Водоник
Хемијски елемент са симболом H и атомским бројем 1. From Wikipedia, the free encyclopedia
Хемијски елемент са симболом H и атомским бројем 1. From Wikipedia, the free encyclopedia
Водоник (, лат. — стваралац воде) први је и најлакши хемијски елемент.[1][2] При стандардним условима притиска и температуре, водоник је двоатомни гас без боје, мириса и укуса. Није отрован, и знатно је лакши од ваздуха. На собној температури није посебно реактиван, док при вишим температурама улази у низ реакција. Узрок томе ја јака једнострука ковалентна веза.
Општа својства | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
Име, симбол | водоник, H | ||||||
У периодноме систему | |||||||
| |||||||
Атомски број (Z) | 1 | ||||||
Група, периода | група 1, периода 1 | ||||||
Блок | s-блок | ||||||
Категорија | диатомски неметал | ||||||
Рел. ат. маса (Ar) | 1,00782503223(9) конвенционална: 1,008 | ||||||
Ел. конфигурација | 1s1 | ||||||
по љускама | 1 | ||||||
Физичка својства | |||||||
Боја | безбојан | ||||||
Агрегатно стање | гасовито | ||||||
Тачка топљења | 14,025 K (−259,13 °C) | ||||||
Тачка кључања | 20,268 K (−252,88 °C) | ||||||
Густина | 0,0899 kg/m³ | ||||||
Моларна запремина | 11,42×10−3 m³/mol | ||||||
Критична тачка | 33,25 K (−239,9 °C), 1,3 MPa (13 atm) | ||||||
Топлота фузије | 0,05868 kJ/mol | ||||||
Топлота испаравања | 0,44936 kJ/mol | ||||||
Сп. топл. капацитет | 14.304 J/(kg*K) | ||||||
Напон паре | 209 Pa (23 K) | ||||||
Атомска својства | |||||||
Оксидациона стања | 1 | ||||||
Особине оксида | амфотерни | ||||||
Електронегативност | 2,2 (Полинг) | ||||||
Енергије јонизације | 1: 1.312 kJ/mol | ||||||
Атомски радијус | 25 (53) pm | ||||||
Ковалентни радијус | 37 pm | ||||||
Валсов радијус | 120 pm | ||||||
Спектралне линије | |||||||
Остало | |||||||
Кристална структура | хексагонална | ||||||
Брзина звука | 1.270 m/s (298,15 K) | ||||||
Топл. водљивост | 0,1815 W/(m*K) W/(m·K) | ||||||
Сп. ел. водљивост | 13,8×106 S/m | ||||||
CAS број | 12385-13-6 | ||||||
Водоник нема одређен положај у периодном систему и углавном се проучава засебно. Може се сматрати равноправним чланом 1. или 17. групе. Разлог томе је да поседује један протон и један валентни електрон као и алкални метали, али од њих се разликује много већом енергијом јонизације. За стабилну електронску конфигурацију недостаје му један електрон, што наводи да би се водоник могао сматрати халогеним елементом, али од њих има мању електронегативност и афинитет према електрону.
Овај елемент сачињава 75% видљиве масе свемира, те је исходишна материја из које су нуклеарном фузијом настали остали елементи. Звезде у главном низу се углавном састоје од водоника, у облику плазме. Елементарни водоник на Земљи је присутан у врло малим количинама.[3]
Елементарни водоник састоји се од обичног водоника (протијум, ) (>99,98%), док остатак (готово 0,02%) чини тешки водоник (деутеријум, , ) с траговима супертешког водика (трицијума, , ).[4] Пошто је један од стабилних изотопа два пута тежи од другог, они се међусобно доста разликују по хемијским својствима.[5] Водоник ствара хемијске везе са највећим бројем елемената, посебно у органским једињењима. При стандардном притиску и температури, водоник је гас без боје, мириса и укуса, 14,4 пута је лакши од ваздуха. Неотрован је. Слабо је растворљив у поларним, а боље у неполарним растварачима.
Индустријски се највише добија из земног гаса, а ређе електролизом воде. Највише се користи у производњи фосилних горива (хидрокраковање – повећање квалитета горива) и за добивање амонијака, у производњи вештачких ђубрива. У металургији није пожељан, јер многе метале чини ломљивим и кртим, па ствара потешкоће у изградњи цевовода и металних спремника.[6][7]
Водоник (лат. ) је дефинисао Британац Хенри Кавендиш 1766. Он није први изоловао овај елемент, већ је то урадио Парацелзус у 16. веку реакцијом метала и јаке киселине[8], и назвао га „запаљивим ваздухом“. Кавендиш је формирао водоник реакцијом цинка и хлороводоничне киселине. Дефинисао је о ком гасу је реч и доказао да реакцијом водоника и кисеоника настаје вода. Због тог својства Антоан Лавоазје га 1783. назива , од грчког "онај који ствара воду" (грч. ὕδωρ = вода, γενής = стваратељ).
Течни водоник је први формирао Џејмс Девар 1898, а годину дана касније је произвео и чврсти водоник. Деутеријум је добио 1931. Харолд Клејтон Јури, а следеће године је формирана тешка вода. 1934. Ернест Радерфорд и његов тим су произвели трицијум.[9]
Жак Шарлс је изумео први балон на топли ваздух 1783. године. Фердинанд фон Цепелин је направио летилицу на водоник, која је имала први лет 1900, и касније је названа цепелин.
Никал – водоникове батерије су први пут кориштене 1977, а касније их је користила Међународна свемирска станица, свемирске летелице Одисеја на Марсу 2001. и Марсов глобални геометар, те свемирски телескоп Хабл, коме је прво паковање батерија трајало 19 година.[10]
Због своје једноставне атомске структуре, која се састоји од једног протона и електрона, атом водоника са својим спектралним линијама светлости (емисија и апсорпција – Балмерова серија, Лајманова серија итд.), имао је средишњу улогу у развоју теорије атомске структуре. Осим тога, атом водоника и одговарајући катјони су имали важну улогу у разумевању природе хемијских веза, теорија којих се развила 1920-их.[11]
Пре развоја квантне механике, Максвел је уочио да специфични топлотни капацитет молекула има необјашњиво одступање на ниским температурама, где се почиње више понашати као једноатомни гас. Према квантној теорији, та појава се дешава због простора енергетских нивоа, који су нашироко распоређени код због мале масе. Тај велики простор енергетских нивоа онемогућује равномерну расподелу топлотне енергије код водоника на ниским температурама.[12]
При стандардним условима притиска и температуре, водоник је гас без боје, мириса и укуса, који је 14.4 пута лакши од ваздуха. Није отрован. Слабо је растворан у поларним, а боље у неполарним растварачима.
Охлађен на температуру кључања, кондензује се у безбојну течност која је најлакша од свих течности. Даљим одвођењем топлоте долази до очвршћавања у прозирну чврсту материју хексагоналне кристалне структуре.
Запаљив је са границом експлозивности у ваздуху од 4-94%. Минимална енергија иницијације паљења 0,02 . Температура пламена при стехиометријском сагоревању је 1930 °C. Запаљен на ваздуху при 560 °C, изгара готово невидљивим пламеном формирајући воду:
На собној температури није посебно реактиван, док при вишим температурама улази у низ реакција. Раствара се у многим металима, као што је платина.
При собној температури без катализатора, реагује само с флуором и ванадијумом у праху. Узрок слабој реактивности молекуларног водоника при собној температури је јачина једноструке ковалентне везе молекула. Та веза је најјача од свих једноструких ковалентних веза између два истоимена атома. При повишеној температури спаја се и с кисеоником из многих оксида, те тако делује као редукционо средство.
Линијски спектар водоника је приказан на траци црне позадине са уским линијама различитих боја: две љубичасте, једна плава и једна црвена. Емисионе линије спектра водоника припадају видљивом спектру светлости. То су четири видљиве линије Балмерове серије.
Због релативно једноставне атомске структуре, тј. због тога што се атом водоника састоји само од протона и електрона, уз спектар светлости који производи или га апсорбује, водоник је био централна фигура за развој теорије структуре атома. Штавише, одговарајућа једноставност молекула водоника и одговарајућих катјона H2+, водила је до потпунијег разумевања природе хемијских веза, која је уследила убрзо након појаве квантно-механичког третмана атома водоника средином 1920-их.
Међу првим примећеним квантним ефектима код водоника је управо његов линијски спектар, пола века пре увођења теорије квантне механичке. А. Ангстрем је 1853. направио експеримент у којем је гас водоника у стакленом суду (при ниском притиску) побуђивао електричном струјом (довођењем напона на крајеве суда). Овај гас је емитовао зрачење из којег је издвојени узак сноп доведен на призму давао правилно раздвојена четири снопа светлости различитих боја.
Други примећен ефекат (није био објашњен у то време) је произашао из Максвеловог посматрања водоника. Максвел је приметио да специфична топлота H2 испод собне температуре, необјашњиво одступа од оне код других диатомних гасова и почиње да личи на ону код једноатомских гасова на Криогеним температурама. Овај ефекат је касније објашњен уз помоћ квантне теорије, односно утицајем квантоване енергије нивоа на расподелу топлотне енергије у ротационо кретање код водоника на ниским температурама. Диатомни гасови који се састоје од тежих атома немају широко распоређене нивое и не показују исти ефекат као водоник.
Водоник чини 75% масе свемира, те је исходишна материја из које су нуклеарном фузијом настали остали елементи. По броју атома, водоника има 90% у свемиру. Има га у огромним количинама у звездама и гасним дивовима. Молекуларни облаци са су повезани са рођењем звезда. Водоник има одлучујућу улогу у стварању снаге и топлотне енергије у нуклеарној фузији, која се одвија у језграма звезда, кроз низ протон – протон и низ угљеник – азот – кисеоник процесе.[13][14]
У свемиру водоник се углавном налази у атомском стању или као плазма, чија су својства сасвим друкчија од молекуларног водоника . Као плазма, водоникови електрони и протони нису повезани заједно, и производе веома јаку електричну проводност и велику емисију топлоте (ствара се електромагнетско зрачење, укључујући светлост са Сунца и осталих звезда). На наелектрисане честице водоника снажно утичу магнетна и електрична поља. На пример, Сунчев ветар делује на Земљину магнетосферу, стварајући поларну светлост и Биркеландову струју.[15]
Елементарни водоник на Земљи је широко распрострањен, мада у малим количинама. Присутан је у атмосфери, земном гасу, вулканским гасовима, итд. Због тога што га гравитација тешко може задржати, водоник у горњим деловима атмосфере излази у свемир. Иако је водоник најзаступљенији елемент у васиони, на Земљи се јавља у малим количинама (0,9% у горњим слојевима), углавном у облику хемијских једињења (вода). У облику једињења, има га у огромним количинама, понајвише у облику воде, која прекрива готово две трећине Земљине површине. Саставни је део многих органских једињења, киселина и растварача. Неке алге и бактерије стварају гасовити водоник.[16] Он је он биогени елемент. По броју атома, трећи је, одмах након кисеоника и силицијума, а по масеном уделу је на десетом месту.
У слободном облику јавља се у виду двоатомних молекула H2. Катјон водоника H+ (у воденим растворима је хидратисан: оксонијум јон , Цунделов (Zundel) катјон, , Ајгенов (Eigen) катјон, ) настаје услед дисоцијације киселина. Концентрација водоникових јона изражава се помоћу pH вредности.
Најчешће се добија онако како га је први пут добио Кавендиш, тј. реакцијом цинка и хлороводичне киселине, уместо које се често користи и разређена сумпорна киселина:
За развијање гасова у лабораторији најпогоднији је Кипов апарат, јер се реакција у њему може прекинути и на тај начин производе само потребне количине гаса.
Може се добити и реакцијом воде с чврстим хидридима, као што је калцијум хидрид:
те реакцијом метала негативног редукцијског потенцијала с базама, ако ти метали стварају хидроксо-комплексе:
Зависно од цене електричне енергије и енергената, водоник се добија на неколико начина.
У земљама с јефтином електричном енергијом, добија се електролизом воде, залужене алкалијским хидроксидом због повећања проводности:
Водоник се добија и као нуспродукт при производњи хлора методом хлоралкалне електролизе.
Једна од најраширенијих и најјефтинијих метода је пиролиза угљоводоника, као што је етана:
Када је лако доступан метан, користи се његова реакција с воденом паром на 1100 °C:
Када је лако доступан и јефтин угљен, користи се редукција водене паре:
Добијена смеша се зове водени гас.
Угљен() оксид од водоника се одваја реакцијом с додатном воденом паром, при чему настаје додатна количина водоника:
Настали угљен() оксид уклања се из смеше апсорпцијом у лужини или испирањем водом под притиском. Лако се уклања и хлађењем течним ваздухом. Трагови неизреагованог угљеник() оксида уклањају се превођењем гаса преко загрејаног натријум хидроксида при чему настаје натријум метаноат.
Постоји више од 200 термохемијских процеса, који се могу искористити за раздвајање воде. Око 10-так процеса се истражује и испитује за добивање водоника и кисеоника из воде, те грејањем без употребе електричне струје, а ти су процеси на пример: циклус гвожђе оксида, циклус церијум () оксид - церијум () оксид, циклус цинк – цинк оксид, циклус сумпор – јод, циклус бакар – хлор и циклус хибридни сумпор. Велики број лабораторија у Француској, Немачкој, Грчкој, Јапану и САД развијају термохемијске процесе уз кориштење Сунчеве енергије и воде.[17][18]
Без присуства кисеоника, гвожђе и легирани челик се полако оксидују уз помоћ протона из воде, који се претварају у гасовити водоник . Анаеробна корозија ствара прво жељезни хидроксид (зелена корозија) и та се хемијска реакција може описати као:
У другом кораку, без присуства кисеоника, гвожђе хидроксид се може оксидовати уз помоћ протона из воде и створа се магнетит и гасовити водоник. Тај се процес назива Шикоровом реакцијом:
Добро кристализирани магнетит () је термодинамички пуно стабилнији од гвожђе хидроксида. Тај се процес обично дешава за вриеме анаеробне корозије гвожђа и челика, у подземним водама које немају кисеоника, и у редукованим тлу у којем има доста влаге.
Без присуства кисеоника, у дубоким геолошким слојевима, који су далеко од Земљине атмосфере, гасовити водоник се ствара током процеса серпентације, што је анаеробна оксидација протона воде (+) и гвожђе () силиката, који је присутан у кристалима фајалита ( – крајњи члан оливина). Та реакција доводи до стварања магнетита (), кварца () и водоника (2), на следећи начин:
Једињења водоника могу се поделити на једињења у којима је присутан у негативном (-1) и позитивном ступњу оксидације (+1). Прва се називају хидридима, и представљају мањину водоникових једињења, док су друга пуно заступљенија и важнија. Водоник је саставни је део живог света, у којем игра једну од кључних улога.
На собној температури није реактиван, док при вишим температурама улази у низ реакција. Познати су милиони угљоводоника, који су подручје проучавања органске хемије. Водоник ствара једињења и са елементима који имају већу електронегативност, као што су халогени елементи (). Када се спаја са флуором, кисеоником или азотом, водоник се може везати јаком нековалентном везом, која се зове водонична веза, и која је критична у стабилности многих биолошких молекула. Водоник се везује и за мање електронегативне елементе, као што су метали и полуметали.
Хидриди су једињења разних хемијских елемената с водоником. -блок чине елементи прве и друге групе периодног система елемената. -блок чине елементи 13—17. групе периодног система елемената. То су најважнији хидриди, и често се користе у пракси. Деле се на киселе, базне, амфотерне и неутралне. Кисели хидриди су они хидриди који у реакцији с водом дају киселине. Базни хидриди у реакцији с водом дају базе. Амфотерни хидриди се зависно од реакције могу понашати и као киселине и као базе. Неутрални хидриди не реагирају с водом.
Елементарни водоник састоји се од обичног водоника (Протијума) (>99,98%), док остатак (готово 0,02%) чини тешки водоник (деутеријум) с траговима супертешког водоника (трицијума).
Приликом испитивања вибрацијско-ротацијског спектра водоника пронађене су промене у интензитету ротацијских трака, које су протумачене хипотезом о постојању два облика водоника који се разликују по нуклеарним спиновима у молекулу водоника. Ако су спинови два протона из молекула антипаралелни, резултантни спин је нула, те је стање недегенерисано. Такав водоник зове се пара-водоник. Ако су паралелни, резултантни спин је 1, а стање је троструко дегенерисано, што доводи до орто-водоника.
При собној температури, елементарни се водоник састоји од 75% орто-водоника и 25% пара-водоника. Орто- и пара-водоник разликују се по неким физичким својствима, као што су енергија дисоцијације, топлотни капацитет, притисак паре и слично.
Између њих постоји равнотежа:
која се хлађењем помиче удесно.
На ниским температурама могуће је изоловати готово чисти пара-водоник, док чисти орто-водоник није могуће изоловати, јер повећањем температуре не долази до повећања његовог удела изнад 75%.
Однос између орто- и пара-водоника је врло битан код спремања течног водоника у спремник, јер претварање орто-водоника у пара-водоник ствара додатно топлоте, која може довести до испаравања, а тиме и губитка течног водоника. Због тога треба користити катализаторе, као што је гвожђе() оксид, активни угљеник, платинизирани азбест, метали ретких земаља, уранова једињења, хромов оксид и неки једињења никла.
Молекуларни облик јона триатомног водоника или 3+, је пронађен у међузвезданој материји, који је настао јонизацијом водоника са космичким зрацима. Тај облик молекула је такође пронађен у горњој атмосфери Јупитера. То је прилично стабилно у тим околинама, због малих температура и густине. То је један од најраширенијих јона у свемиру.
Водоник је врло важна индустријска сировина. Користи се, између осталог у:
Ради се на кориштењу водоника као горива. Технологија је врло слабо распрострањена.
Недостаци који спречавају раширенију употребу су:
У хемијском смислу, водоник није извор, већ спремник енергије, јер није природно набављив у елементарном облику. У случају успешне и одрживе нуклеарне фузије у нуклеарној електрани, био би извор огромних количина енергије.
Велике количине се користе у нафтној и хемијској индустрији. Највећа примена је код побољшања фосилних горива и у производњи амонијака. У петрохемији се користи у процесима као што су: хидрокрековање, каталитичко реформирање бензина, изомеризација и алкилација. се исто користи у повећању засићења незасићених масти и уља (користи се за добивање маргарина). Такође је сировина за добивање хлороводоничне киселине, а користи се и као редукциони агенс за минералне сировине или руде.[19]
Водоник је изузетно растворан у многим ретким и прелазним металима, а растворан је и у нанокристалима и аморфним металима. Растворљивост у металима утиче на локалне деформације или нечистоће у кристалним решеткама, тако да метали постају кртији и ломљивији, што ствара велике проблеме у металургији, у изради цевовода и металних резервоара. Понекад се то може решити, ако водоник се прочисти проласком кроз дискове паладијума.[20]
Гасовити водоник се користи за хлађење ротора електричних генератора у електранама, зато што има највећу топлотну проводљивост од свих гасова. Течни се користи у испитивању суперпроводности код врло ниских температура. Будући да је гасовити водоник скоро 15 пута лакши од ваздуха, некад се користио за балоне на врући ваздух.
У новије време, гасовити водоник се меша са азотом, за добивање формирајућег гаса (око 5% водоника у азоту), који се користи код поступка лоцирања или утврђивања пропуштања код разних цевовода у аутомобилској, хемијској индустрији, електранама, ваздухопловству и телекомуникацијама. Водоник се користи као додатак храни (Е 949) за проверу конзервиране хране.[21]
Водоник није извор енергије, осим у могућим електранама на нуклеарну фузију, које би користиле деутеријум и трицијум, што је још далеко од комерцијалне употребе. Водонику који се добије из сунчевих, биолошких или електричних извора, потребно је више енергије него што од њега може добити изгарањем, зато он више има улогу као батерија, за складиштење енергије. Водоник се може добити из метана, али ти се извори називају неодрживим изворима енергије.[22]
Густина енергије по јединици запремине, за течни или компримирани водоник, је пуно мања од познатих фосилних горива, иако по јединици масе, густина енергије је већа. Ипак, о водонику се доста расправља као о будућем носиоцу енергије. Тако рецимо, везивање угљен-диоксида из ваздуха, може бити повезано са стварањем као фосилног горива. Тада би водоник био релативно чисти извор енергије, уз мало испуштање азотних оксида, али без стварања угљен-диоксида. Ипак, улагање у инфраструктуру би било знантно.[23]
У производњи полупроводника, водоник се користи за засићење лабилних веза у аморфном силицијуму и аморфном угљенику, да би им се повећао квалитет. Он је исто могући додатак у различитим оксидима, као: и .[24]
Водоник се као састојак воде, налази се у сваком биолошком организму у знатним количинама. Осим у води, налази се и у готово свим органским једињењима унутар организма, везан ковалентно за елементе попут угљеника или азота. У воденим растворима који су део сваког организма, присутан је у облику јона, те као такав има изванредно важну, темељну улогу у регулацији ћелијских процеса.
се ствара код неких врста врења или ферментација, а стварају га неки микроорганизми, обично уз помоћ катализатора, које садрже ензиме са гвожђем или никлом, који се називају хидрогеназе.
Раздвајање воде у протоне, електроне и кисеоник, јавља се код готово свих биљака које врше фотосинтезу. Неки организми, као што су модрозелене алге су развиле и други корак, који се одвија у тами и којим се ствара гасовити водоник уз помоћ специјалних хидрогеназа у хлоропласту. У току су испитивања на генетски модификованим модрозеленим алгама, с циљем њихове примене у стварању , чак и у присуству кисеоника, т.ј. њихове примене у биореакторима.[25]