Vodík

Vodík () je chemický prvok v Periodickej tabuľke prvkov, ktorý má značku H a protónové číslo 1. Vo voľnej prírode sa atómy vodíka nenachádzajú, pri zrode atómového vodíka sa okamžite spája do molekuly H2. Zaraďuje sa do prvej aj do siedmej skupiny periodickej sústavy, lebo má vlastnosti prvkov prvej aj siedmej skupiny. Latinský názov pochádza z gréčtiny (hydór = voda, gennaó = vytváram); slovenský názov je odvodený rovnakou logikou. Vodík objavil Henry Cavendish v roku 1766. 

 Vlastnosti 
 Fyzikálne vlastnosti 

Vodík je najjednoduchší chemický prvok, je číry bezfarebný plyn bez chuti a zápachu. Je najľahší plyn vôbec (14,5-krát ľahší ako vzduch). Molekulárny vodík je pomerne stabilný a vďaka vysokej energii väzieb je takisto málo reaktívny. Jeho tepelná vodivosť je sedemkrát väčšia ako vzduchu. Molekuly sú extrémne malé a preto ľahko prechádzajú poréznymi látkami.

 Rozpustnosť 
Vo vode sa vodík rozpúšťa nepatrne: V 1 litri vody sa pri 0 °C a tlaku 0,1 MPa rozpustí 22 ml plynného vodíka. Lepšie sa rozpúšťa v nikli, paládiu a v platine. Pri rozpúšťaní v týchto kovoch sa molekuly vodíka štiepia na atómy. Atomárny vodík je reaktívnejší než molekulárny, preto reakcia vodíka za prítomnosti týchto kovov prebieha rýchlejšie. Nikel, paládium a platina sú preto výbornými katalyzátormi.

 Chemické vlastnosti 
Chemické vlastnosti sú podmienené stavbou atómu a postavením v periodickej tabuľke. 
Pri zlučovaní vodíka sa elektrónový obal mení dvojako:

 Pribratím jedného elektrónu, nadobudne elektrónový obal konfiguráciu najbližšieho vzácneho plynu hélia, čím sa mení na anión H−.
 Stratou jediného elektrónu sa atóm vodíka mení na protón. Protón (katión vodíka H+) sa vo vodných roztokoch viaže na voľný elektrónový pár kyslíka a tým sa vytvorí hydroxóniový katión H3O+
 H+ + H2O → H3O+

Reakcie s nekovmi

Pri obyčajnej teplote sa vodík zlučuje s fluórom za vzniku fluorovodíka HF, a to aj v tme. S chlórom tvorí chlorovodík HCl iba na slnečnom svetle pomocou ultrafialového žiarenia alebo keď zmes zapálime. V zmesi so vzduchom alebo kyslíkom sa zlučuje po zapálení na vodu.
 2 H2 + O2 → 2H2O

Reakcia prebieha veľmi prudko, výbušne. Teplota vodíkového plameňa je veľmi vysoká (až 2 800 °C). Preto sa používa na zváranie a rezanie kovov. Pri vyšších teplotách a za prítomnosti katalyzátorov sa vodík zlučuje s dusíkom na amoniak.
 3 H2 + N2 → 2 NH3

Z neho sa ďalej vyrába kyselina dusičná a dusíkaté hnojivá.

Reakcie s kovmi

S alkalickými kovmi a s kovmi alkalických zemín sa vodík zlučuje na tuhé hydridy, v ktorých vodík je aniónom H−, napríklad hydrid sodný NaH alebo hydrid vápenatý CaH2.

S väčšinou prvkov sa zlučuje až pri zvýšenej teplote alebo za prítomnosti katalyzátorov.

Napríklad:

 H2 + Cl2 → 2 HCl
 N2 + 3 H2 → 2 NH3
 H2 + S → H2S
 2 H2 + O2 → 2 H2O + E

Reakcie vodíka bývajú sprevádzané uvoľňovaním tepla (exotermická reakcia) a niekedy aj svetelným efektom – horením.

Významné sú redukčné vlastnosti vodíka, ktoré sa využívajú pri výrobe niektorých kovov z ich oxidov:
 CuO + H2 → Cu + H2O
 WO3 + 3 H2 → W + 3 H2O

Naproti tomu atomárny vodík (tzv. vodík v stave zrodu) je veľmi reaktívny a reaguje s celým radom látok už pri nízkych teplotách.

Väčšinou sa viaže kovalentnou väzbou. Vodík je typický nekov, ktorý tvorí vodíkové mostíky s dusíkom, kyslíkom a fluórom.

 Difúzia vodíka v pevných materiáloch 
Pri skladovaní vodíka v nádobách vodík vstupuje do stien nádob a prechádza nimi. Pri kovových nádobách a nízkych teplotách je difúzia vodíka v bežnej praxi zanedbateľná. V prípade kovov môže vodík difundujúci stenou materiálu spôsobiť vodíkovú krehkosť. Rýchlosť difúzie je závislá najmä od tlaku, teploty a difúzneho koeficientu.

 Využitie 
Vodík má rad významných využití. Ako napríklad postavenie vo výrobe rôznych chemických zlúčenín (amoniak NH3, kyselina dusičná HNO3, metylalkohol CH3OH, rôzne dusíkaté hnojivá), výroba niektorých kovov (redukciou z ich oxidov) alebo stužovanie tukov. 

Používa sa na zváranie a rezanie kovov (kyslíkovo-vodíkovým plameňom). Naďalej sa využíva v zmiešanom pomere s dusíkom ako ochranná atmosféra pri vypaľovaní polotovarov práškovej metalurgie. Tekutý vodík sa používa ako raketové palivo, ale môže byť zdrojom energie i pre iné zariadenia. Vodík sa prepravuje a uchováva v tlakových fľašiach označených červeným pruhom.

 Výroba 
 Laboratórna príprava 
V laboratóriu sa môže vodík pripravovať reakciou neušľachtilých kovov s kyselinami alebo hydroxidov v tzv. Kippovom prístroji

 Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2
 Zn + 2 NaOH + 2 H2O → Na2[Zn(OH)4] + H2

Ďalej môžeme vodík získať elektrolýzou vody, ktorá obsahuje malé množstvo H2SO4 alebo NaOH na zvýšenie vodivosti. Elektrolýza sa uskutočňuje v Hoffmanovom prístroji, kde sa vodík vylučuje na katóde.
 2 H3O+ + 2e− → 2 H2O + H2
 2 Na + 2 H2O → 2 NaOH + H2
 3 Fe + 4 H2O → Fe3O4 + 4 H2

 Priemyselná výroba 
Priemyselne sa môže vodík tak ako v laboratóriu vyrábať niekoľkými rôznymi metódami.

 Parný reforming zemného plynu je najrozšírenejší a v súčasnosti najlacnejší priemyselný spôsob výroby vodíku. Prebieha pri teplotách 700-1100 °C. Horúca vodná para reaguje s metánom za vzniku syntézneho plynu: CH4 + H2O   →   CO  +  3 H2
 Metódou je termický rozklad metánu pri veľmi vysokej teplote (1 200 °C): CH4 → C + 2 H2
 Reakciou vodného plynu s vodnou parou za prítomnosti katalyzátorov a pri teplote 300 °C môžeme získať veľmi čistý vodík, ktorý sa používa napríklad k stužovaniu : CO + H2 + H2O(g) → CO2 + 2 H2
 Reakcia vodnej pary s horúcim koksom za teploty 1 000 °C (vzniká vodný plyn): C(s) + H2O(g) → CO(g) + H2(g)
 Vznik vodíka ako vedľajšieho produktu pri výrobe hydroxidu sodného (NaOH) – elektrolýza vodného roztoku NaCl: 2 NaCl + 2 H2O → 2 NaOH + H2 + Cl2

 Výskyt 
99.9844 %

Vodík je najrozšírenejším prvkom v celom vesmíre a tretí najrozšírenejší na Zemi. Vyskytuje sa voľne, aj viazaný v zlúčeninách. Voľný vodík sa nachádza napríklad v plynnom obale hviezd. Na Zemi sa voľný vodík pri bežných podmienkach nevyskytuje, a preto je viazaný iba v zlúčeninách. Najväčšie množstvo vodíka je viazané vo vode, ktorá pokrýva väčšinu zemského povrchu, ale je viazaný i v rôznych organických i anorganických zlúčeninách. Je to tiež významný biogénny prvok.

 Izotopy 
Vodík má 3 izotopy.

 Prócium 

Tiež nazývaný ľahký vodík je klasický vodík, ktorý je najviac rozšírený vo vesmíre a na Zemi. Obsahuje v atóme jeden protón a jeden elektrón.V atómovom jadre sa nenachádza žiadny neutrón.

 Deutérium 

Používa sa aj názov ťažký vodík. Nepodlieha rádioaktívnej premene, v prírode sa bežne vyskytuje. Na 6 500 atómov prócia pripadne jeden atóm deutéria. Jadro deutéria sa volá deuterón - je súčasťou molekuly ťažkej vody D2O.

Má významné využitie v jadrovom priemysle. Je veľmi účinným moderátorom (látkou spomaľujúcou rýchlosť neutrónov).

Štruktúra atómu: 1 protón, 1 neutrón, 1 elektrón

 Trícium 

Jadro trícia je nestabilné a rozpadá sa s polčasom rozpadu 12,4 roka pri vyžiarení malého množstva energetického beta žiarenia. Vzniká účinkom kozmického žiarenia na atóm deutéria alebo výbuchom vodíkovej bomby. Používa sa napríklad na značkovanie organických látok pri výskumoch.

Štruktúra atómu: 1 protón, 2 neutróny, 1 elektrón

 Iné projekty 


Kategória:Nekovy
Kategória:Plyny
Kategória:Palivá
Kategória:Pohonné hmoty
Kategória:Redukčné činidlá
947