Na običnoj temperaturi vodonik je gas bez boje mirisa i ukusa.... Ovakva rečenica može da se nađe u bilo kom udžbeniku iz neorganske hemije. Pominju se i druge fizičke ili hemijske osobine vodonika ali nigde ne možete naći da je to najstariji element u Vasioni, toliko star što već počinje da miriše na usatjalost...

I zaista kada (i kako) su nastali hemijski elementi u Vasioni? Da li su postojali oduvek? Stvaraju li se i danas?

Danas najprihvatljivija teorija o nastanku univerzuma je Big Bang. Suština ove teorije da je Vasiona nastala u jednoj kolosalnoj eksploziji, a kao posledica toga je što se Vasiona od samog svog početka širi. Dokaz tog širenja Vasione je pomeranje spektralnih linija u spektralnim linijama galaksija (tzv. crveni pomak), a dokaz za samu eksploziju je pozadinsko (reliktno) mikrotalasno zračenje, koje dolazi iz svih pravaca Vasione i predstavlja ostatak toplote koja se oslobodila u toj kolosalnoj eksploziji. Međutim najčvršći dokaz teorije Big Bang-a je zastupljenost hemijskih elemenata u Vasioni.

Zamislimo da postoji film od momenta stvaranja Vasione koji je sniman tako da imamo po jednu sekundu svakih dva miliona godina, film bi trajao oko 2 časa. Ako sada pustimo taj film da ide unazad videli bi smo kako se galaksije približavaju jedna drugoj. Verovatno bi gledaoci ovog filma (koji bi bio dosta dosadan malo više od sat vremena) sa nestrpljenjem čekali momenat kada će se galaksije spektakularno sudariti. Ali, da li bi se baš to desilo?

Može li od skršenog stakla spontano da se stvori čaša? Može, ali samo u filmu koji teče u obrnutom pravcu. Tako i na našem filmu koji ide unazad logično bi bilo da usled smanjenja dimenzije cele Vasione da će se galaksije toliko približiti da će doći do njihovog sudara i uništenja. Međutim gledajući film dešava se nešto sasvim drugačije. Galaksije počinju da iščezavaju sa filma. To znači da galaksije nisu stvorene na samom početku Vasione već dosta vremena posle toga otkako se stvorila prva pramaterija. A sada malo više o njoj jer nas ona i interesuje zato što u toj materiji najveći deo od svih postojećih atoma je atom vodonika.

Ako pomnožimo broj svih galaksija i svih zvezda u njima sa masom Sunca (koju ćemo uzeti kao jedinicu) dobićemo masu vasione koja iznosi 10⁵³ kg. Da bi se izbacila ovolika količina mase u vasioni eksplozija je morala biti neizmerno velika. Takvu eksploziju nije mogla da izazove nikakva hemijska reakcija niti nuklearna eksplozija. Ali vratimo se mi broju 10⁵³ kg. Kao što galaksije nisu mogle da se spakuju u mali prostor a da i dalje ostanu galaksije tako ni ukupna barionska materija (protoni i neutroni) u vasioni nije mogla da se spakuje u proizvoljno mali prostor a i dalje da ostane to što jeste. Na sreću poznata Ajnštajnova relacija između mase i energije E=mc², nam pokazuje da masa cele Vasione u samim njenim počecima nije postojala kao masa već kao energija koja tek kasnije poprima poznati materijalni oblik.

Prema standardnom kosmološkom modelu (Big Bang) u prvim trenucima postojanja vasione (tačnije po isteku 10^-35 s) temperatura je iznosila 10²⁷ K, a gustina 10⁸⁸  g/cm3. U ovakvim uslovima, Vasiona je predstavljala plazmu od čestica i antičetica, neutrina (n) i visokoenergetskog elektromagnetskog (gama, g) zračenja. U plazmi je postoja ravnoteža između čestica i antičestica i viskoenergetskog elektromagnetnog zračenja. Elektromagnetni kvanti visoke energije stvarali su parove čestica i antičestica, na primer:

GAMA+GAMA <=> proton + antiproton

Ovakva reakcija je mogla da se odvija sve dok temperatura vasione nije pala do 10¹³ K. Tada energija GAMA kvanta više nije bila dovoljna za stvaranje novih parova proton-antiproton. Protoni stvoreni u prethodnoj fazi bi morali da se anihiliraju sa antiprotonima ali činjenica je da je danas vasiona izgrađena od materije. Pretpostavlja se da u vasioni postoji oko 10⁷⁸ bariona. Da li su ove čestice samo deo prvobitno stvorenih bariona i kako došlo do polarizacije materije nije predmet naše priče o vodoniku. Možda negde postoji i cela galaksija stvorena od antimaterije ali je to teško eksperimentalno utvrditi jer foton koji bi do nas pristigao od nje za nas po ničemu ne bi se razlikovao od fotona iz galaksije sastavljena od materije.

Bilo kako bilo po opadanje temperature vasione na podnošljivih stotinu milijardi Kelvina, vasiona je osvanula sa slobodnim protonima, neutronima, elektronima, neutrinima i elektomagnetnim zračenjem. Nikakva jezgra teža od jezgra vodonika nisu postojala u tim momentima. Kasnijim opadanjem temperature stvoren je i helijum (He) koji je u Vasioni zastupljen sa nekih 12%, a vodonik (H) sa 76%. Ovi rezultati dobijeni prema kosmološkom modelu u potpunosti su u saglasnosti sa merenjima koja su vršena i sa dobijenim rezultatima.

Vodonik gas bez boje i mirisa...

Slika 1

I tako je vodonik egzistirao u vasioni niz milijardi godina sve dok na planeti Zemlji (nije potvrđeno za ostale planete) 1776. godine (AD) ser Henri Kevendiš (1731-1810), nije ustanovio da je vodonik zaseban elemenat. Ime mu daje Lavoazje (1743-1794) sa grčkim korenom (hydro-genes; vodu stvara). Slobodan je vrlo raširen u prirodi (na primer vodonik se u kosmosu nalazi u atomarnom stanju) ali se u malim količinama nalazi u atmosferi zemnom gasu itd. Vezan u sastavu nekih jedinjenja nalazi se u vodi, svih kiselina i baza i ugljovodonika i organskih jedinjenja. Na Zemlji je po težini deveti po rasprostranjenosti, a po broju atoma drugi. Slobodni vodonik je gas bez boje mirisa i ukusa. Vodonik je po mnogo čemu privilegovan element pa i po tome što samo on ima posebna imena za svoja dva izotopa (element sa različitim brojem neutrona u jezgru). Deuterijum sa jednim protonom i jednim neutronom i tricijum sa jednim protonom i dva neutrona. Vodonik na Zemlji, a time i voda nalazi se kao smesa sa vrlo malim udelom deuterijuma (0,015%). Radioktivni izotop tricijum ima vreme polu raspada 12,26 godina i raspada se bez gama zračenja. Tricijum se proizvodi nuklearnim ozračivanjem deuterijuma u nuklearnim rektorima. Koristi se kao fuzjisko punjenje hidrogenske bombe i na njemu se radi kao glavnom sastojku u budućim fuzionim reaktorima. Atom vodonika (Procijum) u jezgru sadrži jedan proton oko kog kruži jedan elektron. (slika 1)

Zbog svoje jednostavne građe na njemu može da se proveri teorija atomske građe. Teorijski je predviđeno, a eksperimentalno je potvrđeno postojanje dve modifikacije vodonika koje se razlikuju po ukupnom molekularnom spinu vodonika, pa time imaju i različite spektre zračenja. Orto vodonik ima paralelne spinove, a para vodonik ima anti paralelne spinove. I orto i para modifikacija se nalaze u prirodnom vodoniku u razmeri 3:1. Temperatura topljenja i ključanja orto vodonika je viša za 0,1°C od para modifikacije.

Slika 2

Na sobnoj temperaturi vodonik je zagušljiv ali neotrovan gas bez boje i mirisa koji se hlađenjem na temperaturi ispod -252,8°C pretvara u tečnost. Na -259,3°C tečni vodonik se kristalizuje u heksigonalnoj kristalnoj strukturi (slika 2). Prema elektronskoj konfiguraciji u periodnom sistemu (1s1) može se svrstati u prvoj grupi alkalnih elemenata (jedan elektron u s orbitali), a može i u sedmoj, halogenoj grupi (jedan elektron fali da se dopuni stabilna elektronska konfiguracija najbližeg plemenitog gasa, u ovom slučaju helijuma (He 1s2).

U slobodnom stanju na Zemlji se nalazi kao dvoatomni molekul koji ne može disocirati ni pod najvećim pritiskom postignutim u laboratoriji. Gasoviti vodonik je najlakši od svih poznatih gasova i zato je korišćen kao gas za punjenje letelica (dirižabla), a tečni vodonik je najlakša poznata tečnost.

Jedinjenja vodonika

U jedinjenjima ima sledeće oksidacione brojeve (-1 i +1). Glavne grupe jedinjenja koje gradi vodonik su:

- Hidridi koji se dele u dve grupe: aklalni hidridi koji se grade sa alkalnim i zemnoalkalnim metalima (NaH i CaH2) i kovalentni hidridi koji se grade sa nemetalima i elementima iz prelazne grupe.

- Halogenovodonici. To su jedinjenja vodonika sa elementima sedme grupe (halogeni elementi). Na primer HCl-hlorovodonik; HJ-jodovodonik itd. Rastvaranjem ovih jedinjenja dobijaju se odgovarajuće halogenovodonične kiseline.

- Ugljovodonici (hidrokarbonati) su najrasprostranjenija grupa jedinjenja i cela oblast u hemiji koja izučava ovu grupu jedinjanja zove se organska hemija koja je toliko obimna da bilo šta reci o njoj ukratko je nemoguće. Tamo gde ima života kakvog mi znamo mora postojati ugljovodonična jedinjenja.

Voda, H2O

- Voda H2O je jedno od najvažnijih jedinjenja a za život posebno.

- Teška voda D2O analogna običnoj vodi gde je vodonik zamenjen deuterijumom. Gustina joj je veća za 12,5% od obične vode. Koristi se kao usporivač neutrona u nuklearnim reaktorima koji se ujedno i hlade teškom vodom.

Dobijanje vodonika

Za dobijanje vodonika koriste se njegova jedinjenja. U laboratoriji se koristi rastvaranje nekog metala (pr Cink, Zn) u nekoj jakoj kiselini (HCl ili H2SO4). U industriji vodonik se dobija: elektolizom vode, redukcijom vodene pare sa ugljenikom ili sa užarenim gvožđem ili elektrolizom vodenog rastvora NaCl. Voda je slab elektolit pa se zato pri elektrolizi dodaju rastvori alkannih hidroksida. Pritom se na katodi izdvaja vodonik, a na anodi kiseonik.

Katoda: 4H2O + 4e- -> 2H2(g) + 4OH-

Anoda: 4OH- -> O2(g) + 2H2O + 4e-

Ukupna reakcija: 2H2O -> 2H2(g) + O2(g).

Provođenjem vodene pare kroz užareni koks (ugljenik, C) na temperaturi od 1000°C do 1400°C dobija se smesa vodonika i ugljen-II-oksida (poznatijeg kao ugljen monoksid) koji se zove vodeni gas: H2O(g) + C -> H2(g) + CO(g). Da bi se vodonik odvojio od dobijene smeše, vodeni gas se meša sa vodenom parom i provodi kroz katalizator (obično neki oksid gvožđa) na temperaturi od 450°C. H2O(g) + CO(g) -> H2(g) + CO2(g). Nastali CO2 se rastvara u vodi pod pritiskom ili se apsorbira nekom od baza.

Biološki podaci

Biološka uloga: Vodonik je sastavni deo DNA i ostalih organskih molekula. Jednako je važan radi toga što je sastavni deo molekula vode koja je osnova života od ćelije pa na više. Svaki oblik života na Zemlji ovisi direktno o vodi. Bez nje život verovatno ne bi bio moguć.

Toksičnost: Vodonik nije toksičan, ali je zagušljiv.

Opasnosti: Iako nije otrovan, ako se udiše može se zameniti s kiseonikom u plućima i tako prouzrokovati nesvest i smrt. Vrlo je zapaljiv i eksplozivan ako je pomešan sa vazduhom (stvara vodonikov praskavac - H2/O2 2:1).

Količina u čoveku

Krv/mg dm-3: sastavni deo vode

Kosti/ppm*: 52 000

Jetra/ppm: 93 000

Mišići/ppm: 1297

Dnevno potrebna količina: uglavnom kao voda

Ukupna masa elementa u 70 kg teškoj (prosječnoj) osobi: 7 kg

  *ppm - part per milon  

Neki hemiski podaci

Elektronski afinitet (M -> M-)/kJ mol^-1: 72,8

Radijus / pm

Ionski: H+ 0,00066; H- 154

Atomski: 68

Kovalentni: 30

van der Waals: 120

Elektronegativnost

Pauling: 2,20

Allred: 2,20

Apsolutna: 7,18 eV

Oksidacijska stanja

Atom ljuska u jedinjenjima

H-1 [He] NaH, CaH, itd.

H0 s1 H2

H1 s0 H2O, H3O+, itd, OH-, HF, HCl, itd, druge kiseline, NH3, CH4 itd.

Minerali i proizvodnja

Minerali: Minerala vodonika nema, ali se nalazi u mnogim drugima kao sastavni deo.

Izvori: Vodonik se najčešće proizvodi iz prirodnog gasa metana: CH4+2H2O->3H2+CO. Nešto se proizvodi i elektrolizom slane vode. Dobiva se i puštanjem vruće pare preko užarenog koksa. Kao rezultat se dobija H2 i CO.

Svetska proizvodnja/m3 godina: 350 x 109

Rezerve: Gotovo beskonačne.

Pakiranje (uobičajeno): Maleni kontejneri pod pritiskom.

Količine: Vodonik je najrasprostranjeniji element u svemiru, budući da je najlakši element (red. br. 1). Sagara ga gotovo svaka zvezda. 75% onoga što vidite kada pogledate u nebo je vodonik.

Deca zvezda

Vodonik kao najprostiji element i kao najstariji u kosmosu je osnovna jedinica za gradnju težih elemenata. Taj proces se vrši u jezgrama zvezda gde se vrši nukleo sinteza lakših jezgara u teže. Pod jakim pritiskom (milioni atmosfera) i velikoj temperaturi 4 vodonikova jezgra (protoni) se fuziraju u jedno helijumovo jezgro. U zavisnosti od početne mase zvezde ovaj proces moče da se nastavi sve do sinteze gvožđa (Fe) u jezgru i tu je kraj nukleosintete u jezgrima zveda. Tada dolazi do gravitacionog kolapsa jezgra gde od jezgra nastaju neutronske zvezde ili crne jame (poznatije kao crne rupe). Spoljašnji slojevi zvede u jednoj od najveličenstvenijih eksplozija u svemiru poznate kao supernova se odbacuju u svemir i pri toj eksploziji nastaju svi poznati prirodni elementi. Svaki atom našeg tela ma koji on bio je stvoren u jezgrima zvezda ili u eksploziji supernove. Zato možemo reći da smo svi mi na neki način deca zvezda.