Vodik je kakav plin. Vodik - što je to tvar? Kemijska i fizikalna svojstva vodika

U periodnom sustavu ima svoj specifičan položaj, koji odražava svojstva koja pokazuje i govori o njegovoj elektronskoj strukturi. Međutim, među svima postoji jedan poseban atom koji zauzima dvije ćelije odjednom. Nalazi se u dvije skupine elemenata koji su potpuno suprotni po svojim manifestiranim svojstvima. Ovo je vodik. Ove karakteristike ga čine jedinstvenim.

Vodik nije samo element, već i jednostavna tvar, kao i sastavni dio mnogih složenih spojeva, biogeni i organogeni element. Stoga detaljnije razmatramo njegove karakteristike i svojstva.

Vodik kao kemijski element

Vodik je element prve skupine glavne podskupine, kao i sedme skupine glavne podskupine u prvoj maloj periodi. Ovo razdoblje sastoji se od samo dva atoma: helija i elementa koji razmatramo. Opišimo glavne značajke položaja vodika u periodnom sustavu.

  1. Serijski broj vodika je 1, broj elektrona je isti, odnosno broj protona je isti. Atomska masa je 1,00795. Postoje tri izotopa ovog elementa s masenim brojevima 1, 2, 3. Međutim, svojstva svakog od njih su vrlo različita, budući da je povećanje mase čak i za jedan za vodik odmah dvostruko.
  2. Činjenica da sadrži samo jedan elektron na vanjskoj strani omogućuje mu da uspješno pokazuje i oksidacijska i redukcijska svojstva. Osim toga, nakon donacije elektrona ostaje slobodna orbitala, koja sudjeluje u stvaranju kemijskih veza prema donor-akceptorskom mehanizmu.
  3. Vodik je jako redukcijsko sredstvo. Stoga se prva skupina glavne podskupine smatra njezinim glavnim mjestom, gdje vodi najaktivnije metale - alkalije.
  4. Međutim, u interakciji s jakim redukcijskim sredstvima, kao što su, na primjer, metali, također može biti oksidacijsko sredstvo, prihvaćajući elektron. Ti se spojevi nazivaju hidridi. Na temelju toga predvodi podskupinu halogena, s kojom je sličan.
  5. Zbog vrlo male atomske mase vodik se smatra najlakšim elementom. Osim toga, njegova je gustoća također vrlo niska, pa je također mjerilo za lakoću.

Dakle, očito je da je atom vodika potpuno jedinstven, za razliku od svih drugih elemenata. Samim tim su i njegova svojstva posebna, a vrlo su važne nastale jednostavne i složene tvari. Razmotrimo ih dalje.

jednostavna tvar

Ako o ovom elementu govorimo kao o molekuli, onda moramo reći da je dvoatomski. To jest, vodik (jednostavna tvar) je plin. Njegova empirijska formula bit će napisana kao H 2, a grafička - kroz jedinicu sigma veza H-H. Mehanizam stvaranja veze između atoma je kovalentni nepolarni.

  1. Parni reforming metana.
  2. Rasplinjavanje ugljena - proces uključuje zagrijavanje ugljena na 1000 0 C, što rezultira stvaranjem vodika i ugljena s visokim udjelom ugljika.
  3. Elektroliza. Ova metoda se može koristiti samo za vodene otopine raznih soli, budući da taline ne dovode do ispuštanja vode na katodi.

Laboratorijske metode za proizvodnju vodika:

  1. Hidroliza metalnih hidrida.
  2. Djelovanje razrijeđenih kiselina na aktivne metale i aktivnost medija.
  3. Međudjelovanje alkalnih i zemnoalkalijskih metala s vodom.

Za prikupljanje dobivenog vodika potrebno je držati epruvetu okrenutu naopako. Uostalom, taj se plin ne može skupljati na isti način kao, primjerice, ugljikov dioksid. Ovo je vodik, puno je lakši od zraka. Brzo isparava i eksplodira kada se pomiješa sa zrakom u velikim količinama. Stoga se cijev mora okrenuti. Nakon punjenja potrebno ju je zatvoriti gumenim čepom.

Za provjeru čistoće sakupljenog vodika treba prinijeti upaljenu šibicu grlu. Ako je pamuk gluh i tih, tada je plin čist, s minimalnim nečistoćama zraka. Ako je glasan i zviždi, prljav je, s velikim udjelom stranih komponenti.

Područja upotrebe

Kod izgaranja vodika oslobađa se tolika količina energije (topline) da se ovaj plin smatra najisplativijim gorivom. Osim toga, ekološki je prihvatljiv. Međutim, njegova je uporaba u ovom području trenutno ograničena. To je zbog loše osmišljenih i neriješenih problema sintetiziranja čistog vodika, koji bi bio pogodan za korištenje kao gorivo u reaktorima, motorima i prijenosnim uređajima, kao i kotlovima za grijanje stambenih objekata.

Uostalom, metode za dobivanje ovog plina su prilično skupe, pa je prvo potrebno razviti posebnu metodu sinteze. Onaj koji će vam omogućiti da primite proizvod veliki volumen i uz minimalne troškove.

Postoji nekoliko glavnih područja u kojima se koristi plin koji razmatramo.

  1. Kemijske sinteze. Hidrogenizacijom se dobivaju sapuni, margarini i plastične mase. Uz sudjelovanje vodika sintetiziraju se metanol i amonijak, kao i drugi spojevi.
  2. U prehrambenoj industriji - kao aditiv E949.
  3. Zrakoplovna industrija (raketogradnja, zrakoplovogradnja).
  4. Elektroprivreda.
  5. Meteorologija.
  6. Gorivo ekološki prihvatljivog tipa.

Očito, vodik je važan onoliko koliko ga ima u izobilju u prirodi. Još veću ulogu igraju razni spojevi koje on tvori.

Vodikovi spojevi

To su složene tvari koje sadrže atome vodika. Postoji nekoliko glavnih vrsta takvih tvari.

  1. Vodikovi halogenidi. Opća formula je HHal. Od posebnog značaja među njima je klorovodik. To je plin koji se otapa u vodi i stvara otopinu klorovodične kiseline. Ova kiselina ima široku primjenu u gotovo svim kemijskim sintezama. I organski i anorganski. Klorovodik je spoj koji ima empirijsku formulu HCL i jedan je od najvećih po godišnjoj proizvodnji u našoj zemlji. Halidi vodika također uključuju jodid, fluorovodik i bromovodik. Svi oni tvore odgovarajuće kiseline.
  2. Hlapljivi Gotovo svi su prilično otrovni plinovi. Na primjer, vodikov sulfid, metan, silan, fosfin i drugi. Međutim, oni su vrlo zapaljivi.
  3. Hidridi su spojevi s metalima. Spadaju u klasu soli.
  4. Hidroksidi: baze, kiseline i amfoterni spojevi. Njihov sastav nužno uključuje atome vodika, jedan ili više. Primjer: NaOH, K 2 , H 2 SO 4 i drugi.
  5. Vodikov hidroksid. Ovaj spoj je poznatiji kao voda. Drugi naziv za vodikov oksid. Empirijska formula izgleda ovako - H 2 O.
  6. Vodikov peroksid. Ovo je najjače oksidacijsko sredstvo, čija je formula H 2 O 2.
  7. Brojni organski spojevi: ugljikovodici, bjelančevine, masti, lipidi, vitamini, hormoni, eterična ulja i drugi.

Očito je da je raznolikost spojeva elementa koji razmatramo vrlo velika. Time se još jednom potvrđuje njegova velika važnost za prirodu i čovjeka, kao i za sva živa bića.

je najbolje otapalo

Kao što je gore spomenuto, uobičajeni naziv za ovu tvar je voda. Sastoji se od dva atoma vodika i jednog atoma kisika, međusobno povezanih kovalentnim polarnim vezama. Molekula vode je dipol, što objašnjava mnoga njena svojstva. Konkretno, činjenica da je univerzalno otapalo.

Gotovo svi kemijski procesi odvijaju se u vodenom okolišu. Unutarnje reakcije plastičnog i energetskog metabolizma u živim organizmima također se odvijaju uz pomoć vodikovog oksida.

Voda se smatra najvažnijom tvari na planetu. Poznato je da nijedan živi organizam ne može živjeti bez njega. Na Zemlji može postojati u tri agregatna stanja:

  • tekućina;
  • plin (para);
  • krutina (led).

Ovisno o izotopu vodika koji je dio molekule, postoje tri vrste vode.

  1. Svjetlost ili protij. Izotop s masenim brojem 1. Formula je H 2 O. Ovo je uobičajeni oblik koji koriste svi organizmi.
  2. Deuterij ili teški, njegova formula je D 2 O. Sadrži izotop 2 H.
  3. Super teški ili tricij. Formula izgleda kao T 3 O, izotop je 3 H.

Rezerve slatke protijske vode na planetu su vrlo važne. Već nedostaje u mnogim zemljama. Razvijaju se metode obrade slane vode kako bi se dobila pitka voda.

Vodikov peroksid je univerzalni lijek

Ovaj spoj, kao što je gore spomenuto, izvrsno je oksidacijsko sredstvo. Međutim, kod jakih predstavnika može se ponašati i kao reduktor. Osim toga, ima izražen baktericidni učinak.

Drugi naziv za ovaj spoj je peroksid. Upravo u tom obliku koristi se u medicini. 3% otopina kristalnog hidrata dotičnog spoja je medicinski lijek koji se koristi za liječenje manjih rana u svrhu njihove dekontaminacije. Međutim, dokazano je da se u ovom slučaju zacjeljivanje rana s vremenom povećava.

Vodikov peroksid se također koristi u raketnom gorivu, u industriji za dezinfekciju i izbjeljivanje, kao pjenilo za proizvodnju odgovarajućih materijala (pjena, na primjer). Osim toga, peroksid pomaže u čišćenju akvarija, izbjeljivanju kose i izbjeljivanju zuba. Međutim, u isto vrijeme šteti tkivima, stoga ga stručnjaci ne preporučuju u tu svrhu.

Vodik

VODIK-a; m. Kemijski element (H), lagani plin bez boje i mirisa koji se spaja s kisikom i stvara vodu.

◁ Vodik, th, th. V veze. V bakterije. V-ta bomba(bomba goleme razorne moći čiji se eksplozivni učinak temelji na termonuklearnoj reakciji). Vodik, th, th.

vodik

(lat. Hydrogenium), kemijski element VII skupine periodnog sustava. U prirodi postoje dva stabilna izotopa (protij i deuterij) i jedan radioaktivni izotop (tricij). Molekula je dvoatomna (H 2). Plin bez boje i mirisa; gustoća 0,0899 g/l, t kip - 252,76°C. Spaja se s mnogim elementima i stvara vodu s kisikom. Najčešći element u prostoru; čini (u obliku plazme) više od 70% mase Sunca i zvijezda, glavni dio plinova međuzvjezdanog medija i maglica. Atom vodika je dio mnogih kiselina i baza, većine organskih spojeva. Koriste se u proizvodnji amonijaka, klorovodične kiseline, za hidrogenaciju masti itd., pri zavarivanju i rezanju metala. Obećava kao gorivo (vidi. Energija vodika).

VODIK

VODIK (lat. Hydrogenium), H, kemijski element s atomskim brojem 1, atomske mase 1,00794. Kemijski simbol za vodik, H, kod nas se čita kao "pepeo", kako se to slovo izgovara na francuskom.
Prirodni vodik sastoji se od smjese dva stabilna nuklida (cm. NUKLID) s masenim brojevima 1,007825 (99,985% u smjesi) i 2,0140 (0,015%). Osim toga, količine radioaktivnog nuklida, tricija, u tragovima uvijek su prisutne u prirodnom vodiku. (cm. TRITIJ) 3 H (vrijeme poluraspada T 1/2 12,43 godine). Budući da jezgra atoma vodika sadrži samo 1 proton (ne može biti manje protona u jezgri atoma), ponekad se kaže da vodik čini prirodnu donju granicu periodnog sustava elemenata D. I. Mendeljejeva (iako je element vodik sama se nalazi u gornjem dijelu tablice). Element vodik nalazi se u prvoj periodi periodnog sustava elemenata. Također pripada 1. skupini (IA skupina alkalnih metala (cm. ALKALNI METALI)), te u 7. skupinu (VIIA skupina halogena (cm. HALOGENI)).
Mase atoma u izotopima vodika jako se razlikuju (za nekoliko puta). To dovodi do zamjetnih razlika u njihovom ponašanju u fizikalnim procesima (destilacija, elektroliza itd.) i do određenih kemijskih razlika (razlike u ponašanju izotopa jednog elementa nazivaju se izotopski efekti; za vodik su izotopski efekti najznačajniji). Stoga, za razliku od izotopa svih drugih elemenata, izotopi vodika imaju posebne simbole i nazive. Vodik masenog broja 1 naziva se laki vodik, odnosno protij (lat. Protium, od grčkog protos - prvi), označava se simbolom H, a njegova jezgra proton (cm. PROTON (elementarna čestica), simbol r. Vodik s masenim brojem 2 naziva se teški vodik, deuterij (cm. DEUTERIJ)(latinski Deuterium, od grčkog deuteros - drugi), simboli 2 H, ili D (čitaj se "de") koriste se za njegovo označavanje, jezgra d je deuteron. Radioaktivni izotop masenog broja 3 naziva se superteški vodik, ili tricij (lat. Tritum, od grčkog tritos - treći), simbol 2 H ili T (čitaj "oni"), jezgra t je triton.
Konfiguracija sloja jednog elektrona neutralnog nepobuđenog vodikovog atoma 1 s 1 . U spojevima ima oksidacijska stanja +1 i rjeđe -1 (valencija I). Polumjer neutralnog atoma vodika je 0,024 nm. Energija ionizacije atoma je 13,595 eV, afinitet prema elektronu je 0,75 eV. Na Paulingovoj ljestvici elektronegativnost vodika je 2,20. Vodik je jedan od nemetala.
U svom slobodnom obliku, to je lagani, zapaljivi plin bez boje, mirisa i okusa.
Povijest otkrića
Oslobađanje zapaljivog plina tijekom interakcije kiselina i metala uočeno je u 16. i 17. stoljeću u zoru formiranja kemije kao znanosti. Poznati engleski fizičar i kemičar G. Cavendish (cm. Cavendish Henry) godine 1766. istraživao je ovaj plin i nazvao ga "zapaljivi zrak". Kada je izgorio, "zapaljivi zrak" je dao vodu, ali Cavendisheva privrženost teoriji flogistona (cm. FLOGISTON) spriječio ga u donošenju točnih zaključaka. francuski kemičar A. Lavoisier (cm. Lavoisier Antoine Laurent) zajedno s inženjerom J. Meunierom (cm. MEUNIER Jean-Baptiste Marie Charles), pomoću posebnih plinometara, 1783. proveo je sintezu vode, a potom i njezinu analizu, razlažući vodenu paru užarenim željezom. Tako je utvrdio da je "zapaljivi zrak" dio vode i da se iz nje može dobiti. Godine 1787. Lavoisier je došao do zaključka da je "zapaljivi zrak" jednostavna tvar, te stoga pripada broju kemijskih elemenata. Dao mu je ime hydrogene (od grčkog hydor - voda i gennao - rađati) - "rađanje vode". Utvrđivanjem sastava vode prekinuta je "teorija flogistona". Ruski naziv "vodik" predložio je kemičar M. F. Solovyov (cm. SOLOVJEV Mihail Fedorovič) 1824. godine. Na prijelazu iz 18. u 19. stoljeće utvrđeno je da je atom vodika vrlo lagan (u usporedbi s atomima drugih elemenata), a kao jedinica za usporedbu uzeta je težina (masa) atoma vodika. atomske mase elemenata. Masi atoma vodika dodijeljena je vrijednost jednaka 1.
Biti u prirodi
Vodik čini oko 1% mase zemljine kore (10. mjesto među svim elementima). Vodik se praktički nikada ne nalazi u slobodnom obliku na našem planetu (njegovi tragovi nalaze se u gornjim slojevima atmosfere), ali je rasprostranjen gotovo posvuda na Zemlji u sastavu vode. Element vodik je dio organskih i anorganskih spojeva živih organizama, prirodnog plina, nafte, ugljena. Sadrži ga, naravno, u sastavu vode (oko 11% mase), u raznim prirodnim kristalnim hidratima i mineralima, koji sadrže jednu ili više OH hidrokso skupina.
Vodik kao element dominira svemirom. Čini oko polovicu mase Sunca i drugih zvijezda, prisutan je u atmosferi niza planeta.
Priznanica
Vodik se može dobiti na više načina. U industriji se za to koriste prirodni plinovi, kao i plinovi dobiveni preradom nafte, koksiranjem i rasplinjavanjem ugljena i drugih goriva. U proizvodnji vodika iz prirodnog plina (glavna komponenta je metan) provodi se njegova katalitička interakcija s vodenom parom i nepotpuna oksidacija s kisikom:
CH 4 + H 2 O \u003d CO + 3H 2 i CH 4 + 1/2 O 2 \u003d CO 2 + 2H 2
Odvajanje vodika od koksnog i rafinerijskih plinova temelji se na njihovom ukapljivanju tijekom dubokog hlađenja i uklanjanju iz smjese plinova koji se lakše ukapljuju od vodika. U prisustvu jeftine električne energije, vodik se dobiva elektrolizom vode, propuštanjem struje kroz alkalijske otopine. U laboratorijskim uvjetima, vodik se lako dobiva interakcijom metala s kiselinama, na primjer, cinka s klorovodičnom kiselinom.
Tjelesni i Kemijska svojstva
U normalnim uvjetima, vodik je lagan (gustoća u normalnim uvjetima 0,0899 kg / m 3) bezbojan plin. Talište -259,15 °C, vrelište -252,7 °C. Tekući vodik (na vrelištu) ima gustoću 70,8 kg/m 3 i najlakša je tekućina. Standardni elektrodni potencijal H 2 / H - u vodenoj otopini uzima se jednak 0. Vodik je slabo topljiv u vodi: na 0 ° C, topljivost je manja od 0,02 cm 3 / ml, ali je vrlo topljiv u nekim metalima (spužvasto željezo i drugi), posebno dobro - u metalnom paladiju (oko 850 volumena vodika u 1 volumenu metala). Toplina izgaranja vodika je 143,06 MJ/kg.
Postoji u obliku dvoatomnih H 2 molekula. Konstanta disocijacije H 2 na atome pri 300 K je 2,56 10 -34. Energija disocijacije molekule H 2 na atome je 436 kJ/mol. Međujezgrena udaljenost u molekuli H 2 je 0,07414 nm.
Budući da jezgra svakog atoma H, koji je dio molekule, ima svoj spin (cm. ZAVRTI), tada molekularni vodik može biti u dva oblika: u obliku ortovodika (o-H 2) (oba spina imaju istu orijentaciju) i u obliku paravodika (p-H 2) (spinovi imaju različitu orijentaciju). U normalnim uvjetima, normalni vodik je smjesa 75% o-H 2 i 25% p-H 2 . Fizikalna svojstva p- i o-H 2 malo se razlikuju jedna od druge. Dakle, ako je vrelište čistog o-H 2 20,45 K, tada čisti p-n 2 - 20,26 K. Transformacija o-H 2 u p-H 2 popraćena je oslobađanjem 1418 J / mol topline.
U znanstvenoj literaturi se više puta tvrdilo da visoki pritisci(iznad 10 GPa) i na niskim temperaturama (oko 10 K i niže), kruti vodik, koji obično kristalizira u heksagonalnoj rešetki molekularnog tipa, može se transformirati u tvar s metalnim svojstvima, moguće čak i u supravodič. No, još uvijek nema nedvosmislenih podataka o mogućnosti takvog prijelaza.
Velika snaga kemijska veza između atoma u molekuli H 2 (što se npr. metodom molekularnih orbitala može objasniti činjenicom da je u ovoj molekuli elektronski par u veznoj orbitali, a orbitala labavljenja nije naseljena elektronima) vodi na činjenicu da je na sobnoj temperaturi plinoviti vodik kemijski neaktivan. Dakle, bez zagrijavanja, jednostavnim miješanjem, vodik reagira (eksplozivno) samo s plinovitim fluorom:
H2 + F2 \u003d 2HF + Q.
Ako se smjesa vodika i klora na sobnoj temperaturi ozrači ultraljubičastim svjetlom, tada se uočava trenutno stvaranje klorovodika HCl. Reakcija vodika s kisikom događa se uz eksploziju ako se u smjesu tih plinova unese katalizator, metalni paladij (ili platina). Kad se zapali, smjesa vodika i kisika (tzv. eksplozivni plin (cm. EKSPLOZIVNI PLIN)) eksplodira, a do eksplozije može doći u smjesama u kojima je udio vodika od 5 do 95 volumnih postotaka. Čisti vodik u zraku ili u čistom kisiku gori tiho uz oslobađanje velike količine topline:
H 2 + 1 / 2O 2 \u003d H 2 O + 285,75 kJ / mol
Ako vodik komunicira s drugim nemetalima i metalima, onda samo pod određenim uvjetima (grijanje, visoki tlak, prisutnost katalizatora). Dakle, vodik reverzibilno reagira s dušikom na visoki krvni tlak(20-30 MPa i više) i na temperaturi od 300-400 ° C u prisutnosti katalizatora - željeza:
3H2 + N2 = 2NH3 + Q.
Također, samo kada se zagrije, vodik reagira sa sumporom da nastane vodikov sulfid H 2 S, s bromom - da nastane bromovodik HBr, s jodom - da nastane jodovodik HI. Vodik reagira s ugljenom (grafitom) pri čemu nastaje smjesa ugljikovodika različitog sastava. Vodik ne komunicira izravno s borom, silicijem i fosforom; spojevi ovih elemenata s vodikom dobivaju se neizravno.
Kada se zagrije, vodik može reagirati s alkalijskim, zemnoalkalijskim metalima i magnezijem u spojeve s karakterom ionske veze, koji sadrže vodik u oksidacijskom stanju –1. Dakle, kada se kalcij zagrijava u atmosferi vodika, nastaje hidrid sličan soli sastava CaH 2 . Polimerni aluminijev hidrid (AlH 3) x - jedan od najjačih redukcijskih sredstava - dobiva se neizravno (na primjer, pomoću organoaluminijevih spojeva). S mnogim prijelaznim metalima (na primjer, cirkonijem, hafnijem itd.) vodik stvara spojeve promjenjivog sastava (krute otopine).
Vodik može reagirati ne samo s mnogim jednostavnim, već i sa složenim tvarima. Prije svega treba istaknuti sposobnost vodika da reducira mnoge metale iz njihovih oksida (kao što su željezo, nikal, olovo, volfram, bakar itd.). Dakle, kada se zagrije na temperaturu od 400-450 ° C i više, željezo se reducira vodikom iz bilo kojeg od njegovih oksida, na primjer:
Fe 2 O 3 + 3H 2 \u003d 2Fe + 3H 2 O.
Treba napomenuti da se samo metali smješteni u nizu standardnih potencijala izvan mangana mogu reducirati iz oksida vodikom. Aktivniji metali (uključujući mangan) ne reduciraju se u metal iz oksida.
Vodik se može pridružiti dvostrukoj ili trostrukoj vezi mnogim organskim spojevima (to su takozvane reakcije hidrogenacije). Na primjer, u prisutnosti nikalnog katalizatora, može se provesti hidrogenacija etilena C 2 H 4 i nastaje etan C 2 H 6:
C2H4 + H2 \u003d C2H6.
Interakcija ugljikovog monoksida (II) i vodika u industriji proizvodi metanol:
2H2 + CO \u003d CH3OH.
U spojevima u kojima je atom vodika povezan s atomom elektronegativnijeg elementa E (E = F, Cl, O, N), između molekula se stvaraju vodikove veze (cm. VODIKOVA VEZA)(dva E atoma istog ili dva različita elementa međusobno su povezana preko H atoma: E "... N ... E"", a sva tri atoma nalaze se na istoj ravnoj liniji). Takve veze postoje između molekula vode, amonijaka, metanola itd. i dovode do zamjetnog povećanja vrelišta ovih tvari, povećanja topline isparavanja itd.
Primjena
Vodik se koristi u sintezi amonijaka NH 3, klorovodika HCl, metanola CH 3 OH, u hidrokrekingu (krekiranju u atmosferi vodika) prirodnih ugljikovodika, kao redukcijsko sredstvo u proizvodnji pojedinih metala. hidrogeniranje (cm. HIDROGENACIJA) prirodni biljna ulja dobiti čvrstu mast – margarin. Tekući vodik koristi se kao raketno gorivo i kao rashladno sredstvo. U zavarivanju se koristi mješavina kisika i vodika.
Svojedobno se sugeriralo da će u skoroj budućnosti glavni izvor proizvodnje energije biti reakcija izgaranja vodika, te da će energija vodika zamijeniti tradicionalne izvore proizvodnje energije (ugljen, nafta itd.). Istodobno se pretpostavljalo da bi za proizvodnju vodika u velikim razmjerima bilo moguće koristiti elektrolizu vode. Elektroliza vode prilično je energetski intenzivan proces i trenutačno je neisplativo dobivanje vodika elektrolizom u industrijskim razmjerima. No očekivalo se da će se elektroliza temeljiti na korištenju topline srednje temperature (500-600 °C), koja se javlja u velikim količinama tijekom rada nuklearnih elektrana. Ta je toplina ograničeno iskoristiva, a mogućnost dobivanja vodika uz pomoć nje riješila bi i ekološki problem (pri izgaranju vodika u zraku količina tvari štetnih za okoliš nastaje minimalna) i problem iskorištenja srednjetemperaturne toplina. Međutim, nakon černobilske katastrofe, razvoj nuklearna energija koagulira posvuda, tako da određeni izvor energije postaje nedostupan. Stoga se izgledi za široku upotrebu vodika kao izvora energije još uvijek pomiču barem do sredine 21. stoljeća.
Značajke cirkulacije
Vodik nije otrovan, ali pri rukovanju njime treba stalno voditi računa o njegovoj visokoj opasnosti od požara i eksplozije, a opasnost od eksplozije vodika je povećana zbog velike sposobnosti difuzije plina čak i kroz neke čvrste materijale. Prije početka bilo kakvih postupaka zagrijavanja u atmosferi vodika, trebali biste se uvjeriti da je čista (prilikom paljenja vodika u epruveti okrenutoj naopako, zvuk bi trebao biti tup, a ne lajanje).
Biološka uloga
Biološko značenje vodika određeno je činjenicom da je on dio molekula vode i svih najvažnijih skupina prirodnih spojeva, uključujući proteine, nukleinske kiseline, lipidi, ugljikohidrati. Otprilike 10% mase živih organizama čini vodik. Sposobnost vodika da tvori vodikovu vezu ima presudnu ulogu u održavanju prostorne kvaternarne strukture proteina, kao iu provedbi načela komplementarnosti. (cm. KOMPLEMENTARNO) u konstrukciji i funkcijama nukleinskih kiselina (odnosno u pohranjivanju i implementaciji genetske informacije), općenito, u implementaciji "prepoznavanja" na molekularnoj razini. Vodik (H + ion) sudjeluje u najvažnijim dinamičkim procesima i reakcijama u tijelu - u biološkoj oksidaciji, koja živim stanicama daje energiju, u fotosintezi u biljkama, u reakcijama biosinteze, u fiksaciji dušika i fotosintezi bakterija, u održavanju kiseline. -bazna ravnoteža i homeostaza (cm. homeostaza), u membranskim transportnim procesima. Dakle, zajedno s kisikom i ugljikom, vodik čini strukturnu i funkcionalnu osnovu fenomena života.


enciklopedijski rječnik. 2009 .

Sinonimi:

Pogledajte što je "vodik" u drugim rječnicima:

    Tablica nuklida Opće informacije Naziv, simbol Vodik 4, 4H Neutroni 3 Protoni 1 Svojstva nuklida Atomska masa 4,027810 (110) ... Wikipedia

    Tablica nuklida Opći podaci Naziv, simbol Vodik 5, 5H Neutroni 4 Protoni 1 Svojstva nuklida Atomska masa 5,035310 (110) ... Wikipedia

    Tablica nuklida Opći podaci Naziv, simbol Vodik 6, 6H Neutroni 5 Protoni 1 Svojstva nuklida Atomska masa 6,044940 (280) ... Wikipedia

    Tablica nuklida Opći podaci Naziv, simbol Vodik 7, 7H Neutroni 6 Protoni 1 Svojstva nuklida Atomska masa 7,052750 (1080) ... Wikipedia

Vodik (Hydrogenium) je u prvoj polovici 16. stoljeća otkrio njemački liječnik i prirodoslovac Paracelsus. Godine 1776. G. Cavendish (Engleska) utvrdio je njegova svojstva i ukazao na razlike od ostalih plinova. Lavoisier je prvi dobio vodik iz vode i dokazao da je voda kemijski spoj vodika i kisika (1783.).

Vodik ima tri izotopa: protij, deuterij ili D i tricij ili T. Maseni brojevi su im 1, 2 i 3. Procij i deuterij su stabilni, tricij je radioaktivan (vrijeme poluraspada 12,5 godina). U prirodnim spojevima deuterij i protij su prosječno sadržani u omjeru 1:6800 (prema broju atoma). Tricij se u prirodi nalazi u zanemarivim količinama.

Jezgra atoma vodika sadrži jedan proton. Jezgre deuterija i tricija uključuju, osim protona, jedan, odnosno dva neutrona.

Molekula vodika sastoji se od dva atoma. Evo nekih svojstava koja karakteriziraju atom i molekulu vodika:

Energija ionizacije atoma, eV 13,60

Afinitet atoma prema elektronu, eV 0,75

Relativna elektronegativnost 2.1

Polumjer atoma, nm 0,046

Međujezgrena udaljenost u molekuli, nm 0,0741

Standardna etalpija disocijacije molekula na 436,1

115. Vodik u prirodi. Dobivanje vodika.

Vodik se u slobodnom stanju na Zemlji nalazi samo u malim količinama. Ponekad se ispušta zajedno s drugim plinovima tijekom vulkanskih erupcija, kao i iz bušotina tijekom vađenja nafte. Ali u obliku spojeva, vodik je vrlo čest. To se vidi već iz činjenice da čini devetinu mase vode. Vodik je sastavni dio svih biljnih i životinjskih organizama, nafte, kamenog i mrkog ugljena, prirodnih plinova i niza minerala. Udio vodika iz cjelokupne mase zemljine kore, uključujući vodu i zrak, iznosi oko 1%. Međutim, kada se preračuna u postotak ukupnog broja atoma, sadržaj vodika u zemljinoj kori iznosi 17%.

Vodik je najrasprostranjeniji element u svemiru. Čini otprilike polovinu mase Sunca i većine drugih zvijezda. Sadrži ga plinovite maglice, međuzvjezdani plin i dio je zvijezda. U unutrašnjosti zvijezda jezgre atoma vodika pretvaraju se u jezgre atoma helija. Taj se proces odvija oslobađanjem energije; za mnoge zvijezde, uključujući Sunce, ona služi kao glavni izvor energije. Brzina procesa, odnosno broj jezgri vodika koje se u jednoj sekundi pretvaraju u jezgre helija u jednom kubičnom metru je mala. Stoga je količina oslobođene energije u jedinici vremena po jedinici volumena mala. Međutim, zbog ogromne mase Sunca, ukupna količina energije koju Sunce stvara i emitira je vrlo velika. Odgovara smanjenju mase Sunca za oko sekundu.

U industriji se vodik uglavnom proizvodi iz prirodnog plina. Ovaj plin, koji se uglavnom sastoji od metana, pomiješan je s vodenom parom i kisikom. Kada se smjesa plinova zagrije u prisutnosti katalizatora, dolazi do reakcije koja se shematski može prikazati jednadžbom:

Nastala smjesa plinova se odvaja. Vodik se pročišćava i koristi na licu mjesta ili se transportira u čeličnim cilindrima pod tlakom.

Važna industrijska metoda za proizvodnju vodika također je njegova izolacija iz koksnog plina ili iz plinova rafiniranja nafte. Provodi se dubokim hlađenjem, pri čemu su svi plinovi, osim vodika, ukapljeni.

U laboratorijima se vodik uglavnom proizvodi elektrolizom vodenih otopina. Koncentracija ovih otopina odabrana je tako da odgovara njihovoj maksimalnoj električnoj vodljivosti. Elektrode su obično izrađene od nikalnog lima. Ovaj metal ne korodira u alkalijskim otopinama, čak i kao anoda. Po potrebi se dobiveni vodik pročišćava od vodene pare i tragova kisika. Od ostalih laboratorijskih metoda najzastupljenija je ekstrakcija vodika iz otopina sumporne ili klorovodične kiseline djelovanjem cinka na njih. Reakcija se obično provodi u Kippovom aparatu (slika 105).

DEFINICIJA

Vodik je prvi element u periodnom sustavu. Oznaka - H od latinskog "hydrogenium". Smješten u prvom razdoblju, skupina IA. Odnosi se na nemetale. Nuklearni naboj je 1.

Vodik je jedan od najzastupljenijih kemijskih elemenata - njegov udio je oko 1% mase sve tri ljuske zemljine kore (atmosfere, hidrosfere i litosfere), što preračunato u atomske postotke daje brojku od 17,0.

Glavna količina ovog elementa je u vezanom stanju. Dakle, voda sadrži oko 11 mas. %, glina - oko 1,5 %, itd. U obliku spojeva s ugljikom, vodik ulazi u sastav nafte, zapaljivih prirodnih plinova i svih organizama.

Vodik je plin bez boje i mirisa (dijagram strukture atoma prikazan je na sl. 1). Njegovo talište i vrelište su vrlo niske (-259 o C, odnosno -253 o C). Na temperaturi (-240 o C) i pod tlakom vodik se može ukapljiti, a brzim isparavanjem nastale tekućine prelazi u kruto stanje(prozirni kristali). Malo je topiv u vodi - 2:100 po volumenu. Vodik karakterizira topljivost u nekim metalima, na primjer, u željezu.

Riža. 1. Građa atoma vodika.

Atomska i molekularna težina vodika

DEFINICIJA

Relativna atomska masa element je omjer mase atoma danog elementa i 1/12 mase atoma ugljika.

Relativna atomska masa je bezdimenzijska i označava se s A r (indeks "r" je početno slovo engleska riječ relative, što u prijevodu znači "rođak"). Relativna atomska masa atomskog vodika je 1,008 amu.

Mase molekula, kao i mase atoma, izražavaju se jedinicama atomske mase.

DEFINICIJA

Molekularna težina tvar se naziva masa molekule, izražena u jedinicama atomske mase. Relativna molekularna težina tvari nazivaju omjer mase molekule dane tvari prema 1/12 mase atoma ugljika, čija je masa 12 a.m.u.

Poznato je da je molekula vodika dvoatomna - H 2 . Relativna molekulska težina molekule vodika bit će jednaka:

M r (H 2) \u003d 1,008 × 2 \u003d 2,016.

Izotopi vodika

Vodik ima tri izotopa: protij 1 H, deuterij 2 H ili D i tricij 3 H ili T. Maseni brojevi su im 1, 2 i 3. Procij i deuterij su stabilni, tricij je radioaktivan (vrijeme poluraspada 12,5 godina). U prirodnim spojevima deuterij i protij su prosječno sadržani u omjeru 1:6800 (prema broju atoma). Tricij se u prirodi nalazi u zanemarivim količinama.

Jezgra atoma vodika 1 H sadrži jedan proton. Jezgre deuterija i tricija uključuju, osim protona, jedan i dva neutrona.

Vodikovi ioni

Atom vodika može ili donirati svoj pojedinačni elektron da formira pozitivan ion (koji je "goli" proton), ili može dodati jedan elektron, pretvarajući se u negativni ion, koji ima elektronsku konfiguraciju helija.

Potpuno odvajanje elektrona od atoma vodika zahtijeva utrošak vrlo velike energije ionizacije:

H + 315 kcal = H + + e.

Kao rezultat toga, u interakciji vodika s metaloidima ne nastaju ionske, već samo polarne veze.

Tendencija neutralnog atoma da pričvrsti višak elektrona karakterizirana je vrijednošću njegovog afiniteta prema elektronu. U vodiku je prilično slabo izražen (međutim, to ne znači da takav vodikov ion ne može postojati):

H + e \u003d H - + 19 kcal.

Molekula i atom vodika

Molekula vodika sastoji se od dva atoma – H 2 . Evo nekih svojstava koja karakteriziraju atom i molekulu vodika:

Primjeri rješavanja problema

PRIMJER 1

Vježbajte Dokažite da postoje hidridi opće formule EN x koji sadrže 12,5% vodika.
Riješenje Izračunajte mase vodika i nepoznatog elementa uzimajući masu uzorka kao 100 g:

m(H) = m(EN x)×w(H);

m(H) = 100 × 0,125 = 12,5 g.

m (E) \u003d m (EN x) - m (H);

m (E) \u003d 100 - 12,5 \u003d 87,5 g.

Pronađimo količinu tvari vodika i nepoznatog elementa, označavajući molarnu masu potonjeg kao "x" (molarna masa vodika je 1 g / mol):

Vodik je kemijski element sa simbolom H i atomskim brojem 1. Sa standardnom atomskom težinom od oko 1,008, vodik je najlakši element u periodnom sustavu. Njegov monoatomski oblik (H) je najzastupljenija kemikalija u svemiru, koja čini približno 75% ukupne mase bariona. Zvijezde se uglavnom sastoje od vodika u stanju plazme. Najčešći izotop vodika, nazvan protij (ovo se ime rijetko koristi, simbol 1H), ima jedan proton i nema neutrona. Raširena pojava atomskog vodika prvi put se dogodila u eri rekombinacije. Na standardnim temperaturama i tlakovima, vodik je bezbojan, bez mirisa, bez okusa, netoksičan, nemetalni, zapaljivi dvoatomni plin s molekularnom formulom H2. Budući da vodik lako stvara kovalentne veze s većinom nemetalnih elemenata, većina vodika na Zemlji postoji u molekularnim oblicima kao što su voda ili organski spojevi. Vodik igra osobito važnu ulogu u kiselo-baznim reakcijama jer većina kiselo-baznih reakcija uključuje izmjenu protona između topljivih molekula. U ionskim spojevima, vodik može biti u obliku negativnog naboja (tj. aniona) i poznat je kao hidrid ili kao pozitivno nabijena (tj. kation) vrsta, označena simbolom H+. Vodikov kation je opisan kao sastavljen od jednostavnog protona, ali stvarni vodikovi kationi u ionskim spojevima uvijek su složeniji. Kao jedini neutralni atom za koji se Schrödingerova jednadžba može analitički riješiti, vodik (naime, proučavanje energije i vezanja njegovog atoma) odigrao je ključnu ulogu u razvoju kvantne mehanike. Vodik je prvi put umjetno proizveden početkom 16. stoljeća reakcijom kiselina s metalima. Godine 1766-81. Henry Cavendish prvi je prepoznao da je plinoviti vodik diskretna tvar i da pri sagorijevanju proizvodi vodu, otuda i njegovo ime: vodik na grčkom znači "proizvođač vode". Industrijska proizvodnja vodika uglavnom je povezana s parnom pretvorbom prirodnog plina i, rjeđe, s energetski intenzivnijim metodama kao što je elektroliza vode. Većina vodika koristi se u blizini mjesta gdje se proizvodi, a dvije najčešće upotrebe su obrada fosilnih goriva (npr. hidrokreking) i proizvodnja amonijaka, uglavnom za tržište gnojiva. Vodik predstavlja problem u metalurgiji jer može izazvati krhkost mnogih metala, što otežava projektiranje cjevovoda i spremnika za skladištenje.

Svojstva

Izgaranje

Plinoviti vodik (dihidrogen ili molekularni vodik) je zapaljivi plin koji će gorjeti u zraku u vrlo širokom rasponu koncentracija od 4% do 75% volumena. Entalpija izgaranja je 286 kJ/mol:

    2 H2 (g) + O2 (g) → 2 H2O (l) + 572 kJ (286 kJ/mol)

Plinoviti vodik stvara eksplozivne smjese sa zrakom u koncentracijama od 4-74% i s klorom u koncentracijama do 5,95%. Eksplozivne reakcije mogu izazvati iskre, toplina ili sunčeva svjetlost. Temperatura samozapaljenja vodika, temperatura spontanog paljenja u zraku, je 500 °C (932 °F). Plamen čistog vodika i kisika emitira ultraljubičasto zračenje i s visokom smjesom kisika gotovo je nevidljiv golim okom, što dokazuje slabašni oblak glavnog motora Space Shuttlea u usporedbi s vrlo vidljivim oblakom raketnog pojačivača na čvrsto gorivo Space Shuttlea, koji koristi kompozit amonijevog perklorata. Za otkrivanje curenja gorućeg vodika može biti potreban detektor plamena; takva curenja mogu biti vrlo opasna. Vodikov plamen pod ostalim uvjetima je plave boje i nalikuje plavom plamenu prirodnog plina. Potonuće zračnog broda "Hindenburg" notorni je primjer izgaranja vodika, a o tom se slučaju još uvijek raspravlja. Vidljivi narančasti plamen u ovom incidentu uzrokovan je izlaganjem mješavini vodika i kisika u kombinaciji s ugljikovim spojevima iz oplate zračnog broda. H2 reagira sa svakim oksidirajućim elementom. Vodik može spontano reagirati na sobnoj temperaturi s klorom i fluorom i formirati odgovarajuće halogenovodike, klorovodik i fluorovodik, koji su također potencijalno opasne kiseline.

Razine energije elektrona

Razina energije osnovnog stanja elektrona u atomu vodika je -13,6 eV, što je ekvivalentno ultraljubičastom fotonu valne duljine od oko 91 nm. Razine energije vodik se može prilično točno izračunati pomoću Bohrovog modela atoma, koji elektron konceptualizira kao "orbitalni" proton, sličan Zemljinoj orbiti oko Sunca. Međutim, atomski elektron i proton zajedno drže elektromagnetska sila, dok planete i nebeske objekte drži zajedno gravitacija. Zbog diskretizacije kutne količine gibanja postulirane u ranim kvantna mehanika Bohr, elektron u Bohrovom modelu može zauzimati samo određene dopuštene udaljenosti od protona i, prema tome, samo određene dopuštene energije. Točniji opis atoma vodika dolazi iz čistog kvantnog mehaničkog tretmana koji koristi Schrödingerovu jednadžbu, Diracovu jednadžbu ili čak Feynmanov integrirani krug za izračunavanje distribucije gustoće vjerojatnosti elektrona oko protona. Najsloženije metode obrade omogućuju vam da dobijete male učinke posebna teorija relativnost i polarizacija vakuuma. U kvantnoj strojnoj obradi, elektron u atomu vodika u osnovnom stanju uopće nema okretni moment, što ilustrira kako se "planetarna orbita" razlikuje od gibanja elektrona.

Elementarni molekularni oblici

Postoje dva različita spinska izomera dvoatomnih molekula vodika koji se razlikuju po relativnom spinu svojih jezgri. U ortovodikovom obliku, spinovi dvaju protona su paralelni i tvore tripletno stanje s kvantnim brojem molekularnog spina 1 (1/2 + 1/2); u paravodikovom obliku, spinovi su antiparalelni i tvore singlet s kvantnim brojem molekularnog spina 0 (1/2 1/2). Na standardnoj temperaturi i tlaku, vodikov plin sadrži oko 25% para oblika i 75% orto oblika, također poznatog kao "normalni oblik". Ravnotežni omjer ortovodika i paravodika ovisi o temperaturi, ali budući da je orto oblik pobuđeno stanje i ima veću energiju od para oblika, nestabilan je i ne može se pročistiti. Na vrlo niskim temperaturama, stanje ravnoteže sastoji se gotovo isključivo od para oblika. Toplinska svojstva Tekuća i plinovita faza čistog paravodika značajno se razlikuju od svojstava normalnog oblika zbog razlika u rotacijskim toplinskim kapacitetima, o čemu se detaljnije govori u spinskim izomerima vodika. Orto/par razlika također se pojavljuje u drugim molekulama koje sadrže vodik ili funkcionalnim skupinama kao što su voda i metilen, ali to je od malog značaja za njihova toplinska svojstva. Nekatalizirana interkonverzija između para i orto H2 raste s povećanjem temperature; dakle, brzo kondenzirani H2 sadrži velike količine visokoenergetski ortogonalni oblik, koji se vrlo sporo pretvara u para oblik. Omjer orto/para u kondenziranom H2 važan je čimbenik u pripremi i skladištenju tekućeg vodika: pretvorba iz orto u para je egzotermna i daje dovoljno topline da ispari dio tekućeg vodika, što rezultira gubitkom ukapljenog materijala. Katalizatori za orto-para konverziju kao što je željezni oksid, Aktivni ugljik, platinizirani azbest, rijetki zemni metali, spojevi urana, kromov oksid ili neki spojevi nikla koriste se za hlađenje vodikom.

Faze

    Plinoviti vodik

    tekući vodik

    sludge vodik

    čvrsti vodik

    metalni vodik

Veze

Kovalentni i organski spojevi

Iako H2 nije vrlo reaktivan u standardnim uvjetima, on tvori spojeve s većinom elemenata. Vodik može tvoriti spojeve s elementima koji su više elektronegativni, kao što su halogeni (npr. F, Cl, Br, I) ili kisik; u tim spojevima, vodik preuzima djelomični pozitivni naboj. Kada je vezan s fluorom, kisikom ili dušikom, vodik može sudjelovati u obliku srednje jake nekovalentne veze s vodikom drugih sličnih molekula, što je fenomen koji se naziva vodikova veza, a koji je kritičan za stabilnost mnogih bioloških molekula. Vodik također tvori spojeve s manje elektronegativnim elementima kao što su metali i metaloidi, gdje preuzima djelomični negativni naboj. Ovi spojevi često su poznati kao hidridi. Vodik tvori široku paletu spojeva s ugljikom, koji se nazivaju ugljikovodici, i još veću raznolikost spojeva s heteroatomima, koji se, zbog zajedničke povezanosti sa živim bićima, nazivaju organskim spojevima. Proučavanje njihovih svojstava je organska kemija, a njihovo proučavanje u kontekstu živih organizama poznato je kao biokemija. Prema nekim definicijama, "organski" spojevi moraju sadržavati samo ugljik. Međutim, većina također sadrži vodik, a budući da je veza ugljik-vodik ta koja ovoj klasi spojeva daje većinu njihovih specifičnih kemijskih karakteristika, veze ugljik-vodik potrebne su u nekim definicijama riječi "organski" u kemiji. Poznati su milijuni ugljikovodika, a obično nastaju složenim sintetskim putovima koji rijetko uključuju elementarni vodik.

hidridi

Vodikovi spojevi često se nazivaju hidridi. Izraz "hidrid" sugerira da je H atom stekao negativan ili anionski karakter, označen kao H-, i koristi se kada vodik tvori spoj s elektropozitivnijim elementom. Postojanje hidridnog aniona, koje je predložio Gilbert N. Lewis 1916. za hidride skupine 1 i 2 koji sadrže soli, pokazao je Moers 1920. elektrolizom rastaljenog litij hidrida (LiH), proizvodeći stehiometrijsku količinu vodika po anodi. Za hidride koji nisu metali skupine 1 i 2, izraz je pogrešan s obzirom na nisku elektronegativnost vodika. Iznimka u hidridima skupine 2 je BeH2, koji je polimer. U litij aluminij hidridu, AlH-4 anion nosi hidridne centre čvrsto vezane za Al(III). Iako se hidridi mogu formirati u gotovo svim elementima glavne skupine, broj i kombinacija mogućih spojeva uvelike varira; na primjer, poznato je preko 100 binarnih boran hidrida i samo jedan binarni aluminijev hidrid. Binarni indij hidrid još nije identificiran, iako postoje veliki kompleksi. U anorganskoj kemiji, hidridi također mogu poslužiti kao premosni ligandi koji povezuju dva metalna centra u koordinacijski kompleks. Ova je funkcija posebno karakteristična za elemente 13. skupine, posebice u boranima (bor hidridi) i aluminijevim kompleksima, kao i u klasteriranim karboranima.

Protoni i kiseline

Oksidacija vodika uklanja njegov elektron i daje H+, koji ne sadrži elektrone niti jezgru, koja se obično sastoji od jednog protona. Zbog toga se H+ često naziva proton. Ovo stajalište je središnje u raspravi o kiselinama. Prema Bronsted-Lowry teoriji, kiseline su donori protona, a baze akceptori protona. Goli proton, H+, ne može postojati u otopini ili u ionskim kristalima zbog svoje neodoljive privlačnosti prema drugim atomima ili molekulama s elektronima. Osim visokih temperatura povezanih s plazmom, takvi se protoni ne mogu ukloniti iz oblaka elektrona atoma i molekula i ostat će vezani za njih. Međutim, pojam "proton" se ponekad koristi metaforički za označavanje pozitivno nabijenog ili kationskog vodika vezanog za druge vrste na ovaj način, i kao takav se označava kao "H+" bez ikakvog značenja da bilo koji pojedinačni protoni slobodno postoje kao vrsta. Kako bi se izbjegla pojava golog "solvatiranog protona" u otopini, ponekad se smatra da kisele vodene otopine sadrže manje vjerojatnu fiktivnu vrstu zvanu "hidronijev ion" (H 3 O+). Međutim, čak iu ovom slučaju takve solvatirane katione vodika realnije je percipirati kao organizirane klastere koji tvore vrste bliske H 9O+4. Drugi oksonijevi ioni nalaze se kada je voda u kiseloj otopini s drugim otapalima. Unatoč tome što je egzotičan na Zemlji, jedan od najčešćih iona u svemiru je H+3, poznat kao protonirani molekularni vodik ili trivodikov kation.

izotopi

Vodik ima tri prirodna izotopa, označena kao 1H, 2H i 3H. Druge vrlo nestabilne jezgre (4H do 7H) sintetizirane su u laboratoriju, ali nisu uočene u prirodi. 1H je najčešći izotop vodika, s zastupljenošću od preko 99,98%. Budući da se jezgra ovog izotopa sastoji samo od jednog protona, dano mu je opisno, ali rijetko korišteno službeno ime protij. 2H, drugi stabilni izotop vodika, poznat je kao deuterij i sadrži jedan proton i jedan neutron u jezgri. Vjeruje se da je sav deuterij u svemiru nastao tijekom Velikog praska i postoji od tog vremena do danas. Deuterij nije radioaktivni element i ne predstavlja značajnu opasnost od toksičnosti. Voda obogaćena molekulama koje uključuju deuterij umjesto normalnog vodika naziva se teškom vodom. Deuterij i njegovi spojevi koriste se kao neradioaktivna oznaka u kemijskim eksperimentima iu otapalima za 1H-NMR spektroskopiju. Teška voda se koristi kao moderator neutrona i rashladno sredstvo za nuklearne reaktore. Deuterij je također potencijalno gorivo za komercijalnu nuklearnu fuziju. 3H je poznat kao tricij i sadrži jedan proton i dva neutrona u jezgri. Radioaktivan je, raspada se u helij-3 putem beta raspada s vremenom poluraspada od 12,32 godine. Toliko je radioaktivan da se može koristiti u svjetlećoj boji, što ga čini korisnim u izradi satova sa svjetlećim brojčanicima, na primjer. Staklo sprječava izlazak male količine zračenja. Mala količina tricija prirodno se proizvodi međudjelovanjem kozmičkih zraka s atmosferskim plinovima; tricij je također oslobođen tijekom testiranja nuklearno oružje. Koristi se u reakcijama nuklearne fuzije kao indikator geokemije izotopa i u specijaliziranim rasvjetnim uređajima s vlastitim napajanjem. Tricij se također koristio u eksperimentima s kemijskim i biološkim označavanjem kao radioaktivna oznaka. Vodik je jedini element koji ima različite nazive za svoje izotope koji su danas u uobičajenoj upotrebi. Tijekom ranog proučavanja radioaktivnosti dani su različiti teški radioaktivni izotopi vlastita imena, ali se takvi nazivi više ne koriste, s izuzetkom deuterija i tricija. Simboli D i T (umjesto 2H i 3H) ponekad se koriste za deuterij i tricij, ali odgovarajući simbol za protij P već se koristi za fosfor i stoga nije dostupan za protij. U svojim smjernicama za nomenklaturu, Međunarodna unija za čistu i primijenjenu kemiju dopušta korištenje bilo kojeg od simbola iz D, T, 2H i 3H, iako se preferiraju 2H i 3H. Egzotični atom mionija (simbol Mu), koji se sastoji od antimuona i elektrona, također se ponekad smatra lakim radioizotopom vodika zbog razlike u masi između antimuona i elektrona, koja je otkrivena 1960. Tijekom životnog vijeka miona, 2,2 μs, mionij može ući u spojeve kao što su mionijev klorid (MuCl) ili natrijev muonid (NaMu), slično klorovodiku odnosno natrijevom hidridu.

Priča

Otkriće i korištenje

Godine 1671. Robert Boyle otkrio je i opisao reakciju između željeznih strugotina i razrijeđenih kiselina koja rezultira plinovitim vodikom. Godine 1766. Henry Cavendish je prvi prepoznao vodikov plin kao diskretnu tvar, nazvavši ga "zapaljivim zrakom" zbog reakcije metala i kiseline. Sugerirao je da je "zapaljivi zrak" zapravo identičan hipotetskoj tvari zvanoj "flogiston" i ponovno je 1781. otkrio da plin stvara vodu kada se spaljuje. Vjeruje se da je upravo on otkrio vodik kao element. Godine 1783. Antoine Lavoisier dao je elementu ime vodik (od grčkog ὑδρο-hidro što znači "voda" i -γενής gene što znači "stvaratelj") kada su on i Laplace reproducirali Cavendisheve podatke da voda nastaje spaljivanjem vodika. Lavoisier je proizveo vodik za svoje pokuse očuvanja mase reakcijom struje pare s metalnim željezom kroz žarulju sa žarnom niti zagrijanu u vatri. Anaerobna oksidacija željeza protonima vode na visokoj temperaturi može se shematski prikazati nizom sljedećih reakcija:

    Fe + H2O → FeO + H2

    2 Fe + 3 H2O → Fe2O3 + 3 H2

    3 Fe + 4 H2O → Fe3O4 + 4 H2

Mnogi metali, poput cirkonija, prolaze kroz sličnu reakciju s vodom da bi proizveli vodik. Vodik je prvi pretvorio u tekućinu James Dewar 1898. godine koristeći regenerativno hlađenje i njegov izum, vakuumsku bocu. Sljedeće godine proizveo je čvrsti vodik. Deuterij je u prosincu 1931. otkrio Harold Uray, a tricij su 1934. pripremili Ernest Rutherford, Mark Oliphant i Paul Harteck. Tešku vodu, koja se sastoji od deuterija umjesto običnog vodika, otkrila je Yureyeva grupa 1932. godine. François Isaac de Rivaz napravio je prvi motor Rivaz, motor unutarnje izgaranje, pokretan vodikom i kisikom, 1806. godine. Edward Daniel Clark izumio je plinovodnu cijev 1819. Döbereinerov čelik (prvi pravi upaljač) izumljen je 1823. godine. Prvi vodikov balon izumio je Jacques Charles 1783. godine. Vodik je omogućio uspon prvog pouzdanog oblika zračnog prometa nakon što je Henri Giffard izumio prvi zračni brod s vodikom 1852. godine. Njemački grof Ferdinand von Zeppelin promovirao je ideju o krutim zračnim brodovima koje vodik podiže u zrak, a koji su kasnije nazvani cepelini; prvi od njih poletio je prvi put 1900. Redoviti letovi započeli su 1910. i do izbijanja Prvog svjetskog rata u kolovozu 1914. prevezli su 35 000 putnika bez većih incidenata. Tijekom rata zračni brodovi na vodik korišteni su kao platforme za promatranje i bombarderi. Prvi direktni transatlantski let izveo je britanski zračni brod R34 1919. godine. Redovni putnički promet nastavljen je 1920-ih, a otkriće zaliha helija u Sjedinjenim Državama trebalo je poboljšati sigurnost u zrakoplovstvu, ali je američka vlada odbila prodavati plin za tu svrhu, pa je H2 korišten u zračnom brodu Hindenburg, koji je uništen u Milanski požar u New Jerseyju 6. svibnja 1937. Incident je uživo prenosio radio i snimao. Općenito se pretpostavljalo da je uzrok paljenja bilo curenje vodika, no kasnije studije pokazuju da je premaz od aluminizirane tkanine zapalio statički elektricitet. Ali u to je vrijeme reputacija vodika kao plina za podizanje već bila narušena. Iste godine, prvi turbogenerator hlađen vodikom s vodikovim plinom kao rashladnim sredstvom u rotoru i statoru pušten je u pogon 1937. u Daytonu, Ohio, od strane Dayton Power & Light Co.; zbog toplinske vodljivosti plinovitog vodika, to je danas najčešći plin koji se koristi u ovom području. Nikal-vodikova baterija prvi put je korištena 1977. godine na američkom satelitu Navigacijske tehnologije 2 (NTS-2). ISS, Mars Odyssey i Mars Global Surveyor opremljeni su nikal-vodikovim baterijama. U tamnom dijelu svoje orbite, svemirski teleskop Hubble također se napaja nikal-vodikovim baterijama, koje su konačno zamijenjene u svibnju 2009., više od 19 godina nakon lansiranja i 13 godina nakon što su dizajnirane.

Uloga u kvantnoj teoriji

Zbog svoje jednostavne atomske strukture od samo protona i elektrona, atom vodika, zajedno sa spektrom svjetlosti koju stvara ili apsorbira, bio je središnji za razvoj teorije strukture atoma. Osim toga, proučavanje odgovarajuće jednostavnosti molekule vodika i odgovarajućeg kationa H+2 dovelo je do razumijevanja prirode kemijske veze, što je ubrzo uslijedilo nakon fizičkog tretmana atoma vodika u kvantnoj mehanici sredinom 2020. godine. Jedan od prvih kvantnih učinaka koji je jasno uočen (ali u to vrijeme nije bio shvaćen) bilo je Maxwellovo promatranje koje je uključivalo vodik pola stoljeća prije nego što je postojala potpuna kvantno-mehanička teorija. Maxwell je primijetio da određena toplina H2 nepovratno odlazi iz dvoatomskog plina ispod sobne temperature i počinje sve više nalikovati specifičnom toplinskom kapacitetu jednoatomskog plina na niskim temperaturama. Prema kvantna teorija, ovo ponašanje proizlazi iz razmaka (kvantiziranih) rotacijskih energetskih razina, koje su posebno široko razmaknute u H2 zbog njegove niske mase. Ove široko razmaknute razine sprječavaju jednaku podjelu toplinske energije na rotacijsko gibanje u vodiku pri niskim temperaturama. Diatomejski plinovi, koji se sastoje od težih atoma, nemaju tako široko raspoređene razine i ne pokazuju isti učinak. Antihidrogen je antimaterijalni analog vodika. Sastoji se od antiprotona s pozitronom. Antivodik je jedina vrsta atoma antimaterije koja je dobivena od 2015.

Biti u prirodi

Vodik je najrasprostranjeniji kemijski element u svemiru, koji čini 75% normalne materije po masi i preko 90% po broju atoma. (Većina mase svemira, međutim, nije u ovom obliku kemijski element, ali se smatra da ima još neotkrivene oblike mase, kao što su tamna tvar i tamna energija.) Ovaj element nalazi se u velikom izobilju u zvijezdama i plinovitim divovima. H2 molekularni oblaci povezani su sa stvaranjem zvijezda. Vodik igra vitalnu ulogu u paljenju zvijezda kroz proton-proton reakciju i nuklearnu fuziju CNO ciklusa. Diljem svijeta, vodik se uglavnom pojavljuje u atomskim i plazmatskim stanjima sa svojstvima sasvim drugačijim od molekularnog vodika. Kao plazma, elektron i proton vodika nisu međusobno vezani, što rezultira vrlo visokom električnom vodljivošću i visokom emisivnošću (generira svjetlost od Sunca i drugih zvijezda). Na nabijene čestice snažno utječu magnetska i električna polja. Na primjer, u solarnom vjetru oni djeluju na Zemljinu magnetosferu, stvarajući Birkelandove struje i polarnu svjetlost. Vodik je u međuzvjezdanom mediju u neutralnom atomskom stanju. Vjeruje se da velika količina neutralnog vodika pronađena u evanescentnim Liman-alfa sustavima dominira kozmološkom gustoćom bariona u Svemiru do crvenog pomaka z = 4. U normalnim uvjetima na Zemlji, elementarni vodik postoji kao dvoatomni plin, H2. Međutim, vodik je vrlo rijedak u zemljinoj atmosferi (1 ppm po volumenu) zbog svoje mala težina, što mu omogućuje da lakše svlada Zemljinu gravitaciju od težih plinova. Međutim, vodik je treći najzastupljeniji element na Zemljinoj površini, prvenstveno u obliku kemijskih spojeva kao što su ugljikovodici i voda. Plinoviti vodik proizvode neke bakterije i alge i prirodni je sastojak flaute, kao i metan, koji je sve značajniji izvor vodika. Molekularni oblik koji se naziva protonirani molekularni vodik (H+3) nalazi se u međuzvjezdanom mediju, gdje nastaje ionizacijom molekularnog vodika iz kozmičkih zraka. Ovaj nabijeni ion također je opažen u gornjoj atmosferi planeta Jupitera. Ion je relativno stabilan u okoliš zbog niske temperature i gustoće. H+3 jedan je od najzastupljenijih iona u svemiru i igra istaknutu ulogu u kemiji međuzvjezdanog medija. Neutralni troatomni vodik H3 može postojati samo u pobuđenom obliku i nestabilan je. Nasuprot tome, pozitivni molekularni vodikov ion (H+2) rijetka je molekula u svemiru.

Proizvodnja vodika

H2 se proizvodi u kemijskim i biološkim laboratorijima, često kao nusprodukt drugih reakcija; u industriji za hidrogeniranje nezasićenih supstrata; a u prirodi kao sredstvo za istiskivanje redukcijskih ekvivalenata u biokemijskim reakcijama.

Parni reforming

Vodik se može proizvesti na nekoliko načina, ali ekonomski najvažniji procesi uključuju uklanjanje vodika iz ugljikovodika, budući da je oko 95% proizvodnje vodika u 2000. godini dolazilo iz parne reformacije. Komercijalno se velike količine vodika obično proizvode parnim reformingom prirodnog plina. Na visoke temperature(1000-1400 K, 700-1100 °C ili 1300-2000 °F) para (para) reagira s metanom stvarajući ugljikov monoksid i H2.

    CH4 + H2O → CO + 3 H2

Ova reakcija najbolje funkcionira pri niskim pritiscima, ali se ipak može izvesti pri visokim pritiscima (2,0 MPa, 20 atm ili 600 inča žive). To je zato što je visokotlačni H2 najpopularniji proizvod, a sustavi za čišćenje s pregrijavanjem pod tlakom rade bolje pri višim pritiscima. Smjesa proizvoda poznata je kao "sintezni plin" jer se često koristi izravno za proizvodnju metanola i srodnih spojeva. Ugljikovodici osim metana mogu se koristiti za proizvodnju sinteznog plina s različitim omjerima proizvoda. Jedna od mnogih komplikacija ove visoko optimizirane tehnologije je stvaranje koksa ili ugljika:

    CH4 → C + 2 H2

Stoga se za parni reforming obično koristi višak H2O. Dodatni vodik može se povratiti iz pare pomoću ugljičnog monoksida kroz reakciju pomaka vodenog plina, posebno pomoću katalizatora željeznog oksida. Ova reakcija također je uobičajeni industrijski izvor ugljičnog dioksida:

    CO + H2O → CO2 + H2

Druge važne metode za H2 uključuju djelomičnu oksidaciju ugljikovodika:

    2 CH4 + O2 → 2 CO + 4 H2

I reakcija ugljena, koja može poslužiti kao uvod u gore opisanu reakciju pomaka:

    C + H2O → CO + H2

Ponekad se vodik proizvodi i troši u istom industrijskom procesu, bez odvajanja. U Haber procesu za proizvodnju amonijaka, vodik se stvara iz prirodnog plina. Elektrolizom otopine soli za proizvodnju klora također se proizvodi vodik kao nusproizvod.

metalna kiselina

U laboratoriju se H2 obično proizvodi reakcijom razrijeđenih neoksidirajućih kiselina s određenim reaktivnim metalima kao što je cink pomoću Kippovog aparata.

    Zn + 2 H + → Zn2 + + H2

Aluminij također može proizvesti H2 kada se tretira s bazama:

    2 Al + 6 H2O + 2 OH- → 2 Al (OH) -4 + 3 H2

Elektroliza vode je jednostavan način za proizvodnju vodika. Struja niskog napona teče kroz vodu i plin kisik se stvara na anodi, dok se plin vodik stvara na katodi. Tipično, katoda je izrađena od platine ili drugog inertnog metala u proizvodnji vodika za skladištenje. Međutim, ako se plin treba spaliti na licu mjesta, prisutnost kisika je poželjna za poticanje izgaranja, pa će stoga obje elektrode biti izrađene od inertnih metala. (Na primjer, željezo oksidira i stoga smanjuje količinu oslobođenog kisika). Teoretska maksimalna učinkovitost (korištena električna energija u odnosu na energetsku vrijednost proizvedenog vodika) je u rasponu od 80-94%.

    2 H2O (L) → 2 H2 (g) + O2 (g)

Za proizvodnju vodika može se koristiti legura aluminija i galija u obliku granula dodanih u vodu. Ovaj proces također proizvodi aluminijev oksid, ali skupi galij, koji sprječava stvaranje oksidne opne na kuglicama, može se ponovno upotrijebiti. Ovo ima važne potencijalne implikacije za ekonomiju vodika, budući da se vodik može proizvoditi lokalno i ne treba ga transportirati.

Termokemijska svojstva

Postoji više od 200 termokemijskih ciklusa koji se mogu koristiti za odvajanje vode, desetak takvih ciklusa, kao što su ciklus željeznog oksida, ciklus cerijevog (IV) oksida, ciklus cerijevog (III) oksida, ciklus cink-cink oksida ciklus, ciklus sumpora joda, ciklus bakra i hibridni ciklus klora i sumpora su u fazi istraživanja i testiranja za proizvodnju vodika i kisika iz vode i topline bez upotrebe električne energije. Brojni laboratoriji (uključujući one u Francuskoj, Njemačkoj, Grčkoj, Japanu i SAD-u) razvijaju termokemijske metode za proizvodnju vodika iz sunčeve energije i vode.

Anaerobna korozija

U anaerobnim uvjetima, legure željeza i čelika polako se oksidiraju protonima vode dok se reduciraju u molekularni vodik (H2). Anaerobna korozija željeza prvo dovodi do stvaranja željeznog hidroksida (zelene hrđe) i može se opisati sljedećom reakcijom: Fe + 2 H2O → Fe (OH) 2 + H2. S druge strane, pod anaerobnim uvjetima, željezni hidroksid (Fe (OH) 2) može se oksidirati pomoću protona vode u obliku magnetita i molekularnog vodika. Ovaj proces je opisan Shikorrinom reakcijom: 3 Fe (OH) 2 → Fe3O4 + 2 H2O + H2 željezov hidroksid → magnezij + voda + vodik. Dobro kristaliziran magnetit (Fe3O4) je termodinamički stabilniji od željeznog hidroksida (Fe(OH)2). Ovaj se proces događa tijekom anaerobne korozije željeza i čelika u anoksičnim uvjetima. podzemne vode a kod obnove tala ispod razine podzemne vode.

Geološko podrijetlo: reakcija serpentinizacije

U nedostatku kisika (O2) u dubokim geološki uvjeti, koji prevladava daleko od Zemljine atmosfere, vodik (H2) nastaje u procesu serpentinizacije anaerobnom oksidacijom vodenim protonima (H+) željeznog silikata (Fe2+) prisutnog u kristalnoj rešetki fajalita (Fe2SiO4, olivin-željezni minal) . Odgovarajuća reakcija koja dovodi do stvaranja magnetita (Fe3O4), kvarca (SiO2) i vodika (H2): 3Fe2SiO4 + 2 H2O → 2 Fe3O4 + 3 SiO2 + 3 H2 fajalit + voda → magnetit + kvarc + vodik. Ova reakcija vrlo nalikuje Shikorrinoj reakciji opaženoj u anaerobnoj oksidaciji željeznog hidroksida u kontaktu s vodom.

Formiranje u transformatorima

Od svih opasnih plinova koji nastaju u energetskim transformatorima, vodik je najčešći i stvara se u većini kvarova; stoga je stvaranje vodika rani znak ozbiljnih problema u životnom ciklusu transformatora.

Prijave

Potrošnja u raznim procesima

Velike količine H2 potrebne su u naftnoj i kemijskoj industriji. Najveća upotreba H2 je za preradu ("poboljšanje") fosilnih goriva i za proizvodnju amonijaka. U petrokemijskim postrojenjima, H2 se koristi u hidrodealkilaciji, hidrodesulfurizaciji i hidrokrekingu. H2 ima nekoliko drugih važnih namjena. H2 se koristi kao sredstvo za hidrogeniranje, posebno za povećanje razine zasićenosti nezasićenih masti i ulja (koji se nalaze u proizvodima kao što je margarin), te u proizvodnji metanola. Također je izvor vodika u proizvodnji klorovodične kiseline. H2 se također koristi kao redukcijsko sredstvo za metalne rude. Vodik je visoko topiv u mnogim rijetkim zemljama i prijelaznim metalima, a topiv je iu nanokristalnim i amorfnim metalima. Topljivost vodika u metalima ovisi o lokalnim iskrivljenjima ili nečistoćama u kristalnoj rešetki. To može biti korisno kada se vodik pročišćava prolaskom kroz vruće paladijeve diskove, ali visoka topljivost plina je metalurški problem koji čini krhkost mnogih metala, komplicirajući dizajn cjevovoda i spremnika za skladištenje. Osim što se koristi kao reagens, H2 ima širok raspon primjena u fizici i tehnici. Koristi se kao zaštitni plin u metodama zavarivanja kao što je zavarivanje atomskim vodikom. H2 se koristi kao rashladno sredstvo rotora u električnim generatorima u elektranama jer ima najveću toplinsku vodljivost od svih plinova. Tekući H2 koristi se u kriogenim istraživanjima, uključujući istraživanja supravodljivosti. Budući da je H2 lakši od zraka, s nešto više od 1/14 gustoće zraka, nekoć se široko koristio kao plin za podizanje u balonima i zračnim brodovima. U novijim primjenama, vodik se koristi čisti ili pomiješan s dušikom (ponekad se naziva plin za formiranje) kao plin za praćenje za trenutno otkrivanje curenja. Vodik se koristi u automobilskoj, kemijskoj, energetskoj, zrakoplovnoj i telekomunikacijskoj industriji. Hidrogen je dopušteni aditiv hrani (E 949) koji između ostalih antioksidativnih svojstava omogućuje ispitivanje curenja hrane. Rijetki izotopi vodika također imaju posebne namjene. Deuterij (vodik-2) koristi se u primjenama nuklearne fisije kao spori moderator neutrona i u reakcijama nuklearne fuzije. Spojevi deuterija koriste se u području kemije i biologije u proučavanju izotopskih učinaka reakcije. Tricij (vodik-3), proizveden u nuklearnim reaktorima, koristi se u proizvodnji hidrogenskih bombi, kao marker izotopa u biološkim znanostima i kao izvor zračenja u svjetlećim bojama. Temperatura trojne točke ravnotežnog vodika je definirajuća fiksna točka na temperaturnoj ljestvici ITS-90 na 13,8033 Kelvina.

Sredstvo za hlađenje

Vodik se obično koristi u elektranama kao rashladno sredstvo u generatorima zbog niza povoljnih svojstava koja su izravna posljedica njegovih lakih dvoatomnih molekula. To uključuje nisku gustoću, nisku viskoznost i najveći specifični toplinski kapacitet i toplinsku vodljivost od svih plinova.

Nositelj energije

Vodik nije energetski resurs, osim u hipotetskom kontekstu komercijalnih fuzionih elektrana koje koriste deuterij ili tricij, tehnologiju koja je trenutno daleko od zrele. Energija Sunca dolazi od nuklearne fuzije vodika, ali je taj proces teško ostvariv na Zemlji. Elementarni vodik iz solarnih, bioloških ili električnih izvora zahtijeva više energije za proizvodnju nego što je potrebno za njegovo sagorijevanje, pa u tim slučajevima vodik funkcionira kao prijenosnik energije, slično bateriji. Vodik se može dobiti iz fosilnih izvora (kao što je metan), ali ti su izvori iscrpljivi. Gustoća energije po jedinici volumena i tekućeg vodika i komprimiranog plinovitog vodika pri bilo kojem praktički ostvarivom tlaku znatno je manja od konvencionalnih izvora energije, iako je gustoća energije po jedinici mase goriva viša. Međutim, o elementarnom vodiku naširoko se raspravljalo u energetskom kontekstu kao mogućem budućem nositelju energije za cijelo gospodarstvo. Na primjer, sekvestracija CO2 praćena hvatanjem i skladištenjem ugljika može se obaviti na mjestu proizvodnje H2 iz fosilnih goriva. Vodik koji se koristi u prometu sagorijevat će relativno čisto, uz nešto emisija NOx, ali bez emisija ugljika. Međutim, troškovi infrastrukture povezani s potpunom pretvorbom u vodikovo gospodarstvo bit će znatni. Gorivne ćelije mogu pretvoriti vodik i kisik izravno u električnu energiju učinkovitije od motora s unutarnjim izgaranjem.

industrija poluvodiča

Vodik se koristi za zasićenje visećih veza amorfnog silicija i amorfnog ugljika, što pomaže u stabilizaciji svojstava materijala. Također je potencijalni donor elektrona u raznim oksidnim materijalima uključujući ZnO, SnO2, CdO, MgO, ZrO2, HfO2, La2O3, Y2O3, TiO2, SrTiO3, LaAlO3, SiO2, Al2O3, ZrSiO4, HfSiO4 i SrZrO3.

biološke reakcije

H2 je proizvod nekih tipova anaerobnog metabolizma, a proizvodi ga nekoliko mikroorganizama, obično kroz reakcije katalizirane enzimima koji sadrže željezo ili nikal zvanim hidrogenaze. Ovi enzimi kataliziraju reverzibilnu redoks reakciju između H2 i njegova dva protona i dva elektrona. Stvaranje vodikovog plina događa se prijenosom redukcijskih ekvivalenata nastalih fermentacijom piruvata u vodu. Prirodni ciklus proizvodnje i potrošnje vodika u organizmima naziva se ciklus vodika. Razdvajanje vode, proces kojim se voda razgrađuje na sastavne protone, elektrone i kisik, događa se u svjetlosnim reakcijama u svim fotosintetskim organizmima. Neki takvi organizmi, uključujući algu Chlamydomonas Reinhardtii i cijanobakterije, razvili su drugu fazu u tamnim reakcijama u kojima se protoni i elektroni reduciraju u obliku plina H2 pomoću specijaliziranih hidrogenaza u kloroplastu. Pokušalo se genetski modificirati cijanobakterijske hidraze da učinkovito sintetiziraju plin H2 čak i u prisutnosti kisika. Također su uloženi napori u korištenje genetski modificiranih algi u bioreaktoru.