Vodik nema određen položaj u periodnom sustavu. Ima jedan valentni elektron, kao alkalijski metali, a od njih se razlikuje mnogo većom energijom ionizacije. Za stabilnu elektronsku konfiguraciju nedostaje mu jedan elektron. Vodik bi se mogao smatrati halogenim elementom, ali ima manju elektronegativnost i afinitet prema elektronu, stoga se proučava zasebno. Čini 75% vidljive mase svemira i ishodišna je tvar iz koje su nuklearnom fuzijom nastali ostali elementi. Zvijezde u glavnom nizu sastoje se uglavnom od vodika u obliku plazme. Elementarni se vodik na Zemlji nalazi u vrlo malim količinama.Palmer D. "Hydrogen in the Universe" publisher=NASA, 1997.
Elementarni se vodik sastoji od običnog vodika (procija (P)) (>99,98%), a ostatak (gotovo 0,02%) čini teški vodik (deuterij (D)) s tragovima superteškog vodika (tricija (T)). Vodik stvara kemijske veze s najviše elemenata, posebno u organskim tvarima. Pri standardnom tlaku i temperaturi, vodik je plin bez boje, mirisa i okusa, 14,4 puta lakši od zraka, neotrovan je. Slabo je topljiv u polarnim, a dobro u nepolarnim otapalima. mini|Ispitivanje spektra vodika Industrijski se najviše dobiva iz zemnog plina, a rjeđe elektrolizom vode. Najviše se koristi u proizvodnji fosilnih goriva (hidrokrekiranje – povećanje kvalitete goriva) i za dobivanje amonijaka (proizvodnja umjetnih goriva). U metalurgiji nije baš poželjan jer mnoge metale čini lomljivim i krtim, dakle stvara poteškoće u izgradnji cjevovoda i metalnih spremnika."Hydrogen Basics — Production" publisher=Florida Solar Energy Center, 2007.Rogers H.C.: "Hydrogen Embrittlement of Metals", journal=Science, 1999.
Povijest Iako ga nije prvi proizveo (prvi ga je proizveo Paracelsus u 16. st. reakcijom metala i jake kiseline), vodik (lat. Hydrogenium) je definirao Britanac Henry Cavendish 1766.Opća i nacionalna enciklopedija u 20 svezaka, sv. 20, , str. 281 i nazvao ga "zapaljivim zrakom". Cavendish ga je dobio reakcijom cinka i klorovodične kiseline. Definirao je o kojem se plinu radi i dokazao da reakcijom vodika i kisika nastaje voda. Zbog tog svojstva Antoine Lavoisier 1783. naziva ga hydrogène, od grčkog "onaj koji stvara vodu" (grč. ὕδωρ = voda, γενής = stvaratelj). Hrvatski je naziv uveo Bogoslav Šulek.
Tekući vodik prvi je put 1898. dobio James Dewar, a godinu kasnije stvorio je i čvrsti vodik. Deuterij je 1931. dobio Harold Urey, a godinu kasnije stvorio je i tešku vodu. 1934. Ernest Rutherford i njegov tim proizveli su tricij.Emsley John: "Nature's Building Blocks", publisher=Oxford University Press, 2001. 500px|desno|mini|Vodikove emisijske linije u vidljivom dijelu spektra. Postoje 4 vidljive linije Balmerove serije Prvi je balon na vrući zrak 1783. otkrio Jacques Charles. Ferdinand von Zeppelin napravio je letjelicu na vodik, koja je prvi let imala 1900., kasnije je nazvana cepelin.
Nikal – vodikove su se baterije prvi puta koristile 1977., a kasnije se njima koristila Međunarodna svemirska postaja, svemirske letjelice 2001 Mars Odyssey i Mars Global Surveyor te svemirski teleskop Hubble, čije su prve baterije trajale 19 godina. "NTS-2 Nickel-Hydrogen Battery Performance 31", publisher=Aiaa.org, 2009. desno|mini|300px|Maglica NGC 604, ogromno područje ioniziranog vodika u galaksiji Messier 33 u zviježđu Trokut Uloga u kvantnoj teoriji Zbog svoje jednostavne atomske strukture koja se sastoji od jednog protona i elektrona, atom je vodika sa svojim vodikovim spektralnim linijama svjetlosti (emisija i apsorpcija – Balmerova serija, Lymanova serija itd.), imao središnju ulogu u razvoju teorije atomske strukture. Osim toga, atom vodika i odgovarajući kation H+ imali su važnu ulogu u razumijevanju prirode kemijskih veza čija se teorija razvila 1920-ih.Crepeau Bob: "Niels Bohr: The Atomic Model", journal=Great Scientific Minds, publisher=Great Neck Publishing, 2006.
Prije razvoja kvantne mehanike, Maxwell je uočio da specifični toplinski kapacitet molekule H2 ima neobjašnjivo odstupanje na niskim temperaturama, gdje se H2 počinje više ponašati kao jednoatomni plin. Prema kvantnoj teoriji, ta se pojava događa zbog prostora energetskih razina, koji su naširoko raspoređeni kod H2 zbog male mase. Taj velik prostor energetskih razina onemogućuje ravnomjernu raspodjelu toplinske energije vodika na niskim temperaturama.Berman R., Cooke, A. H.; Hill, R. W.: "Cryogenics", journal=Annual Review of Physical Chemistry, 1956.
Svojstva Pri standardnom je tlaku i temperaturi vodik plin bez boje, mirisa i okusa, 14.4 puta lakši od zraka, neotrovan je. Slabo je topljiv u polarnim, a dobro u nepolarnim otapalima.
Ohlađen na temperaturu vrelišta, kondenzira se u bezbojnu tekućinu koja je najlakša od svih tekućina. Daljnjim odvođenjem topline kristalizira u proziranu krutinu heksagonske kristalne strukture.
Zapaljen na zraku pri 560 °C, izgara gotovo nevidljivim plamenom u vodu prema reakciji:
2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l) = 286 kJ mol−1
Na sobnoj temperaturi nije previše reaktivan, no pri višim temperaturama ulazi u niz reakcija. Otapa se u mnogim metalima. Pri sobnoj temperaturi, bez katalizatora, reagira samo s fluorom i vanadijem u prahu. Razlog slaboj reaktivnosti molekularnog vodika pri sobnoj temperaturi jaka je jednostruka kovalentna veza u molekuli. Ta je veza najjača od svih jednostrukih kovalentnih veza između dvaju istovrsnih atoma. Pri povišenoj temperaturi spaja se s kisikom iz mnogih oksida, stoga djeluje kao redukcijsko sredstvo. mini|desno|250px|Niz proton-proton prevladava kod zvijezdi veličine našeg Sunca ili manjih
Rasprostranjenost Elementarni je vodik na Zemlji vrlo rasprostranjen, ali u malim količinama. Prisutan je u atmosferi, zemnom plinu, vulkanskim plinovima, itd. U gornjim dijelovima atmosfere izlazi u svemir jer ga gravitacija teško zadržava.
U obliku spojeva prisutan je u velikim količinama, ponajviše u obliku vode, koja prekriva gotovo dvije trećine Zemljine površine. Sastavni je dio mnogih organskih spojeva, kiselina i otopina.
Čini 75% mase svemira, te je ishodišna tvar iz koje su nuklearnom fuzijom nastali ostali elementi. Po broju atoma, vodika ima 90% u svemiru. Ima ga u ogromnim količinama u zvijezdama i plinovitim divovima, a izgleda da ga ima u još neotkrivenoj tamnoj tvari i tamnoj energiji. Molekularni oblaci s H2 su povezani s rođenjem zvijezda. Vodik ima odlučujuću ulogu u stvaranju snage i toplinske energije u nuklearnoj fuziji, koja se odvija u jezgrama zvijezda, kroz niz proton – proton i niz ugljik – dušik – kisik.Steve Gagnon: "Hydrogen", publisher=Jefferson Lab, 2008.Haubold Hans, Mathai, A. M., 2007. "Solar Thermonuclear Energy Generation", publisher=Columbia University, 2008.
U svemiru vodik se uglavnom nalazi u atomskom stanju ili kao plazma, čija su svojstva sasvim drukčija od molekularnog vodika H2. Kao plazma, vodikovi elektroni i protoni nisu povezani zajedno, i stvaraju veoma jaku električnu vodljivost i veliku emisiju topline (stvara elektromagnetsko zračenje, uključujući svjetlost sa Sunca i ostalih zvijezda). Na nabijene čestice vodika snažno utječu magnetska i električna polja. Na primjer, Sunčev vjetar djeluje na Zemljinu magnetosferu, stvarajući polarnu svjetlost i Birkelandovu struju.Storrie-Lombardi Lisa J.: "Surveys for z > 3 Damped Lyman-alpha Absorption Systems: the Evolution of Neutral Gas", journal=Astrophysical Journal, 2000.
Pod normalnim uvjetima na Zemlji, vodik se uglavnom nalazi kao plinovita molekula H2. Ustvari, vodikov plin je vrlo rijedak u atmosferi, svega 0,000055%, zato što je molekula vodika puno lakša od zraka, zbog čega lakše bježi iz atmosfere. Ipak, na Zemljinoj površini, vodik je treći najrašireniji element, uglavnom u obliku molekula vode i ugljikohidrata. Neke alge i bakterije stvaraju plin vodik.Wolfgang H. Berger, 2007. "The Future of Methane", publisher=University of California, San Diego, 2008.
Dobivanje Laboratorijsko Najčešće se dobiva onako kako ga je prvi put dobio Cavendish, tj. reakcijom cinka i klorovodične kiseline, umjesto koje se često rabi i razrijeđena sumporna kiselina:
Zn(s) + 2 H+(aq) → Zn2+(aq) + H2(g)
Za razvijanje plinova u laboratoriju najpogodniji je Kippov aparat, jer se reakcija u njemu može prekinuti i na taj način proizvesti samo potrebne količine plina.
Može se dobiti i reakcijom vode s čvrstim hidridima, kao što je kalcijev hidrid:
2 H2O(l) + CaH2(s) → 2 H2(g) + Ca2+(aq) + 2 OH-(aq)
te reakcijom metala negativnog redukcijskog potencijala s lužinama, ako ti metali stvaraju hidrokso-komplekse:
2 Al(s) + 6 H2O(l) + 2 OH-(aq) → 2 Al(OH)4-(aq) + 3 H2(g)
Industrijsko Ovisno o cijeni električne energije i energenata, vodik se dobiva na nekoliko načina.
U zemljama s jeftinom električnom energijom, dobiva se elektrolizom vode, zalužene alkalijskim hidroksidom zbog povećanja vodljivosti:
katoda (-): 4 H2O(l) + 4e- → 2 H2(g) + 4 OH-(aq) anoda (+): 4 OH-(aq) → O2(g) + 2 H2O(l) + 4e- 2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)
Vodik se dobiva i kao nusprodukt kod dobivanja klora metodom kloralkalne elektrolize.
Jedna od najraširenijih i najjeftinijih metoda jest piroliza ugljikovodika, primjerice etana:
C2H2(g) → C2H4(g) + H2(g)
Kada je lako dostupan metan, koristi se njegova reakcija s vodenom parom na 1100 °C:
CH4(g) + H2O(g) ⇄ CO(g) + 3 H2(g) = 214.4 kJ mol−1
Kada je lako dostupan i jeftin ugljen, koristi se redukcija vodene pare:
C(s) + H2O(g) ⇄ CO(g) + H(g) = 131.25 kJ mol−1 mini|desno|300px|Bioreaktor s algama za proizvodnju vodika Dobivena smjesa zove se vodeni plin.
Ugljikov(II) oksid od vodika se odvaja reakcijom s dodatnom vodenom parom, pri čemu nastaje dodatna količina vodika:
CO(g) + H2O(g) → H2(g) + CO2(g)
Nastali ugljikov(IV) oksid uklanja se iz smjese apsorpcijom u lužini ili ispiranjem vodom pod tlakom. Lako se uklanja i hlađenjem tekućim zrakom. Tragovi neizreagiranog ugljikovog(II) oksida uklanjaju se prevođenjem plina preko zagrijanog natrijevog hidroksida pri čemu nastaje natrijev metanoat.
Termokemijski procesi Postoji više od 200 termokemijskih procesa, koji se mogu iskoristiti za razdvajanje vode. Desetak procesa istražuje se i ispituje za dobivanje vodika i kisika iz vode, te grijanjem bez upotrebe električne struje, a ti su procesi na primjer: ciklus željeznog oksida, ciklus cerij (IV) oksid - cerij (III) oksid, ciklus cink – cink oksid, ciklus sumpor – jod, ciklus bakar – klor i ciklus hibridni sumpor. Veliki broj laboratorija u Francuskoj, Njemačkoj, Grčkoj, Japanu i SAD razvijaju termokemijske procese uz korištenje Sunčeve energije i vode. "Development of solar-powered thermochemical production of hydrogen from water"[url=http://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/progress07/ii_f_1_perret.pdf ] "Development of Solar-Powered Thermochemical Production of Hydrogen from Water", DOE Hydrogen Program, 2007., Perret Robert, 2008.
Anaerobna korozija mini|desno|250px|U spremniku je tamno zeleni željezo(II) hidroksid ili zelena korozija Bez prisustva kisika, željezo i legirani čelik polako oksidiraju uz pomoć protona iz vode, koji se pretvaraju u plinoviti vodik H2. Anaerobna korozija stvara prvo željezni hidroksid (zelena korozija) i ta se kemijska reakcija može opisati kao: Fe + 2 H2O → Fe(OH)2 + H2 U drugom koraku, bez prisustva kisika, željezni hidroksid može oksidirati uz pomoć protona iz vode i stvoriti magnetit i plinoviti vodik. Taj se proces naziva Shikorrova reakcija: 3 Fe(OH)2 → Fe3O4 + 2 H2O + H2 Dobro kristalizirani magnetit (Fe3O4) je termodinamički puno stabilniji od željeznog hidroksida. Taj se proces obično dešava za vrijeme anaerobne korozije željeza i čelika, u podzemnim vodama koje nemaju kisika, i u reduciranim tlu u kojem ima dosta vlage.
Geološko stvaranje – serpentacija