Vodík

český název Vodík
latinsky Hydrogenium
anglicky Hydrogen
francouzsky Hydrogéne
německy Wasserstoff
značka H
protonové číslo 1
relativní atomová hmotnost 1,00794
Paulingova elektronegativita 2,2
elektronová konfigurace 1s1
teplota tání 14,01 K, -259,14°C
teplota varu 20,28 K, -252,87°C
skupina 1 (I.A)
perioda 1
skupenství (při 20°C) plynné
oxidační čísla ve sloučeninách -1, +1
rok objevu 1766
objevitel Cavendish
teplota samovznícení [°C] 580
kritický tlak [MPa] 1,293
hustota [g cm-3] 0,00008988
oxidační stavy -I, I
atomový poloměr [pm] 53
kovalentní poloměr [pm] 37
specifické teplo [J g-1K-1] 14,304
slučovací teplo [kJ mol-1] 0,05868
tepelná vodivost [W m-1 K-1] 0,1805
1. ionizační energie [kJmol-1] 1312,049

 

Vodík je, vzhledem k jeho relativní atomové hmotnosti blízké jedné, nejlehčím prvkem periodické tabulky.

Zároveň se jedná o nejšířeji zastoupený prvek ve vesmíru, neboť tvoří cca tři čtvrtiny hmotnosti všech baryonů (tj. částic sestávajících se ze tří kvarků, např. protony, neutrony).

 

Jedná se o lehký plyn, který se stává při smísení se vzduchem při zastoupení kyslíku >4% silně hořlavým. Plamen je takřka neviditelný a produktem hoření je voda.

 

Vodík byl na konci patnáctého století poprvé zaznamenán Paracelsem, který prováděl experiment s přidáváním železa do kyseliny sírové. V důsledku reakce vznikal plynný vodík H2. Paracelsus ovšem považoval vyvíjený plyn za „vítr“.

Vědci, kteří v průběhu historie vodík separovali, tak činili bez výjimky za pomoci styku kovu s kyselinou (např. se jednalo o De Mayere či Boyle).

Že se jedná o nový prvek a ne o „vítr“, si uvědomil až v polovině osmnáctého století známý anglický vědec Henry Cavendish, a to po přidání zinku do kyseliny chlorovodíkové. Cavendish mimo jiné zaznamenal, i že prvek hoří právě za vzniku vody. Hořlavost jako takovou odhalil o sto let dříve De Mayerne.

Vodík definitivně získal své jméno „Hydrogenium“ ke konci osmnáctého století, kdy mu jej v návaznosti na Cavendishův experiment přiřkl francouzský chemik Lavoisier. Název vyplývá z řečtiny a znamená „tvořící vodu“.

Krom styku kovu s kyselinou lze vodík vytvářet i elektrolýzou vody, kdy elektrický proud odseparuje vodík a kyslík. Průmyslově je využívána právě elektrolýza vody nebo zpracování uhlovodíků. Při zpracování uhlovodíků dochází k parciální oxidaci ropy a nebo ke zplyňování uhlí či ropného koksu.

 

Konvenčně je vodík ve jednomocné formě, jako plyn H2, i když může v exotických podmínkách nabývat i jiných podob.  Na Zemi je většina vodíku uložena v podobě H2O.

 

Vodík se v přírodě vyskytuje ve třech izotopech lišících se množstvím neutronů – ty se nazývají protium (neobsahuje), deuterium (obsahuje jeden neutron) a tritium (obsahuje dva neutrony), přičemž vodík, který uvažujeme v běžných okolnostech, je izotop protium. Všechny tři izotopy obsahuje jeden proton a jeden elektron.

Izotopy se liší praktickým využitím, a v případě tritia radioaktivitou.

Vodík v podobě protia má široké využití zejména v průmyslu. Primárně je využíván v tzv. Haber-Boschově procesu, při kterém je ze vzdušného dusíku syntetizován amoniak. Proces vynalezl (nechvalně) známý německý chemik Fritz Haber a zkomercializoval jej Carl Bosch pracující pro firmu BASF. Dnes se jedná o nepostradatelný proces, neboť přirozená množství dusíku v půdě nepostačují k pokrytí světové produkce rostlin. Další využití má izotop protium v oblasti pohonných hmot. Perspektivu skýtá díky „čistému“ spalování, jehož jediným přímo-vznikajícím odpadem je voda. Dnes jsou z tohoto důvodu za použití vodíku jako alternativa k lithium-iontovým bateriím konstruovány palivové články pro elektromobily. Jejich klíčovým problémem je ovšem nízká efektivita. Problém tkví ve faktu, že vodík není zdrojem energie, ale nosičem energie. Tzn., že je nejdříve nutno energii vydat, než ji lze z vodíku čerpat.  Vodík je většinou vyráběn hydrolýzou vody či zpracováním uhlovodíků – což jsou neefektivní procesy o až 60% ztrátovosti energie. Ekologičnost procesu je navíc v případě elektrolýzy vody dále potenciálně zpochybněna použitím elektrického proudu, který bude pravděpodobně vyráběn v uhelné elektrárně. Řešením se může ukázat např. solární nebo větrná energie – zde se ovšem jedná již o další znatelný úbytek v efektivitě procesu.

Co se týče ostatních izotopů, charakteristickým použitím deuteria je jeho užití v těžké vodě v jaderných reaktorech. Těžká voda je konvenční H2O, jejíž kyslík je namísto protia vázán na deuterium.

Izotop tritium je vzhledem ke své radioaktivitě omezeně využíván v luminiscentních barvách, např. při výrobě hodinek (skleněná krytka postačuje k odstínění jeho slabé radiace).

 

Největší budoucí přínos vodíku se pravděpodobně skrývá v energetice. Vodík je palivem tzv. fúzní elektrárny (jejíž prototyp se v současné době buduje ve Francii). Fúzní elektrárna imituje slučování jader probíhající ve Slunci a vytváří tak elektrický proud. Při jaderné fúzi dochází ke sloučení deuteria s tritiem za vzniku helia, antičástice, neutronu a tepelné energie.

Fúzní elektrárny by v budoucnu měly nahradit elektrárny jaderné, neboť jsou vysoce efektivní, nevytváří radioaktivní odpad (jen vodu) a v neposlední řadě při jejich využití odpadá riziko jaderné exploze reaktoru.