Wodór jest pierwszym pierwiastkiem w grupie pierwszej bloku s ( Rys. 1 ). Jest to pierwiastek szczególny, ponieważ jest najprostszym z możliwych, zbudowanym wyłącznie z jednego protonu i jednego elektronu. Z tego względu został mu poświęcony osobny moduł. Pozostałe pierwiastki grupy pierwszej omówiono w module Litowce.

Występowanie i otrzymywanie

Wodór jest najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem we wszechświecie. Większość gwiazd składa się głównie z wodoru - synteza jądrowa wodoru do helu (temperatura > 10 000 000 K) jest głównym źródłem energii gwiazd. Wodór występuje również w obłokach międzygwiezdnych.
Na Ziemi śladowe ilości wolnego wodoru ( \( H_2 \)) są obecne w powietrzu (5x \( 10^{-5} \) \( \% \) obj.). W pobliżu powierzchni ziemi wodór stanowi 0,9 \( \% \) obj. w górnych warstwach atmosfery i gazie wulkanicznym. Wodór w stanie związanym stanowi 0,87 \( \% \) masowych (15,4 \( \% \) atomowych) wszystkich pierwiastków. Związany z tlenem (w wodzie) stanowi 11,25 \( \% \) masy Ziemi. Wodór w postaci węglowodorów i ich pochodnych występuje w paliwach kopalnych, takich jak węgiel i ropa.

W skali laboratoryjnej wodór otrzymuje się:

• w reakcji wody z aktywnymi metalami (o ujemnym potencjale normalnym):

• w procesie elektrolizy:

• w reakcjach metali z kwasami:

Informacja dodatkowa 1: Izotopy wodoru

Wodór posiada trzy izotopy: prot, deuter i tryt ( Rys. 2 ). Prot składa się z jednego protonu i jednego elektronu. Deuter zawiera w swoim jądrze jeden proton i jeden neutron. Deuter stanowi 0,016 \( \% \) wodoru naturalnego. Tryt jest najcięższym izotopem ze względu na dwa neutrony w jądrze. Prot i deuter są trwałe, podczas gdy okres półtrwania niestabilnego trytu wynosi 12,32 lat. Deuter nie jest radioaktywny, ani toksyczny. Może zastępować wodór we wszystkich związkach.

Rysunek 2: Izotopy wodoru. Wykorzystano grafikę aut. Dirk Hünniger, Hydrogen Deuterium Tritium Nuclei Schematic.svg, licencja CC BY-SA 3.0, źródło: Wikimedia Commons.

Właściwości fizyczne

W Tabela 1 podano najważniejsze dane dotyczące wodoru.

Pierwiastkowy wodór jest bezbarwnym gazem bez zapachu i smaku, słabo rozpuszczalnym w wodzie, ponad 14 razy lżejszym od powietrza. Rozpuszcza się w metalach: palladzie, platynie, niklu, żelazie, powoduje korozję wodorową (pękanie wodorowe). Został skroplony po raz pierwszy w 1883 roku przez profesorów Uniwersytetu Jagiellońskiego: chemika Karola Olszewskiego i fizyka Zygmunta Wróblewskiego.

Właściwości chemiczne

W temperaturze pokojowej wodór jest niezbyt aktywny, jego potencjał normalny \( E_0 \) = 0 V. Jako potencjał normalny przyjmuje się potencjał, jaki wykazuje pierwiastek będący w równowadze z jonami własnymi o aktywności równej 1, w warunkach normalnych T = 273K, p = 101 325 Pa. Spala się w tlenie (w temperaturze powyżej 720 K wybuchowo).
W podwyższonych temperaturach jest silnym reduktorem:

Wodór jednoatomowy „in statu nascendi” (łac. w chwili tworzenia) charakteryzuje się czasem półtrwania 0,3-0,5s i jest bardzo aktywny chemicznie.

Najważniejsze związki

Najważniejszym związkiem wodoru jest tlenek wodoru \( H_2O \), czyli woda (nazwa systematyczna wg IUPAC – oksydan). Cząsteczka wody zawiera jeden atom tlenu i dwa atomy wodoru połączone wiązaniami kowalencyjnymi. Jest to w warunkach standardowych przezroczysta, pozbawiona smaku i zapachu ciecz, w stanie stałym występuje jako lód i śnieg, w stanie gazowym - para wodna. Jest doskonałym rozpuszczalnikiem o właściwościach polarnych. Jest niezbędna do przetrwania dla wszystkich znanych form życia na Ziemi. Występuje w oceanach, które pokrywają 70,8 \( \% \) powierzchni globu, w rzekach, jeziorach, lodowcach, atmosferze (chmury, para wodna). Niektóre związki chemiczne zawierają cząsteczki wody w swojej budowie (hydraty). Zawartość wody w postaci związanej w strukturze minerałów w płaszczu Ziemi może przekraczać łączną zawartość wody w oceanach nawet dziesięciokrotnie.

Woda wzbogacona w cząsteczki zawierające deuter zamiast protu ( \( D_2O \) lub \( HDO \)) nazywana jest ciężką wodą. Właściwości chemiczne ciężkiej wody są prawie takie same, jak zwykłej wody. Jest stosowana jako moderator w reaktorach jądrowych, ponieważ ma zdolność spowalniania szybkich neutronów. W normalnej wodzie występuje naturalnie ok. 115 ppm (part per million - 1 cząsteczka na milion) tlenku deuteru. Można go uzyskać poprzez wielokrotne odwirowywanie lub w procesie elektrolizy, podczas której prot, jako lżejszy i poruszający się szybciej od deuteru, wydziela się jako pierwszy na katodzie. Średnio ze 100 tys. litrów wody można otrzymać około 1 litra ciężkiej wody.

Wodór w związkach nieorganicznych występuje w:

Kwasach \( H_nR \) beztlenowych i tlenowych

Przykłady kwasów beztlenowych: \( HF, HCN, H_2S \).

Przykłady kwasów tlenowych: \( HNO_2, H_2SO_4, H_3PO_4, H_2CO_3 \).

Wodorotlenkach \( Me(OH)_n \) .

Przykłady wodorotlenków \( KOH, Ca(OH)_2, Al(OH)_3, Ti(OH)_4 \).

Wodorkach – wodorki w zależności od tego, z jakim pierwiastkiem łączy się wodór, możemy podzielić na wodorki typu soli, kowalencyjne i międzywęzłowe.

Wodorki typu soli – to związki tworzące sieci jonowe, powstają w wyniku reakcji wodoru z litowcami i berylowcami (prócz berylu i magnezu) w podwyższonej temperaturze.

Przykłady wodorków typu soli : \( LiH, NaH, KH, CaH_2,SrH_2 \). W reakcji z wodą wydzielają wodór gazowy.

Wodorki kowalencyjne – produkty syntezy wodoru z niemetalami, wodorki kowalencyjne mogą mieć różny charakter.

Przykłady wodorków kowalencyjnych: \( H_2O, H_2S, HF, HCl, CH_4, SiH_4, NH_3, PH_3 \).

Wodorki metaliczne (międzywęzłowe) – produkty syntezy wodoru z metalami bloków d i f, ciała stałe składające się z sieci krystalicznej z wbudowanymi w przestrzenie międzywęzłowe atomami wodoru. Połączenia te są niestechiometryczne.

Przykłady wodorków metalicznych: \( PdH_{0,6}, TiH_{1,73}, ZrH_{1,92} \).