH_3 \xrightarrow[Pd, Pt]{\triangle} CH_2=CH_2 + H_2}

    13. Mε υδροδιάσπαση στους 5000oC:

    
\mathrm{2H_2O \xrightarrow{5000^oC} 2H_2 + O_2}

    • Ωστόσο άλλες χρήσεις του υδρογόνου συνέχισαν να εφευρίσκονται και να χρησιμοποιούνται, όπως η πρώτη ψυχόμενη με υδρογόνο στροβιλογεννήτρια το 1937 στο Ντέυτον του Οχάιο, από την Dayton Power & Light Co, που λόγω της θερμικής αγωγιμότητας του αερίου υδρογόνου είναι η πιο συνηθισμένη μέθοδος στον τομέα ακόμη και στις μέρες μας (2009).
    • Το 1977 εφευρέθηκε η πρώτη μπαταρία νικελίου - υδρογόνου και χρησιμοποιήθηκε από τον τεχνητό δορυφόρο NTS-2. Ακολούθησαν σε χρήση της μπαταρίας αυτής στους δορυφόρους ή διαστημόπλοια ISS, Mars Odyssey, Mars Global Surveyor και το διαστημικό τηλεσκόπιο Χαμπλ.
    • Τέλος, μείγμα υγρού υδρογόνου και οξυγόνου χρησιμοποιείται ως το συνηθισμένο προωθητικό των τελευταίων ορόφων πυραύλων, των διαστημοπλοίων και των διαστημικών λεωφορείων.
    •  
    • Παραγωγή

      Το αέριο υδρογόνο, H2, πρωτοπαρασκευάστηκε τεχνητά από τον T. φον Χοενχάιμ, με την επίδραση ισχυρών οξέων σε μέταλλα. Δεν γνώριζε, όμως, ότι το παραγόμενο εύφλεκτο αέριο από μια τέτοια αντίδραση είναι το υδρογόνο, ένα νέο χημικό στοιχείο για την εποχή.

    • Το 1671, ο Ρόμπερτ Μπόιλ το ξαναανακάλυψε και περιέγραψε την αντίδραση ρινισμάτων σιδήρου και διαλυμάτων οξέων, που κατέληγαν στην παραγωγή αέριου υδρογόνου.
    • Το 1746 ο Χένρι Κάβεντις ήταν ο πρώτος που αναγνώρισε το παραγόμενο υδρογόνο ως ξεχωριστό χημικό στοιχείο, ονομάζοντάς το «εύφλεκτο αέρα». Αργότερα, το 1781, διαπίστωσε ότι το υδρογόνο παράγει νερό όταν καίγεται. Συχνά σε αυτόν αποδίδεται η ανακάλυψη του υδρογόνου.
    • Το 1783, ο Αντουάν Λαβουαζιέ ονόμασε το νέο χημικό στοιχείο «υδρογόνο», για τους λόγους που αναφέρονται στην ετυμολογία της λέξης στην αρχή του άρθρου, όταν αυτός και ο Λαπλάς ξανανακάλυψαν το εύρημα του Κάβεντις, ότι δηλαδή το υδρογόνο καίγεται σχηματίζοντας νερό.
    • Το υδρογόνο υγροποιήθηκε για πρώτη φορά από τον Τζέιμς Ντιούαρ το 1898 χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της απότομης εκτόνωσης συμπιεσμένου αερίου. Διατήρησε το υγρό υδρογόνο που παράχθηκε στην ομώνυμη εφεύρεσή του, το δοχείο Ντιούαρ Με την ίδια μέθοδο κατόρθωσε να παρασκευάσει στερεό υδρογόνο τον επόμενο χρόνο (1899).
    • Το δευτέριο ανακαλύφθηκε το Δεκέμβριο του 1931 από τον Χάρολντ Ουρέυ και το τρίτιο (που είναι τεχνητό) πρωτοπαρασκευάστηκε το 1934, από τους Έρνεστ ΡάδερφορντΜαρκ Όλιφαντ και Πωλ Χάρτεκ. Το βαρύ ύδωρ (D2O), ανακαλύφθηκε από την ομάδα του Ουρέυ το 1932.
    • Ο Φράνκις Ισαάκ ντε Ριβάζ κατασκεύασε τον πρώτο κινητήρα εσωτερικής καύσης που χρησιμοποιούσε μίγμα υδρογόνου και οξυγόνου το 1806.
    • Ο Έντουαρντ Ντάνιελ Κλαρκ ανακάλυψε τον σωλήνα ανάφλεξης υδρογόνου το 1819.
    • Ο Ντομπερέινερ εφηύρε τη λυχνία υδρογόνου το 1823.
    • Το πρώτο αερόστατο υδρογόνου εφευρέθηκε από τον Ζακ Τσαρλς το 1783. Το υδρογόνο παρείχε την απαιτούμενη άνωση για τα πρώτα αξιόπιστα αεροπορικά ταξίδια μετά από την εφεύρεση, το 1852, του πρώτου αερόπλοιο υδρογόνου από τον Χενρί Γκιφφάρντ. Ο Γερμανός Κόμης Φέρντιναρντ φον Ζέππελιν προώθησε την ιδέα των «σκληρών» αερόπλοιων που ανυψώθηκαν με υδρογόνο και που αργότερα ονομάσθηκαν προς τιμήν του Ζέππελιν. Το πρώτο τέτοιο αερόπλοιο πέταξε το 1900. Η εφεύρεση αυτή εγκαινίασε τις πρώτες τακτικές αερογραμμές που, από το 1910, που άρχισαν, μέχρι την έναρξη του ΑΠΠ, τον Αύγουστο του 1914 είχαν μεταφέρει 35.000 επιβάτες χωρίς κανένα ατύχημα. Κατά τη διάρκεια του πολέμου τα ζέπελιν χρησιμοποιήθηκαν σε αποστολές αναγνώρισης και βομβαρδισμού και με ανύψωση από πλοία του ναυτικού.
      • Η αντίδραση είναι έντονα εξώθερμη. Αν γίνει χωρίς προσοχή καταλήγει σε έκρηξη του παραγόμενου υδρογόνου, λόγω ανάφλεξής του με το ατμοσφαιρικό οξυγόνο. Με χρήση καλίου, η έκρηξη είναι ακόμη πιο βίαιη.
      • Η αντίδραση είναι έντονα εξώθερμη. Αν γίνει χωρίς προσοχή καταλήγει σε έκρηξη του παραγώμενου υδρογόνου, λόγω ανάφλεξής του (πιθανόν και της αλκοόλης) με το ατμοσφαιρικόοξυγόνο.
      • Η αντίδραση πραγματοποιείται και με άλλες αλκοόλες και με K, οι περισσότερες πιο αργά απ' ότι με το νερό, αλλά με αρωματικές όπως η φαινόλη, σε υγρή κατάσταση, ταχύτερα. Με χρήση καλίου η αντίδραση είναι ακόμη πιο βίαιη.
      • Η συνολική αντίδραση εκφράζεται από την ακόλουθη στοιχειομετρική εξίσωση:
      • Δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν γι' αυτόν το σκοπό μέταλλα λιγότερο ηλεκτροθετικά από το υδρογόνο, όπως π.χ. Cu.
      • Οι μέθοδοι παρασκευής, ενδεικτικά, χωρίζονται σε 4 κατηγορίες: τις αντιδράσεις απλής αντικατάστασης, τις θερμοχημικές, τις ηλεκτρολυτικές και τις φωτολυτικές. Όλες είναι άμεσα ή έμμεσα ενεργοβόρες αντιδράσεις.
      • Οξείδωση

        Αρχείο:Shuttle Main Engine Test Firing cropped edited and reduced.jpg

         

      • Ένας από τους κύριους κινητήρες διαστημικού λεωφορείου καίγοντας μείγμα υδρογόνου και οξυγόνου παράγει μια σχεδόν αόρατη γαλάζια φλόγα σε πλήρη ώθηαη

        Το αέριο υδρογόνο (ή διυδρογόνο ή μοριακό υδρογόνο) είναι πολύ εύφλεκτο και καίγεται στον αέρα σε ένα πολύ μεγάλο εύρος συγκεντρώσεων, από 4% - 75% κατ' όγκο. Η ενθαλπία της καύσης του υδρογόνου είναι -286 kJ/mole

        \mathrm{2H_2 + O_2 \xrightarrow{} 2H_2O + 572 \;kJ}

        Το αέριο υδρογόνο σχηματίζει εύφλεκτα μείγματα με τον αέρα σε συγκεντρώσεις του 4-74% και με το χλώριο σε συγκεντρώσεις 5-95%. Τα μείγματα αυτά μπορούν να αναφλεγούν με σπινθήρα, θέρμανση ή παρουσία ηλιακού φωτός. Η θερμοκρασία αυτανάφλεξης του υδρογόνου στον αέρα είναι 500°C[29]. Η φλόγα που παράγεται από την καύση καθαρού υδρογόνου και καθαρού οξυγόνου εκπέμπει κυρίως υπεριώδες φως και γι' αυτό είναι σχεδόν αόρατη από το ανθρώπινο μάτι, όπως φαίνεται καθαρά στην παραπάνω εικόνα με τον κινητήρα διαστημικού λεωφορείου. Η ανακάλυψη μιας φλόγας υδρογόνου από διαρροή μπορεί να απαιτεί έναν ανιχνευτή φλόγας και γι' αυτό είναι εξαιρετικά επικίνδυνη. Ένα διάσημο παράδειγμα ήταν η καταστροφή του αερόπλοιου Χίντενμπουργκ, στο οποίο οι φλόγες έγινες ορατές μόνο αφού αναφλέχθηκαν και άλλα καύσιμα υλικά, από το κέλυφος του σκάφους, που έδιναν ορατή φλόγα. .Επειδή το υδρογόνο είναι πολύ ελαφρύτερο από τον αέρα, οι φλόγες υδρογόνου τείνουν να ανυψωθούν τάχιστα και γι' αυτό κάνουν μικρότερη ζημιά από τις φλόγες υδρογονανθράκων. Στο δυστύχημα με το αερόπλοιο, τα 2/3 των επιβατών του επέζησαν από την ανάφλεξη του υδρογόνου, ενώ πολλοί έχασαν τη ζωή τους ως αποτέλεσμα της πτώσης των υπολειμμάτων του σκάφους και της ανάφλεξης του πετρελαίου που κινούσε τους προωθητικούς κινητήρες του. Το υδρογόνο αντιδρά με κάθε οξειδωτικό στοιχείο: Αντιδρά βίαια με το φθόριο και έντονα με το χλώριο στη θερμοκρασία δωματίου (20°C), σχηματίζοντας υδροφθόριο και υδροχλώριο, αντίστοιχα, που είναι ισχυρά και επικίνδυνα οξέα.