Jak se vodík vyskytuje v přírodě

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).

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.

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.

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. Vodík patří společně s uhlíkem, kyslíkem a dusíkem mezi biogenní prvky, které tvoří základní stavební kameny všech živých organismů.

Čtěte také: Sazba DPH pro dřevěné odpady

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.

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.

Vodík je jediný prvek, jehož izotopy mají vlastní chemické názvy a značky. Deuterium (D, 2H) je izotop tvořený jedním protonem a jedním neutronem v jádře atomu, tritium (T, 3H) je izotop tvořený jedním protonem a dvěma neutrony v jádře atomu. Pro samotný vodík je vyhrazen název protium.

V přírodě se vodík vyskytuje vázaný ve vodě a v obrovském množství organických sloučenin. Významné je zastoupení vodíku ve formě krystalické, konstituční nebo volné vody v řadě minerálů. V některých nerostech se vodík vyskytuje ve formě amoniového iontu, např. struvit (NH4)MgPO4·6H2O, oxammit (NH4)2(C2O4)·H2O nebo phosphammit (NH4)2HPO4. Určité množství vodíku se nalézá také v minerálech organického původu - organoidech. Mezi známé organoidy patří např. jantar, kratochvílit (C6H4)2CH2, earlandit Ca3(C6H5O7)·4H2O nebo hoganit Cu(CH3COO)2·H2O.

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.

Čtěte také: Kompostování krok za krokem

Vedením vodní páry přes rozžhavené železo vzniká oxid železnato-železitý a vodík. 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.

V současnosti je však většina vodíku získávána z fosilních paliv, a vodík jako mezistupeň snižuje účinnost jejich využití. 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.

Nevýhodou současných palivových článků je stále ještě jejich vysoká cena a fakt, že proces je doposud značně citlivý vůči katalytickým jedům, takže vyžaduje použití velmi čistých chemikálií. Perspektivně jsou izotopy vodíku pokládány za hlavní energetický zdroj při využití řízené termonukleární fúze, kdy lze slučováním lehkých atomových jader dosáhnout významného energetického zisku.

Čtěte také: Škoda a emisní normy

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. Nízké hustoty a nízké viskozity vodíku se využívá pro snížení tření ve strojích, kde je třeba rychle proudící plynné médium.

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.

tags: #v #jaké #formě #se #v #přírodě

Oblíbené příspěvky:

• Stanoviště v herbáři
• Stálá pohyblivá stanoviště: Definice
• Náklady znečištění životního prostředí
• Proč třídit bioodpad?
• Praktický průvodce projektovou výukou ekologie