Odkrycie wodoru

Henry Cavendishhenry cavendishHenry Cavendish** [käwəndısz] ($1731$–$1810$) był angielskim chemikiem i fizykiem, badającym chemiczne i fizyczne właściwości gazów wytworzonych w reakcjach chemicznych. Zawdzięczamy mu m.in. odkrycie wodoru, przypadające na $1766$ rok. Otrzymany w wyniku działania kwasami (kwasem siarkowym($\text{VI}$) i kwasem chlorowodorowym) na metale (cynk, cynę i żelazo) gaz nazwał „palnym powietrzem”. Zaobserwował także, że w czasie jego spalania powstaje woda, natomiast zmieszanie „palnego powietrza” ze zwykłym powietrzem powoduje wybuch przy zetknięciu z płomieniem.

Utożsamiał wodór z tzw. flogistonem, czyli bliżej nieokreśloną substancją palną, zwaną „materią ognia”. Teoria flogistonu, pochodząca z $\text{XVII}$ wieku, miała wielu zwolenników. Henry Cavendish uważał więc wodór za flogiston wydzielany z metalu. Teorię flogistonu obalił francuski chemik Antoine Lavoisierantoine lavoisierAntoine Lavoisier

Położenie wodoru w układzie okresowym

Wodór jest szczególnym pierwiastkiem w układzie okresowym, znajdującym się w pierwszej grupie układu okresowego, jednakże posiada również właściwości zbliżone do pierwiastków grupy $17.$ – fluorowców. Z pozostałymi pierwiastkami $1.$ grupy układu okresowego wiąże go ta sama liczba elektronów walencyjnych. Podobnie jak metale, zajmujące kolejne miejsca w $1.$ grupie układu okresowego, może oddawać jedyny elektron walencyjny, przyjmując w związkach $+\text{I}$ stopień utlenienia. Z fluorowcami łączy go z kolei to, że może przyjąć jeden elektron, w wyniku czego uzyska trwałą konfigurację gazu szlachetnego. W takiej sytuacji wodór osiągnie formalny stopnień utlenienia wynoszący $-\text{I}$.

Elektroujemność wodoru według skali Paulinga jest równa około $\mathrm{2,1}$-$\mathrm{2,2}$. Jest to jedna z najniższych elektroujemności wykazywanych przez niemetale. Jednocześnie wartość ta jest wyższa w porównaniu do elektroujemności przekazywanej przez większość metali.

R1RjcKE6GO9nL

Ilustracja przedstawiająca zestaw prostopadłościanów. Ujęcie z góry. Na ich górnych podstawach naniesione są symbole pierwiastków bloków s oraz p uszeregowane analogicznie jak w układzie okresowym pierwiastków z wyłączeniem szóstego i siódmego okresu. W pierwszej grupie znajdują się wodór, lit, sód, potas oraz rubid. W drugiej grupie znajdują się kolejno beryl, magnez, wapń oraz stront. W grupie trzynastej bor, glin, gal oraz ind. W grupie czternastej węgiel, krzem, german i cyna. W grupie piętnastej znajduje się azot, fosfor, arsen i antymon. W grupie szesnastej tlen, siarka, selen oraz tellur. W grupie siedemnastej znajdują się fluor, chlor, brom i jod.

Ze względu na w pewnym sensie pośrednią wartość elektroujemności pomiędzy metalami i niemetalami, wodór może reagować zarówno z pierwiastkami o wyższej elektroujemności, przyjmując w powstających związkach $+\text{I}$ stopień utlenienia, jak i z pierwiastkami o niższej elektroujemności, przyjmując $-\text{I}$ stopień utlenienia.

Izotopy wodoru

Do naturalnych izotopów wodoru zaliczamy prot o liczbie masowej równej $1$, deuter o liczbie masowej równej $2$ oraz tryt o liczbie masowej równej $3$. Ten pierwszy nie posiada neutronów w jądrze atomowym, lecz tylko jeden proton. Jest najliczniej występującym w naturze izotopem wodoru – jego abundancja wynosi około $\mathrm{99,985}\%$. Deuter, prócz jednego protonu w jądrze, posiada również jeden neutron – jego abundancje szacuje się na $\mathrm{0,015}\%$. Izotop ten nie jest ani radioaktywny, ani toksyczny. W skład jądra atomowego trytu wchodzą jeden proton oraz dwa neutrony. Jest on radioaktywny. Na Ziemi występują niewielkie ilości trytu z powodu oddziaływania promieniowania kosmicznego z gazami atmosferycznymi. Jest również produktem reakcji nuklearnych. Prot oraz deuter to stabilne odmiany izotopowe wodoru, podczas gdy tryt jest niestabilny i ulega rozpadom ${\beta }^{-}$ z czasem połowicznego rozpadu wynoszącym około $12$ lat. Oprócz naturalnych izotopów wodoru wytworzono również sztucznie cięższe izotopy wodoru o liczbie neutronów w jądrze równej $3$–$6$.

Atomy wodoru stanowią $91\%$ wszystkich atomów występujących w Układzie Słonecznym, tym samym odpowiadają za $71\%$ jego masy.

Właściwości fizykochemiczne

Wodór rozpoczyna układ okresowy pierwiastków. Jest on bezbarwnym, bezwonnym i palnym gazem o gęstości mniejszej od powietrza. Wodór jest praktycznie nierozpuszczalny w wodzie.

Temperatura topnienia wodoru wynosi $-\mathrm{259,14}°\text{C}$, natomiast temperatura wrzenia $-\mathrm{252,87}°\text{C}$. Jego gęstość jest bardzo niewielka i wynosi $\mathrm{0,08988} \frac{\text{g}}{{\text{cm}}^3}$ ($0°\text{C}$ przy $\mathrm{1013,25} \text{hPa}$).

Wodór zazwyczaj tworzy cząsteczki dwuatomowe (${\text{H}}_2$). Spośród gazów jest najlepszym przewodnikiem ciepła, a także łatwo dyfunduje przez materiały porowate. Jest pochłaniany przez niektóre metale (np. pallad, nikiel).

W chwili powstania wodór wykazuje szczególnie wysoką reaktywność, ale zwykłe reakcje z wodorem wymagają ogrzewania. W kontakcie z tlenem tworzy mieszankę wybuchową. Szczególnie niebezpieczna jest tzw. mieszanina piorunująca, zawierająca wodór i tlen zmieszane w stosunku objętościowym $2:1$ — czyli stosunku równym współczynnikom stechiometrycznym w reakcji tworzenia przez te gazy wody. Charakteryzuje się on silnymi właściwościami redukującymi. Reaguje bezpośrednio z fluorem i chlorem podczas naświetlania (obie reakcje przebiegają gwałtownie), a po ogrzaniu łączy się z azotem, siarką oraz niektórymi metalami.

Wodór w połączeniu z większością niemetali występuje na $+\text{I}$ stopniu utlenienia, a w związkach chemicznych z większością metali na stopniu utlenienia $-\text{I}$.

Reaktywność wodoru możemy przedstawić na poniższym grafie:

Ra4Gv8lnloSAF

Graf przedstawiający możliwe reakcje wodoru. Na środku znajduje się wzór cząsteczki wodoru ${\text{H}}_2$, od którego poprowadzono w równych odstępach pięć strzałek. Nad strzałkami zaznaczono reagenty oraz warunki reakcji, którym ulega wodór. Nad pierwszą strzałką znajduje się cząsteczka ${\text{X}}_2$, za strzałką produkt reakcji, to jest kwas o wzorze $\text{HX}$. Nad drugą strzałką znajduje się cząsteczka tlenu ${\text{O}}_2$, zaś za strzałką produkt rekcji wodoru z tlenem czyli woda ${\text{H}}_2\text{O}$. Nad trzecią strzałką znajduje się zapis "metale grup pierwszej oraz drugiej". Za strzałką znajdują się wzory ogólne wodorków typu soli metali pierwszej grupy $\text{MeH}$ oraz wodorków drugiej grupy ${\text{MeH}}_2$. Nad czwartą strzałką znajduje się cząsteczka azotu ${\text{N}}_2$, poniżej symbole temperatury T oraz ciśnienia p. Za strzałką znajduje się cząsteczka amoniaku ${\text{NH}}_3$. Nad ostatnią strzałką znajduje się cząsteczka tlenku metalu $\text{MeO}$, poniżej strzałki znajduje się symbol temperatury T. Obok informacja o tym, że możliwa jest również reakcja tlenku na niższym stopniu utlenienia danego pierwiastka. Za strzałką produkt reakcji, to jest metal $\text{Me}$.

Układ okresowy pierwiastków

Układ okresowy pierwiastków

RYGlCObylrGQB1

Ilustracja przedstawiająca układ okresowy pierwiastków składający się z siedmiu okresów (poziome rzędy) oraz z osiemnastu grup (kolumny). W układzie podano między innymi wartości elektroujemności. Wyszczególniony nad układem został chrom C r, liczba atomowa 24, elektroujemność 1,9 oraz masa atomowa 52,00 unity. W pierwszej grupie układu okresowego następujące elektroujemności wodór H 2,1; lit L i 1,0; sód N a 0,9; potas K 0,9; rubid R b 0,8; cez C s 0,7 oraz frans F r 0,7. W drugiej grupie układu okresowego beryl Be 1,5; magnez Mg 1,2; wapń Ca 1,0; stront Sr 1,0; bar Ba 0,9 oraz rad Ra 0,9. Z grupy trzynastej przykładem jest elektroujemność galu wynosząca 1,6; z grupy czternastej germanu równa 1,8; a z grupy piętnastej arsenu wynosząca 2,0. W grupie siedemnastej największą elektroujemność ma fluor i wynosi ona 4,0.

Związki wodoru

Występowanie

Wodór w stanie wolnym występuje w małych ilościach w gazach wulkanicznych i w ilościach śladowych w atmosferze ziemskiej. W formie związanej występuje głównie w wodach morskich i lądowych (jako główny składnik wody). Ten pierwiastek odgrywa równie istotną rolę w ludzkim organizmie jako składnik wielu substancji organicznych, odpowiadających za jego prawidłowe funkcjonowanie (np. białka i cukry).

Otrzymywanie

W laboratorium zwykle otrzymuje się wodór przez działanie kwasów oraz mocnych wodorotlenków na metale aktywne, np.:

$\text{Zn}+2 \text{HCl}\to {\text{ZnCl}}_2+{\text{H}}_2\uparrow$

$2 \text{Al}+2 \text{NaOH}+6 {\text{H}}_2\text{O}\to 2 \text{Na}\left[\text{Al}{\left(\text{OH}\right)}_4\right]+3 {\text{H}}_2\uparrow$

$\text{Zn}+2 \text{NaOH}+2 {\text{H}}_2\text{O}\to {\text{Na}}_2\left[\text{Zn}{\left(\text{OH}\right)}_4\right]+{\text{H}}_2\uparrow$

W przemyśle wodór otrzymuje się głównie za pomocą konwersji węglowodorów z parą wodną. Źródłem węglowodorów najczęściej jest gaz ziemny, a jego główny składnik to metan. Po zmieszaniu metanu z parą wodną, w temperaturze $1025 \text{K}$ i pod wpływem katalizatora niklowego, zachodzi reakcja, którą można opisać równaniem:

${\text{CH}}_4+{\text{H}}_2\text{O}\stackrel{\text{katalizator}, \text{temperatura}}{\to }\text{CO}+3 {\text{H}}_2\uparrow$

Wodór można także otrzymać poprzez konwersję tlenku węgla z parą wodną:

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

Wodór otrzymuje się również jako produkt uboczny krakingu węglowodorów oraz w procesie elektrolizy roztworów chlorku sodu – przyłożenie pola elektrycznego powoduje uporządkowanie ruchu jonów w roztworze, ujemnie naładowane jony chloru wędrują do anody, oddają elektrony, przechodząc do stanu cząsteczkowego:

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

Na katodzie, w analizowanym procesie elektrolizy, zachodzi redukcja wody i wydziela się wodór:

$2 {\text{H}}_2\text{O} + 2 {\text{e}}^{-}\to {\text{H}}_2 + 2 {\text{OH}}^{-}$

Zastosowanie

Wodór wykorzystywany jest do utwardzania tłuszczów, np. w procesie produkcji margaryny. Innym zastosowaniem wodoru jest produkcja amoniaku wykorzystywanego m.in. do otrzymywania nawozów azotowych, $\text{kwas azotowy}\left(\mathrm{V}\right)$. Wykorzystuje się go do uwodorniania węglowodorów nienasyconych i aromatycznych. Mieszanina wodoru z tlenkiem węgla$\left(\text{II}\right)$ jest surowcem w licznych katalitycznych syntezach przemysłowych (gaz syntezowy). Wodór był dawniej używany do napełniania balonów.