Wodór (łac. Hydrogenium)

Źródło: Wikipedia. Model budowy atomu Bohra. 

*Model budowy atomu wodoru Bohra – model atomu wodoru autorstwa Nielsa Bohra opracowany w 1913 roku^[1]. Bohr przyjął wprowadzony przez Ernesta Rutherforda model atomu, według którego elektron krąży wokół jądra jako naładowany punkt materialny, przyciągany przez jądro siłami elektrycznymi.

Model atomu Rutherforda nie przewidywał dyskretnego charakteru widma promieniowania wysyłanego przez atomy oraz nie wyjaśniał ich stabilności. Niels Bohr usunął te trudność proponując model atomu oparty na dwóch nowych postulatach, sprzecznych z klasyczną elektrodynamiką. Dzięki temu jednak zdołał wyjaśnić pojawianie się linii widmowych gazowego wodoru oraz wyprowadził wzory, pozwalające teoretycznie obliczać długości fal promieniowania elektromagnetycznego emitowanego przez wodór.

Zastosowanie modelu Bohra nie ogranicza się jedynie do atomu wodoru. Model ten jest uniwersalny w tym sensie, że jest słuszny dla układu dwóch dowolnych cząstek naładowanych, które krążą wokół wspólnego środka masy z prędkościami znaczne mniejszymi od prędkości światła. Model ten jest więc poprawny dla układu jednoelektronowego takiego jak atom wodoru, ale też jest słuszny dla pojedynczo zjonizowanego atomu helu, podwójnie zjonizowanego atomu litu itd. Modelem tym można także opisać pozytonium (czyli układ elektron-pozyton) oraz stany Rydberga jakiegokolwiek atomu, tj. takie stany atomowe, w których jeden elektron jest w znacznej odległości od reszty atomu. Model ten może być także użyty do obliczania linii K promieniowania X, pod warunkiem, że doda się dodatkowe założenia (por. prawo Moseleya). W fizyce wysokich energii może być użyty do obliczania mas mezonów zbudowanych z ciężkich kwarków.

W modelu Bohra elektron krąży wokół jądra atomu po orbicie kołowej. Przez analogię do ruchu planet wokół Słońcamodel ten nazwano „modelem planetarnym atomu”.

Model ten nie wyjaśnia spinu elektronu, nie nadaje się do opisu atomów wieloelektronowych. Został zastąpiony przez dokładniejsze modele kwantowe (patrz niżej).

Postulaty Bohra z mechaniki klasycznej

Model Bohra jest modelem po części opartym na klasycznej elektrodynamice, zakładającym żeː

Modele obrazujące liczby elektronów w atomach wodoru, helu, litu i neonu.

(P1) Elektron jest utrzymywany na orbicie kołowej za pomocą sił elektrycznego oddziaływania z jądrem. Siła dośrodkowa jest więc siłą Coulomba

${\displaystyle {\frac {mv^{2}}{r}}=k{\frac {Ze^{2}}{r^{2}}},}$

gdzieː

${\displaystyle m}$ – masa elektronu,

${\displaystyle v}$ – prędkość elektronu,

${\displaystyle r}$ – promień orbity elektronu,

${\displaystyle k}$ – stała oddziaływań elektrycznych,

${\displaystyle Z}$ – ładunek jądra (równy liczbie atomowej),

${\displaystyle e}$ – ładunek elektronu.

(P2) Całkowita energia elektronu w atomie jest sumą energii kinetycznej oraz energii potencjalnej oddziaływań elektrycznych

${\displaystyle E={\frac {1}{2}}mv^{2}-k{\frac {Ze^{2}}{r}}.}$

Powyższe równania zakładają, że masa jądra jest o wiele większa niż masa elektronu (co jest słuszne, gdyż np. masa protonu jest około 1830 razy większa niż masa elektronu).

Z rozwiązania układu tych równań otrzymuje się, iż energia całkowita jest równa energii kinetycznej ze znakiem minus

${\displaystyle E=-{\frac {1}{2}}mv^{2}}$

oraz

${\displaystyle E=-{\frac {Zke^{2}}{2}}\cdot {\frac {1}{r}},}$

czyliː energia całkowita jest równa połowie energii potencjalnej; energia całkowita jest ujemna i jest odwrotnie proporcjonalna do ${\displaystyle r.}$ Oznacza to, że trzeba dostarczyć elektronowi energii z zewnątrz, aby przenieść go dalej od protonu. Dla ${\displaystyle r}$ dążące do nieskończoności energia rośnie do zera. (Własność, iż całkowita energia jest połową energii potencjalnej jest na mocy twierdzenia o wiriale słuszna dla dowolnych orbit, niekoniecznie kołowych).

Postulaty kwantowe Bohra

O rewolucyjności podejścia Bohra decydują sformułowane przez niego zasady kwantowe. Postulaty te były wprowadzone ad hoc, aby uzyskać zgodność przewidywań modelu z eksperymentami.

(P3) Postulat o kwantyzacji orbitalnego momentu pędu elektronu. Z nieskończonej liczby orbit, które dopuszczałaby mechanika klasyczna, elektron może poruszać się tylko po tych, dla których moment pędu elektronu ${\displaystyle L=mvr}$ jest równy całkowitej wielokrotności stałej Plancka podzielonej ${\displaystyle 2\pi ,}$ tj.

${\displaystyle mvr=n\,\hbar ,}$

gdzieː

${\displaystyle n=1,2,3...,}$

${\displaystyle \hbar }$ – stała Plancka podzielona przez ${\displaystyle 2\pi .}$

Przy zmianie orbity elektron emituje lub pochłania foton o ściśle określonej energii

(P4) Postulat o promieniowaniu. Elektron poruszając się po danej orbicie nie emituje ani nie pochłania energii. Elektron emituje foton, jeżeli spada z orbity wyższej na niższą, a pochłania foton, jeżeli przechodzi z orbity niższej na wyższą; energia emitowanego(pochłanianego) fotonu jest równa różnicy między energią wyższą i niższą elektronu

${\displaystyle E_{f}=h\nu =E_{2}-E_{1},}$

gdzieː

${\displaystyle E_{2},E_{1}}$ – energie elektronu, odpowiednio, wyższa i niższa,

${\displaystyle h}$ – stała Plancka,

${\displaystyle \nu }$ – częstotliwość fotonu.

Kwantowanie promieni orbit oraz energii

Z postulatu kwantowania momentu pędu wynika, iż promienie orbit oraz energia są skwantowane, tj. mogą przyjmować tylko dyskretne wartości.

Aby to pokazać zauważmy, że pierwsze równanie implikuje zależność prędkości od promienia

${\displaystyle v={\sqrt {\frac {Zke^{2}}{mr}}}.}$

Wstawiając tę zależność do wzoru na kwantowanie momentu pędu otrzyma się równanie zależne tylko od ${\displaystyle r;}$ stąd dostaje się dozwolone promienie orbit

${\displaystyle r_{n}={\frac {\hbar ^{2}}{Zke^{2}m}}\cdot n^{2}}$

Widać, że promienie orbit rosną proporcjonalnie do kwadratu numeru ${\displaystyle n}$ orbity.

Najmniejsza możliwa wartość promienia orbity w atomie wodoru (${\displaystyle Z=1}$) jest nazywana promieniem Bohra i wynosi

${\displaystyle r_{1}={\frac {\hbar ^{2}}{ke^{2}m}}\approx 5.29\cdot 10^{-11}\mathrm {m} .}$

Dowolny promień orbity można więc wyrazić w zależności od liczby kwantowej ${\displaystyle n}$ oraz ${\displaystyle r_{1}}$

${\displaystyle r_{n}=r_{1}\cdot n^{2}.}$

Ponieważ energia zależy ${\displaystyle r_{n}}$

${\displaystyle E_{n}=-{\frac {Zke^{2}}{2}}{\frac {1}{r_{n}}},}$

więc ostatecznie otrzymamy, iż energia ${\displaystyle n}$-tego poziomu jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu liczby kwantowej ${\displaystyle n}$oraz energii ${\displaystyle E_{1}}$

${\displaystyle E_{n}=E_{1}\cdot {\frac {1}{n^{2}}},}$

gdzie ${\displaystyle E_{1}}$ – energia stanu podstawowego atomu

${\displaystyle E_{1}=-{\frac {Zke^{2}}{2r_{1}}}\approx -13.6\,Z^{2}\cdot \mathrm {eV} .}$

Podsumowanie

Z postulatu (P3) o kwantowaniu momentu pędu wynika, że promienie orbit elektronu oraz energie elektronu w atomie są również skwantowane. Promienie te, w szczególności promień atomu wodoru w stanie podstawowym (tzw. promień atomu Bohra) oraz energie można wyznaczyć zakładając, iż elektron podlega prawu klasycznego oddziaływania elektrycznego klasycznego (postulaty (P1) oraz (P2)).

Postulat kwantowy (P4) o promieniowaniu atomu zakłada, że elektron krążąc po określonej orbicie nie emituje promieniowania, wbrew prawu promieniowania klasycznej elektrodynamiki (głoszącemu, iż cząstka naładowana krążąc po orbicie powinna emitować promieniowanie elektromagnetyczne i tracić energię), ale promieniowanie jest emitowane tylko wówczas, gdy elektron zmienia orbitę. Zgodnie z elektrodynamiką klasyczną elektron poruszając się ruchem niejednostajnym wokół jadra powinien promieniować energię w postaci fali elektromagnetycznej, w wyniku czego musiałby „spaść” na jądro już po czasie rzędu 10⁻⁶ sekundy i atom przestałby istnieć.

Model Bohra, jakkolwiek będący sztucznym połączeniem mechaniki klasycznej i nowych postulatów kwantowych, daje prawidłowe wyniki dotyczące wartości energii elektronu w atomie wodoru oraz długości fal emitowanych przez wodór (linie widmowe wodoru). Jest też poprawny w odniesieniu do tzw. atomów wodoropodobnych, tj. atomów zjonizowanych tak, że posiadają tylko jeden elektron.

Mimo ogromnego sukcesu modelu, za który Bohr otrzymał w 1922 r. nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki, model ten pozostawiał wiele nie rozwiązanych problemów. M.in. nie dało się go zaadaptować do opisu atomów posiadających więcej niż dwa elektrony. Nie można też było za jego pomocą stworzyć zgodnej ze faktami eksperymentalnymi teorii wiązań chemicznych. Także wielkim problemem był fakt, iż model łączył w sobie sprzeczne idee, tj. zakładał postulaty kwantowe sprzeczne z prawami klasycznej elektrodynamiki, mimo iż częściowo na nich opierał się.

Zastąpienie modelu Bohra przez modele kwantowe

Kolejne, lepsze modele atomu wodoru oraz atomów wieloelektronowych zostały dostarczone przez mechanikę kwantową(równanie Schrödingera 1926 r., równanie Pauliego 1927 r., równanie Diraca 1928 r.) oraz elektrodynamikę kwantową. Modele te pozwalały z coraz lepszą precyzją obliczać długości linii widmowych atomów i cząsteczek odpowiadającą coraz bardziej precyzyjnym pomiarom (np. pomiar przesunięcia Lamba) czy obliczać moment magnetyczny elektronu. Dzięki temu wytłumaczono też spin elektronu i wiązania chemiczne.

Michał Gryziński (ur. 29 września 1930 w Warszawie, zm. 1 czerwca 2004) – polski fizyk jądrowy, specjalista z zakresu fizyki plazmy i twórca kontrowersyjnego modelu budowy atomu, znanego jako model Gryzińskiego.

Życiorys

Uzyskał tytuł magistra inżyniera na Wydziale Łączności Politechniki Warszawskiej w 1955 oraz doktorat z fizyki teoretycznej w Instytucie Badań Jądrowych w 1966. Zajmował się teorią zderzeń atomowych i budową atomu, astrofizyką, fizyką plazmy i kontrolowaną syntezą termojądrową.

Michał Gryziński był z zamiłowania turystą, przebywał m.in. w Nepalu, na Ałtajui Kaukazie. Był także zapalonym sportowcem – uprawiał siatkówkę, pływanie, wioślarstwo, żeglarstwo i narciarstwo.

Źródło informacji: ftj.agh.edu.pl 

*Struktura molekularna i molekularny orbital wodoru cząsteczkowego:

Źródło: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/molecule/hmol.html#c1

Źródło: http://www.nyu.edu/classes/tuckerman/adv.chem/lectures/lecture_13/node3.html

*Wodór (H, łac. hydrogenium) - jest to pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 1, niemetal z bloku s układu okresowego. Wodór jest najczęściej występującym pierwiastkiem chemicznym we Wszechświecie i jednym z najczęściej spotykanych pierwiastków na Ziemi. Posiada najmniejszą masę atomową, wynoszącą 1,00794 u. Najczęściej występującym izotopem wodoru jest  prot (¹H), który posiada atom o najprostszej możliwej budowie – składa się z jednego protonu i jednego elektronu.

Wodór w formie atomowej powstał w epoce rekombinacji. W warunkach standardowych, wodór gazowy występuje w formie cząsteczkowej H₂, jako bezbarwny, bezwonny, bezsmakowy, nietoksyczny, łatwopalny gaz. W skrajnie wysokich temperaturach możliwe jest jego uzyskanie w formie atomowej H. Ponieważ pierwiastek ten łatwo tworzy związki chemiczne z większością pierwiastków będących niemetalami, większość wodoru na Ziemi występuje w postaci wody lub związków organicznych. Wodór odgrywa szczególnie istotną rolę w reakcjach kwasowo-zasadowych, ponieważ większość tego typu reakcji wiąże się z wymianą protonów między rozpuszczalnymi cząsteczkami. W związkach jonowych wodór może posiadać ładunek ujemny (anion H^-) lub dodatni (kation H⁺). Ponieważ wodór jest jedynym neutralnym atomem, dla którego równanie Schrödingera można rozwiązać analitycznie, badania energetyki i wiązań wodoru odegrały kluczową rolę w rozwoju mechaniki kwantowej.

Wodór po raz pierwszy otrzymano sztucznie na początku XVI wieku w reakcji metalu z kwasem. W latach 1766–81 Henry Cavendish był pierwszą osobą, która stwierdziła, że wodór jest oddzielną substancją chemiczną, po spaleniu której powstaje woda. Właściwość ta zadecydowała o nazwie tego pierwiastka chemicznego, bowiem w języku greckim υδρογόνο (ydrogóno) oznacza „tworzący wodę”.

Produkcja przemysłowa wodoru odbywa się głównie metodą reformingu parowego gazu ziemnego, rzadziej zaś przy użyciu bardziej energochłonnych metod, takich jak elektroliza wody. Zdecydowana większość otrzymanej w ten sposób substancji spożytkowywana jest w okolicach miejsca produkcji. Dwa największe obszary zastosowań tak otrzymanego wodoru to przetwarzanie paliw kopalnych (np. hydrokraking) i produkcja amoniaku, głównie do zastosowania na rynku nawozowym.

Pochodzenie i występowanie: Stanowiąc około 75% (masowo) całości materii, wodór jest najpowszechniej występującym pierwiastkiem we Wszechświecie. Zgodnie z teorią Wielkiego Wybuchu, wodór jest pierwiastkiem powstałym w bardzo wczesnym etapie rozwoju Wszechświata (podczas Wielkiego Wybuchu powstała także większość jąder helu oraz część istniejących obecnie jąder litu i berylu). Początkowo materia Wszechświata składała się z promieniowania i cząstek o bardzo wysokiej energii (w tym z fotonów, elektronów, protonów, neutronów, cząstek neutrino oraz antycząstek). W miarę wychładzania się materii, w czasie około stu sekund od początku Wielkiego Wybuchu, temperatura spadła do miliarda stopni Celsjusza. W takiej temperaturze energia cząstek była już zbyt mała, aby pokonać siłę międzyatomowego oddziaływania silnego, skutkiem czego byłą łączenie się protonów i neutronów w deuter (ciężki atom wodoru, zawierający jeden proton i jeden neutron), atom helu (zawierający dwa protony i dwa neutrony) oraz małe ilości atomów litu i berylu. Większość protonów utworzyła natomiast atomy zwykłego wodoru. 

W dużych ilościach wodór można znaleźć np. w gwiazdach (w tym w Słońcu), materii międzygwiazdowej oraz w przestrzeni międzyplanetarnej. 

Chmury wodorowe (mgławice o gęstym nagromadzeniu wodoru cząsteczkowego H2, zwane obszarami H II) są miejscem narodzin nowych gwiazd. Posiadając zwiększoną gęstość, chmury wodorowe dają początek procesowi tworzenia się gwiazd. 

Niedawne obserwacje wykazały, że ogólnie rzecz biorąc, bardzo niewielka liczba rejonów H II znajduje się poza obrębem galaktyk. Takie międzygalaktyczne obszary H II są prawdopodobnie pozostałościami mniejszych galaktyk rozerwanych przez siły pływów grawitacyjnych^[11].

Morfologia

Obszary H II występują w ogromnej różnorodności rozmiarów. Każda gwiazda w regionie H II jonizuje z grubsza sferyczny obszar otaczający ją, zwany strefą Strömgrena, lecz połączenie bąbli jonizacji wielokrotnych układów gwiazdowych w rejonie H II oraz ekspansji podgrzanych mgławic w otaczające gazy o ostrych gradientach gęstości daje w wyniku skomplikowane kształty. Wybuchy supernowych także wpływają na kształt obszarów H II. W pewnych przypadkach, powstawanie dużych gromad gwiazdowych w regionie H II daje w rezultacie obszary wyglądające na wydrążone od środka. Tak jest w przypadku NGC 604, olbrzymiego obszaru H II w galaktyce Trójkąta.

Godne uwagi rejony H II

W naszej Galaktyce, najlepiej znanym obszarem H II jest Mgławica Oriona, która leży 1500 lat świetlnych stąd. Mgławica Oriona jest częścią ogromnego obłoku molekularnego, który wypełniłby większą część gwiazdozbioru Oriona, gdyby był widzialny. Mgławica Koński Łeb i Pętla Barnarda to dwie inne oświetlone części tej chmury gazu.

Wielki Obłok Magellana, galaktyka satelitarna Drogi Mlecznej, zawiera ogromny obszar H II zwany Mgławicą Tarantula. Ta mgławica jest znacznie większa niż mgławica Oriona i tworzy tysiące gwiazd; niektóre z nich posiadają masę ponad 100 mas Słońca. Gdyby mgławica Tarantula była tak blisko Ziemi, jak mgławica Oriona, świeciłaby w przybliżeniu tak jasno jak Księżyc w pełni na nocnym niebie. Supernowa SN 1987A wybuchła na obrzeżu mgławicy Tarantula.

Mgławica NGC 604 jest jeszcze większa niż mgławica Tarantula, ma rozmiary rzędu 1300 lat świetlnych, chociaż zawiera mniejszą liczbę gwiazd. Jest to jeden z największych obszarów H II w Grupie Lokalnej.

Łuk Rysia to najgorętszy, najmasywniejszy i najodleglejszy od Słońca rejon gwiazdotwórczy, jaki odkryto w widzialnym Wszechświecie^[12].

Aktualne kwestie w badaniach nad rejonami H II

Obrazy uzyskane w promieniowaniu widzialnym ujawniają gaz i pył w mgławicy Oriona, a obraz w podczerwieni (po prawej) ujawnia nowe gwiazdy świecące wewnątrz niej.

Podobnie jak w przypadku mgławic planetarnych, określenie składu pierwiastkowego w obszarach H II jest niepewne. Istnieją dwie różne metody wyznaczenia ilości metali (tj. pierwiastków cięższych niż wodór i hel) w mgławicach, opierające się na analizie typów linii widmowych. Różnice pomiędzy wynikami obu metod wprowadzają często duże rozbieżności. Niektórzy^[kto?] astronomowie przypisują je obecności niewielkich fluktuacji temperatur wewnątrz obszarów H II. Według innych rozbieżności są zbyt duże, aby wyjaśnić je efektem temperaturowym. Prowadzi to do hipotezy głoszącej, że obserwowane różnice da się wyjaśnić istnieniem zimnych skupisk zawierających niewielkie ilości wodoru^[13].

Pełne szczegóły masywnego powstawania gwiazd w obszarach H II nie są do tej pory dobrze poznane. Dwa główne problemy utrudniają badania na tym polu. Pierwszy, to znacząca odległość dużych obszarów H II od Ziemi, przy czym najbliższy rejon H II znajduje się ponad 1000 lat świetlnych stąd, a inne są położone w odległości kilka razy większej. Po drugie, powstawanie gwiazd jest silnie przesłonięte przez pył i obserwacje w świetle widzialnym są niemożliwe. Fale radiowe i światło podczerwone mogą przenikać pył, ale najmłodsze gwiazdy mogą nie emitować wystarczającej ilości energii w tych zakresach długości fali.

-------------------

(...) Wodór jest trzecim pod względem częstości występowania pierwiastkiem na Ziemi (głównie w cząsteczkach wody oraz węglowodorów). Wynika to z małej masy, która powoduje powolne ulatywanie wodoru cząsteczkowego z atmosfery w przestrzeń kosmiczną. 

Wodór na Ziemi występuje np. w:

• skałach (np. granicie – 61,68%; gabro – 88,42%; gnejsie – 61,93%; bazalcie - 36,15%; piroksenach – 12,49%);
• złożach gazu ziemnego (składającego się głównie z metanu), którego bogate złoża znajdują się m.in. w Iranie, Katarze czy Rosji;
• gazach wulkanicznych;
• powietrzu – w śladowych ilościach ok. 0,019%.

Historia i etymologia: Pierwsze obserwacje wodoru przypisuje się szwajcarskiemu alchemikowi Paracelsusowi. Wykonywał on eksperymenty polegające na wrzucaniu metali do kwasów i zbieraniu do naczyń gazowych produktów tych reakcji. W swoim dziele Archidoxa odnotował on, że powietrze powstałe w wyniku połączenia żelaza i rozcieńczonego kwasu solnego "unosi się i wybucha jak wiatr" (Lufft sich erhebt und herfür bricht gleich wie ein Wind). Niejednoznaczność opisu powstałego zjawiska sprawia, że nie jest do końca jasne, czy gazem, który zaobserwował, był rzeczywiście wodór czy powstające pęcherzyki powietrza. Do dzisiaj reakcja metali z kwasami stanowi najprostszy sposób otrzymywania wodoru w warunkach laboratoryjnych. 

W 1671 roku Robert Boyle opublikował Tracts containing new experiments touching the relation betwixt flame and air, w którym opisał wybuchową naturę mieszanki wodoru z powietrzem, powstałej w wyniku reakcji opiłków żelaza z kwasami, nazywając ją Inflammable solution of Mars(łatwopalnym roztworem Marsa).

Źródło: Wikipedia. Antoine
Lavoisier.

Pierwszą osobą, która uznała wodór za odrębną substancję (flogiston) był Henry Cavendish. W 1766 r. zamieścił on w swoich notatkach wyniki i wnioski ze swoich badań. Substancja ta została uznana za pierwiastek dzięki badaniom Antoine'a Lavoisiera nad otrzymywaniem wody z wodoru i tlenu w 1783 r. Lavoisier nadał wodorowi nawę hydrogenium oznaczającą "rodzący wodę". Nazwa ta pochodzi z greckiego i jest połączeniem dwóch wyrazów „hydōr” (ὕδωρ) oznaczający „wodę” oraz „genes” (-γενής) oznaczający „tworzący”, „rodzący”. Nazwa ta rozprzestrzeniła się w Europie i do dzisiaj jej pochodne są używane w wielu językach. Przykładem jest angielskie słowo „hydrogen” lub francuskie „Hydrogène”.

Aparat Lavoisiera do badania flogistonu (ilustracja pochodzi z Traité élémentaire de chimie)

Lavoisier prowadził badania nad zachowaniem masy. Odparowując i skraplając wodę w układzie zamkniętym, próbował on udowodnić, że masa wody pozostaje stała. Po skropleniu okazywało się jednak, że masa była mniejsza. Powodem była reakcja wody z żelazem (z którego wykonany był aparat) w wysokiej temperaturze, w wyniku której powstawał wodór:

Fe + H₂O → FeO + H₂

2Fe + 3H₂O → Fe₂O₃ + 3H₂

3Fe + 4H₂O → Fe₃O₄ + 4H₂

Lavoisier obalił teorię flogistonu i udowodnił, że woda jest produktem spalania wodoru. Popularyzatorami teorii Lavoisiera na ziemiach polskich byli przede wszystkim bracia Jan i Jędrzej Śniadeccy. Pierwszy z nich, Jan był wykładowcą na Akademii Krakowskiej. W 1780 roku odbył kilka kursów chemii w Paryżu. Tam po raz pierwszy zetknął się z teoriami Lavoisiera. Do Paryża powrócił w latach 1790-1810, początkowo jako stypendysta a następnie profesor Akademii Krakowskiej. Jędrzej Śniadecki był profesorem na Uniwersytecie Wileńskim, gdzie wykładał chemię w języku polskim. Był autorem pierwszej polskiej terminologii chemicznej. W 1800 roku wydał podręcznik do chemii, w którym po raz pierwszy użył nazwy "wodoród", zastępując nią łacińską nazwę "hydrogenium". 

Z biegiem czasu została skrócona do powszechnie dziś znanej nazwy "wodór", którą zaproponował Filip Walter, co zatwierdziła krakowska Akademia Umiejętności na posiedzeniu w 1900 roku. W oparciu o sprawozdanie z tego posiedzenia redakcja "Chemika Polskiego" opublikowała w 1902 roku Słowniczek Chemiczny, w którym sugeruje używanie nazwy "wodór". 

Odkrycie Lavoisiera spowodowało, że różne ośrodki naukowe zajęły się badaniem właściwości wodoru. W Polsce badaniem wodoru zajmowali się m.in. Zygmunt Wróblewski i Karol Olszewski z Uniwersytetu Jagiellońskiego. W 1884 roku przeprowadzili oni nieudaną próbę skroplenia wodoru (udało im się uzyskać jedynie mgłę). Pod koniec życia Zygmunt Wróblewski przeprowadził eksperymenty, dzięki którym udało się mu w 1885 roku wyznaczyć stałe krytyczne wodoru. Dane te potwierdził eksperymentalnie Karol Olszewski w 1906 roku. W 1898 roku szkocki chemik James Dewar po raz pierwszy skroplił wodór wykorzystując do tego celu skonstruowaną przez siebie kolbę próżniową. Rok później udało mu się uzyskać wodór w postaci stałej. Deuter został odkryty przez Harolda Ureya w 1931 roku a trzy lata później, w 1934 roku, Ernest Rutherford, Mark Oliphant i Paul Herteck odkryli tryt. 

Zastosowanie

Przemysł chemiczny

Wodór znajduje szerokie zastosowanie w przemyśle chemicznym oraz petrochemicznym. Wykorzystywany jest głównie w procesach redukcji i uwodornienia. Przykładami procesów, w których stosowany jest wodór są:

• synteza amoniaku, który następnie wykorzystywany jest w produkcji nawozów sztucznych (na bazie azotanu amonu lub mocznika). Synteza amoniaku przebiega według ogólnej reakcji:

N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃

• hydrorafinacja – katalityczny proces chemiczny stosowany w przemyśle rafineryjnym w celu obniżenia zawartości związków siarki, azotu i tlenu oraz wysycenia wiązań podwójnych w produktach i półproduktach przeróbki ropy naftowej oraz jej pozostałościach destylacyjnych, a także w przemyśle koksochemicznym.

• hydrokraking – grupa procesów technologicznych stosowanych w celu przerobu ciężkich frakcji ropy naftowej na benzynę i oleje.

• reforming – proces katalitycznego przetwarzania wstępnie hydrorafinowanych frakcji benzynowych i lekkich frakcji naftowych w obecności wodoru w celu podwyższenia ich liczby oktanowej.

• synteza metanolu – proces, w którym cząsteczki wodoru reagują z cząsteczkami tlenku węgla, dające w rezultacie metanol. Ponieważ pośród reagentów występuje również dwutlenek węgla konieczny do podtrzymania aktywności katalizatora, to zachodzące można zapisać następująco:

CO + 2H₂ ⇄ CH₃OH

CO₂ + 3H₂ ⇄ CH₃OH + H₂O

• uwodornienie benzenu do cykloheksanu, który jest wykorzystywany w produkcji nylonu^[45].

• hydroformylowanie – proces OXO, służący do przemysłowego otrzymywania aldehydów w wyniku reakcji alkenów z gazem syntezowym. Otrzymane aldehydy są w kolejnym etapie najczęściej przetwarzane do alkoholi.

RCH=CH

2 + CO + H

2 → RCH

2CH

2CHO

• produkcja aniliny poprzez uwodornienie nitrobenzenu (w obecności katalizatora, np. SnCl₂):

Wilhelm Normann (1870-1939) - niemiecki chemik. Wynalazł i opatentował metodę katalitycznego utwardzania (uwodorniania) tłuszczów. Jego odkrycie miało duże znaczenie w przemyśle spożywczym, między innymi w produkcji margaryny. Prace Normanna pozwoliły uzyskiwać tłuszcze typu trans.

Proces ten prowadzony jest w podwyższonej temperaturze i ciśnieniu. Polega on na przepuszczaniu wodoru przez ogrzany olej, który zawiera katalizator (najczęściej mrówczan niklu). Metoda ta, opracowana została w 1902 przez Wilhelma Normanna (1870-1939) i przyczyniła się do rozwoju przemysłu margarynowego oraz umożliwiła zastosowanie olejów roślinnych w procesie otrzymywania mydła.

Inną metodą utwardzania tłuszczów jest metoda Wilbuszewicza. Polega ona na wprowadzeniu rozpylonego oleju z dodatkiem katalizatora do reaktora zawierającego wodór.

Przemysł metalurgiczny

W przemyśle metalurgicznym wodór używany jest do redukcji rudy żelaza. Wodór wykorzystywany jest w mieszaninie z tlenkiem węgla, który jest źródłem węgla potrzebnym do produkcji stali z surowego żelaza otrzymywanego w tym procesie. Przykładami reakcji redukcji rud żelaza są:

3Fe₂O₃ + H₂ ⇄ 2Fe₃O₄ + H₂O

Fe₃O₄ + H₂ ⇄ 3FeO + H₂O

FeO + H₂ ⇄ Fe + H₂O

Więcej informacji na temat procesu redukcji rud żelaza znajdziesz: tutaj. 

Aeronautyka: 

Wodór jako paliwo: Wodór, ze względu na swoje naturalne właściwości fizykochemiczne, świetnie nadaje się na paliwo. Ma najwyższą z paliw, w odniesieniu do masy, wartość opałową (120 MJ/kg) i ciepło spalania (141,9 MJ/kg). 

Termin „ekonomia wodoru”, który odnosi się do ekonomicznych aspektów stosowania wodoru jako źródła energii, został po raz pierwszy użyty podczas dyskusji w General Motors w 1970 roku. Został on spopularyzowany na przełomie XX i XXI wieku, gdy prace nad wykorzystaniem wodoru jako źródła energii przybrały na sile, kiedy szereg państw włączył się w rozwój technologii mających na celu ograniczenie emisji dwutlenku węgla. Do działań tych państwa zobowiązały się na konferencji w Kioto w 1997 roku.

--> Wodór jako paliwo konwencjonalne – pojęcie stosowane w odniesieniu do funkcji wodoru jako nośnika energii uwalnianej pod wpływem procesu spalania (w przeciwieństwie do np. procesu łączenia wodoru i tlenu w ogniwach paliwowych).

Charakterystyka

Wodór ma największą z paliw wartość opałową i ciepło spalania (w odniesieniu do masy). Ze względu na bardzo małą gęstość, wodór niekorzystnie prezentuje się na tle innych paliw, jeżeli wartości te zostaną odniesione do objętości. Z tego powodu wodór sprawdza się dobrze jako paliwo w przypadku pojazdów, w których masa odgrywa większą rolę niż objętość (np. rakietach lub statkach kosmicznych). Wodór ma bardzo wysoki współczynnik dyfuzji w azocie (który jest głównym składnikiem powietrza) co skutkuje dużą szybkością płomienia. Granice palności i wybuchowościwodoru przesunięte są silnie w kierunku końców skali, co skutkuje bardzo szerokim zakresem palności i wybuchowości mieszaniny wodoru i powietrza.

Historia: Pod koniec XVIII wieku rozpoczęła się w Europie rewolucja przemysłowa – szereg przemian, których konsekwencją było przejście od gospodarki opartej na rolnictwie i produkcji ręcznej do zautomatyzowanej produkcji przemysłowej (opierającej się głównie na mechanicznej produkcji fabrycznej na dużą skalę). Rozwój przemysłu, a w szczególności stosowanych w nim maszyn, spowodował że po początkowym okresie dominacji drewna jako paliwa zaczęto szukać nowych, bardziej wydajnych źródeł energii.

W 1783 Antoine Lavoisier odkrył, że łatwopalny gaz powstały w reakcji metali z kwasem siarkowym jest odrębnym pierwiastkiem. Hydrogenium, jak został nazwany, ze względu na swoje właściwości świetnie nadawał się na paliwo^[2]. Część konstruktorów szybko dostrzegła jego zalety.

W 1807 szwajcarski konstruktor Isaac de Rivaz zbudował pierwszy pojazd kołowy napędzany silnikiem wodorowym. Silnik de Rivaza był jednym z pierwszych silników o spalaniu wewnętrznym [Silnik o spalaniu wewnętrznym to silnik, w którym paliwo spalane jest w przestrzeni roboczej silnika]. Centralny element silnika stanowił cylinder z komorą spalania [Komora spalania – element silnika cieplnego wykorzystującego wewnętrzne spalanie paliwajako sposób dostarczania górnego (dodatniego) ciepła obiegu termodynamicznego (silnik o spalaniu wewnętrznym). Spalanie paliwa następuje w sprężonym powietrzu lub w kontakcie z utleniaczem i może być realizowane w sposób ciągły (silniki turbinowe, rakietowe) lub cyklicznie (silniki tłokowe)], w której poruszał się tłok. Wybuchająca w komorze mieszanka wodoru i powietrza wprawiała tłok w ruch. W kolejnych latach de Rivaz udoskonalił swój pojazd. W 1813 ukończył budowę pojazdu, którego długość wynosiła 6 metrów, waga prawie tonę a każdy ruch cylindra przesuwał pojazd o cztery do sześciu metrów.

Pojazd de Rivaza

François Isaac de Rivaz (ur. 19 grudnia 1752 w Paryżu – zm. 30 lipca 1828 w Sion w Szwajcarii) - szwajcarski wynalazca, twórca pierwszego działającego silnika spalinowego dwusuwowego. Rivaza zainspirował idea silnika, zaproponowana przez Holendra Christiaana Huygensa, który jednak swojego pomysłu nie zrealizował oraz pomysł Philippe Lebona, który opracował tłok poruszany przez energię spalanego gazu. Silnik Rivaza zasilany był mieszanką wodoru i tlenu, opracowany został w 1806 roku. Konstrukcja nie była trwała, gdyż nie był wówczas dostępny materiał, w którym można byłoby prowadzić reakcję spalania. W rok później Rivaz skonstruował jednak pojazd napędzany swoim silnikiem i rozwijał go aż do wersji finalnej z 1813 roku.

(...) W 1820 William Cecil opublikował traktat On the Application of Hydrogen Gas to produce a moving Power in Machinery, w którym opisał zalety silnika napędzanego wodorem.

"Nie ma praktycznie żadnej operacji, która nie mogłaby być wykonana z wykorzystaniem zalet maszyn, jeżeli tylko znalezienie dogodnej i taniej metody wprowadzania w ruch owych maszyn byłoby możliwe. (...) Silnik, w którym wodór jest źródłem siły napędowej, ma na celu połączenie dwóch głównych zalet (silników napędzanych przy pomocy) wody i pary; aby być zdolnym do działania w każdym miejscu, bez opóźnień i wcześniejszego przygotowania. (...) Główna zasada działania tego silnika jest oparta na właściwości, którą posiada wodór zmieszany z powietrzem atmosferycznym, wybuchania po zapaleniu i wytwarzania próżni. Jeżeli dwie i pół miary objętościowe powietrza atmosferycznego zostaną zmieszane z jedną miarą wodoru a następnie przyłożony zostanie ogień, mieszanka zwiększy swoją objętość ponad trzykrotnie" Oprócz zastosowań w pojazdach łatwopalna natura wodoru znajdowała zastosowanie w innych dziedzinach. W 1823 niemiecki chemik Johann Wolfgang Döbereiner skonstruował lampę, która od nazwiska wynalazcy, nazywana jest Lampą Döbereinera. Lampa składała się z naczynia, w którym znajdował się stężony roztwór kwasu siarkowego. W kwasie tym zanurzony był walec wykonany z cynku. Cynk reagował z kwasem, w wyniku czego wytwarzany był gazowy wodór stanowiący paliwo. Lampa Döbereinera (...) Na początku drugiej połowy XIX wieku dwóch Włochów - matematyk Eugenio Barsanti i inżynier Felice Matteucci - eksperymentowali z silnikami o spalaniu wewnętrznym napędzanymi mieszanką wodoru i powietrza. Usprawnili oni rozwiązanie zastosowane w silniku de Rivaza - cylinder z komorą spalania i ruchomym tłokiem. Z czasem zaczęli stosować poziomie tłoki połączone wałem. Udało im się również uzyskać kilka patentów.  (...) W XIX wieku wodór był jednak jedną z wielu substancji, z którymi eksperymentowano. Z czasem wodór zaczął przegrywać z paliwami płynnymi i rozwój technologii wodorowych został wypchnięty z głównego nurtu. W 1867 w Paryżu Nikolaus Otto i Eugen Langen zaprezentowali silnik, w którym energia poruszanych tłoków przekazywana była poprzez zębatkę, nie mechanizm korbowy, jak to miało miejsce do tej pory. Silnik okazał się dużym sukcesem, co przełożyło się na sukces finansowy. Do 1878 konstruktorom udało się wypuścić na rynek prawie pięć tysięcy silników w różnych wersjach. Silnik nie był jednak napędzany czystym wodorem a gazem koksowniczym o zawartości wodoru ponad 50%. Koncepcje Otto i Langena znacznie przybliżyły konstrukcje silnika do współczesnej. Pomimo ciągłego rozwoju technologia silników spalinowych napędzanych wodorem nie zanotowała znacznego skoku aż do lat 30. XX wieku. Wtedy to Rudolf Erren, niemiecki inżynier pochodzący z Górnego Śląska opracował metodę wstrzykiwania wodoru do komory wypełnionej tlenem lub powietrzem. Było to zupełnie nowatorskie podejście w porównaniu z dotychczasowymi układami, w których do komory spalania wstrzykiwana była mieszanka wodoru z tlenem lub powietrzem. Rozwiązanie to pozwoliło na wyeliminowanie niekontrolowanych wybuchów w komorze spalania i ustabilizowanie pracy silnika. Rozwiązanie Errena miało jeszcze jedną zaletę: było możliwe do zastosowania w już istniejących silnikach. Szacuje się, że Errenowi i współpracownikom udało się przebudować w ten sposób kilka tysięcy silników. Wraz z rozwojem techniki pojawiła się koncepcja zastosowania ciekłego wodoru. Jednym z pierwszych, którzy pracowali nad rozwojem tej koncepcji był właśnie Rudolf Erren. Zaprojektował on prototyp statku powietrznego, który miał być napędzany wodorem. Projekt nigdy nie został jednak zrealizowany. Technologią ciekłego wodoru interesował się również Igor Sikorski, amerykański konstruktor rosyjskiego pochodzenia. W 1938 wygłosił on wykład na temat przyszłości tej technologii. "Jeżeli rozwinięta zostałaby metoda bezpiecznej i oszczędnej produkcji i magazynowania ciekłego wodoru na paliwo, skutkowałoby to wielką zmianą, szczególnie w dziedzinie lotnictwa długodystansowego. Umożliwiłoby to lot na około równika bez konieczności uzupełniania paliwa. Umożliwiłoby to również zwiększenie wydajności niemal każdego silnika" ” — Igor Sikorski, Wykład przed American Institution of Electrical Engineers, 1938

W literaturze: Zalety wodoru dostrzegli nie tylko sami konstruktorzy i inżynierowie, ale również wizjonerzy. W 1874 r. francuski pisarz Juliusz Verne, powszechnie uważany za jednego z protoplastów fantastyki naukowej, wydał książkę Tajemnicza wyspa, w której zawarł wizję wodoru jako źródła energii, które w przyszłości zdominuje technikę. Wizja Verne'a miała wpływ na przyszłych badaczy. 

— Jakto! Wodę będą palili pod kotłami parowemi, wodą będą ogrzewali wodę? — Tak, lecz wodą, rozłożoną na jej części składowe — odpowiedział inżynier — a rozłożoną, jak się zdaje, za pomocą elektryczności, która naówczas stanie się silną, potężną i posłuszną woli człowieka. Tak, moi przyjaciele, sądzę, że kiedyś woda będzie służyła za opał, że wodór i tlen, czy to każdy osobno, czy połączone razem, staną się niewyczerpanem źródłem tak silnego ciepła i światła, jakiego nie może wydać węgiel!

”

— Juliusz Verne, Tajemnicza wyspa, 1874 Innym dziełem, w którym opisana została wizja zastosowania wodoru jako paliwa był Iron Pirate Maxa Pembertona. Zawiera ono opis statku bojowego wyposażonego w silnik napędzany wodorem, dzięki któremu mógł rozwijać ogromne prędkości.  "Był to doprawdy wspaniały widok; trzy zestawy najpotężniejszych silników kiedykolwiek zainstalowanych w statku bojowym. Każdy z nich miał cztery cylindry o średnicy ośmiu cali; a każdy z nich był napędzany wodorem z ogromnych gazomierzy, które tworzyły uchwyty. Gaz był wytwarzany poprzez przepuszczanie pary ze względnie małego kotła przez złoże koksu i antracytowy piec (...)"  — Max Pemberton, Iron Pirate, 1893 Lata II wojny światowej i okres powojenny: Wybuch wojny przestawił europejskie gospodarki na inne tory. Erren próbował wykorzystać pojawiającą się koniunkturę i opracował koncepcję torped z napędem wodorowym. Swój pomysł próbował sprzedać Brytyjczykom, jednak bez skutku. Podobną konstrukcję do silnika Errena zbudował w trakcie wojny radziecki technik wojskowy Borys Szeliszcz, który w trakcie oblężenia Leningradu w 1941 przerobił ponad 100 ciężarówek GAZ-AA tak, aby mogły być napędzane wodorem. Po zakończeniu wojny ceny ropy ponownie spadły, wskutek czego prace nad technologiami wodorowymi ustały na kilka lat. Badania nad wodorem rozpoczęły się ponownie w latach 50. Jednak już nie samochody były w centrum uwagi naukowców, a rakiety i samoloty. W latach 1956–1958 firma Lockheed Corporation pracowała nad prototypem samolotu napędzanego wodorem. Projekt miał nosić nazwę Sultan. Ostatecznie zdecydowano się jednak na zastosowanie konwencjonalnego paliwa, a projekt Suntan zarzucono. Pierwszy udany start rakiety o napędzie wodorowo-tlenowym (silniki RL-10) odbył się 27 listopada 1963 na Przylądku Kennedy'ego (obecnie Przylądek Canaveral) na Florydzie. Była to rakieta o nazwie Atlas LV-3C Centaur-B. W Europie rakiety Ariane były wynoszone na orbitę przy pomocy silników napędzanych wodorem (np.silnika HM-7). Termin „ekonomia wodoru” został po raz pierwszy użyty podczas dyskusji w General Motors w 1970. Jednak pomimo zapowiedzi finansowania nowych badań, wodór pozostawał poza głównym nurtem rozwoju technologii, jedynie od czasu do czasu powracając do szerszej dyskusji. Stało się tak np. w 1972, kiedy 22 sierpnia magazyn „Business Week” opublikował obszerny artykuł poświęcony rozwojowi technologii wodoru. Zostało to dostrzeżone przez naukowców i rządy, które na jakiś czas zwiększyły dotacje na badania i rozwój tego zagadnienia. Temat stał się jeszcze bardziej aktualny w trakcie Kryzysu paliwowego w 1973. Gdy jednak kryzys minął, wodór ponownie zniknął z głównych stron gazet. Wodór ponownie znalazł się w centrum zainteresowania pod koniec lat 80. Zaczął się nim interesować również Związek Radziecki, czego przejawem była międzynarodowa konferencja poświęcona temu zagadnieniu w 1988 w Moskwie. Od tej pory nakłady na badania systematycznie rosły, jednak obejmowały one głównie ogniwa paliwowe. Jedynie nieliczne modele aut oparte były na silniku spalinowym. Należą do nich np. BMW 750hl (z 2002), BMW Hydrogen 7 (z 2007), BMW H2R (z 2007) oraz Mazda Premacy Hydrogen RE Hybrid (z 2007). WODÓR JAKO CHŁODZIWO: Wodór może być również wykorzystywany jako medium chłodzące. Wykorzystuje się go szczególnie tam, gdzie konieczne jest ochładzanie gazem. Sprzyjają temu właściwości fizyko-chemiczne tego gazu. Wodór ma bardzo małą gęstość i nawet przy dużych prędkościach przepływ jest laminarny. Ponadto ma wysoki współczynnik przewodzenia (co powoduje, że szybciej odbiera ciepło) oraz ciepło właściwe (skutkiem czego jest duża ilość ciepła, jaką może zakumulować). Przykładem zastosowania wodoru w tym charakterze są turbogeneratory stosowane w elektrowniach. W współczesnych konstrukcjach turbogeneratorów najczęściej stosuje się chłodzenie powietrzne pośrednie w obiegu zamkniętym. Popularne jest również stosowanie bezpośredniego chłodzenia wodorowego uzwojeń wirnika i pośrednie chłodzenie wodorowe uzwojeń stojana. Ze względu na bardzo niską temperaturę skraplania, stosowalność tego typu rozwiązań nie ogranicza się do przedziałów temperaturowych spotykanych zwykle w przemyśle. Możliwe jest również chłodzenie wodorem w skrajnie niskich temperaturach, gdzie obniżenie temperatury jest możliwe jedynie dzięki rozprężaniu gazów. ZASTOSOWANIE CIĘŻSZYCH IZOTOPÓW WODORU: Izotop wodoru – tryt – wykorzystywany jest w badaniach reakcji termojądrowych, które mogą potencjalnie stanowić źródło taniej i czystej energii. Inny jego izotop – deuter – wykorzystywany jest jako spowalniacz (moderator) w reaktorach atomowych neutronów. Związki zawierające deuter są wykorzystywane do przygotowanie próbek NMR ze względu na właściwości fizykochemiczne tego atomu. Argentyna (1) Rumunia (2) Pakistan (1) Wpływ wody ciężkiej na żywe organizmy: Z fizykochemicznego punktu widzenia woda ciężka niewiele różni się od wody „zwykłej”. Te niewielkie różnice są jednak istotne dla żywych organizmów. W biopolimerach takich jak białka czy kwasy nukleinowe, deuterowanie (czyli wymiana izotopowa wodoru na deuter) powoduje nieznaczny spadek energii wiązań wodorowych. Jest to znany w przyrodzie efekt Ubbelohdego. Różnica w aktywności wodoru i deuteru w żywych organizmach ma swoje źródło w efektach dynamicznych oddziaływań kooperatywnych, które prowadzą do występowania efektów samoorganizacji izotopowej w układach wiązań wodorowych. Samoorganizacja H/D prowadzi do tego, że deuter niechętnie „wchodzi” np. do DNA organizmów żywych. WPŁYW NA ZWIERZĘTA: Eksperymenty na myszach, szczurach i psach pokazały, że zawartość 25% deuteru powoduje (czasem nieodwracalną) bezpłodność, ponieważ gamety i zygoty nie mogą się rozwijać. Wysokie stężenia ciężkiej wody (90%) gwałtownie zabijają ryby, kijanki, płazińce i muszki owocowe. Ssaki, np. szczury, otrzymujące do picia ciężką wodę, umierają po tygodniu, kiedy zawartość deuteru osiąga 50%. Przyczyną śmierci, podobnie jak w zatruciu cytotoksycznym (np. podczas chemioterapii) i ostrej chorobie popromiennej, wydaje się być ogólne zahamowanie podziałów komórkowych. Ciężka woda jest bardziej toksyczna dla komórek nowotworowych niż zdrowych, jednak stężenia wymagane dla skutecznego działania są zbyt wysokie dla zastosowań terapeutycznych[6]. Podobnie jak w chemioterapii, ssaki zatrute D2O umierają w wyniku niewydolności szpikukostnego (krwotoki i infekcje) i zaburzeń funkcji jelit (biegunka i utrata płynów). Prokariotyczne organizmy, takie jak bakterie, u których deuter nie powoduje problemów z mitozą, mogą rozwijać się przy całkowitym zastąpieniu wodoru przez deuter, również w białkach i DNA[6]. Pełne zastąpienie zwykłych izotopów cięższymi stabilnymi jest możliwe u organizmów wyższych dla innych pierwiastków (węgiel-13, azot-15, tlen-18), ale nie dla deuteru. Ciężka woda wykorzystywana jest dla poprawienia skuteczności terapii borowo-neutronowej, gdzie wykorzystuje się zdolność deuteru do moderowania neutronów bez ich wychwytywania. *Bitwa o ciężką wodę - całokształt akcji podejmowanych z inspiracji dowództwa alianckiego w celu opóźnienia prowadzonych od 1939 r. przez hitlerowskie Niemcy intensywnych prac badawczych nad bronią atomową. Do jej produkcji niezbędna była ciężka woda. Jeszcze przed inwazją na Francję Niemcy podjęli nieudaną próbę przechwycenia zapasu ciężkiej wody (185 kg) z laboratorium Frédérica Joliot-Curie w Paryżu. Francuzi jednak zdołali przerzucić ciężką wodę do Londynu (maj 1940). Ten niezbędny do produkcji broni atomowejśrodek hitlerowcy zdobyli w Norwegii, po jej opanowaniu w kwietniu 1940 r. W tym czasie Norwegia produkowała ciężką wodę na skalę przemysłową. Odbywało się to w zakładach chemicznych Norsk Hydro, położonych przy hydroelektrowni Vemork, niedaleko miasta Rjukan, w prowincji Telemark (w 1942 r. wyprodukowały 1,7 t). Próby zniszczenia fabryki: Dowództwo alianckie, chcąc opóźnić prowadzone przez hitlerowskich fizyków prace nad bombą atomową, postanowiło zniszczyć fabrykę ciężkiej wody Norsk Hydro. Do opracowania planu destrukcji tych zakładów oraz zapasów wyprodukowanej ciężkiej wody powołano w 1942 r. w sztabie Operacji Połączonych specjalną komórkę. W jej prace zaangażowano jako głównego konsultanta profesora politechniki w Trondheim, Leifa Tronstada, który przed wojną był jednym z twórców norweskiego programu produkcji ciężkiej wody. Powstał plan zrzucenia na spadochronach małej grupy norweskich zwiadowców, którzy rozpoznaliby kompleks przemysłowy i jego obronę. Po zebraniu niezbędnych informacji dołączyłby do nich zespół brytyjskich saperów. Miał on być przetransportowany na szybowcach, które wylądowałyby w pobliżu Norsk Hydro na zamarzniętym jeziorze Møsvatn. Po zniszczeniu zakładów i zapasów ciężkiej wody cała grupa miała podjąć próbę przedostania się do neutralnej Szwecji. W marcu 1942 r. w rejonie Rjukan został zrzucony Norweg Einar Skinnarland z zadaniem przeprowadzenia wstępnego rekonesansu. Następnie w nocy 19 października ok. 150 km od Rjukan zrzucono kolejnych czterech norweskich agentów SOE, którzy po wielu dniach wędrówki na nartach przez góry dotarli do fabryki i dokonali właściwego rozpoznania (Operacja Grouse). 19 listopada wyruszyła ze Szkocji na ciągniętych przez bombowce Handley Page Halifax dwóch szybowcach Airspeed Horsa grupa 30 brytyjskich saperów przydzielonych do 1 Dywizji Powietrznodesantowej (Operacja Freshman). Akcja zakończyła się katastrofą. Z powodu fatalnych warunków pogodowych jeden z bombowców oraz oba szybowce rozbiły się w górach Norwegii. Wszyscy piloci i część saperów zginęła na miejscu. 23 pozostałych uczestników operacji zostało schwytanych przez Gestapo. Wkrótce potem wszyscy zostali zamordowani na podstawie tzw. Kommandobefehl. Metoda trytowa – sposób określania wieku wody, odciętej od możliwości wymiany z innymi zbiornikami wód oraz z parą wodną atmosfery. Gdy woda znajdzie się w zamkniętym zbiorniku, zatrzymuje się dopływ trytu i ilość jego zaczyna maleć na skutek rozpadu promieniotwórczego beta minus. Okres przechowywania wody w zamkniętym zbiorniku można określić mierząc zawartość w niej trytu. Metodą tą oznacza się m.in. wiek win. Metoda ta ma zastosowanie do określania wieku maksymalnie ok. 30 lat, ponieważ czas połowicznego rozpadu trytu wynosi ok. 12 lat. Trytu wytworzonego w atmosferze ziemskiej w wyniku reakcji jądrowych neutronów promieniowania kosmicznego i azotu jest niewiele. Szacuje się, że na Ziemi jest go od kilku do kilkunastu kilogramów. Od roku 1954 znaczne ilości trytu zostały wytworzone w atmosferze w wyniku prób nuklearnych (głównie termojądrowych), co znacznie utrudnia interpretację wyników. Istotnym źródłem trytu w środowisku są także reaktory jądrowe. Metaliczny wodór to stan, który wodór uzyskuje pod ciśnieniem 495 gigapaskali i w temperaturze 5,5 kelwina. Stan ten wykazuje dobre przewodnictwo elektryczne i inne właściwości metaliczne.

zwana była też "The Martians" (Marsjanie).

W roku 1963 Wigner otrzymał, razem z Hansem Jensenem i Marią Goeppert-Mayer, nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.

*Dr Hillard Bell Huntington (21 grudnia 1910 w Wilkes Barre , Luzerne County, Pensylwania - 17 lipca 1992 r. Troy , Rensselaer County, Nowy Jork) był fizykiem, który (wraz z Eugene'em Wignerem ) po raz pierwszy zaproponował, w 1935 r., Że wodór może wystąpić w stan metaliczny . ^[1] Znany jest również z pracy nad elektromagnezacją atomów, która później stała się ważnym zagadnieniem w elektronice półprzewodnikowej.

Huntington urodził się w Wilkes Barre w Pensylwanii i otrzymał tytuł licencjata (1932), magistra (1933) i doktora (1941) na Uniwersytecie Princeton . ^[2] Uczył w Culver Military Academy , University of Pennsylvania i Washington University w St. Louis. Podczas II wojny światowej Huntington pracował w Laboratorium Radiacyjnym na MIT.

Huntington dołączył do wydziału Rensselaer Polytechnic Institute w 1946 roku. Był przewodniczącym wydziału fizyki w RPI w latach 1961-1968. Był znany jako specjalista od procesów dyfuzji i przewodzenia w metalach. ^[2] Ivar Giaever , który zdobył nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1973 roku, był jednym z jego uczniów. ^[3] Był także znakomitym malarzem. ^[2] Niektóre z jego obrazów można znaleźć w bibliotece Hillarda B. Huntingtona ("HBH"), nazwanej na jego cześć, znajdującej się w centrum naukowym Jonsson-Rowland w RPI. RPI ustanowiło także nagrodę Hillarda B. Huntingtona dla absolwentów na jego cześć.

Serie widmowe

Wodór ma charakterystyczne serie widmowe:

1. seria Lymana
2. seria Balmera
3. seria Paschena
4. seria Bracketta
5. seria Pfunda
6. seria Humphreysa

 Skok Lymana – to nagły spadek natężenia widma ciągłegoatomu wodoru na granicy serii Lymana, zachodzący na długości fali 91,18 nm (911,8 Å).

Granica ta odpowiada punktowi zaabsorbowania energii, w którym elektrony pierwotnie znajdujące się na orbitalu 1 (seria K) zostają jonizowane.

Biowodór - rodzaj biopaliwa. Od zwykłego wodoru odróżnia go sposób produkcji w procesie biologicznym lub biologiczno-chemicznym z biomasy lub bezpośrednio z fotosyntetycznego rozkładu wody.

Biowodór może być wytwarzany przez chemiczne przemiany biomasy (np. zgazowanie), konwersję biogazu: CH₄ + H₂O → CO + 3H₂, niektóre rodzaje fermentacji anaerobowych, np. przez Clostridium acetobutilicum, Clostridium butyricum, Rhodobacter sphaeroides, Enterobacter cloacae, a także w nietypowej fotosyntezie przez hydrogenazę jak to czyni Chlamydomonas reinhardtii.

*Przechowywanie wodoru – dział techniki poświęcony metodom przechowywania wodoru, głównie jako paliwa o bardzo wysokiej wartości energetycznej. Przechowywanie wodoru jest przedmiotem licznych badań, zarówno cywilnych jak i wojskowych, ośrodków naukowych, szczególnie w kontekście zwiększonego zainteresowania bezpieczeństwem energetycznym i polityką ochrony środowiska naturalnego przed szkodliwymi skutkami użytkowania paliw kopalnych. Atrakcyjność wodoru jako źródła energii wynika z tego, że można go stosunkowo łatwo pozyskiwać z gazu ziemnego oraz wody, która jest też jedynym produktem jego spalania lub utleniania tlenem.

Spis treści

  

• 1Technologie przechowywania wodoru
  • 1.1Wodór w stanie gazowym
  • 1.2Wodór w stanie ciekłym
• 2Zobacz też
• 3Przypisy
• 4Bibliografia
• 5Linki zewnętrzne

Wodór jest wytwarzany na skalę przemysłową w kilku procesach, z których najbardziej korzystnym ekonomicznie jest wytwarzanie wodoru z gazu ziemnego i gazów towarzyszących ropie naftowej (reforming parowy). Wodór jest również wytwarzany na drodze elektrolizy wody, co pozwala na uzyskanie wodoru o dużej czystości (około 99,9%).

Skroplony wodór od lat 40. XX wieku stosuje się w silnikach rakietowych, które wykorzystują energię odrzutu gazów powstającą przy spalaniu paliwa zmieszanego z utleniaczem (ciekłym tlenem). Wodór może być również spalany w klasycznym silniku tłokowym^[1]. Szerokie zastosowanie znajdują ogniwa paliwowe zasilane wodorem, służące jako źródło energii elektrycznej zarówno dla urządzeń elektronicznych, jak i pojazdów mechanicznych^[2].^,[3] Wodór może zatem być traktowany jako bezpośrednie źródło energii lub jako, alternatywny dla ogniw galwanicznych, sposób magazynowania energii uzyskanej z innych źródeł (na przykład energii wiatru).

Wodór w normalnych warunkach jest gazem, więc jego objętościowa gęstość energii jest niewielka w porównaniu do ciekłych paliw kopalnych. Oznacza to, że dla dostarczenia jednakowej ilości energii potrzebna jest o wiele większa objętość wodoru (a zatem zbiornik o większej objętości) niż w przypadku paliw płynnych, na przykład benzyny. Stosowane są różnorodne metody przechowywania wodoru w postaci gazowej i ciekłej. Najnowsze podejście do tego zagadnienia zakłada przechowywanie wodoru związanego na drodze chemisorpcji lub fizysorpcji (lub obydwu jednocześnie) w materiałach stałych. Przechowywanie wodoru w materiałach stałych jest najbardziej korzystne zarówno ze względu na bezpieczeństwo użycia wodoru, jak i ze względów energetycznych (znacznie zwiększona gęstość objętościowa energii).

*Biekscyton (molekuła ekscytonowa) – kwazicząstka powstała jako stan związany dwóch ekscytonów.

Zachodzi analogia pomiędzy biekscytonem a cząsteczką wodoru (H₂). Energia biekscytonu jest mniejsza niż suma energii tworzących go ekscytonów, analogicznie jak energia ekscytonu jest mniejsza niż suma energii tworzących go elektronu i dziury. Gęstość stanów biekscytonu w funkcji mocy pobudzającej zmienia się kwadratowo, w przeciwieństwie do ekscytonu gdzie zależność jest liniowa.

*Choroba wodorowa miedzi – szkodliwe zjawisko zachodzące w miedzi. Powyżej temperatury 380 °C tlen w miedzi występuje w postaci tlenku miedzi(I) Cu₂O (poniżej znajduje się w postaci tlenku miedzi(II) CuO). Wskutek wyżarzania w temperaturze powyżej 500 °C następuje dyfuzja atomów wodoru w głąb sieci krystalicznej tego metalu. Atomy wodoru potrafią penetrować miedź na znaczne głębokości. Wodór w miedzi reaguje z zawartym w niej tlenkiem miedzi, w której to reakcji wydziela się para wodna:

Cu₂O + H₂ = 2 Cu + H₂O

Para wodna, która nie będąc w stanie wydostać się na zewnątrz, gromadzi się wewnątrz struktury krystalicznej, wytwarzając znaczne ciśnienie, które powoduje powstawanie mikropęknięć i naderwań oraz zmniejszenia plastyczności miedzi.

Choroby wodorowej można uniknąć poprzez użycie miedzi niezawierającej tlenu lub przez wyżarzanie w atmosferze niezawierającej wodoru i jego łatwo rozkładających się związków.

*Wodorowe zużycie metalu – zjawisko łuszczenia się współpracujących powierzchni metali na skutek wnikania w wysokiej temperaturze wodoru w strukturę tych powierzchni. Prowadzi to do nieodwracalnych zmian, które zdecydowanie przyśpieszają proces niszczenia metali. Efektem jest zniszczenie warstwy wierzchniej oraz tzw. zmęczenie materiału.

Współtwórcą techniki "blokowania mechanizmu wodorowego zużycia" metali jest George P. Shpenkov^[1] - były członek Amerykańskiego Stowarzyszenia Trybologów.

*Stały wodór – pierwiastkowy wodór w stałym stanie skupienia.

Stały wodór powstaje z ciekłego wodoru poniżej jego temperatury krzepnięcia, czyli 14,01 K (−259,14 °C). Po raz pierwszy został otrzymany w 1899 roku przez Jamesa Dewara^[1].

Objętość molowa stałego wodoru wynosi 22,7 cm³/mol, co odpowiada gęstości 0,088 g/cm^3[2]. Dla izotopów wodoru, deuteru i trytu, gęstości wynoszą odpowiednio 0,20 i 0,31 g/cm³.

*Mezonium – odmiana atomu wodoru, w którym jądro atomowe stanowi dodatnio naładowany mezon (np. kaon, pion), a nie proton.

Badanie takich obiektów służy weryfikowaniu przewidywań fizyki, głównie kwantowej.

*Mionium (symbol Mu) – nazwa egzotycznego atomuzbudowanego z antymionu i elektronu (μ⁺ i e^–)^[1]. Mionium strukturą przypomina atom wodoru; antymion, którego masa jest 207 razy większa od elektronu^[2], zajmuje w nim miejsce protonu. Ze względu na dużą różnicę mas cząstek mionium przypomina atom wodoru także pod względem energii jonizacji i promienia atomu w modelu Bohra. Stan podstawowy mionium ma energię -13,54 eV, bardzo bliską wartości -13,64 eV dla wodoru^[3].

Mionium jest nietrwałe ze względu na rozpad antymionu na pozyton i dwa neutrina. Jego średni czas życia to 2,2 mikrosekundy. Jest on wystarczająco długi, żeby mionium było w stanie wchodzić w reakcje chemiczne i obecnie znanych jest kilka jego związków; pod względem chemicznym zachowuje się ono jak promieniotwórczyizotop wodoru^[4]. Do znanych związków należą:

• chlorek mionium (MuCl) — analog chlorowodoru (HCl),
• mionek sodu (NaMu) — analog wodorku sodu (NaH),
• mioniometan (CH₃Mu) — metan z mionium podstawionym w miejscu atomu wodoru.

*Atom egzotyczny – atom, w którym jedna lub więcej cząstek zostały zastąpione innymi cząstkami o tym samym ładunku. Na przykład atomy mionowe i atomy hadronowe to atomy, w których elektron jest zastąpiony inną ujemną cząstką. Do atomów egzotycznych należą również takie, w których jądro zastąpione jest inną cząstką dodatnią, na przykład pozytonium (elektron i pozyton), mionium (elektron i dodatni mion) oraz pionium (pion i mion), a także atomy z hiperjądrem.

Atomy mionowe

Atom mionowy to atom egzotyczny, w którym elektron (lub elektrony) jest zastąpiony mionem. Mion, podobnie jak elektron, jest leptonem.

Atomy hadronowe

Atomy egzotyczne, w których elektron jest zastąpiony ujemnym hadronem. Należą do nich mezoatomy (elektron zastąpiony mezonem, na przykład pionem lub kaonem (również mionem)^[1]), protonium (elektron zastąpiony antyprotonem) oraz hiperatomy (elektron zastąpiony ujemnym hiperonem^[2], np. Σ^- – atomy sigmowe).

Atomy pionowe zostały odkryte w 1952, kaonowe w 1960, sigmowe w 1968, a antyprotonowe w 1970.

Atomy hadronowe otrzymuje się przez kierowanie wiązki ujemnych hiperonów z akceleratora na tarczę z odpowiedniego materiału, np. potasu, cynku lub ołowiu. Ich czas życia jest rzędu 10⁻¹² s.

Badanie nad mezoatomami pokazały, że mion jest leptonem, a nie hadronem^[1].

Atomy z hiperjądrem

Atomy (również nazywane hiperatomami^[3]) mogą też składać się z elektronów krążących wokół hiperjądra, czyli jądra, w którym co najmniej jeden nukleon został zastąpiony hiperonem.

"Nie ma praktycznie żadnej operacji, która nie mogłaby być wykonana z wykorzystaniem zalet maszyn, jeżeli tylko znalezienie dogodnej i taniej metody wprowadzania w ruch owych maszyn byłoby możliwe. (...) Silnik, w którym wodór jest źródłem siły napędowej, ma na celu połączenie dwóch głównych zalet (silników napędzanych przy pomocy) wody i pary; aby być zdolnym do działania w każdym miejscu, bez opóźnień i wcześniejszego przygotowania. (...) Główna zasada działania tego silnika jest oparta na właściwości, którą posiada wodór zmieszany z powietrzem atmosferycznym, wybuchania po zapaleniu i wytwarzania próżni. Jeżeli dwie i pół miary objętościowe powietrza atmosferycznego zostaną zmieszane z jedną miarą wodoru a następnie przyłożony zostanie ogień, mieszanka zwiększy swoją objętość ponad trzykrotnie"

Oprócz zastosowań w pojazdach łatwopalna natura wodoru znajdowała zastosowanie w innych dziedzinach. W 1823 niemiecki chemik Johann Wolfgang Döbereiner skonstruował lampę, która od nazwiska wynalazcy, nazywana jest Lampą Döbereinera. Lampa składała się z naczynia, w którym znajdował się stężony roztwór kwasu siarkowego. W kwasie tym zanurzony był walec wykonany z cynku. Cynk reagował z kwasem, w wyniku czego wytwarzany był gazowy wodór stanowiący paliwo.

Lampa Döbereinera

(...) Na początku drugiej połowy XIX wieku dwóch Włochów - matematyk Eugenio Barsanti i inżynier Felice Matteucci - eksperymentowali z silnikami o spalaniu wewnętrznym napędzanymi mieszanką wodoru i powietrza. Usprawnili oni rozwiązanie zastosowane w silniku de Rivaza - cylinder z komorą spalania i ruchomym tłokiem. Z czasem zaczęli stosować poziomie tłoki połączone wałem. Udało im się również uzyskać kilka patentów. 

(...) W XIX wieku wodór był jednak jedną z wielu substancji, z którymi eksperymentowano. Z czasem wodór zaczął przegrywać z paliwami płynnymi i rozwój technologii wodorowych został wypchnięty z głównego nurtu. W 1867 w Paryżu Nikolaus Otto i Eugen Langen zaprezentowali silnik, w którym energia poruszanych tłoków przekazywana była poprzez zębatkę, nie mechanizm korbowy, jak to miało miejsce do tej pory. Silnik okazał się dużym sukcesem, co przełożyło się na sukces finansowy. Do 1878 konstruktorom udało się wypuścić na rynek prawie pięć tysięcy silników w różnych wersjach. Silnik nie był jednak napędzany czystym wodorem a gazem koksowniczym o zawartości wodoru ponad 50%. Koncepcje Otto i Langena znacznie przybliżyły konstrukcje silnika do współczesnej.

Pomimo ciągłego rozwoju technologia silników spalinowych napędzanych wodorem nie zanotowała znacznego skoku aż do lat 30. XX wieku. Wtedy to Rudolf Erren, niemiecki inżynier pochodzący z Górnego Śląska opracował metodę wstrzykiwania wodoru do komory wypełnionej tlenem lub powietrzem. Było to zupełnie nowatorskie podejście w porównaniu z dotychczasowymi układami, w których do komory spalania wstrzykiwana była mieszanka wodoru z tlenem lub powietrzem. Rozwiązanie to pozwoliło na wyeliminowanie niekontrolowanych wybuchów w komorze spalania i ustabilizowanie pracy silnika. Rozwiązanie Errena miało jeszcze jedną zaletę: było możliwe do zastosowania w już istniejących silnikach. Szacuje się, że Errenowi i współpracownikom udało się przebudować w ten sposób kilka tysięcy silników. Wraz z rozwojem techniki pojawiła się koncepcja zastosowania ciekłego wodoru. Jednym z pierwszych, którzy pracowali nad rozwojem tej koncepcji był właśnie Rudolf Erren. Zaprojektował on prototyp statku powietrznego, który miał być napędzany wodorem. Projekt nigdy nie został jednak zrealizowany.

Technologią ciekłego wodoru interesował się również Igor Sikorski, amerykański konstruktor rosyjskiego pochodzenia. W 1938 wygłosił on wykład na temat przyszłości tej technologii.

"Jeżeli rozwinięta zostałaby metoda bezpiecznej i oszczędnej produkcji i magazynowania ciekłego wodoru na paliwo, skutkowałoby to wielką zmianą, szczególnie w dziedzinie lotnictwa długodystansowego. Umożliwiłoby to lot na około równika bez konieczności uzupełniania paliwa. Umożliwiłoby to również zwiększenie wydajności niemal każdego silnika"	”
— Igor Sikorski, Wykład przed American Institution of Electrical Engineers, 1938

"Jeżeli rozwinięta zostałaby metoda bezpiecznej i oszczędnej produkcji i magazynowania ciekłego wodoru na paliwo, skutkowałoby to wielką zmianą, szczególnie w dziedzinie lotnictwa długodystansowego. Umożliwiłoby to lot na około równika bez konieczności uzupełniania paliwa. Umożliwiłoby to również zwiększenie wydajności niemal każdego silnika"

”

— Igor Sikorski, Wykład przed American Institution of Electrical Engineers, 1938

— Jakto! Wodę będą palili pod kotłami parowemi, wodą będą ogrzewali wodę?

— Tak, lecz wodą, rozłożoną na jej części składowe — odpowiedział inżynier — a rozłożoną, jak się zdaje, za pomocą elektryczności, która naówczas stanie się silną, potężną i posłuszną woli człowieka. Tak, moi przyjaciele, sądzę, że kiedyś woda będzie służyła za opał, że wodór i tlen, czy to każdy osobno, czy połączone razem, staną się niewyczerpanem źródłem tak silnego ciepła i światła, jakiego nie może wydać węgiel!

”

— Juliusz Verne, Tajemnicza wyspa, 1874

Innym dziełem, w którym opisana została wizja zastosowania wodoru jako paliwa był Iron Pirate Maxa Pembertona. Zawiera ono opis statku bojowego wyposażonego w silnik napędzany wodorem, dzięki któremu mógł rozwijać ogromne prędkości. 

"Był to doprawdy wspaniały widok; trzy zestawy najpotężniejszych silników kiedykolwiek zainstalowanych w statku bojowym. Każdy z nich miał cztery cylindry o średnicy ośmiu cali; a każdy z nich był napędzany wodorem z ogromnych gazomierzy, które tworzyły uchwyty. Gaz był wytwarzany poprzez przepuszczanie pary ze względnie małego kotła przez złoże koksu i antracytowy piec (...)"  — Max Pemberton, Iron Pirate, 1893 Lata II wojny światowej i okres powojenny: Wybuch wojny przestawił europejskie gospodarki na inne tory. Erren próbował wykorzystać pojawiającą się koniunkturę i opracował koncepcję torped z napędem wodorowym. Swój pomysł próbował sprzedać Brytyjczykom, jednak bez skutku. Podobną konstrukcję do silnika Errena zbudował w trakcie wojny radziecki technik wojskowy Borys Szeliszcz, który w trakcie oblężenia Leningradu w 1941 przerobił ponad 100 ciężarówek GAZ-AA tak, aby mogły być napędzane wodorem. Po zakończeniu wojny ceny ropy ponownie spadły, wskutek czego prace nad technologiami wodorowymi ustały na kilka lat. Badania nad wodorem rozpoczęły się ponownie w latach 50. Jednak już nie samochody były w centrum uwagi naukowców, a rakiety i samoloty. W latach 1956–1958 firma Lockheed Corporation pracowała nad prototypem samolotu napędzanego wodorem. Projekt miał nosić nazwę Sultan. Ostatecznie zdecydowano się jednak na zastosowanie konwencjonalnego paliwa, a projekt Suntan zarzucono. Pierwszy udany start rakiety o napędzie wodorowo-tlenowym (silniki RL-10) odbył się 27 listopada 1963 na Przylądku Kennedy'ego (obecnie Przylądek Canaveral) na Florydzie. Była to rakieta o nazwie Atlas LV-3C Centaur-B. W Europie rakiety Ariane były wynoszone na orbitę przy pomocy silników napędzanych wodorem (np.silnika HM-7). Termin „ekonomia wodoru” został po raz pierwszy użyty podczas dyskusji w General Motors w 1970. Jednak pomimo zapowiedzi finansowania nowych badań, wodór pozostawał poza głównym nurtem rozwoju technologii, jedynie od czasu do czasu powracając do szerszej dyskusji. Stało się tak np. w 1972, kiedy 22 sierpnia magazyn „Business Week” opublikował obszerny artykuł poświęcony rozwojowi technologii wodoru. Zostało to dostrzeżone przez naukowców i rządy, które na jakiś czas zwiększyły dotacje na badania i rozwój tego zagadnienia. Temat stał się jeszcze bardziej aktualny w trakcie Kryzysu paliwowego w 1973. Gdy jednak kryzys minął, wodór ponownie zniknął z głównych stron gazet. Wodór ponownie znalazł się w centrum zainteresowania pod koniec lat 80. Zaczął się nim interesować również Związek Radziecki, czego przejawem była międzynarodowa konferencja poświęcona temu zagadnieniu w 1988 w Moskwie. Od tej pory nakłady na badania systematycznie rosły, jednak obejmowały one głównie ogniwa paliwowe. Jedynie nieliczne modele aut oparte były na silniku spalinowym. Należą do nich np. BMW 750hl (z 2002), BMW Hydrogen 7 (z 2007), BMW H2R (z 2007) oraz Mazda Premacy Hydrogen RE Hybrid (z 2007). WODÓR JAKO CHŁODZIWO: Wodór może być również wykorzystywany jako medium chłodzące. Wykorzystuje się go szczególnie tam, gdzie konieczne jest ochładzanie gazem. Sprzyjają temu właściwości fizyko-chemiczne tego gazu. Wodór ma bardzo małą gęstość i nawet przy dużych prędkościach przepływ jest laminarny. Ponadto ma wysoki współczynnik przewodzenia (co powoduje, że szybciej odbiera ciepło) oraz ciepło właściwe (skutkiem czego jest duża ilość ciepła, jaką może zakumulować). Przykładem zastosowania wodoru w tym charakterze są turbogeneratory stosowane w elektrowniach. W współczesnych konstrukcjach turbogeneratorów najczęściej stosuje się chłodzenie powietrzne pośrednie w obiegu zamkniętym. Popularne jest również stosowanie bezpośredniego chłodzenia wodorowego uzwojeń wirnika i pośrednie chłodzenie wodorowe uzwojeń stojana. Ze względu na bardzo niską temperaturę skraplania, stosowalność tego typu rozwiązań nie ogranicza się do przedziałów temperaturowych spotykanych zwykle w przemyśle. Możliwe jest również chłodzenie wodorem w skrajnie niskich temperaturach, gdzie obniżenie temperatury jest możliwe jedynie dzięki rozprężaniu gazów. ZASTOSOWANIE CIĘŻSZYCH IZOTOPÓW WODORU: Izotop wodoru – tryt – wykorzystywany jest w badaniach reakcji termojądrowych, które mogą potencjalnie stanowić źródło taniej i czystej energii. Inny jego izotop – deuter – wykorzystywany jest jako spowalniacz (moderator) w reaktorach atomowych neutronów. Związki zawierające deuter są wykorzystywane do przygotowanie próbek NMR ze względu na właściwości fizykochemiczne tego atomu.

• Argentyna (1)
• Rumunia (2)
• Pakistan (1)

Wpływ wody ciężkiej na żywe organizmy:

Z fizykochemicznego punktu widzenia woda ciężka niewiele różni się od wody „zwykłej”. Te niewielkie różnice są jednak istotne dla żywych organizmów. W biopolimerach takich jak białka czy kwasy nukleinowe, deuterowanie (czyli wymiana izotopowa wodoru na deuter) powoduje nieznaczny spadek energii wiązań wodorowych. Jest to znany w przyrodzie efekt Ubbelohdego.

Różnica w aktywności wodoru i deuteru w żywych organizmach ma swoje źródło w efektach dynamicznych oddziaływań kooperatywnych, które prowadzą do występowania efektów samoorganizacji izotopowej w układach wiązań wodorowych. Samoorganizacja H/D prowadzi do tego, że deuter niechętnie „wchodzi” np. do DNA organizmów żywych.

WPŁYW NA ZWIERZĘTA: Eksperymenty na myszach, szczurach i psach pokazały, że zawartość 25% deuteru powoduje (czasem nieodwracalną) bezpłodność, ponieważ gamety i zygoty nie mogą się rozwijać. Wysokie stężenia ciężkiej wody (90%) gwałtownie zabijają ryby, kijanki, płazińce i muszki owocowe. Ssaki, np. szczury, otrzymujące do picia ciężką wodę, umierają po tygodniu, kiedy zawartość deuteru osiąga 50%. Przyczyną śmierci, podobnie jak w zatruciu cytotoksycznym (np. podczas chemioterapii) i ostrej chorobie popromiennej, wydaje się być ogólne zahamowanie podziałów komórkowych. Ciężka woda jest bardziej toksyczna dla komórek nowotworowych niż zdrowych, jednak stężenia wymagane dla skutecznego działania są zbyt wysokie dla zastosowań terapeutycznych^[6]. Podobnie jak w chemioterapii, ssaki zatrute D₂O umierają w wyniku niewydolności szpikukostnego (krwotoki i infekcje) i zaburzeń funkcji jelit (biegunka i utrata płynów).

Prokariotyczne organizmy, takie jak bakterie, u których deuter nie powoduje problemów z mitozą, mogą rozwijać się przy całkowitym zastąpieniu wodoru przez deuter, również w białkach i DNA^[6]. Pełne zastąpienie zwykłych izotopów cięższymi stabilnymi jest możliwe u organizmów wyższych dla innych pierwiastków (węgiel-13, azot-15, tlen-18), ale nie dla deuteru.

Ciężka woda wykorzystywana jest dla poprawienia skuteczności terapii borowo-neutronowej, gdzie wykorzystuje się zdolność deuteru do moderowania neutronów bez ich wychwytywania.

*Bitwa o ciężką wodę - całokształt akcji podejmowanych z inspiracji dowództwa alianckiego w celu opóźnienia prowadzonych od 1939 r. przez hitlerowskie Niemcy intensywnych prac badawczych nad bronią atomową. Do jej produkcji niezbędna była ciężka woda. Jeszcze przed inwazją na Francję Niemcy podjęli nieudaną próbę przechwycenia zapasu ciężkiej wody (185 kg) z laboratorium Frédérica Joliot-Curie w Paryżu. Francuzi jednak zdołali przerzucić ciężką wodę do Londynu (maj 1940). Ten niezbędny do produkcji broni atomowejśrodek hitlerowcy zdobyli w Norwegii, po jej opanowaniu w kwietniu 1940 r. W tym czasie Norwegia produkowała ciężką wodę na skalę przemysłową. Odbywało się to w zakładach chemicznych Norsk Hydro, położonych przy hydroelektrowni Vemork, niedaleko miasta Rjukan, w prowincji Telemark (w 1942 r. wyprodukowały 1,7 t).

Próby zniszczenia fabryki: Dowództwo alianckie, chcąc opóźnić prowadzone przez hitlerowskich fizyków prace nad bombą atomową, postanowiło zniszczyć fabrykę ciężkiej wody Norsk Hydro. Do opracowania planu destrukcji tych zakładów oraz zapasów wyprodukowanej ciężkiej wody powołano w 1942 r. w sztabie Operacji Połączonych specjalną komórkę. W jej prace zaangażowano jako głównego konsultanta profesora politechniki w Trondheim, Leifa Tronstada, który przed wojną był jednym z twórców norweskiego programu produkcji ciężkiej wody. Powstał plan zrzucenia na spadochronach małej grupy norweskich zwiadowców, którzy rozpoznaliby kompleks przemysłowy i jego obronę. Po zebraniu niezbędnych informacji dołączyłby do nich zespół brytyjskich saperów. Miał on być przetransportowany na szybowcach, które wylądowałyby w pobliżu Norsk Hydro na zamarzniętym jeziorze Møsvatn. Po zniszczeniu zakładów i zapasów ciężkiej wody cała grupa miała podjąć próbę przedostania się do neutralnej Szwecji. W marcu 1942 r. w rejonie Rjukan został zrzucony Norweg Einar Skinnarland z zadaniem przeprowadzenia wstępnego rekonesansu. Następnie w nocy 19 października ok. 150 km od Rjukan zrzucono kolejnych czterech norweskich agentów SOE, którzy po wielu dniach wędrówki na nartach przez góry dotarli do fabryki i dokonali właściwego rozpoznania (Operacja Grouse). 19 listopada wyruszyła ze Szkocji na ciągniętych przez bombowce Handley Page Halifax dwóch szybowcach Airspeed Horsa grupa 30 brytyjskich saperów przydzielonych do 1 Dywizji Powietrznodesantowej (Operacja Freshman). Akcja zakończyła się katastrofą. Z powodu fatalnych warunków pogodowych jeden z bombowców oraz oba szybowce rozbiły się w górach Norwegii. Wszyscy piloci i część saperów zginęła na miejscu. 23 pozostałych uczestników operacji zostało schwytanych przez Gestapo. Wkrótce potem wszyscy zostali zamordowani na podstawie tzw. Kommandobefehl.

Metoda trytowa – sposób określania wieku wody, odciętej od możliwości wymiany z innymi zbiornikami wód oraz z parą wodną atmosfery. Gdy woda znajdzie się w zamkniętym zbiorniku, zatrzymuje się dopływ trytu i ilość jego zaczyna maleć na skutek rozpadu promieniotwórczego beta minus. Okres przechowywania wody w zamkniętym zbiorniku można określić mierząc zawartość w niej trytu. Metodą tą oznacza się m.in. wiek win. Metoda ta ma zastosowanie do określania wieku maksymalnie ok. 30 lat, ponieważ czas połowicznego rozpadu trytu wynosi ok. 12 lat. Trytu wytworzonego w atmosferze ziemskiej w wyniku reakcji jądrowych neutronów promieniowania kosmicznego i azotu jest niewiele. Szacuje się, że na Ziemi jest go od kilku do kilkunastu kilogramów. Od roku 1954 znaczne ilości trytu zostały wytworzone w atmosferze w wyniku prób nuklearnych (głównie termojądrowych), co znacznie utrudnia interpretację wyników. Istotnym źródłem trytu w środowisku są także reaktory jądrowe.

Metaliczny wodór to stan, który wodór uzyskuje pod ciśnieniem 495 gigapaskali i w temperaturze 5,5 kelwina. Stan ten wykazuje dobre przewodnictwo elektryczne i inne właściwości metaliczne.

"Był to doprawdy wspaniały widok; trzy zestawy najpotężniejszych silników kiedykolwiek zainstalowanych w statku bojowym. Każdy z nich miał cztery cylindry o średnicy ośmiu cali; a każdy z nich był napędzany wodorem z ogromnych gazomierzy, które tworzyły uchwyty. Gaz był wytwarzany poprzez przepuszczanie pary ze względnie małego kotła przez złoże koksu i antracytowy piec (...)" 

— Max Pemberton, Iron Pirate, 1893

Lata II wojny światowej i okres powojenny: Wybuch wojny przestawił europejskie gospodarki na inne tory. Erren próbował wykorzystać pojawiającą się koniunkturę i opracował koncepcję torped z napędem wodorowym. Swój pomysł próbował sprzedać Brytyjczykom, jednak bez skutku. Podobną konstrukcję do silnika Errena zbudował w trakcie wojny radziecki technik wojskowy Borys Szeliszcz, który w trakcie oblężenia Leningradu w 1941 przerobił ponad 100 ciężarówek GAZ-AA tak, aby mogły być napędzane wodorem. Po zakończeniu wojny ceny ropy ponownie spadły, wskutek czego prace nad technologiami wodorowymi ustały na kilka lat. Badania nad wodorem rozpoczęły się ponownie w latach 50. Jednak już nie samochody były w centrum uwagi naukowców, a rakiety i samoloty. W latach 1956–1958 firma Lockheed Corporation pracowała nad prototypem samolotu napędzanego wodorem. Projekt miał nosić nazwę Sultan. Ostatecznie zdecydowano się jednak na zastosowanie konwencjonalnego paliwa, a projekt Suntan zarzucono. Pierwszy udany start rakiety o napędzie wodorowo-tlenowym (silniki RL-10) odbył się 27 listopada 1963 na Przylądku Kennedy'ego (obecnie Przylądek Canaveral) na Florydzie. Była to rakieta o nazwie Atlas LV-3C Centaur-B. W Europie rakiety Ariane były wynoszone na orbitę przy pomocy silników napędzanych wodorem (np.silnika HM-7).

Termin „ekonomia wodoru” został po raz pierwszy użyty podczas dyskusji w General Motors w 1970. Jednak pomimo zapowiedzi finansowania nowych badań, wodór pozostawał poza głównym nurtem rozwoju technologii, jedynie od czasu do czasu powracając do szerszej dyskusji. Stało się tak np. w 1972, kiedy 22 sierpnia magazyn „Business Week” opublikował obszerny artykuł poświęcony rozwojowi technologii wodoru. Zostało to dostrzeżone przez naukowców i rządy, które na jakiś czas zwiększyły dotacje na badania i rozwój tego zagadnienia. Temat stał się jeszcze bardziej aktualny w trakcie Kryzysu paliwowego w 1973. Gdy jednak kryzys minął, wodór ponownie zniknął z głównych stron gazet.

Wodór ponownie znalazł się w centrum zainteresowania pod koniec lat 80. Zaczął się nim interesować również Związek Radziecki, czego przejawem była międzynarodowa konferencja poświęcona temu zagadnieniu w 1988 w Moskwie. Od tej pory nakłady na badania systematycznie rosły, jednak obejmowały one głównie ogniwa paliwowe. Jedynie nieliczne modele aut oparte były na silniku spalinowym. Należą do nich np. BMW 750hl (z 2002), BMW Hydrogen 7 (z 2007), BMW H2R (z 2007) oraz Mazda Premacy Hydrogen RE Hybrid (z 2007).

WODÓR JAKO CHŁODZIWO: Wodór może być również wykorzystywany jako medium chłodzące. Wykorzystuje się go szczególnie tam, gdzie konieczne jest ochładzanie gazem. Sprzyjają temu właściwości fizyko-chemiczne tego gazu. Wodór ma bardzo małą gęstość i nawet przy dużych prędkościach przepływ jest laminarny. Ponadto ma wysoki współczynnik przewodzenia (co powoduje, że szybciej odbiera ciepło) oraz ciepło właściwe (skutkiem czego jest duża ilość ciepła, jaką może zakumulować). Przykładem zastosowania wodoru w tym charakterze są turbogeneratory stosowane w elektrowniach. W współczesnych konstrukcjach turbogeneratorów najczęściej stosuje się chłodzenie powietrzne pośrednie w obiegu zamkniętym. Popularne jest również stosowanie bezpośredniego chłodzenia wodorowego uzwojeń wirnika i pośrednie chłodzenie wodorowe uzwojeń stojana.

Ze względu na bardzo niską temperaturę skraplania, stosowalność tego typu rozwiązań nie ogranicza się do przedziałów temperaturowych spotykanych zwykle w przemyśle. Możliwe jest również chłodzenie wodorem w skrajnie niskich temperaturach, gdzie obniżenie temperatury jest możliwe jedynie dzięki rozprężaniu gazów.

ZASTOSOWANIE CIĘŻSZYCH IZOTOPÓW WODORU: Izotop wodoru – tryt – wykorzystywany jest w badaniach reakcji termojądrowych, które mogą potencjalnie stanowić źródło taniej i czystej energii. Inny jego izotop – deuter – wykorzystywany jest jako spowalniacz (moderator) w reaktorach atomowych neutronów. Związki zawierające deuter są wykorzystywane do przygotowanie próbek NMR ze względu na właściwości fizykochemiczne tego atomu.

— Max Pemberton, Iron Pirate, 1893