Matematika pro každého
Vodík je první a nejlehčí prvek periodické tabulky. Jeho chemická značka je H, latinsky se jmenuje hydrogenium (z řeckého hydór, voda, a gennaó, tvořím: „ten, který tvoří vodu“). Atom vodíku má jediný proton a jediný elektron, relativní atomová hmotnost je 1,008 a protonové číslo 1.
Za běžných podmínek je vodík bezbarvý plyn bez chuti a zápachu, složený ze dvouatomových molekul `\ce{H2}`. Je to nejlehčí plyn vůbec: litr vodíku váží asi 0,09 g, asi čtrnáctkrát méně než litr vzduchu. Ve vesmíru je vodík nejrozšířenějším prvkem, na Zemi ho najdeme skoro jen ve sloučeninách, nejvíc ve vodě.
Česky se mu říká vodík proto, že spolu s kyslíkem tvoří vodu. Jméno vymyslel stejně jako kyslík, uhlík a dusík Jan Svatopluk Presl v 19. století.
Vodík v číslech
| Veličina | Hodnota |
|---|---|
| značka | H |
| latinský název | hydrogenium |
| protonové číslo | 1 |
| relativní atomová hmotnost | 1,008 |
| molární hmotnost atomu H | 1,008 g/mol |
| molární hmotnost molekuly H₂ | 2,016 g/mol |
| hustota (0 °C, 101,325 kPa) | 0,0899 g/l |
| teplota varu | −252,9 °C |
| teplota tání | −259,2 °C |
| elektronová konfigurace | 1s¹ |
| elektronegativita | 2,2 |
| oxidační čísla | I, 0, −I |
Hustota platí pro 0 °C a tlak 101,325 kPa. Při pokojové teplotě 20 °C je o něco menší, asi 0,084 g/l. Spočítat ji pro jinou teplotu nebo tlak umí kalkulačka hustota plynu, kam stačí zadat molární hmotnost 2,016 g/mol.
Molární hmotnost vodíku: 1,008, nebo 2,016?
Obojí je správně, záleží na tom, na co se ptáme. Atom vodíku má molární hmotnost 1,008 g/mol, molekula vodíku `\ce{H2}` má dva atomy, a tedy dvojnásobek:
`\begin{gathered} M(\ce{H}) = 1{,}008\ \mathrm{g/mol} \\[4pt] M(\ce{H2}) = 2\cdot 1{,}008 = 2{,}016\ \mathrm{g/mol} \end{gathered}`
Když příklad mluví o „plynném vodíku“ nebo o vodíku, který vznikl reakcí, myslí se vždy molekuly `\ce{H2}` a počítá se s 2,016 g/mol (ve škole často zaokrouhleně 2 g/mol). Hodnota 1,008 se použije, když sčítáme atomy ve vzorci, třeba u vody `\ce{H2O}`: `2\cdot 1{,}008 + 16{,}00 \doteq 18{,}02\ \mathrm{g/mol}`. Molární hmotnost kterékoli sloučeniny spočítá kalkulačka molární hmotnosti, postup je vysvětlený v článku Molární hmotnost a látkové množství.
Hmotnost jednoho atomu vodíku je `1{,}674\cdot 10^{-24}\ \mathrm{g}`. Vyjde z molární hmotnosti vydělené Avogadrovou konstantou `6{,}022\cdot 10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}`.
Atom vodíku a jeho izotopy
Atom vodíku je nejjednodušší atom, jaký existuje: v jádře jeden proton, kolem něj jeden elektron v orbitalu 1s. Běžný vodík nemá v jádře žádný neutron, jako jediný atom vůbec. Vodík má ale tři izotopy, které se liší právě počtem neutronů:
| Izotop | Protony | Neutrony | Výskyt |
|---|---|---|---|
| protium `\ce{^{1}_{1}H}` lehký vodík | 1 | 0 | asi 99,98 % |
| deuterium `\ce{^{2}_{1}H}` těžký vodík, D | 1 | 1 | asi 0,016 % |
| tritium `\ce{^{3}_{1}H}` T, radioaktivní | 1 | 2 | stopy |
Všechny tři mají jeden proton a jeden elektron, a proto se chemicky chovají skoro stejně. Liší se hmotností: deuterium je asi dvakrát těžší než protium. Voda, ve které je místo obyčejného vodíku deuterium, se jmenuje těžká voda `\ce{D2O}` a používá se v některých jaderných reaktorech. Tritium je radioaktivní s poločasem rozpadu asi 12,3 roku, svítí na cifernících některých hodinek a spolu s deuteriem je palivem pro jadernou fúzi.
Počty částic pro libovolný izotop vypíše kalkulačka protony, neutrony a elektrony (otevře se s deuteriem) a procvičit je můžete v procvičování protonů, neutronů a elektronů.
Vlastnosti vodíku
- Molekula `\ce{H2}`. Dva atomy jsou spojené jednoduchou nepolární kovalentní vazbou, každý dá do společného elektronového páru svůj jediný elektron. Volné atomy vodíku za běžných podmínek nevydrží.
- Nekov v první skupině. V periodické tabulce stojí nad lithiem a sodíkem, protože má jeden valenční elektron. Alkalický kov to ale není: má mnohem vyšší elektronegativitu (2,2 proti 0,9 u sodíku) a tvoří hlavně kovalentní vazby.
- Velmi nízké teploty varu a tání. Kapalný vodík vzniká až při −253 °C, pevný při −259 °C.
- Hořlavost. Vodík hoří na vzduchu bledě modrým, skoro neviditelným plamenem. Směs vodíku a kyslíku v objemovém poměru 2 : 1 se jmenuje třaskavá směs a po zapálení vybuchne.
- Oxidační čísla. Ve většině sloučenin má vodík I (voda, kyseliny, methan, amoniak), v hydridech kovů −I (hydrid sodný `\ce{NaH}`, hydrid vápenatý `\ce{CaH2}`) a v molekule `\ce{H2}` má oxidační číslo 0.
- Difuze. Molekuly vodíku jsou tak malé a rychlé, že vodík proniká i drobnými netěsnostmi a pryží. Balonek naplněný vodíkem splaskne rychleji než balonek se vzduchem.
Vodík a všechny ostatní prvky s jejich hodnotami najdete v interaktivní periodické tabulce.
Příprava vodíku v laboratoři
V laboratoři se vodík připravuje z neušlechtilého kovu a zředěné kyseliny, nejčastěji ze zinku. Kov vytěsní vodík z kyseliny a vznikne sůl:
`\begin{gathered} \ce{Zn + 2 HCl -> ZnCl2 + H2} \\[6pt] \ce{Zn + H2SO4 -> ZnSO4 + H2} \end{gathered}`
Další možnosti jsou reakce alkalického kovu s vodou a elektrolýza vody, při které se na katodě vylučuje vodík a na anodě kyslík, a to v objemovém poměru 2 : 1:
`\begin{gathered} \ce{2 Na + 2 H2O -> 2 NaOH + H2} \\[6pt] \ce{2 H2O ->[elektrolýza] 2 H2 + O2} \end{gathered}`
Pozor na vyčíslení u sodíku: na dva atomy sodíku jsou potřeba dvě molekuly vody, protože každá dá jen jeden vodík do `\ce{H2}` (a druhý zůstane v `\ce{NaOH}`). Rovnice `\ce{2 Na + H2O -> 2 NaOH + H2}` by měla vlevo dva vodíky a vpravo čtyři. Koeficienty doplní a ověří kalkulačka vyčíslování rovnic.
Že vznikl opravdu vodík, se pozná zkouškou čistoty: zkumavka s plynem se otvorem dolů přiblíží k plameni. Čistý vodík klidně shoří s tichým „puf“, směs se vzduchem štěkavě vybuchne.
Průmyslová výroba
V průmyslu se dnes většina vodíku vyrábí ze zemního plynu parním reformováním methanu: methan reaguje s vodní párou při teplotě kolem 800 až 900 °C na niklovém katalyzátoru. Vzniklý oxid uhelnatý se pak s další vodní párou převede na oxid uhličitý a další vodík:
`\begin{gathered} \ce{CH4 + H2O -> CO + 3 H2} \\[6pt] \ce{CO + H2O -> CO2 + H2} \end{gathered}`
Starší způsob je přeměna rozžhaveného koksu vodní párou na takzvaný vodní plyn, směs oxidu uhelnatého a vodíku: `\ce{C + H2O -> CO + H2}`. Při obou postupech vzniká oxid uhličitý. Bez něj se vodík vyrábí elektrolýzou vody, která je ale drahá na elektřinu; vodíku vyrobenému elektřinou z obnovitelných zdrojů se říká „zelený vodík“.
Chemické reakce vodíku
- S kyslíkem hoří na vodu: `\ce{2 H2 + O2 -> 2 H2O}`. Reakce uvolní hodně tepla, proto je vodík raketové palivo.
- S halogeny vznikají halogenovodíky: `\ce{H2 + Cl2 -> 2 HCl}`. S fluorem reaguje výbušně i ve tmě, s chlorem po osvětlení.
- S dusíkem dává amoniak: `\ce{N2 + 3 H2 -> 2 NH3}`. Na této reakci (Haberova-Boschova syntéza za vysokého tlaku a s katalyzátorem) stojí výroba dusíkatých hnojiv a spotřebuje se na ni velká část vyrobeného vodíku.
- S oxidy kovů jako redukční činidlo: odebere jim kyslík a uvolní kov. `\ce{CuO + H2 -> Cu + H2O}`, `\ce{WO3 + 3 H2 -> W + 3 H2O}`.
- S reaktivními kovy tvoří hydridy, ve kterých má oxidační číslo −I: `\ce{2 Na + H2 -> 2 NaH}`. Názvosloví těchto sloučenin je v článku Dvojprvkové sloučeniny vodíku.
- Hydrogenace je adice vodíku na násobnou vazbu organické látky. Tak se z rostlinných olejů dělají ztužené tuky a z ethenu ethan: `\ce{CH2=CH2 + H2 -> CH3-CH3}`.
Užití vodíku
- výroba amoniaku a z něj hnojiv, největší spotřebitel vodíku
- rafinace ropy a výroba methanolu `\ce{(CO + 2 H2 -> CH3OH)}`
- ztužování tuků, výroba chlorovodíku a kyseliny chlorovodíkové
- redukce kovů z oxidů, například wolframu
- palivo: kapalný vodík s kapalným kyslíkem pohání rakety, v palivových článcích vyrábí elektřinu pro auta a autobusy, ze kterých pak jako zplodina vychází jen voda
- dřív plnění balonů a vzducholodí; po požáru vzducholodi Hindenburg v roce 1937 se pro ně používá nehořlavé helium
Sloučeniny vodíku a voda
Vodík je součástí většiny sloučenin, které ve škole potkáte. Z anorganických jsou to hydridy a další dvojprvkové sloučeniny vodíku (voda, amoniak, sulfan, halogenovodíky), kyseliny, hydroxidy a hydrogensoli. Organické látky, od methanu po cukry, obsahují vodík skoro všechny.
Nejdůležitější sloučeninou vodíku je voda `\ce{H2O}`. Její molekula je lomená, vazby O-H jsou silně polární a na kyslíku zůstávají dva volné elektronové páry, proto je celá molekula polární. Mezi molekulami vody vznikají vodíkové vazby, a díky nim má voda na tak malou molekulu neobvykle vysokou teplotu varu, 100 °C. Vodík tvoří hmotnostně asi 11,2 % vody, protože `2{,}016 : 18{,}02 \doteq 0{,}112`.
Časté chyby
- Vodík jako H místo `\ce{H2}`. Plynný vodík v rovnici se píše vždy jako molekula `\ce{H2}`: `\ce{Zn + 2 HCl -> ZnCl2 + H2}`, ne „+ 2 H“ na konci rovnice.
- Špatná molární hmotnost. Pro plynný vodík 2,016 g/mol, ne 1,008.
- Nevyčíslená rovnice se sodíkem. `\ce{2 Na + 2 H2O -> 2 NaOH + H2}`, dvě molekuly vody.
- Vodík jako alkalický kov. Stojí v první skupině, ale je to nekov.
- Deuterium jako jiný prvek. Protium, deuterium i tritium jsou všechno vodík, protože mají jeden proton. Prvek určuje počet protonů, ne neutronů.
Příklady k procvičení
1. Kolik protonů, neutronů a elektronů má atom tritia `\ce{^{3}_{1}H}`? A kolik jich má vodíkový kationt `\ce{H+}` vzniklý z protia?
Tritium: protonové číslo 1, tedy 1 proton; nukleonové číslo 3, tedy `3 - 1 = 2` neutrony; neutrální atom má 1 elektron.
Kationt `\ce{H+}` z protia ztratil svůj jediný elektron a neutron nemá: 1 proton, 0 neutronů, 0 elektronů. Je to holý proton.
2. Vyčíslete rovnici reakce hliníku s kyselinou chlorovodíkovou: `\ce{Al + HCl -> AlCl3 + H2}`.
Chlor je vpravo po třech, vodík po dvou, takže počet `\ce{HCl}` musí být dělitelný třemi i dvěma: 6. Pak vznikne `\ce{2 AlCl3}` a `\ce{3 H2}`:
`\ce{2 Al + 6 HCl -> 2 AlCl3 + 3 H2}`
Kontrola: Al 2 = 2, H 6 = `3\cdot 2`, Cl 6 = `2\cdot 3`.
3. Určete oxidační číslo vodíku ve sloučeninách `\ce{H2O}`, `\ce{NaH}`, `\ce{NH3}`, `\ce{CaH2}` a v molekule `\ce{H2}`.
`\ce{H2O}`: I (kyslík −II). `\ce{NaH}`: −I, je to hydrid kovu a sodík má I. `\ce{NH3}`: I (dusík −III). `\ce{CaH2}`: −I, vápník II vyrovnají dva vodíky po −I. `\ce{H2}`: 0, prvek.
4. Kolik gramů vodíku a kolik litrů za normálních podmínek vznikne, když 13 g zinku zreaguje s kyselinou chlorovodíkovou? Počítejte s `A_r(\ce{Zn}) = 65`, `A_r(\ce{H}) = 1` a molárním objemem 22,4 l/mol.
Rovnice: `\ce{Zn + 2 HCl -> ZnCl2 + H2}`. Z jednoho molu zinku vznikne jeden mol vodíku.
`n(\ce{Zn}) = \dfrac{13}{65} = 0{,}2\ \mathrm{mol}`, tedy i `n(\ce{H2}) = 0{,}2\ \mathrm{mol}`.
`m(\ce{H2}) = 0{,}2\cdot 2 = 0{,}4\ \mathrm{g}`
`V(\ce{H2}) = 0{,}2\cdot 22{,}4 = 4{,}48\ \mathrm{l}`
Vznikne 0,4 g vodíku, což je 4,48 l. Kontrola přes hustotu: `0{,}4 : 0{,}0899 \doteq 4{,}45\ \mathrm{l}`, rozdíl dělá jen zaokrouhlení hmotností. Takový výpočet umí i kalkulačka výpočtů z rovnic.
5. Kolik gramů vodíku je v jednom litru vody? Litr vody má hmotnost 1000 g.
`M(\ce{H2O}) = 2\cdot 1{,}008 + 16{,}00 = 18{,}016\ \mathrm{g/mol}`, z toho vodík `2{,}016\ \mathrm{g/mol}`.
`m(\ce{H}) = 1000\cdot \dfrac{2{,}016}{18{,}016} \doteq 111{,}9\ \mathrm{g}`
V litru vody je asi 112 g vodíku, zbytek, asi 888 g, je kyslík. Kontrola: 11,2 % z 1000 g je 112 g.
6. Balon má objem 1 m³. Kolik kilogramů (včetně obalu a zátěže) unese, když ho naplníme vodíkem, a kolik s heliem? Při 0 °C má vzduch hustotu 1,293 g/l, vodík 0,090 g/l a helium 0,179 g/l.
Balon unese tolik, o kolik je vytlačený vzduch těžší než plyn uvnitř. 1 m³ je 1000 l, takže hustoty v g/l jsou zároveň kilogramy na metr krychlový.
Vodík: `1{,}293 - 0{,}090 = 1{,}203\ \mathrm{kg}`
Helium: `1{,}293 - 0{,}179 = 1{,}114\ \mathrm{kg}`
S vodíkem unese asi 1,2 kg, s heliem asi 1,1 kg, jen asi o 7 % méně. Helium je sice dvakrát těžší než vodík, ale oba jsou proti vzduchu tak lehké, že na rozdílu skoro nezáleží. Proto se dnes balony plní nehořlavým heliem.
Kam dál
Stavbu atomu a izotopy procvičíte v procvičování protonů, neutronů a elektronů, značky prvků ve cvičení na značky a názvy prvků a rovnice z tohoto článku ve vyčíslování chemických rovnic. Výpočty s vodíkem usnadní kalkulačky molární hmotnost, objem plynu za normálních podmínek a výpočty z chemických rovnic.
Na vodík navazují články Dvojprvkové sloučeniny vodíku (hydridy), Názvosloví kyselin a Molární hmotnost a látkové množství.