Vodik

Vodik (lat. Hydrogenium) je plin bez boje, okusa i mirisa i najlakši kemijski element. Otkrio ga je Britanac Henry Cavendish 1766. i nazvao ga "zapaljivim zrakom". Cavendish ga je dobio reakcijom cinka i klorovodične kiseline. Definirao je o kojem se plinu radi i dokazao da reakcijom vodika i kisika nastaje voda. Zbog toga svojstva Antoine Lavoisier ga 1783. naziva hidrogen, što na grčkom jeziku znači "onaj koji stvara vodu" (hydro - voda, genes - stvarati).

Vodik nema određen položaj u periodnom sustavu. Ima jedan valentni elektron kao alkalijski metali, a od njih se razlikuje mnogo većom energijom ionizacije. Za stabilnu elektronsku konfiguraciju mu nedostaje jedan elektron. Vodik bi se mogao smatrati halogenim elementom, ali od njih ima manju elektronegativnost i afinitet prema elektronu, pa se zbog toga proučava zasebno.

Sadržaj

1 Svojstva
2 Dobivanje vodika
- 2.1 Dobivanje plina praskavca
- 2.2 Industrijsko dobivanje vodika
3 Rasprostranjenost
4 Upotreba
5 Vanjske poveznice

[uredi] Svojstva

U njemu ima 99,98% običnog vodika (procij), 0,02% teškog vodika, atomske mase 2 (deuterij) koji je ujedno i sastavni dio teške vode, i ima superteškog vodika, atomske mase 3 (tricij), koji je i sastavni dio hidrogenske bombe.

Pri normalnom pritisku i temperaturi, vodik je plin bez boje, mirisa i okusa, zagušljiv je, ali nije otrovan i lakši je 14,4 puta od zraka.

U industriji se vodik najčešće dobiva rastvaranjem vodene pare usijanim ugljikom ili razdvajanjem vode na sastavne elemente elektrolizom. Kao elementarna tvar pri sobnoj temperaturi vodik se nalazi u obliku dvoatomnih molekula. Slabo je topljiv u vodi, a nešto bolje u organskim otapalima.

Hlađenjem do -253°C vodik se kondenzira u bezbojnu tekućinu, a pri -259°C prelazi u čvrsto agregatno stanje, u kojem ima heksagonsku kristalnu strukturu. Vodik je redukcijsko sredstvo.

Tekući vodik već je dugo u uporabi kao raketno gorivo.

[uredi] Dobivanje vodika

U laboratoriju se vodik dobiva redukcijom iz vode ili iz kiselina. Najčešće se dobiva onako kako ga je dobio Cavendish, tj. reakcijom cinka i klorovodične kiseline, umjesto koje se često rabi i razrijeđena sumporna kiselina. Za razvijanje plinova u laboratoriju najpogodniji je Kippov aparat, jer se reakcija u njemu može prekinuti i na taj se način mogu proizvesti samo potrebne količine plina.

Dobivanje vodika reakcijom cinka i razrijeđene klorovodične kiseline prikazuje jednadžba

Zn(s) + 2HCl(aq) --> ZnCl₂(aq) + H₂(g)

(cink istiskuje vodik iz razrijeđene sumporne ili klorovodične kiseline zbog negativnog redukcijskog potencijala)

[uredi] Dobivanje plina praskavca

Elektrolizom vode nastaju vodik i kisik u volumnom omjeru 2:1 (plin praskavac). Reakcije na elektrodama su:

Katoda (-): 4H₂0 + 4e- --> 2H₂ + 4OH-
Anoda (+): 2H₂O --> O₂ + 4H+ + 4e-

2H₂O --> 2H₂ + O₂

Pokusom se dokazuje da je smjesa vodika i kisika eksplozivna, pa se naziva plin praskavac. Ako se zapali čisti vodik, on gori slabo vidljivim, svjetlo plavičastim plamenom.

2H₂(g) + O₂(g) --> 2H₂O(g) rH = -483 kJ/mol

Pri povišenoj temperaturi vodik reagira s mnogim metalima dajući hidride. Natrijev hidrid dobiva se neposrednom sintezom iz elemenata.

2Na(s) + H₂(g) --> 2NaH(s)

Nastali natrijev hidrid je ionski spoj, kristalizira u kubičnom sustavu, a ima strukturu natrijevog klorida. Natrijev hidrid je jako redukcijsko sredstvo, pa reakcijom s vodom oslobađa vodik. U svim spojevima s metalima, vodik ima oksidacijski broj -1, a u spojevima s nemetalima 1. Pri sobnoj temperaturi bez katalizatora, reagira samo s fluorom i vanadijem u prahu. Razlog slaboj reaktivnosti molekulnog vodika pri sobnoj temperaturi jaka je jednostruka kovalentna veza kojom se vežu atomi vodika. Ta veza je najjača od svih jednostrukih kovalentnih veza između dvaju istovrsnih atoma. Pri povišenoj temperaturi spaja se i s kisikom iz mnogih oksida.

[uredi] Industrijsko dobivanje vodika

Kao izvori vodika za industrijsku proizvodnju uglavnom služe ugljikovodici iz zemnih ili rafinerijskih plinova i voda. Danas se velike količine vodika najčešće dobivaju reakcijom vodene pare i koksa ili vodene pare i zemnoga plina.

H₂O(g) + C(s) --> H₂(g) + CO(g) H₂O(g) + CH₄(g) --> 3H₂(g) + CO(g)

Ugljikov(II)oksid se od vodika razdvaja reakcijom s vodenom parom, pri čemu nastaju dodatne količine vodika.

CO(g) + H₂O(g) --> H₂(g) + CO₂(g)

Nastali ugljikov(IV)oksid uklanja se iz smjese apsorpcijom u lužini ili ispiranjem vodom pod tlakom. Lako se uklanja i hlađenjem, jer ugljikov dioksid na temperaturi od -78°C prelazi u čvrsto agregatno stanje.

[uredi] Rasprostranjenost

U slobodnom stanju vodik je u prirodi vrlo rasprostranjen, ali ne u velikim količinama. Prisutan je u atmosferi, zemnom plinu itd. Sastavni je dio mnogih organskih spojeva, kiselina i otopina, a s kisikom čini cjelokupnu količinu vode na Zemlji.

On je ishodna stvar iz koje su nastali ostali elementi i čini 75% mase svemira. Na Zemlji ima malo elementarnog vodika (H₂). Sastavni je dio vulkanskih plinova. Nalazi se i u najvišim slojevima atmosfere, no u neznatnim količinama jer Zemljina gravitacija ne može zadržati lake i brze molekule vodika.

O njegovoj rasprostranjenosti dovoljno govori činjenica da je gotovo dvije trećine Zemljine površine prekriveno vodom. U Zemljinoj kori, oceanima i atmosferi po broju atoma, vodik je treći, odmah nakon kisika i silicija, dok je po masenom udjelu tek na desetom mjestu.

[uredi] Upotreba

Vodik se upotrebljava za sintezu amonijaka i metanola, za proizvodnju goriva za motorna vozila hidrogenacijom ugljika, nafte i katrana. Koristi se i za zavarivanje i topljenje metala, za punjenje zračnih balona i zračnih brodova, za pretvaranje nekih metalnih oksida u metale itd.

Vodik se iz vode u dobiva elektrolizom uglavnom u zemljama s jeftinom električnom energijom. Zbog toga se danas nastoji usavršiti proizvodnja vodika elektrolizom vode solarnom energijom. Solarni uređaji pretvaraju sunčevu energiju u električnu, pomoću koje se voda razlaže na vodik i kisik.

Prednosti vodika kao alternativnog goriva su: