»   »  Vodík

Vodík

český názevVodík
latinský názevHydrogenium
anglický názevHydrogen
chemická značkaH
protonové číslo1
relativní atomová hmotnost1,00794
perioda1
skupinaI.A
zařazenínekovy
rok objevu1766
objevitelCavendish
teplota tání [°C]-255,34
teplota varu [°C]-255,87
kritická teplota [°C]-240,18
teplota samovznícení [°C]580
kritický tlak [MPa]1,293
hustota [g cm-3]0,00008988
elektronegativita2,2
oxidační stavy-I, I
elektronová konfigurace1s1
atomový poloměr [pm]53
kovalentní poloměr [pm]37
specifické teplo [J g-1K-1]14,304
slučovací teplo [kJ mol-1]0,05868
tepelná vodivost [W m-1 K-1]0,1805
1. ionizační energie [kJmol-1]1312,049
skupenství za norm. podmínekg

Chemické vlastnosti

Chemický prvek vodík je bezbarvý, dvouatomový plyn bez chuti a zápachu. Vytváří dvouatomové molekuly, které obsahují jednoduchou kovalentní σ-vazbu. V důsledku dvojí možné vzájemné orientace jaderných spinů jednotlivých atomů vodíku může vznikat molekula s paralelní orientací spinu (ortho-vodík) nebo s antiparalení orientací spinu (para-vodík). Para-vodík je energeticky chudší a proto přednostně vzniká při nízkých teplotách. Jednoatomový vodík ve stavu zrodu (nascentní vodík) je prudce reaktivní. Molekulární vodík za normální teploty reaguje pouze s fluoremchlorem. Zapálený vodík reaguje s kyslíkem za vzniku vody. Za vhodných podmínek se vodík přímo slučuje se sírou, bromem, jodemdusíkem. S ostatními prvky obvykle reaguje nepřímo. Jedná se o prvek, který tvoří největší počet sloučenin. Ve sloučeninách vystupuje v oxidačním stavu I a -I.

Téměř se všemi prvky tvoří vodík binární sloučeniny, hydridy, s různým typem vazby. S alkalickými kovykovy alkalických zemin tvoří tuhé bezbarvé, silně reaktivní iontové hydridy (hydrid sodný NaH se explozivně rozkládá vodou, hydrid rubidný RbH a cesný CsH jsou samozápalné i na suchém vzduchu).

S většinou přechodných kovů a se všemi lanthanoidy a aktinoidy tvoří hydridy kovové (intersticiální), s ostatními prvky vznikají kapalné nebo plynné hydridy kovalentní nebo přechodné. S berylliemhořčíkem tvoří vodík zajímavé hydridy BeH2MgH2 se středovými dvouelektronovými vazbami, tyto hydridy se vyznačují schopností tvorby polymerních řetězců.

S řadou prvků vodík netvoří binární sloučeniny, tyto prvky s velice nízkou afinitou k vodíku jsou v periodické tabulce někdy označovány jako vodíková mezera. Mezi typické prvky vodíkové mezery patří např. mangan, železo, kobalt, stříbro a zlato.

Výskyt v přírodě

V přírodě se vodík vyskytuje vázaný ve vodě a v obrovském množství organických sloučenin. Významné je zastoupení vodíku ve formě krystalické, konstituční nebo volné vody v řadě minerálů. Malé množství elementárního vodíku se nachází ve vysokých vrstvách atmosféry.

V některých nerostech se vodík vyskytuje ve formě amoniového iontu, např. struvit (NH4)MgPO4·6H2O, oxammit (NH4)2(C2O4)·H2O nebo phosphammit (NH4)2HPO4. Určité množství vodíku se nalézá také v minerálech organického původu - organoidech. Mezi známé organoidy patří např. jantar, kratochvílit (C6H4)2CH2, earlandit Ca3(C6H5O7)·4H2O nebo hoganit Cu(CH3COO)2·H2O. Nejvyšší obsah vodíku (14,88 % H) má minerál evenkit (CH3)2(CH2)22.

Podíl vodíku v zemské kůře činí 0,88 % hmot. Ve vesmíru je vodík nejrozšířenějším prvkem. Vodík je směsí 3 izotopů. Nejvyšší podíl (99,985 %) zaujímá izotop 1H - protium, 0,015 % připadá na izotop 2H - deuterium a 0,0001 % náleží radioaktivnímu izotopu 3H - tritium. Poločas rozpadu tritia je 12,32 let. Všechny izotopy vodíku.

Výroba vodíku

Velkokapacitní průmyslová výroba vodíku se dnes nejčastěji provádí katalytickým nebo parním reformingem zemního plynu a jiných lehkých uhlovodíků, parciální oxidací těžkých zbytků po destilaci ropy nebo konverzí vodního plynu ze zplyňování uhlí.

Termická parciální oxidace (POX) těžkých ropných zbytků probíhá za normálního tlaku při teplotách okolo 1300°C, katalytická parciální oxidace se provádí za tlaku 6-8 MPa při teplotě 700-1000°C, jako katalyzátor slouží nikl, kobalt nebo hořčík, jako nosič katalyzátoru se obvykle používá oxid křemičitý. Výrobu vodíku parciální oxidací uhlovodíků popisují rovnice:

2CnHm + nO2 → 2nCO + mH2
CnHm + nO2 → nCO2 + m/2 H2

Parní reforming zemního plynu probíhá při teplotách 1200 - 1400°C, katalytický refoming se provádí při teplotě 700-900°C za přítomnosti katylazátoru ve složení Ni + MgO. Princip výroby vodíku reformingem zemního plynu popisují rovnice:

CH4 + H2O → 3H2 + CO
CH4 + 2H2O → 4H2 + CO2
CO + H2O → H2 + CO2

Další metodou výroby je konverze vodního plynu získaného při zplyňování uhlí. Konverze vodního plynu na vodík se provádí vodní párou při teplotách 400-500°C za přítomnosti Fe2O3, Cr2O3 nebo směsi kobaltu a molybdenu jako katalyzátoru:

CO + H2O → H2 + CO2

Významná množství vodíku se získávají jako vedlejší produkt při elektrolytické výrobě chloru, při reformování benzínu (cyklizací a dehydrogenací dochází k aromatizaci benzínu a tím ke zvyšování oktanového čísla), při dehydrogenačních chemických procesech (výroba styrenu) nebo při pyrolýze (vedlejší produkt při výrobě olefinů). Důležitým zdrojem vodíku je koksárenský plyn z vysokoteplotní karbonizace černého uhlí.

Další metody výroby

Alternativní výroba vodíku je možná rozkladem vodní páry železem, katalytickým štěpením metanolu vodní párou nebo termickým rozkladem amoniaku. Rozklad vodní páry železem pobíhá v šachtových generátorech při teplotách přes 600°C:

H2O + Fe → H2 + FeO
H2O + 3FeO → H2 + Fe3O4

Štěpení metanolu vodní párou se provádí při teplotě 300-400°C a tlaku 3 MPa za přítomnosti katalyzátoru tvořeného oxidy zinkuchromu. Termický rozklad amoniaku probíhá při teplotě 900-1000°C na niklovém katalyzátoru. V zemích s dostatkem levné elektrické energie se vodík vyrábí elektrolýzou vody. Po vyřešení problémů s konstrukčním materiálem by byla možná i výroba vodíku termickým rozkladem vody, díky vysoké pracovní teplotě (3000°C) je tato technologie v současnosti v průmyslovém měřítku nepoužitelná.

Zajímavou perspektivu má biotechnologická výroba vodíku, např. vodíkovou nebo aceton butanolovou fermentací biomasy nebo její fotofermentací za využití bakterií rodu Rhodobacter. Ve fázi výzkumu jsou různé termickochemické metody výroby vodíku, např. postup Mark, který spočívá v termickém rozkladu bromidu vápenatého vodní parou za vzniku bromovodíku, ten se dále rozkládá působením rtuti na vodík a bromid rtuťnatý. První reakce probíhá při teplotě 750°C, druhá reakce probíhá při teplotě 250°C:

CaBr2 + 2H2O → 2HBr + Ca(OH)2
2HBr + Hg → H2 + HgBr2

Další termickochemickou metodou je tzv. S-I cyklus, který využívá k výrobě vodíku Bunsenovu reakci štěpení jodovodíku na prvky. Nejprve při teplotě 120°C vzniká z vody, jodu a oxidu siřičitého směs kyseliny sírové a jodovodíku, který se poté při teplotě 300-450°C štěpí na vodík a jod:

I2 + SO2 + 2H2O → 2HI + H2SO4
2HI → H2 + I2

Mezi hybridní termochemické postupy patří Westinghouse proces, který využívá reakce vody a oxidu siřičitého za vzniku kyseliny sírové a vodíku:

2H2O + SO2 → H2 + H2SO4

Další možností výroby vodíku je termický rozklad vody pomocí chloridu železitého, který probíhá při teplotě okolo 500°C:

3FeCl3 + 4H2O → H2 + Fe3O4 + 6HCl

Vzniklý oxid Fe3O4 se poté pomocí chloru a chlorovodíku při teplotě 100°C převádí zpět na chlorid železitý:

2Fe3O4 + 3Cl2 + 12HCl → 6FeCl3 + 6H2O + O2

Laboratorní příprava

Laboratorní příprava vodíku se provádí elektrolýzou vody nebo vhodných elektrolytů, rozpouštěním neušlechtilých kovů v neoxidujících kyselinách, reakcí amfoterních kovů s hydroxidy, reakcí hydridů nebo kovů alkalických zemin s vodou:

Zn + 2HCl → H2 + ZnCl2
2Al + 6NaOH → 3H2 + 2Na3AlO3
CaH2 + 2H2O → 2H2 + Ca(OH)2
Ba + 2H2O → H2 + Ba(OH)2

Mezi méně využívané metody laboratorní přípravy vodíku patří rozklad vodní páry fosforem (Liljenrothova reakce) nebo reakce křemíku s hydroxidy:

P + 4H2O → 5/2H2 + H3PO4
Si + 4NaOH → 2H2 + Na2SiO4

Čištění vodíku

Jednotlivé výrobní technologie poskytují vodík znečištěný různými příměsemi, k přípravě čistého vodíku se využívá celá řada postupů. Oxid uhelnatý se obvykle odstraňuje absorpcí v roztoku mravenčanu nebo uhličitanu měďného nebo hydrogenací na niklovém katalyzátoru. Oxid uhličitý se vypírá uhličitanem sodným a draselným, hydroxidem amonným nebo trietanolaminem. Dusík a argon se odstraňuje vypíráním kapalným metanem při teplotě -180°C, metan se poté zachytí v kapalném propanu při teplotě -186°C.

Vodík o čistotě až 99,99% se získává difuzí přes polopropustnou membránu ze slitiny palladia a stříbra. Difuze probíhá za teplot 300-500°C při tlakovém spádu 1 MPa. Velkokapacitní rafinace na čistotu až 99,999% se provádí tlakovou adsorpcí v zeolitech.

Mezi další způsoby čištění patří difuze dutými vlákny acetylcelulózy, použití uhlíkových molekulových sít nebo kryogenní postupy. Dalším způsobem čištění je působení vodíku na hořčík, titan, lanthan nebo vanad. S těmito kovy tvoří vodík za zvýšeného tlaku hydridy, ale ostatní znečišťující plyny s kovy nereagují. Snížením tlaku a zvýšením teploty, případně použitím vhodných katalyzátorů rozkladu (fluorid zirkoničitý, niobičný, železitý), se z hydridů uvolňuje čistý vodík. Tato metoda se dá s výhodu použít i pro čištění chudých plynných směsí s obsahem vodíku od 15%. Posledním způsobem je elektrolytická rafinace, kdy se surový vodík přivádí na anodu vyrobenou obvykle z platiny nebo rhodia. Na anodě vodík ionizuje, ionty putují ke katodě, ze které se odebírá zcela čistý plyn.

Praktické využití

Praktické využití vodíku je značně rozsáhlé. Vodík se používá jako redukční činidlo v řadě chemických a metalurgických výrob. Jako základní surovina k vysokotlaké hydrogenaci, k syntéze amoniaku, chlorovodíku, metanolu a k výrobě celé řady organických sloučenin. Velmi významné je využití vodíku v rafineriích, kde slouží jako základní surovina při hydrokrakování, což je konverze těžkých ropných uhlovodíků na uhlovodíky lehké, používá se k hydrogenační rafinaci (odstraňování heterosloučenin a kovů) a ke strukturním přeměnám uhlovodíků (dearomatizace, alkylace, dealkylace, izomerace). Vodík se používá v raketové technice jako palivo i jako náplň palivových článků. Využití vodíku jako paliva v automobilech má značnou perspektivu.

Zdroje

TopList