Wodór

Wodór, hydrogenium, H, pierwiastek chemiczny rozpoczynający układ okresowy. Liczba atomowa 1, masa atomowa 1,0. Znane są 2 trwałe izotopy wodoru: prot i deuter, oraz jeden promieniotwóczy: tryt.
W przyrodzie występuje w stanie wolnym (w niewielkich ilościach), ponadto w wodzie, wodorkach, węglowodorach oraz innych związkach chemicznych, w organizmach roślinnych i zwierzęcych, minerałach, niektórych gazach.
Technicznie wodór otrzymuje się przez elektrolizę wodnego roztworu chlorku sodu lub reakcję tlenku węgla, względnie koksu, z parą wodną.
Jest bezbarwnym, bezwonnym gazem, o gęstości 8,99⋅10-5 g/cm3 i temperaturze wrzenia -252C. Łatwo dyfunduje przez różne materiały, dobrze rozpuszcza się w niektórych metalach, zwłaszcza palladzie. W związkach chemicznych występuje na +1 i -1 stopniu utlenienia.
Wodór cząsteczkowy w temperaturze pokojowej ulega działaniu chloru i fluoru (HCl, HF), na gorąco wchodzi w reakcje z tlenem (H2O), niektórymi metalami (wodorki zawierające anion H-). Silnie ogrzany łączy się z azotem (NH3), siarką (H2S). Nie reaguje z parą wodną, kwasami, alkaliami. Znacznie bardziej aktywny chemicznie jest wodór atomowy, który powstaje przez dysocjację z wodoru cząsteczkowego w wysokiej temperaturze.
Wodór stanowi surowiec do otrzymywania amoniaku, chlorowodoru, alkoholu metylowego. Stosowany jest w reakcjach redukcji (np. tlenków metali do wolnych metali) i uwodornienia (np. tłuszczów, paliw), a także w palniku tlenowowodorowym.


Jest to najprostszy i najlżejszy pierwiastek chemiczny, rozpoczynający układ okresowy. W 1661r. R. Boyle działając na żelazo roztworem kwasu siarkowego otrzymał po raz pierwszy wodór - powietrze palne, jednak nie zainteresował się nim bliżej. W 1766r. angielski chemik H. Cavendish uważał, że jest to czysty flogiston - hipotetyczna substancja uważana w XVII i XVIII w. za przyczynę palności. (Wg teorii "flogistonu" - opracowanej przez chemików niemieckich J. J. Bechera i J. E. Stahla - wszystkie ciała palne, a w szczególności metale, miały składać się z "ziemi" i "flogistonu", a proces spalania - polegać na wydzielaniu flogistonu i uwalnianiu się "ziemi" czyli tlenku. Dopiero pod koniec XVIII w. A. Lavoisier wykazał, że w rzeczywistości spalanie nie polega na utracie żadnej substancji, lecz na przyłączaniu tlenu. Teoria flogistonu, choć absolutnie błędna, przyczyniła się do rozwoju chemii.)
W 1787r. A. Lavoisier uznał wodór za pierwiastek i nadał mu jego łacińską nazwę, która oznacza "tworzący wodę". Wodór jest bezbarwnym gazem bez smaku i zapachu, znacznie lżejszym od powietrza. Jest najlżejszy ze wszystkich gazów. (Temperatura topnienia: - 259 C, temperatura wrzenia: - 252,8 C).
Wodór jest najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem w kosmosie. Znajduje się na Słońcu, gwiazdach i w przestrzeni kosmicznej. Z upływem czasu ulega zużyciu: młode gwiazdy zawierają go więcej niż stare. Na Ziemi występuje głównie w postaci związanej: w wodzie, ropie naftowej, w związkach organicznych stanowiących budulec żywych organizmów roślinnych i zwierzęcych. Wolny wodór bywa niekiedy obecny w gazie ziemnym i gazach wulkanicznych. Występuje także w górnych warstwach atmosfery.
W niskich temperaturach jest dość bierny chemicznie. Reakcja wodoru z tlenem przebiega wybuchowo dopiero w temperaturze 550 C lub po zainicjowaniu iskrą elektryczną. Produktem spalania jest woda H2O. W odpowiednich warunkach wodór reaguje z fluorowcami, azotem, siarką i in. Z niektórymi metalami - np. z I i II grupy, tworzy wodorki.
W laboratoriach otrzymywany jest przez działanie rozcieńczonymi kwasami na metale (np. Zn, Fe), w przemyśle - z gazu wodnego (mieszaniny CO + H2, powstałej przez działanie pary wodnej na rozżarzony koks).
Wodór stosuje się jako surowiec w wielu syntezach przemysłowych, np. do otrzymywania amoniaku, chlorowodoru, utwardzania olejów roślinnych, w syntezie benzyny i in. Jako najlżejszy ze wszystkich gazów jest używany do napełniania balonów. W palnikach tlenowo-wodorowych umożliwia uzyskanie temperatury do 2500 C.
Przechowuje się go i przewozi w stalowych butlach pod zwiększonym ciśnieniem. Wodór stanowi źródło energii elektrycznej w ogniwach paliwowych zaopatrujących w energię statki kosmiczne, np. amerykańskie statki "Apollo". W przyszłości, po opanowaniu kontrolowanej syntezy jądrowej, wodór może się stać jednym z najważniejszych źródeł energii.
Wodór jest pod wieloma względami pierwiastkiem wyjątkowym. Do jego unikalnych cech należy zdolność tworzenia związków przez oddanie lub przyłączenie elektronu. Pierwiastki, które tworzą związki przez oddawanie elektronów, są uważane za elektrododatnie; występują one w lewej części układu okresowego pierwiastków.
Natomiast pierwiastki, które przyłączają elektrony tworząc związki, są określane jako elektroujemne i występują w prawej części układu okresowego. Wodór jest jedynym pierwiastkiem, który może zarówno oddawać, jak i przyłączać elektrony; można go umieścić w grupie IA (elektrododatniej) lub grupie VIIA (elektroujemnej).
Wodór tworzy z regułu cząsteczki złożone z dwóch atomów (dwuatomowe), przypisuje mu się więc symbol H2.
Istnieją dwa typy cząsteczek H2, ortowodór i parawodór. W cząsteczce ortowodoru dwa protony obracają się w tym samym kierunku, w cząsteczce parawodoru - w kierunkach przeciwnych.

Najprostsza metoda otrzymywania wodoru jest identyczna z wykorzystywaną przez dawnych badaczy: reakcja między kwasem a aktywnym chemicznie metalem. Stosuje się zwykle rozcieńczony kwas siarkowy i cynk:
Zn + H2SO4 ---> H2 + ZnSO4
lub rozcieńczony kwas solny i cynk:
Zn + 2HCl ---> H2 + ZnCl2
Niewielkie ilości wodoru otrzymuje się dość łatwo przez elektrolizę wodnego roztworu wodorotlenkupotasu (KOH) lub chlorku sodu (NaCl). Na katodzie wydziela się wodór, na anodzie zaś tlen:
2H2O + 2e- ---> 2OH- (reakcja katodowa)
2H2O ---> O2 + 4H+ + 4e- (reakcja anodowa)
2H2O ---> 2H2 + O2 (reakcja sumaryczna)

Prawie 2/3 wytwarzanej obecnie przez przemysł ilości wodoru wykorzystuje się do produkcji amoniaku metodą Habera. Dużo wodoru zużywa również przemysł spożywczy do uwodorniania prostych olejów roślinnych. Takie produkty jak margaryna i sosy do sałatek są znacznie zdrowsze niż ich odpowiedniki otrzymywane z tłuszczów zwierzęcych. Niewielkie ilości ciekłego wodoru stosuje się jako paliwo rakietowe.
Wodór to pierwiastek najbardziej rozpowszechniony w poznanym już Wszechświecie, a związki wodoru są najbardziej rozpowszechnionymi związkami na Ziemi. Wszelka materia biologiczna - od najprostszych składników cząsteczki DNA do złożonej struktury ludzkiej tkanki mózgowej - zawiera związki wodoru. Oprócz tych substancji biochemicznych chemia organiczna obejmuje wielką liczbę związków zawierających węgiel i wodór, np. węglowców.
Kwas borowy, H3BO3, ma postać lekkich, bezbarwnych łusek. Jest stosowany w kosmetyce i medycynie.
Kwas chlorowodorowy, zwyczajowo nazywany kwasem solnym, wodny roztwór chlorowodoru HCl, jest szeroko stosowany w laboratorium, przemyśle i medycynie
Kwas solny występuje również w przyrodzie; jest obecny w ludzkim żołądku. Ten "kwas żołądkowy" nie trawi, lecz umożliwia wytwarzanie enzymu, zapewniającego trawienie białek.
Kwas siarkowodorowy jest wodnym roztworem siarkowodoru H2S, gazu o charakterystycznym przykrym zapachu zgniłych jaj. Jest to gaz niezwykle trujący, śmiertelny dla ludzi, gdy jego stężenie w powietrzu wynosi zaledwie 100 części na milion.
Używany w każdym laboratorium kwas azotowy (HNO3) jest szeroko stosowany jako środek nitrujący w produkcji nawozów sztucznych i materiałów wybuchowych.
Kwas fosforowy, H3PO4, zwany także kwasem ortofosforowym. W stanie czystym jest substancją stałą, najczęściej jednak spotyka się go w postaci rozcieńczonych roztworów wodnych. Podobnie jak kwas azotowy, jest powszechnie stosowany w produkcji nawozów sztucznych fosforowych.
Kwas siarkowy, H2SO4, to kwas o największym zastosowaniu w przemyśle i w laboratorium. Jest tańszy niż inne mocne kwasy i dość trwały w temperaturze pokojowej.
Kwas siarkawy, H2SO3, można łatwo otrzymać rozpuszczając gazowy dwutlenek siarki (SO2) w wodzie.
Metan (CH4) to podstawowy element strukturalny całej chemii węglowodorów. Ten bezbarwny i bezwonny gaz jest również głównym skłądnikiem pospolitego gazu ziemnego.
Blisko spokrewniony z metanem jest etan, C2H6. To również bezbarwny i bezwonny gaz. Jako składnik gazu ziemnego, etan jest używany do celów opałowych.
Amoniak (azan), NH3, to bezbarwny gaz o charakterystycznym , ostrym zapachu, szeroko stosowany jako rozpuszczalnik, czynnik chłodniczy oraz w produkcji nawozów sztucznych.
Fosforowodór (fosfan), PH3, jest silnie trującym gazem o duszącym zapachu czosnku. Znajduje obecnie zastosowanie w produkcji niektórych rodzajów tworzyw sztucznych i ognioodpornych tkanin bawełnianych.

Zdecydowanie najbardziej rozpowszechniony w przyrodzie jest wodór-1, czyli prot. Z materiałów naturalnych można otrzymać niewielkie ilości wodoru-2, zwanego również deuterem lub ciężkim wodorem. Promieniotwórczy wodór-3, czyli tryt, występuje tylko w ilościach śladowych.

Izotop Rozpowszechnienie w przyrodzie Okres półtrwania Typ rozpadu
1H 99,9985% _____ _____
2H 0,015% _____ _____
3H _____ 12,26 lat -