Strona korzysta z plików cookies w celu realizacji usług i zgodnie z polityką plików cookies.
Możesz określić warunki przechowywania lub dostępu do plików cookies w Twojej przeglądarce.

Wodór

Wstęp

Wodór jest to najprostszy i najlżejszy pierwiastek chemiczny rozpoczynający układ okresowy. Wykazuje on podobieństwo do litowców, ze względu na to że atomu wodoru zawiera tylko jeden elektron walencyjny. Natomiast podobieństwo do fluorowców wynika z tego, że wodór przyłączając jeden elektron uzyskuje trwałą konfigurację elektronową gazu szlachetnego. Jednak pomimo podobieństw do litowców i fluorowców wodoru nie zaliczamy do żadnej z tych grup układu okresowego.

Symbol H
Nazwa w jęz. angielskim hydrogen
Nazwa w jęz. łacińskim hydrogenium
Stan skupienia gaz
Charakter chemiczny niemetal
Liczba atomowa 1
Masa atomowa [u] 1,0079
Okres, blok energetyczny 1 (IA), 1, s
Wartościowość I
Konfiguracja elektronowa uproszczona 1 s1
Elektroujemność wg Paulinga 2,1
Temperatura topnienia [oC] -259,2
Temperatura wrzenia (p=1013 hPa) -252,8
Energia jonizacji [kJ/mol]
1312
Potencjał elektrodowy (w temp. 25 °C) 0,000
Gęstość ciekłego wodoru (-253 oC) [g/l] 70,8
Gęstość gazowego wodoru (0oC, 1 atm.) [g/l] 0,08988
Gęstość wodoru stałego (-262 oC) [g/l] 80,7

Odkrycie

Wodór był prawdopodobnie znany już w XVI wieku, gdyż powstaje on w licznych reakcjach metali z kwasami. Jednak jako pierwszy właściwości wodoru opisał w 1776 roku angielski chemik Henry Cavendish, który jest uważany za odkrywcę. Cavendish otrzymał wodór w reakcji kwasu z metalem, a wydzielający się gaz nazwał "palnym powietrzem". Wkrótce po tym Lavoisier rozłożył wodę na tlen i wodór i nadał mu nazwę hydrogenium, co oznacza "tworzący wodę". Natomiast nazwę wodór zaproponował Śniadecki i 1900 roku została ona zatwierdzona przez Karkowską Akademię Umiejętności.

Występowanie w przyrodzie

Wodór w stanie wolnym występuje w niewielkich ilościach (3 · 10-6 % wag., 5 · 10-5 obj.) w górnych warstwach atmosfery oraz w gazach wulkanicznych, niekiedy w gazie ziemnym, a także w granicie i innych skałach. Wodór w postaci związanej wchodzi w skład wielu związków organicznych i nieorganicznych. Główna ilość wodoru jest zawarta w wodach morskich i lądowych, a także w węglowodorach i wszystkich związkach organicznych występujących w organizmach żywych. Zawartość wodoru w dostępnych dla człowieka częściach Ziemi (skorupa ziemska, atmosfera i hydrosfera) wynosi 0,87 % wag. W organizmie człowieka znajduje się ok. 10% (ok. 7 kg) wodoru w postaci związków chemicznych, głównie wody.

Otrzymywanie

W warunkach labolatoryjnych wodór można otrzymać w następujący sposób:

  • w reakcji metalu leżącego w szeregu reaktywności metali przed wodorem z kwasem solnym (HCl) lub rozcieńczonym kwasem siarkowym (VI) (H2SO4)

\(Zn + 2 \: HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2 ↑\)

  • w reakcji metali grup 1 (I) i 2 (IIA) z wodą
\(Na + H_2O \rightarrow \dfrac{1}{2} H_2 ↑ + NaOH\)

  • elektroliza wodnych roztworów kwasów, zasad i niektórych soli, bądź wody

\(2 H^+ + 2 e^- \rightarrow H_2 ↑\) reakcja na katodzie


\(2 Cl^- + 2 e^- \rightarrow Cl_2 ↑\) reakcja na anodzie

\(2 H^+ + 2Cl^- \rightarrow Cl_2 + H_2 ↑\) reakcja sumaryczna

  • niektóre matale (np. cynk, glin) i niematale (np. krzem) wydzielają wodór z zasad

\(Al + KOH + 3 H_2O \rightarrow KAl(OH)_4 + \dfrac{3}{2} H_2↑\)

  • w wyniku reakcji związków metali z wodorem tzw. wodorków, które reagują z wodą z wydzieleniem wodoru

\(CaH_2 + 2 H_2O \rightarrow Ca(OH)_2 + 2H_2 ↑\)

  • z metanu lub gazu ziemnego czy rozżarzonego koksu i pary wodnej

\(CH_4 + H_2O \rightarrow CO ↑ + 3 H_2 ↑\)


\(C + H_2O \rightarrow CO ↑ + 3 H_2 ↑ \)

  • w procesie suchej destylacji węgla kamiennego

Właściwości fizyczne

Wodór w warunkach normalnych jest gazem bezbarwnym, bez smaku i zapachu, słabo rozpuszczalnym w wodzie ( 0,021 obj. H2 w 1 obj. H20 w 0oC). Niska temperatura krytyczna wodoru (-239,9 oC) powoduje, że jego skroplenie jest trudniejsze niż skroplenie powietrza i większości innych gazów. Skroplony wodór jest cieczą bezbarwną o ciężarze właściwym 0,07 g/cm3. Wodór gazowy z powodu małej masy cząsteczkowej (2,0158) wykazuje najmniejszy ciężar właściwy spośród wszystkich gazów - 0,08988 g/l w 0oC i 1 atm., jest 14,4 razy lżejszy od powietrza. W porównaniu z gazami wykazuje również dużą szybkość dyfuzji oraz jest najlepszym przewodnikiem ciepła spośród wszystkich gazów.
Występują dwie odmiany wodoru cząsteczkowego: ortowodór i parawodór, które różnią się ciepłem właściwym. Wynika to z tego, że momenty magnetyczne jąder oddziaływują na siebie. W przypadku odmiany parawodoru momenty magnetyczne ustawiają się w przeciwnych kierunkach, a w odmianie ortowodoru równolegle. W temperaturze pokojowej wodór zawiera 75% odmiany orto i 25% odmiany para i w miarę ozięmbiania zawartość parawodoru stopniowo wzrasta. Przemiana ortowodoru w parawodór jest procesem egzotermicznym i wiąże się z wydzieleniem ciepła  w ilości 0,337 kcal/mol, która wystarcza do odparowania ok. 60% skroplonego wodoru. Dlatego aby uniknąć strat w czasie przechowywania wodoru w stanie ciekłym oziębia się go niemal do temperatury skroplenia, wprowadza się na katalizator i dopiero po całkowitej przemianie w parawodór przystępuje do skraplania.
Unikatową właściwością wodór jest jego znaczna rozpuszczalność w niektórych metalach. W wysokich temperaturach rozpuszcza się w: platynie, niklu, żelazie, miedzi. Gąbka palladowa jest w stanie pochłonąć objętość wodoru 800 razy większą od swej własnej objętości.

Właściwości chemiczne

Wodór w temperaturze pokojowej jest pierwiastkiem niezbyt aktywnym chemicznie. Bezpośrednio łączy się on tylko z fluorem, a w wyniku naświetlania również z chlorem. W podwyższonych temperaturach reaguje z licznymi pierwiastkami, głównie z niemetalami a z spośród metali z metalami silnie elektrododatnimi (np. lit, sód, wapń). W podwyższonych temperaturach wodór jest silnym reduktorem, za pomocą którego można przeprowadzić redukcje wyższych tlenków
metali do niższych lub do wolnego metalu, np. tlenek żelaza (III) można zredukować do wolnego żelaza w temperaturze 600oC.

Wodór jest gazem palnym, który pali się bladoniebieskim płomieniem. Próby spalania wodoru powinno się wykonywać tylko z względnie czystym wodorem, tzn. nie zawierającym powietrza, gdyż zmieszany z powietrzem wybucha. Produktem spalania wodoru jest woda, a reakcja wygląda następująco: 

\( 2 H_2O + O_2 \rightarrow 2 H_2O + 136,6 \: \text{kcal}\)

W przypadku ogrzania mieszaniny wodoru i gazu do 180oC następuje znacznie szybsze tworzenie się pary wodnej, a powyżej 450oC reakcja przebiega wybuchowo. Wybuch jest najintensywniejszy wtedy, gdy wodór został zmieszany z tlenem w stosunku objętościowym 2:1, a mieszanina ta nosi nazwę piorunującej.

Zastosowanie

W przemyśle chemicznym wodór wykorzystuje się do otrzymywania chlorowodoru i amoniaku (metodą Habera i Boscha) a z niego kwasu azotowego (V) i nawozów azotowych. W wyniku syntezy różnych produktów z mieszaniny wodoru i tlenku węgla w zależności od warunków oraz rodzaju użytego katalizatora można otrzymać np. alkohol metylowy, metan, lekkie i ciężkie węglowodory. W przemyśle tłuszczowym stosowany jest do utwardzania tłuszczów ciekłych (np. produkcja margaryny i mydła).
Znajduje również zastosowanie w palnikach do cięcia, spawania metali oraz do sztucznego otrzymywania kamieni szlachetnych (np. rubinów). W metalurgii wodór stosowany jest do redukcji niektórych rud metali. Wodór wykorzystuje się również jako paliwo (przede wszystkim w statkach kosmicznych) oraz do otrzymania benzyny syntetycznej. Ze względu na małą gęstość stosuje się go do napełniania balonów i sterowców.
W handlu wodór jest rozprowadzany w butlach stalowych pod ciśnieniem 150 atm., pomalowanych na kolor ciemnozielony z czerwonym napisem.

Izotopy

Wodór ma dwa stabilne izotopy: deuter (2H lub D) i prot (1H) oraz jeden niestabilny - tryt (3H lub T). Izotopy te znacznie różnią się gęstością, temperaturą wrzenia, topnienia oraz innymi właściwościami.

Prot
jest najbardziej rozpowszechnionym izotopem wodoru, którego jądro składa się z jednego protonu. W wodorze naturalnym występuje w ilości 99,9844%. W praktyce właściwości chemiczne wodoru i jego związków odnoszą się zazwyczaj do protu.


Deuter
zwany "ciężkim wodorem" jest nieradioaktywnym izotopem wodoru, którego jądro składa się z protonu i neutronu. Został on odkryty w 1932 roku przez zespół amerykańskich naukowców kierowany przez Harolda Urey'a. W wodorze naturalnym izotop ten występuje w ilości 0,0156 %. Deuter można stosunkowowo łatwo wydzielić z naturalnej mieszaniny izotopów wodoru dzięki dużemu stosunkowi ich mas molowych. Może zastępować wodór we wszystkich związkach co powoduje zmianę ich właściwości fizycznych i chemicznych. Woda, w której atomy oba atomy wodoru zostały podstawione przez deuter nosi nazwę "wody ciężkiej" i może mieć następujący wzór: HDO, gdy jeden z dwóch atomów wodoru jest zastąpiony atomem deuteru, lub D2O gdy atomy wodoru są zastąpione atomami deuteru. Woda ciężka ma zastosowanie przy produkcji bomb jądrowych.


Tryt jest promieniotwórczym izotopem wodoru, którego jądro składa się z protonu i dwóch neutronów. Izotop ten powstaje w małych ilościach w atmosferze, można go również wytwarzać na drodze sztucznych przemian jądrowych. Tryt jest nietrwały i emituje promieniowanie \(\beta^-\)przechodząc w izotop helu:

\(_2^3He\): \(_1^3 T \xrightarrow{\beta^-} _2^3He\)

Okres połowicznego rozpadu wynosi 12,262 lat. Tryt ma duże zastosowanie w bdaniach chemicznych i biologicznych jako wskaźnik promieniotwórczy.

Wodór atomowy i wodór aktywny

Oprócz wodoru cząsteczkowego występującego w normalnych warunkach można otrzymać wodor atomowy złożony z pojedynczych atomów H. Wodór atomowy charakteryzuje się znacznie większą aktywnością chemiczną w porównaniu z wodorem cząsteczkowym. Powstaje w temperaturze pokojowej pod wpływem wyładowań alektrycznych w rozrzedzonym wodorze cząsteczkowym. Może on istnieć tylko przez krótki okres czasu, który wynosi w zależności od warunków 0,3 - 0,5 s.
Wodorem aktywnym nazywa się wodór, który powstaje w jakiejkolwiek reakcji chemicznej, np. reakcji pomiędzy cynkiem a kwasem solnym. Wodór aktywny ma właściwości chemiczne zbliżone do wodoru atomowego.

Wodorki

Przez pojęcie wodorki rozumie się połączenie wodoru z innymi pierwiastkami typu XmHn. Wodorki dzielimy na wodorki typu soli, wodorki metaliczne i wodorki kowalencyjne.
Wodorki typu soli są połączeniami jonowymi, w których wodór występuje w postaci anionu H-. Tworzone są przez metale z grup IA i IIA (z wyjątkiem berylu i magnezu) i powstają w wyniku bezpośredniego działania wodoru na metale w podwyższonej temperaturze.

Wodorki metaliczne są połączeniami wodoru z metalami wewnętrznoprzejściowymi i zewnętrznoprzejściowymi. Są nielotne i charakteryzują się połyskiem i własnościami metalicznymi.

Wodorki kowalencyjne zawierają wodór związany przez wiązanie kowalencyjne. Tworzone są przez pierwiastki grup od IVA do VIIA oraz przez bor (grupa IIIA). Wodorki te są na ogół łatwo lotne. Trwałość wodorków kowalencyjnych maleje w miarę jak w danej grupie wzrasta masa atomowa pierwiastka, który łączy się z wodorem oraz jak pogłębia się jego charakter metaliczny.