protonové číslo 1
relativní atomová hmotnost 1
elektronegativita 2,2
elektronová konfigurace 1s1
hustota (g·cm-3) 0,0898
teplota tání (°C) -259,0
teplota varu (°C) -253,0

Vodík (1H)

historie

  • v roce 1766 H. Cavendish izoloval vodík, zjistil jeho vlastnosti a dokázal, že voda je sloučeninou vodíku a kyslíku
  • H. Davy zjistil, že vodík je základním prvkem v kyselinách
  • A. L. Lavoisier navrhl název hydrogen (z řeckého ydor geinomai = vodu tvořící)

výskyt

  • nejrozšířenější prvek ve vesmíru a třetí nejrozšířenější prvek na Zemi
  • volný i vázaný ve sloučeninách
  • volný vodík se nalézá např. v plynném obalu hvězd
  • na Zemi se volný vodík za běžných podmínek nevyskytuje
  • největší množství vodíku je ve vodě
  • významný biogenní prvek

laboratorní příprava

  • reakcí elektropozitivních kovů s vodou:
    2Na + 2H2O → 2NaOH + H2
  • reakcí zředěných kyselin s elektropozitivními kovy:
    Mg + 2HCl → MgCl2 + H2
  • hydrolýzou hybridů kovů:
    CaH2 + 2H2O → Ca(OH)2 + 2H2
  • reakcí Zn, Al, Si s roztoky alkalických hydroxidů:
    Zn + KOH + 2H2O → K[Zn(OH)3] + H2
    2Al + 2KOH + 6H2O → 2K[Al(OH)4] + 3H2
    Si + 4KOH → K4SiO4 + 2H2
  • elektrolýzou okyselené vody s platinovými elektrodami (katoda – H2, anoda – O2)

průmyslová výroba

  • reakcí vodní páry s koksem nebo methanem:
    H2O + C → CO + H2 (vodní plyn, t = 1000°C)
    CH4 + H2O → CO + 3H2 (t = 1100°C)
  • konverze vodního plynu - vodní plyn se mísí s vodní párou v nadbytku:
    CO + H2 + H2O → CO2 + 2H2 (t = 400°C, katalyzátor oxidy Fe nebo Co)
  • vedlejší produkt při výrobě chloru a hydroxidu sodného
  • vodíkový generátor (pro malá množství plynu na různě vzdálených místech např. povětrnostní stanice):
    odpařuje se směs methanolu a vody v molárním poměru 1:1 (t = 400°C, katalyzátor Criii):
    CH3OH → CO + 2H2
    CO + H2O → CO2 + H2

fyzikální vlastnosti

  • v přírodě se vyskytuje jako směs tří izotopů:
    • lehký vodík - 1H
    • deuterium (těžký vodík) - 2H nebo 2D
    • tritium - 3H označovaný také jako 3T
  • bezbarvý plyn, bez chuti a zápachu
  • 14,4× lehčí než vzduch
  • obtížně se zkapalňuje a přeměňuje na pevnou látku
  • molekulový vodík (H2)
    • orto – jaderné spiny paralelní
    • para – jaderné spiny antiparalelní (za nízkých teplot, za teploty 0 K 100% para vodíku)
    • s rostoucí teplotou vzrůstá koncentrace orto-vodíku, za běžné teploty (3 orto : 1 para)

chemické vlastnosti

  • málo rozpustný v kapalných rozpouštědlech
  • molekulový málo reaktivní - vysoká vazebná energie
  • s fluorem reaguje za tmy:
    H2 + F2 → 2HF
  • přímo redukuje roztok chloridu palladnatého:
    PdCl2(aq) + H2 → Pd(s) + 2HCl(aq)
  • zapálen na vzduchu shoří - reaguje se vzdušným kyslíkem na vodu - exotermická reakce:
    2H2(g) + O2(g) → 2H2O(l)
  • při laboratorní teplotě oba plyny spolu nereagují
  • při teplotě větší než 600°C probíhá slučování explozivně, tím prudčeji, čím je směs H2 a O2 blíže poměru 2:1 - třaskavý plyn
  • za vyšší teploty reaguje s mnoha kovy a nekovy - vznikají hydridy (aktivace fotolyticky nebo katalyzátory Ni, Pd, Pt atd.):
    N2 + 3H2 → 2NH3
    H2 + S → H2S
    C + 2H2 → CH4
    3H2 + 2P → 2PH3
  • redukční vlastnosti - výroba kovů:
    CuO + H2 → Cu + H2O
    WO3 + 3H2 → W + 3H2O
  • elektrickým výbojem vzniká atomární vodík (H) (vodík ve stavu zrodu, nascentní vodík)
    • velmi reaktivní
    • nestálý - existuje velmi krátkou dobu a slučuje se na vodík molekulový
  • vytváří vazbu vodíkovým můstkem s O, F, N

užití

  • výroba amoniaku, methanolu, chlorovodíku
  • hydrogenace olejů
  • redukční činidlo - výroba kovů
  • řezání a sváření kyslíko-vodíkovými a vodíkovými hořáky
  • palivové články
  • kapalný vodík - studium elementárních částic (bublinová komora)
  • raketové palivo
  • deuterium (2D)
    • příprava z těžké vody (D2O) - elektrolytickým obohacením vody
    • užití - sledování reakčních mechanizmů, deuterovaná rozpouštědla - nukleární magnetická resonance (NMR)
  • tritium (3T)
    • vzniká působením kosmického záření na vzdušný dusík:
      14N + 1n → 12C + 3T
    • příprava - působením neutronů na lithium:
      6Li + 1n → 3T + α
    • užití - sledování pohybu spodních vod, studium reakčních mechanizmů, studium homogenní katalýzy

sloučeniny

  • hydridy
    • solné hydridy
      • hydridy alkalických kovů (MH) a kovů alkalických zemin (MH2)
      • vznikají přímou syntézou prvku a vodíku
      • bílé, krystalické látky
      • obsahují hydridový anion(H-)
      • tepelná stálost klesá od Li k Cs ,od Ca k Ra
      • reaktivita v daném směru vzrůstá
      • reagují s vodou:
        NaH + H2O → NaOH + H2
    • kovalentní hydridy
      • hydridy prvků IV.A – VII.A podskupiny
      • plynné, těkavé látky
      • obsahují vodíkový kation
    • intersticiální (mřížkové) hydridy
      • tvoří je prvky vedlejších podskupin
      • vodík obsazuje mezery v mřížce kovu
      • tyto hydridy jsou vlastně tuhé roztoky (slitiny) kovu a vodíku
      • málo stabilní
      • rozdílné složení
    • polymerní hydridy
      • bor, uhlík, křemík
    • komplexní hybridy
      • LiBH4, NaBH4, LiAlH4, Al(BH4)3, atd.
    • hydridy, ve kterých vodíkový atom vystupuje jako jednodonorový nebo dvoudonorový ligand vázaný na přechodný prvek [FeH2(CO)4] , [CoH(CO)4]