Wodór: właściwości i zastosowanie

Wodór to najprostszy i najlżejszy pierwiastek chemiczny rozpoczynający układ okresowy. Był prawdopodobnie znany już w XVI wieku, gdyż powstaje on w licznych reakcjach metali z kwasami. Jednak jako pierwszy właściwości i zastosowanie wodoru opisał w 1776 roku angielski chemik Henry Cavendish, który jest uważany za odkrywcę.

Występowanie wodoru w przyrodzie

Wodór w stanie wolnym występuje w niewielkich ilościach w górnych warstwach atmosfery oraz w gazach wulkanicznych, niekiedy w gazie ziemnym, a także w granicie i innych skałach. Wodór w postaci związanej wchodzi w skład wielu związków organicznych i nieorganicznych. Główna ilość wodoru jest zawarta w wodach morskich i lądowych, a także w węglowodorach i wszystkich związkach organicznych występujących w organizmach żywych. Zawartość wodoru w dostępnych dla człowieka częściach Ziemi (skorupa ziemska, atmosfera i hydrosfera) wynosi 0,87% wag. W organizmie człowieka znajduje się ok. 10% (ok. 7 kg) wodoru w postaci związków chemicznych, głównie wody.

Fizyczne właściwości wodoru

Wodór, charakteryzuje się masą molową wynoszącą 1,008 g/mol. W typowych warunkach atmosferycznych występuje jako gaz o gęstości około 0,08988 g/L w 0°C i 1 atm., co sprawia, że jest 14,4 razy lżejszy od powietrza. Ta właściwość jest istotna, zwłaszcza w przypadku balonów wypełnionych wodorem, które dzięki temu się unoszą.

Jednakże, wodór ma wyjątkowo niską temperaturę wrzenia wynoszącą -252,87°C, co czyni go jednym z najzimniejszych gazów. Z tego powodu jego skraplanie jest skomplikowane i wymaga szczególnych warunków do przechowywania w stanie ciekłym.

Mimo niewielkiej gęstości, wodór rozpuszcza się w wodzie, choć w mniejszych ilościach niż wiele innych gazów. Dzięki swoim unikalnym właściwościom, wodór jest szeroko wykorzystywany w różnych gałęziach przemysłu, między innymi jako paliwo oraz w procesach chemicznych.

Występują dwie odmiany wodoru cząsteczkowego: ortowodór i parawodór, które różnią się ciepłem właściwym.

Przewodnictwo cieplne i elektryczne wodoru

Wodór charakteryzuje się stosunkowo niskim przewodnictwem cieplnym i elektrycznym w porównaniu do metali, ale przewyższa pod tym względem wiele innych gazów. Wodór jest najlepiej przewodzącym ciepło gazem. Jego zdolność do przewodzenia ciepła wynika z lekkiej masy atomów, co sprawia, że cząsteczki wodoru poruszają się szybko, ułatwiając efektywny transfer energii cieplnej.

Przewodnictwo elektryczne wodoru odgrywa kluczową rolę w technologii ogniw paliwowych, gdzie wodór pełni funkcję paliwa, przekształcając energię chemiczną w elektryczną. Dzięki tym wyjątkowym właściwościom wodór jest wykorzystywany w różnych procesach chemicznych, zwłaszcza tam, gdzie istotne jest przewodnictwo cieplne i elektryczne.

Właściwości chemiczne

Wodór w temperaturze pokojowej jest pierwiastkiem niezbyt aktywnym chemicznie. Bezpośrednio łączy się tylko z fluorem, a w wyniku naświetlania – również z chlorem. W podwyższonych temperaturach reaguje z licznymi pierwiastkami, głównie z niemetalami, a z spośród metali – z pierwiastkami silnie elektrododatnimi (np. lit, sód, wapń). W podwyższonych temperaturach wodór jest silnym reduktorem, za pomocą którego można przeprowadzić redukcję wyższych tlenków metali do niższych lub do metalu wolnego (np. tlenek żelaza (III)) można zredukować do wolnego żelaza w temperaturze 600°C).

Wodór jest gazem palnym, który żarzy się bladoniebieskim płomieniem. Próby spalania wodoru powinno się wykonywać tylko ze względnie czystym wodorem, tzn. niezawierającym powietrza (zmieszany z nim wodór wybucha). Produktem spalania wodoru jest woda.

Wodór występuje w dwóch izotopach:

• deuterze,
• trycie.

Różnią się one liczbą neutronów. Deuter znajduje zastosowanie w badaniach naukowych i reakcjach jądrowych, zaś tryt jest wykorzystywany w technologii nuklearnej.

Zastosowanie wodoru w przemyśle

Przemysł chemiczny wodór wykorzystuje się do otrzymywania chlorowodoru i amoniaku (metodą Habera i Boscha), a z niego kwasu azotowego (V) i nawozów azotowych. W wyniku syntezy różnych produktów z mieszaniny wodoru i tlenku węgla, w zależności od warunków oraz rodzaju użytego katalizatora, można otrzymać (np. alkohol metylowy, metan, lekkie i ciężkie węglowodory).

W przemyśle tłuszczowym stosowany jest do utwardzania tłuszczów ciekłych (np. produkcja margaryny i mydła). Więcej na temat zastosowania wody wodorowej w diecie znajdziesz tutaj.

Znajduje również zastosowanie w palnikach do cięcia, spawania metali oraz do sztucznego otrzymywania kamieni szlachetnych (np. rubinów). W metalurgii wodór stosuje się do redukcji niektórych rud metali.

Wodór wykorzystuje się również jako paliwo (przede wszystkim w statkach kosmicznych) oraz do otrzymania benzyny syntetycznej.

Zastosowanie lecznicze wodoru

Wodór jest składnikiem wody (H2O), która jest głównym budulcem ludzkiego organizmu. Wiele badań wskazuje na jego potencjalnie korzystny wpływ na ludzi zdrowych oraz tych cierpiących na różne schorzenia. Dostarczanie wodoru do organizmu człowieka może odbyć się na kilka sposobów. Najpopularniejsze z nich to:

• Inhalacja wodorem – wdychanie powietrza wzbogaconego wodorem. Taka terapia możliwa jest z pomocą inhalatorów wodoru. Wspomaga ona działanie dróg oddechowych oraz ma działanie antyoksydacyjne.
• Picie wody wodorowej – H2O wzbogacona o wodór za pomocą jonizatora wody dostarcza lepsze nawodnienie niż zwykład woda oraz pomaga w zwalczaniu onkogennych wolnych rodników.

Źródło: Wodór cząsteczkowy, opracowanie – Janusz Furczoń oraz Jacek Wikarski Naturopata Alergikus

Przeczytaj również:

• Wolne rodniki
• Stres oksydacyjny