background image
background image

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.

background image

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

background image

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

  (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

 

 

background image

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

background image

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.

background image

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)

background image

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.

background image

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.

background image

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.

background image

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.

background image

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

background image

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 

$.

background image

Jet Pack


Document Outline