Vodik

vodik - helij
 
H
Li  
 
 
H-TableImage.png
Splošno
Ime, simbol, vrstno število vodik, H, 1
Kemijska vrsta nekovina
Skupina, perioda, blok 1, (IA), 1 , s
Gostota, trdota 0,0899 kg/m3
Videz brezbarven
H,1.jpg
Značilnosti atoma
Relativna atomska masa 1,00794 a. e. m.
Atomski polmer (izračunan) 25 (53) pm
Kovalentni polmer 37 pm
van der Waalsov polmer 120 pm
Elektronska konfiguracija 1s1
e- na energijski nivo 1
Oksidacijska stanja (oksid) 1 (amfoteren)
Kristalna struktura heksagonalna
Fizikalne značilnosti
Agregatno stanje plin (diamagneten)[1]
Tališče 14,025 K (-259,14 °C)
Vrelišče 20,268 K (-252,87 °C)
Trojna točka 13,8033 K (-259 °C)
Molski volumen 11,42·10−3 m3/mol
Izparilna toplota 0,44936 kJ/mol
Talilna toplota 0,05868 kJ/mol
Parni tlak 209 Pa pri 23 K
Hitrost zvoka 1270 m/s pri 298,15 K
Razne značilnosti
Elektronegativnost 2,2 (Paulingova lestvica)
Specifična toplota 28,836 J/(mol·K)
Električna prevodnost ___ 106/m Ω
Toplotna prevodnost 0,1815 W/(m · K)
Ionizacijski potencial 1,312 kJ/mol
Izotopi
izo NA t1/2 DM DE MeV DP
1H 99,985 % H je stabilen z 0 nevtroni
2H 0,015 % H je stabilen z 1. nevtronom
3H {umetni} 12,32 let β- 0,019 3He
4H {umetni} 1.39(10)×10−22 s n 4,6 T
5H {umetni} 9.1×10−22 s 2n T
6H {umetni} 2.90(70)×10−22 s 3n 1,6 T
7H {umetni} 2.3(6)×10−23 s 20
Če ni označeno drugače, so
uporabljene enote SI in standardni pogoji.

Vodík (latinsko hydrogenium) je kemični element s simbolom H, atomskim številom 1 in atomsko maso 1,00794 u. Je najlažji element v periodnem sistemu elementov. V enoatomnem stanju (H) najbolj pogosta kemična snov v vesolju in tvori približno 75% vse barionske mase.[2] Zvezde iz glavnega niza so v začetnem obdobju svojega razvoja sestavljene pretežno iz vodika v stanju plazme. Najpogostejši izotop vodika je protij s simbolom 1H, ki ima en sam proton in nobenega nevtrona. Njegovo ime se uporablja zelo redko.

Vesoljski enoatomni vodik se je prvič pojavil v obdobju rekombinacije. Pri standardni temperaturi in tlaku je brezbarven lahko vnetljiv in nestrupen plin brez vonja in okusa s formulo H2. Ker z večino nekovinskih elementov zlahka tvori kovalentne spojine, je na Zemlji večina vodika vezanega v vodi in organskih spojinah. Vodik igra posebej pomembno vlogo v kislo-bazičnih reakcijah. V ionskih spojinah ima lahko negativen naboj (anion z imenom ahidrid) ali pozitiven naboj, ki se običajno zapisuje s simbolom H+, čeprav je v resnici gol proton. V ionskih spojinah ima vedno veliko bolj kompleksno sestavo od napisane.

Vodikov atom ima kot najenostavnejši znani atom pomembno teoretično uporabnost. Vodikov atom je na primer edini nevtralni atom z analitsko rešitvijo Schrödingerjeve enačbe.

Plinasti vodik so prvič umetno pridobili v zgodnjem 16. stoletju z mešanjem kovin in kislin. V letih 1766-1781 je Henry Cavendish prvi prepoznal vodikov plin kot diskretno snov[3] in ugotovil, da z zgorevanjem tvori vodo. Ta lastnost mu je kasneje dala tudi ime: hidrogen v grščini pomeni vodotvoren.

Večina vodika se proizvede s parnim reformingom naravnega plina. Manj pogosta in energijsko mnogo bolj potratna metoda je elektroliza vode.[4] Večina vodika se porabi na mestu proizvodnje, največ za obdelavo fosilni goriv, na primer hidrokrekiranje, proizvodnjo amonijaka za umetna gnojila, polnjenje balonov in v zadnjem času kot vir energije v gorivnih celicah.

V metalurgiji ni zaželen, ker povzroča krhkost mnogo kovin[5] in otežuje gradnjo cevovodov in cistern za njegovo shranjevanje.[6]

Lastnosti

Gorenje

Plinasti vodik (divodik ali molekularni vodik) [7] je zelo vnetljiv in v zraku gori v zelo širokem intervalu koncentracij od 4 do 75 vol %.[8] Sežigna entalpija je vodika -286 kJ/mol.[9]

2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l) + 572 kJ (286 kJ/mol)

4-74 vol % zmesi vodika z zrakom in 5-95 vol % zmesi vodika s klorom so eksplozivne. Eksplozijo sprožijo iskra, toplota ali sončna svetloba. Temperatura samovžiga vodika v zraku je 500 °C.[10] Plamen zmesi čistega vodika in čistega kisika in zmesi z visoko vsebnostjo kisika sevajo ultravijolično svetlobo, ki je s prostim očesom skoraj nevidna. Za odkrivanje gorenja uhajajočega vodika je potreben detektor plamena. Gorenje iztekajočega vodika ja zato lahko izredno nevarno. Vodikov plamen v drugih pogojih je moder in podoben plamenu naravnega plina.[11]

Najbolj katastrofalen primer nekontroliranega gorenja vodika je bil požar na cepelinu Hindenburg. Vzrok zanj je še vedno predmet razprav, vidni oranžni plameni pa so bili posledica gorenja bogate zmesi vodik-kisik v kombinaciji z ogljikovi spojinami v cepelinovem plašču.

H2 reagira z vsemi oksidanti. S fluorom in klorom reagira že pri sobni temperaturi in tvori ustrezna vodikova halogenida, ki sta tudi potencialno nevarni kislini:[12]

H2(g) + F2(g) → 2 HF(g)
H2(g) + Cl2(g) → 2 HCl(g)

Izotopi

Vodik v plazmatskem stanju
Vijoličast sij vodika v plazmatskem stanju
Spekter vodika
Spekter vodika

Vodik ima 7 izotopov. Stabilna sta dva, radioaktivnih pa je pet, od tega so štirje visoko radioaktivni (zelo hitro razpadajo).

1H je najpogostejši izotop vodika. Na Zemlji ga je 99,985 %. Je najlažji atom, njegova atomska teža je komaj 1,00794 a. e. m., saj je sestavljen samo iz enega protona in enega elektrona. Je stabilen.

2H ali tudi D (devterij) je drugi izotop vodika, ki ga najdemo na Zemlji. Ni ga veliko, samo 0,015 %. Sestavljen je iz po enega protona, nevtrona in elektrona. Je stabilen.

3H ali tudi T (tritij) je umetno narejen, radioaktivni izotop vodika. Na Zemlji ga v naravi ne najdemo. Sestavljen je iz dveh nevtronov ter enega protona in elektrona. Njegov razpolovni čas je 12,32 let, razpolovni produkt pa je 3He.

4H je umetno narejen radioaktivni izotop vodika. Sestavljen je iz treh nevtronov ter enega protona in elektrona. Njegov razpolovni čas je 139 ys, razpolovni produkt pa je T.

5H je umetno narejen radioaktivni izotop vodika. Sestavljen je iz štirih protonov ter iz po enega protona in elektrona. Njegov razpolovni čas je 910 ys, razpolovni produkt pa je T.

6H je umetno narejen radioaktivni izotop vodika. Sestavljen je iz petih nevtronov in iz po enega protona in elektrona. Njegov razpolovni čas je 300 ys, razpolovni produkt pa je T.

7H je umetno narejen radioaktivni izotop vodika. Sestavljen je iz šestih nevtronov, enega protona in enega elektrona. Njegov razpolovni čas je 23 ys.

Sklici

  1. Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds. CRC Handbook of Chemistry and Physics, 81. izdaja. CRC Press.
  2. D. Palmer (13. september 1997). Hydrogen in the Universe. NASA. Pridobljeno 5. februarja 2008.
  3. J. Al-Khalili (21. januar 2010). Discovering the Elements. Chemistry: A Volatile History. BBC. BBC Four.
  4. Hydrogen Basics — Production. Florida Solar Energy Center. 2007. Pridobljeno 5. februarja 2008.
  5. H.C. Rogers (1999). Hydrogen Embrittlement of Metals. Science 159 (3819): 1057–1064. Bibcode: 1968Sci...159.1057R. doi: 10.1126/science.159.3819.1057. PMID 17775040.
  6. C.H. Christensen, J.K. Nørskov, T. Johannessen (9. julij 2005). Making society independent of fossil fuels - Danish researchers reveal new technology. Technical University of Denmark. Pridobljeno 28. marca 2008.
  7. Dihydrogen. University of Southern Maine. Pridobljeno 6. aprila 2009.
  8. M.N. Carcassi, F. Fineschi (2005). Deflagrations of H2–air and CH4–air lean mixtures in a vented multi-compartment environment. Energy 30 (8): 1439–1451. doi: 10.1016/j.energy.2004.02.012.
  9. Committee on Alternatives and Strategies for Future Hydrogen Production and Use. US National Research Council, US National Academy of Engineering (2004). The Hydrogen Economy: Opportunities, Costs, Barriers, and R&D Needs. National Academies Press. str. 240. ISBN 0-309-09163-2.
  10. P. Patnaik (2007). A comprehensive guide to the hazardous properties of chemical substances. Wiley-Interscience. str. 402. ISBN 0-471-71458-5.
  11. Hydrogen flame visibility.
  12. D.D. Clayton (2003). Handbook of Isotopes in the Cosmos: Hydrogen to Gallium. Cambridge University Press. ISBN 0-521-82381-1.

Glej tudi

Zunanje povezave