Vodík

Z Wikipédie

Vodík (gr. Hydrogen - robiaci vodu) je chemický prvok v Periodickej tabuľke prvkov, ktorý má značku H a protónové číslo 1.

Vlastnosti
- - Vodík - He

H
Tc  
 
 
[]1s1
0
1.
H
Všeobecné
Názov, značka, protónové číslo Vodík, H, 1.
Séria Nekovy
Skupina, perióda, blok 1 (IA), 1, s
Vzhľad Bezfarebný, bez zápachu
Atómové
Atómová hmotnosť 1,00794 amu
Atómový polomer (vypočítaný) 25 (53) pm
Kovalentný polomer 37 pm
Van der Waalsov polomer 120 pm
Elektrónová konfigurácia [[[]]]1s1
Elektróny na energetickú hladinu 1
Oxidačné stupne (Oxidy) +1
Elektronegativita 2,2 (Paulingova stupnica)
Výstupná energia (eV)
Kryštalická štruktúra Hexagonálna
Fyzikálne
Skupenstvo plynné
Magnetické vlastnosti -
Hustota (tvrdosť podľa Mohsa) 0.0899, kg/m3 (-)
Teplota topenia (tavenia) 14,025 K (-259,125 °C)
Teplota varu 20,268 K (-252,882 °C)
Molový objem 11,42 · 10-6(pri 2 K) m3/mol
Skupenské teplo vyparovania (0,5 molu H2)0,44936 kJ/mol
Skupenské teplo tavenia 0,05868 kJ/mol
Tlak pary 209 k Pa pri 23 K
Rýchlosť zvuku 1270 m/s pri 25 °C
Rôzne
Merná tepelná kapacita 14304 J/(kg · K)
Elektrická vodivosť - S/m
Tepelná vodivosť 0,1815 W/(m · K)
Izotop
Izotop NA t1/2 ZM ER MeV PR
52Mn {syn.} 5,591 d e-- 4,712 52Cr
53Mn {syn.} 3,74 · 106 a e-- 0,597 53Cr
54Mn {syn.} 312,3 d e-- 1,377 54Cr
54Mn {syn.} 312,3 d β- 0,697 54Cr
52Mn 100 % Mn je stabilný pri 30 neutrónoch
Vlastnosti NMR
{{{Počet}}}Mn
Spin jadra
gamma / rad/T
Citlivosť k 1H
Larmorova frekvencia pri B = T MHz
Pokiaľ je to možné a bežné, používame jednotky sústavy SI.
Ak nie je hore uvedené inak,
údaje sú za normálnych podmienok (NTP/STP).

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 sútavy, lebo má vlastnosti prvkov prvej aj siedmej skupiny.

Obsah

[úprava] Vlastnosti

[úprava] Fyzikálne vlastnosti

Vodík je najjednoduchší chemický prvok vôbec, je číry bezfarebný plyn bez chuti a zápachu. Je najľahší plyn vôbec (14 krát ľahší ako vzduch). Molekulárny vodík je pomerne stabilný a vďaka vysokej energii väzieb je takisto málo reaktívny. Pohybuje sa obrovskou rýchlosťou 1800 m/s. Jeho tepelná vodivosť je sedemkrát väčšia ako vzduchu. Molekuly sú extrémne malé a preto ľahko prechádzajú poréznymi látkami.

[úprava] 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.

[úprava] Chemické vlastnosti

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

  1. Pribraním jedného elektrónu, nadobudne elektrónový obal konfiguráciu najbližšieho vzácneho plynu hélia, čím sa mení na anión H.
  2. Stratou jediného elektrónu sa atom 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 fluorovodíkom 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 kyslíkového 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 sprovádzané 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 vodíkove mostíky s dusíkom, kyslíkom a fluórom.

[úprava] 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 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 vypaľovani 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.

[úprava] Výroba

[úprava] 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

[úprava] Priemyselná výroba

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

  1. Metódou je termický rozklad metánu pri veľmi vysokej teplote (1200 °C): CH4 -> C + 2H2
  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 + 2H2
  3. Reakcia vodnej pary s horúcim koksom za teploty 1000 °C :C(s) + H2O(g) -> CO(g) + H2(g)
  4. Vznik vodíka ako vedľajší produkt pri výrobe hydroxidu sodného (NaOH) – elektrolýza vodného roztoku NaCl: 2NaHgn + 2H20 -> 2NaOH + H2 + 2nHg

[úprava] 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 zemnského povrchu, ale je viazaný i v rôznych organických i anorganických zlúčeninách. Je to tiež významný biogénny prvok.

[úprava] Izotopy

[úprava] 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. Neobsahuje neutrón v atómovom jadre.

[úprava] Deutérium

Hlavný článok, pozri deutérium

Používa sa aj názov ťažká voda. 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 rychlosť neutrónov).

Štruktúra atómu: 1 protón, 1 neutrón, 1 elektrón

[úprava] Trícium

Hlavný článok, pozri trícium

Jadro trícia je nestabilné a rozpadá sa s polčasom rozpadu 12,4 roka pri vyžiarenia 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

Wikimedia Commons ponúka multimediálny obsah k téme
Vodík