Introduction to Chemistry

Term

• diatomicConsisting of two atoms

Physical Properties of Hydrogen

Hydrogen is the smallest chemical element because it consists of only one proton in its nucleus. Jeho symbol je H a atomové číslo je 1. Jeho průměrná atomová hmotnost je 1,0079 amu, což z něj činí nejlehčí prvek. Vodík je nejrozšířenější chemickou látkou ve vesmíru, zejména ve hvězdách a plynných obřích planetách. Jednoatomový vodík je však na Zemi vzácný, je vzácný kvůli svému sklonu vytvářet kovalentní vazby s většinou prvků. Při standardní teplotě a tlaku je vodík nejedovatý, nekovový, bez zápachu, chuti, barvy a vysoce hořlavý dvouatomový plyn s molekulovým vzorcem H2. Vodík je na Zemi rozšířen také ve formě chemických sloučenin, jako jsou uhlovodíky a voda.

Vodík má jeden proton a jeden elektron; nejběžnější izotop, proton (1H), nemá žádné neutrony. Teplota tání vodíku je -259,14 °C a teplota varu -252,87 °C. Hustota vodíku je 0,08988 g/l, takže má menší hustotu než vzduch. Má dva různé oxidační stavy (+1, -1), díky nimž může působit jako oxidační i redukční činidlo. Jeho kovalentní poloměr je 31,5 pm.

Vodík existuje ve dvou různých spinových izomerech vodíkových dvouatomových molekul, které se liší relativním spinem svých jader. Ortovodíková forma má paralelní spiny, paravodíková forma má antiparalelní spiny. Při standardní teplotě a tlaku se plynný vodík skládá ze 75 % z orthovodíku a z 25 % z parahydrogenu. Vodík je k dispozici v různých formách, jako je stlačený plynný vodík, kapalný vodík a břečka vodíku (složená z kapaliny a pevné látky), stejně jako v pevné a kovové formě.

Chemické vlastnosti vodíku

Plynný vodík (H2) je vysoce hořlavý a ve vzduchu hoří ve velmi širokém rozsahu koncentrací od 4 do 75 % objemových. Entalpie hoření vodíku je -286 kJ/mol a je popsána rovnicí:

2 H_2(g) + O_2(g) \rightarrow 2 H_2O(l) + 572 kJ (286 kJ/mol H_2)

Plynný vodík může také explodovat ve směsi s chlorem (od 5 do 95 procent). Tyto směsi mohou explodovat v reakci na jiskru, teplo nebo dokonce sluneční světlo. Teplota samovznícení vodíku (teplota, při které dojde k samovznícení) je 500 °C. Plameny čistého vodíku a kyslíku vyzařují ultrafialové světlo a jsou pouhým okem neviditelné. Detekce úniku hořícího vodíku je proto nebezpečná a vyžaduje detektor plamene. Protože je vodík ve vzduchu vztlakový, vodíkové plameny rychle stoupají vzhůru a způsobují menší škody než požáry uhlovodíků. H2 reaguje s oxidačními prvky, které zase samovolně a prudce reagují s chlorem a fluorem za vzniku příslušných halogenidů vodíku.

Vodík i přes svou stabilitu tvoří sloučeniny s většinou prvků. Při účasti v reakcích může mít vodík při reakci s elektronegativnějšími prvky, jako jsou halogeny nebo kyslík, částečný kladný náboj, ale při reakci s elektropozitivnějšími prvky, jako jsou alkalické kovy, může mít částečný záporný náboj. Když se vodík váže s fluorem, kyslíkem nebo dusíkem, může se účastnit středně silné nekovalentní (mezimolekulární) vazby zvané vodíková vazba, která je rozhodující pro stabilitu mnoha biologických molekul. Sloučeniny, které mají vodíkovou vazbu s kovy a metaloidy, se nazývají hydridy.

Oxidací vodíku se odebere jeho elektron a vznikne iont H+. Často se H+ ve vodných roztocích označuje jako hydroniový ion (H3O+). Tento druh je nezbytný v acidobazické chemii.

Izotopy vodíku

Vodík se v přírodě vyskytuje ve třech izotopech, označovaných 1H, 2H a 3H. 1H se vyskytuje v 99,98% zastoupení a má formální název protium. 2H je známý jako deuterium a obsahuje jeden elektron, jeden proton a jeden neutron (hmotnostní číslo = 2). Deuterium a jeho sloučeniny se používají jako neradioaktivní značky v chemických experimentech a v rozpouštědlech pro 1H-NMR spektroskopii. 3H je známé jako tritium a obsahuje jeden proton, dva neutrony a jeden elektron (hmotnostní číslo = 3). Je radioaktivní a rozpadá se na helium-3 rozpadem beta s poločasem rozpadu 12,32 let.