(Ne)vaříme vodík

Proč vodík?

Ještě než jsem začal s výrobou solárních balonů (tj. už před více lety, než se mi chce počítat), podařilo se mi v malém množství připravit vodík alkalickou cestou – reakcí hašeného vápna (Ca(OH)2) a alobalu. Reakci jsem prováděl ve velmi malém množství a v obyčejné PET lahvi. Vodík unikající z hrdla jsem tehdy najímal do nejlehčího a nejpevnějšího obalu, jaký byl k dispozici (dámy prominou, do prezervativu), což byl můj asi úplně první létající „stroj“ lehčí vzduchu. Už tehdy jsem narazil na některé problémy – reakce se především zahřívala (vzhledem k malému množství reaktantů ale ne nebezpečně) a pěnila (zhruba jako pivo) což oboje nebylo pro plnění „balonů“ příliš vhodné. Pěna zaprvé vnikala do „balonu“, zadruhé nadnášela reagující alobal. Navíc jsem měl problém i s utěsněním hrdla.

Později jsem opět v malém objemu vyzkoušel, že dobře funguje i hydroxid sodný, a že jako hliník lze použít i nápojové plechovky, reakce je ale pomalejší, jednak proto, že jde o silnější plech, jednak proto, že jeho povrch je zvnějšku nabarvený a zevnitř pokrytý ochrannou vrstvou. Plnění do balonů se ale příliš nevedlo, zejména právě kvůli pěně.

Zatímco jsem pracoval na solárních a hořákových balonech, stále jsem v koutku mysli pošilhával po vodíku. Aby ne! Zatímco u solárního balonu můžeme počítat s tím, že 1 m3 nám unese za dobrých podmínek třeba 100 gramů, krychlový metr vodíku unese 12x tolik, tj. 1200 gramů. Vodík je prostě super plyn. Začal jsem proto shromažďovat hliník – kusy vyhozeného alobalu, víčka od jogurtů, a odřezky z nápojových plechovek, kterých jsem při výrobě hořákových balonů spotřeboval nepočítaně. A v létě 2014 nazrála doba pokusit se tyto zásoby zúročit.

Bezpečnost

Popsané procedury jsou nebezpečné. Vodík je – pokud se smísí s kyslíkem a je zapálen – hořlavý a výbušný. Je třeba se vyvarovat pokusů o jeho zapalování v množství větším než malém – kdysi jsem se pokusil zapálit gumovou rukavici naplněnou několika litry vodíku. Sice jsem od toho stál asi dva metry, ale byla to taková řacha, že už to nikdy nehodlám opakovat. Nechci si domyslet, jak by vypadalo zapálení většího balonu plněného vodíkem, já bych to nezkoušel a to jsem šílenec.

Hydroxidy jsou velmi nebezpečné žíraviny – zejména ten sodný. Vždy potenciálně hrozí, že vycákne při přelévání či přesypávání, nebo vykypí z aparatury ven. Proto pracovat zásadně v rukavicích a s ochrannými brýlemi nebo štítem, a mít vždy k dispozici studenou vodu na omytí případně potřísněné kůže. Aparaturu bychom měli situovat tak, abychom toto riziko minimalizovali (prostě kdyby se to začalo vařit a ven vyprskl gejzír vařícího louhu, tak aby to letělo směrem, kde se zrovna nebude nacházet žádná osoba ani nic jiného, na čem by nám záleželo).

Hydroxid potenciálně žere organické materiály (ruce aj.) a některé kovy (hlavně ten hliník, což je jasné, když v tom tkví podstata reakce). Nežere plasty, gumu ani železo. Může uvolňovat teplo a/nebo prskat při kontaktu s vodou. V žádném případě nemísit s kyselinami!

Vodík v číslech

Molekulové hmotnosti:

Vodík: 2 g/mol

Hliník: 27 g/mol

Hydroxid sodný: 40 g/mol

 

Z 1 molu hliníku získáme (reakcí s jedním molem hydroxidu sodného) 1,5 molu vodíku.

Přibližně platí, že z 1 g hliníku můžeme získat 1,24 litru vodíku (za standardních podmínek).

Nosnost 1 litru vodíku je zhruba 1,2 gramu (za standardních podmínek).

Aparatura

DSCN2082

DSCN2079

První aparatura pro vývoj vodíku z 22. 7. 2014 - prozatím jen příprava v malém

 

Jako reakční nádobu jsem tentokrát použil pětilitrovou PET nádobu od medoviny. Mělo to prozaický důvod, že do ní nejlépe pasovala gumová zátka, kterou jsem měl k dispozici. Otvorem v zátce procházela pivní hadička (je to v podstatě ohebná plastová trubička, která je dost tuhá na to, aby se nemohla nikde skřípnout či překroutit – doporučuju!), vyvedená do kbelíku s vodou (nejlépe studenou), kterou vodík probublával. Probublávání má tu výhodu, že vodík ochladí (pokud je horký), zbaví jej páry (z větší části – výhodou je studená probublávací voda) a především zbytků pěny (která ale tentokrát nezlobila tolik jako při předchozích pokusech). Místo trychtýře jsem k jímání bublin použil opět PET lahev (v dolní části zatíženou kamením, aby držela ve správné poloze). Na její ústí byl podvázáním upevněn balon, tentokrát černý igelitový pytel. Doporučuji tuto láhev plnící funkci trychtýře použít co největší, aby v ní bylo dost prostoru na výšku i na šířku – překotné probublávání může totiž do ústí balonu nacákat vodu, což není žádoucí.

Vraťme se ale k reakční nádobě. Její plnění jsem prováděl následovně: Do hrdla jsem nacpal plastovou síťku od brambor, tak aby její ústí stále koukalo ven (lze jej přivázat k hrdlu). Skrze hrdlo jsem pak síťku nacpal připraveným hliníkem (musí se to dělat takto, neboť plně nacpanou síťku prostě hrdlem láhve neprotáhneme) a doplnil štěrkem (zátěž). Pak jsem síťku zavázal a nechal spadnout na dno nádoby. Zbylý štěrk, odhadem tak kilo nebo dvě, jsem poté rovněž nasypal dovnitř a hliník jím převrstvil (zhruba do poloviny výšky nádoby). Dále jsem nalil do nádoby vodu, a to opět tak, aby hladina nepřesáhla polovinu výšky. Proč to všechno? Síťka s balastem udržuje hliník u dna nádoby, velké množství štěrku také nádobu zatěžuje, aby mohla být ponořená ve vodní lázni – rozhodně nechceme aby plavala nebo se dokonce převrátila (jak jsem metodou pokus-omyl zjistil).  Je možné, že štěrk omezuje i množství pěny, která mě při zde popsaných pokusech skoro netrápila.

Vodní lázeň je vůbec nejdůležitější součást pokusu, protože umožňuje regulovat teplotu. Pokud chceme vyrobit jen malé množství vodíku (třeba 30 litrů), není tepelná regulace až takový problém – malé množství reaktantů prostě nevyprodukuje příliš mnoho tepla. Při větším množství reaktantů ale vzniká tepla víc, než by bylo milé. Čím teplejší reakční směs je, tím rychleji reakce probíhá a tím víc tepla uvolňuje... a v tom je právě ten zakopaný pes, protože na reakční nádobu musíme nahlížet jako na opravdový reaktor, kde vlivem pozitivní zpětné vazby může nastat „nadkritická reakce“. Tedy ne že by to přímo vybuchlo (i když i to by se asi stát mohlo), ale reálně hrozí, že se reakční směs začne vařit. V tom okamžiku může jednak roztavit plastovou reakční nádobu, hadičku nebo cokoli dalšího plastového, jednak prudce se vyvíjející vodík a pára může vyrazit zátku z láhve, načež napěněný horký hydroxid začne soptit ven – a tomu je právě nutné za každou cenu zabránit!

 

Aparaturu jsem vždy kompletně připravil (vč. připojení balonu k probublávači), a posléze inicioval reakci nasypáním NaOH do reakční nádoby (pomocí trychtýře z ustřižené PET lahve) a zasunul na místo zátku i s napojenou hadičkou (zátka těsní sama o sobě, pro jistotu jsem jí ale pomohl vazelínou). Několik vteřin trvá, než se hydroxid rozpustí, to je normální, pak začne směs bublat vyvíjeným vodíkem. První minuty jsou nejdůležitější – pokud reakce probíhá přiměřeně řekněme třeba 10 minut a nedojde k varu, můžeme být relativně klidní.

 

Supercritical

Druhá aparatura pro vývoj vodíku – políčka z filmu zachycují okamžik, kdy vařící se směs vyrazila zátku a v podobě poctivého gejzíru plynů, louhu a páry vysoptila ven!

Příčinou byla příliš teplá vodní lázeň a náplň z velmi reaktivního alobalu

 

Rychlost reakce ovlivňuje hlavně teplota, kterou můžeme ovlivnit právě teplotou lázně – tj. vypuštěním části vody a jejím nahrazením teplejší nebo studenější, podle potřeby. Ideální je začínat za studena (použil jsem studenou vodu z vodovodu) a reakci bedlivě sledovat. Ze začátku je totiž nejbouřlivější a nejnebezpečnější. Vznikající teplo lázeň ohřívá, je proto třeba kontrolovat, aby to nepřerostlo únosnou míru, a případně připouštět studenou. Naopak ke konci, když ubývá reaktantů a reakce skomírá, s výhodou do lázně přilijeme teplou a posléze i horkou vodu, aby se vodík vyvíjel rychleji.

Rychlost reakce ovlivňuje i použitý hliník. Tenký alobal reaguje nejdivočeji, silnější víčka od jogurtů aj. poněkud mírněji, a silnější plechy z nápojových plechovek nejméně bouřlivě, proto je třeba jejich použití doporučit, hlavně když vyvíjíme vodíku více (vodík vyvíjet pomalu, ale bezpečně)! Nápojové plechovky se také daleko snadněji sbírají než alobal, stačí vyrazit na procházku a ulehčit přírodě o nějaký ten odpadek. Pozor – ne všechny nápojové plechovky jsou hliníkové! Některé jsou železné (někdy je to na nich napsané, někdy se to dá odhadnout potěžkáním a u starších kousků podle přítomnosti rzi). Ty s hydroxidy nereagují a jsou dobré snad leda jako balast.

 

Některé zdroje na webu doporučují do směsi přidat sůl jako protipěnící činidlo. To jsem nezkoušel. Sůl by každopádně nebyla špatná, protože zvyšuje teplotu varu a tím by mohla oddalovat moment vykypění směsi v případě, že se reakce vymkne kontrole.

 

vlcsnap-2014-07-30-17h40m20s168

Konečná podoba aparatury. Velká bílá nádoba od Primalexu slouží jako lázeň, reakční nádoba je udržována svorkami nakloněná (v tomto pohledu doprava), červená přepravka funguje jako dodatečný štít (během zahájení reakce jsem se zdržoval vlevo, tedy za štítem a v opačném směru, než kam mířilo hrdlo reakční nádoby). V černém kbelíku se odehrává probublávání. Zelená hadice přivádí vodu z vodovodu pro případné chlazení, průhledná hadice vypouští vodu z lázně (na principu spojených nádob) do kanálu – pokud se nepoužívá, je na konci zazátkovaná. Balon byl v této chvíli již odpojen – snímek byl pořízen kamerou na jeho palubě!

 

DSCN2224DSCN2226

Zbytky částečně rozloženého hliníku po proběhnutí reakce.

Snímek nahoře: Reakční nádoba, síťka a štěrk, pod nimi zbytky železných plechovek (nedotčené), hliníkových plechovek (částečně zreagované), a šlemovité zbytky barev a ochranných vrstev ze zcela „sežraných“ z hliníkových víček a plechovek.

Na snímku dole je vidět „puchýřující“ ochrannou vrstvu na povrchu zbytků nápojových plechovek.

Moje pokusy - 2014

První experiment, 22.7.: 30 g hliníku (víčka od jogurtů a alobal), 100 g NaOH, plněno do 60-l pytle o váze 5 g. Reakce probíhala uspokojivě v horké vodní lázni malého objemu (malé množství hliníku!). Po naplnění pytel unesl prokazatelně 19 g (minikamerka Rypik), muselo tedy vzniknout nejméně 21 litrů vodíku. Tak malý balonek s tak velkou nosností působil – pro člověka se zkušenostmi se solárními balony – jako něco nadpřirozeného.

Nahrávání videa se nezdařilo (přílišná tma). Balon byl vypuštěn s visačkou se zpáteční adresou.

 

DSCN2084

DSCN2090

DSCN2096

První experiment s vodíkem v roce 2014

 

Druhý experiment 23.7.: náplň 110 g hliníku (pouze alobal, navíc velmi tenký) a 220 g NaOH. Po zkušenostech z minulého experimentu jsem použil teplou lázeň (vlažnou), což se ale v kombinaci s velmi tenkým alobalem použitým ve velkém množství ukázalo jako chyba. Reakční směs začala divoce bublat a vařit se, část vhrkla do probublavače hadičkou, než vyrazila zátku a vystříkla ven. Po vysoptění se mi ovšem podařilo napojit doznívající reakci na balon. Tentokrát jsem měl připraven větší, slepený ze dvou 120-l pytlů, o celkové hmotnosti 45 – 50 g. Podařilo se mi jej naplnit natolik, aby unesl sám sebe a visačku, o kameře ovšem nemohla být ani řeč. Balon byl tedy vypuštěn na svobodu.

 

DSCN2105

Teplem zdeformovaná nádoba a lázeň znečištěná uniklou směsí.

vlcsnap-2014-08-07-01h44m11s140

Téměř prázdný balon se přeci jen dokázal vyšplhat na oblohu...

 

Třetí experiment 24.7. zahrnoval 100 g hliníku (nápojové plechovky a menší množství víček) a 180 g NaOH. Nic jsem neponechal náhodě – připravil jsem se, jakoby reakce měla znovu soptit, ale zároveň jsem udělal vše, aby k tomu nedošlo. Začínal jsem se studenou lázní, navíc ve větším objemu (50-l nádoba od Primalexu). Reakce tentokrát probíhala přiměřeně klidně, ovšem zřejmě i díky pečlivé aktivní regulaci teploty. Byl naplněn balon o vlastní hmotnosti 45 g, unesl navíc i 50g závaží. Kameru sice unesl, kvůli větru však bylo nahrávání videa neúspěšné, balon byl neustále zaháněn na okolní střechy a nestoupal. Balon byl vypuštěn do volnosti s tradiční visačkou a navíc i vzkazem zašroubovaným v plastové dóze (aby byl po přistání chráněn před vodou).

 

DSCN2151

 

vlcsnap-2014-07-26-15h54m32s145

Reakční směs

 

 

vlcsnap-2014-07-26-15h58m31s248

 

vlcsnap-2014-07-26-16h02m05s75

Odlétající balon nesoucí pouzdro se zprávou

 

 

Čtvrtý experiment 25.7. zahrnoval 160 gramů opět hrubšího hliníku (a nějaké zbytky z minulé reakce, které jsem neodstraňoval z balastního štěrku) a 300 g NaOH. Identický balon tentokrát unesl i 100g závaží, nahrávání leteckého videa však opět neproběhlo úspěšně – jednak kvůli větru, jednak při nejlepším letu jsem na kameře Möbius zapomněl víčko. I to se stane. Z doznívající reakce byl naplněn ještě menší 60-l pytel podobně jako v 1. experimentu. Oba byly vypuštěny s visačkami, větší navíc nesl i hliníkovou krabičku se vzkazem nálezci. Bohužel, navzdory značnému množství takto rozeslaných visaček, navíc psaných dvojjazyčně (česky a anglicky, kdyby balon přeletěl hranice, což by snadno mohl) se zatím žádný nálezce neozval (ani nyní, ani při dřívějších pokusech).

DSCN2188

Reakční směs

DSCN2189

Vyvíjející se vodík

 

DSCN2204

Odlétající menší balon nesoucí pouzdro se zprávou (vpravo v popředí prolétající vlaštovka)

 

odlet

Odlétající větší balon mizející v dálce (na snímku vpravo již téměř mizí v modři nebe, je matně vidět pod dvojicí holubů).

 

 

Pátý experiment 28.7. – v reakční nádobě bylo 160 g nového hliníku (opět plechovky a malé množství jogurtových víček apod.) a odhadem tak 20 g nezreagovaného z minula, plus 340 g NaOH. Reakce probíhala bezpečně. Objevila se sice „pivní“ pěna, ale ne v nadměrném množství. Naplněn byl opět velký balon slepený ze dvou 120-l pytlů, o celkové hmotnosti 52 g. Kvůli co nejlepšímu počasí (mám ověřeno, že nejbezvětrněji bývá ráno před úsvitem a krátce po něm) jsem přípravu zahájil v pět ráno, v 6:00 už byl v balonu první vodík, a o hodinu později už unesl 100 g závaží jako nic. Balon jsem tentokrát upoutal čtyřbodově, trochu jako draka, aby na vítr „nalehával“ s přídí otočenou šikmo vzhůru proti větru, a nebyl stlačován tolik dolů (dříve byl upoután jednoduše za dolní část u ústí). Těžko říci, zda díky uvázání nebo lepšímu počasí byla tentokrát video-a fotokampaň nadmíru úspěšná – balon vzlétl mezi půl osmou a půl desátou ráno s kamerou na palubě hned 9x, z toho 8x s Möbiem. Díky tomu jsem mohl vyzkoušet různé orientace kamery i různé módy nahrávání. Při některých letech balon vymotal celou cívku vlasce o délce necelých 390 m! Poté byl balon ponechán upoutaný a pravidelně byl „vážen“ abych zjistil, jak rychle vodík z igelitového pytle uniká. Vodík má totiž velmi malé molekuly, které dosti snadno difundují skrze netěsnosti a dokonce i skrz neporušený igelit. Zdá se, že objem vodíku v balonu klesá exponenciálně, v tomto případě s poločasem 13 – 16 hodin (poločas je doba, za kterou množství obsaženého vodíku klesne na polovinu). Poločas bude nicméně silně záviset na druhu pytle, těsnosti spojů a ústí, a také teplotě okolí, proto se toto měření nedá zcela zobecnit.

 

DSCN2234

DSCN2272

Reakční směs – lze vidět unikající vodík a mírnou tvorbu pěny v horní polovině reakční nádoby.

DSCN2282

Balon upoutaný čtyřbodově pro větší stabilitu s pouzdrem pro kameru Möbius na „ocase“ (ústí) balonu.

Snímky ze stoupajícího a vzdalujícího se balonu (montáž snímků z různých letů)

 

 

Další snímky z letu můžete vidět ZDE

 

Odkazy na webu

http://ok1if.c-a-v.com/Balon/vodik_vyroba.htm

https://www.vimproc.cz/?page=record&id=150

Tranzistor – Hydroxid sodný – létající balon

https://www.vimproc.cz/?page=record&id=150