vodik

vodik, kemijski simbol H (lat. hydrogenium), najlakši kemijski element atomskoga broja 1 i s relativnom atomskom masom 1,0080 (ovisno o smjesi izotopa 1,00784 do 1,00811). Prvi je po redu u periodnome sustavu elemenata. S obzirom na karakterističnu elektronsku konfiguraciju 1s¹ i mogućnost postizanja stabilne elektronske konfiguracije, katkad se ubraja u kemijske elemente 1. skupine ili u elemente 17. skupine periodnoga sustava elemenata. Lako primanje i otpuštanje elektrona nije svojstveno vodiku jer ima mnogo veću elektronegativnost i energiju ionizacije od alkalijske skupine elemenata, a od halogenih manju elektronegativnost i manji afinitet prema elektronu, pa stoga vodik nema određen položaj u periodnome sustavu elemenata i proučava se zasebno.

Dva su stabilna izotopa vodika, laki izotop vodika ili procij (¹H), koji je u ukupnome stabilnom vodiku u prirodi zastupljen s 99,985% a sastoji se samo od jednoga protona u jezgri i jednoga elektrona u elektronskome omotaču, te teški izotop vodika ili deuterij (²H, D), dva puta veće mase od procija, na koji otpada preostalih 0,015%, a jezgra kojega sadržava proton i neutron (deuteron) okružena je s jednim elektronom. U kemiji, kation procija naziva se proton (H⁺), a hidron je ime za vodikov kation u prirodnoj izotopnoj smjesi obaju stabilnih vodikovih izotopa, pa se rabi kao zajedničko ime za proton (H⁺) i deuteron (D⁺). Zbog pomanjkanja elektrona hidron ima velik afinitet prema elektronu i ne može slobodan postojati u otopinama te se lako veže na slobodni elektronski par molekule otapala, primjerice vode (hidratacija) i nastaje hidronijev ion H₃O⁺. U prirodi se nalazi i radioizotop vodika tricij (³H, T) s vremenom poluraspada 12,32 ± 0,02 godine. Sastoji se od jednoga protona i dva neutrona te jednoga elektrona u elektronskome omotaču, a ukupna masa prirodnoga tricija u atmosferi iznosi približno 3,6 kg. Poznata su četiri nestabilna umjetna radioizotopa vodika ⁴H, ⁵H, ⁶H, ⁷H.

Vodik je najrašireniji kemijski element u svemiru (maseni udjel 75%), gdje u nuklearnim reakcijama fuzije, koje se zbivaju u zvijezdama, od vodika nastaju helij i energija. U svemiru se vodik uglavnom nalazi u atomskom stanju ili kao plazma, čija su svojstva sasvim drukčija od molekulskoga vodika H₂. Na Zemlji je u plinovitom stanju raširen u neznatnim količinama (u atmosferi, prirodnome plinu, ekshalacijama vulkana i dr.), ali se pojavljuje u nizu spojeva: sastojak je vode i hidrata, kiselina i baza, hidrida, te ugljikovodika i gotovo svih ostalih organskih spojeva te je jedanaesti po redu kemijski element po zastupljenosti u Zemljinoj kori s masenim udjelom 0,1%. Biogeni je element, odnosno u stanicama se nalazi u mnogobrojnim anorganskim i organskim spojevima pa je u ljudskom tijelu zastupljen treći po redu s masenim udjelom 9,5%.

Otkriće

Plin vodik bio je poznat mnogo prije nego li su bila poznata njegova svojstva. U spisima kemičara XVI. i XVII. st. više se puta spominjao kao plin koji se oslobađa pri djelovanju kiselina na metale. Prva spoznaja o vodiku pripisuje se Robertu Boyleu koji je 1760. otopio željeznu strugotinu u razrijeđenoj sumpornoj kiselini primijetivši da je plin koji se stvarao vrlo zapaljiv pa ga je nazvao »zapaljivim zrakom«. Ipak, otkriće vodika pripisuje se Henryju Cavendishu koji je 1766. ustanovio da je vodik zaseban plin različit od zraka i drugih plinova te je 1781. pokazao da gorenjem vodika nastaje voda. Otapao je cink, željezo ili kositar u razrijeđenoj sumpornoj ili solnoj kiselini u pneumatskoj kadi za istraživanje plinova, što mu je omogućilo prikupljanje i analizu plinova. Odredio je gustoću vodika odredivši volumen i masu razvijenoga vodika. Ustanovio je da nastaje jednak volumen vodika bez obzira na to koja se kiselina rabi za otapanje jednake mase metalnih strugotina. Ime hidrogen (francuski hydrogène) dolazi od grčkoga ὕδωρ, hýdōr: voda i γεννάω, gennáō: tvoriti, a dali su ga vodiku Antoine Laurent de Lavoisier i Louis-Bernard Guyton de Morveau (1787). Joseph Black demonstrirao je 1767. dizanje balona ispunjenoga »zapaljivim zrakom od metala« u zrak. To je postavilo temelje za uporabu vodika u balonima i zračnim brodovima koja je započela 1783. letom balonom francuskoga fizičara i izumitelja Jacquesa Alexandrea Césara Charlesa. Požar zračnoga broda Hindenburg tijekom slijetanja u zrakoplovnu bazu Lakehurst u New Jerseyu 1937. okončao je takvu uporabu vodika. Tekući je vodik prvi dobio 1898. James Dewar, a godinu poslije on je proizveo i čvrsti vodik. Deuterij je 1931. dobio Harold Clayton Urey, a 1933. Gilbert Newton Lewis priredio je čistu tešku vodu D₂O. Ernest Rutherford i njegovi suradnici proizveli su 1934. tricij.

Fizikalna i kemijska svojstva

Vodik je plin bez boje, mirisa i okusa, vrelište mu je –252,87 °C, a talište –259,34 °C. Najlakši je od svih plinova, 14,4 puta lakši od zraka. Ohlađen na temperaturu vrelišta, kondenzira u bezbojnu tekućinu koja je najlakša od svih tekućina. Toplinska vodljivost mu je razmjerno velika, a topljivost u vodi mala. Slobodan, nevezan vodik u elementarnom stanju sastoji se od dvoatomskih molekula (H₂). Dva izomera vodika, koji se međusobno razlikuju po spinovima (unutarnjim impulsima vrtnje) dvaju protona u molekuli te imaju različite spektre zračenja otkrivena su 1924. To su orto-vodik (paralelni spinovi) i para-vodik (antiparalelni spinovi), a razlike u njihovim svojstvima objasnio je 1927. Werner Karl Heisenberg primjenom kvantne mehanike. Talište i vrelište para-vodika je za 0,1 °C niže od orto-vodika. Pri standardnim uvjetima plin vodik sadržava 25% para-vodika i 75% orto-vodika. Među kemijskim elementima vodik pokazuje najveću sposobnost difuzije pa ga neki elementi, posebice platinski metali, mogu apsorbirati u golemim količinama (paladij može na visokoj temperaturi apsorbirati 935 puta veći volumen vodika od vlastita volumena). Vodik je lakozapaljiv; smjesa vodika i kisika (plin praskavac), dovoljno zagrijana, reagira eksplozivno, spajajući se u vodu uz razvijanje velike količine topline. Smjesa vodika i klora eksplodira čim se izvrgne svjetlosti, a smjesa s fluorom eksplodira i u mraku. S ostalim elementima vodik reagira tek uz zagrijavanje ili uz prisutnost katalizatora.

Kemijski spojevi i uporaba

Pozitivni oksidacijski broj (I) vodik ima u spojevima s kemijskim elementima veće elektronegativnosti (kisikom, dušikom, fosforom, halogenim elementima i dr.), a u spojevima s kemijskim elementima kojih atomi imaju relativni koeficijent elektronegativnosti manji od 2 (većina metala) vodiku se pripisuje negativan oksidacijski broj (–I). Sa sumporom se vodik lako spaja u sumporovodik (H₂S), s dušikom daje amonijak (NH₃). Mnogobrojnim oksidima vodik na povišenoj temperaturi oduzima kisik (redukcija), spajajući se s njime u vodu. Nezasićeni i aromatski organski spojevi mogu se s vodikom spajati u njime bogatije spojeve (hidrogenacija). Binarni spojevi vodika s drugim elementima, među kojima je najvažnija voda, nazivaju se hidridi. Među molekulama u kojima postoje skupine H–O, H–N, H–F i sl. nastaju vodikove veze, uzrokovane velikom razlikom u elektronegativnosti između vodikovih atoma i atoma drugih elemenata pa nastaju jaki dipoli. Te su kemijske veze mnogo jače od van der Waalsovih veza, ali još uvijek znatno slabije od kovalentnih, i o njima ovise svojstva vode i mnogobrojnih biološki važnih sustava. Halogenovodici su spojevi vodika s halogenim elementima koji u vodi daju pripadne halogenovodične kiseline. Ugljikovodici su spojevi sastavljeni samo od ugljika i vodika.

Vodik se u industrijskom mjerilu dobiva katalitičkom reakcijom vodene pare s ugljikovodicima prirodnoga plina pri visokoj temperaturi i visokom tlaku ili reakcijom teškog ulja i drugih ostataka destilacije nafte s kisikom, a samo rijetko i rasplinjavanjem ugljena u plinskom generatoru. Tako nastaje smjesa vodika i ugljikova monoksida (sintezni plin poznat i kao vodeni plin), koja se rabi kao sirovina za proizvodnju amonijaka, metanola i drugih spojeva. Ukupna proizvodnja vodika 2023. iznosila je 97 milijuna tona, pretežno iz prirodnoga plina. Razmjerno čisti vodik (volumni udjel 97 do 99,5%) iz te se smjese dobiva uklanjanjem ugljikova monoksida katalitičkom oksidacijom, a isporučuje se u trgovine u čeličnim bocama pod tlakom većim od atmosferskoga. Vrlo čisti vodik (> 99,5%) jednostavno se proizvodi elektrolizom vode, ali se elektroliza u tu svrhu primjenjuje rijetko (češće kao metoda za dobivanje teške vode, D₂O), jer na cijenu tako proizvedenoga vodika znatno utječe cijena električne energije. U laboratoriju se vodik najlakše dobiva djelovanjem mineralnih kiselina (jake anorganske kiseline koje se dobivaju iz jednoga ili više anorganskih spojeva sadržanih u mineralima) na cink u Kippovu aparatu. U posebnim uvjetima može se dobiti i vrlo nestabilni, atomski vodik, koji se, za razliku od molekulskoga, sastoji od pojedinačnih atoma. Najveće količine vodika rabe se za sintezu amonijaka i metanola te za proizvodnju motornih goriva hidrogenacijom ugljena, nafte i katrana. Osim toga, vodik se rabi u proizvodnji masti (margarina) pri hidrogenaciji ulja, za dobivanje klorovodika, cijanovodične kiseline, mnogobrojnih ugljikovodika i alkohola, aldehida i ketona, kao rashladno sredstvo (zbog velikoga toplinskoga kapaciteta), u metalurgiji za dobivanje metala iz ruda redukcijom metalnih oksida, u smjesi s kisikom za zavarivanje (temperatura plamena pri kontroliranom izgaranju do 2700 °C), ukapljeni vodik rabi se kao gorivo za raketni pogon (primjerice raketa nosač Saturn V, u okviru programa svemirskoga leta prema Mjesecu s ljudskom posadom) i dr. Zbog mogućnosti proizvodnje vodika elektrolizom vode, koje na Zemlji, za razliku od fosilnih goriva, ima u gotovo neograničenim količinama, istraživanja su usmjerena na moguću primjenu vodika kao izvora energije, ponajprije kao motornoga goriva.