Elementarni vodik sastoji se odobičnog vodika (procija) (>99,98%), dok ostatak (gotovo 0,02%) čini teški vodik (deuterij) s tragovima superteškog vodika (tricija). Vodik stvara kemijske veze sa najviše elemenata, posebno uorganskim tvarima.Pri standardnom tlaku i temperaturi, vodik je plin bez boje, mirisa i okusa, 14,4 puta lakši odzraka. Neotrovan je. Slabo jetopljiv u polarnim, a bolje u nepolarnim otapalima.
Hydrogen spectrum test
Industrijski se najviše dobija izzemnog plina, a rjeđeelektrolizomvode. Najviše se koristi u proizvodnjifosilnih goriva (hidrokrakiranje – povećanje kvalitete goriva) i za dobivanjeamonijaka, u proizvodnji umjetnih goriva. Umetalurgiji nije baš poželjan, jer mnogemetale čini lomljivim i krtim, pa stvara poteškoće u izgradnji cjevovoda i metalnih spremnika.[2][3]
Iako ga nije prvi proizveo (prvi ga je proizveoParacelsus u 16. st. reakcijom metala i jake kisline), vodik (lat.Hydrogenium) je definiraoBritanacHenry Cavendish1766.[4] i nazvao ga "zapaljivim zrakom". Cavendish ga je dobio reakcijomcinka iklorovodične kiseline. Definirao je o kojem se plinu radi i dokazao da reakcijom vodika i kisika nastajevoda. Zbog toga svojstvaAntoine Lavoisier ga1783. nazivahydrogène, odgrčkog "onaj koji stvara vodu" (grč. ὕδωρ = voda, γενής = stvaratelj). Hrvatski naziv uveo jeBogoslav Šulek.
Tekući vodik je dobio prvi put 1898. James Dewar, a godinu kasnije je stvorio i kruti vodik.Deuterij je dobio 1931.Harold Urey, a godinu kasnije je stvorili itešku vodu. 1934.Ernest Rutherford i njegov tim su proizvelitricij.[5]
Vodikove emisione linije u vidljivom dijelu spektra. Postoje 4 vidljive linijeBalmerove serije
Prije razvojakvantne mehanike,Maxwell je uočio daspecifični toplinski kapacitet molekule H2 ima neobjašnjivo odstupanje na niskim temperaturama, gdje se H2 počinje više ponašati kao jednoatomni plin. Prema kvantnoj teoriji, ta pojava se dešava zbog prostora energetskih nivoa, koji su naširoko raspoređeni kod H2 zbog male mase. Taj veliki prostor energetskih nivoa onemogućuje ravnomjernu raspodjelu toplinske energije kod vodika na niskim temperaturama.[8]
Pristandardnom tlaku i temperaturi, vodik jeplin bez boje, mirisa i okusa, 14.4 puta lakši od zraka. Neotrovan je. Slabo je topljiv u polarnim, a bolje u nepolarnim otapalima.
Ohlađen na temperaturu vrelišta, kondenzira se u bezbojnutekućinu koja je najlakša od svih tekućina. Daljnjim odvođenjem topline skrućuje se u prozirnukrutinu heksagonske kristalne strukture.
Zapaljen na zraku pri 560 °C, izgara gotovo nevidljivim plamenom u vodu:
2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l) = 286 kJ mol−1
Na sobnoj temperaturi nije previše reaktivan, no pri višim temperaturama ulazi u niz reakcija. Otapa se u mnogim metalima, kao što jeplatina.Pri sobnoj temperaturi bezkatalizatora, reagira samo sfluorom ivanadijem u prahu. Razlog slaboj reaktivnosti molekularnog vodika pri sobnoj temperaturi jaka je jednostrukakovalentna veza u molekuli. Ta veza je najjača od svih jednostrukih kovalentnih veza između dvaju istovrsnih atoma. Pri povišenoj temperaturi spaja se i s kisikom iz mnogihoksida, te tako djeluje kao redukcijsko sredstvo.
Niz proton-proton prevladava kod zvijezdi veličine našeg Sunca ili manjih
Elementarni vodik na Zemlji je vrlo rasprostranjen, ali u malim količinama. Nazočan je uatmosferi,zemnom plinu, vulkanskim plinovima, itd. Zbog toga što ga gravitacija teško može zadržati, vodik u gornjim dijelovima atmosfere izlazi u svemir.
U obliku spojeva, ima ga u ogromnim količinama, ponajviše u oblikuvode, koja prekriva gotovo dvije trećine Zemljine površine. Sastavni je dio mnogihorganskih spojeva,kiselina iotopina. Po broju atoma, treći je, odmah nakon kisika i silicija, a po masenom udjelu je na desetom mjestu.
Pod normalnim uvjetima na Zemlji, vodik se uglavnom nalazi kao plinovita molekula H2. Ustvari, vodikov plin je vrlo rijedak u atmosferi, svega 0,000055%, zato što je molekula vodika puno lakša od zraka, zbog čega lakše bježi izatmosfere. Ipak, na Zemljinoj površini, vodik je treći najrašireniji element, uglavnom u obliku molekulavode iugljikohidrata. Nekealge ibakterije stvaraju plin vodik.[12]
Najčešće se dobiva onako kako ga je prvi put dobio Cavendish, tj. reakcijom cinka i klorovodične kiseline, umjesto koje se često rabi i razrijeđenasumporna kiselina:
Zn(s) + 2 H+ → Zn2+ + H2(g)
Za razvijanje plinova u laboratoriju najpogodniji jeKippov aparat, jer se reakcija u njemu može prekinuti i na taj način proizvesti samo potrebne količine plina.
Postoji više od 200 termokemijskih procesa, koji se mogu iskoristiti za razdvajanje vode. Oko 10-tak procesa se istražuje i ispituje za dobivanje vodika ikisika izvode, te grijanjem bez upotrebeelektrične struje, a ti su procesi na primjer: ciklusželjeznog oksida, cikluscerij (IV) oksid - cerij (III) oksid, cikluscink – cink oksid, ciklussumpor –jod, ciklusbakar –klor i ciklus hibridnisumpor. Veliki broj labaratorija u Francuskoj, Njemačkoj, Grčkoj, Japanu i SAD razvijaju termokemijske procese uz korištenje Sunčeve energije i vode.[13][14]
U spremniku je tamno zeleni željezo(II) hidroksid ili zelena korozija
Bez prisustva kisika,željezo i legiraničelik polakooksidiraju uz pomoćprotona iz vode, koji se pretvaraju u plinoviti vodik H2. Anaerobna korozija stvara prvo željezni hidroksid (zelena korozija) i ta se kemijska reakcija može opisati kao:
Fe + 2 H2O → Fe(OH)2 + H2
U drugom koraku, bez prisustva kisika, željezni hidroksid može oksidirati uz pomoć protona iz vode i stvoritimagnetit i plinoviti vodik. Taj se proces naziva Shikorrova reakcija:
3 Fe(OH)2 → Fe3O4 + 2 H2O + H2
Dobro kristalizirani magnetit (Fe3O4) je termodinamički puno stabilniji od željeznog hidroksida. Taj se proces obično dešava za vrijeme anaerobne korozije željeza i čelika, upodzemnim vodama koje nemaju kisika, i u reduciranimtlu u kojem ima dosta vlage.
Bez prisustva kisika, u dubokim geološkim slojevima, koji su daleko od Zemljine atmosfere, plinoviti vodik se stvara za vrijeme procesaserpentacije, što je anaerobna oksidacija protona vode (H+) i željeznog (Fe2+)silikata, koji je prisutan u kristalima fajalita (Fe2SiO4 – krajnji članolivina). Ta reakcija vodi do stvaranjamagnetita (Fe3O4),kvarca (SiO2) i vodika (H2), na slijedeći način:3 Fe2SiO4 + 2 H2O → 2 Fe3O4 + 3 SiO2 + 3 H2
Spojevi vodika mogu se podijeliti na spojeve u kojima je nazočan u negativnom (-1) i pozitivnom stupnju oksidacije (+1).Prvi se nazivajuhidridima, i zauzimaju manjinu vodikovih spojeva, dok su drugi puno zastupljeniji i važniji. Sastavni je dio živog svijeta, u kojem igra jednu od temeljnih uloga.Poznati spojevi su vodikov peroksid i vodikov praskavac.
Na sobnoj temperaturi nije previše reaktivan, no pri višim temperaturama ulazi u niz reakcija. Poznati su milijunuugljikovodika, koji su područje proučavanja organske kemije. Vodik stvara spojeve i sa elementima koji imaju veću elektronegativnost, kao što suhalogeni elementi (F, Cl, Br, I). Kada se spaja safluorom,kisikom ilidušikom, vodik se može vezati u jakoj nekovalentnoj vezi, koja se zovevodikova veza, koja je kritična u stabilnosti mnogih bioloških molekula. Vodik se veže i sa manje elektronegativnim elementima, kao što sumetali ipolumetali.
Hidridi su spojevi raznih kemijskih elemenata s vodikom. S-blok čine elementi prve i druge skupine periodnog sustava elemenata. P-blok čine elementi 13. - 17. skupine periodnog sustava elemenata. To su najvažniji hidridi, često korišteni u praksi. Dijele se na kisele, bazne, amfoterne i neutralne. Kiseli hidridi su oni hidridi koji u reakciji s vodom daju kiseline. Bazni hidridi su oni hidridi koji u reakciji s vodom daju baze. Amfoterni hidridi, ovisno o reakciji, mogu se ponašati i kao kiseline i kao baze. Neutralni hidridi uopće ne reagiraju s vodom
1H iliprocij je daleko najčešći izotop vodika, kojeg ima više od 99,98%. Ima jedanproton i jedanelektron. Za razliku od svih ostalih izotopa, nemaneutron.
2H ilideuterij, ima jedan proton i jedan neutron u jezgri, te jedan elektron. U biti, vjeruje se da sav deuterij u svemiru potječe još od vremenaVelikog praska i da još traje. Deuterij nije radioaktivan, i ne prestavlja značajnu opasnost za zdravlje. On se koristi i kod nuklearne magnetno rezonantnespektroskopije, za označavanje neradioaktivnih tvari u otapalu. Voda koja uključuje atome deuterija se nazivateška voda. Teška voda se koristi unuklearnim reaktorima za smanjivanje brzine brzihneutrona, kao i za hlađenje nuklearnih reaktora. Deuterij prestavlja moguće gorivo za dobivanjeelektrične energije iz nuklearne fuzije.
3H ilitricij, ima jedan proton i dva neutrona u jezgri, te jedan elektron.Tricij je radioaktivan, raspada se uhelij-3 izotop, uz pojavubeta-čestica i imavrijeme poluraspada od 12,32 godine. Toliko je radioaktivan da se koristi zaluminiscentne boje, koje se koriste i kod satova, kod kojih se može vidjeti vrijeme i u mraku. Staklo spriječava da mala količina radioaktivnosti izađe van. U prirodi se tricij može naći u vrlo malim količinama uatmosferi, a nastaje uslijed djelovanjakozmičkih zraka. Tricij može nastati kod testiranjanuklearnog oružja. Tricij prestavlja moguće gorivo za dobivanjeelektrične energije iz nuklearne fuzije. On se koristi kod kemijskih i bioloških pokusa kao radioaktivni označivač.
Vodik je jedini kemijski element čiji se izotopi označuju drugim imenima (procij, deuterij, tricij).Međunarodna unija za čistu i primijenjenu kemiju dozvoljava oznake D za deuterij ili T za tricij, ali preporučuje oznake2H and3H. Oznaka P se već koristi zafosfor, tako da se ne može koristiti za procij.
Prilikom ispitivanja vibracijsko-rotacijskog spektra vodika pronađene su promjene u intenzitetu rotacijskih vrpci, koje su protumačene hipotezom o postojanju dva oblika vodika koji se razlikuju po nuklearnim spinovima u molekuli vodika. Ako su spinovi dvaju protona iz molekule antiparalelni, rezultantni spin je nula, te je stanje nedegenerirano. Takav vodik zove se para-vodik. Ako su paralelni, rezultantni spin je 1, a stanje je trostruko degenerirano, što dovodi do orto-vodika.Pri sobnoj temperaturi, elementarni se vodik sastoji od 75% orto-vodika i 25% para-vodika. Orto- i para-vodik razlikuju se po nekim fizikalnim svojstvima, primjerice energiji disocijacije, toplinskom kapacitetu, tlaku para i slično.
Između njih postoji ravnoteža:
o-H2 ⇄p-H2 < 0
koja se hlađenjem pomiče udesno.
Na niskim temperaturama moguće je izolirati gotovo čisti para-vodik, no čisti orto-vodik nije moguće izolirati, jer povećanjem temperature ne dolazi do povećanja njegovog udjela iznad 75%.
Odnos između orto- i para-vodika je vrlo bitna kod spremanja tekućeg vodika u spremnik, jer pretvaranje orto-vodika u para-vodik stvara dodatno toplinu, koja može dovesti do hlapljenja, a time i gubitka tekućeg vodika. Zbog toga treba koristitikatalizatore, kao što ježeljezov (III) oksid, aktivniugljik, platiniziraniazbest,kovine rijetkih zemalja,uranovi spojevi,kromov oksid i neki spojevinikla.
Molekularni oblik iona triatomnog vodika ili H3+, je pronađen u međuzvjezdanoj materiji, koji je nastao ionizacijom vodika sakozmičkim zrakama. Također, taj oblik molekule je pronađen u gornjoj atmosferiJupitera. Ona je dosta stabilna u tim okolinama, zbog malih temperatura i gustoće. To je jedan od najraširenijihiona u svemiru.
Vodik je vrlo važna industrijska sirovina. Koristi se, između ostalog, za sintezuamonijaka imetanola, za proizvodnju goriva za motorna vozila hidrogenacijom ugljika,nafte ikatrana. Koristi se i za zavarivanje i taljenjemetala, za punjenje zračnih balona i zračnih brodova, za redukciju metalnihoksida u metale, hidrogeniranje ulja u masti itd.
Radi se na korištenju vodika kao goriva. Tehnologija je vrlo slabo rasprostranjena.
Prednosti vodika kao goriva su:
visoka energetska vrijednost
neograničene količine dostupne u spojevima
izgaranjem daje kemijski čistu vodu
cjevovodima se može razvoditi na daljinu
lakše se skladišti i čuva nego električna energija
Nedostaci koji sprječavaju rašireniju uporabu su:
visoka cijena i često slaba isplativost izvlačenja vodika iz spojeva
obilno curenje vodika kroz spremnike i cjevovode, zbog ekstremo malene molekule
vodik difundiranjem u razne metale narušava njihovu kristalnu rešetku čineći ih krtima
opasnost za ozonski sloj jer trenutno reducira ozon u vodu
U kemijskom smislu, vodik nije izvor, već spremnik energije, jer nije prirodno nabavljiv u elementarnom obliku. U slučaju uspješne i održive nuklearne fuzije unuklearnoj elektrani, bio bi izvor ogromnih količina energije.
Velike količine H2 se koriste u naftnoj i kemijskoj industriji. Najveća primjena je kod poboljšanjafosilnih goriva i u proizvodnjiamonijaka. U petrokemiji H2 se koristi u procesima kao što su: hidrokrekiranje, katalitičko reformiranje benzina, izomerizacija i alkilacija. H2 se isto koristi u povećanju zasićenja nezasićenih masti i ulja (koristi se za dobivanjemargarina). Također je sirovina za dobivanjeklorovodične kiseline, a koristi se i kaoreducens zamineralne sirovine ili rude.[15]
Vodik je izuzetno topiv u mnogimkovinama rijetkih zemalja iprijelaznim metalima, a topiv je i u nanokristalima i amorfnim metalima.Topljivost u metalima utječe na lokalne deformacije ili nečistoće ukristalnim rešetkama, tako da metali postaju krtiji i lomljiviji, što stvara velike probleme umetalurgiji, u izradi cjevovoda i metalnih rezevoara. Ponekad se to može riješiti ako vodik se pročisti prolaskom kroz diskovepaladija.[16]
Plinoviti vodik H2 se koristi za hlađenje rotoraelektričnih generatora uelektranama, zato što ima najveću toplinsku provodljivost od svih plinova. Tekući H2 se koristi u ispitivanjusupravodljivosti kod vrlo niskih temperatura. Budući da je plinoviti vodik H2 skoro 15 puta lakši od zraka, nekad se koristio zabalone na vrući zrak.
U novije vrijeme, plinoviti vodik H2 se miješa sadušikom, za dobivanjeformirajućeg plina (oko 5% vodika u dušiku), koji se koristi kod postupka lociranja ili utvrđivanja propuštanja kod raznih cjevovoda u automobilskoj, kemijskoj industriji, elektranama, zrakoplovstvu i telekomunikacijama. Vodik se koristi kao dodatakhrani (E 949) za provjeru konzervirane hrane.[17]
Trojna točka vodika u ravnoteži iznosi 13, 8033 Kelvina.
Vodik nije izvor energije, osim u mogućim elektranama nanuklearnu fuziju, koje bi koristiledeuterij itricij, što je još daleko od komercijalne upotrebe. Vodik koji se dobije iz sunčevih, bioloških ili električnih izvora, treba više energije nego što od njega možemo dobiti izgaranjem, zato on više ima ulogu kaobaterija, za spremanje ili skladištenje energije. Vodik se može dobiti izmetana, ali ti se izvori nazivaju neodrživim izvorima energije.[18]
Gustoća energije po jedinici obujma, za tekući ili komprimirani vodik, je puno manja od poznatih fosilnih goriva, iako po jedinici mase, gustoća energije je veća. Ipak, o vodiku se dosta raspravlja kao o budućem nosiocu energije. Tako recimo, vezivanjem ugljikovog dioksida iz zraka, može biti povezano sa stvaranjem H2 kao fosilnog goriva. Tada bi vodik bio relativno čisti izvor energije, uz malo ispuštanjedušikovih oksida, ali bez stvaranjaugljikovog dioksida. Ipak, ulaganje u infrastrukturu bi bilo znantno.[19]
U proizvodnjipoluvodiča, vodik se koristi za zasićenje slomljenih (“klimavih”) veza u amorfnomsiliciju i amorfnomugljiku, da bi im se povećala kvaliteta. On je isto mogući dodatak u različitim oksidima, kao: ZnO, SnO2, CdO, MgO, ZrO2, HfO2, La2O3, Y2O3, TiO2, SrTiO3, LaAlO3, SiO2, Al2O3, ZrSiO4, HfSiO4 i SrZrO3.[20]
Kao sastojak vode, nalazi se u svakom biološkom organizmu u velikim količinama. Osim u vodi, nalazi se i u gotovo svim organskim spojevima unutar organizma, vezan kovalentno za primjericeugljik ilidušik. U vodenim otopinama koje su dio svakog organizma, nazočan je u obliku H3O+ iona, te kao takav ima izvanredno važnu, temeljnu ulogu u regulaciji staničnih procesa.
Razdvajanje vode u protone, elektrone i kisik, javlja se kod gotovo svih biljaka koje vršefotosintezu. Neki takvi organizmi, kaomodrozelene alge su razvile i drugi korak, po mraku, kojim se stvara plinoviti vodik H2 uz pomoć specijalnih hidrogenaza ukloroplastu. Trenutno se rade ispitivanja na genetski modificiranim modrozelenim algama, koje bi stvarale H2, čak i u prisustvu kisika ili takozvanibioreaktori.[21]
Vodik stvara čitav niz opasnosti za čovjekovu sigurnost, pogotovo H2 je opasan kao plin praskavac u zraku. Osim toga, tekući vodik je opasan, jer stvara vrlo niske temperature, što može dovesti do smrzotina na prstima.[22]
Ferreira-Aparicio, P; Benito, M. J.; Sanz, J. L. (2005). „New Trends in Reforming Technologies: from Hydrogen Industrial Plants to Multifuel Microreformers”. Catalysis Reviews47 (4): 491–588. DOI:10.1080/01614940500364958. ISSN0161-4940.
