logo

Hidrogen, Unsur Pertama

Permaisuri Victoria memerhati dengan penuh perhatian semasa Dr. Pepper mengambil botol yang kelihatan kosong dan menyatakan: 'Dan sekarang, oksigen dan hidrogen akan mendapat penghormatan untuk bergabung di hadapan Tuanku!'

Dengan itu, dia menarik penyumbat dan menghalakan leher ke arah api yang terbuka. Ratu England dan rombongannya terkejut dengan dentuman yang kuat dan kilat. Hidrogen sememangnya telah bergabung dengan oksigen -- dan tidak begitu aman, pada masa itu.

Ia adalah tahun 1850-an, dan Dr. John Henry Pepper (bukan terkenal minuman ringan), pengarah Institusi Politeknik Diraja di London, sedang menjelaskan kepada raja bahawa kedua-dua unsur digabungkan untuk membentuk air dan melepaskan banyak tenaga dalam proses. Hidrogen boleh menjadi bahan api yang hebat, Lada meneruskan, jika ia boleh diperolehi dengan lebih mudah. Malangnya, ini tidak mungkin.

Doktor yang baik itu telah membuat hidrogen dengan kaedah yang mula-mula diterangkan oleh Robert Boyle pada tahun 1671. Boyle, yang dianggap secara meluas sebagai salah seorang bapa kimia moden, telah menggambarkan bagaimana penambahan asid ke dalam pemfailan logam 'menyebabkan asap yang banyak dan berbau busuk yang mudah diambil. api dan terbakar dengan lebih kekuatan daripada yang mudah disangka.'

Reaksi ini akhirnya menarik perhatian Henry Cavendish muda [lihat Halaman H6], salah satu watak yang paling pelik namun cemerlang dalam sejarah sains. Dialah yang akhirnya pada tahun 1766 mengasingkan dan mengenal pasti gas mudah terbakar ini sebagai hidrogen -- nama yang berasal dari bahasa Yunani yang bermaksud 'pembuat air.'

Para saintis kemudiannya menentukan bahawa hidrogen -- dengan proton tunggal dan elektron tunggalnya -- adalah unsur paling mudah, paling ringan dan paling biasa dalam kosmos, membentuk 98 daripada setiap 100 atom di alam semesta yang diketahui.

Sesiapa sahaja yang telah melihat letupan hidrogen, walaupun pada skala kecil, boleh dengan mudah membayangkan potensi hidrogen sebagai bahan api [lihat ilustrasi di atas]. Pada tahun 1903, ahli fizik Rusia Constantin Tsiolkovsky mencadangkan bahawa hidrogen cecair akan sesuai untuk roket.

Hidrogen tidak mempunyai kandungan tenaga yang sangat tinggi. Malah, satu gelen petrol boleh memberikan tenaga tiga kali ganda lebih banyak daripada satu gelen hidrogen. Tetapi beratnya kira-kira 10 kali ganda!

Idea Tsiolkovsky adalah nubuatan. Dua peringkat roket Saturn V gergasi yang membawa manusia ke bulan membakar hidrogen cecair dengan kehadiran oksigen cecair. Tangki luar besar kapal angkasa itu dipenuhi dengan cecair yang sama.

Akhirnya kita mungkin melihat rumah dan kereta kuasa hidrogen. Petroleum dan gas asli -- sumber pencemar udara berasaskan karbon yang menjadi asas tamadun perindustrian -- tidak boleh diperbaharui. Hidrogen, bagaimanapun, adalah kira-kira sebersih-pembakaran yang mungkin dan kedua-duanya banyak dan berpotensi boleh diperbaharui.

Pada tahun 1874 dahulu, Jules Verne, dalam novel klasiknya Pulau Misterius, telah membuat spekulasi wira juruteranya yang karam bahawa 'air suatu hari nanti akan digunakan sebagai bahan api, bahawa hidrogen dan oksigen yang membentuknya, digunakan secara tunggal atau bersama-sama, akan memberikan yang tidak habis-habisnya. sumber haba dan cahaya.'

Hari itu akan tiba tetapi tidak akan datang. Hidrogen pastinya boleh diekstrak daripada air, sumber yang hampir tidak habis-habis. Melewati arus elektrik melalui air (dipanggil 'elektrolisis') memecahkan H2O kepada hidrogen dan oksigen, kedua-duanya boleh dikumpulkan dengan mudah.

Walau bagaimanapun, terdapat masalah yang jelas: kos kewangan dan alam sekitar. Kebanyakan tenaga elektrik di Amerika Utara dijana dengan membakar bahan api fosil yang mahal dan mencemarkan, menggantikan masalah pencemaran. Pengeluaran hidrogen menjadi jauh lebih berdaya maju di kawasan yang diberkati dengan kemudahan hidroelektrik. Tetapi walaupun di sana, jumlah penukaran elektrik kepada hidrogen masih belum dapat dilaksanakan secara ekonomi.

Kapal terbang bahan api hidrogen sepatutnya diterbangkan pada tahun 1985. Pengiraan menunjukkan bahawa pesawat jumbo yang biasanya memerlukan 80 tan bahan api untuk menyeberangi Atlantik hanya memerlukan 15 tan hidrogen cecair. Harapan melayang tinggi, tetapi pesawat berkuasa hidrogen masih tersangkut di papan lukisan.

Selain itu, hidrogen mempunyai masalah perhubungan awam. Sebut sahaja hidrogen, dan orang ramai segera membayangkan adegan letupan Hindenburg dan Challenger. Sebenarnya, bagaimanapun, hidrogen dalam banyak aspek lebih selamat daripada petrol. Ia kurang tumpat daripada udara dan tersebar dengan cepat.

Kebanyakan gas yang keluar dari Hindenburg terapung tanpa bahaya; Orang ramai terbunuh melompat keluar dari kereta atau dengan membakar minyak bahan api yang dibawa untuk menghidupkan enjin.

Dalam prototaip kereta berkuasa hidrogen, bahan api disimpan dalam tangki besar di belakang tempat duduk belakang. Tangki-tangki itu ditebat dengan 70 lapisan aluminium dan gentian kaca dalam ruang kosong antara dua kulit logam. Ujian telah menunjukkan bahawa tangki prototaip tidak akan meletup walaupun pada suhu setinggi 900 darjah C selama lebih daripada sejam dan boleh menahan kemalangan lebih baik daripada tangki petrol konvensional.

Keputusan Berpecah

Masalah ketersediaan hidrogen akhirnya boleh diselesaikan melalui kimia pintar. Elektrik tidak semestinya diperlukan untuk membelah air kepada hidrogen dan oksigen. Cahaya yang boleh dilihat boleh berbuat demikian dengan kehadiran pemangkin yang sesuai.

mana trak usps

Penyelidik di Institut Teknologi Tokyo telah menunjukkan, sebagai contoh, bahawa cahaya dari lampu biasa boleh membelah air apabila serbuk cuprous oksida digunakan sebagai pemangkin. Yang lain telah menunjukkan bahawa pemangkin titanium dioksida dan molibdenum boleh melakukan kerja itu. Kecekapan proses ini mesti meningkat dengan banyak sebelum ia menjadi praktikal.

Membakar hidrogen bukanlah satu-satunya cara untuk mendapatkan tenaga daripadanya. Hidrogen cecair dibakar untuk mengangkat pesawat ulang-alik ke angkasa, tetapi di orbit, unsur yang sama digunakan untuk menghasilkan tenaga elektrik yang diperlukan semasa misi.

Pernahkah anda terfikir dari mana datangnya kuasa di dalam pesawat ulang-alik? Tiada penjana onboard, sekurang-kurangnya dalam pengertian tradisional.

Kuasa dijana oleh sel bahan api -- peranti yang membenarkan hidrogen dan oksigen bergabung tanpa pembakaran, walaupun dengan cara yang agak sama. Apabila hidrogen terbakar dengan kehadiran oksigen, setiap atom oksigen yang sangat reaktif dan lapar elektron (yang memerlukan dua elektron untuk mencapai keadaan tenaga yang menggalakkan) menyambar dua atom hidrogen oleh elektronnya, mengikatnya ke dalam sebatian H2O. Tindak balas itu juga membebaskan sejumlah besar tenaga haba.

Dalam sel bahan api, oksigen berjaya mendapatkan elektron yang sama walaupun ia tidak bersentuhan dengan hidrogen. Kedua-dua reagen dipisahkan oleh larutan yang dikenali sebagai elektrolit. Tindak balas berlaku apabila elektron dibebaskan daripada hidrogen dan bergerak ke oksigen melalui litar luar.

Akibatnya, kedua-dua atom penderma dan penerima berakhir dengan cas elektrik bersih. Iaitu, mereka menjadi ion, yang, dengan bantuan elektrolit, bergabung untuk membentuk air. Pembebasan dan pengambilan elektron sebenarnya berlaku pada permukaan mangkin, biasanya platinum, yang mengelilingi elektrod hidrogen dan oksigen.

Semasa elektron bergerak melalui litar, ia menghasilkan arus yang boleh digunakan untuk menjalankan sebarang peranti elektrik. Idea asasnya ialah tenaga yang diperoleh daripada gabungan hidrogen dengan oksigen adalah dalam bentuk elektrik dan bukannya haba.

Tambahan pula, tidak seperti bateri, sel bahan api tidak mati. Selagi hidrogen dan oksigen tersedia, arus terhasil. Ini pada asasnya adalah kebalikan tindak balas elektrolisis yang digunakan untuk memecahkan air menjadi hidrogen dan oksigen.

Bonus tambahan sel bahan api, setakat program angkasa lepas, ialah satu-satunya hasil tindak balas adalah air. Ini adalah air yang diminum oleh angkasawan. Tidak perlu membazir tenaga membawa botol berat ke orbit.

Harga Kemajuan

Sekarang, anda mungkin tertanya-tanya: Jika sel bahan api menghasilkan tenaga tanpa menghasilkan produk sampingan toksik, mengapa kita tidak menggunakannya di Bumi? Soalan yang baik.

Terdapat beberapa masalah. Pemangkinnya mahal: platinum bernilai ,000 telah digunakan dalam setiap sel bahan api semasa awal program angkasa lepas. Penambahbaikan dalam teknologi telah mengurangkan perbelanjaan ini dengan ketara, tetapi masalah utama kekal -- ketersediaan hidrogen yang terhad.

Membuat hidrogen dengan bertindak balas metana hidrokarbon ringkas (CH4, bahan utama gas asli) dengan wap atau dengan mengelektrolisis air tidak boleh bersaing secara ekonomi dengan pengeluaran petroleum. Tetapi jika kawalan pencemaran menjadi semakin penting, hidrogen berkemungkinan akan menjadi lebih berdaya maju sebagai bahan api. Lagipun, pembakaran hidrogen tidak membebaskan karbon dioksida, tiada sebatian sulfur, tiada hidrokarbon yang tidak terbakar dan tiada zarah jelaga.

Masalah petrol hilang melalui penyejatan ke atmosfera, sebanyak 2 peratus daripada jumlah keseluruhan setiap kali anda mengisi, juga dihapuskan. Vancouver dan Chicago sudah mempunyai tiga bas dalam perkhidmatan penuh yang dikuasakan oleh sel bahan api hidrogen. Pengeluar kereta utama sedang bersiap sedia untuk meletakkan kenderaan sel bahan api di jalan raya menjelang 2004.

Kemudian, seperti Ratu Victoria, anda mungkin mendapat penghormatan untuk menonton hidrogen dan oksigen bergabung untuk faedah anda.

Joe Schwarcz, pengarah Pejabat Kimia dan Masyarakat di Universiti McGill di Montreal, adalah pengarang buku yang akan datang, Radar, Hula Hoops dan Playful Pigs (ECW Press).

Diletupkan

Adakah anda percaya bahawa di Jepun mereka sedang membancuh bir di mana sebahagian karbon dioksida digantikan dengan gas hidrogen?

Pengilang telah menawarkan alasan untuk mengurangkan kesan rumah hijau dengan mengekang pelepasan karbon dioksida. Tetapi daya tarikan besar bir Suiso nampaknya ia membolehkan mereka yang gemar menyanyi dengan nada tinggi yang luar biasa.

Pita suara bergetar dengan frekuensi yang berbeza dalam suasana gas hidrogen yang dihembus, dan nada seperti Donald Duck yang dihasilkan adalah popular di bar karaoke.

Tetapi apa yang menjadi lebih baik ialah pertunjukan bunga api yang menakjubkan yang dicipta dengan menyalakan nafas terhidrogenasi seseorang. Ini telah membawa kepada bentuk hiburan yang agak berbahaya di mana peserta bersaing untuk melihat siapa yang boleh menghirup api paling banyak.

Menurut Associated Press, seorang Toshira Otama menguasai ini dengan menenggak 15 bir dan mengeluarkan sejumlah besar hidrogen. Dia dilaporkan boleh melontarkan bola api melintasi palang, menarik perhatian semua orang kecuali seorang bouncer.

Lelaki itu menganggap naga Otama bertindak agak berbahaya selepas Otama menghanyutkan rambut dan kening seorang pelindung. Bouncer cuba mengekang aktiviti itu, dan dalam pergelutan yang berlaku, Otama menelan rokoknya dan menyalakan gas hidrogen. Dia melecur pada esofagus, sinus dan laring.

Oleh kerana pita suaranya hangus, Otama tidak tersedia untuk mengulas kepada media, tetapi seseorang mengesyaki bahawa dia akan mencari bentuk hiburan yang kurang menentu pada masa hadapan.

pembersih apa yang membunuh telur cacing kremi

Hidrogen dan Hindenburg

Lama sebelum ada bom hidrogen, unsur yang paling kecil telah menarik banyak akhbar buruk, terutamanya pada 6 Mei 1937, apabila kereta gergasi Hindenburg terbakar dan terhempas ketika cuba mendarat di Lakehurst, N.J.

Hindenburg telah membuat 10 perjalanan pergi-balik rutin antara Jerman dan Amerika Syarikat sebelum letupan yang dahsyat. Apa yang sebenarnya berlaku tidak jelas. Tetapi penerangan oleh wartawan radio Herbert Morrison membingungkan:

'Ia terhempas. Ia terhempas dahsyat. Oh, saya, tolong keluar dari jalan. Ia terbakar. Dan ia jatuh pada tiang tambatan. Semua orang bersetuju bahawa ini adalah dahsyat, salah satu malapetaka yang paling teruk di dunia. Oh, api, empat atau lima ratus kaki di langit, ia adalah kemalangan yang hebat, tuan-tuan dan puan-puan. Asap dan api sekarang, dan bingkainya terhempas ke tanah, tidak sampai ke tiang tambatan. Oh, kemanusiaan dan semua penumpang.'

Mengerikan, pasti, tetapi nampaknya bukan letupan hidrogen. Hindenburg adalah kapal terbang, bukan balon udara. Iaitu, ia bukan sekadar beg gas seperti kapal udara yang jauh lebih kecil yang kita lihat berlegar di atas permainan bola sepak. Sebaliknya, ia mempunyai rangka kerja yang tegar, diperbuat daripada aluminium, di mana kulit kapas diregangkan. Di dalamnya terdapat beg berasingan gas hidrogen yang menahan kapal itu tinggi.

Dan betapa hebatnya kapal itu! Hindenburg ialah mesin terbang terbesar yang pernah dibina, sepanjang 804 kaki. Ia akan lebih kecil daripada jumbo 747 dan kira-kira saiz Titanic. Nahas itu mengorbankan 35 daripada 97 orang di atas kapal itu bersama seorang anak kapal di darat.

Menariknya, penerangan radio dan rakaman akhbar sedia ada menggambarkan kebakaran yang cepat, bukan letupan. Saksi bercakap tentang nyalaan seperti pertunjukan bunga api yang menakjubkan -- kesan bukan ciri hidrogen, yang terbakar dengan nyalaan yang hampir tidak berwarna.

Ini telah menyebabkan beberapa penyelidik membuat kesimpulan bahawa punca kemalangan itu bukan penyalaan hidrogen tetapi penutup mudah terbakar. Ia adalah amalan biasa pada zaman itu untuk menguatkan kapas dengan oksida besi, selulosa asetat dan serbuk aluminium, campuran yang sangat mudah terbakar.

Teori utama ialah cas elektrostatik terbina pada kapas yang diregangkan semasa ribut. Apabila garisan tambatan dijatuhkan, pelepasan melalui bingkai logam menyalakan fabrik. Sampel kulit Hindenburg yang masih hidup telah diuji dan didapati sangat mudah terbakar.

Malah, pada masa nahas itu, Syarikat Zeppelin, pembina Hindenburg, mungkin telah menolak hidrogen sebagai punca bencana. Pembina serta-merta mengambil langkah untuk mengurangkan kemudahbakaran fabrik yang disediakan untuk pembinaan Graf Zeppelin, kapal kakak Hindenburg.

Ejen kalis api, kalsium sulfamat, telah ditambahkan pada kulit, dan aluminium digantikan dengan gangsa, yang jauh lebih mudah terbakar. Langkah-langkah juga telah diambil untuk mengurangkan pembentukan voltan antara kulit dan struktur dalaman dengan menghamili tali yang menahan fabrik pada tempatnya dengan grafit, bahan pengalir.

Graf Zeppelin, yang dipenuhi dengan hidrogen, terbang berjuta-juta batu dengan selamat.

cara menyimpan foto lama

Henry Cavendish: Genius dan Oddball

Dengan hampir mana-mana piawaian, Henry Cavendish adalah seorang yang pelik. Dia kelihatan seperti saintis gila. Pakaiannya lusuh dan kusut. Suaranya nyaring, dan dia tidak pernah memandang sesiapa pun.

Cavendish menghabiskan empat tahun di Universiti Cambridge tetapi tidak pernah memperoleh ijazahnya. Dia sangat malu secara patologi sehingga dia tidak dapat menghadapi profesornya untuk peperiksaan. Sepanjang hayatnya, dia akan menghadapi masalah untuk berkomunikasi dengan orang ramai. Tetapi di makmal, kemahirannya tiada tandingan.

Cavendish mewarisi kekayaan yang besar dan tidak perlu risau tentang bekerja. Malah, pada masa kematiannya, dia adalah pendeposit individu terbesar di Bank of England. Jadi saintis muda yang boleh hidup seperti seorang raja sebaliknya menjalani kehidupan seorang petapa, menggunakan warisan untuk membiayai kerja saintifiknya.

Dia nampaknya tidak mempunyai kehidupan sosial. Walaupun dia menghadapi masalah berhadapan dengan lelaki, dia kadang-kadang menghadiri majlis saintifik Royal Society.

Wanita adalah cerita yang berbeza. Malah pembantu rumah di rumahnya diarahkan untuk berdiam diri dan berkomunikasi dengannya hanya melalui nota. Apabila Cavendish secara tidak sengaja bertemu dengan seorang pembantu rumah di tangga suatu hari, dia telah membina tangga belakang untuk kegunaannya sahaja. Dikatakan bahawa cara terbaik untuk melibatkan saintis ganjil itu dalam perbualan adalah dengan mengabaikan kehadirannya dan berpura-pura bercakap secara terbuka.

Tanpa terbebani oleh kehidupan sosial, Cavendish bekerja tanpa jemu di makmal rumahnya, dan di sana dia menghasilkan hidrogen dengan bertindak balas besi atau zink dengan asid.

Beliau menyatakan bahawa, apabila hidrogen dibakar dalam bekas tertutup, air dihasilkan. Oleh itu, air, bertentangan dengan dogma Yunani kuno, bukanlah unsur. Ia boleh dibuat di makmal. Ini adalah paku terakhir dalam keranda teori Aristotle bahawa segala-galanya terdiri daripada udara, tanah, api dan air.

Cavendish mempunyai banyak minat. Dia juga menyiasat bagaimana arus elektrik boleh dibuat untuk melalui bahan yang berbeza. Memandangkan belum ada cara instrumental untuk mengukur arus, dia akan menganggarkan arus dengan menggenggam hujung elektrod dengan tangannya dan mencatat sejauh mana renjatan akan bergerak ke atas lengannya.

Imej seorang lelaki tua yang berpakaian sut kuno yang memegang dua wayar dengan rambutnya berdiri tegak pastinya akan dinikmati oleh penonton, malah Ratu Victoria.

Tetapi Cavendish dengan tegas enggan mempamerkan kemahiran saintifiknya di khalayak ramai. Ia diserahkan kepada orang seperti Dr. John Pepper untuk memperkenalkan orang ramai kepada kuasa hidrogen.

CAPTION: Tenaga kimia dibebaskan atau diserap apabila sesuatu mengubah ikatan antara atom. Ikatan adalah keadaan yang stabil, jadi pemutusan ikatan kimia memerlukan tenaga. Itulah sebabnya kayu tidak akan terbakar melainkan anda meletakkan mancis padanya. Sebaliknya, apabila ikatan terbentuk, ia membebaskan tenaga, itulah sebabnya api mengeluarkan haba apabila karbonnya bergabung dengan oksigen di udara. Jika tindak balas menghasilkan pembentukan ikatan yang mengeluarkan lebih banyak tenaga daripada yang diperlukan untuk memecahkan komponen dan memulakan tindak balas di tempat pertama, tenaga akan dibebaskan. (Grafik ini tidak tersedia)

CAPTION: Hidrogen diatomik terdiri daripada dua atom hidrogen dengan tenaga ikatan 436,000 joule setiap mol, atau singkatannya 436 kJ/mol. (Satu tahi lalat ialah kira-kira 600 bilion trilion molekul.) Tenaga ikatan oksigen diatomik ialah 499 kJ/mol; hidrogen-oksigen ialah 460 kJ/mol. Membakar hidrogen dan oksigen untuk membuat air memerlukan pemecahan dua molekul hidrogen dan satu molekul oksigen, untuk jumlah perbelanjaan tenaga sebanyak 1,371 kJ/mol. Tetapi tindak balas menghasilkan empat ikatan hidrogen-oksigen, dengan jumlah 1,840 kJ/mol. Jadi tenaga bersih yang dibebaskan ialah 469 kJ/mol. (Grafik ini tidak tersedia)