Vodík je chemický prvek s atomovým číslem 1. Při standardní teplotě a tlaku je vodík bezbarvý, bez zápachu, nekovový, bez chuti, vysoce hořlavý dvouatomový plyn s molekulovým vzorcem H2. S atomovou hmotností 1,00794 amu je vodík nejlehčím prvkem.
Vodík je nejrozšířenější z chemických prvků, tvoří zhruba 75% elementární hmoty vesmíru. Hvězdy v hlavní posloupnosti se skládají převážně z vodíku v jeho plazmovém stavu. Elementární vodík je na Zemi poměrně vzácný a průmyslově se vyrábí z uhlovodíků, jako je metan, po kterém se většina elementárního vodíku používá „v zajetí“ (myšleno lokálně v místě výroby), přičemž největší trhy jsou přibližně rovnoměrně rozděleny mezi modernizaci fosilních paliv a výrobu amoniaku (většinou pro trh s hnojivy). Vodík se může vyrábět z vody pomocí procesu elektrolýzy, ale tento proces je v současnosti komerčně výrazně dražší než výroba vodíku ze zemního plynu.
Nejběžnější přirozeně se vyskytující izotop vodíku, známý jako protium, má jediný proton a žádné neutrony. V iontových sloučeninách může mít buď kladný náboj (stává se kationtem složeným z holého protonu), nebo záporný náboj (stává se aniontem známým jako hydrid). Vodík může tvořit sloučeniny s většinou prvků a je přítomen ve vodě a většině organických sloučenin. Hraje zvláště důležitou roli v acidobazické chemii, ve které mnoho reakcí zahrnuje výměnu protonů mezi rozpustnými molekulami. Jako jediný neutrální atom, pro který lze analyticky vyřešit Schrödingerovu rovnici, hrálo studium energie a vazby atomu vodíku klíčovou roli ve vývoji kvantové mechaniky.
Chemie a charakteristika
Rozpustnost a vlastnosti vodíku s různými kovy jsou velmi důležité v metalurgii (protože mnoho kovů může být vystaveno vodíkovému embrittlementu) a při vývoji bezpečných způsobů jeho skladování pro použití jako palivo. Vodík je vysoce rozpustný v mnoha sloučeninách složených z kovů vzácných zemin a přechodných kovů a může být rozpuštěn v krystalických i amorfních kovech. Rozpustnost vodíku v kovech je ovlivněna lokálními distorzemi nebo nečistotami v kovové krystalové mřížce.
Plyn vodíku je vysoce hořlavý a na vzduchu hoří v koncentracích až 4% H2. enthalpie spalování vodíku je −286 kJ/mol; hoří podle následující vyvážené rovnice.
Při smíchání s kyslíkem v širokém spektru proporcí vodík po vznícení exploduje. Vodík ve vzduchu prudce hoří. Automaticky se vznítí při teplotě 560 °C. Plameny čistého vodíku a kyslíku hoří v ultrafialovém barevném spektru a pouhým okem jsou téměř neviditelné, jak dokládá slábnoucí plamen z hlavních motorů raketoplánu (na rozdíl od snadno viditelných plamenů z raketoplánů). Proto je obtížné vizuálně zjistit, zda hoří únik vodíku. Exploze vzducholodi Hindenburg byla neblaze proslulým případem spalování vodíku (na snímku); příčina je diskutována, ale za zbarvení plamenů mohly hořlavé materiály v lodním plášti. Další charakteristikou vodíkových požárů je, že plameny mají tendenci rychle stoupat s plynem ve vzduchu, jak dokreslují hindenburské plameny, které způsobují menší škody než požáry uhlovodíků. Dvě třetiny cestujících z Hindenburgu požár přežily a mnoho úmrtí, ke kterým došlo, bylo způsobeno pádem nebo spálením nafty.
Zobrazení atomu vodíku ukazujícího průměr jako přibližně dvojnásobek poloměru Bohrova modelu. (Obrázek v měřítku)
Energetická hladina základního stavu elektronu v atomu vodíku je -13,6 eV, což odpovídá ultrafialovému fotonu zhruba 92 nm.
Energetické hladiny vodíku lze poměrně přesně vypočítat pomocí Bohrova modelu atomu, který elektron pojímá jako „obíhající“ proton v analogii s oběžnou dráhou Země kolem Slunce. Elektromagnetická síla však přitahuje elektrony a protony k sobě navzájem, zatímco planety a nebeské objekty jsou k sobě přitahovány gravitací. Kvůli diskretizaci úhlové hybnosti postulované v rané kvantové mechanice Bohrem může elektron v Bohrově modelu zaujímat pouze určité povolené vzdálenosti od protonu, a tedy pouze určité povolené energie.
Přesnější popis atomu vodíku pochází z čistě kvantově mechanického zpracování, které používá Schrödingerovu rovnici nebo ekvivalentní Feynmanovu křivkovou integrální formulaci pro výpočet hustoty pravděpodobnosti elektronu kolem protonu.
První stopy pozorované v bublinové komoře tekutého vodíku v Bevatronu.
Existují dva různé typy molekul diatomického vodíku, které se liší relativním spinem svých jader. V orthovodíkové formě jsou spiny obou protonů rovnoběžné a tvoří trojnásobný stav; v paravodíkové formě jsou spiny antirovnoběžné a tvoří singlet. Při standardní teplotě a tlaku obsahuje vodíkový plyn asi 25% para formy a 75% ortho formy, známé také jako „normální forma“. Rovnovážný poměr orthovodíku a paravodíku závisí na teplotě, ale protože ortho forma je excitovaný stav a má vyšší energii než para forma, je nestabilní a nemůže být vyčištěna. Při velmi nízkých teplotách se rovnovážný stav skládá téměř výhradně z para formy. Fyzikální vlastnosti čistého paravodíku se mírně liší od vlastností normální formy. Rozlišení ortho/para se vyskytuje také u jiných molekul obsahujících vodík nebo funkčních skupin, jako je voda a methylen.
Molekulární forma nazývaná protonovaný molekulární vodík, nebo H3+, se nachází v mezihvězdném médiu (ISM), kde vzniká ionizací molekulárního vodíku z kosmických paprsků. Byla také pozorována v horních vrstvách atmosféry planety Jupiter. Tato molekula je relativně stabilní v prostředí vesmíru díky nízké teplotě a hustotě. H3+ je jedním z nejrozšířenějších iontů ve vesmíru a hraje významnou roli v chemii mezihvězdného média.
Kovalentní a organické sloučeniny
H2 sice není za standardních podmínek příliš reaktivní, ale tvoří sloučeniny s většinou prvků. Jsou známy miliony uhlovodíků, které však nevznikají přímou reakcí elementárního vodíku a uhlíku (i když produkce syntetického plynu následovaná Fischer-Tropschovým procesem za vzniku uhlovodíků se blíží k výjimce, protože ten začíná uhlím a elementární vodík vzniká in situ).[Jak odkazovat a odkaz na shrnutí nebo text] Vodík může tvořit sloučeniny s prvky, které jsou více elektronegativní, jako jsou halogeny (např. F, Cl, Br, I); v těchto sloučeninách vodík získává parciální kladný náboj. Při vazbě na fluor, kyslík nebo dusík se vodík může podílet formou silné nekovalentní vazby zvané vodíkové vazby, která je kritická pro stabilitu mnoha biologických molekul. Vodík také vytváří sloučeniny s méně elektronegativními prvky, jako jsou kovy a metalloidy, ve kterých získává parciální záporný náboj. Tyto sloučeniny jsou často známé jako hydridy.
Vodík tvoří obrovské množství sloučenin s uhlíkem. Kvůli jejich obecnému spojení s živými věcmi se tyto sloučeniny začaly nazývat organické sloučeniny; studium jejich vlastností je známé jako organická chemie a jejich studium v kontextu živých organismů je známé jako biochemie. Podle některých definic se požaduje, aby „organické“ sloučeniny obsahovaly pouze uhlík (jako klasický historický příklad močovina). Nicméně většina z nich obsahuje také vodík, a protože je to vazba uhlík-vodík, která dává této třídě sloučenin většinu jejích specifických chemických vlastností, jsou vazby uhlík-vodík vyžadovány v některých definicích slova „organické“ v chemii.
V anorganické chemii mohou hydridy sloužit také jako přemosťující ligandy, které spojují dvě kovová centra v koordinačním komplexu. Tato funkce je běžná zejména v prvcích skupiny 13, zejména v boranech (boron hydridy) a hliníkových komplexech, stejně jako v seskupených karboranech.
Sloučeniny vodíku se často nazývají hydridy, což je termín, který se používá poměrně volně. Pro chemiky termín „hydrid“ obvykle znamená, že atom H získal záporný nebo aniontový charakter, označovaný jako H−. Existenci hydridového aniontu, který navrhl G.N. Lewis v roce 1916 pro hydridy skupiny I a II podobné soli, prokázal Moers v roce 1920 elektrolýzou roztaveného hydridu lithného (LiH), která na anodě vytvořila stechiometrické množství vodíku. Pro hydridy jiné než kovy skupiny I a II je tento termín poměrně zavádějící, vezmeme-li v úvahu nízkou elektronegativitu vodíku. Výjimkou u hydridů skupiny II je BeH2, který je polymerní. V hydridu lithného hliníku nese anion AlH4− hydridová centra pevně spojená s Al(III). Ačkoli hydridy mohou být tvořeny téměř všemi prvky hlavních skupin, počet a kombinace možných sloučenin se značně liší; například je známo více než 100 binárních hydridů boranu, ale pouze jeden binární hydrid hliníku. Binární hydrid india nebyl dosud identifikován, i když existují větší komplexy.
Oxidace H2 formálně dává protonu H+. Tento druh je ústředním tématem diskuse o kyselinách, i když termín proton se používá volně pro označení kladně nabitého nebo kationtového vodíku, označovaného H+. Holý proton H+ nemůže existovat v roztoku kvůli své silné tendenci vázat se na atomy nebo molekuly s elektrony. Aby se předešlo příhodné fikci nahého „solvatovaného protonu“ v roztoku, kyselé vodné roztoky jsou někdy považovány za obsahující hydroniový iont (H3O+) uspořádaný do shluků za vzniku H9O4+. Jiné oxoniové ionty se nacházejí, když je voda v roztoku s jinými rozpouštědly.
Ačkoli je na Zemi exotický, jedním z nejběžnějších iontů ve vesmíru je iont H3+, známý jako protonovaný molekulární vodík nebo triatomický vodíkový kationt.
Protium, nejběžnější izotop vodíku, má jeden proton a jeden elektron. Unikátní mezi všemi stabilními izotopy, nemá žádné neutrony. (viz diproton pro diskuzi o tom, proč ostatní neexistují)
Vodík má tři přirozeně se vyskytující izotopy, označované 1H, 2H a 3H. Jiná, vysoce nestabilní jádra (4H až 7H) byla syntetizována v laboratoři, ale nebyla pozorována v přírodě.
Vodík je jediným prvkem, který má pro své izotopy dnes běžně používané různé názvy. (Během raného studia radioaktivity byly různé těžké radioaktivní izotopy pojmenovány, ale takové názvy se již nepoužívají). Symboly D a T (místo 2H a 3H) se někdy používají pro deuterium a tritium, ale odpovídající symbol P se již používá pro fosfor, a tudíž není k dispozici pro protium. Mezinárodní unie pro čistou a užitou chemii ve svých nomenklaturních směrnicích povoluje používat kterýkoli z D, T, 2H a 3H, i když se preferují 2H a 3H.
NGC 604, obří oblast ionizovaného vodíku v galaxii v Trojúhelníku
Vodík je nejhojnějším prvkem ve vesmíru, tvoří 75% hmoty a přes 90% atomů. Tento prvek se vyskytuje ve velkém množství u hvězd a planet plynných obrů. Molekulární mračna H2 jsou spojena s tvorbou hvězd. Vodík hraje zásadní roli při pohonu hvězd prostřednictvím protonové reakce a jaderné fúze CNO cyklu.
V celém vesmíru se vodík většinou nachází v atomovém a plazmovém stavu, jehož vlastnosti jsou zcela odlišné od molekulárního vodíku. Jako plazma nejsou elektron a proton vodíku vázány na sebe, což má za následek velmi vysokou elektrickou vodivost a vysokou emisivitu (produkující světlo ze Slunce a dalších hvězd). Nabité částice jsou silně ovlivněny magnetickými a elektrickými poli. Například ve slunečním větru interagují se zemskou magnetosférou, což vede ke vzniku Birkelandových proudů a polární záře. Vodík se nachází v neutrálním atomovém stavu v mezihvězdném médiu. Velké množství neutrálního vodíku, které se nachází ve ztlumených systémech Lyman-alfa, je považováno za dominantní v kosmologické baryonální hustotě vesmíru až do rudého posuvu z=4.
H2 je produktem některých typů anaerobního metabolismu a je produkován několika mikroorganismy, obvykle reakcemi katalyzovanými enzymy obsahujícími železo nebo nikl zvanými hydrogenázy. Tyto enzymy katalyzují reverzibilní redoxní reakci mezi H2 a jeho složkou dva protony a dva elektrony. K tvorbě vodíku dochází při přenosu redukčních ekvivalentů produkovaných během pyruvátové fermentace do vody.
K štěpení vody, při němž se voda rozkládá na její složky protony, elektrony a kyslík, dochází ve světelných reakcích u všech fotosyntetických organismů. Některé takové organismy – včetně řasy Chlamydomonas reinhardtii a sinic – vyvinuly druhý krok v temných reakcích, při nichž se specializovanými hydrogenázami v chloroplastu redukují protony a elektrony na plynný H2 plyn. Bylo vyvinuto úsilí o genetickou modifikaci sinic hydrogenáz tak, aby účinně syntetizovaly plynný H2 i za přítomnosti kyslíku. Bylo také vyvinuto úsilí s geneticky modifikovanou řasou v bioreaktoru.
Vodík představuje řadu nebezpečí pro lidskou bezpečnost, od případných detonací a požárů při smíchání se vzduchem až po asfyxant v čisté, kyslíkem prosté formě.
Kromě toho je kapalný vodík kryogen a představuje nebezpečí (například omrzliny) spojené s velmi chladnými kapalinami. Vodík se v některých kovech rozpouští a kromě úniku může mít na ně nepříznivé účinky, například vodíkové křehnutí. Vodíkový plyn unikající do vnějšího vzduchu se může samovolně vznítit. Nicméně vodíkový oheň, i když je extrémně horký, je téměř neviditelný, a tak může vést k náhodným popáleninám.
I interpretace údajů o vodíku (včetně bezpečnostních údajů) je zmatena řadou jevů. Mnoho fyzikálních a chemických vlastností vodíku závisí na poměru paravodík/ortovodík (často trvá dny nebo týdny při dané teplotě dosáhnout rovnovážného poměru, pro který jsou údaje obvykle uvedeny). Parametry vodíkové detonace, jako je kritický detonační tlak a teplota, silně závisí na geometrii nádoby.