Tartalom
A hidrogén minden kémiai elem közül a legelsőként jött létre. Igaz, a világegyetem kialakulása során csak másodpercekkel előzte meg a héliumot, ami azóta is kénytelen beérni a kettes rendszámmal. Természetesen Mengyelejev előtt senki se aggatott ténylegesen egy 2-es számot a héliumra, ám az orosz tudós fején találta a szeget: a hidrogén az első.
De ettől eltekintve miért olyan fontos a hidrogén, milyen hatással bír ránk, és ha a webshopok kínálatát böngészve egyszer csak vehetnénk belőle fél literrel, mi a csudát kezdhetnénk vele?
Mi a hidrogén pontosan?
A webáruházas kérdés most még meghökkentő lehet, ám képzeljük el, hogy mondjuk a 19. század végén azon tanakodik valaki, mire is jó még a patikában kapható benzin, leszámítva a sebkezelést. A hidrogén ugyanis a közeljövő üzemanyaga lehet.
Persze, nem a fertőtlenítésre és hajszőkítésre használt, és tényleg boltokban árult hidrogén peroxid formában – de ne szaladjunk előre.
Ismerjük meg előbb ezt a szerény, ám annál robbanékonyabb kémiai elemet, mert nélküle aligha volnának csillagok, bolygók vagy éppen kávé.
A hidrogén rendkívül fontos elem
Amikor az ókori görög filozófusok azon tanakodtak, mi is az az őselem, arkhé, amiből minden anyag keletkezett, valójában a hidrogént kellett volna választaniuk a tűz vagy a víz helyett – már akkor, persze, ha tudtak volna a létezéséről.
Hol fordul elő a hidrogén a természetben?
Az anyagi univerzum látható részét, a jelenlegi ismereteink szerint, 73-75% hidrogén, 23-25% hélium és 2% „minden más elem” alkotja. Ezen utóbbi, a héliumnál nehezebb kémiai elemek szinte mind a csillagokban, vagy a csillagok által születtek.
A jó görögök valószínűleg már itt elvesztették volna a fonalat, ezért nagyon tömören foglaljuk össze: a fizikai univerzum legnagyobb része, nagyjából 96%-a nem kémiai elem típusú, láthatatlan és érzékelhetetlen a jelenlegi eszköztárral.
A fennmaradó 4% legnagyobb része hidrogén, ami atomos formájában elsősorban csillagokban és gázóriásokban tömörül össze, ebből kifolyólag főként plazmaállapotban fordul elő.
A hidrogén főbb jellemzői
Ha a hidrogén legfőbb jellemzőjét kéne meghatározzuk, akkor érdemes rögtön két részre bontani a kérdést, mert beszélhetünk a világűrben található hidrogénről és az emberi civilizáció számára közvetlenül hasznosítható hidrogénről.
Mivel a cikkünk témája a hidrogén hasznosítása, ezért hagyjuk az asztrofizikát! A legtöbb ember számára sokkal fontosabb az a hidrogén, ami vegyület formában, vízként rendelkezésre áll (vagy sajnos egyre gyakrabban nem áll), mint ami a proton-proton és CNO-ciklusban játszik szerepet a csillagok energiaellátásában.
A hidrogén általános tulajdonságai
A kémiaórákról ismerős lehet: a hidrogén színtelen, szagtalan gáz, ami égéskor vizet képez. Emellett a legkisebb és legkönnyebb kémiai elem: a magját egyetlen proton alkotja, ami körül egyetlen elektron kering, legalábbis alapesetben.
Nagyon könnyedén képes reakcióba lépni más atomokkal, illetve annyira könnyű anyag, hogy a gravitáció se igazán tartja vissza, ezért tiszta gáz formájában még a Föld légköréből is hamar elillan.
A tiszta hidrogéngáz elenyészően ritka földi körülmények között
A hidrogén, földi körülmények között ezért szinte csak vegyületekben fordul elő. Ami egyébként kifejezetten hasznos az emberiség számára, mivel emberként kevéssé üdvös belélegezni a tiszta hidrogént (tekintve, hogy nem tudja a szervezet önmagában hasznosítani), vízként azonban lételemünk.
Kimondhatjuk tehát, hogy a hidrogén az élet alapja, sőt, hála az informatikának és tiszta energia utáni kutatásnak, a hidrogén egyre fontosabbá válik az emberi faj minőségi túlélése szempontjából.
A hidrogén történelmi háttere és felfedezése
A hidrogént tehát az emberiség a kezdetektől használja, csak éppen nem tudott róla. Elsőként Robert Boyle volt az, aki 1671-ben képes volt mesterségesen hidrogéngázt előállítani, ő vasreszeléket és savakat használt hozzá.
Csakhogy a hidrogén önálló elemként való felismerésére még kilencven évet kellett várni, mert ezt Henry Cavendish ismerte fel 1766-ban, az ipari forradalom hajnalán.
A hidrogén szó jelentése: víznemző
El is nevezte ’éghető levegőnek’ (inflammable air), sőt a jó Cavendish számolt be a hidrogéngáz egyik sajátosságáról az Experiments On Factitious Airs című tudományos írásában, miszerint elégetésekor víz keletkezik.
Ám a hidrogén szó mástól ered: egy francia tudós, Antoine Lavoisier, Laplace-szel egyetemben, megismételte Cavendish kísérletét 1783-ban és éppen a sajátságos égés-mellékterméke miatt nevezte el ’víznemző’-nek: a görög hüdór (víz) és gennó (nemzeni) szavakból.
Ez azért mégis vagányabb név, mintha szóösszevonással inflairnek hívnánk. Aligha véletlen, hogy a magyar nyelvből is eltűntek a nyelvújítás kori magyar nevei, a gyulany meg a köneny.
Mit tudtunk meg a hidrogénről az évek során?
A hidrogénnel végeztek még pár kísérletet (például 1800-ban sikerült elektrolízissel felbontani a vizet oxigénre és hidrogénre), és, mivel az elégetésekor rendkívül sok energia szabadul fel, az első belsőégésű motor is hidrogént használt, 1808-ban.
Ezt François Isaac de Rivaz építette meg, de nem a „Gonosz HáttérHatalom gyíkemberei” tussolták el a létét: egyszerűen hidegen hagyta a nagyközönséget a belsőégésű motor. Mondhatni, nem aratott kirobbanó sikert, pedig a hidrogén igencsak gyúlékony.
De félre a szójátékokkal! A történelem tele visszhang nélküli találmányokkal, amelyek csak később váltak sikeressé. Elég csak az okostelefonra gondolni, aminek az első példánya (IBM Simon, 1994) tizenhárom évvel előzte meg az első iPhone-t.
Elsőként a repülés terén hasznosította az emberiség a hidrogént
Habár a hidrogén meghajtású belsőégésű motor eltűnt a süllyesztőben, a hidrogéngáz sikere egyre magasabbra emelkedett – szó szerint. Jacques Charles, francia matematikus és fizikus úgy gondolta, forró levegő helyett hatékonyabb volna hidrogénnel tölteni a hőlégballonokat, és az elképzelését 1783-ban próbálta ki a gyakorlatban.
A következő fél évszázadban, egészen a Hindenburg 1937. május 6-án New Jersey felett bekövetkezett katasztrófájáig, a hidrogén volt a repülés elsődleges hajtóanyaga. Igaz, az első világháborúban már a belsőégésű motorok diadalmaskodtak, de azok még túl gyengék voltak a transzatlanti kereskedelmi repüléshez.
Ha nincs hidrogéngáz, nehézvíz sincs
Az atomfizikusok szintén jó hasznát vették a hidrogéngáznak. James Dewar 1898-ban kitalálta, hogyan tudja cseppfolyósítani, majd az amerikai kémikus, Harold C. Urey állított elő a hidrogénből deutériumot, amiért 1934-ben Nobel-díjat is kapott.
A deutérium a hidrogén egy stabil izotópja, és alapvetően annyiban különbözik az elemi hidrogéntől, hogy egy neutront is tartalmaz az atommagja, mert egyébként ugyanúgy színtelen, szagtalan gáz. Több mindenre is használják, de a harmincas években elsősorban a nehézvíz létrehozásában volt szerepe.
Az 1932-ben felfedezett nehézvíz (vegyjele: D2O vagy ²H2O, mivel a deutériumé D2/2H) az atomreaktorokban és így az atombomba előállításában játszotta a legnagyobb szerepet. Habár a németek is gyártottak nehézvizet, a szövetségeseknek sikerült szabotálni a gyártási folyamatot, így Hitler végül nem juthatott atombombához.
A hidrogén az energiatermelésben máshol is jó szolgálatot tett
A hidrogén, bár robbanékony, kellő odafigyeléssel igencsak hasznos lehet. Például hűtőközegként kezdték használni az erőművek generátoraiban, lecserélve a hidrogénre a levegőt, mert nem csak jobban vezeti a hőt, de a súrlódás mértékét, így az áramtermelés veszteségességét is csökkenti.
A hidrogén 1977 óta az akkumulátor gyártásban is szerepet kapott, és a nikkel-hidrogén (NiH2) akksik látnak el árammal több műholdat, a Nemzetközi Űrállomást vagy éppen a Mars Reconnaissance Orbitert. Mi több, a Hubble űrtávcső áramellátásáról is a NiH2-technológia gondoskodik.
Az ISS esetében itt olvashatsz részleteiben a nikkel-hidrogén akkumulátorokkal kapcsolatos tapasztalatokról.
A hidrogén és a kvantum
A hidrogén szerepe azonban nem csak az asztrofizikában és a mérnöki tudományban jelentős, hanem szubatomi szinten is.
Maxwell ugyanis még a kvantummechanika feltalálása előtt éppen a hidrogén megfigyelésével vett észre olyan szabálytalanságokat, amiket a hagyományos fizikai törvényekkel nem tudott megmagyarázni.
A hidrogén diadalútja ezzel nem ért véget, hiszen egyre fontosabbá kezd válni a jelenkorban. Ha de Rivaz tudná, hogy annyi idő után éppen az ő általa kijelölt irányba fordulnak a tervezőmérnökök!
Mi mindenre használjuk a hidrogént ma?
Már jó ideje elsősorban négy területen hasznosítja az emberiség ezt a parányi kémiai elemet:
- Vegyipari folyamatok során, mivel a vegyiparnak rengeteg hidrogénre van szüksége.
- energiahordozóként, nem csak a rakéták űrbe juttatásánál.
- hűtőközegként, levegő helyett a generátorokban – ez a módszer igencsak bevált.
- félvezető iparban, ahol segít az amorf szén és szilícium stabilizálásában.
A felsoroltak közül a második kezd egyre hangsúlyosabbá válni, és nem csak az űrkutatás miatt, hanem mert a jövő egyik legtisztább, civil forgalomban kapható üzemanyaga éppen a hidrogén lesz.
Van hidrogén? Akkor irány az űr!
Eddig ugyanis javarészt az űrhajózás használta fel a hidrogént folyékony állapotban: a kétkomponensű üzemanyagok esetében a folyékony tüzelőanyag a hajtóműben keveredik az oxidálószerrel (több ok miatt is jellemzően ez folyékony oxigén), és ez a keverék robban be és segít a rakétának kiszökni a gravitáció igencsak marasztaló karjai közül.
Persze több más tüzelőanyag és oxidálószer is létezik, ám most a hidrogéné a főszerep – akár az üzemanyagcellák esetében.
Pár perc tankolással, tisztán elektromosan, több száz kilométer? Felejtsd el a kábelt
Igaz, hogy egyre több autógyártó nyergel át legalább részben az elektromos autókra, és mind több politikus követeli a teljesen elektromos autózásra való átállást, az alkalmazott technológiának számos hátulütője van.
Hogy lehet az, hogy bár az első villanymotort 1825-ben már demonstrálta Jedlik Ányos, majd 1884-ben a brit Thomas Parker, és nyomában 1891-ben az amerikai William Morrison megépítették az első, közlekedésre is alkalmas elektromos járműveiket, az azóta eltelt közel 130 év alatt a belsőégésű motor terjedt el?
A pusztaságban nincs konnektor
Felesleges valamiféle összeesküvést vizionálni, ami szándékosan akadályozta a terjedését az elektromos meghajtásnak. Elég csak kimenni bármelyik település határán kívülre, és körbenézni, mennyi konnektor található az utak mentén.
Most képzeljük magunkat száz évvel korábbra. Az elektromos hálózat Európa nagy részén ki se épült még, de az emberek autózni akarnak, vagy éppen busszal közlekedni, sőt repülni. A földek se szántották fel magukat. A lóvontatású járművek kora lassan lejárt.
A belsőégésű motorok könnyedén diadalmaskodtak. Percek alatt fel lehetett tankolni azokat, és nem kellett órákat várni. Bárhova el lehetett juttatni a tartalék üzemanyagot, elektromos hálózat nélkül is. A töltőállomások hálózatát is jóval olcsóbban lehetett kiépíteni.
Az üzemanyagcella egyesíti magában a két típus minden előnyét
Maga az üzemanyagcellás motor meglehetősen régóta létező technológia: az első prototípusát 1842-ben alkotta meg William Robert Grove, walesi fizikus. Habár az üzemanyagcellába többféle kémiai energiatároló is kerülhet, a legelterjedtebb a hidrogént elégető típus – igaz, ebből az első ténylegesen felhasználásra kerülő motor csak az 1960-as években készült el.
Miért annyira előnyös? Mert közel annyi idő alatt tankolható meg egy hidrogén üzemű autó, mintha benzint vagy dízelt égetne el, de közben 100% elektromos meghajtással juttatja célba az utasait és a szállított árukat.
Azaz egyesíti magában az elektromos autózás minden környezetbarát jellemzőjét és a belsőégésű motorok gyors utántölthetőségét.
A hidrogén elégetésével is termelhető elektromos áram
Itt a vízbontással pont ellentétes folyamat zajlik (kémiai energiát alakítanak elektromos energiává), így a hidrogén elégetése energiát szabadít fel és melléktermékként víz és nitrogén-oxidok keletkeznek – szén-dioxid nem, a nitrogén-oxidok meg jól kezelhetők katalizátorral.
Ám az egésznek akkor van igazi jövője, ha a hidrogént a lehető legzöldebben tudjuk előállítani – ám jelenleg még túl sok a barna és a szürke hidrogén.
Mit jelentenek a szürke és a zöld hidrogén kifejezések?
Habár a hidrogén színtelen, mégis elég sokféle színt társítanak hozzá, bár egyik sem a kémiai égési folyamatra vonatkozik.
A Wood Mackenzie piackutató cég által használt nómenklatúra szerint barnának tekinthető az a hidrogéngáz, amelyet ipari vegyszerként már széles körben használnak, ha szén vagy lignit gázosításával állítják elő, és szürkének, ha gőzmetán-átalakítással készül, amelynél alapanyagként általában földgázt használnak.
A kék hidrogén már inkább környezetbarát
Érthető módon egyik eljárás se tekinthető túlságosan környezetbarátnak. Viszont ismert mellettük még a kék hidrogén is, ahol ugyancsak metángáz-reformációval állítják elő a hidrogéngázt, de a kibocsátást szén-dioxid-megkötéssel és -tárolással korlátozzák.
Ez a folyamat nagyjából felére csökkenti a termelt szén mennyiségét, de még mindig messze van az ideálistól.
A zöld és a türkizkék hidrogén a legjobb alternatíva jelenleg
A zöld hidrogén viszont szinte teljes egészében kiküszöbölheti az üvegházhatású gázok kibocsátását, ugyanis megújuló energiát használva állítják elő főként a víz molekuláris bontásával, azaz elektrolízisével.
Azonban mostanában egy még jobb megoldást kezdtek kikísérletezni, ami a türkizkék (vagy zöldeskék) nevet viseli. Ez nem is vízből állít elő környezetbarát módon hidrogént, hanem pirolízis útján a metánt bontja H2-vé és szilárd szénné.
Persze ez nem annyira tiszta megoldás, mint a vízbontás, ugyanakkor egy vízforrástól távoli, vagy vízben szegény helyen sokkal ideálisabb, mint a szürke vagy barna hidrogéntermelés.
Hogyan segítheti Földünk megóvását a zöld hidrogén?
A zöld (és türkizkék) hidrogén szerepe mindinkább felértékelődik, ahogy a hidrogént használó, üzemanyagcellás járművek terjednek. Ma még elsősorban Japán jár az élen, de már Európában is debütáltak a hidrogénnel tankolható buszok, vonatok és személyautók is.
Miként segíthet a hidrogén? Elsősorban úgy, ha környezetbarát módon állítják elő, mert hatalmas mennyiségre van szükségünk belőle a vegyiparban, az áramtermelésben és az elektronikában. Másodsorban pedig azzal, hogy ahol lehetséges, kiváltja a fosszilis üzemanyagokat.
Harmadsorban pedig kiegyensúlyozó, azaz puffer szerepet tölthet be a megújuló áramtermelésnél – ez ugyanis jelentős mértékben időjárásfüggő, így túltermelés esetén a többletárammal hidrogén is termelhető, amikor pedig csökken a termelés, a hidrogénből áram lehet.
Képzelj el egy olyan világot, ahol az összes vonat, busz, teherautó, hajó és traktor dízel helyett hidrogént tankol: minden megy tovább, mint eddig csak éppen nem kerül több millió tonna szén-dioxid a levegőbe, megszűnik a szmog a városokban, és mindezt úgy, hogy pár perc alatt újra lehet tankolni!
A hidrogén a jövő, ez nem is kérdés.
Gyakran Ismételt Kérdések
Először Robert Boyle állította elő mesterségesen 1671-ben, de csak 1766-ban ismerte fel önálló kémiai elemként Henry Cavendish, és 1783-ban kapta meg a nevét (’víznemző’) Antoine Lavoisier-től.
A hidrogén a legelső létrejött kémiai elem az univerzumban, és a leggyakoribb elemnek számít. Egyaránt része a csillagoknak és a víz molekulájának, így a hidrogén nélkül élet sem létezhetne.
A hidrogénnek önmagában véve nincs negatív hatása. Káros hatásról legfeljebb a vegyületei (például metán, szénhidrogének), és a mesterséges előállítása esetében beszélhetünk, amennyiben ez utóbbi nem környezetbarát módon valósul meg.
Dr. Rónay P. Tamás | Korábbi egyetemi oktató, szövegíró. Főként humán, illetve természettudományos cikkeket ír. Otthonosan mozog az okostechnológiák és megújuló erőforrások, zöld technológiák világában.
Hasonló bejegyzések:
Az elektromos autó előnyei és hátrányai: jó-e ez nekünk?
A lítium jelenti a jövőt? Vannak hátrányai is a használatának?
Mit jelent az elektromobilitás? Ez lehet a jövő?
Milyen elektromos rollert vegyek?
Bod Péter Ákos: COGITO ERGO SUM – VALAMIT TENNI KELL! (gondolkodom, tehát vagyok)
Zöld rendszám: megéri-e? Hogyan szerezzük be?
Vélemény, hozzászólás?