Vesoljski enoatomni vodik se je prvič pojavil v obdobjurekombinacije. Pristandardni temperaturi intlaku je brezbarven lahko vnetljiv in nestrupenplin brez vonja in okusa s formuloH2. Ker z večinonekovinskih elementov zlahka tvorikovalentne spojine, je naZemlji večina vodika vezanega vvodi inorganskih spojinah. Vodik igra posebej pomembno vlogo v kislo-bazičnih reakcijah. Vionskih spojinah ima lahko negativen naboj (anion z imenom ahidrid) ali pozitiven naboj, ki se običajno zapisuje s simbolomH+, čeprav je v resnici gol proton. V ionskih spojinah ima vedno veliko bolj kompleksno sestavo od napisane.
Vodikov atom ima kot najenostavnejši znani atom pomembno teoretično uporabnost. Vodikov atom je na primer edini nevtralni atom z analitsko rešitvijoSchrödingerjeve enačbe.
Plinasti vodik so prvič umetno pridobili v zgodnjem 16. stoletju z mešanjemkovin inkislin. V letih 1766-1781 jeHenry Cavendish prvi prepoznal vodikov plin kot diskretno snov[8] in ugotovil, da z zgorevanjem tvori vodo. Ta lastnost mu je kasneje dala tudi ime: hidrogen vgrščini pomeni vodotvoren.
Večina vodika se proizvede s parnim reformingomnaravnega plina. Manj pogosta in energijsko mnogo bolj potratna metoda jeelektroliza vode.[9] Večina vodika se porabi na mestu proizvodnje, največ za obdelavofosilnih goriv, na primer hidrokrekiranje, proizvodnjoamonijaka za umetna gnojila, polnjenje balonov in v zadnjem času kot vir energije vgorivnih celicah.
Vmetalurgiji ni zaželen, ker povzroča krhkost mnogo kovin[10] in otežuje gradnjo cevovodov in cistern za njegovo shranjevanje.[11]
V glavnem motorjuraketoplana zgoreva vodik s kisikom in daje pri polni obremenitvi skoraj neviden plamen.
Plinasti vodik (divodik ali molekularni vodik)[12] je zelo vnetljiv in v zraku gori v zelo širokem intervalu koncentracij od 4 do 75 vol%.[13]Sežigna entalpija je vodika -286 kJ/mol.[14]
2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l) + 572 kJ 286 kJ/mol
4-74 vol% zmesi vodika z zrakom in 5-95 vol% zmesi vodika sklorom so eksplozivne. Eksplozijo sprožijo iskra, toplota ali sončna svetloba. Temperatura samovžiga vodika v zraku je 500 °C.[15] Plamen zmesi čistega vodika in čistega kisika in zmesi z visoko vsebnostjo kisika sevajoultravijoličnosvetlobo, ki je s prostim očesom skoraj nevidna. Za odkrivanje gorenja uhajajočega vodika je potreben detektor plamena. Gorenje iztekajočega vodika je zato lahko izredno nevarno. Vodikov plamen v drugih pogojih je moder in podoben plamenu naravnega plina.[16]
Najbolj katastrofalen primer nekontroliranega gorenja vodika je bil požar na cepelinuHindenburg. Vzrok zanj je še vedno predmet razprav, vidni oranžni plameni pa so bili posledica gorenja bogate zmesi vodik-kisik v kombinaciji z ogljikovi spojinami v cepelinovem plašču.
H2 reagira z vsemioksidanti. Sfluorom in klorom reagira že pri sobni temperaturi in tvori ustrezna vodikova halogenida, ki sta tudi potencialno nevarni kislini:[17]
Prikaz vodikovega atoma in njegovega centralnega protona. Premer atoma je približno dvakrat večji od Bohrovega modela. Slika ni v merilu.
Energijski nivo osnovnega stanjaelektrona v vodikovem atomu je -13,6eV, ki je ekvivalenten ultravijoličnemufotonu z valovno dolžino približno 92 nm.[18]
Energijski nivoji vodika se lahko precej natančno izračunajo zBohrovim modelom atoma, ki predpostavlja, da elektroni krožijo okoli protona na orbitalah, podobno kot okrog Sonca krožijo planeti. Pojava sta v resnici povsem različna, ker protone in elektrone privlačielektromagnetna sila, planete in Sonce pagravitacija. Zaradi diskretizacijevrtilne količine, ki jo je predpostavil Bohr v zgodnji kvantni mehaniki, lahko elektroni v Bohrovem modelu zasedejo samo določene razdalje od protona in imajo zato samo določene mogoče energije.[19]
Natančnejši opis vodikovega atoma izhaja iz čistokvantno mehanskega pristopa, ki za izračun verjetnosti gostote elektrona okoli protona uporabljaSchrödingerjevo enačbo in Feynmanovo formulacijo potnega integrala.[20] V kvantno mehanskih postopkih elektron v osnovnem stanju vodikovega atoma nima nobene vrtilne količine, kar dokazuje, da se koncept planetarnih krožnic za gibanje elektronov bistveno razlikuje od realnosti.
Dvoatomne molekule vodika imajo dvaspinskaizomera, ki se razlikujeta po relativnem spinu njihovih jeder.[21] V orto vodiku sta spina obeh protonov paralelna in tvorita tripletno stanje z molekulskim spinskim kvantnim številom 1 (½+½). V para vodiku sta spina antiparalelna in tvorita singlet z molekulskim spinskim kvantnim številom 0 (½–½). Pri standardnem tlaku in temperaturi vsebuje plinasti vodik približno 25% para oblike in 75% orto oblike, ki se imenuje tudi »normalna oblika«.[22] Ravnotežno razmerje med njima je odvisno od temperature. Ker je orto oblika vzbujeno stanje para oblike in ima več energije kot para oblika, je nestabilna in se je ne da izolirati v čistem stanju. Pri zelo nizkih temperaturah je v ravnotežnem stanju skoraj izključno para oblika. V tekoči in plinski fazi se termične lastnosti paravodika zaradi razlik v rotacijskih toplotnih kapacitetah značilno razlikujejo od lastnosti normalnega vodika.[23] Razlike med orto in para obliko so opazne tudi v drugih molekulah infunkcionalnih skupinah, ki vsebujejo vodik, na primer v vodi in metilni skupini, vendar ne vplivajo značilno na njihove termične lastnosti.[24]
Ravnotežje nekatalizirane povratne reakcije pretvarjanja para oblike v orto obliko se z naraščajočo temperaturo pomika proti orto obliki. Na hitro kondenziraniH2 zato vsebuje veliko količino energijsko mnogo bogatejše orto oblike, ki se zelo počasi pretvarja v para obliko.[25] Razmerje med obema oblikama v kondenziranemH2 je zato pomembno za pripravo in skladiščenje tekočega vodika. Pretvorba orto oblike v para obliko je eksotermna in tvori dovolj toplote, da del tekočega vodika izpari in povzroči izgubo utekočinjenega vodika. Pretvorbo katalizirajo na primer železov(III) oksid, aktivirano oglje, platiniran azbest, redke zemeljske kovine, uranove spojine, kromov(III) oksid in nekatere nikljeve spojine.[26]
ČetudiH2 pri standardnih pogojih ni zelo reaktiven, tvori spojine z večino elementov. V spojinah z boljelektronegativnimi elementi, na primerfluorom,klorom,bromom,jodom alikisikom, ima delno pozitiven naboj.[27] V spojinah s fluorom, kisikom alidušikom je lahko udeležen tudi v srednje močni nekovalentni vezi, imenovanivodikova vez, ki je odločilna za stabilnost mnogo bioloških molekul.[28][29] Vodik tvori spojine tudi z manj elektronegativnimi elementi, na primer skovinami inpolkovinami, v katerih ima delno negativen naboj. Spojine se običajno imenujejo hidridi.[30]
Zogljikom in hetero atomi tvori ogromno spojin, ki so večinoma povezane z živimi bitji in se zato imenujejoorganske spojine.[31] Preučevanje njihovih lastnosti se imenujeorganska kemija,[32] preučevanje v živih organizmih pabiokemija.[33] Po nekaterih definicijah je organska spojina vsaka spojina, ki vsebuje ogljik. Ker večina organskih spojin poleg ogljika vsebuje tudi vodik in je večina njihovih kemijskih lastnosti posledica vezi ogljik-vodik, je v nekaterih definicijah organska spojina pogojena ravno s prisotnostjo te vezi.[31] Poznanih je nekaj milijonov organskih spojin, ki običajno nastajajo po zapletenih poteh, v katerih je pogosto udeležen tudi elementarni vodik.
Vodikove spojine s kovinami in polkovinami se pogosto imenujejo hidridi, vendar je raba izraza precej ohlapna. Izraz hidrid namiguje, da ima vodikov atom v spojinah z bolj elektropozitivnimi elementi negativne oziroma anionske značilnosti, zapisane sH−. Obstoj hidridnega aniona, ki ga je predlagalGilbert Newton Lewis leta 1916 za skupino solém podobnih spojin kovin iz I. in II. skupineperiodnega sistema elementov, je leta 1920 dokazal Kurt Moers zelektrolizo taline litijevega hidrida (LiH), v kateri se je na anodi sprostila stehiometrična količina vodika.[34] Za hidride elementov izven I. in II. skupine periodnega sistema elementov je izraz precej zavajajoč, ker predpostavlja nizko elektronegativnost vodika. Izjema v hidridih II. skupine elementov jeberilijev hidrid (BeH2), ki jepolimeren. V litijevem aluminijevem hidridu nosi anion AlH4+ hidridna središča, trdno pripojena k Al(III).
Četudi lahko hidride tvori večina elementov iz glavnih skupin periodnega sistema elementov, je njihovo število in število kombinacij po skupinah zelo različno. Znanih je na primer več kot sto binarnihborovih hidridov (borani) in samo enaluminijev hidrid.[35] Binarniindijev hidrid še ni bil odkrit, čeprav v večjih kompleksih obstojen.[36]
V kemiji anorganskihkompleksnih spojin lahko hidridi služijo kot premostitveni ligandi, ki povezujejo kovinska središča in koordinirani kompleks. Ta funkcija je še posebej pogosta v 13. skupini elementov, posebno v boranih (borovi hidridi), aluminijevih kompleksih in grozdičastih karboranih.[37]
Oksidacija vodika odstrani njegov elektron in tvori kationH+ , ki je v bistvu gol proton. Ravno zato se ga pogosto imenuje kar proton in je bistven sestavni del kislin. PoBrønsted-Lowryjevi teoriji kislin in baz so kisline donorji protonov, medtem ko so baze njihovi akceptorji.
Prost protonH+ v raztopinah in ionskih kristalih ni obstojen zaradi njegove izjemne afinitete do drugih atomov ali molekul z elektroni. Izjema so izredno visoke temperature, povezane splazmo, vendar se protona ne da odstraniti iz elektronskega oblaka atomov ali molekul. Izraz proton se včasih uporablja tudi bolj ohlapno in metaforično za označevanje pozitivnega naboja ali kationskega vodika, ki je vezan na druge kemijske vrste in se kot tak zapiše sH+, čeprav v prostem stanju sploh ni obstojen.
Da bi se izognili implikaciji prostega solvatiranega protona v raztopini, se za kisle vodne raztopine včasih zapiše, da je vezan v tudi malo verjetnem hidronijevem ionuH3O+, čeprav so vodikovi kationi bolj verjetno vezani v skupino s približno formuloH9O+4.[38] Če je voda v kislih raztopinah z drugimi topili, so v njih prisotni drugi oksonijevi ioni.[39] V nasprotju z Zemljo, na kateri je zelo redek, je v vesolju najbolj pogost ionH+3, znan tudi kot protonirani molekularni vodik ali trivodikov kation.[40]
Najbolj pogost izotop vodika je protij z enim protonom in enim elektronom. Med vsemi stabilnimi izotopi je izjema, ker nima nobenega nevtrona.
Vodik ima 7izotopov. V naravi so obstojni1H,2H in3H. Izotopi od4H do7H imajo zelo nestabilna jedra in so jih pridobili samo v laboratoriju.[41][42]
1H je z več kot 99,985% deležem najpogostejši izotop vodika. Sestavljen je iz enega samega protona, zato se včasih, vendar zelo redko, imenuje tudi protij.[43]
2H aliD (devterij) je izotop vodika, ki ima v jedru poleg protona tudi nevtron. Ves devterij v vesolju je nastal medvelikim pokom. Na Zemlji ga je samo 0,015%. Devterij ni radioaktiven. Verjetnost zastrupitve z njim je majhna. Voda, obogatena z molekulami, ki namesto vodika vsebujejo devterij, se imenujetežka voda. Devterij in njegove spojine se uporabljajo kot neradioaktiven sledilec v kemijskih poskusih in topilih za1H jedrsko magnetno resonančno spektroskopijo.[44] Težka voda se uporablja kot moderator nevtronov in hladilno sredstvo vatomskih reaktorjih. Devterij je potencialno gorivo za komercialno jedrsko fuzijo.[45]
3H aliT (tricij) vsebuje proton in dva nevtrona. Na Zemlji ga v naravi ni. Jeradioaktiven in razpada na3He in β sevanje. Njegov razpolovni čas je 12,32 let.[37] Tricij je tako slabo radioaktiven, da se uporablja za svetleča barvila, na primer v urah, v katerih je že steklo dovolj močan filter, da zadrži sevanje.[46] Majhne količine tricija nastajajo v naravi zaradi interakcij kozmičnih žarkov z atmosferskimi plini. Nastaja tudi v eksplozijahjedrskega orožja.[47] Uporablja se v fuzijskih jedrskih reaktorjih,[48] kot označevalec v izotopski geokemiji,[49] v samostojno napajajočih se svetilih[50] in kemični in biološki radioaktivni sledilec.[51]
4H,5H,6H in7H so umetno proizvedeni izotopi, ki imajo v jedru poleg protona še tri do šest nevtronov. Vsi so radioaktivni zrazpolovnimi časi 139, 910, 300 oziroma 23 let. Produkt radioaktivnega razpada je tricij.
Preskus vodikovega spektra
Vodik je edini element, katerega izotopi imajo svoja imena. V začetnem obdobju preučevanja radioaktivnosti so imeli posebna imena tudi izotopi drugih elementov. Takšno prakso so zaradi boljše preglednosti kmalu opustili. Devterij in tricij se včasih označujeta tudi z D oziroma T, simbola za protij (P) pa se ne sme uporabiti, ker je rezerviran zafosfor.[52] SmerniceIUPAC za poimenovanje kemikalij dopuščajo uporabo simbolov D in T, vendar priporočajo simbola2H in3H.[53]
Leta 1671 jeRobert Boyle odkril in opisal reakcijo med železovimi opilki in razredčenimi kislinami, v kateri se sprošča vodik.[54][55] Leta 1766 jeHenry Cavendish prvi prepoznal vodikov plin kot diskretno snov. Imenoval jo je »vnetljivi zrak«in domneval, da je istoveten s hipotetično snovjo, imenovano »flogiston«.[56][57] Plin je še naprej raziskoval in leta 1781 odkril, da med njegovim zgorevanjem nastaja voda. Zaradi teh odkritij se prav njemu pripisuje odkritje vodika.[58][59] Ko jePierre-Simon Laplace s poskusi potrdil Cavendishovo odkritje, da med zgorevanjem vodika nastaja voda,[59] jeAntoine Lavoisier leta 1783 element imenovalhidrogen (izgrškegastarogrškoὑδρο [hydro] –voda instarogrškoγενής [genes] –tvorec, dobesednoroditelj).[6]
Antoine-Laurent de Lavoisier
Lavoisier je vodik za svoje eksperimente proizvajal s prepihavanjem vodne pare skozi razžarjeno železno cev. Med anaerobno oksidacijo železa s protoni vode pri visoki temperaturi potekajo naslednje kemijske reakcije:
Fe(s) + H2O(g) → FeO(s) + H2(g)
2 Fe(s) + 3 H2O(g) → Fe2O3(s) + 3 H2(g)
3 Fe(s) + 4 H2O(g) → Fe3O4(s) + 4 H2(g)
Podobno reagira tudi mnogo drugih elementov, na primercirkonij.
Vodik je prvi utekočinilJames Dewar leta 1898 s cikličnim komprimiranjem, ohlajanjem in ekspandiranjem vodika in s pomočjovakuumske posode, ki jo je sam izumil.[59] Naslednje leto je proizvedel tudi trdni vodik.[59]
Prvi z vodikom napolnjen balon je izdelal Jacques Charles leta 1783.[59] Po letu 1852 so z vodikom napolnjene zračne ladje, ki jih je zasnoval Henri Giffard,[59] postale prvo zanesljivo prevozno sredstvo za potovanje po zraku. Potovanje s trdno grajenimi zračnimi ladjami s pogonom je še posebej promoviral nemški grofFerdinand von Zeppelin. Prvi cepelin je poletel leta 1900,[59] prve redne proge pa so odprli leta 1910. Do avgusta 1914, ko je polete prekinila prva svetovna vojna, so cepelini brez večjih težav prepeljali 35.000 potnikov. Cepelini so se med vojno uporabljali tudi kot opazovalnice in sredstvo za bombardiranje nasprotnika.
Prvo neprekinjeno potovanje preko Atlantika je opravila britanska zračna ladja R34 leta 1919. Odkritje rezerv nevnetljivegahelija v Združenih državah Amerike v 1920. letih bi lahko znatno izboljšalo varnost poletov, vendar je ameriška vlada prepovedala njegovo prodajo nemškemu nacističnemu režimu. Vodik se je zato še naprej uporabljal, tudi v zračni ladjiLZ 129 Hindenburg, ki se je 6. maja 1937 vnela po pristanku v New Jerseyju.[59] Nesrečo so v živo prenašale radijske postaje in so jo posneli na filmski trak. Kasnejše raziskave so pokazale, da je vžig iztekajočega vodika povzročila statična elektrika, ki je vžgala zaluminijem prevlečeno tkanino plašča zračne ladje. Po nesreči so z vodikom polnjene zračne ladje odšle v zgodovino.
Leta 1937 so v Dayton Power & Light Co. v Daytonu, Ohio, izumili prvi z vodikom hlajen turbogenerator.[60] Zaradi velike toplotne prevodnosti vodika so tovrstni generatorji še vedno najbolj pogosta vrsta generatorjev.
Leta 1977 so v navigacijskem satelitu ameriškega vojnega ladjevja NTS-2 prvič uporabilinikelj-vodikovo baterijo.[61] S takšnimi baterijami so kasneje opremili tudiMednarodno vesoljsko postajo[62] ter vesoljski sondi Mars Odyssey[63] in Mars Global Surveyor.[64] V temnem delu svoje orbite se z nikelj-vodikovimi baterijami napaja tudivesoljski teleskop Hubble. Baterije na njem so prvič zamenjali maja 2009,[65] se pravi več kot 19 let po njihovi vgradnji in 13 let po izteku njihove pričakovane življenjske dobe.[66]
Štiri črte vodikovega emisijskega spektra iz Balmerjeve serije v vidnem delu spektra.
Vodikov atom H je bil zaradi svoje relativno enostavne atomske zgradbe, sestavljene iz enega samega protona in elektrona, ter enostavnega emisijskega in absorpcijskega spektra osnova razvoja teorije atomske zgradbe.[67] Poleg tega je zaradi enostavnosti vodikove molekule H2 in pripadajočega kationaH2+ omogočil popolnejše razumevanje lastnostikemijske vezi.
Prve kvantne pojave, ki jih takrat še niso znali razložiti, je opazilJames Clerk Maxwell pol stoletja pred nastankom kvantno mehanske teorije. Maxwell je ugotovil, da sespecifična toplota vodikaH2 pri temperaturah pod sobno temperaturo nerazložljivo razlikuje od specifične toplote dvoatomnega plina in postaja pri kriogenih temperaturah vedno bolj podobna specifični toploti enoatomnega plina. Po kvantni teoriji je takšno obnašanje posledica razmika med kvantiziranimi rotacijskimi energijskimi nivoji, ki so pri vodiku zaradi njegove majhne mase še posebej veliki. Ti široki razmiki med nivoji pri nizkih temperaturah zahtevajo veliko toplote za rotacijsko gibanje. Dvoatomne molekule s težjimi atomi nimajo tako razmaknjenih energijskih nivojev, zato ta pojav ni tako izrazit.[68]
NGC 604 je ogromno področje ioniziranega vodika v ozvezdju Trikotnik.
Enoatomni vodik H je najbolj pogost kemijski element v vesolju, saj tvori 75% njegove mase in 90% števila njegovih atomov. Večine mase vesolja seveda ne tvorijo kemijski elementi, ampak še neodkrite oblike mase, kot statemna snov intemna energija.[69] Elementarni vodik je v velikih količinah prisoten vzvezdah in plinskih velikanih. Oblaki molekularnega vodika H2 so povezani z nastajanjem zvezd. Kot udeleženec v reakcijah proton-proton in ciklu ogljik-dušik-kisik (CNO) jedrskega zlivanja ima ključno vlogo tudi kot pogonsko gorivo zvezd.[70]
Večina vodika v vesolju je v enoatomni in plazmatski obliki, ki imata zelo drugačne lastnosti kot molekularni vodik. Ker v plazmi vodikov proton in elektron nista povezana, ima plazma zelo dobro električno prevodnost in emisivnost ter proizvaja svetlobo Sonca in drugih zvezd. Nabiti delci močno vplivajo na magnetno in električno polje. Sončni veter v stiku z Zemljino magnetosfero na primer povzroči Birkelandove tokove inpolarni sij. Vodik v nevtralnem enoatomnem stanju se nahaja v medzvezdni snovi.[71]
Elementarni vodik na Zemlji je pri normalnih pogojih v obliki dvoatomnih molekul H2. V Zemljinem ozračju ga je zelo malo (1 ppm volumna), ker zaradi majhne gostote mnogo laže uide Zemljinigravitaciji kot gostejši plini. Vodik je kljub temu tretji najpogostejši element na Zemljini površini.[72] Največ ga je vezanega vvodi inogljikovodikih.[37] V plinastem stanju ga proizvajajo nekaterealge inbakterije.[73]
Molekularna oblika vodika, imenovana protonirani molekularni vodikH+ 3, se nahaja vmedzvezdni snovi, kjer nastaja z ionizacijo molekularnega vodika s kozmičnimi žarki, in gornjih delih atmosfere planeta Jupitra. Ion je pri teh pogojih relativno stabilen zaradi nizke temperature okolja in majhne gostote.H+ 3 je eden od najbolj pogostih ionov v Vesolju in igra pomembno vlogo v kemiji medzvezdne snovi.[74] Nevtralni triatomni vodik H3 obstaja samo v vzbujenem stanju in je nestabilen.[75] V nasprotju s pozitivnim vodikovim molekularnim ionomH+ 2 je v Vesolju redek.
Enostavna metoda za pridobivanje vodika jeelektroliza vode, v kateri se na anodi sprošča kisik, na katodi pa vodik. Katoda je običajno izplatine ali kakšne druge inertne kovine. Anodni in katodni prostor morata biti ločena, da se plina ne mešata. Teoretični izkoristek elektrolize je 80-90%:[76]
2H2O → 2H2 + O2
Leta 2007 so odkrili, da se za generator vodika lahko uporabizlitina aluminija ingalija v peletah, ki se ji doda voda:
2Al + 3H2O → Al2O3 + 3H2
Iz aluminija nastaja neuporabna glinica, dragoceni galij, ki preprečuje nastajanje pasivnega sloja na površini pelet, pa se lahko ponovno uporabi.[77]
Vodik se v industrijskem merilu proizvaja po več postopkih, večinoma z odcepljanjem vodika iz ogljikovodikov. Najpomembnejši jeparni reformingmetana v naravnem plinu.[78] Pri visokih temperaturah (1000–1400 K, 700–1100 °C) vodna para reagira z metanom, pri čemer nastajata vodik in ogljikov monoksid (CO):
CH4 + H2O → CO + 3H2
Reakcija bi bolje potekala pri nizkih tlakih, vendar se izvaja pri visokih tlakih (2 Mpa, 20 atm), ker je visokotlačniH2 tržno bolj zanimiv in ker sistemi za ločevanje nastalih plinov bolje delujejo pri višjih tlakih. Zmes plinov se imenuje sintetski plin, ker se pogosto uporablja kot tak za proizvodnjo metanola in sorodnih spojin. Namesto metana se lahko uporabijo tudi drugi ogljikovodiki. Ena od mnogih težav, ki spremljajo to visoko dodelano tehnologijo, je nastajanje ogljika oziroma koksa:
CH4 → C + 2H2
V parnem reformingu se zato običajno uporablja prebitek vode. Dodatni vodik se proizvede iz prebitne vodne pare zogljikovim monoksidom, predvsem nakatalizatorju iz železovega oksida. Reakcija je uporabna tudi za industrijsko proizvodnjoogljikovega dioksida (CO2):
Vodik se pogosto industrijsko proizvaja na mestu njegove porabe brez predhodnega ločevanja nastalih plinov. Takšen primer jeHaber-Boschov postopek za sintezoamonijaka, v katerem se vodik pridobiva iz naravnega plina.[80]
Znanih je več kot dvesto termokemičnih cikličnih procesov, uporabnih za razgrajevanje vode. Nekaj več kot deset procesov, ki za pridobivanje vodika namesto električne energije uporabljajo toploto, se še raziskuje in preskuša.[82] Med slednje spadajo cikli železovega oksida, cerovega(IV)-cerovega(III) oksida, cinka-cinkovega oksida, žvepla-joda, bakra-joda in hibridni žveplov cikel. Številni laboratoriji v Franciji, Nemčiji, Grčiji, Japonski, ZDA in drugod razvijajo termokemične metode za proizvodnjo vodika iz sončne energije in vode.[83]
V anaerobnih pogojih se železo in jeklo počasi oksidirata s protoni iz vode in jo hkrati reducirata v molekularni vodikH2. Med anaerobno korozijo železa nastane najprej železov(II) hidroksid (zelena rja):
Fe + 2 H2O → Fe(OH)2 + H2
V nadaljevanju procesa seFe(OH)2 pod anaerobnimi pogoji lahko oksidira s protoni iz vode in tvorimagnetit in molekularni vodik (Schikorrjeva reakcija):
3 Fe(OH)2 → Fe3O4 + 2 H2O + H2
Dobro kristaliziran magnetit (Fe3O4) je termodinamsko bolj stabilen od železovega(II) hidroksida (Fe(OH)2).
Proces anaerobne korozije železa in jekla poteka v podtalnici, ki ne vsebuje kisika, in v reducirajočih zemljah pod vodno gladino.
Globoko v Zemljini skorji brez prisotnosti atmosferskega kisika nastaja vodik v procesu serpentinizacije z anaerobno oksidacijo železovega(II) silikata, prisotnega v kristalni rešetkifajalita, s protoni iz vode. V reakciji nastajajo magnetit (Fe3O4),kremen (SiO2) in vodik (H2):
3Fe2SiO4 + 2 H2O → 2 Fe3O4 + 3 SiO2 + 3 H2
Reakcija je zelo podobna Schikorrjevi reakciji pri anaerobni oksidaciji železovega(II) oksida v stiku z vodo.
Med plini, ki nastajajo v slabo izoliranihtransformatorjih, je najpogostejši vodik, ki nastaja v najbolj slabo izoliranih transformatorjih in je zato prvi indikator njihove iztrošenosti.[84]
Leta 2014 so odkrili, da lahkoencimi pri 50 °C in atmosferskem tlaku razgradijoksilozo v vodik. Izkoristek je skoraj 100%. V proces je vključenih 13 encimov vključno s sicer neobičajno polifosfatno ksilulokinazo (XK).[85][86]
Vodik se v veliki meri porabi za proizvodnjo amonijaka, ki se nadalje porabi za proizvodnjoumetnih gnojil.
Velike količine vodika porabita petrokemijska in kemijska industrija, predvsem za obdelavo fosilnih goriv in proizvodnjo amonijaka. Med procese v petrokemijski industriji spadajo hidrodealkilacija, hidrodesulfurizacija in hidrokrekiranje. Vodik se uporablja tudi za hidrogeniranje nenasičenih spojin, na primer nenasičenihmaščob inolj za proizvodnjomargarine, sintezometanola inklorovodikove kisline in redukcijo kovinskih rud.[87]
Vodik je zelo dobro topen v mnogihlantanoidih inprehodnih kovinah[88] in topen v nanokristaliničnih in amorfnih kovinah.[89] Na njegovo topnost vplivajo nepravilnosti in nečistoče v kristalni strukturi.[90] Te lastnosti so uporabne na primer za odstranjevanje sledov vodika s prepihovanjem preko vročih paladijevih diskov, vmetalurgiji pa so nezaželene, ker povzročajo krhkost mnogo kovin[10] in zakomplicirajo načrtovanje cevovodov in rezervoarjev.[11]
Vodik se na veliko uporablja tudi vfiziki in inženirstvu, na primer kot zaščitni plin pri atomskem vodikovem varjenju.[91][92] Tekoči vodik se uporablja v kriogenih raziskavah, vključno z raziskavamisuperprevodnosti.[93] Zaradi majhne gostote (1⁄14 gostote zraka) se uporablja za polnjenje balonov in zračnih ladij.[94]
V več nedavno vpeljanih aplikacijah se čisti vodik ali v zmesi z dušikom uporablja za ugotavljanje tesnosti. Metoda je uporabna v avtomobilski in kemični industriji, energetiki ter v letalski in telekomunikacijski industriji.[95]
Vodik je zaradi svojih antioksidacijskih lastnosti odobren aditiv (E 949) za preskušanje tesnosti embalaže v prehrambni industriji.[96]
Specifično uporabnost imajo tudi vodikovi izotopi. Devterij se uporablja vCANDU reaktorjih za upočasnjevanje nevtronov in reakcijahzlivanja jeder.[59] Devterijeve spojine se uporabljajo v kemiji in biologiji za preučevanje izotopskega efekta v kemijskih reakcijah.[97] Tricij, ki nastaja v jedrskih reaktorjih, se uporablja za izdelavovodikovih bomb,[98] kot izotopski sledilec v bioloških znanostih[51] in vir sevanja v svetlečih premazih.[99]
Temperaturatrojne točke vodikovega ravnotežja je na mednarodni temperaturni skali (ITS 1990) definirana kot 13,8033 kelvina.[100]
Vodik se ne uporablja kot energent, ker se za njegovo pridobivanje porabi več energije, kot se je pri zgorevanju sprosti.[101] Uporablja se samo vgorivnih celicah. Devterij in tricij bi lahko bila uporabna v hipotetičnih komercialnih fuzijskih jedrskih centralah, ki so še daleč od realnosti.[102] Procese zlivanja vodika, ki dajejo energijo Soncu, je na Zemlji težko doseči in obvladovati.[103] Vodik bi se lahko pridobival iz fosilnih virov, na primer metana, vendar so ti viri nevzdržni.[101]
Gostota energije na enoto volumna tako tekočega kot komprimiranega vodika pri vseh uporabnih tlakih je znatno manjša od gostote energije tradicionalnih goriv, čeprav je gostota energije na enoto mase večja.[101] Elementarni vodik se kljub temu obravnava kot eden od možnih bodočih energentov.[104] Vodik zgoreva relativno čisto. Pri tem sicer nastaja nekaj dušikovih oksidov (NOx), vendar nobenegaogljikovega dioksida (CO2).[105] Ključno vlogo za njegovo uporabnost imajo stroški pridobivanja.[106]
V industrijipolprevodnikov se vodik uporablja za nasičevanje prekinjenih (visečih) vezi amorfnegasilicija in amorfnegaogljika, ki izboljša stabilnost lastnosti materialov.[107] Vodik je tudi potencialni donor elektronov v različnih oksidih, na primer vZnO,[108][109] SnO2, CdO,MgO,[110]ZrO2,HfO2,La2O3,Y2O3,TiO2,SrTiO2,LaAlO3,SiO2,Al2O3,ZrSiO4,HfSiO4 inSrZrO3.[111]
Vodik je produkt nekaterih anaerobnihmetabolizmov. Proizvaja ga več mikroorganizmov, običajno v reakcijah, ki jih katalizirajo železo ali nikelj vsebujočiencimi, imenovani hidrogenaze. Encimi katalizirajo reverzibilnoredoks reakcijo medH2 in njegovima dvema protonoma in dvema elektronoma. Plinasti vodik nastaja pri prenosu reducirajočih ekvivalentov, ki nastajajo med fermentacijo pirovinske kisline (CH3COCOOH) v vodo.[112]
Razcepljanje vode, v katerem se voda razgradi v protone, elektrone in kisik, se pojavlja v reakcijah s svetlobo v vseh organizmih, v katerih potekafotosinteza. Nekateri takšni mikroorganizmi, vključno z algoChlamydomonas reinhardtii incianobakterijami, so razvili drugi korak v temotnih reakcijah, v katerih protone in elektrone reducirajo v plinasti vodik specializirane hidrogenaze vkloroplastu.[113] V zadnjem času se poskuša gensko modificirati cianobakterijske hidrogenaze, da bi učinkovito sintetizirale vodik tudi v prisotnosti kisika.[114] Poskusi potekajo tudi z gensko modificiranimi algami v bioreaktorju.[115]
Vodik ima številne nevarne lastnosti, odeksplozivnosti in vnetljivosti v mešanicah z zrakom, do dušljivosti v odsotnosti kisika.[117] Tekoč vodik je v kombinaciji z zelo hladnimi tekočinami kriogen in lahko povzroči ozebline.[118] Topen je v mnogih kovinah in povzroča vodikovo krhkost kovin,[119] ki ima za posledico razpoke v cevovodih in rezervoarjih, iztekanje ter požare in eksplozije.[120] Iztekajoči vodik se v zraku lahko spontano vžge. Plamen je izredno vroč in skoraj neviden, zato ga je s prostim očesom težko opaziti.[121]
Interpretiranje podatkov o vodiku, vključno s podatki vvarnostnih listih, motijo številni pojavi. Veliko fizikalnih in kemijskih lastnosti je namreč odvisnih od razmerja med para in orto vodikom. Vzpostavljanje ravnotežja med obema oblikama, za katero veljajo podatki v varnostnih listih, lahko pri dani temperaturi traja tudi več dni ali tednov. Podatki o njegovi eksplozivnosti, na primer kritični eksplozijski tlak in temperatura, so zelo odvisni tudi od geometrije rezervoarjev.[122]
12C.H. Christensen, J.K. Nørskov, T. Johannessen (9. julij 2005).Making society independent of fossil fuels — Danish researchers reveal new technology. Technical University of Denmark. Pridobljeno 28. marca 2008.
↑M.N. Carcassi, F. Fineschi (2005).Deflagrations of H2–air and CH4–air lean mixtures in a vented multi-compartment environment. Energy30 (8): 1439–1451. doi: 10.1016/j.energy.2004.02.012.
↑V.I. Tikhonov, A.A. Volkov (2002).Separation of Water into Its Ortho and Para Isomers. Science296 (5577): 2363. doi: 10.1126/science.1069513.PMID 12089435.
↑J. Hritz (marec 2006).CH. 6 – Hydrogen. NASA Glenn Research Center Glenn Safety Manual, Document GRC-MQSA.001. NASA. Pridobljeno 5. februarja 2008.
↑M. Shinitzky, A.C. Meir (2006).Ortho-para spin isomers of the protons in the methylene group. Chirality18 (9): 754–756. doi: 10.1002/chir.20319.PMID 16856167.
↑Y.Y. Milenko, R.M. Sibileva, M.A. Strzhemechny (1997).Natural ortho-para conversion rate in liquid and gaseous hydrogen. Journal of Low Temperature Physics107 (1–2): 77–92. Bibcode: 1997JLTP..107...77M. doi: 10.1007/BF02396837.
↑E. Svadlenak, A.B. Scott (1957).The Conversion of Ortho- to Parahydrogen on Iron Oxide-Zinc Oxide Catalysts. Journal of the American Chemical Society79 (20): 5385–5388. doi: 10.1021/ja01577a013.
↑Biochemistry. Dictionary.com. Lexico Publishing Group. 2008. Pridobljeno 23. marca 2008.
↑K. Moers (1920).Investigations on the Salt Character of Lithium Hydride. Zeitschrift für Anorganische und Allgemeine Chemie113 (191): 179–228. doi: 10.1002/zaac.19201130116.
↑A.J. Downs, C.R. Pulham (1994).The hydrides of aluminium, gallium, indium, and thallium: a re-evaluation. Chemical Society Reviews23 (3): 175–184. doi: 10.1039/CS9942300175.
↑D.F. Hibbs, C. Jones, N.A. Smithies (1999).A remarkably stable indium trihydride complex: synthesis and characterisation of [InH3P(C6H11)3]. Chemical Communications2: 185–186. doi: 10.1039/a809279f.
↑A.M. Okumura, L.I. Yeh, J.F. Myers (1990).Infrared spectra of the solvated hydronium ion: vibrational predissociation spectroscopy of mass-selected H3O+•(H2O)n•(H2)m. Journal of Physical Chemistry94 (9): 3416–3427. doi: 10.1021/j100372a014.
↑G. Perdoncin, G. Scorrano (1977).Protonation Equilibria in Water at Several Temperatures of Alcohols, Ethers, Acetone, Dimethyl Sulfide, and Dimethyl Sulfoxide. Journal of the American Chemical Society99 (21): 6983–6986. doi: 10.1021/ja00463a035.
↑A. Carrington, R.I. McNab (1989).The infrared predissociation spectrum of triatomic hydrogen cationH+3. Accounts of Chemical Research22 (6): 218–222. doi: 10.1021/ar00162a004.
↑Y.B. Gurov, D.V. Aleshkin, M.N. Behr, S.V. Lapushkin, P.V. Morokhov, V. A. Pechkurov, N. O. Poroshin, V. G. Sandukovsky, M. V. Tel'kushev, B. A. Chernyshev, T. D Tschurenkova (2004).Spectroscopy of superheavy hydrogen isotopes in stopped-pion absorption by nuclei. Physics of Atomic Nuclei68 (3): 491–497. Bibcode: 2005PAN....68..491G.doi: 10.1134/1.1891200.
↑A. Korsheninnikov, E. Nikolskii, E. Kuzmin, A. Ozawa, K. Morimoto, F. Tokanai, R. Kanungo, I. Tanihata in drugi (2003).Experimental Evidence for the Existence of7H and for a Specific Structure of8He. Physical Review Letters 90 (8): 082501. Bibcode: 2003PhRvL..90h2501K. doi: 10.1103/PhysRevLett.90.082501.
↑H.C. Urey, F. G. Brickwedde, G. M. Murphy (1933).Names for the Hydrogen Isotopes. Science78 (2035): 602–603. Bibcode: 1933Sci....78..602U. doi: 10.1126/science.78.2035.602.PMID 17797765.
↑Y. Oda, H. Nakamura, T. Yamazaki, K. Nagayama, M. Yoshida, S. Kanaya, M. Ikehara (1992).1H NMR studies of deuterated ribonuclease HI selectively labeled with protonated amino acids. Journal of Biomolecular NMR2 (2): 137–147. doi: 10.1007/BF01875525.PMID 1330130.
12A.E. Holte, M.A. Houck, N.L. Collie (2004).Potential Role of Parasitism in the Evolution of Mutualism in Astigmatid Mites. Experimental and Applied Acarology (Lubbock: Texas Tech University)25 (2): 97–107. doi: 10.1023/A:1010655610575.
↑P. van der Krogt (5. maj 2005).HydrogenArhivirano 2010-01-23 naWayback Machine.. Elementymology & Elements Multidict. Pridobljeno 20. decembra 2010.
↑§ IR-3.3.2. Provisional Recommendations. Nomenclature of Inorganic Chemistry. Chemical Nomenclature and Structure Representation Division, IUPAC. Pridobljeno 3. oktobra 2007.
↑R. Boyle (1672).Tracts written by the Honourable Robert Boyle containing new experiments, touching the relation betwixt flame and air. London.
↑Why did oxygen supplant phlogiston? Research programmes in the Chemical Revolution. Cambridge Books Online. Cambridge University Press. Pridobljeno 22. oktobra 2011.
↑Just the Facts—Inventions & Discoveries. School Specialty Publishing. 2005.
12Hydrogen. Van Nostrand's Encyclopedia of Chemistry. Wylie-Interscience. 2005. str. 797–799.ISBN 0-471-61525-0.
↑A.G. Jannette, J.S. Hojnicki, D.B. McKissock, J. Fincannon, T.W. Kerslake, C.D. Rodriguez (2004 (2002)).Validation of international space station electrical performance model via on-orbit telemetry. IECEC '02. 2002 37th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, 2002. str. 45–50. doi: 10.1109/IECEC.2002.1391972.ISBN 0-7803-7296-4. Pridobljeno 11. novembra 2011.
↑P.M. Anderson, J.W. Coyne, (2002).A lightweight, high reliability, single battery power system for interplanetary spacecraft5. str. 5–2433. doi: 10.1109/AERO.2002.1035418.ISBN 0-7803-7231-X.
↑B. Crepeau (1. januar 2006).Niels Bohr: The Atomic Model. Great Scientific Minds (Great Neck Publishing).ISBN 1-4298-0723-7.
↑ R. Berman, A. H. Cooke, R. W. Hill (1956).Cryogenics. Annual Review of Physical Chemistry7: 1–20. Bibcode: 1956ARPC....7....1B. doi: 10.1146/annurev.pc.07.100156.000245.
↑H. Haubold, A. M. Mathai (15. november 2007).Solar Thermonuclear Energy Generation. Columbia University. Pridobljeno 12, februarja 2008.
↑L.J. Storrie-Lombardi, A.M. Wolfe (2000).Surveys for z>3 Damped Lyman-alpha Absorption Systems: the Evolution of Neutral Gas. Astrophysical Journal543 (2): 552–576. arXiv:astro-ph/0006044. Bibcode: 2000ApJ...543..552S. doi: 10.1086/317138.
↑M. Dresselhaus in drugi (15. maj 2003).Basic Research Needs for the Hydrogen Economy. Argonne National Laboratory, U.S. Department of Energy, Office of Science Laboratory. Pridobljeno 5. februarja 2008.
↑W.H. Berger (15. november 2007).The Future of Methane. University of California, San Diego. Pridobljeno 12. februarja 2008.
↑B. Kruse, S. Grinna,C. Buch (2002).Hydrogen Status og Muligheter. Bellona. Pridobljeno 12 februar 2008.
↑E. Venere (15. maj 2007).New process generates hydrogen from aluminum alloy to run engines, fuel cells. Purdue University. Pridobljeno 5. februarja 2008.
12D. W. Oxtoby (2002).Principles of Modern Chemistry (5. izdaja ). Thomson Brooks/Cole.ISBN 0-03-035373-4.
↑Hydrogen Properties, Uses, Applications. Universal Industrial Gases, Inc. 2007. Pridobljeno 11. marca 2008.
↑E. Funderburg (2008).Why Are Nitrogen Prices So High?. The Samuel Roberts Noble Foundation. Pridobljeno 11. marca 2008.
↑A. Lees (2007).Chemicals from salt. BBC, 26. oktober 2007. Pridobljeno 11. marca 2008.
↑J.S. Martín Del Campo, J. Rollin, S. Myung, Y. Chun, S. Chandrayan, R. Patiño, M. W. Adams, Y. -H. P. Zhang (2013).High-Yield Production of Dihydrogen from Xylose by Using a Synthetic Enzyme Cascade in a Cell-Free System. Angewandte Chemie International Edition 52 (17): 4587. doi: 10.1002/anie.201300766.
↑T. Takeshita, Wallace, R.S. Craig (1974).Hydrogen solubility in 1:5 compounds between yttrium or thorium and nickel or cobalt. Inorganic Chemistry13 (9): 2282–2283. doi: 10.1021/ic50139a050.
↑R. Kirchheim, T. Mutschele, W. Kieninger, H. Gleiter, R. Birringer, T. Koble (1988).Hydrogen in amorphous and nanocrystalline metals. Materials Science and Engineering99: 457–462. doi: 10.1016/0025-5416(88)90377-1.
↑R. Kirchheim (1988).Hydrogen solubility and diffusivity in defective and amorphous metals. Progress in Materials Science32 (4): 262–325. doi:10.1016/0079-6425(88)90010-2.
↑A. Durgutlu (2003).Experimental investigation of the effect of hydrogen in argon as a shielding gas on TIG welding of austenitic stainless steel. Materials & Design25 (1): 19–23. doi:10.1016/j.matdes.2003.07.004.
↑W,N. Hardy (2003).From H2 to cryogenic H masers to HiTc superconductors: An unlikely but rewarding path. Physica C: Superconductivity. 388–389: 1–6. Bibcode: 2003PhyC..388....1H. doi: 10.1016/S0921-4534(02)02591-1.
↑J. Reinsch, A. Katz, J. Wean, G. Aprahamian, J.T. MacFarland (1980).The deuterium isotope effect upon the reaction of fatty acyl-CoA dehydrogenase and butyryl-CoA. J. Biol. Chem.255 (19): 9093–97.PMID 7410413.
↑K.D. Bergeron (2004).The Death of no-dual-use. Bulletin of the Atomic Scientists (Educational Foundation for Nuclear Science, Inc.)60 (1): 15. doi: 10.2968/060001004.
↑C.T. Quigg (marec 1984).Tritium Warning. Bulletin of the Atomic Scientists40 (3): 56–57.
↑International Temperature Scale of 1990 (PDF). Procès-Verbaux du Comité International des Poids et Mesures. 1989. str. T23–T42. Pridobljeno 25. marca 2008.
123J. McCarthy (31. december 1995).Hydrogen. Stanford University. Pridobljeno 14. marca 2008.
↑Carbon Capture Strategy Could Lead to Emission-Free Cars. Georgia Tech. 11. februar 2008. Pridobljeno 16. marca 2008.
↑J.J. Romm (2004).The Hype About Hydrogen: Fact And Fiction In The Race To Save The Climate. 1. izdaja. Island Press.ISBN 1-55963-703-X.
↑P. G. Le Comber, D. I. Jones, W. E. Spear (1977).Hall effect and impurity conduction in substitutionally doped amorphous silicon. Philosophical Magazine35 (5): 1173–1187. Bibcode: 1977PMag...35.1173C. doi: 10.1080/14786437708232943.
↑C.G. Van de Walle (2000).Hydrogen as a cause of doping in zinc oxide. Physical Review Letters85 (5): 1012–1015. Bibcode: 2000PhRvL..85.1012V. doi: 10.1103/PhysRevLett.85.1012.PMID 10991462.
↑A. Janotti, C.G. Van De Walle (2007).Hydrogen multicentre bonds. Nature Materials6 (1): 44–47. Bibcode: 2007NatMa...6...44J. doi: 10.1038/nmat1795.PMID 17143265.
↑C. Kilic, A. Zunger (2002).n-type doping of oxides by hydrogen. Applied Physics Letters81 (1): 73–75. Bibcode: 2002ApPhL..81...73K. doi: 10.1063/1.1482783.
↑P. W. Peacock, J. Robertson (2003).Behavior of hydrogen in high dielectric constant oxide gate insulators. Applied Physics Letters83 (10): 2025–2027. Bibcode: 2003ApPhL..83.2025P. doi: 10.1063/1.1609245.
↑R. Cammack, R.L. Robson (2001).Hydrogen as a Fuel: Learning from Nature. Taylor & Francis Ltd. str. 202–203.ISBN 0-415-24242-8.
↑O. Kruse, J. Rupprecht, K.-P. Bader, S. Thomas-Hall, P. M. S.; Schenk, G. Finazzi, B. Hankamer (2005).Improved photobiological H2 production in engineered green algal cells. The Journal of Biological Chemistry280 (40): 34170–7. doi: 10.1074/jbc.M503840200.PMID 16100118.
↑H.O. Smith, Q. Xu (2005).IV.E.6 Hydrogen from Water in a Novel Recombinant Oxygen-Tolerant Cyanobacteria System (PDF). FY2005 Progress Report. United States Department of Energy. Pridobljeno 5. februarja 2008.
_NIST_ASD_emission_spectrum.png)
RENEW.jpg)
