Wodór – wzór, właściwości, otrzymywanie, zastosowanie

Wodór to pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 1, oznaczony symbolem H. Jego masa atomowa wynosi 1,00794 u. Wodór występuje w postaci dwuatomowych cząsteczek, H₂. Został odkryty w 1766 roku przez angielskiego chemika i fizyka, Henry’ego Cavendisha.

Wodór - wzór, izotopy

Wodór występuje w postaci trzech izotopów – protu, deuteru i trytu. Podstawowy, trwały izotop wodoru to Prot, oznaczany $^1H$. Jego jądro atomowe zawiera tylko jeden proton i jest to najbardziej rozpowszechniony izotop wodoru w przyrodzie. Abundancja protu wynosi 99,9885%. Drugi izotop wodoru, również trwały, to deuter. Zawiera on w jądrze atomowym jeden proton oraz jeden neutron i oznaczany jest symbolem $^2H$ lub $^2D$. W przyrodzie abundancja deuteru wynosi 0.0115%. (ciężka woda) Trzeci izotop wodoru to tryt. Tryt jest izotopem promieniotwórczym, o okresie półtrwania 12,33 lat, w przyrodzie występuje on w śladowych ilościach. W jądrze atomowym trytu obecne są dwa neutrony oraz jeden proton. Tryt oznaczany jest symbolami $^3H$ lub $^3T$.

Wodór - właściwości fizykochemiczne

Wodór cząsteczkowy w warunkach normalnych ($H_2$) jest bezbarwnym, bezwonnym gazem o gęstości 0,09 g/dm³. Pod ciśnieniem atmosferycznym, temperatura wrzenia wodoru jest bliska zeru bezwzględnemu i wynosi 20,28 stopni Kelvina (-252,87 st C), natomiast jego temperatura krzepnięcia wynosi 14 stopni Kelvina (-259 st. C).

Wodór - otrzymywanie 

Najpowszechniejszą metodą otrzymywania wodoru jest elektroliza wody. Po umieszczeniu w wodzie zawierającej elektrolit zwiększający przewodnictwo elektrod i podłączeniu napięcia, na elektrodach zachodzi reakcja opisana równaniem (1) i na katodzie wydziela się gazowy wodór.

$2H_2O \rightarrow 2H_2+O_2$ (1)

Drugą metodą, którą można otrzymać gazowy wodór, są reakcje metali alkalicznych (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr) z wodą. Zachodzi wtedy reakcja opisana równaniem (2), gdzie symbolem Me oznaczono dowolny metal alkaliczny.

$2Me + 2H_2O \rightarrow 2Me(OH) + H_2$ (2)

Trzecią metodą, pozwalającą na otrzymanie wodoru jest reakcja metali z rozcieńczonym kwasem solnym. Istotnym przykładem jest często wykorzystywana reakcja cynku z kwasem solnym (reakcja 3), w której powstaje chlorek cynku i gazowy wodór.

$Zn + 2HCl(aq) \rightarrow ZnCl_2 + H_2$ (3)

W przemyśle najważniejszym źródłem wodoru jest gaz syntezowy, mieszanina CO i H₂. Jest on otrzymywany w wyniku reakcji węgla, gazu ziemnego lub niskocząsteczkowych węglowodorów z nadmiarem pary wodnej, pod wysokim ciśnieniem, w obecności katalizatora niklowego. Gaz syntezowy jest kluczowym produktem między innymi w procesie otrzymywania syntetycznej benzyny metodą Fischera-Tropscha. Otrzymywanie gazu syntezowego można opisać równaniami:

$C + H_2O \rightarrow CO + H_2$

$CH_4 + H_2O \rightarrow CO + 3H_2$

$C_nH_{2n+2} +nH_2O \rightarrow nCO + 2n+1H_2$

Wodór - zastosowanie

Wodór znajduje szereg zastosowań. W przemyśle wykorzystywany jest między innymi do otrzymywania syntetycznej benzyny metodą Fischera-Tropscha, w procesie hydrokrakingu, do uwodornienia tłuszczów nienasyconych (produkcja margaryny) oraz w syntezie amoniaku metodą Habera-Boscha (jeden z podstawowych procesów w produkcji nawozów azotowych).

Egzoenergetyczna reakcja wodoru z tlenem, w której powstaje woda, jest podstawą zastosowania wodoru jako paliwa w silnikach rakietowych, gdzie następuje jego bezpośrednie spalanie w tlenie, albo w ogniwach paliwowych, gdzie odpowiednio kontrolowana reakcja wodoru i tlenu stanowi źródło energii elektrycznej. Ogniwa paliwowe wykorzystywane są na przykład jako źródło energii dla samochodów, jednak dużym ograniczeniem w rozwoju tej technologii są możliwości bezpiecznego składowania i dystrybucji wodoru.

W laboratoriach wodór znajduje szerokie zastosowanie jako reduktor w różnorodnych reakcjach chemicznych. Jest wykorzystywany w postaci czystego gazu, do uwodornienia katalitycznego, prowadzonego zazwyczaj pod zwiększonym ciśnieniem wodoru, w obecności katalizatora niklowego albo palladowego, albo generowany In situ, w reakcji metalicznego cynku z kwasem solnym.

Związki wodoru - wodorki

Wodór tworzy bardzo dużą liczbę związków chemicznych o zróżnicowanych właściwościach, m.in. jest (obok węgla) głównym pierwiastkiem tworzącym związki organiczne. Jedna z grup związków, w których występuje wodór to wodorki.