Vodik (hidrogen, vodonik) jest hemijski element sa simbolom H (po latinskom nazivu hydrogenium - onaj koji proizvodi vodu, odnosno iz starogrčkog ὕδωρ hydōr „voda“ i γίγνομαι gignomai „nastajati“) i atomskim brojem 1. U periodnom sistemu elemenata nalazi se u 1. periodi i 1. grupi, odnosno stoji na prvom mjestu.
Vodik je najčešći element u svemiru, ali ne i u Zemljinoj kori. On je sastavni dio vode i nalazi se u gotovo svim organskim spojevima. Tako vezani vodik se nalazi i u gotovo svim živim bićima. Vodik je hemijski element sa najmanjom atomskom masom. Njegov najčešći izotop, ponekad nazvan i protij, ne sadrži neutrone, već se sastoji iz samo jednog protona i jednog elektrona. U uslovima koji normalno važe na Zemlji (takozvani standardni uslovi), vodik se ne javlja u atomarnom stanju već u dimernom obliku molekule H2. On je gas bez boje, okusa i mirisa. Samo u određenim hemijskim reakcijama se privremeno javlja u atomarnom stanju kao atom H, u hemijskoj praksi naziva se i nascentni vodik. U ovom obliku reagira izuzetno jako sa ostalim spojevima ili elementima.
Historija lijevo|thumb|100px|Lavoisier je dao ime vodiku. Paracelsus je u 16. vijeku otkrio da se pri dobijanju metalnih acida razvija lahko zapaljiv gas. Vodik je otkrio engleski hemičar i fizičar Henry Cavendish 1766. godine, kada je eksperimentirao sa metalima (željezom, cinkom i kalajem) i kiselinama. Cavendish je gas koji je pri tome nastajao zbog njegove zapaljivosti nazvao zapaljivi zrak. Kasnije je detaljnije proučavao otkriveni gas a iste godine je i objavio svoja otkrića o njemu.
Precizniju analizu gasa napravio je Antoine Laurent de Lavoisier, koji je vodiku i dao ime hidrogen. Francuski hemičar je 1787. godine i otkrio gas nezavisno od Cavendisha, kada je u jednom eksperimentu želio pokazati da se hemijskim reakcijama masa polaznih i krajnjih proizvoda ni povećava niti smanjuje. On je vodenu paru uveo u zatvorenu aparaturu te je propustio preko usijanih željeznih opiljaka te je nakon toga ostavio da kondenzira. Pri tome je utvrdio da je masa kondenzirane vode nešto manja od početne količine. Uz to je utvrdio nastanak gasa, čija je masa zajedno sa porastom težine oksidiranog željeza tačno nedostajuća količina mase vodene pare, čime je dokazao svoju teoriju.
Lavoisier je tako nastali gas također proučavao, tako što ga je zapalio pri čemu je gas eksplozivno sagorio. U drugim eksperimentima je pokazao kako se iz gasa može ponovno dobiti voda njegovim sagorijevanjem, te mu je dao naziv hydro-gène (iz grčkog hydōr „voda“ i genes „koji proizvodi“). Stoga se i današnji naziv u većini svjetskih jezika izvodi iz ovog naziva. Slavenski naziv za hidrogen je vodonik ili vodik. Deuterij je otkriven 1932. godine pomoću spektralnih linija konačnih frakcija preostalih nakon isparavanja velikog uzorka tečnog vodika. Čak i prije toga, 1927. godine Aston i njegovi saradnici su masenom spektrografijom naslutili postojanje težeg izotopa vodika u približnom odnosu od 1:5000 prema protiju.
Osobine Fizičke thumb|lijevo|200px|Vodik u cijevi za pražnjenje Vodik je element sa najmanjom gustoćom. Molekularni vodik (H2) lakši je 14,4 puta od zraka. Tačka ključanja mu je -252 °C (21,15 Kelvin), a tačka topljenja -259,14 °C (14,02 Kelvin). Rastvorljivost u vodi iznosi 1,6 mg/l. Pri normalnoj temperaturi i pritisku je gas bez boje, okusa i mirisa.
Termodinamičke osobine (transportni fenomen) su od posebnog značaja zbog malehne molekularne mase i iz nje rezultirajuće velike srednje brzine molekula vodika (1770 m/s pri 25 °C), naprimjer kod Oberthovog efekta raketnog goriva. Na normalnoj sobnoj temperaturi vodik ima najveću difuznu sposobnost, najveću provodljivost toplote i najveću brzinu efuzije od svih gasova. Niska viskoznost upućuje na tro- ili višeatomne realne gasove kao što je n-butan.
Pokretljivost vodika u čvrstoj matrici je izrazito visoka, što je posljedica malehnog promjera molekule. Tako naprimjer vodik može proći kroz materijale poput polietilena ili usijanog kvarcnog stakla. Važan fenomen je njegova izuzetno velika difuzna brzina u željezu, platini i nekim drugim prelaznim metalima, jer se u njima javlja krhkost (lomljivost). U kombinaciji sa visokom rastvorljivošću neki materijali su izloženi izuzetno stopama prodiranja (permeabilnosti). Iz ovog se izvode tehničke koristi obogaćivanja vodikom, ali i tehnički problemi pri transportu, skladištenju i obradi vodika i vodikovih mješavina, jer on prolazi kroz mnoge prostorne prepreke.
mini|1000x60px|Vidljiva oblast spektra vodika. Vidljivo je šest linija Balmerove serije, od kojih se neke vrlo blizu ultraljubičastog dijela spektra i slabo su vidljive
Vodik ima linije spektra i u zavisnosti od temperature gasa više ili manje izražen kontinuiran spektar u vidljivom dijelu. On je u Sunčevom spektru posebno izražen. Prve spektralne linije u vidljivom dijelu sadržane zajedno u takozvanoj Balmerovoj seriji nalaze se na 656 nm, 486 nm, 434 nm i 410 nm. Osim njih postoje druge serije spektralnih linija u infracrvenom (Paschenova, Brackettova i Pfundova serija) i ultraljubičastom dijelu elektromagnetskog spektra (Lymanova serija). Poseban značaj za radioastronomiju predstavlja HI-linija na 21 cm u hiperfinoj strukturi.
U magnetnom polju H2 se ponaša slabo dijamagnetično. To znači da gustoća linija polja postavljenog magneta slabi u okruženju vodika. Magnetski susceptibilitet pri normalnom pritisku iznosi = −2,2 · 10−9 i obično je za nekoliko redova veličine niži u odnosu na druge dijamagnetične čvrste supstance. Prema električnoj struji H2 reagira kao izolator. U električnom polju on ima otpornost na proboj od nekoliko miliona volti po metru. mini|245x245piksel|Hydrogen Spectrum Test Izmjereni promjer atoma vodika iznosi 37 pm i predstavlja najmanju izmjerenu veličinu. U najviše pobuđenom stanju atoma vodika, kao što se nalaze u uslovima vakuuma u međuzvjezdanoj magli, elektroni u atomu se nalaze na udaljenosti do 0,339 mm od jezgra. U molekuli H2, udaljenost između dva atoma vodika iznosi 0,74 Å, a energija disocijacije veze iznosi 4,52 eV odnosno 436 kJ mol−1.
Agregatna stanja Na temperaturama ispod 21,15 Kelvina vodik se kondenzira u bistru, bezbojnu tekućinu. Ovo stanje se označava skraćenicom LH2 (engl. liquid - tečni). Ispod 14,02 K (−259,2 °C) vodik prelazi u čvrsto stanje gradeći kristalni oblik u najgušćoj heksagonalnoj kristalnoj strukturi, pri kojoj je svaki molekul spojen sa dvanaest susjednih. Na tački topljenja pri hlađenju formira se mješavina dva agregatna stanja, takozvani slush.
Za razliku od helija u tečnom atomiziranom stanju ( 1H) vodik ne pokazuje osobinu suprafluidnosti, ali njegov izotop deuterij ( 2H) teoretski može biti suprafluid. Trojna tačka vodika, u kojoj se istovremeno mogu nalaziti sva tri agregatna stanja vodlika, je uzeta kao fiksna tačna međunarodne temperaturne skale. Ona iznosi tačno 13,8033 K na pritisku od 7,042 kPa. Kritična tačka nalazi se na 33,18 K i 13,0 bar, a kritična gustoća iznosi 0,03136 g/cm3 što je najniža kritična gustoća od svih elemenata U uslovima ekstremnog pritiska koji vladaju unutar velikih gasovitih planeta, pretpostavlja se da postoji i metalni vodik, tj. da se javlja u obliku metala. U tom obliku mogao bi i provoditi električnu struju.
Hemijske U periodnom sistemu elemenata vodik se nalazi u 1. glavnoj grupi jer ima samo jedan valentni elektron. Kao i alkalni metali koji se nalaze u istoj grupi, vodik u mnogim spojevima ima oksidacijsko stanje +1. Međutim, valentni elektron se nalazi u K-ljusci u kojoj se mogu nalaziti najviše dva elektrona te se već sa ta dva elektrona postiže konfiguracija plemenitog gasa, a ne sa 8 kao što je slučaj sa drugim ljuskama. Primanjem jednog elektrona vodik može postići konfiguraciju plemenitog gasa helija. Stoga on može imati i oksidacijsko stanje -1 i u spojevima se ponašati kao halogeni element. Na ovaj način vodik se može vezati sa vrlo neplemenitim metalima a takvi spojevi se nazivaju hidridi.
Ovakva postavka vodika u sredini između konfiguracija plemenitog gasa, u kojoj isti broj elektrona može i primiti i otpustiti, je osobina koja ga stvrstava u 4. glavnu grupu periodnog sistema elemenata što objašnjava i njegovu elektronegativnost, koja više teži ugljiku nego litiju. Zbog relativno velike elektronegativnosti vodik ne gradi ionske spojeve, tipične za elemente 1. glavne grupe sa oksidacijskim brojem +1 već kovalentne molekulske veze.
desno|thumb|200px|Lewisova formula molekule vodika Ukoliko se zapali, vodnik vrlo burno reagira sa kisikom i hlorom, a inače je relativno postojan i slabo je reaktivan. Pri visokim temperaturama gas je mnogo reaktivniji i podjednako reagira sa metalima i nemetalima.
Sa hlorom reagira egzotermno dajući hlorovodik u obliku gasa, koji rastvoren u vodi daje hlorovodičnu kiselinu. U toj reakciji, oba gasa reagiraju sa jednakim omjerom:
Reagira po jedna molekula hlora i vodika dajući dvije molekule hlorovodika
Ova reakcija se naziva i reakcija praskavog gasa hlora, jer već njenim osvjetljavanjem dolazi do paljenja. Za reakciju praskavog gasa (vodika i kisika) neophodno je paljenje (iskrenje):
Reagira po jedna molekula vodika i kisika dajući dvije molekule vode
Međutim, najagresivnija reakcija pri nižim temperaturama je reakcija vodika i fluora. Ako se vodik u gasnom stanju pri temperaturi od −200 °C dovede u kontakt sa zamrznutim fluorom, oba elementa reagiraju eksplozivno jedan s drugim:
Reagira po jedna molekula fluora i vodika dajući dvije molekule fluorovodika
Ako se molekularni vodik ionizira, onda se on smatra divodik-kationom. Ove čestice su relativno česti ioni i javljaju se naprimjer pri pražnjenju plazme u vodiku:
Ionizacija putem brzog elektrona u plazmi
Izotopi desno|thumb|200px|Protij, deuterij i tricij Postoje tri izotopa vodika u prirodi. Od svih elemenata, vodik se najviše razlikuje po mogućnostima hemijskih reakcija svojih izotopa, mada te razlike nisu ekstremne. Razlog leži u velikoj razlici atomskih masa deuterija 2H i tricija 3H, koji su dva odnosno tri puta teži u odnosu na protij, respektivno. Nedavno, naučnicima je uspjelo dokazati četiri nova izotopa vodika (4H, 5H, 6H i 7H). Međutim ti izotopi imaju izuzetno kratak životni vijek (kraći od 10−21 s).
Deuterij je sastavni dio teške vode, a tricija u prirodi ima samo u tragovima, a sastavni je dio hidrogenske bombe.
Rasprostranjenost Vodik je najčešći hemijski element na Suncu i velikim plinovitim planetama Jupiteru, Saturnu, Uranu i Neptunu, koji zajedno čine oko 99,99% mase cjelokupnog Sunčevog sistema. Vodik predstavlja 75% ukupne mase Sunčevog sistema, odnosno 93% od svih atoma u Sunčevom sistemu. U cijelom poznatom svemiru (ne računajući tamnu materiju) pretpostavlja se da najveći udio od svih elemenata ima vodik.
U svemiru lijevo|thumb|100px|Saturn sa svojim poznatim prstenovima od leda i prašine. Sam Saturn se najvećim dijelom sastoji od vodika i helija Vrlo brzo nakon nastanka svemira i pretpostavljenog uništenja antimaterije neznatnim viškom materije i kondenzacijom kvark-gluonske plazme u barione, preostalo je nešto više protona i neutrona (pored elektrona). Pri tada ekstremno visokim temperaturama oni su se spajali najprije u lahka atomska jezgra poput 2H i 4He. Većina protona je ostala nepromijenjena i predstavljali su buduće jezgre vodika 1H. Nakon otprilike 380 hiljada godina gustoća zračenja svemira je postala tako rijetka, da su se jezgra atoma vodika jednostavno mogla spojiti sa elektronima bez da se odmah ne razdvoje djelovanjem fotona.