Vodik

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 nedostaje mu 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 Povijest
2 Svojstva
3 Rasprostranjenost
4 Dobivanje
- 4.1 Laboratorijsko
- 4.2 Industrijsko
5 Spojevi
6 Izotopi
7 Molekularni izomeri
8 Uporaba
9 Biološka uloga
10 Vanjske poveznice

[uredi] Povijest

Iako ga nije prvi proizveo, vodik (lat. Hydrogenium) je definirao 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 hydrogène, od grčkog "onaj koji stvara vodu" (grč. ὕδωρ = voda, γενής = stvaratelj). Hrvatski naziv uveo je Bogoslav Šulek.

[uredi] Svojstva

Pri standardnom tlaku i temperaturi, vodik je plin bez boje, mirisa i okusa, 14.4 puta laksi od zraka. Neotrovan je, no zagušljiv. Slabo je topljiv u polarnim, a bolje u nepolarnim otapalima.

Ohlađen na temperaturu vrelišta, kondenzira se u bezbojnu tekućinu koja je najlakša od svih tekućina. Daljnjim odvođenjem topline skrućuje se u prozirnu krutinu heksagonske kristalne strukture.

Zapaljen na zraku pri 560 °C, izgara gotovo nevidljivim plamenom u vodu:

2 H_2(g) + O_2(g) → 2 H₂O_(l) $Δ r H$ = 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 je platina. Pri sobnoj temperaturi bez katalizatora, reagira samo s fluorom i vanadijem u prahu. Razlog slaboj reaktivnosti molekularnog vodika pri sobnoj temperaturi jaka je jednostruka kovalentna 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 mnogih oksida, te tako djeluje kao redukcijsko sredstvo.

[uredi] Rasprostranjenost

Elementarni vodik na Zemlji je vrlo rasprostranjen, ali u malim količinama. Nazočan je u atmosferi, 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 obliku vode, koja prekriva gotovo dvije trećine Zemljine površine. Sastavni je dio mnogih organskih spojeva, kiselina i otopina. Po broju atoma, treći je, odmah nakon kisika i silicija, a po masenom udjelu je na desetom mjestu.

Čini 75% mase svemira, te je ishodišna tvar iz koje su nuklearnom fuzijom nastali ostali elementi.

[uredi] Dobivanje

[uredi] Laboratorijsko

Najčešće se dobiva onako kako ga je prvi put dobio Cavendish, tj. reakcijom cinka i klorovodične kiseline, umjesto koje se često rabi i razrijeđena sumporna kiselina:

Zn_(s) + 2 H⁺ → Zn²⁺ + H_2(g)

Za razvijanje plinova u laboratoriju najpogodniji je Kippov aparat, jer se reakcija u njemu može prekinuti i na taj način proizvesti samo potrebne količine plina.

Može se dobiti i reakcijom vode s čvrstim hidridima, kao što je kalcijev hidrid:

2 H₂O + CaH_2(s) → 2 H_2(g) + Ca²⁺ + 2 OH^-

te reakcijom metala negativnog redukcijskog potencijala s lužinama, ukoliko ti metali stvaraju hidrokso-komplekse:

2 Al_(s) + 6 H₂O + 2 OH^- → 2 Al(OH)₄^- + 3 H_2(g)

[uredi] Industrijsko

Ovisno o cijeni električne energije i energenata, vodik se dobiva na nekoliko načina.

U zemljama s jeftinom električnom energijom, dobiva se elektrolizom vode, zalužene alkalijskim hidroksidom zbog povećanja vodljivosti:

katoda (-): 4 H₂0 + 4e^- → 2 H_2(g) + 4 OH^-
anoda (+): 4 OH^- → O_2(g) 2 H₂O + 4e^-

2 H₂O → 2 H_2(g) + O_2(g)

Vodik se dobiva i kao nusprodukt kod dobivanja klora metodom kloralkalne elektrolize.

Jedna od najraširenijih i najjeftinijih metoda jest piroliza ugljikovodika, primjerice etana:

C₂H_2(g) → C₂H_4(g) + H_2(g)

Kada je lako dostupan metan, koristi se njegova reakcija s vodenom parom na 1100 °C:

CH_4(g) + H₂O ⇄ CO_(g) + 3 H_2(g) $Δ r H$ = 214.4 kJ mol^-1

Kada je lako dostupan i jeftin ugljen, koristi se redukcija vodene pare:

C_(s) + H₂O ⇄ CO_(g) + H_(g) $Δ r H$ = 131.25 kJ mol^-1

Dobivena smjesa zove se vodeni plin.

Ugljikov(II) oksid od vodika se odvaja reakcijom s dodatnom vodenom parom, pri čemu nastaje dodatna količina vodika:

CO_(g) + H₂O_(g) → H_2(g) + CO_2(g)

Nastali ugljikov(IV) oksid uklanja se iz smjese apsorpcijom u lužini ili ispiranjem vodom pod tlakom. Lako se uklanja i hlađenjem tekućim zrakom. Tragovi neizreagiranog ugljikovog(II) oksida uklanjaju se prevođenjem plina preko zagrijanog natrijevog hidroksida pri čemu nastaje natrijev metanoat.

[uredi] Spojevi

Spojevi vodika mogu se podijeliti na spojeve u kojima je nazočan u negativnom (-1) i pozitivnom stupnju oksidacije (+1). Prvi se nazivaju hidridima, 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.

[uredi] Izotopi

Elementarni vodik sastoji se od običnog vodika (>99.98%), dok ostatak (gotovo 0.02%) čini teški vodik s tragovima superteškog vodika.

[uredi] Molekularni izomeri

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. Ukoliko su spinovi dvaju protona iz molekule antiparalelni, rezultantni spin je nula, te je stanje nedegenerirano. Takav vodik zove se para-vodik. Ukoliko 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 $Δ H$ < 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%.

[uredi] Uporaba

Vodik je vrlo važna industrijska sirovina. Koristi se, između ostalog, za sintezu amonijaka i metanola, za proizvodnju goriva za motorna vozila hidrogenacijom ugljika, nafte i katrana. Koristi se i za zavarivanje i taljenje metala, za punjenje zračnih balona i zračnih brodova, za redukciju metalnih oksida 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 u nuklearnoj elektrani, bio bi izvor ogromnih količina energije.

[uredi] Biološka uloga

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 primjerice ugljik ili dušik. 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.