Chémia

Vodík (lat.Hydrogenium) jechemický prvok vPeriodickej tabuľke prvkov, ktorý má značku H a protónové číslo 1. Vo voľnej prírode sa atómyvodíka 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) a objavil hoHenry Cavendish. Slovenský názov je odvodený rovnakou logikou.Vodík bol objavený v roku 1766.

Vodík
1  ← vodík → hélium   ↑ H ↓ Li     H                                                                                                                                                                                                                                                       Periodická tabuľka
Vzhľad
bezfarebný plyn
Emisné spektrum
Všeobecné
Názov (lat.), značka,protónové číslo	vodík (hydrogenium), H, 1
Umiestnenie v PSP	1. skupina, 1. perióda, blok s
Séria	nekovy
Atómové vlastnosti
Atómová hmotnosť	1,00794 g·mol−1
Elektrónová konfigurácia	1s1
Atómový polomer	25 pm (vyp.: 53 pm)
Kovalentný polomer	37 pm
Van der Waalsov pol.	120 pm
Chemické vlastnosti
Elektronegativita	2,20 (podľa Paulinga)
Ionizačná energia(e)	1: 1 312,0 kJ.mol−1
Oxidačné číslo(a)	-I, I
Št. potenciál (2H+ + 2e- → H2)	0 V
Fyzikálne vlastnosti (za norm. podmienok)
Skupenstvo	plynné
Hustota	0,08988x10−3 kg·dm−3
Teplota topenia	14,01 K (-259,14 °C)
Teplota varu	20,28 K (-252,87 °C)
Kritický bod	33,24 K; 1,3 MPa
Trojný bod	13,8033 K; 7,042 kPa
Sk. teplo topenia	0,117 kJ·mol−1
Sk. teplo varu	0,904 kJ·mol−1
Tepelná kapacita	28,836 J·mol−1·K−1
Tlak pary p(Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k pri T(K)         15 20
Iné
Kryštálová sústava	hexagonálna
Magnetizmus	diamagnetický
Tep. vodivosť	180,5 W·m−1·K−1
Rýchl. zvuku	1 310 m·s−1
Reg. číslo CAS	1333-74-0
Izotop(y) (vybrané)
Izotop Výskyt t1/2 Rr Er (MeV) Pr 1H 99,985 % stabilný s 0 neutrónmi 2H 0,0115 % stabilný s 1 neutrónom  3H synt. 12,32 r. β- 0,01861 3He

Fyzikálne vlastnosti

Vodík je najjednoduchší chemický prvok , je číry bezfarebný plyn bez chuti azápachu. Je najľahší plyn vôbec (14,5-krát ľahší ako vzduch). Molekulárny vodík je pomerne stabilný a vďaka vysokej energii väzieb je takisto málo reaktívny. Jehotepelná 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 molekulyvodíka 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:

1. Pribratím jedného elektrónu, nadobudne elektrónový obalkonfiguráciu najbližšieho vzácneho plynu hélia, čím sa mení na aniónH⁻.
2. 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 vytvoríhydroxóniový 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 naslnečnom 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 kyslíkového plameňa je veľmi vysoká (až 2 800 °C). Preto sa používa nazváranie 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⁻, napríkladhydrid sodný NaH alebo hydrid vápenatýCaH₂.

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 iných 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.

Využitie

Vodík má rad významných využití. Ako napríklad postavenie vo výrobe rôznych chemických zlúčenín (amoniak NH₃,kyselina dusičná HNO₃, metylalkoholCH₃OH, rôzne dusíkaté hnojivá), výroba niektorých kovov (redukciou z iných oxidov) alebo stužovanie tukov.

Používal 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.

Laboratórna príprava

V laboratóriu sa môže vodík pripravovať reakciou neušľachtilých kovov s kyselinamialebo 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.

1. Metódou je termický rozklad metánu pri veľmi vysokej teplote (1 200 °C): CH₄ → C + 2 H₂
2. Reakciou vodného plynu s vodnou parou za prítomnosti katalyzátorov a pri teplote 300 °C môžeme získať veľmi čistý vodík, ktorý sa používa napríklad k stuhovaniu : CO + H₂ + H₂O(g) → CO₂ + 2 H₂
3. Reakcia vodnej pary s horúcimkoksom za teploty 1 000 °C (vzniká vodný plyn): C(s) + H₂O(g) → CO(g) + H₂(g)
4. Vznik vodíka ako vedľajší produkt pri výrobe hydroxidu sodného (NaOH) – elektrolýza vodného roztoku NaCl: 2 NaHg_x + 2 H₂O → 2 NaOH + H₂ + 2x Hg

5. Výskyt

   99.9844 %

   Vodík je najrozšírenejším prvkom v celomvesmíre 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.

6.  

   Izotopy

   Vodík má 3 izotopy.

    

   Prótium

   Tiež nazývaný ľahký vodík je klasický vodík, ktorý je najviac rozšírený vo vesmíre a na Zemi. Obsahuje v atóme jeden protóna jeden elektrón. Neobsahuje neutrón v atómovom jadre.

    

   Deutérium

   Hlavný článok, pozri deutérium

   Používa sa aj názov ťažký vodík. Nepodlieha rádioaktívnej premene, v prírode sa bežne vyskytuje. Na 6 500 atómov 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, 1elektrón.