Osobine vodonika

Spektralne linije vodonika

    Vodonik (H, Hydrogenium-stvaralac vode) prvi je i najlakši hemijski element (toliko lagan da ga ne drži Zemljina gravitacija, tako da vodonikovog gasa u atmosferi skoro da i nema). Pri standardnim uslovima pritiska i temperature vodonik je dvoatomski gas bez boje, mirisa i ukusa. Nije otrovan, i znatno je lakši od vazduha. Većina vodonikovih atoma nema neutron. Na sobnoj temperaturi nije posebno reaktivan, dok pri višim temperaturama ulazi u reakcije. Prirodni vodonik se sastoji od običnog vodonika (protijum >99,98%), dok ostatak čini teški vodonik (deuterijum, skoro >0,02%) sa tragovima super teškog vodonika (tricijuma).Najčešći izotop vodonika je protij, koji ima 1 proton, 0 neutrona i 1 elektron. Ovo čini vodonik jedinim elementom koji može imati atome bez ikakvih neutrona. Deuterijum ima 1 proton, 1 neutron i 1 elektron. Iako je ovaj izotop teži od protijuma, deuterijum nije radioaktivan. Međutim, tricijum emituje zračenje. Tricijum je izotop sa 1 protonom, 2 neutrona i 1 elektronom. Izotop vodonika tricijum imam vreme poluraspada od 12,5 godina. Vodonik sačinjava 75% mase svemira, te je ishodišna materija iz koje su nuklearnom fuzijom nastali ostali elementi. Industrijski se najviše dobija iz zemnog gasa, a ređe elektrolizom vode. Jedna od osobenosti vodonika koja ga čini različitim je da dolazi u dva molekularna oblika, ortovodonik i paravodonik. Kod ortovodonika dva protonska spina su paralelna, kod paravodonika dva protonska spina su antiparalelni. Pravi se razlika te dve forme vodonika u relativnim spinovima čestica koje prave vodonikov molekul. Vodonikov molekul se sastoji iz dva protona i dva elektrona. Ta dva protona poseduju spin, što daje ugaoni moment jezgru. Kombinacija te dve forme pri ambijentalnoj temperaturi se zove normalni vodonik, koji je 75% ortovodonik i 25% paravodonik, gledano po zapremini.

Dva atoma deuterijuma mogu da se kombinuju pri čemu prave molekul deuterijuma (D(2)) koji se ponekad zove teški vodonik. Kao što je slučaj kod lakog vodonika, nuklearni spinovi atoma u molekulu deuterijuma mogu napraviti različite prostorne orjentacije jedan prema drugom, mada je orjentacija malo komplikovanija.
Ravnoteža orto-para je temperaturno zavisna, kao i u slučaju vodonika, jezgro atoma deuterijuma se sastoji od jednog protona i jednog neutrona, u visoko temperaturnoj mešavini normalnog deuterijuma on je dve trećine ortodeuterijum a jedna trećina paradeuterijum. U slučaju deuterijuma, paradeuterijum se konvertuje u ortodeuterijum kako temperatura pada, za razliku od normalnog vodonika, kod koga se ortovodonik konvertuje u paravodonik kako temperatura pada.
Većina fizičkih svojstava vodonika i deuterijuma kao što su pritisak gasa, gustina tečnosti, trojna tačka pritiska i temperature, itd. blago zavise od orto para kompozicije, tranzicija između te dve forme donosi značajne energetske promene.

Nažalost, nekatalizovano pretvaranje ortovodonika u paravodonik je relativno sporo, što dovodi do brige i važnog razmatranja kod likvifikacije i skladištenja vodonika, koje ne postoji kod drugih gasova. Kao što je napomenuto ravnotežna koncentracija vodonika pri sobnoj temperaturi se sastoji od 75% ortovodonika i 25% paravodonika, na 20,39K ravnotežna koncentracija je 99,789% paravodonika. Ako je početna ravnotežna koncentracija na sobnoj temperaturi, a onda krene likvifikacija gasa, tečni ortovodonik će se sporo pretvoriti u paravodonik. Pošto je paravodonik sa nižom energijom, toplota se oslobađa u procesu konverzije. To je dovoljno da dovede do isparivanja skoro 70% vodonika koji je bio likvifikovan. Proces likvifikacije, zato u sebi sadrži katalizator kroz koji novi likvifikovani vodonik mora proći. To dovodi da se konverzija dogodi u likvifikatoru, sa odgovarajućim odvođenjem toplote prilikom procesa likvifikacije. Ako orto para katalizator nije primenjen i dalje je moguće dobiti tečni normalni vodonik. Ali će se konverzija neminovno desiti u skladišnom cilindru tečnog vodonika, toplota konverzije će sigurno postojati da izazove isparenje, čak i kod odlično izolovanih rezervoara. 

Simbol: H

Atomski broj: 1

Atomska masa: 1,008 (konvencionalna)

Temperatura ključanja: 20,268K (-239,9°C)