Wodór definicja i właściwości

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 wodoru

W warunkach labolatoryjnych wodór można otrzymać w następujący sposób:
 

Właściwości fizyczne wodoru

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 600^oC.
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 180^oC następuje znacznie szybsze tworzenie się pary wodnej, a powyżej 450^oC 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 wodoru

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

Pojęcie wodorki rozumie się połączenie wodoru z innymi pierwiastkami typu X_mH_n. 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.