Wodór w warunkach normalnych ($0°\text{C}$ i $1013 \text{hPa}$) jest gazem bezwonnym, bezbarwnym, a w podwyższonej temperaturze przenika przez metale i szkło kwarcowe. Jest prawie nierozpuszczalny w wodzie, ale za to bardzo dobrze rozpuszcza się zarówno w palladzie i niklu, jak i stopach, takich jak np. stop niklu i lantanu.

RIIjbXEU3Y20O

Ilustracja przedstawia wykres rozpuszczalności wodoru w wodzie w miligramach na jeden kilogram wody w zależności od temperatury wody w stopniach Celsjusza. Wartości: <math aria‑label="minus dziesięć stopni celsjusza">-10°C, $\mathrm{2,0}$ miligramy, <math aria‑label="zero stopni celsjusza">-0°C, $\mathrm{1,92}$ miligrama, <math aria‑label="dziesięć stopni celsjusza">10°C, $\mathrm{1,75}$ miligrama, <math aria‑label="dwadzieścia stopni celsjusza">-20°C, $\mathrm{1,6}$ miligrama, <math aria‑label="trzydzieści stopni celsjusza">-30°C, $\mathrm{1,47}$ miligrama, <math aria‑label="czterdzieści stopni celsjusza">-40°C, $\mathrm{1,38}$ miligrama, <math aria‑label="pięćdziesiąt stopni celsjusza">-50°C, $\mathrm{1,3}$ miligrama, <math aria‑label="sześćdziesiąt stopni celsjusza">-60°C, $\mathrm{1,18}$ miligrama.

Wodór jest najlżejszym gazem na świecie. Jego gęstość jest mniejsza od gęstości powietrza. Oznacza to, że wodór ma też najmniejszą gęstość ze wszystkich pierwiastków. Jeżeli napełnimy balon wodorem, ten uniesie się do góry.

R137d3o37CIhg

Animacja przedstawia napełnianie balonów pięcioma gazami: tlenkiem węgla(<math aria‑label="cztery">IV), tlenem, powietrzem, helem i wodorem. Balony wypełnione tlenkiem węgla(<math aria‑label="cztery">IV), tlenem i powietrzem opadają na podłogę, a te z helem i wodorem unoszą się w górę.

Animacja przedstawia napełnianie balonów pięcioma gazami: tlenkiem węgla(<math aria‑label="cztery">IV), tlenem, powietrzem, helem i wodorem. Balony wypełnione tlenkiem węgla(<math aria‑label="cztery">IV), tlenem i powietrzem opadają na podłogę, a te z helem i wodorem unoszą się w górę.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/R137d3o37CIhg

Animacja przedstawia napełnianie balonów pięcioma gazami: tlenkiem węgla(<math aria‑label="cztery">IV), tlenem, powietrzem, helem i wodorem. Balony wypełnione tlenkiem węgla(<math aria‑label="cztery">IV), tlenem i powietrzem opadają na podłogę, a te z helem i wodorem unoszą się w górę.

Prostym eksperymentem określającym gęstość wodoru względem powietrza jest przyłożenie do siebie dwóch probówek (jednej z powietrzem, a drugiej z wodorem). Do odwróconej dnem do góry probówki zawierającej wodór, przykładamy od dołu drugą probówkę z powietrzem.

RN12yN6HHTWon

Ilustracja przedstawia dwie probówki zwrócone do siebie wylotami. W górnej znajduje się wodór a w dolnej powietrze. po obu stronach probówek znajdują się łukowate strzałki: lewa skierowana od górnej do dolnej probówki, a prawa od dolnej do górnej.

Trzymając mocno obie probówki, odwracamy je dnem do góry i wylotem do dołu. Wodór, jako gaz „leżjszy”od powietrza, przemieści się do górnej probówki. Odwracamy probówkę z wodorem i szybko przykładamy palące się łuczywko. Podczas reakcji będzie słychać charakterystyczny dźwięk spalania wodoru, co świadczy o jego obecności w probówce, w której wcześniej było powietrze.

Wodór wykazuje właściwości redukujące, względem takich związków jak: $\text{CuO}$, ${\text{Fe}}_2{\text{O}}_3$, ${\text{Cl}}_2$:

W laboratorium reakcje z udziałem gazów przeprowadza się z pomocą tzw. aparatu Kippaaparat Kippaaparatu Kippa. W ten sposób można przeprowadzić wspomnianą już reakcję redukcji tlenku miedzi($\text{II}$) przez gazowy wodór. W probówce umieszcza się tlenek miedzi($\text{II}$) i łączy się ją z wężem, którego drugi koniec zamocowany jest do aparatu Kippaaparat Kippaaparatu Kippa. Probówkę należy ogrzewać, jednocześnie wprowadzając gazowy wodór, wytwarzany w wyniku zachodzącej między cynkiem i kwasem chlorowodorowym reakcji chemicznej.

RXc3ynRjF7uAy

Grafika przedstawia następujący zestaw laboratoryjny: palnik, w płomieniu palnika ogrzewana jest probówka z $\text{CuO}$, probówka jest zatkana korkiem i połączona rurką z zaworem wprowadzającym będącym elementem aparatu Kippa. Aparat Kippa jest stosowany przy otrzymywaniu gazów w wyniku reakcji ciała stałego z cieczą. Aparat Kippa zbudowany z trzech okrągłych komór szklanych umieszczonych jedna nad drugą i połączonych za pomocą szklanych szlifów zapewniających szczelność aparatury. W górnym szlifie komory górnej znajduje się specjalna rurka, którą może być wprowadzana ciecz. Górna komora łączy się z za pomocą szklanej rurki z dolną komorą, która to ma dostęp do komory środkowej dzięki oddzielającej komory płycie retencyjnej. W środkowej komorze z reguły umieszcza się ciało stałe, którym w tym przypadku jest cynk. Górna komora wypełniona jest kwasem, tutaj kwas chlorowodorowy. Środkowa komora posiada kranik w górnej części umożliwiający odpływ gazu. Poprzez górną komorę doprowadza się ciekły reagent, na przykład kwas.

Do metod przemysłowych wytwarzania wodoru zaliczają się:

• konwersja metanu i innych węglowodorów z parą wodną:

  $${\text{CH}}_4+{\text{H}}_2\text{O}\to \text{CO}+3 {\text{H}}_2$$

• konwersja tlenku węgla z parą wodną:

  $$\text{CO}+{\text{H}}_2\text{O}\rightleftarrows {\text{CO}}_2+{\text{H}}_2$$

• elektroliza wodnego roztworu $\text{NaCl}$. Przyłożenie pola elektrycznego powoduje uporządkowanie ruchu jonów w roztworze, ujemnie naładowane jony chloru wędrują do anody, oddają elektrony i przechodzą do stanu cząsteczkowego:

  $$2 {\text{Cl}}^{-}\to {\text{Cl}}_2+2 {\mathit{\text{e}}}^{-}$$

  Natomiast dodatnie jony sodu przyjmują elektrony, stając się atomami. Reagują z wodą według równania:

  $$2 \text{Na}+2 {\text{H}}_2\text{O}\to 2 \text{NaOH}+{\text{H}}_2$$

• Reakcja wody z metalami:

  $$3 \text{Fe}+4 {\text{H}}_2\text{O} \stackrel{600°\text{C}}{\rightleftarrows } {\text{Fe}}_3{\text{O}}_4+4 {\text{H}}_2\uparrow$$

Istnieją także metody laboratoryjne:

• reakcje metali (np. $\text{Zn}$, $\text{Fe}$, $\text{Sn}$) z kwasami (np. $\text{HCl}$, ${\text{H}}_2{\text{SO}}_4$):

  $$\text{Zn}+2 \text{HCl}\to {\text{ZnCl}}_2+{\text{H}}_2$$
  $$\text{Fe}+{\text{H}}_2{\text{SO}}_4\to {\text{FeSO}}_4+{\text{H}}_2$$

• reakcje metali z wodą; jeśli użyjemy ${\text{D}}_2\text{O}$ zamiast ${\text{H}}_2\text{O}$, możemy otrzymać deuter, np.

  $$2 \text{Li}+2 {\text{D}}_2\text{O}\to {\text{D}}_2+2 \text{LiOD}$$

• reakcja wodorków z wodą, np. ${\text{CaH}}_2$, $\text{NaH}$, ${\text{NaBH}}_4$ (niebezpieczne, gwałtowne reakcje).

  $${\text{CaH}}_2+2 {\text{H}}_2\text{O} \to \text{Ca}{\left(\text{OH}\right)}_2+2 {\text{H}}_2$$

Najbardziej znanymi reakcjami otrzymywania wodoru w laboratorium są:

1. reakcja kwasu solnego (chlorowodorowego) z cynkiem:

RNpBXjfoJ7q3M

Ilustracja przedstawia probówkę zatkaną korkiem z bocznym tubusem, czyli rurką odprowadzającą. W probówce znajduje się cynk i kwas solny, a z bocznej szyjki wydobywa się wodór, co zaznaczono strzałką z podpisem.

ROkhyWhBPpL7O

Ilustracja przedstawia metodę identyfikacji wodoru. Szklana probówka z bezbarwnym gazem, wodorem jest odwrócona dnem do góry. Do jej wylotu przystawione jest zapalone łuczywo, podpisane etykietką: zapalone łuczywo. Z probówki wydobywa się płomień o pomarańczowej barwie, który wypełnia ją w całej objętości.

2. reakcja glinu z wodorotlenkiem sodu:

R1GG4nKqIdXQe

Ilustracja przedstawia probówkę z przeźroczystym roztworem wodorotlenku sodu i metalicznym glinem znajdującym się na dnie

R1ZIhEu0YekaR

Ilustracja przedstawia probówkę z bezbarwnym roztworem.

Słownik

aparat Kippa

aparat Kippa

szklane urządzenie laboratoryjne stosowane przy otrzymywaniu gazów w wyniku reakcji ciała stałego z cieczą; poszczególne elementy urządzenia połączone są ze sobą za pomocą złączy szlifowych, co gwarantuje szczelność

R1cUbVhUhDl75

Ilustracja przedstawiająca aparat Kippa zbudowany z trzech okrągłych komór szklanych umieszczonych jedna nad drugą i połączonych za pomocą szklanych szlifów zapewniających szczelność aparatury. Górna komora łączy się z za pomocą szklanej rurki z dolną komorą, która to ma dostęp do komory środkowej dzięki oddzielającej komory płycie retencyjnej. W środkowej komorze z reguły umieszcza się ciało stałe. Środkowa komora posiada kranik w górnej części umożliwiający odpływ gazu. Poprzez górną komorę doprowadza się ciekły reagent, na przykład kwas.

Bibliografia

Bielański A., Podstawy chemii nieorganicznej, Warszawa 1987.

Bogdańska Zarembina A., Matusewicz E. I., Matusewicz J., Chemia dla szkół średnich, Warszawa 1995.

Grębosz M., Zapotoczny S., Słownik szkolny. Chemia, Warszawa 2007.

Hassa R., Mrzigod A., Mrzigod J., Sułkowski W., Chemia – podręcznik i zbiór zadań w jednym, Straszyn 2003.

Kaczyński J., Czaplicki A., Chemia ogólna, Warszawa 1974.

Litwin M., Styka – Wlazło S., Szymońska J., Chemia ogólna i nieorganiczna, Warszawa 2002.

Pazdro K. M., Chemia. Podręcznik do kształcenia rozszerzonego w liceach, Warszawa 2020.

Sawicka J., Janich‑Kilian A., Cejner‑Mania W., Urbańczyk G., Tablice chemiczne, Gdańsk 2015.