Vodik: razlika između inačica

'''Vodik''' nema određen položaj u periodnom sustavu. Ima jedan valentni [[elektron]] kao [[alkalijski metali]], a od njih se razlikuje mnogo većom energijom [[Ionizacija|ionizacije]]. Za stabilnu elektronsku konfiguraciju nedostaje mu jedan [[elektron]]. Vodik bi se mogao smatrati [[Halogeni elementi|halogenim elementom]], ali od njih ima manju [[elektronegativnost]] i afinitet prema elektronu, pa se zbog toga proučava zasebno. Čini 75% mase [[svemir]]a, te je ishodišna tvar iz koje su [[Nuklearna fuzija|nuklearnom fuzijom]] nastali ostali elementi. [[Zvijezda|Zvijezde]] u [[Glavni niz|glavnom nizu]] se uglavnom sastoje od vodika, u obliku [[plazma (fizika)|plazme]]. Elementarni vodik na [[Zemlja|Zemlji]] je u vrlo malim količinama. <ref>

Industrijski se najviše dobija iz [[Prirodni plin|zemnog plina]], a rjeđe [[Elektroliza|elektrolizom]] [[voda|vode]]. Najviše se koristi u proizvodnji [[Fosilna goriva|fosilnih goriva]] (hidrokrakiranje – povećanje kvalitete goriva) i za dobivanje [[amonijak]]a, u proizvodnji umjetnih goriva. U [[Metalurgija|metalurgiji]] nije baš poželjan, jer mnoge [[Kovine|metale]] čini lomljivim i krtim, pa stvara poteškoće u izgradnji cjevovoda i metalnih spremnika. <ref> "Hydrogen Basics&nbsp;— Production" [http://www.fsec.ucf.edu/en/consumer/hydrogen/basics/production.htm] publisher=Florida Solar Energy Center, 2007.</ref> <ref> Rogers H.C.: "Hydrogen Embrittlement of Metals", journal=Science, 1999.</ref>

Iako ga nije prvi proizveo (prvi ga je proizveo [[Paracelsus]] u 16. st. reakcijom metala i jake kiseline), vodik ([[Latinski jezik|lat.]] ''Hydrogenium'') je definirao [[Ujedinjeno Kraljevstvo|Britanac]] [[Henry Cavendish]] [[1766]].<ref>[[Opća i nacionalna enciklopedija]] u 20 svezaka, sv. 20, {{ISBN |978-953-7224-20-2}}, str. 281</ref> i nazvao ga "zapaljivim zrakom". Cavendish ga je dobio reakcijom [[cink]]a i [[Klorovodična kiselina|klorovodične kiseline]]. Definirao je o kojem se plinu radi i dokazao da reakcijom vodika i kisika nastaje [[voda]]. Zbog toga svojstva [[Antoine Lavoisier]] ga [[1783.]] naziva ''hydrogène'', od [[Starogrčki jezik|grčkog]] "onaj koji stvara vodu" (grč. ὕδωρ = voda, γενής = stvaratelj). Hrvatski naziv uveo je [[Bogoslav Šulek]].

Tekući vodik je dobio prvi put 1898. James Dewar, a godinu kasnije je stvorio i kruti vodik. [[Deuterij]] je dobio 1931. [[Harold Urey]], a godinu kasnije je stvorili i [[Teška voda|tešku vodu]]. 1934. [[Ernest Rutherford]] i njegov tim su proizveli [[tricij]]. <ref> Emsley John: "Nature's Building Blocks", publisher=Oxford University Press, 2001.</ref>

Prvi [[balon na vrući zrak]] je otkrio 1783. Jacques Charles. [[Ferdinand von Zeppelin]] je napravio letjelicu na vodik, koja je imala prvi let 1900., a kasnije je nazvana [[cepelin]].

[[Nikal]] – vodikove [[Baterija|baterije]] su se prvi puta koristile 1977, a kasnije ih je koristila [[Međunarodna svemirska postaja]], [[Svemirske letjelice|svemirske letjelice]] [[2001 Mars Odyssey]] i [[Mars Global Surveyor]], te [[svemirski teleskop Hubble]], kome je prvo pakovanje baterija trajalo 19 godina. <ref> [http://www.aiaa.org/content.cfm?pageid=406&gTable=japaperimportPre97&gID=57704] "NTS-2 Nickel-Hydrogen Battery Performance 31", publisher=Aiaa.org, 2009.</ref>

Zbog svoje jednostavne [[atom|atomske]]ske strukture, koja se sastoji od jednog [[proton]]a i [[elektron]]a, atom vodika sa svojim [[Vodikove spektralne linije|vodikovim spektralnim linijama]] svjetlosti (emisija i apsorpcija – [[Balmerova serija]], [[Lymanova serija]] itd.), je imao središnju ulogu u razvoju [[Bohrov model atoma|teorije atomske strukture]]. Osim toga, atom vodika i odgovarajući kationi H₂⁺ su imali važnu ulogu u razumijevanju prirode [[Kemijska veza|kemijskih veza]], čija se teorija razvila 1920-tih. <ref> Crepeau Bob: "Niels Bohr: The Atomic Model", journal=Great Scientific Minds, publisher=Great Neck Publishing, 2006.</ref>

Prije razvoja [[kvantna mehanika|kvantne mehanike]], [[James Clerk Maxwell|Maxwell]] je uočio da [[Toplinski kapacitet|specifični toplinski kapacitet]] molekule H₂ ima neobjašnjivo odstupanje na niskim temperaturama, gdje se H₂ počinje više ponašati kao jednoatomni plin. Prema kvantnoj teoriji, ta pojava se dešava zbog prostora energetskih nivoa, koji su naširoko raspoređeni kod H₂ zbog male mase. Taj veliki prostor energetskih nivoa onemogućuje ravnomjernu raspodjelu toplinske energije kod vodika na niskim temperaturama. <ref> Berman R., Cooke, A. H.; Hill, R. W.: "Cryogenics", journal=Annual Review of Physical Chemistry, 1956.</ref>

Zapaljen na zraku pri 560 &nbsp;°C, izgara gotovo nevidljivim plamenom u vodu:

2 H_2(g) + O_2(g) → 2 H₂O_(l) <math>\Delta{}_{\mathrm{r}}H</math> = 286 kJ mol^-1−1

Čini 75% mase [[svemir]]a, te je ishodišna tvar iz koje su [[nuklearna fuzija|nuklearnom fuzijom]] nastali ostali elementi. Po broju atoma, vodika ima 90% u svemiru. Ima ga u ogromnim količinama u [[zvijezda|zvijezdama]]ma i [[Plinoviti div|plinovitim divovima]], a izgleda da ga ima u još neotkrivenoj [[Tamna tvar|tamnoj tvari]] i [[Tamna energija|tamnoj energiji]]. Molekularni oblaci sa H₂ su povezani sa rođenjem zvijezda. Vodik ima odlućujuću ulogu u stvaranju snage i toplinske energije u [[nuklearna fuzija|nuklearnoj fuziji]], koja se odvija u jezgrama zvijezda, kroz [[Niz proton-proton|niz proton – proton]] i [[Niz ugljik-dušik-kisik|niz ugljik – dušik – kisik]]. <ref> Steve Gagnon: [http://education.jlab.org/itselemental/ele001.html] "Hydrogen", publisher=Jefferson Lab, 2008.</ref> <ref> Haubold Hans, Mathai, A. M., 2007. [http://www.columbia.edu/~ah297/unesa/sun/sun-chapter4.html] "Solar Thermonuclear Energy Generation", publisher=Columbia University, 2008.</ref>

U svemiru vodik se uglavnom nalazi u atomskom stanju ili kao [[plazma (fizika)|plazma]], čija su svojstva sasvim drukčija od molekularnog vodika H₂. Kao plazma, vodikovi elektroni i protoni nisu povezani zajedno, i stvaraju veoma jaku [[Električna vodljivost|električnu vodljivost]] i veliku emisiju [[toplina|topline]] (stvara [[elektromagnetsko zračenje]], uključujući svjetlost sa [[Sunce|Sunca]] i ostalih [[zvijezda]]). Na nabijene čestice vodika snažno utječu [[Magnetsko polje|magnetska]] i [[Električno polje|električna polja]]. Na primjer, [[Sunčev vjetar]] djeluje na Zemljinu [[magnetosfera|magnetosferu]], stvarajući [[polarna svjetlost|polarnu svjetlost]] i Birkelandovu struju. <ref> Storrie-Lombardi Lisa J.: "Surveys for z > 3 Damped Lyman-alpha Absorption Systems: the Evolution of Neutral Gas", journal=Astrophysical Journal, 2000.</ref>

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 [[Zemljina atmosfera|atmosfere]]. Ipak, na Zemljinoj površini, vodik je treći najrašireniji element, uglavnom u obliku molekula [[voda|vode]] i [[Ugljikohidrati|ugljikohidrata]]. Neke [[alga|alge]] i [[bakterije]] stvaraju plin vodik. <ref> Wolfgang H. Berger, 2007. [http://earthguide.ucsd.edu/virtualmuseum/climatechange2/11_3.shtml] "The Future of Methane", publisher=University of California, San Diego, 2008.</ref>

Može se dobiti i reakcijom vode s čvrstim [[hidrid|hidridima]]ima, kao što je [[kalcijev hidrid]]:

te reakcijom metala negativnog redukcijskog potencijala s [[lužina|lužinama]]ma, ako ti metali stvaraju hidrokso-komplekse:

Kada je lako dostupan [[metan]], koristi se njegova reakcija s vodenom parom na 1100 &nbsp;°C:

CH_4(g) + H₂O ⇄ CO_(g) + 3 H_2(g) <math>\Delta{}_{\mathrm{r}}H</math> = 214.4 kJ mol^-1−1

C_(s) + H₂O ⇄ CO_(g) + H_(g) <math>\Delta{}_{\mathrm{r}}H</math> = 131.25 kJ mol^-1−1

Postoji više od 200 termokemijskih procesa, koji se mogu iskoristiti za razdvajanje vode. Oko 10-tak procesa se istražuje i ispituje za dobivanje vodika i [[kisik]]a iz [[voda|vode]], te grijanjem bez upotrebe [[električna struja|električne struje]], a ti su procesi na primjer: ciklus [[željezo|željeznog]] oksida, ciklus [[cerij]] (IV) oksid - cerij (III) oksid, ciklus [[cink]] – cink oksid, ciklus [[sumpor]] – [[jod]], ciklus [[Bakar (element)|bakar]] – [[klor]] i ciklus hibridni [[sumpor]]. Veliki broj labaratorija u Francuskoj, Njemačkoj, Grčkoj, Japanu i SAD razvijaju termokemijske procese uz korištenje Sunčeve energije i vode. <ref> [http://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/review05/pd28_weimer.pdf] "Development of solar-powered thermochemical production of hydrogen from water"</ref> <ref> [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.</ref>

Dobro kristalizirani magnetit (Fe₃O₄) je termodinamički puno stabilniji od željeznog hidroksida. Taj se proces obično dešava za vrijeme anaerobne korozije željeza i čelika, u [[Podzemne vode|podzemnim vodama]] koje nemaju kisika, i u reduciranim [[tlo|tlu]] u kojem ima dosta vlage.

Na sobnoj temperaturi nije previše reaktivan, no pri višim temperaturama ulazi u niz reakcija. Poznati su milijunu [[ugljikovodik]]a, koji su područje proučavanja organske kemije. Vodik stvara spojeve i sa elementima koji imaju veću elektronegativnost, kao što su [[halogeni elementi]] (F, Cl, Br, I). Kada se spaja sa [[fluor]]om, [[kisik]]om ili [[dušik]]om, vodik se može vezati u jakoj nekovalentnoj vezi, koja se zove [[vodikova veza]], koja je kritična u stabilnosti mnogih bioloških molekula. Vodik se veže i sa manje elektronegativnim elementima, kao što su [[Kovine|metali]] i [[Polumetali|polumetali]].

*3H ili [[tricij]], ima jedan proton i dva neutrona u jezgri, te jedan elektron.Tricij je radioaktivan, raspada se u [[helij]]-3 izotop, uz pojavu [[beta-čestica]] i ima [[vrijeme poluraspada]] od 12,32 godine. Toliko je radioaktivan da se koristi za [[Luminiscencija|luminiscentne]] boje, koje se koriste i kod satova, kod kojih se može vidjeti vrijeme i u mraku. Staklo spriječava da mala količina radioaktivnosti izađe van. U prirodi se tricij može naći u vrlo malim količinama u [[Zemljina atmosfera|atmosferi]], a nastaje uslijed djelovanja [[Kozmičke zrake|kozmičkih zraka]]. Tricij može nastati kod testiranja [[Nuklearno oružje|nuklearnog oružja]]. Tricij prestavlja moguće gorivo za dobivanje [[Energija nuklearne fuzije|električne energije iz nuklearne fuzije]]. On se koristi kod kemijskih i bioloških pokusa kao radioaktivni označivač.

Vodik je jedini kemijski element čiji se izotopi označuju drugim imenima (procij, deuterij, tricij). [[Međunarodna unija za čistu i primijenjenu kemiju]] dozvoljava oznake D za deuterij ili T za tricij, ali preporučuje oznake ²H and ³H. Oznaka P se već koristi za [[fosfor]], tako da se ne može koristiti za procij.

Odnos između orto- i para-vodika je vrlo bitna kod spremanja tekućeg vodika u spremnik, jer pretvaranje orto-vodika u para-vodik stvara dodatno toplinu, koja može dovesti do hlapljenja, a time i gubitka tekućeg vodika. Zbog toga treba koristiti [[katalizator]]e, kao što je [[Željezov(III) oksid|željezov (III) oksid]], aktivni [[ugljik]], platinizirani [[azbest]], [[kovine rijetkih zemalja]], [[Uranij|uranovi]] spojevi, [[krom]]ov oksid i neki spojevi [[nikal|nikla]].

Vodik je vrlo važna industrijska sirovina. Koristi se, između ostalog, za sintezu [[amonijak]]a i [[metanol]]a, za proizvodnju goriva za motorna vozila hidrogenacijom ugljika, [[Nafta|nafte]] i [[katran]]a. Koristi se i za zavarivanje i taljenje [[metal]]a, za punjenje zračnih balona i zračnih brodova, za redukciju metalnih [[oksid]]a u metale, hidrogeniranje ulja u masti itd.

Velike količine H₂ se koriste u naftnoj i kemijskoj industriji. Najveća primjena je kod poboljšanja [[Fosilna goriva|fosilnih goriva]] i u proizvodnji [[amonijak]]a. U petrokemiji H₂ se koristi u procesima kao što su: hidrokrekiranje, katalitičko reformiranje benzina, izomerizacija i alkilacija. H₂ se isto koristi u povećanju zasićenja nezasićenih masti i ulja (koristi se za dobivanje [[margarin]]a). Također je sirovina za dobivanje [[Klorovodična kiselina|klorovodične kiseline]], a koristi se i kao [[reducens]] za [[mineralne sirovine]] ili rude. <ref> Chemistry Operations: 2003. [http://periodic.lanl.gov/elements/1.html] "Hydrogen|publisher=Los Alamos National Laboratory" 2008.</ref>

Vodik je izuzetno topiv u mnogim [[Kovine rijetkih zemalja|kovinama rijetkih zemalja]] i [[Prijelazni metali|prijelaznim metalima]], a topiv je i u nanokristalima i amorfnim metalima. [[Topljivost]] u metalima utječe na lokalne deformacije ili nečistoće u [[Kristalna rešetka|kristalnim rešetkama]], tako da metali postaju krtiji i lomljiviji, što stvara velike probleme u [[metalurgija|metalurgiji]], u izradi cjevovoda i metalnih rezevoara. Ponekad se to može riješiti ako vodik se pročisti prolaskom kroz diskove [[paladij]]a. <ref> Takeshita Wallace: "Hydrogen solubility in 1:5 compounds between yttrium or thorium and nickel or cobalt", journal=Inorganic Chemistry, 1974.</ref>

Plinoviti vodik H₂ se koristi za hlađenje rotora [[Električni generator|električnih generatora]] u [[Elektrane i elektroenergetske mreže|elektranama]], zato što ima najveću toplinsku provodljivost od svih plinova. Tekući H₂ se koristi u ispitivanju [[supravodljivost]]i kod vrlo niskih temperatura. Budući da je plinoviti vodik H₂ skoro 15 puta lakši od zraka, nekad se koristio za [[Balon na vrući zrak|balone na vrući zrak]].

U novije vrijeme, plinoviti vodik H₂ se miješa sa [[dušik]]om, za dobivanje '''formirajućeg plina''' (oko 5% vodika u dušiku), koji se koristi kod postupka lociranja ili utvrđivanja propuštanja kod raznih cjevovoda u automobilskoj, kemijskoj industriji, elektranama, zrakoplovstvu i telekomunikacijama. Vodik se koristi kao dodatak [[hrana|hrani]] (E 949) za provjeru konzervirane hrane. <ref> Matthias Block: "Hydrogen as Tracer Gas for Leak Detection", publisher=Sensistor Technologies, 2004. [http://www.ndt.net/abstract/wcndt2004/523.htm]</ref>

[[Trojna točka]] vodika u ravnoteži iznosi 13, 8033 Kelvina.

[[Datoteka:Brno, Autotec, Mercedes Citaro na palivové články II.jpg|mini|desno|250px|Mercedes-Benz O530 Citaro autobus kojeg pogone vodikove [[Goriva ćelija|gorive ćelije]], u [[Brno|Brno]], [[Češka]].]]

Vodik nije izvor energije, osim u mogućim elektranama na [[nuklearna fuzija|nuklearnu fuziju]], koje bi koristile [[deuterij]] i [[tricij]], što je još daleko od komercijalne upotrebe. Vodik koji se dobije iz sunčevih, bioloških ili električnih izvora, treba više energije nego što od njega možemo dobiti izgaranjem, zato on više ima ulogu kao [[baterija]], za spremanje ili skladištenje energije. Vodik se može dobiti iz [[metan]]a, ali ti se izvori nazivaju neodrživim izvorima energije. <ref> McCarthy John: "Hydrogen", publisher=Stanford University, 1995. [http://www-formal.stanford.edu/jmc/progress/hydrogen.html McCarthy John: "Hydrogen", publisher=Stanford University, 1995]</ref>

'''Gustoća energije''' po jedinici obujma, za tekući ili komprimirani vodik, je puno manja od poznatih fosilnih goriva, iako po jedinici mase, gustoća energije je veća. Ipak, o vodiku se dosta raspravlja kao o budućem nosiocu energije. Tako recimo, vezivanjem ugljikovog dioksida iz zraka, može biti povezano sa stvaranjem H₂ kao fosilnog goriva. Tada bi vodik bio relativno čisti izvor energije, uz malo ispuštanje [[Dušikovi oksidi|dušikovih oksida]], ali bez stvaranja [[Ugljikov(IV) oksid|ugljikovog dioksida]]. Ipak, ulaganje u infrastrukturu bi bilo znantno. <ref> "DOE Seeks Applicants for Solicitation on the Employment Effects of a Transition to a Hydrogen Economy", publisher=US Department of Energy, 2006. [http://www.hydrogen.energy.gov/news_transition.html]</ref>

U proizvodnji [[poluvodič]]a, vodik se koristi za zasićenje slomljenih (“klimavih”) veza u amorfnom [[silicij]]u i amorfnom [[ugljik]]u, da bi im se povećala kvaliteta. On je isto mogući dodatak u različitim oksidima, kao: ZnO, SnO₂, CdO, MgO, ZrO₂, HfO₂, La₂O₃, Y₂O₃, TiO₂, SrTiO₃, LaAlO₃, SiO₂, Al₂O₃, ZrSiO₄, HfSiO₄ i SrZrO₃. <ref> Van de Walle: "Hydrogen multicentre bonds", journal=Nature Materials, 2007.</ref>

H₂ se stvara kod nekih vrsta [[Vrenje|vrenja ili fermentacija]], a stvaraju ga neki [[mikroorganizmi]], obično uz pomoć [[katalizator]]a, koje sadrže [[enzim]]e sa [[željezo|željezom]]m ili [[nikal|niklom]], koji se nazivaju hidrogenaze.

Razdvajanje vode u protone, elektrone i kisik, javlja se kod gotovo svih biljaka koje vrše [[fotosinteza|fotosintezu]]. Neki takvi organizmi, kao [[modrozelene alge]] su razvile i drugi korak, po mraku, kojim se stvara plinoviti vodik H₂ uz pomoć specijalnih hidrogenaza u [[kloroplast]]u. Trenutno se rade ispitivanja na genetski modificiranim modrozelenim algama, koje bi stvarale H₂, čak i u prisustvu kisika ili takozvani '''bioreaktori'''. <ref> Williams Chris; "Pond life: the future of energy", publisher=The Register, 2006. [http://www.theregister.co.uk/2006/02/24/pond_scum_breakthrough/]</ref>

Vodik stvara čitav niz opasnosti za čovjekovu sigurnost, pogotovo H₂ je opasan kao plin praskavac u zraku. Osim toga, tekući vodik je opasan, jer stvara vrlo niske temperature, što može dovesti do smrzotina na prstima. <ref> "Hydrogen Safety", publisher=Humboldt State University, [http://www.schatzlab.org/education/h2safety.html], 2010.</ref>

{{Kemijski elementi}}