marți, 9 aprilie 2013

HIDROGENUL

 HIDROGENUL


Hidrogenul este un element chimic sub forma de gaz, la temperatura camerei, Este incolor, inodor, insipid si foarte inflamabil. Atunci cand arde in aer, formeaza apa. Chimistul francez Antoine Lavoisier a numit hidrogenul dupa cuvintele grecesti pentru 'cel care formeaza apa'.

Hidrogenul are cei mai mici atomi fata de alte elemente. Un atom de hidrogen contine un proton, incarcat electric pozitiv si un electron, cu atat mai mic. Hidrogenul se gaseste sub forma de gaz, dar nu si in atmosfera. In gaz, perechile de atomi de hidrogen se unesc pentru a forma molecule. Hidrogenul a fost unul din primii atomi care s-au format in Univers. S-au format la aproximativ trei minute dupa Big Bang, explozia care a format Universul asa cum il stim. Protonii au inceput sa se combine cu electronii pentru a forma atomi de Hidrogen abia dupa 300.000 de ani si s-a terminat dupa 1.000.000 de ani. Inauntrul stelelor, nucleii se combina in reactii nucleare pentru a forma atomi de Heliu. Aceste reactii chimice creeaza lumina si caldura Soarelui si a altor stele. Hidrogenul este primul element din Tabelul PEriodic si este reprezentat de litera 'H'. De obicei este plasat in perioada 1, Grupa intai. El se poate combina cu aproape orice element si sa formeze compusi chimici mai multi decat orice alt element.

Hidrogenul este al zecelea cel mai intalnit element pe pamant. Deoarece este foarte usor, acesta ocupa mai putin de 1% din masa totala a pamantului, Hidrogenul pur nu se gaseste in natura, deoarece el nu poate intretine viata, dar unii vulcani si puturi de ulei degaza o cantitate infima de hidrogen gaz. Hidrogenul se gaseste in orice corp omenesc.Keratina, are se gaseste in unghii si fire de par si in enzimele din intestine. Se gaseste si in ADN, in moleculele din mancarea care ne furnizeaza energie zilnic : proteine, grasimi si carbohidrati. Alti compusi care contin oxigen sunt metanul (CH4), etanul, (C2H6), propanul (C3H8) si butanul(C4H10), in metanol si etanol (CH3OH si C2H5OH). El formeaza si compusi anorganici, cum ar fi apa, amoniacul (NH3), acidul clorhidric (HCl) si hidroxidul de sodiu( NaOH).

Este cel mai cunoscut element din univers. Spectroscoapele, instrumente care masoara lumina si capacitatea luminii de a detecta elementul care o produce au descoperit ca in Soare exista Hidrogen si in majoritatea stelelor, daca nu in toate. Multi cercetatori cred ca din hidrogen au derivat alte elemente chimice 90% din atomii din Univers sunt de Hidrogen, 9% Heliu si restul de 1% alte elemente. Elemente mai grele se produc prin fuziune, proces prin care un atom se transforma complet intr-un alt atom, al altui element. Fuziunea are loc la o temperatura foarte mare, de aproximativ 200 de milioane de grade Celsius. La aceasta temperatura, atomii se unesc. Atomii de hidrogen din stele fuzioneaza pentru a forma Heliu, iar reacita de fuziune degaja energie. Odata ce procesul incepe, steaua se incalzeste, astfel incat la un miliard de grade Celsius, aproape orice element se poate forma. Hidrogenul se gaseste in spatiul interstelar, ca atom al gazului si ca molecule, raspandit ca o molecula pe centimetru cub.

Hidrogenul pur se gaseste sub forma de gaz in conditii normale, la temperatura camerei si presiune atmosferica normala. Are molecula diatomica, reprezentata ca H2. este mult mai usor decat aerul. La o temperatura de 0 grade celsius, are o densitate de 0.090 grame pe litru, unde aerul are 1.0 grame pe litru Are o temperatura de fierbere la -258,8 grade celsius si ingheata la -259,14 grade Celsius. Hidrogenul lichid este incolor in cantitati mici, dar capata o culoare albastruie in cantitati mai mari. Hidrogenul solid este tot incolor. Izotopii de hidrogen sunt atomi ai aceluiasi element care contin cantitati diferite de neutroni in nucleu. Majoritatea atomilor de Hidrogen nu au neutroni in nucleu. Cercetatorii reprezinta acesti atomi cu simbolul 1H. Atomii 1H au un singur proton in nucleu. Izotopul, numit protiu, in 99.98 la suta din cazuri. In 0.02% din cazuri, atomii au un neutron si un proton. Izotopul se numeste Deuteriu. Deuteriu a fost primul izotop descoperit. El este folosit in foarte multe experimente. Este reprezentat de simbolul 2H. Al treilea izotop se numeste tritiu (3H). Are doi neutroni si un proton in fiecare nucleu si are masa atomica 3. Tritiul se gaseste in mai putin de 10.000 de atomi de Hidrogen si este radioactiv.

            La temperatura camerei, hidrogenul nu reactioneaza cu alte substante. Legatura dintre cele doua molecule de hidrogen este foarte puternica si poate fi rupta doar cu o cantitate de energie foarte mare. Incalzit la flacara sau cu scantei, hidrogenul gaz va reactiona violent in cu oxigenul in aer pentru a produce apa. In urma procesului de electroliza al apei, aceasta se va descompune in Hidrogen si Oxigen, cele doua elemente care o compun. In alte molecule care contin hidrogen, legatura de covalenta dintre un atom de hidrogen si alt atom este foarta slaba si se rupe usor. Acesti compusi se numesc acizi. Acestia actioneaza coroziv asupra suprafetelor. Acizii slabi, cum ar fi acidul acetic, CH3CO2H, care se gaseste in otet sau acidul citric (HOC[CH2CO2H]2CO2H), care se gaseste in citrice, dau mancarii un gust acrisor. Cand un acid se amesteca cu apa, atunci se dizolva si legatura dintre element si hidrogen se rupe, lasand electronul in urma.Atomul de hidrogen se incarca pozitiv, devenind un ion pozitiv. Partea incarcata negativ din acid, spre exemplu CH3CO2, ramasa de la acidul acetic se numeste anion. Hidrogenul realizeaza legaturi ionice cu unele metale, creand un compus numit hidrid. Doi atomi formeaza o legatura ionica atunci cand un atom doneaza celuilalt un electron. In legaturile ionice ale hidridelor, atomul metalului da hidrogenului un electron, astfel rezultand ionul negativ de hidrogen si metalul devine ion pozitiv. Ionii incarcati diferit se atrag dupa aceea, pentru a forma alt compus. (NaH). 
           Hidrogenul poate crea o legatura unica, numita legatura de hidrogen, care se formeaza doar cu atomi de Oxigen, Azot sau cu Fluor. Cercetatorii cred ca aceste legaturi speciale sunt cele mai importante dintre toate. Hidrogenul tine moleculele de apa 'legate', prevenind moleculele sa se separe sau sa se evaporeze la o temperatura joasa. Fara aceste legaturi, apa ar fierbe pe la -80 de grade Celsius, in loc de 100 de grade. Legaturile de hidrogen tin impreuna si legaturile ADN. Hidrogenul este situat in grupa I, perioada intai, deoarece are un singur electron si se comporta asemeni metalelor alcaline din grupa IA. Dar el nu este un metal propriu-zis, doar sub presiuni extreme el devine condctor de electricitate si reflecta lumina. Unii astrologi considera ca acel camp magnetic care se afla in jurul planetei Jupiter este creat de catre hidrogenul metalic ce inconjoara planeta. Presiunea imensa inauntrul planetei previne unirea a doi atomi de hidrogen. La aproximativ 5000 de grade Celsius si o presiune de 1,8 milioane de ori mai mare decat cea a pamantului, hidrogenul se transforma in metal. Pe langa electroliza apei, hidrogenul a mai fost obtinut si prin reactia unui metal cu un acid. O astfel de reactie are loc intre Zinc si Acid Clorhidric. Ecuatia chimica este urmatoarea: Zn+2HCl=ZnCl2+H2 .

El mai este produs prin dizolvarea clorurii de potasiu in apa (NaCl+H2O=NaOH+H2)

Din hidrogen se obtine amoniacul, dupa metoda chimistului german Fritz Haber, iar din amoniac se produc ingrasaminte si explozive. Se obtine metanul, folosind o cantitate mare de hidrogen, si alcoolul metanol (CH3OH), folosit ca degivrant. Industria alimentara adauga hidrogen la uleiuri lichide, formand margarina. Metalurgistii folosesc hidrogenul pentru a separa metalele pure de oxizii lor. In reactia oxidului de Cupru cu Hidrogenul, Oxigenul se uneste cu Hidrogenul, lasand in urma Cuprul. Cercetatorii mai folosesc hidrogenul lichid pentru a studia superconductivitatea electrica si alte efecte. Hidrogenul gaz pluteste in aer, fiind folosit pentru a ridica Zeppeline in aeri si alte nave. Deoarece este si foarte inflamabil, au avut loc o multime de accidente, cum ar fi explozia Hindenberg din 1937. Aeronavele folosesc acum heliul, deoarece nu este inflamabil si este mai sigur. Hidrogenul se foloseste drept combustibil pentru automobile, frigidere, avioane si este mult mai usor de manevrat si pastrat. In acest moment se creeaza automobile ce folosesc Hidrogenul ca sursa unica de combustibil, pentru a fi mai ecologice. Industria aerospatiala foloseste Hidrogenul drept combustibil pentru navete. Inginerii sunt interesati de folosirea hidrogenului drept combustibil pentru avioane, deoarece are o densitate mai mica. Combustibilii obisnuiti ingreuneaza prea mult avioanele, astfel putand fi economisita energie valoroasa. Hidrogenul combustibil ar putea eradica poluarea, din moment ce produce apa atunci cand arde. Inginerii folosesc izotopii oxigenului, deuteriul si oxidul de deuteriu, numit si apa grea pentru a controla activitatea nucleara din uzine. Deuteriul este de doua ori mai greu decat protiul, astfel si compusul de apa format este mai greau. Uzinele nucleare folosesc oxidul de deuteriu pentru a incetini particulele implicate in reactia nucleara, incetinind reactia cu totul. Incetinirea reactiilor le permite cercetatorilor sa studieze in amanunt conditiile in care are loc si ce fenomene chimice mai au loc.

Chimistul englez Henry Cavendish a descris proprietatile hidrogenului gaz pe la mijlocul anilor 1700. Cavendish a numit hidrogenul 'Aer inflamabil' si a inceput sa-l studieze. In acelasi timp cu el, fizicianul James Watt sustinea si el ca a descoperit hidrogenul, dar Cavendish a ramas in istorie ca fiind primul. Deuteriul si tritiul au fost descoperiti in secolul 20. Dupa Primul Razboi Mondial, fizicianul Francis W. Aston a inventat spectograful, descoperind izotopii hidrogenului. In 1932 americanul Harold C. Urey si asociatii lui au izolat si au descoperit deuteriul. Acesta a prezis ca apa formata cu ajutorul deuteriului se evaporeaza mai greu decat cu protiul. Tritiul a fost format prin 'bombardarea' deuteriului cu cate un proton si un neutron, prin anii 1940.
               Principala problema ridicata de sursele de energie reutilizabile, este stocarea. Energia electrica este de obicei utilizata ca atare, iar pentru stocarea ei exista deja solutii. In ce priveste energia solara si eoliana, insa, stocarea acestor forme de energie pentru ….Hidrogenul poate stoca energie tot asa cum produsele petroliere stocheaza energie.“Purtator de energie” Sursa primara de energie poate fi orice sursa reutilizabila, de exemplu a vantului, biomasei sau altele, dar avantajul utilizarii hidrogenului ca mediu de stocare este ca vom putea utiliza energia stocata de acesta pentru aplicatii mobile (auto, aviatie etc).Proprietati Hidrogenul este incolor indoor neotravitorGreutatea specifica este de 0.09g/l, de 14.4 ori mai usor decat aerul.Hidrogenul se condenseaza la -252.77°C iar greutatea specifica a hidrogenului lichefiat este de 71 g/L, ceea ce ii confera cea mai mare densitate de energie pe unitatea de masa intre toti combustibilii si purtatorii de energie: 1 kg de hidrogen contine la fel de multa energie ca si 2.1 kg de gaze naturale sau 2.8 kg petrol.Densitatea de energie pe unitatea de volum a hidrogenului lichefiat este un sfert din cea a petrolului si o treime din cea a gazelor naturale.Avantaje ecologiceArderea hidrogenului in motoare cu combustie interna sau turbine de gaze produce emisii neglijabile de noxe.Daca este folosit in baterii celulare de joasa temperatura ex: emisiile pot fi reduse la zero. In procesul de generare a energiei din hidrogen si aer sau oxygen singurul produs de reactie este apa distilata.In baterii celulare de temperatura inalta, emisiile sunt de o suta de ori mai mici decat in termocentrale conventionale.Obtinerea hidrogenului.Hidrogenul nu poate fi gasit in natura in stare pura, ( adica in starea in care poate fi folosit ca purtator de energie ), deci nu poate fi exploatat la fel ca petorolul sau carbunele. Deoarece trebuie extras din compusi chimici, oamenii de stiinta il denumesc “purtator de energie secundar”.Cel mai cunoscut compus este apa, ce contine doi atomi de hidrogen si unul de oxigen, dar exista si alte substante ce contin hidrogen, de exemplu metanul, care contine un atom de carbon si 4 atomi de hidrogen. Biomasa este un alt exemplu de continut bogat in carbon si hidrogen.Indiferent de sursa din care extragem hidrogenul, este nevoie de un proces de obtinere si acesta presupune un consum de enrgie. Marele avantaj, insa este ca pentru generarea hidrgoenului nu este strict necesar sa utilizam energie provenita din combustibili fosili. Energie eoliana, solara sau a apelor….Productia de hidrogen nu este ceva de data recenta. In fiecare an, circa 500 miliarde de metri cubi de hidrogen sunt produsi, stocati, transportati si utilizati, cu precadere in industria chimica si petrochimica. Cea mai mare parte insa este obtinuta ca un produs secundar din prelucrarea combustibililor fosili (petrol si gaze naturale)Electroliza, adica obtinerea hidrogenului din apa este in prezent, precum si in viitorul apropiat, singurul proces cu aplicabilitate practica. Deocamdata, din punct de vedere economic, electroliza este o alternativa buna numai in acele tari in care exista mari hidrocentrale, deoarece foloseste energie electrica, adica tot un purtator secundar de energie, care trebuie sa fie obtinuta ieftin.Hidrogenul permite utilizarea energiei provenite din surse regenerabile, jucand rolul unui combustibil pentru autovehicule sau combustibil in care produc energie electrica sau termica. In viitor oricine va putea conduce sau gati folosind hidrogen generat din energie solara sau eoliana. In particular, hidrogenul este singurul purtator de energie ( agent energetic ) care face posibila propulsarea aeronavelor folosind energia solara.In privinta mijloacelor de transport, hidrgoenul poate servi drept combustibil pentru aproape orice autovehicul. Exista doua moduri in care hidrogenul poate arde in motoarele conventionale in locul benzinei. Hidrogenul poate fi utilizat in baterii FC care genereaza energie electirca pentru masinile cu motor electric.Avantaje majore al optinuii FCPe teava de esapament nu iese decat apa!Nu exista zgomot si vibratii ca la motorul cu ardere interna. Motoarele electrice au randament mai bun, deci se reduce si consumul de energie. O masina cu FC oprita la semafor nu produce zgomot, pur si simplu deoarece motorul ei nu functioneazaZgomotul este mult redus la demaraje, deci poluarea fonica a oraselor va fi mult redusa.Marii producatori de automobile au pus deja la punct modele de masini care merg pe solutia FC, desi unii inca cerceteaza motoarele cu combustie. Probabil ca in 2005 vom vedea primele autoturisme de serie functionand cu FC, dar decizia nu este definitv luata, daca in FC va fi metanol sau hidrogen. Deocamdata nu exista o infrastructura a statiilor de alimentare cu FC. Si pentru autobuze exista cele doua concepte diferite, de motor cu combustie si FC. Ambele sunt mult mai putin poluante decat autobuzele diesel, microbuze si camioane.