Jakie są właściwości wodoru?
Właściwości wodoru obejmują to, że w stanie naturalnym na Ziemi jest bezbarwnym, bezwonnym gazem, który jest wyjątkowo łatwopalny. Jest to najlżejszy element znany z istnienia w przyrodzie, zajmujący średnio 75% całej masy we wszechświecie w gwiazdach, planetach i innych obiektach gwiezdnych. Wodór jest również niezbędny dla całego życia na Ziemi, gdzie stanowi 14% masy żywej materii, ponieważ łatwo tworzy wiązania z tlenem, tworząc wodę i węgiel, tworząc molekuły, które są podstawą, na której żywe struktury i większość cząsteczek organicznych są zbudowane.
Podczas gdy najbardziej rozpowszechnioną formą wodoru jest prot, w którym ma tylko jeden proton w jądrze atomowym i jeden elektron na orbicie wokół jądra, istnieją również dwa inne izotopy wodoru. Prot stanowi 99,985% całego naturalnego wodoru, a deuter stanowi kolejne prawie 0,015% posiadających zarówno proton, jak i neutron w jądrze atomowym, co daje mu masę dwukrotnie większą niż prot. Tryt jest trzecią formą wodoru, która jest niezwykle rzadka z natury, ale może być wytwarzana sztucznie. Jest niestabilny i wykazuje rozpad radioaktywny z okresem półtrwania wynoszącym 12,32 lat. Ma dwa neutrony w jądrze atomowym dla jednego protonu i jest kluczowym związkiem produkowanym i stosowanym w broni bomby wodorowej w celu zwiększenia ich wydajności, a także w produkcji energii rozszczepienia jądrowego oraz w badaniach nad syntezą jądrową.
Chemiczne właściwości wodoru z zaledwie jednym elektronem na orbicie powodują, że jest on wysoce reaktywnym pierwiastkiem, który tworzy wiązania z wieloma innymi pierwiastkami. W stanie naturalnym w atmosferze, podobnie jak tlen, wiąże się z innym atomem wodoru, tworząc H2. Cząsteczki H2 mogą być również unikalne w zależności od spinu ich jąder, przy czym cząsteczki H2, w których oba jądra wirują w tym samym kierunku, nazywane są ortowodorem, oraz te o przeciwnych spinach zwanych parahydrogenem. Ortohydrogen jest najczęstszą postacią H2 przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym i temperaturze w postaci gazowej, ale po schłodzeniu do postaci płynnej, takiej jak paliwo rakietowe, ortowodór zmienia się w parahydrogen.
Fizyczne właściwości wodoru i jego powszechna obfitość na lądzie i w oceanach ziemskich sprawiają, że jest on ważnym obszarem badań jako praktycznie nieograniczone źródło paliwa. Wszystkie formy paliw kopalnych i alkoholi, takie jak benzyna, gaz ziemny i etanol, składają się z łańcuchów węglowodorowych, w których wodór, węgiel, a czasem tlen są ze sobą połączone. Łatwo jest wydzielić czysty wodór jako samo płonące, obfite źródło paliwa, ale siła niezbędna do uwolnienia wodoru z wiązań chemicznych, a następnie ochłodzenia go do magazynowania często pochłania więcej energii niż sam czysty wodór. Z tego powodu właściwości wodoru oznaczają, że najczęściej spotyka się go w wiązaniach chemicznych z innymi pierwiastkami.
Badania nad produkcją energii syntezy jądrowej opierają się również na właściwościach chemicznych związków wodoru deuteru i trytu. Właściwości wodoru stosowane przez wszystkie gwiazdy łączą ze sobą atomy wodoru pod dużym ciśnieniem, uwalniając hel i energię w postaci światła i ciepła. Podobne ciśnienia wytwarzane są w placówkach badawczych wykorzystujących silne pola magnetyczne, inercyjne lasery ograniczające lub impulsy elektryczne w USA, Europie i Japonii.
Gdy zachodzi stapianie atomów wodoru, powstaje atom helu, który przenosi 20% nadwyżki energii z procesu, a 80% energii jest przenoszone przez wolny neutron. Ta energia neutronowa lub ciepło jest następnie absorbowane przez płyn w celu wytworzenia pary i napędza turbinę w celu wytworzenia elektryczności. Jednak proces ten nadal pozostaje w fazie eksperymentalnej od 2011 r. Wynika to z ogromnych ciśnień, które należy utrzymywać, aby stale stopić ze sobą atomy wodoru i stworzyć maszyny, które są w stanie wytrzymać temperatury wytwarzane w procesie stapiania, które osiągają 212 000 000 ° Fahrenheita (100 000 000 ° Celsjusza) ).