Vodík: Nejlehčí prvek v přírodě a jeho vlastnosti

Vodík (chemická značka H, latinsky hydrogenium) je nejlehčí a nejjednodušší plynný chemický prvek. Český název „vodík“ vytvořil na počátku 19. století Jan Svatopluk Presl z kořene „voda“ a přípony „-ík“, tedy „ten, který souvisí s vodou“. Mezinárodní název hydrogen (hydrogenium) pochází z francouzského hydrogène (A. Lavoisier).

Základní charakteristika vodíku

Vodík je bezbarvý, lehký plyn, bez chuti a zápachu. Je hořlavý, hoří namodralým plamenem, pro jeho hoření je nutný oxidační prostředek, kterým je nejčastěji vzdušný kyslík. Je 14,38× lehčí než vzduch a vede teplo sedmkrát lépe než vzduch.

• Skupenství: Plynný
• Barva: Bezbarvý
• Chuť: Bez chuti
• Zápach: Bez zápachu
• Hořlavost: Hořlavý (namodralý plamen)

Chemické vlastnosti vodíku

Vodík je za normální teploty stabilní, pouze s fluorem se slučuje za pokojové teploty. Je značně reaktivnější při zahřátí, především s kyslíkem a halogeny se slučuje velmi bouřlivě, i když pro spuštění této reakce je nutná inicializace (např. jiskra, která zapálí kyslíko-vodíkový plamen). Vodík vytváří sloučeniny se všemi prvky periodické tabulky (s výjimkou vzácných plynů), zejména pak s uhlíkem, kyslíkem, sírou a dusíkem.

Vodík je schopen tvořit zvláštní typ chemické vazby nazývaný vodíková vazba nebo také vodíkový můstek, kde vázaný atom vodíku vykazuje afinitu i k dalším atomům, s nimiž není poután klasickou chemickou vazbou.

Výskyt vodíku

Elementární vodík je na Zemi přítomen jen vzácně. Plynný vodík se v našem prostředí vyskytuje ve formě dvouatomových molekul H2, je však známo, že v mezihvězdném prostoru je přítomen z převážné části jako atomární vodík H. V zemské atmosféře se vyskytuje jen ve vyšších vrstvách a díky své mimořádně nízké hmotnosti postupně z atmosféry vyprchává. Další významný zdroj vodíku představují organické sloučeniny.

Čtěte také: Ekologická stabilita krajiny

Vodík je základním stavebním prvkem celého vesmíru, vyskytuje se jak ve všech svítících hvězdách, tak v mezigalaktickém prostoru. Podle současných měření se podílí ze 75 % na hmotě a dokonce z 90 % na počtu atomů přítomných ve vesmíru.

Izotopy vodíku

Vodík je jediný prvek, jehož izotopy mají vlastní chemické názvy a značky. Plynný vodík se vyskytuje ve dvouatomové molekule H2, která je mnohem stabilnější než atomární vodík. Za normální teploty se vodík chová tak, jako by byl směsí tří objemů orthovodíku (jádra atomů vodíku v molekule mají stejný spin) a jednoho objemu paravodíku (opačný spin). Při skladování kapalného vodíku probíhá přeměna ve směru ortho → para, která je exotermická natolik, že může dojít ke ztrátě až 2/3 původní kapaliny.

• Protium (1H): Nejběžnější izotop vodíku.
• Deuterium (D, 2H): Izotop tvořený jedním protonem a jedním neutronem v jádře atomu.
• Tritium (T, 3H): Izotop tvořený jedním protonem a dvěma neutrony v jádře atomu.

Deuterium bylo spektroskopicky pozorováno v roce 1931, příprava téměř čisté sloučeniny D2O (tzv. těžké vody) se podařila v roce 1933 G. N. Lewisovi.

Výroba vodíku

Vodík se uvolňuje při koksování uhlí, takže ve svítiplynu a koksárenském plynu tvoří okolo 50 % obj. Vodík se ve velkém průmyslově vyrábí termickým rozkladem methanu (zemního plynu) při 1000 °C (tzv. parním reformingem zemního plynu). Tato technologie je nejlevnější, reaguje směs metanu a vodní páry za vzniku vodíku a CO2.

Rozpouštění neušlechtilých kovů v kyselinách se využívá k přípravě vodíku v laboratoři. Reakcí amfoterních kovů s roztoky hydroxidů vznikají rozpustné hydroxokomplexy a vodík, nejtypičtější je reakce hliníku s roztokem hydroxidu sodného. Vodík vzniká také jako odpadní produkt při výrobě hydroxidů. Vedením vodní páry přes rozžhavené železo vzniká oxid železnato-železitý a vodík.

Čtěte také: Efektivní čištění odpadních vod

Dřívější velmi využívaná příprava vodíku byla reakce koksu s vodní párou. Další z možností je reakce methanu s vodní párou. Do budoucna se počítá s výrobou vodíku pomocí jaderné energie, a to buď termochemicky (vysokými teplotami - viz Mezinárodní fórum pro IV. generaci) nebo prostřednictvím elektrického proudu (jaderné elektrárny by tak mohly být využívány v době, kdy pro vyráběný proud není odběr).

Využití vodíku

V chemickém průmyslu je vodík výborným redukčním činidlem, sloužícím k sycení násobných vazeb organických molekul, např. Redukčních vlastností plynného vodíku se někdy využívá v metalurgii k získávání kovů z jejich rud (wolfram, molybden). Tento proces se ovšem využívá pouze tehdy, kdy nelze využít běžnější redukční činidla, jako je např. koks nebo dřevěné uhlí.

Vodík jako zdroj energie představuje pravděpodobně budoucnost energetiky i dopravy. Při spalování vodíku vzniká vedle značného energetického zisku (96-120 MJ/kg vodíku) pouze ekologicky naprosto nezávadná voda. Automobilové motory na bázi spalování plynného vodíku jsou v současné době předmětem intenzivního výzkumu předních světových výrobců motorů.

Zdokonalení a zlevnění palivového článku postupně umožňuje jeho širší nasazení. V tomto energetickém zařízení se energie chemické reakce vodíku s kyslíkem přeměňuje přímo na elektrickou energii. Jako paliva se přitom používá plynného vodíku, kyslík je u některých článků dodáván z atmosféry jako při normálním hoření. Účinnost tohoto procesu dosahuje v současné době hodnoty 60 %, což je podstatně více než při spalování vodíku a následným využitím vzniklého tepla pro výrobu elektrické energie.

Perspektivně jsou izotopy vodíku pokládány za hlavní energetický zdroj při využití řízené termonukleární fúze, kdy lze slučováním lehkých atomových jader dosáhnout významného energetického zisku. Hoření vodíku s kyslíkem je silně exotermní a vyvíjí teploty přes 3 000 °C. Mimořádně nízké hustoty plynného vodíku se využívalo v počátcích letectví k plnění vzducholodí a balónů.

Čtěte také: Definice ekologicky významného prvku

Vodíku stále více využívá při výrobě amoniaku z prvků - dusíku a vodíku. Reakce probíhá za teploty okolo 500 °C, tlaku 10-100 MPa a katalyzátoru aktivovaného železa (železo je aktivované oxidem hlinitým Al2O3 nebo oxidem draselným K2O). Experimentálně se využívá jako fyziologicky inertní dýchací plyn ve směsích pro extrémní hloubkové potápění. Jeho výhodou je velmi nízká hustota a absence HPNS (nervový syndrom vysokého tlaku). Kvůli vysoké reaktivitě vodíku s kyslíkem jsou při potápění používány směsi s maximálním obsahem kyslíku 4 %. Z tohoto důvodu je směs bezpečně dýchatelná teprve od hloubky 30 m.

Většina národních strategií snižování emisí skleníkových plynů počítá s využitím vodíku jako paliva. V první fázi by měl být využíván vodík, který v průmyslové výrobě vzniká jako nepotřebný vedlejší produkt (v roce 2023 je obvykle bez dalšího využití spalován). Tzv. černý vodík se vyrábí z černého uhlí, hnědý vodík z hnědého uhlí. Šedý vodík a modrý vodík ze zemního plynu, ale i jeho výroba je z hlediska emisí horší než přímo z plynu či uhlí samotného. Za použití elektřiny z obnovitelných zdrojů se vyrábí tzv. zelený vodík.

Sloučeniny vodíku

Hydridy jsou obecně všechny dvouprvkové sloučeniny vodíku s prvky. V užším slova smyslu se jako hydridy označují pouze dvouprvkové sloučeniny vodíku s alkalickými kovy a kovy alkalických zemin. Hydridy se dělí na iontové, kovalentní a kovové, které nemají vždy pravidelnou strukturu a pevné stechiometrické složení.

• Amoniak (NH3): Bezbarvý plyn nepříjemné chuti a čpavého zápachu.
• Voda (H2O): Bezbarvá kapalina bez chuti a vůně.
• Sulfan (H2S): Bezbarvý plyn s nakyslou chutí a vůní po zkažených vejcích.

tags: #nejlehčí #prvek #v #přírodě #vlastnosti

Oblíbené příspěvky:

• Pomoc týraným dětem
• O provozu Frýdecké skládky
• Nádoba na tříděný odpad Triplex – recenze
• Podrobnosti o nedostatku financí pro boj s klimatickou změnou
• Vlastnosti a využití ocelových kontejnerů na odpad