Hidrogenul

                                  HIDROGENUL

 

 

 

         1.Informaţii generale

    Hidrogenul este elementul chimic în tabelul periodic al elementelor cu simbolul H şi numărul atomic 1. Este un gaz uşor inflamabil, incolor, insipid, inodor, iar în natură se întâlneşte mai ales sub formă de moleculă diatomică, H2. Având masa atomică relativă egală cu 1,00794, hidrogenul este cel mai uşor element chimic. Etimologic, cuvântul hidrogen este o combinaţie a două cuvinte greceşti, având semnificaţia de „a face apă”.

    Hidrogenul elementar este principala componentă a Universului, având o pondere de 75 % din masa acestuia. În starea de plasmă, se găseşte ca element majoritar în alcătuirea stelelor. Hidrogenul elementar este foarte puţin răspândit pe Pământ.

Pentru necesităţi industriale există diferite procedee de fabricaţie, puse la punct din punct de vedere tehnologic sau aflate în fază de laborator. Hidrogenul poate fi obţinut prin electroliza apei, procesul necesitând costuri mai mari decât cel de producere prin procesarea gazelor naturale.

Cel mai răspândit izotop al hidrogenului este protiul, care este alcătuit dintr-un singur proton în nucleu şi un electron în învelişul electronic. În compuşii ionici poate avea sarcină negativă (anion cunoscut sub numele de hidrură, H) sau sarcină pozitivă H+ (cation). Hidrogenul formează compuşi chimici cu majoritatea elementelor din sistemul periodic şi este prezent în apă şi în mulţi dintre compuşii organici. Are un rol important în reacţiile acido-bazice, acestea bazându-se pe schimbul de protoni între molecule. Fiind singurul atom pentru care soluţia analitică a ecuaţiei lui Schrödinger este pe deplin cunoscută, prezintă un rol major în fundamentarea teoriei mecanicii cuantice.

    Hidrogenul este un gaz puternic reactiv şi îşi găseşte aplicaţii datorită capacităţii sale chimice de reducător. Hidrogenul se foloseşte în industria petrochimică la producerea benzinelor, în industria chimico-alimentară pentru hidrogenarea grăsimilor (de exemplu producerea margarinei), în prelucrările mecanice ale metalelor şi în tratamentul termic al acestora.

   Hidrogenul reprezintă o alternativă pentru înlocuirea benzinei drept combustibil pentru vehiculele echipate cu motoare cu ardere internă. Avantajele sale principale constau în faptul că este ecologic, din arderea sa rezultând vapori de apă, iar randamentul termic al motoarelor cu hidrogen este ridicat. Dezavantajele constau în pericolul mare de explozie, dificultatea stocării în vehicul şi lipsa unor reţele de staţii de alimentare cu hidrogen. Una dintre cele mai promiţătoare soluţii tehnice o reprezintă conversia directă a energiei chimice din hidrogen în electricitate, prin intermediul pilelor de combustie.

     2.Descoperirea hidrogenului

 

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

O analiză mai detaliată a fost făcută de către Antoine Lavoisier, care descoperă gazul independent de Cavenish în urma unui experiment ce urmărea determinarea masei pierdute sau create în urma unei reacţii chimice. Cercetătorul a încălzit apa într-un recipient închis, vaporii formaţi 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 combinaţie cu oxigenul formează picături de apă, conform lui Joseph Priestley.  Lavoisier a numit gazul „hidrogen”, nomeclatura fiind de origine greacă (ὕδωρ, hydro înseamnă apă, iar γίγνομαι, gignomai înseamnă a naşte, a crea).

            3.Proprietăţi fizice

 

    Hidrogenul este elementul cu cea mai mică densitate. În formă moleculară (H2) este de aproximativ 14,4 ori mai uşor decât aerul. La presiune normală punctul său de topire este de 14,02 K, iar cel de fierbere este de 20,27 K. Punctul său triplu este la 13,81 K, şi 7,042 kPa,  iar cel critic la 33,2 K şi 1,29 MPa.  Solubilitatea în apă este de 1,6 mg/l.  Unele proprietăţi termodinamice (legate de fenomenele de transport) sunt datorate masei moleculare mici şi vitezei termice a unei molecule de 1770 m/s la 25 °C. La temperatura camerei, hidrogenul difuzează cel mai rapid, are cea mai înaltă conductivitate termică şi cea mai mare efuziune dintre toate gazele. O vîscozitate mai mică au doar trei gaze poliatomice, unul dintre ele fiind n-butan. Mobilitatea hidrogenului într-o masă solidă este, de asemenea, foarte mare. Astfel, acesta difuzează prin diverse materiale, cum ar fi polietilena şi cuarţul. Un important fenomen este acela de difuzie în fier, platină şi în alte metale tranziţionale. Aceste proprietăţi conduc la utilizări tehnice numeroase, dar de asemenea, şi la dificultăţi legate de transportul, depozitarea şi de prelucrare a amestecurilor de hidrogen.

           4.Combustie

 

Hidrogenul gazos (în stare de moleculă diatomică) este extrem de inflamabil şi la presiune atmosferică se aprinde în aer la concentraţii volumetrice cuprinse între 4 % şi 75 %, iar în contact cu oxigenul pur între 4,65 % şi 93,9 %. Limitele între care apare detonaţia sunt între 18,2 % şi 58,9 % în aer, respectiv între 15 % şi 90 % în oxigen. Variaţia entalpiei în urma combustiei (puterea calorifică, căldura de ardere) este de −286 kJ/mol:

2 H_2 (g) + O_2 (g) \to 2 H_2 O (l) + 572 \ \mbox {kJ} \ (286 \ \mbox {kJ/mol})

   Amestecul dintre oxigen şi hidrogen în diferite proporţii este exploziv.     Hidrogenul se autoaprinde şi explodează în contact cu aerul în intervalul de concentraţii cuprins între 4 % şi 75 %, temperatura de autoaprindere fiind de 560 °C. Flacăra unui amestec pur hidrogen-oxigen emite radiaţii ultraviolete invizibile cu ochiul liber.

H2 reacţionează cu toate elementele oxidante. Acesta poate reacţiona spontan şi violent la temperatura camerei cu clorul şi fluorul, formând HCl şi HF.

           5.Râspândirea în Univers şi pe Pământ

 

NGC 604, o regiune foarte bogată în hidrogen

 
Hidrogenul este cel mai răspândit element în univers, reprezentând mai mult de 75 % în masă şi mai mult de 90 % după numărul de atomi.  Se găseşte în cantităţi mari în compoziţia stelelor şi a planetelor gigantice gazoase. Norii moleculari de H2 sunt asociaţi cu formarea stelelor. Hidrogenul joacă un rol-cheie şi în exploziile stelare datorate reacţiilor de fuziune nucleară dintre protoni.

   În Univers, hidrogenul este întâlnit mai ales sub forma de atom şi în stare de plasmă. Proprietăţile acestora sunt diferite faţă de cele ale moleculei de hidrogen. Electronul şi protonul de hidrogen nu formează legături în starea de plasmă, din cauza conductivităţii electrice diferite şi a unei emisii radiative mari (originea luminii emise de Soare şi alte stele). Particulele încărcate cu sarcini electrice sunt puternic influenţate de câmpurile magnetice şi electrice. De exemplu, în vânturile solare particulele interacţionează cu magnetosfera terestră, generând curenţi Birkeland şi produc fenomenul cunoscut sub denumirea de auroră boreală. Hidrogenul se găseşte în stare atomică neutră în mediul interstelar, iar cea mai mare cantitate este întâlnită la sistemele Lyman-alpha.

În condiţii normale, hidrogenul există pe Pământ sub formă de moleculă diatomică, H2, însă nu este foarte răspândit în atmosfera terestră (în concentraţie medie de 1 ppm de volum) din cauza masei mici, astfel forţa gravitaţională a planetei are un efect foarte slab asupra sa. Totuşi, hidrogenul (prin compuşii săi) este cel mai răspândit element de la suprafaţa Terrei. Cei mai întâlniţi compuşi chimici ai săi sunt hidrocarburile şi apa.  Hidrogenul gazos este produs de anumite specii de bacterii şi alge, acesta fiind componentul principal al flatulenţei. Metanul este o importantă sursă de hidrogen.

           6.Obţinerea hidrogenului

 

Hidrogenul  este produs în laboratoarele de chimie şi cele de biologie, fiind adesea un produs secundar al unei reacţii; în industrie pentru hidrogenarea substanţelor nesaturate; în natură ca metodă de a reduce echivalenţii în reacţiile biochimice.

          6.1. Laborator

În laborator, H2 este de obicei obţinut prin reacţia metalelor cu acizii în aparatul Kipp.

Zn +2 H^+ \to Zn^{2+} + H_2

Aluminiul poate produce H2 prin tratarea cu baze:

2 Al + 6 H_2 O + 2 OH^- \to 2 Al(OH)_4^- + 3 H_2

Electroliza apei este o metodă simplă de a produce hidrogen. Un curent de joasă tensiune trece prin apă, iar oxigenul gazos se formează la anod, în timp ce hidrogenul gazos apare la catod. De obicei la producerea hidrogenului, catodul este confecţionat din platină. Dacă se realizează şi arderea, oxigenul este preferat pentru combustie, astfel ambii electrozi sunt confecţionaţi din metale inerte. Eficienţa maximă (electricitatea utilizată raportată la cantitatea de hidrogen produsă) este de 80 % – 94 %.

2 H_2 O (l) \to 2 H_2 (g) + O_2 (g)

În 2007 s-a descoperit că un aliaj format din aluminiu şi galiu în forma granulară în reacţie cu apa poate fi folosit pentru a produce hidrogen. Din acest proces mai rezultă de asemenea şi alumină, însă galiul scump, ce previne apariţia stratului de oxid, poate fi refolosit. Acest lucru are o mare importanţă în economia hidrogenului, deoarece acesta poate fi produs la locul de lucru şi nu trebuie transportat.

         6.2. Industrial

 

Cea mai importantă (din punct de vedere economic) metodă de obţinere a hidrogenului este extragerea acestuia din hidrocarburi. Cea mai mare parte a hidrogenului obţinut în mod industrial provine din reformarea vaporilor gazelor naturale. La tempreaturi ridicate (700 – 1100 °C; 1300 – 2000 °F), apa în stare de vapori reacţionează cu metanul, rezultând monoxid de carbon şi H2:

CH_4 + H_2 O \to CO + 3 H_2

Această reacţie se realizează uşor la presiune joasă, dar de obicei se realizează la presiuni mari (20 bar), deoarece la aceste presiuni se desfăşoară aplicaţiile uzuale ale hidrogenul astfel obţinut.  Amestecul rezultat se numeşte gaz de sinteză deoarece este utilizat pentru obţinerea directă a metanolului şi a compuşilor săi. Şi alte hidrocarburi în afară de metan pot produce gaz de sinteză în diferite proporţii.  O problemă ce apare în această tehnologie este formarea cocsului  sau a carbonului:

CH_4 \to C + 2 H_2

Această reacţie decurge de obicei cu formarea unui exces de H2O. Hidrogenul adiţional poate fi recuperat din vapori utilizându-se monoxidul de carbon în reacţie cu gazul de apă pe un catalizator de oxid de fier. Procesul este şi o metodă de obţinere a dioxidului de carbon:

CO + H_2 O \to CO_2 + H_2

Alte metode importante de obţinere a H2 sunt oxidarea parţială a hidrocarburilor:

2 CH_4 + O_2 \to 2 CO + 4 H_2

şi reacţia cărbunelui cu apa:

C + H_2 O \to CO + H_2

Uneori, hidrogenul este fabricat şi consumat în timpul aceluiaşi proces, fără a mai fi separat. În procedeul Haber pentru obţinerea amoniacului, hidrogenul provine din la gazul natural.  Din electroliza saramurii pentru a produce clor se obţine şi hidrogen ca produs secundar.

        6.3.Termochimie

 

Există mai mult de 200 de cicluri termochimice care pot fi folosite pentru descompunerea apei. Sunt studiate unele dintre acestea, cum ar fi ciclul oxidului de fier, ciclul oxid de ceriu (IV)-ceriu (III), ciclul zinc-oxid de zinc, ciclul sulfură-iod, ciclul cupru-clor şi ciclul sulfurii hibride, fiind în stadiul de testări pentru a produce hidrogen şi oxigen din apă folosind căldura, fără a se utiliza electricitatea. Numeroase laboratoare (inclusiv în Franţa, Germania, Grecia, Japonia şi Statele Unite ale Americii) dezvoltă metode termochimice de producere a hidrogenului din energie solară şi apă.

          7.Atomul de hidrogen

 

 Nivelele energtice ale atomului de hidrogen

Reprezentarea prin schemele de tranziţie a nivelelor energetice ale hidrogenului.

Secţiune dintr-un atom de hidrogen ce arată că diametrul acestuia este de două ori raza atomică calculată cu ajutorul modelului Bohr.

Nivelul energetic fundamental al electronului în atomul de hidrogen are energia egală cu -13,6 eV.  Nivelele superioare se numesc nivele excitate, energia acestora crescând până la 0 eV (valoarea nivelului energetic aflat la infinit), ele se calculează folosind modelul lui Bohr. Acesta consideră că nucleul este fix, iar electronul are o traiectorie circulară în jurul acestuia asemănătoare cu planetele ce gravitează în jurul Soarelui (de unde provine denumirea alternativă de model planetar). Forţa electromagnetică atrage electronul şi protonul unul spre celălalt, în timp ce corpurile cereşti se atrag datorită gravitaţiei. Potrivit condiţei de cuantificare a momentului cinetic postulat de Bohr, valoarea momentului cinetic al electronului este multiplu întreg al constantei reduse al lui Planck, de unde rezultă că în cadrul atomului, electronului îi sunt permise anumite orbite cu raze bine stabilite. Aceeastă relaţie de cuantificare explică spectrul discret al nivelelor energetice.

O descriere mai exactă a atomului de hidrogen este dată în fizica cuantică unde se calculează densitatea de probabilitate prin norma funcţiei de undă a electronului în jurul protonului pe baza ecuaţiei lui Schrödinger sau a formulării lui Feynman cu integrală de drum.

              8. Izotopii

Protiul, cel mai răspândit izotop al hidrogenului, are un electron, un proton şi niciun neutron

Hidrogenul are trei izotopi naturali, 1H, 2H şi 3H. Alţii, ce au nucleele foarte instabile (4H to 7H), au fost sintetizaţi în laborator dar nu au fost observaţi în natură.

  • 1H este cel mai răspândit izotop al hidrogenului, având o pondere de peste 99,98% în compoziţia izotopică naturală al acestui element. Datorită faptului că acesta are în nucleul un singur proton, a fost numit protiu, această denumire fiind însă rar utilizată.
  • 2H, celalalt izotop stabil al hidrogenului, este cunoscut şi sub numele de deuteriu. Conţine în nucleu un proton şi un neutron, acest izotop provenind de la Big Bang, continuând să existe până acum datorită stabilităţii sale. Nu este radioactiv şi nu reprezintă o sursă periculoasă de poluare. Apa ce este bogată în dioxid de deuteriu se mai numeşte şi apă grea. Deuteriul şi compuşii săi sunt utilizaţi ca etalon în experimente neradioactive şi ca solvent în procedeele de spectroscopie RMN. Apa grea este utilizată ca moderator de neutron şi ca lichid de răcire pentru reactorii nucleari. Deuteriul este de asemenea folosit drept combustibil pentru fuziune nucleară de larg consum.
  • 3H se mai numeşte şi tritiu (mai rar: triţiu); conţine în nucleu un proton şi doi neutroni. Este radioactiv, rezultând din izotopul Heliu-3 prin dezintegrarea beta şi are un timp de înjumătăţire de 12,32 ani. Cantităţi mici din acest izotop sunt răspândite şi în natură, acesta rezultând din interacţiunea razelor cosmice cu gazele atmosferice; tritiul este eliberat şi în timpul testelor nucleare.  Este folosit şi în reacţii de fuziune nucleară, şi pentru evidenţierea şi studiul de geochimia izotopilor şi în dispozitive autogeneratoare de lumină. Tritiul se mai utilizează şi în marcarea radioizotopică, în special în domeniul biologiei, medicinei sau geologiei.  Dioxidul de tritiu se mai numeşte şi apă supergrea.

    Hidrogenul este singurul element care are nume diferite pentru izotopii săi cei mai răspândiţi. Simbolurile D şi T (în loc de 2H şi 3H) sunt folosite pentru deuteriu şi tritiu, dar P este utilizat pentru fosfor, deci nu se poate folosi pentru simbolizarea protiului.  IUPAC acceptă atât ambele variante, dar 2H şi 3H sunt preferate.

          9.Utilizarea hidrogenului

   9.1  Gaz de umplere pentru baloane

Una din primele utilizări ale hidrogenului a fost în cazul baloanelor. Iniţial a fost utilizat de prof Jacques Alexandre César Charles în 27. August 1783 pentru un zbor de 45 minute. Primele dirijabile au fost umplute cu hidrogen. Datorită inflamabilităţii uşoare, s-au produs însă nenumărate accidente (catastrofa dirijabilelor Dixmude în 1923 şi Hindenburg în 1937) şi a fost înlocuit de heliu. Datorită densităţii mici, baloanele umplute cu hidrogen au o forţă ascensională mare. Astfel se pretează foarte bine la utilizarea şi în present în cazul baloanelor meteorologice, de ridicare şi transport , şi de reclamă.

           

Balon cu hidrogen al Prof. Charles     Dirijabilul Hindenburg în Lakehurst în anul 1936 

         

Ballon meteorologic cu reflector        Balon de ridicare şi transport CL 75 Aircrane

 

   

 

9.2 Sursă de energie

 -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 reuşit să sudeze cu o flacără de hidrogen două plăci de plumb. La sudura cu arc cu hidrogen atomic se utilizează energia de recombinare (-436,22kJ/mol) a hidrogenului atomic în hidrogen molecular rezultînd în punctual de sudare o temperatură de până la 4000°C. La sudură în mediu cu gaz inert hidrogenul este utilizat şi în componenţa gazului de protecţie ex.( Arcal10 = 10 % Hidrogen, 40 % Argon, 50 % Azot).

 -Combustibil pentru rachete

SSME

În tehnica spaţială hidrogenul lichid este un combustibil obişnuit pentru motoarele criogenice ale rachetelor, şi este stocat de exemplu în rezervorul de combustibil al rachetei de lansare (SSME) a navetelor spaţiale americane. În aceste motoare hidrogenul lichid este folosit întâi la răcirea ajutajului şi a altor părţi ale motorului, înainte de a fi amestecat cu oxidantul, de obicei oxigenul lichid (LOX), şi apoi ars. Din ardere rezultă apă, ozon şi apă oxigenată.

Arderea se face în amestec bogat, raportul de masă a celor două componente fiind de 1:4 – 1:6, astfel că în gazele de ardere se mai găseşte hidrogen, ceea ce reduce eroziunea camerei de ardere şi a ajutajului. Deşi arderea este incompletă, masa hidrogenului nears şi scăderea masei molare a gazelor evacuate compensează întrucâtva scăderea impulsului specific datorită arderii incomplete. Rezervorul de combustibil al rachetei navetei spaţiale conţine 515,5 m³ hidrogen şi 554 m³ oxigen. Temperatura în camera de ardere atinge 3300 °C, viteza de evacuare fiind de 4440 m/s în vid, respectiv 3560 m/s la presiune normală. Fiecare din cele trei motoare principale dezvoltă o tracţiune de 1,8 MN.

Combustibil pentru avioane cu reacţie

În tehnica aeronautică primul motor cu reactie construit de firma Heinkel HeS 1 în 1937 – a funcţionat având ca şi combustibil hidrogen. Actuelmente sunt dezvoltate motoare cu reacţie ce pot funcţiona pe bază de hidrogen, dar deocamdată nu sunt în exploatare datorită masei mari a rezervoarelor ce intră în contradicţie cu necesităţile privind greutatea proprie a avioanelor. În anul 1988 avionul TU – 156 variantă a TU –154, având toate cele trei motoare modificate, a zburat cu success pe alimentare cu hidrogen stocat sub stare de agregare lichidă. Airbus are un proiect de construcţie Cryoplane cu participarea a 36 firme pentru a evalua posibilitatea realizării unui avion cu hidrogen lichid.

 Combustibil pentru motoare cu ardere internă

 

       

BMW H2R                                                            Mazda RX-8     

 
Cu mici modificări, motoarele cu ardere internă pot fi adaptate pentru a utiliza hidrogen lichid drept combustibil. BMW H2R („Hydrogen Record Car”) cu o putere de 210kW (232CP) a atins 300km/h. Hydrogen 7 al aceleiaşi firme este construit cu un motor de 260 kW, 229 km/h şi 0 – 100km/h in 9.5 sec. Cu posibilitate dublă de alimentare benzină şi hidrogen. Acest lucru s-a realizat prin montarea unui rezervor de hidrogen lichid ceea ce a redus capacitatea compartimentului de bagaje de la 500 la 250 l. Hidrogenul înmagazinat permite o autonomie de 200km, dar la neutilizare în decurs de 9 zile se reduce la o cantitate suficientă pentru parcurgerea a 20 km. Mazda a echipat modelul său RX-8 cu motor Wankel (piston rotativ) ce funcţionează cu combustibil hibrid benzină sau hidrogen dezvoltând 184 kW (255 hp).
 
 

 

 

 Combustibil în pile de combustie

     

Autobus Mercedes-Benz                        Honda FCX

Pilele de combustie sunt dispozitive de conversie electrochimică ce produc energiei electrică utilizând drept combustibil hidrogen, metan, methanol, soluţie de glucoză, iar ca oxidant oxigen, clor, bioxid de clor, peroxid de hidrogen etc. Tensiunea la bornele pilei de combustie cu hidrogen, teoretic, este de 1,23V dar practic se atinge 0,5-1V din care motiv sunt legate în serie şi paralel în grupuri de obicei mai mari de 45 pile. Randamentul ajunge până la de 72% pe celulă (62% pe sistem) în funcţie de tip, energia netransformată în current electric este disipată sub formă de căldură. Pilele de combustie se utilizează în:

 – Mijloace de transport

  • 37 autobuse fabricate de firma Mercedes-Benz sunt în exploatare în 9 oraşe europene în cadrul proiectului Clean Urban Transport for Europe
  • 20 autoturisme tip Honda FCX sunt în circulaţie având rezervoare de hidrogen în care încap max. 4 kg hidrogen ce asigură 300km autonomie la o viteză de max. 150km/h şi o putere de 80kW (107CP)
  • Firma Boeing are un proiect de utilizarea hidrogenului stocat sub formă gazoasă ce este utilizat în pile de combustie ce produc electricitate pentru electromotorul de acţionare a avionului.

 

 – Aparate portabile

Ca sursă de energie electrică sub formă de pilă de combustie miniaturală poate înlocui acumulatoarele în aparatele portabile. Tehnologia stocării hidrogenului în cantităţi mici nu este pusă la punct.

– Centrale pentru clădiri

Pilele de combustie pot fi utilizate pentru generarea de curent electric, iar căldura disipată (până la 50% din energia ânmagazinată în hidrogen) pentru încălzire şi prepararea apei calde.

 9.3Combustibil în centrale nucleare de fuziune

Interiorul unui Tokamak

În proiectul JET cu ajutorul camerei toroidale Tokamak s-a realizat la 9 noiembrie 1991 prima reacţie de fuziune cu un amestec de 86:14 deuterium-tritium, iar în anul 1998 s-a atins un Q=0,7 la un vârf de 16MW pe o durată mai scurtă de o secundă. ITER constituie un proiect mai evoluat care a fost lansat în 21 moiembrie 2006 cu semnarea tratatului de colaborare între 7 state industriale pentru realizare primului reactor de test în Cadarache. Acest reactor este proiectat să producă 500MW pe o durată continuă de 500 secunde arzând un amestec de circa 0.5g D + T în spaţiul de ~840 m3 al camerei reactorului. Primele rezultate sunt aşteptate pentru anul 2016. Continuare acestui proiect în caz de success va fi un reactor de 3000-4000MW

    9.5 Materie primă în procesul de reducere a minereurilor

Hidrogenul poate reacţiona cu oxizii metalelor preluând oxigenul din aceştia. Va rezulta apă şi metalul al cărui oxid a intrat în reacţie. Acest procedeu este utilizat în industria metalurgică pentru a obţine metale cu o puritate mai ridicată.

    9.6Materie primă în procesul de fabricare a amoniacului

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

 9.7 Materie primă în procesul de hidrogenare

 Cărbune

Există două procedee mai cunoscute în care prin hidrogenarea cărbunelui se obţin hidrocarburi:

   -Procedeul Bergius-Pier

Din cărbune amestecat cu ulei greu la 300bar şi 450–500 °C, cu adăugare de hidrogen, în cuptoare speciale rezultă uleiuri grele, medii şi benzină

   -Procedeul Fischer-Tropsch

Din gazul de sinteză (CO/H2) în prezenţa catalizatorului de cobalt sau fier la 20 – 40 bar şi 200°C – 350°C rezultă uleiuri şi benzină. Aceste procedee devin competitive la un preţ al petrolului de peste 50-60$ pe baril. Actualmente în Africa de Sud o mare parte din combustibil este asigurat pe această cale. La fel în SUA şi China există astfel de instalaţii. Aceste procedee contribuie intens la emisia de CO2.

       Grăsimi

Prin hidrogenare, în uleiurile vegetale, se saturează legăturile duble din moleculele acizilor graşi cu hidrogen. Procesul are loc în prezenţa catalizatorului din nichel la 120-180 °C şi o presiune de 6-7bar. Moleculele rezultate au un punct de topire mai înalt şi ca urmare produsul rezultat (margarina) devine consistentă la temperatura camerei.

         Material sintetic

Prin hidrogenare materialele sintetice se sparg în componente mai mici rezultând produse gazoase şi lichide uleioase. În acest scop materialele sintetice se mărunţesc, se spală şi la 500 °C, sub presiune, cu ajutorul hidrogenului vor fi transformate. Gazele rezultate vor putea fi utilizate ca şi combustibil, cu menţiunea că vor rezulta mai puţine reziduuri toxice decât în cazul arderii directe a deşeurilor.

        9.8Agent de răcire

Datotită capacităţii termice mari, hidrogenul este utilizat în centrale şi instalaţii industriale ca agent de răcire. De obicei se utilizează H2 în cazurile în care nu se poate apela la lichide. Avantajul capacităţii mari se evidenţiază în cazurile când viteza de circulaţie a gazului se cere a fi redusă sau nulă. Deoarece hidrogenul prezintă şi o bună conductibilitate termică, se pot utiliza curenţi de hidrogen pentru transportul căldurii în rezervoare mari. În astfel de aplicaţii hidrogenul apără instalaţiile de supraîncălzire şi măreşte eficienţa.

   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 şi organelor, intervenţiilor chirurgicale criogenice. Hidrogenul lichid poate absorbi mari canrităţi de căldură înainte ca să se observe o variaţie semnificativă de temperatură rezultând o stabilitate mare chiar şi la oscilaţii mari ale temperaturii exterioare.

  Gaz pentru scufundare la mare adâncime

Primele încercări de utilizare a hidrogenului în scufundare, ca înlocuitor al azotului şi heliului, au fost efectuate de Marina Militară Suedeză. În anul 1945, inginerul suedez Arne Zetterstrőm a investigat pentru prima dată posibilităţile de folosire a amestecului hidrogen-oxigen (HIDROX) în scufundare. Acesta a efectuat o scufundare la 156 m adâncime în Marea Baltică. Din păcate, Zetterstrőm moare într-un accident, pe timpul revenirii la presiunea atmosferică, datorat unei avarii la vinciul de ridicare.

După acest eveniment tragic, problema utilizării hidrogenului în scufundare a rămas în suspensie mulţi ani. Abia în anul 1968, francezii de la Comex S.A. reiau ideea iniţiind programul HYDRA, care a culminat în anul 1992 cu experimentul uman HYDRA X la 701 m adâncime. Amestecul respirator utilizat a fost un amestec ternar numit HIDRELIOX compus din hidrogen (29%)-heliu (76%)-oxigen (0,6%).

Principalele motive pentru care s-a impus ca necesară utilizarea hidrogenului în realizarea amestecurilor respiratorii destinate tehnologiilor de scufundare sunt:

  • hidrogenul este un gaz uşor,
  • se găseşte din abundenţă în natură,
  • are capacitatea de a dilua oxigenul pentru a-l face respirabil în doze convenabile.

După numeroase experienţe pe animale, efectuate de Brauer în S.U.A., Orhagen în Suedia şi echipa condusă de H. G. Delauze în Franţa, s-a demonstrat că hidrogenul nu este toxic.

Utilizarea hidrogenului ca diluant al oxigenului în amestecuri respiratorii are o dublă perspectivă:

  • amelioarea compartimentului profesional al intervenţiilor sub apă, între 300 şi 500 m adâncime;
  • posibilitatea de a se atinge pragul de 700 m adâncime, în condiţiile de securitate, confort şi eficienţă, pe care nici un alt gaz nu le permite.

Hidrogenul are însă marele dezavantaj fiind violent exploziv când este amestecat cu aer în proporţii ce includ prezenţa a 5,3% oxigen, iar în amestec cu peste 4% oxigen, devine în mod spontan exploziv. Pentru a se evita riscul combinaţiei chimice, concentraţia volumică de oxigen din amestecul respirator hidrogen-oxigen trebuie să fie mai mică de 4% ( rO2 < 0,04).

Această restricţie permite utilizarea amestecului hidrogen-oxigen la scufundări între 70 şi 700 m adâncime.

  1. Niciun comentariu până acum.
  1. No trackbacks yet.

Lasă un răspuns

Completează mai jos detaliile despre tine sau dă clic pe un icon pentru autentificare:

Logo WordPress.com

Comentezi folosind contul tău WordPress.com. Dezautentificare / Schimbă )

Poză Twitter

Comentezi folosind contul tău Twitter. Dezautentificare / Schimbă )

Fotografie Facebook

Comentezi folosind contul tău Facebook. Dezautentificare / Schimbă )

Fotografie Google+

Comentezi folosind contul tău Google+. Dezautentificare / Schimbă )

Conectare la %s

%d blogeri au apreciat asta: