Wodór (H, ) – pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 1, niemetal z bloku s układu okresowego. Wodór jest najczęściej występującym pierwiastkiem chemicznym we Wszechświecie i jednym z najczęściej spotykanych pierwiastków na Ziemi. Ma najmniejszą masę atomową, wynoszącą 1,00794 u. Najczęściej występującym izotopem wodoru jest prot (), którego atom ma najprostszą możliwą budowę – składa się z jednego protonu i jednego elektronu.
Wodór w formie atomowej powstał w . W warunkach standardowych, wodór gazowy występuje w formie cząsteczkowej , jako bezbarwny, bezwonny, bezsmakowy, nietoksyczny, łatwopalny gaz. W wysokich temperaturach możliwe jest jego uzyskanie w formie atomowej H. Ponieważ łatwo tworzy związki chemiczne z większością niemetali, na Ziemi występuje głównie w postaci wody lub związków organicznych. Wodór odgrywa istotną rolę w reakcjach kwasowo-zasadowych, ponieważ większość tego typu reakcji wiąże się z wymianą protonów między rozpuszczalnymi cząsteczkami. W związkach jonowych wodór może mieć ładunek ujemny (anion ) lub dodatni (kation ).
Ponieważ wodór jest jedynym neutralnym atomem, dla którego równanie Schrödingera można rozwiązać analitycznie, badania energetyki i wiązań wodoru odegrały kluczową rolę w rozwoju mechaniki kwantowej.
Wodór po raz pierwszy otrzymano sztucznie na początku XVI wieku w reakcji metalu z kwasem. W latach 1766–1781 Henry Cavendish stwierdził, że wodór jest oddzielną substancją chemiczną, po spaleniu której powstaje woda. Ta właściwość zadecydowała o nazwie – w języku greckim υδρογόνο (ydrogóno) oznacza „tworzący wodę”.
Produkcja przemysłowa wodoru odbywa się głównie metodą reformingu parowego gazu ziemnego, rzadziej zaś przy użyciu bardziej energochłonnych metod, takich jak elektroliza wody. Zdecydowana większość otrzymanej w ten sposób substancji spożytkowywana jest w okolicach miejsca produkcji. Największe obszary zastosowań tak otrzymanego wodoru to przetwarzanie paliw kopalnych (np. hydrokraking) i produkcja amoniaku, głównie do zastosowania na rynku nawozowym.
Pochodzenie i występowanie thumb|left|NGC 604 – olbrzymi obszar H II w Galaktyce Trójkąta thumb|left|Gnejs amfibolowy, Dolny Śląsk Stanowiąc około 75% (masowo) całości materii, wodór jest najpowszechniej występującym pierwiastkiem we Wszechświecie. Według teorii Wielkiego Wybuchu wodór powstał w bardzo wczesnym etapie rozwoju Wszechświata (wówczas powstała także większość jąder helu oraz część istniejących obecnie jąder litu i berylu). Początkowo Wszechświat wypełniało promieniowanie i cząstki o bardzo wysokiej energii (w tym z fotony, elektrony, protony, neutrony, neutrina oraz ich antycząstki). W miarę wychładzania się materii, w czasie około stu sekund od początku Wielkiego Wybuchu, temperatura spadła do miliarda stopni. W takiej temperaturze energia cząstek była zbyt mała, aby pokonać siłę międzyatomowego oddziaływania silnego, skutkiem czego doszło do łączenia się protonów i neutronów w jądra deuteru i helu (oraz w małych ilościach litu i berylu). Większość protonów pozostała niepołączona, tworząc później atomy głównego izotopu wodoru.
W dużych ilościach wodór występuje w gwiazdach (w tym w Słońcu), materii międzygwiazdowej oraz w przestrzeni międzyplanetarnej. Chmury wodorowe (mgławice wodoru cząsteczkowego , zwane obszarami H II) są miejscem narodzin nowych gwiazd.
Występowanie na Ziemi Jest 9. pierwiastkiem pod względem rozpowszechnienia w skorupie ziemskiej, stanowiąc 0,88% jej masy. W stanie wolnym spotykany jest w niektórych gazach wulkanicznych (do ok. 30% v/v) i jako składnik gazu ziemnego (od ilości śladowych do 40% v/v). Jego niewielkie ilości można spotkać w niektórych skałach, minerałach i meteorytach. W powietrzu występuje w stężeniu do 0,5 ppm w górnych warstwach atmosfery (jego zawartość rośnie wraz z wysokością, gdyż powstaje w wyniku fotolizy wody).
W postaci związanej jest spotykany powszechnie na całej Ziemi, jako składnik wody i materii organicznej, zarówno żywej, jak i martwej, np. w złożach paliw kopalnych (gaz ziemny, ropa naftowa, węgle kopalne).
Historia i etymologia mały|Antoine Lavoisier mały|Aparat Lavoisiera do badania flogistonu (ilustracja pochodzi z Traité élémentaire de chimie) mały|Jędrzej Śniadecki Pierwsze obserwacje wodoru przypisuje się szwajcarskiemu alchemikowi Paracelsusowi. Wykonywał on eksperymenty polegające na wrzucaniu metali do kwasów i zbieraniu do naczyń gazowych produktów tych reakcji. W swoim dziele Archidoxa odnotował on, że powietrze powstałe w wyniku połączenia żelaza i rozcieńczonego kwasu solnego „unosi się i wybucha jak wiatr” (). Niejednoznaczność opisu sprawia, że nie jest jasne, czy gazem, który zaobserwował, był rzeczywiście wodór czy powstające pęcherzyki powietrza. Reakcja metali z kwasami wciąż stanowi najprostszy sposób otrzymywania wodoru w warunkach laboratoryjnych.
W XVII wieku eksperymenty Paracelsusa powtórzył Théodore Turquet de Mayerne, który zauważył, że gaz powstały w reakcji żelaza z kwasem solnym jest łatwopalny.
W 1671 roku Robert Boyle opublikował (Nowe eksperymenty dotyczące związku pomiędzy płomieniem a powietrzem), w którym opisał wybuchową naturę mieszanki wodoru z powietrzem, powstałej w wyniku reakcji opiłków żelaza z kwasami, nazywając ją („łatwopalnym roztworem Marsa”).
Pierwszą osobą, która uznała wodór za odrębną substancję (flogiston) był Henry Cavendish. W 1766 r. zamieścił on w swoich notatkach wyniki i wnioski z badań. Substancja ta została uznana za pierwiastek dzięki badaniom Antoine’a Lavoisiera nad otrzymywaniem wody z wodoru i tlenu w 1783 r. Lavoisier nadał wodorowi nazwę hydrogenium oznaczającą „rodzący wodę”. Nazwa pochodzi z greckiego i jest połączeniem dwóch wyrazów ὕδωρ (hydōr) – „woda” oraz -γενής (genes) – „tworzący, rodzący”. Nazwa ta rozpowszechniła się w Europie i jej pochodne są używane w wielu językach. Przykładem jest angielskie słowo „hydrogen” lub francuskie „Hydrogène”.
Lavoisier prowadził badania nad zachowaniem masy. Odparowując i skraplając wodę w układzie zamkniętym, próbował udowodnić, że masa wody pozostaje stała. Po skropleniu okazywało się jednak, że masa była mniejsza. Powodem była reakcja wody z żelazem (z którego wykonany był aparat) w wysokiej temperaturze, w wyniku której powstawał wodór:
Lavoisier obalił teorię flogistonu i udowadnił, że woda jest produktem spalania wodoru. Popularyzatorami teorii Lavoisiera na ziemiach polskich byli przede wszystkim bracia Jan i Jędrzej Śniadeccy. Jan zetknął się z teoriami Lavoisiera w 1780 roku w Paryżu. Jędrzej w 1800 roku wydał podręcznik do chemii, w którym po raz pierwszy użył nazwy „wodoród”, zastępując nią łacińską nazwę „hydrogenium”.
Z biegiem czasu została skrócona do nazwy wodór, którą zaproponował Filip Walter, co zatwierdziła krakowska Akademia Umiejętności na posiedzeniu w 1900 roku. W oparciu o sprawozdanie z tego posiedzenia redakcja „Chemika Polskiego” opublikowała w 1902 roku Słowniczek Chemiczny, w którym podała nazwę „wodór”.
Odkrycie Lavoisiera spowodowało, że różne ośrodki naukowe zajęły się badaniem właściwości wodoru. W Polsce badaniem wodoru zajmowali się m.in. Zygmunt Wróblewski i Karol Olszewski z Uniwersytetu Jagiellońskiego. W 1884 roku przeprowadzili oni nieudaną próbę skroplenia wodoru (udało im się uzyskać jedynie mgłę). Pod koniec życia Zygmunt Wróblewski przeprowadził eksperymenty, wyznaczając w 1885 roku stałe krytyczne wodoru. Potwierdził je eksperymentalnie Karol Olszewski w 1906 roku. mały|Pomiar widma emisyjnego wodoru i helu W 1898 roku szkocki chemik James Dewar skroplił wodór, wykorzystując skonstruowaną przez siebie kolbę próżniową. Rok później udało mu się uzyskać wodór w postaci stałej. Deuter został odkryty przez Harolda Ureya w 1931 roku, a trzy lata później, w 1934 roku, Ernest Rutherford, Mark Oliphant i odkryli tryt.
Zastosowanie Przemysł chemiczny Wodór znajduje szerokie zastosowanie w przemyśle chemicznym oraz petrochemicznym. Wykorzystywany jest głównie w procesach redukcji i uwodornienia. Przykładami procesów, w których stosowany jest wodór są: synteza amoniaku, który następnie wykorzystywany jest w produkcji nawozów sztucznych (na bazie azotanu amonu lub mocznika). Synteza przebiega według ogólnej reakcji: hydrorafinacja – katalityczny proces chemiczny stosowany w przemyśle rafineryjnym w celu obniżenia zawartości związków siarki, azotu i tlenu oraz wysycenia wiązań podwójnych w produktach i półproduktach przeróbki ropy naftowej oraz jej pozostałościach destylacyjnych, a także w przemyśle koksochemicznym. hydrokraking – grupa procesów technologicznych stosowanych w celu przerobu ciężkich frakcji ropy naftowej na benzynę i oleje. reforming – proces katalitycznego przetwarzania wstępnie hydrorafinowanych frakcji benzynowych i lekkich frakcji naftowych w obecności wodoru w celu podwyższenia ich liczby oktanowej. synteza metanolu – proces, w którym cząsteczki wodoru reagują z cząsteczkami tlenku węgla, dając metanol. Ponieważ pośród reagentów występuje również dwutlenek węgla, konieczny do podtrzymania aktywności katalizatora, zachodzące reakcje można zapisać: uwodornienie benzenu do cykloheksanu, który jest wykorzystywany w produkcji nylonu. – proces OXO, służący do przemysłowego otrzymywania aldehydów w wyniku reakcji alkenów z gazem syntezowym. Otrzymane aldehydy są w kolejnym etapie najczęściej przetwarzane do alkoholi. produkcja aniliny poprzez uwodornienie nitrobenzenu (w obecności katalizatora, np. ):
Przemysł spożywczy Wodór znajduje się na liście substancji dopuszczonych do stosowania w przemyśle spożywczym i jest oznaczony symbolem E-949.. Zgodnie z europejskimi dyrektywami 2010/67/UE z dnia 20 października 2010 r. oraz 2008/84/WE z dnia 27 sierpnia 2008 r., określającymi czystość substancji chemicznych stosowanych w przemyśle spożywczym, wodór nie może zawierać więcej niż 0,005% obj. wody, 0,001% obj. tlenu oraz 0,07% obj. azotu.
Głównym zastosowaniem wodoru w przemyśle spożywczym jest proces utwardzania (uwodornienia) wielonienasyconych tłuszczów roślinnych, w wyniku którego powstaje margaryna. W procesie tym podwójne i potrójne wiązania zostają rozerwane, a wolne wiązania przyłączają pojedyncze atomy wodorowe.
Przykładami takich procesów są np. metoda Normanna lub metoda Wilbuszewicza. Polegają one na traktowaniu płynnego oleju wodorem w obecności katalizatora (którymi są najczęściej nikiel, platyna, miedź lub pallad). Prowadzi to do przyłączenia atomów wodoru do wiązań podwójnych i potrójnych, dając w rezultacie stałe oleje nasycone (np. margarynę).
Wodoru używa się również do syntezy sorbitolu – substancji słodzącej o symbolu E420:
Przemysł metalurgiczny W przemyśle metalurgicznym wodór używany jest do redukcji rudy żelaza w mieszaninie z tlenkiem węgla, który jest źródłem węgla potrzebnym do produkcji stali z surowego żelaza. Przykładami reakcji redukcji rud żelaza są:
Aeronautyka mały|Lot Jacques’a Charles’a i Nicolasa-Luisa Roberta Pierwszy balon wypełniony wodorem został skonstruowany w 1783 roku przez francuskiego konstruktora Jacques’a Charles’a. Pierwszy lot odbył się 26 lub 27 sierpnia 1783 roku. Balon miał objętość około 35 metrów sześciennych i udźwig mniej więcej 9 kg. Wodór był wytwarzany w dużej beczce, w której umieszczono 540 kg żelaznego złomu i poddano reakcji z 270 kg kwasu siarkowego – w takiej skali wodór został otrzymany po raz pierwszy, wcześniej otrzymywano tylko niewielkie jego ilości. Wytworzony gaz był transportowany do balonu za pomocą ołowianych rur, a jego napełnianie trwało 4 dni. Ponieważ nośność była zbyt mała do zabrania osoby, przygotowano drugi lot, tym razem w balonie o objętości 380 m³. Start pierwszego lotu balonu wypełnionego wodorem z osobami w gondoli odbył się 1 grudnia 1783 roku w ogrodach Tuileries, dzielnicy Paryża i zgromadził około 400 tys. oglądających. Balon pokonał w ciągu 2 h około 36 km, następnie wylądował, jeden z pasażerów opuścił pokład i wtedy Jacques Charles samodzielnie wzbił się nim na wysokość blisko 10 tysięcy stóp (3 km).