Wodór jest najbardziej rozpowszechniony we wszechświecie, a na ziemi jest jednym z najczęściej występujących pierwiastków! Niedawno zadano mi pytanie, jak to jest z tym wodorem, że jednocześnie może być stosowany jako paliwo w ogniwach paliwowych, jak i w bombie wodorowej? A ja na to: Wodór imiona ma trzy – Prot, Deuter i Tryt. Co z tego wynika? Spróbuję wyjaśnić.


Poznajmy naszego bohatera
Aby przybliżyć bohatera tego tekstu, musimy bliżej się z nim zapoznać. Wspominając o wodorze, mamy na myśli mieszaninę jego izotopów, teoretycznie trzech, praktycznie dwóch. Podstawowy izotop to prot 1H. Deuter 2H, D i tryt 3H, T są w mniejszości. Indeks górny oznacza liczbę masową, a więc masę izotopu. Izotopy te różnią się liczbą neutronów, cząstek elementarnych elektrycznie obojętnych. Prot neutronów nie posiada, deuter ma  jeden, tryt dwa. Duża liczba neutronów wpływa na niestabilność jądra atomowego. O ile deuter jest stabilnym izotopem, o tyle tryt jest promieniotwórczy. Są jeszcze inne znane izotopy, ale z racji, że są bardzo nietrwałe i otrzymane syntetycznie, to nie znajdują zastosowania.

Przeszukując źródła na temat zastosowania wodoru, znajdujemy informacje o substancji będącej mieszaniną tych izotopów. Protu w tej mieszaninie jest ponad 99,98%, deuteru blisko 0,15% (1 atom deuteru na około 6500 atomów protu; wartości zmienne w różnych miejscach występowania). Trytu są zaledwie ślady. Dla uproszczenia taką mieszaninę nazywamy wodorem. Ponieważ deuter i tryt mają specyficzne zastosowania, to pisząc o nich, nie nazwę ich wodorem.

Wspominając o wodorze, mamy na myśli mieszaninę jego izotopów, teoretycznie trzech, praktycznie dwóch.

Nie spotkałem się z zastosowaniem dla izotopowo czystego protu. Zastosowanie ma wodór, jako mieszanina z deuterem (i śladami trytu). O tej mieszaninie jest poniższy tekst.
Deuter, jako ciężki izotop wodoru, różni się właściwościami od protu. Materiały z deuterem są cięższe niż z protem, mają mierzalnie inne właściwości fizyczne. Stąd można oceniać przebieg reakcji chemicznych, znakując cząsteczki deuterem i obserwując, do którego produktu deuter się przyłączy. Najważniejsze zastosowanie dla deuteru to energetyka jądrowa. Jest składnikiem ciężkiej wody, która jest stosowana jako pierwotne chłodziwo i moderator w reaktorach jądrowych CANDU. Poza tym deuter jest składnikiem bomby wodorowej. Stosowany jest też jako znacznik w związkach chemicznych przy badaniu mechanizmów reakcji czy dystrybucji w organizmach związków chemicznych. Bywa też używany do produkcji specjalnych lamp emitujących UV.

A czy tryt, jako izotop nietrwały, nie ma zastosowania? Szacuje się, że w całej ziemskiej atmosferze mamy około 4 kilogramów trytu. Ilość jest mniej więcej stała. Tryt, jako nietrwały, rozkłada się: mniej więcej co 12 lat połowa trytu zamienia się w hel, a w jego miejsce powstaje nowy. Naturalny tryt powstaje na skutek reakcji jądrowych wywołanych promieniowaniem kosmicznym, rozpadu składników promieniotwórczych znajdujących się w skałach. Niewielkie emisje trytu mogą pochodzić z elektrowni jądrowych. Tryt ma zastosowanie przy produkcji farb świecących i analizowaniu ruchu powietrza. Jest izotopem promieniotwórczym, jednak energia tego promieniowania jest znikoma, można go więc uznać za niegroźny. Prace z dużymi ilościami trytu nie wymagają osłon (co ma miejsce głównie przy bombach wodorowych), których potrzeba np. przy pracy ze zużytym paliwem jądrowym czy nawet z lampami rentgenowskimi. Główne zastosowanie trytu to, niestety, bomby wodorowe. Nad zastosowaniem tego izotopu w energetyce termojądrowej, jak szacują specjaliści, trzeba jeszcze poczekać około 80 lat.

Głównymi konsumentami wodoru są zakłady azotowe i kombinaty rafineryjno-petrochemiczne.

Jakie zastosowanie ma wodór? Skąd go wziąć?
Wodór jest jednym z najpowszechniejszych pierwiastków, dlatego pozostaje jednym z ciekawszych tematów badawczych od czasów Paracelsusa. O jego znaczeniu może świadczyć obecność w wodzie i całej materii organicznej! To wodór dał podstawy pod teorię flogistonu, propagowaną przez Henry’ego Cavendisha, a obaloną przez Antoine’a Lavoisiera. Ponieważ wodór okazał się jednym z dwóch składników wody, nazwano go hydrogenium. Jędrzej Śniadecki zaproponował nazwę wodoród, którą to Filip Walter skrócił do wodoru. Zygmunt Wróblewski i Karol Olszewski wyspecjalizowali się w skraplaniu gazów, jednak z wodorem nie osiągnęli sukcesu, ze względu na ujemny efekt Joule’a-Thomsona. Większość gazów na skutek rozprężania ulega schładzaniu, co w kilku etapach może doprowadzić do ich skroplenia (dodatni efekt Joule’a-Thomsona), jednak wodór wskutek rozprężania rozgrzewa się (to właśnie jest wspomniany wcześniej ujemny efekt).

Powszechnie wodór stosowany jest w wielkotonażowym przemyśle chemicznym. Głównymi konsumentami wodoru są zakłady azotowe i kombinaty rafineryjno-petrochemiczne. Zakłady azotowe wytwarzają różnego rodzaju produkty na bazie azotu, tj. nawozy, kwas azotowy, amoniak, często materiały wybuchowe. Podstawowe surowce to azot z powietrza oraz nasz bohater – wodór. Zaczynamy od surowca strategicznego – gazu ziemnego, który w warunkach przemysłowych jest najtańszym źródłem wodoru. W wyniku pewnych procesów chemicznych uzyskujemy wodór, który w ogromnej skali przetwarzany jest w amoniak, ten dalej w kwas azotowy, azotan amonu i inne.

Zastosowanie wodoru
W zakładach rafineryjno-petrochemicznych wodór ma ogromne zastosowanie. Jest niezbędny dla procesów hydrokrakingu, hydrorafinacji, reformingu. Hydrokraking umożliwia uzyskanie m.in. paliw z ciężkich frakcji przetwórstwa ropy naftowej. Hydrorafinacje ograniczają zawartość niebezpiecznych dla środowiska związków siarki i azotu (dzięki dużym ilościom siarki, odzyskiwanym z ropy naftowej w takich procesach, opłaciło się zamknąć kopalnie siarki!). Reforming służy modyfikacjom chemicznym składników przeznaczonych dla produkcji paliw. Mechanizmy i idea tych procesów są zbyt złożone, by się w nie zagłębiać.

Wodór, jako najlżejszy gaz, stosowany był jako napełnienie do balonów i sterowców.

Wodór otrzymywany jest z węglowodorów nasyconych, przekształcanych w monomery do produkcji tworzyw sztucznych. Ilość wodoru uzyskiwana przy produkcji olefin (materiały do produkcji PE i PP – najpowszechniejszych tworzyw sztucznych) jest jednak za mała, nawet na potrzeby kombinatów rafineryjno-petrochemicznych. Dlatego też jako źródło wodoru stosuje się zarówno gaz ziemny, jak i metan odpadowy, powstały w innych procesach petrochemicznych. Trzeba wspomnieć także o produkcji metanolu i wielu innych chemikaliów produkowanych w ogromnej skali w procesach utleniania i redukcji, takich jak anilina, kwas octowy, formaldehyd i inne.

Przemysł spożywczy też jest potężnym konsumentem wodoru. Chodzi o utwardzanie tłuszczów roślinnych przy produkcji margaryn, maseł roślinnych, frytur itp. Inne zastosowanie w przemyśle spożywczym to produkcja sorbitolu (E420, m.in. środek słodzący i utrzymujący wilgotność). Kolejne zastosowanie to metalurgia. Tam, gdzie zależy nam na dużej czystości produktu, podczas procesów hutniczych używa się wodoru. Oczywiście taniej jest stosować węgiel, ale nie wszędzie zdaje on egzamin. Chodzi o procesy redukcji w piecach hutniczych, gdzie nie wprowadzamy do produktu składników z węgla, jak krzem, siarka, fosfor itp. (które to składniki potrafią uczynić produkt kruchym).

Wodór jest też niezbędny w wielu procesach laboratoryjnych, podczas których otrzymuje się go w reakcji kwasów z metalami lub ze specjalistycznych związków, takich jak glinowodorek litu i borowodorek sodu.

Najtańszym surowcem do produkcji wodoru jest woda. Niestety, to jedyna zaleta tego surowca. Proces elektrolizy wody wymaga sporo energii elektrycznej, dlatego nie jest to źródło powszechnie stosowane, np. przy produkcji amoniaku. Tanim sposobem produkcji wodoru (a przy okazji do odsalania wody) na potrzeby potężnych odbiorców byłoby zastosowanie reaktorów jądrowych HTR.

Wodór, jako najlżejszy gaz, stosowany był jako napełnienie do balonów i sterowców (hel na wodór zamieniono ze względu na cenę), co zostało ograniczone po pożarze sterowca LZ-129 Hindenburg, 6 maja 1937 roku. W historii aeronautyki takich wypadków było znacznie więcej!

Bomby wodorowe, choć powstały jako straszak podczas wyścigu zbrojeń, na szczęście do tej pory nie zostały zastosowane przeciwko ludzkości. znalazły za to zastosowanie pokojowe.

Cząsteczki wodoru są tak małe, że mogą przenikać przez wiele materiałów, stąd powstały specjalne gatunki stali chromowo-molibdenowej, które zapewniają szczelność instalacji z wodorem pod wysokim ciśnieniem i w wysokiej temperaturze. Z drugiej strony można dzięki temu magazynować wodór jako reagent w porach metalu, który niejednokrotnie jest też katalizatorem (np. nikiel Raneya, dawniej stosowany głównie przy utwardzaniu olejów roślinnych), a także kontrolować procesy z jego zastosowaniem, jak np. niewybuchowe spalanie w ogniwach paliwowych. Wodór, w dużym uproszczeniu, rozpuszcza się w metalach przy podwyższonym ciśnieniu. Przegrody z wielu metali, jako dziurawe dla wodoru, bywają stosowane przy oczyszczaniu go z innych, znacznie większych cząsteczek gazów. Warto zdać sobie sprawę, że zarówno ogniwa paliwowe, jak i płomień wodorowy ze spalania w powietrzu, są źródłem kwaśnych deszczów i smogu PM2,5 (na bazie kryształów azotanu amonu).

Skoro wodór jest tak powszechnym materiałem, to dlaczego może się źle kojarzyć?
Robert Boyle stwierdził wybuchowość mieszanek wodoru z powietrzem. W pracowniach niejednokrotnie powodował wybuchy, jednak te nie były tak spektakularne jak wybuchy w zakładach przemysłowych lub elektrowniach jądrowych. Zakłady chemiczne, w których wodór jest surowcem bądź produktem masowym, mają odpowiednie zabezpieczenia, więc eksplozje wodoru są rzadkością. Mimo tego rodzaju obostrzeń wybuchy i pożary wodoru zdarzały się, również w Polsce. Przykładem mogą być np. awarie w Zakładach Azotowych Kędzierzyn-Koźle.

Częściej wodór wybucha w akumulatorowniach, gdzie pokaźne ilości tego gazu powstają w trakcie ładowania akumulatorów. Najsłynniejsze katastrofy energetyki jądrowej to Czarnobyl i Fukushima. Nie były to jednak wybuchy jądrowe, tylko chemiczne. Były to właśnie eksplozje wodoru! W trakcie zaniku chłodzenia para wodna w kontakcie z materiałami konstrukcyjnymi prętów paliwowych ulega rozkładowi do mieszaniny piorunującej (mieszaniny wodoru z tlenem w proporcjach objętościowych 2:1), nazwanej tak ze względu na jej potencjał wybuchowy!

Skoro wybuch w elektrowni jądrowej to wybuch chemiczny, to jak tłumaczyć wybuch bomby wodorowej? Otóż jest to całkiem inny rodzaj wybuchu. Energia wyzwalana jest nie z wiązań chemicznych w cząsteczkach, tylko z energii wydzielającej się w procesach syntezy jądrowej. Ponieważ znacznie większą masę mają jądra deuteru i trytu, czyli znacznie łatwiej takie jądra do siebie zbliżyć na odległość, energia umożliwia zlepienie tych jąder w jądra helu (czy też innych pierwiastków). Do takiego zbliżenia potrzeba dużej energii inicjacji, jednak energia powstająca na skutek syntezy jądrowej jest znacznie większa! Energia inicjująca wybuch bomby wodorowej powstaje na skutek eksplozji plutonowej bomby jądrowej. Jednym z produktów takiego wybuchu są neutrony. Jeśli bomba nie ma płaszcza zawracającego neutrony do jej rdzenia, to w czasie wybuchu mamy do czynienia z ich ucieczką. Takie neutrony są silnym materiałem wywołującym wtórną promieniotwórczość wielu materiałów niepromieniotwórczych, a przede wszystkim są zabójcze dla życia. Powstała bomba nosi nazwę bomby neutronowej. Próbna amerykańska eksplozja bomby wodorowej z 1 listopada 1952 roku (kryptonim Mike, w ramach Operacji Ivy) umożliwiła odkrycie dwóch transuranowców (pierwiastki promieniotwórcze o liczbach atomowych większych niż 92) – einsteina i fermu, o czym świat cywilny dowiedział się dopiero w 1955 roku.

Bomby wodorowe, choć powstały jako straszak podczas wyścigu zbrojeń, na szczęście do tej pory nie zostały zastosowane przeciwko ludzkości. Co ciekawe, a może i zaskakujące, znalazły za to zastosowanie pokojowe, o czym raczej się nie mówi. Wykorzystanie pokojowe bomb wodorowych związane było z bardzo małym udziałem silnie radioaktywnych izotopów w produktach wybuchu, co sprawiało, że bomby takie, choć silnie niszczycielskie, nie stanowią dużego zagrożenia radiologicznego (nie skażają miejsca wybuchu). W 1956 roku Dave Griggs zaproponował wykorzystanie wybuchów termojądrowych do analiz geologicznych przy poszukiwaniu złóż ropy naftowej i gazu. W 1957 zainicjowano Program Plowshare, w celu pokojowego wykorzystania tych bomb. Chodziło tu o stymulowanie wydobycia surowców (głównie ropy naftowej i gazu), przemieszczanie mas skalnych w celu budowy zbiorników na wodę pitną, podziemnych solnych zbiorników na paliwa płynne i gaz, budowę portów, kanałów, a nawet gaszenie szybów naftowych. Operacja Cannikin z 1971 roku, która była próbą budowy portu morskiego na Alasce, wywołała protesty ekologów i powstanie organizacji Greenpeace. Amerykanie i Rosjanie przeprowadzili łącznie około 250 pokojowych wybuchów termojądrowych.

Mam nadzieję, że udało mi się pokazać, jak kontrowersyjnym pierwiastkiem jest tak popularny wodór.