Kapalný vodík
Kapalný vodík (H2(l)) je zkapalněná podoba chemického prvku vodíku. V přírodě se vodík obvykle vyskytuje jako plyn v podobě molekul H2.[1]
Ke zkapalnění H2 je třeba jej nejprve ochladit pod kritickou teplotu 33 K (-240 °C), za atmosférického tlaku se poté stává kapalinou při 20,28 K (-252,87 °C).[2] Vodík se často zkapalňuje s použitím kompresorů vzhledem připomínajícím tryskové motory.
Vodík bývá často skladován ve zkapalněné podobě, kdy oproti plynu zaujímá mnohem menší objem; jeho hustota je ale oproti jiným běžným palivům nízká. Přechovávat jej lze v tepelně izolovaných nádobách.[3]
Vodík má dva spinové izomery; za pokojové teploty se převážně vyskytuje jako orthovodík, zatímco kapalný vodík je z 99,79 % tvořen para formou.[2]
Ke zkapalnění vodíku je třeba odebrat teplo o hodnotě nejméně 12 MJ/kg, se započtením přeměny na para-izomer 14 MJ/kg, ale v praxi jde většinou o 36-47 MJ/kg.[4]
Historie
editovat
V roce 1885 zjistil Zygmunt Wróblewski, že kritická teplota vodíku činí 33 K, kritický tlak 1,33 MPa; a teplotu varu 23 K.
Zkapalnění vodíku úspěšně provedl James Dewar v roce 1898, roku 1929 vyrobili Paul Harteck a Karl Friedrich Bonhoeffer paravodík.
Spinové izomery
editovatDvě jádra v molekule divodíku mohou mít dva různé spinové stavy. Paravodík, u něhož mají tyto spiny opačné směry, je stálejší než orthovodík, u nějž jsou směry obou spinů stejné. Za pokojové teploty v důsledku tepelné energie převažuje orthoforma, ta se ale za nízkých teplot exotermicky přeměňuje na para izomer, přičemž uvolněná energie může část kapaliny odpařit;[5] odpařování vodíku při dlouhodobém skladování lze zabránit záměrnou přeměnou na paravodík již během výroby, k čemuž se používají katalyzátory, jako oxid železitý, aktivní uhlí, kovy vzácných zemin, sloučeniny uranu, oxid chromitý, nebo některé sloučeniny niklu.[5]
Použití
editovatKapalný vodík je často používán jako raketové palivo.[6] Po smíchání s oxidačním činidlem, kterým je obvykle kapalný kyslík, spalováním vzniká voda a malá množství ozonu a peroxidu vodíku.
První termonukleární zbraň Ivy Mike využívala jako palivo pro jadernou fúzi kapalné deuterium.
Vlastnosti
editovatProduktem spalování vodíku v čistém kyslíku by měla být pouze vodní pára. Vzhledem k vysoké teplotě spalování ale může dojít ke štěpení vazeb N≡N v atmosférickém dusíku, čímž se vytvářejí oxidy dusíku.[7]
Kapalný vodík má také mnohem větší spalné teplo než benzin, zemní plyn, nebo nafta.[8]
Hustota kapalného vodíku je 70,85 kg/m3 (při 20 K), takže i když je jeho spalné teplo oproti jiným palivům více než dvojnásobné, tak má několikrát nižší spalné teplo v poměru k objemu.
Kapalný vodík se musí skladovat v tepelně izolovaných nádobách a vyžaduje zvláštní zacházení. I s tepelně izolovanými nádobami je obtížné udržet nízkou teplotu a vodík z nádob postupně uniká (obvyklá rychlost úniku je kolem 1 % za den)[8]). Kapalný vodík je schopen přeměnit vzdušný kyslík na kapalnou nebo i pevnou látku, čímž může vznikat nebezpečí výbuchu.
Trojný bod vodíku odpovídá teplotě 13,81 K (-259,34 °C)[2] a tlaku 7,042 kPa.[9]
Bezpečnost
editovatVzhledem ke své nízké teplotě může kapalný vodík vyvolávat omrzliny. Samotný vodík je biologicky neaktivní a jeho jedinými nebezpečími jsou schopnost snižovat obsah kyslíku, a tím způsobovat dušení, a značná hořlavost, se kterou souvisí výbušnost ve směsi se vzduchem. Kvůli hořlavosti je třeba kapalný vodík uchovávat odděleně od zdrojů tepla a zapálení, pokud nemá být záměrně zapálen. Vodík odpařený z kapaliny je oproti vodíku za pokojové teploty těžší než vzduch a může se vzduchem vytvářet hořlavé směsi těžší než samotný vzduch.
Odkazy
editovatReference
editovatV tomto článku byl použit překlad textu z článku Liquid hydrogen na anglické Wikipedii.
- ↑ We've Got (Rocket) Chemistry, Part 1 [online]. 2016-04-15 [cit. 2021-10-03]. Dostupné online.
- ↑ a b c IPTS-1968, iupac.org
- ↑ Liquid Hydrogen Delivery [online]. [cit. 2022-07-30]. Dostupné online.
- ↑ Monterey Gardiner. DOE Hydrogen and Fuel Cells Program Record: Energy requirements for hydrogen gas compression and liquefaction as related to vehicle storage needs [online]. [cit. 2009-10-26]. Dostupné online.
- ↑ a b Liquefaction of "Permanent" Gases [online]. [cit. 2017-10-16]. Dostupné online.
- ↑ Thomas Flynn. Cryogenic Engineering, Second Edition, Revised and Expanded. [s.l.]: CRC Press, 2004. ISBN 978-0-203-02699-1. S. 401.
- ↑ Alastair C. Lewis. Optimising air quality co-benefits in a hydrogen economy: a case for hydrogen-specific standards for NOx emissions. Environmental Science: Atmospheres. 2021-07-22, s. 201-207. ISSN 2634-3606. DOI 10.1039/D1EA00037C.
- ↑ a b Archivovaná kopie. www.almc.army.mil [online]. [cit. 2024-05-28]. Dostupné v archivu pořízeném z originálu dne 2008-08-08.
- ↑ Cengel, Yunus A. and Turner, Robert H. (2004) Fundamentals of thermal-fluid sciences, McGraw-Hill, p. 78, ISBN 0-07-297675-6