Vodík

náhled|280px|Hoření vodíku s kyslíkem a následná exploze třaskavého plynu Vodík (chemická značka H, ) je nejlehčí a nejjednodušší plynný chemický prvek. Tvoří převážnou část hmoty ve vesmíru. Elementární vodík (H2) má široké praktické využití: zdroj energie, redukční činidlo v chemické syntéze nebo metalurgii a také jako náplň meteorologických a pouťových balónků a do 30. let 20. století i vzducholodí.

Základní fyzikálně-chemické vlastnosti náhled|vlevo|Molekula vodíku

Vodík je bezbarvý, lehký plyn, bez chuti a zápachu. Je hořlavý, hoří namodralým plamenem, pro jeho hoření je nutný oxidační prostředek, kterým je nejčastěji vzdušný kyslík. Je 14,38krát lehčí než vzduch a vede teplo sedmkrát lépe než vzduch. Vodík je za normální teploty stabilní, pouze s fluorem se slučuje za pokojové teploty. Je značně reaktivnější při zahřátí, především s kyslíkem a halogeny se slučuje velmi bouřlivě, i když pro spuštění této reakce je nutná inicializace (např. jiskra, která zapálí kyslíko-vodíkový plamen). Vodík je velmi málo rozpustný ve vodě, ale některé kovy ho pohlcují (nejlépe palladium).

Vodík vytváří sloučeniny se všemi prvky periodické tabulky (s výjimkou vzácných plynů), zejména pak s uhlíkem, kyslíkem, sírou a dusíkem. Ty tvoří základní stavební jednotky života na Zemi.

Vodík je schopen tvořit zvláštní typ chemické vazby nazývaný vodíková vazba nebo také vodíkový můstek, kde vázaný atom vodíku vykazuje afinitu i k dalším atomům, s nimiž není poután klasickou chemickou vazbou. Mimořádně silná je vodíková vazba s atomy kyslíku, což vysvětluje anomální fyzikální vlastnosti vody (vysoký bod varu a tání atd.).

Zajímavou vlastností vodíku je jeho schopnost „rozpouštět“ se v některých kovech, např. v palladiu nebo platině. Ty poté fungují jako katalyzátory chemických reakcí. Je to způsobeno tím, že má vodík velmi malé molekuly, které jsou schopny procházet krystalovou mříží různých materiálů.

Historický vývoj Již Robert Boyle (viz také Boyleův–Mariottův zákon) pozoroval v roce 1671 reakci železa se zředěnými kyselinami (sírovou a chlorovodíkovou), která vedla k tvorbě plynného vodíku, ale nepoznal, že se takto uvolněný plyn liší od vzduchu.

Teprve v roce 1766 si Henry Cavendish uvědomil, že tento plyn je chemické individuum a nazval jej „hořlavým vzduchem“. Cavendish je takto považován za objevitele vodíku jako chemického prvku. Cavendish však spekuloval, že tento hořlavý vzduch je vlastně hledaná hypotetická látka, flogiston, a své flogistonové teorie se nikdy nevzdal. Nicméně v roce 1781 zjistil, že tato látka tvoří při hoření vodu, což otevřelo cestu k objevu vodíku jako chemického prvku (elementu).

V roce 1783 pojmenoval Antoine Lavoisier tento prvek „hydrogen“ podle řeckých slov (hýdōr, „voda“) a (gennáo, „tvořím“). Lavoisier syntetizoval vodu hořením vodíku v proudu kyslíku a kvantitativní výsledky potvrdily, že voda není element, což se po 2000 let považovalo za zřejmé, nýbrž sloučenina těchto dvou prvků. Lavoisier provedl rovněž rozklad vody rozžhaveným železem v roce 1783.

Rozklad vody elektrickým proudem na jednotlivé složky, kyslík a vodík, poprvé provedli Jan Rudolph Deiman a Adriaan Paets van Troostwijk v roce 1789.

Český název pro vodík pochází od Jana Svatopluka Presla, který spolu s Karlem Slavojem Amerlingem vytvořil v polovině 19. století české názvy pro tehdy známé prvky ještě před tím, než Mendělejev publikoval v roce 1869 svůj objev periodické tabulky prvků. Vodík je jeden z deseti tzv. archaických názvů prvků, které se v češtině používají dodnes, ostatní názvy se neujaly.

Vodík je jediný prvek, jehož izotopy mají vlastní chemické názvy a značky. Deuterium (D, 2H) je izotop tvořený jedním protonem a jedním neutronem v jádře atomu, tritium (T, 3H) je izotop tvořený jedním protonem a dvěma neutrony v jádře atomu. Pro samotný vodík je vyhrazen název protium, ale značka P se nepoužívá, protože je obsazena značkou fosforu (P). IUPAC umožňuje používání značek D, T, ale preferuje 2H, 3H.

Plynný vodík se vyskytuje ve dvouatomové molekule H2, která je mnohem stabilnější než atomární vodík. Za normální teploty se vodík chová tak, jako by byl směsí tří objemů orthovodíku (jádra atomů vodíku v molekule mají stejný spin) a jednoho objemu paravodíku (opačný spin). Při skladování kapalného vodíku probíhá přeměna ve směru ortho → para, která je exotermická natolik, že může dojít ke ztrátě až 2/3 původní kapaliny. Bylo nutno vyvinout postup, kdy se při zkapalňování vodíku zároveň provádí přeměna na para- H2.

Deuterium bylo spektroskopicky pozorováno v roce 1931, příprava téměř čisté sloučeniny D2O (tzv. těžká voda) byla provedena elektrolyticky v roce 1933.

Tritium bylo poprvé připraveno v roce 1934 bombardováním sloučenin deuteria deuterony, schematicky 2H+2H → 3H +H.

Výskyt v přírodě Elementární vodík je na Zemi přítomen jen vzácně. Nejvíce elementárního vodíku se vyskytuje v blízkosti sopek v sopečných plynech. Plynný vodík se v našem prostředí vyskytuje ve formě dvouatomových molekul H2, je však známo, že v mezihvězdném prostoru je přítomen z převážné části jako atomární vodík H. V zemské atmosféře se vyskytuje jen ve vyšších vrstvách a díky své mimořádně nízké hmotnosti postupně z atmosféry vyprchává. Elementární vodík je však jednou z podstatných složek zemního plynu, vyskytuje se i v ložiscích uhlí.

Ze sloučenin je nejvíce zastoupena voda, která jako moře a oceány pokrývá 2/3 zemského povrchu. Bylo vypočteno, že se vodík podílí na složení zemské kůry (včetně atmosféry a hydrosféry) 0,88 hmotnostními procenty a 15,5 atomárními procenty.

Další významný zdroj vodíku představují organické sloučeniny. Vodík patří společně s uhlíkem, kyslíkem a dusíkem mezi biogenní prvky, které tvoří základní stavební kameny všech živých organismů. Díky tomu se vodík vyskytuje prakticky ve všech sloučeninách tvořících nejvýznamnější surovinu současné energetiky a organické chemie – ropu.

Vodík je základním stavebním prvkem celého vesmíru, vyskytuje se jak ve všech svítících hvězdách, tak v mezigalaktickém prostoru. Podle současných měření se podílí ze 75 % na hmotě a dokonce z 90 % na počtu atomů přítomných ve vesmíru.

Tvorba v přírodě a průmyslová výroba Vodík se v přírodě tvoří při rozkladu organických látek některými bakteriemi. Genetické inženýrství usiluje o zdokonalení tohoto procesu do míry průmyslově využitelné k produkci vodíku pro vodíkové motory.

Vodík se uvolňuje při koksování uhlí, takže ve svítiplynu a koksárenském plynu tvoří okolo 50 % obj. Toho se dříve využívalo při průmyslové výrobě vodíku tak, že se tyto plyny zkapalnily a vodík se oddestiloval.

Vodík se ve velkém průmyslově vyrábí tepelným rozkladem methanu (zemního plynu) při 1000 °C (parním reformováním zemního plynu). Tato technologie je nejlevnější, reaguje směs metanu a vodní páry za vzniku vodíku a CO2. Účinnost se pohybuje okolo 80 %, ale značnou nevýhodou je, že na 1 kg vyrobeného vodíku se vytvoří 5,5 kg CO2. CH4 → C + 2 H2

Jedna z mála využívaných příprav vodíku je katalytické štěpení methanolu vodní parou při 250 °C. CH3OH + H2O → CO2 + 3 H2

Další málo využívaná příprava je katalytický rozklad amoniaku při teplotě okolo 1000 °C 2 NH3 → N2 + 3 H2

Rozpouštění neušlechtilých kovů v kyselinách se využívá k přípravě vodíku v laboratoři. Nejčastěji se k tomu využívá reakce zinku s kyselinou chlorovodíkovou. Zn + 2 HCl → ZnCl2 + H2

Reakcí amfoterních kovů s roztoky hydroxidů vznikají rozpustné hydroxokomplexy a vodík, nejtypičtější je reakce hliníku s roztokem hydroxidu sodného. Lze využít i reakce křemíku s roztokem hydroxidu (například hydroxidu sodného nebo směsi hydroxidu sodného a hydroxidu vápenatého). 2 Al + 2 NaOH + 6 H2O → 2 Na[Al(OH)4] + 3 H2 Si + 4 NaOH → Na4SiO4 + 2 H2 Si + Ca(OH)2 + 2 NaOH → Na2SiO3 + CaO + 2 H2 Vodík vzniká také jako odpadní produkt při výrobě hydroxidů. Například sodík reaguje s vodou za vzniku hydroxidu sodného a vodíku. 2 Na + 2 H2O → 2 NaOH + H2

Reakcí hydridu vápenatého s vodou vzniká hydroxid vápenatý a vodík, ale reakce je pro praktické použití nevyužitelná, protože hydrid vápenatý je velmi drahý. CaH2 + 2 H2O → Ca(OH)2 + 2 H2

Vedením vodní páry přes rozžhavené železo vzniká oxid železnato-železitý a vodík. Tento oxid se dá využít k tvorbě permanentních magnetů. 3 Fe + 4 H2O → Fe3O4 + 4 H2

Dřívější velmi využívaná příprava vodíku byla reakce koksu s vodní párou. Takto vzniká hlavně vodní plyn. H2O + C → CO + H2 … reakce probíhá dále … CO + H2O → CO2 + H2

Další z možností je reakce methanu s vodní párou. Je také možno k methanu a vodní páře přidat kyslík a reakce probíhá za velmi velkého zisku vodíku. CH4 + H2O → CO + 3 H2 12 CH4 + 5 H2O + 5 O2 → 29 H2 + 9 CO + 3 CO2

Poslední z alespoň trochu běžných příprav vodíku je reakce fosforu s vodní párou za vzniku kyseliny fosforečné a vodíku. 2 P + 8 H2O → 2 H3PO4 + 5 H2

Průmyslově se vodík vyrábí elektrolýzou vody. 2 H2O → 2 H2 + O2

Do budoucna se počítá s výrobou vodíku pomocí jaderné energie, a to buď termochemicky (vysokými teplotami – viz Mezinárodní fórum pro IV. generaci) nebo prostřednictvím elektrického proudu (jaderné elektrárny by tak mohly být využívány v době, kdy pro vyráběný proud není odběr). Taková produkce by mohla být i levnější než z obnovitelných zdrojů.https://www.terrestrialenergy.com/2021/05/03/clean-hydrogen-at-industrial-scale-requires-generation-iv-nuclear/ - Clean Hydrogen at Industrial Scale Requires Generation IV Nuclear

Využití Hlavní využití elementárního vodíku: V chemickém průmyslu je vodík výborným redukčním činidlem, sloužícím k sycení násobných vazeb organických molekul, např. při ztužování rostlinných olejů. Redukčních vlastností plynného vodíku se někdy využívá v metalurgii k získávání kovů z jejich rud (wolfram, molybden). Tento proces se ovšem využívá pouze tehdy, kdy nelze využít běžnější redukční činidla, jako je např. koks nebo dřevěné uhlí. Je to jednak kvůli poměrně vysoké ceně vodíku, ale především s ohledem na riziko možného výbuchu vodíku při kontaminaci prostředí kyslíkem nebo vzduchem za vysoké teploty. Vodík jako zdroj energie představuje pravděpodobně budoucnost energetiky i dopravy. Při spalování vodíku vzniká vedle značného energetického zisku (96–120 MJ/kg vodíku) pouze ekologicky naprosto nezávadná voda. Automobilové motory na bázi spalování plynného vodíku jsou v současné době předmětem intenzivního výzkumu předních světových výrobců motorů. V současnosti je však většina vodíku získávána z fosilních paliv, a vodík jako mezistupeň snižuje účinnost jejich využití. Ústav jaderného výzkumu v Řeži vyvinul TriHyBus – český hybridní autobus na vodíkový pohon, elektrobus čerpající energii z palivových článků. Pro výhodný poměr chemická energie/hmotnost je vodík používán jako raketové palivo (například pro raketoplán). Zdokonalení a zlevnění palivového článku postupně umožňuje jeho širší nasazení. V tomto energetickém zařízení se energie chemické reakce vodíku s kyslíkem přeměňuje přímo na elektrickou energii. Jako paliva se přitom používá plynného vodíku, kyslík je u některých článků dodáván z atmosféry jako při normálním hoření. Účinnost tohoto procesu dosahuje v současné době hodnoty 60 %, což je podstatně více než při spalování vodíku a následným využitím vzniklého tepla pro výrobu elektrické energie. Nevýhodou současných palivových článků je stále ještě jejich vysoká cena a fakt, že proces je doposud značně citlivý vůči katalytickým jedům, takže vyžaduje použití velmi čistých chemikálií. Proto se palivové články od šedesátých let 20. století využívají především v kosmických technologiích, kde uvedené nevýhody nejsou příliš významné. Vodík lze využít ke skladování energie. Ovšem účinnost celého cyklu (uložení energie a následného využití) je ale poměrně malá (pod 45 %).