in

Vodík a jeho využití

Samotný vodík se na zemi prakticky nevyskytuje vzhledem k tomu, že je velmi lehký. A pokud se někdy vyskytoval, bylo to před milióny let, kdy vznikala naše planeta. Vodík ale patří mezi významné prvky s využitím v potravinářském a chemickém průmyslu a v neposlední řadě se využívá jako palivo.

Je třeba říci, že vodík se vyskytuje ve formě tří izotopů, které se liší počtem neutronů v jádře.

  1. Normální vodík má v jádře pouze jeden proton a má značku H.
  2. Vodík, který má v jádře mimo proton ještě jeden neutron, se nazývá těžký vodík deuterium a má značku D. Víme, že na Zemi existuje sloučenina deuteria s kyslíkem D2O, tzv. těžká voda.
  3. Třetím izotopem je tritium s jedním protonem a se dvěma neutrony v jádře.  Má značku T, a je radioaktivní. Vzniká v horních vrstvách atmosféry působením slunečního záření o vysoké energii. Opět může nahrazovat vodík ve vodě. Praktický význam má však pouze těžká voda a to v jaderné energetice.

Pro vysvětlení použití vodíku v potravinářském a chemickém průmyslu si musíme připomenout některá chemická fakta.

Nejčastější prvek, který se váže na uhlík, je vodík. Uhlík má schopnost vázat na sebe až čtyři složky, popř. se vázat na další uhlík. Uhlík je tedy čtyřvazný. Pokud je pro tvorbu sloučeniny použitá pouze jedna vazba, pak se taková vazba nazývá jednoduchá. V případě, že jsou využity dvě nebo tři vazby pak se taková vazba nazývá dvojná nebo trojná. Sloučeniny, kde je přítomná pouze jednoduchá vazba, se nazývají nasycené, sloučeniny obsahující násobnou vazbu jsou nenasycené. 

Tuky a oleje

V tucích i olejích existuje vždy dlouhý řetězec uhlíkových atomů ve formě tří kyselin, které jsou vázány na glycerín.

  • Pokud kyseliny obsahují v řetězci dvojné vazby, pak se nazývají nenasycené a jsou vždy ve formě oleje.
  • Pokud řetězce kyseliny neobsahují dvojnou vazbu, pak se nazývají nasycené a vždy za normálních podmínek jsou to tuhé tuky. 

Nenasycené oleje se nejčastěji získávají ze semen rostlin, pouze část z mořských ryb. Nasycené tuky jsou získávány z živočišných tuků.

Podle zdroje tuků jsou používány i jejich názvy. Oleje jsou tedy: olej olivový, slunečnicový, řepkový, kokosový apod. U tuků používáme názvy např. sádlo vepřové, husí anebo máslo z mléka.

Nedostatek másla v minulosti vedl k tomu, že se převáděly oleje na tuky, ze kterých se pak vyráběly ztužené pokrmové tuky (dříve margarin). Proces, který se při výrobě ztužených pokrmových tuků doposud využívá, se nazývá hydrogenace, tedy ztužování tuků. V současné době se vede řada diskusí o trans a cis tucích.

Co jeto za tuky a jak vznikají?

V podstatě zde dochází k navázání vodíku na dvojnou vazbu za vzniku vazby jednoduché. Co to znamená, uvádí následující obrázky. Pokud jsou v těchto tucích substituenty (CH3 skupiny) navázány na dvojné vazbě proti sobě, pak se jedná o konfiguraci (uspořádání) trans. Pokud jsou navázány vedle sebe na jedné straně, pak se jedná o konfiguraci cis. Následující obrázky tento fakt vysvětlují.

cis
trans

Při výrobě ztužených tuků by mělo dojít k odstranění všech dvojných vazeb a pak neexistuje možnost vzniku dvou konfigurací. V případě, že ztužení není úplné a část dvojných vazeb ve sloučenině zůstane, může mít takový tuk konfiguraci trans nebo cis. Podle všeho tuky s konfigurací trans jsou jako potravina škodlivé a jejich výskyt se v EU kontroluje.

Dále je tedy pochopitelné, že pro potravinářské účely je vyžadován velmi čistý vodík.

Využití vodíku v chemickém průmyslu

  1. V chemickém průmyslu se proces hydrogenace používá pro výrobu řady sloučenin, které prakticky nelze všechny v tomto článku uvést. Jeden z nejvýznamnějších procesů je výroba paliv. Benzín i nafta se vyrábějí krakováním ropy za vzniku vodíku a nenasycených sloučenin. Výsledné nenasycené uhlovodíky však nejsou vhodné pro použití jako paliva ve spalovacích motorech. Proto je nutné působením vodíku dvojné vazby odstranit. V tomto případě se proces nenazývá ztužování, ale pouze hydrogenace.
  2. Na druhé straně je možné vzniklé sloučeniny, ve kterých existuje dvojná vazba, využít při výrobě plastů. Zcela určitě znáte polyetylén a polypropylén. Tyto plasty jsou vyráběny z etylénu a propylénu. Vodík, který vzniká při tomto postupu, je považován za „odpad“.
  3. Vodík se však využívá i při výrobě dalších sloučenin používaných v běžném životě.

Výroba vodíku a jeho využití v energetice

Zásadní výhodou vodíku je, že při jeho spalování vzniká pouze vodní pára. Jak však již bylo uvedeno výše, vodík na Zemi ve volném stavu neexistuje. Proto můžeme vodík získat pouze z jeho sloučenin. K tomu existuje řada postupů, které však vyžadují velké množství energie. Příkladem je vedení vodní páry přes rozžhavené železo.

  1. Jako zdroj vodíku lze využít např. uhlovodíky a to postupem, který je téměř shodný s postupem při krakování ropy. Postup lze upravit tak, že uhlovodík se zcela rozloží na uhlík a vodík. Tento postup však vyžaduje velké množství energie, protože uhlovodíky jsou velmi stabilní. V současné době proces probíhá tak, že se uhlovodík částečně spaluje. Ale produktem spalování při tomto postupu je oxid uhličitý. Takže, pokud spalujeme vodík při určité teplotě, vzniká pouze vodní pára. Při vysoké teplotě spalování však vznikají oxidy dusíku NOx. Výroba vodíku je tedy velmi komplikovaná, drahá a nerentabilní, pokud se chceme vyhnout emisím oxidu uhličitého. V neposlední řadě je nutno zvážit fakt, že převod tepelné energie vzniklé ze spalování vodíku na mechanickou je málo účinný. Všechny výše zmíněné postupy, které vedou k získání vodíku, jsou náročné na energii.

Lze však využít i jiný zdroj vodíku, a tím je pochopitelně voda. Tu lze rozložit, a to bohužel také neúplně a pouze za vysoké teploty, na vodík a kyslík. Tato cesta je však opět energeticky náročná. Musíme proto zvolit jiný způsob, jak vodu rozložit, a to elektrolýzou. Působením elektrického proudu jsme schopni vyrobit velmi čisté plyny, vodík a kyslík. Problémem je nízká účinnost elektrolýzy, která činí 60–70 %. Tato nízká účinnost je způsobena přepětím vodíku na elektrodách, kde bublinky vznikajícího vodíku brání průchodu proudu. Tento problém, který je známý asi sto let, se doposud nepodařilo vyřešit. Samotná elektrolýza je výhodná, opět k ní však potřebujeme elektrický proud. Teoreticky potřebujeme k výrobě 2,8 kWh 1m3 vodíku.

Existuje také postup, kdy je elektřina vyráběna „spalováním vodíku v palivovém článku“. I v tomto případě je však účinnost pouze 40–60 %. Celková účinnost systému při použití elektrolýzy pro výrobu vodíku a posléze palivového článku pro výrobu elektrické energie je 30–40 %.

  • V této souvislosti nelze opomenout vodní elektrárny. Ty však nelze postavit všude a opět stavba vyžaduje obrovské množství energie. Přestože jsme schopni pro výrobu elektrického proudu využít „čisté“ energetické technologie jako větrné elektrárny a fotovoltaické panely, je využití vodíku jako dalšího možného zdroje energie prozatím neekonomické. Nesmíme také zapomenout na to, že samotná výroba všech těchto zdrojů vyžaduje obrovské množství elektrické energie jak při těžbě surovin, tak při jejich zpracování, výrobě, výstavbě, dopravě atd. Závěrem lze říci, že vyrábět elektrickou energii za pomoci elektrické energie, aby to bylo rentabilní, je nemožné.

Fotografie: ilustrační, zdroj: https://pixabay.com/cs/photos/benz%C3%ADn-diesel-plyn-paliva-ropa-175122/

What do you think?

0 points
Upvote Downvote

Comments

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

Loading…

0

Comments

0 comments

Proč slunce svítí

Výroba elektrické energie