Водоник (-{H}-, — стваралац воде) први је и најлакши хемијски елемент. При стандардним условима притиска и температуре, водоник је двоатомни гас без боје, мириса и укуса. Није отрован, и знатно је лакши од ваздуха. На собној температури није посебно реактиван, док при вишим температурама улази у низ реакција. Узрок томе ја јака једнострука ковалентна веза.
Водоник нема одређен положај у периодном систему и углавном се проучава засебно. Може се сматрати равноправним чланом 1. или 17. групе. Разлог томе је да поседује један протон и један валентни електрон као и алкални метали, али од њих се разликује много већом енергијом јонизације. За стабилну електронску конфигурацију недостаје му један електрон, што наводи да би се водоник могао сматрати халогеним елементом, али од њих има мању електронегативност и афинитет према електрону.
Овај елемент сачињава 75% видљиве масе свемира, те је исходишна материја из које су нуклеарном фузијом настали остали елементи. Звезде у главном низу се углавном састоје од водоника, у облику плазме. Елементарни водоник на Земљи је присутан у врло малим количинама.Palmer D. "Hydrogen in the Universe" publisher=NASA, 1997.
Елементарни водоник састоји се од обичног водоника (протијум, -{1H}-) (>99,98%), док остатак (готово 0,02%) чини тешки водоник (деутеријум, -{2H}-, -{D}-) с траговима супертешког водика (трицијума, -{3H}-, -{T}-). Пошто је један од стабилних изотопа два пута тежи од другог, они се међусобно доста разликују по хемијским својствима. Водоник ствара хемијске везе са највећим бројем елемената, посебно у органским једињењима. При стандардном притиску и температури, водоник је гас без боје, мириса и укуса, 14,4 пута је лакши од ваздуха. Неотрован је. Слабо је растворљив у поларним, а боље у неполарним растварачима.
Индустријски се највише добија из земног гаса, а ређе електролизом воде. Највише се користи у производњи фосилних горива (хидрокраковање – повећање квалитета горива) и за добивање амонијака, у производњи вештачких ђубрива. У металургији није пожељан, јер многе метале чини ломљивим и кртим, па ствара потешкоће у изградњи цевовода и металних спремника."Hydrogen Basics — Production" publisher=Florida Solar Energy Center, 2007.
Историја Водоник () је дефинисао Британац Хенри Кавендиш 1766. Он није први изоловао овај елемент, већ је то урадио Парацелзус у 16. веку реакцијом метала и јаке киселинеОпшта и национална енциклопедија у 20 свесака, св. 20. , и назвао га „запаљивим ваздухом“. Кавендиш је формирао водоник реакцијом цинка и хлороводоничне киселине. Дефинисао је о ком гасу је реч и доказао да реакцијом водоника и кисеоника настаје вода. Због тог својства Антоан Лавоазје га 1783. назива -{hydrogène}-, од грчког "онај који ствара воду" (грч. ὕδωρ = вода, γενής = стваратељ).
Течни водоник је први формирао Џејмс Девар 1898, а годину дана касније је произвео и чврсти водоник. Деутеријум је добио 1931. Харолд Клејтон Јури, а следеће године је формирана тешка вода. 1934. Ернест Радерфорд и његов тим су произвели трицијум.
Жак Шарлс је изумео први балон на топли ваздух 1783. године. Фердинанд фон Цепелин је направио летилицу на водоник, која је имала први лет 1900, и касније је названа цепелин.
Никал – водоникове батерије су први пут кориштене 1977, а касније их је користила Међународна свемирска станица, свемирске летелице Одисеја на Марсу 2001. и Марсов глобални геометар, те свемирски телескоп Хабл, коме је прво паковање батерија трајало 19 година. "NTS-2 Nickel-Hydrogen Battery Performance 31", publisher=Aiaa.org, 2009. десно|мини|300п|-{NGC 604}- галаксија, огромно подручје јонизованог водоника у сазвежђе Троугао.
Улога у квантној теорији Због своје једноставне атомске структуре, која се састоји од једног протона и електрона, атом водоника са својим спектралним линијама светлости (емисија и апсорпција – Балмерова серија, Лајманова серија итд.), имао је средишњу улогу у развоју теорије атомске структуре. Осим тога, атом водоника и одговарајући катјони -{H2+}- су имали важну улогу у разумевању природе хемијских веза, теорија којих се развила 1920-их.
Пре развоја квантне механике, Максвел је уочио да специфични топлотни капацитет молекула -{H2}- има необјашњиво одступање на ниским температурама, где се -{H2}- почиње више понашати као једноатомни гас. Према квантној теорији, та појава се дешава због простора енергетских нивоа, који су нашироко распоређени код -{H2}- због мале масе. Тај велики простор енергетских нивоа онемогућује равномерну расподелу топлотне енергије код водоника на ниским температурама.Berman R., Cooke, A. H.; Hill, R. W.:
Својства При стандардним условима притиска и температуре, водоник је гас без боје, мириса и укуса, који је 14.4 пута лакши од ваздуха. Није отрован. Слабо је растворан у поларним, а боље у неполарним растварачима.
Охлађен на температуру кључања, кондензује се у безбојну течност која је најлакша од свих течности. Даљим одвођењем топлоте долази до очвршћавања у прозирну чврсту материју хексагоналне кристалне структуре.
Запаљив је са границом експлозивности у ваздуху од 4-94%. Минимална енергија иницијације паљења 0,02 -{MJ}-. Температура пламена при стехиометријском сагоревању је 1930 °C. Запаљен на ваздуху при 560 °C, изгара готово невидљивим пламеном формирајући воду:
2 H2(g) + O2(g) -> 2 H2O(l) {\displaystyle \Delta {}_{\mathrm {r} }H} = 286 kJ mol^-^1
На собној температури није посебно реактиван, док при вишим температурама улази у низ реакција. Раствара се у многим металима, као што је платина.
При собној температури без катализатора, реагује само с флуором и ванадијумом у праху. Узрок слабој реактивности молекуларног водоника при собној температури је јачина једноструке ковалентне везе молекула. Та веза је најјача од свих једноструких ковалентних веза између два истоимена атома. При повишеној температури спаја се и с кисеоником из многих оксида, те тако делује као редукционо средство.
мини|desno|250п|Низ протон-протон превладава код звијезда величине нашег Сунца или мањих
Линијски спектар водоника
Линијски спектар водоника је приказан на траци црне позадине са уским линијама различитих боја: две љубичасте, једна плава и једна црвена. Емисионе линије спектра водоника припадају видљивом спектру светлости. То су четири видљиве линије Балмерове серије.
Због релативно једноставне атомске структуре, тј. због тога што се атом водоника састоји само од протона и електрона, уз спектар светлости који производи или га апсорбује, водоник је био централна фигура за развој теорије структуре атома. Штавише, одговарајућа једноставност молекула водоника и одговарајућих катјона H2+, водила је до потпунијег разумевања природе хемијских веза, која је уследила убрзо након појаве квантно-механичког третмана атома водоника средином 1920-их.
мини|лево|400п|Линијски спектар водоника. Међу првим примећеним квантним ефектима код водоника је управо његов линијски спектар, пола века пре увођења теорије квантне механичке. А. Ангстрем је 1853. направио експеримент у којем је гас водоника у стакленом суду (при ниском притиску) побуђивао електричном струјом (довођењем напона на крајеве суда). Овај гас је емитовао зрачење из којег је издвојени узак сноп доведен на призму давао правилно раздвојена четири снопа светлости различитих боја. мини|Испитивање спектра водоника Други примећен ефекат (није био објашњен у то време) је произашао из Максвеловог посматрања водоника. Максвел је приметио да специфична топлота H2 испод собне температуре, необјашњиво одступа од оне код других диатомних гасова и почиње да личи на ону код једноатомских гасова на Криогеним температурама. Овај ефекат је касније објашњен уз помоћ квантне теорије, односно утицајем квантоване енергије нивоа на расподелу топлотне енергије у ротационо кретање код водоника на ниским температурама. Диатомни гасови који се састоје од тежих атома немају широко распоређене нивое и не показују исти ефекат као водоник.
Заступљеност
Водоник чини 75% масе свемира, те је исходишна материја из које су нуклеарном фузијом настали остали елементи. По броју атома, водоника има 90% у свемиру. Има га у огромним количинама у звездама и гасним дивовима. Молекуларни облаци са -{H2}- су повезани са рођењем звезда. Водоник има одлучујућу улогу у стварању снаге и топлотне енергије у нуклеарној фузији, која се одвија у језграма звезда, кроз низ протон – протон и низ угљеник – азот – кисеоник процесе.Steve Gagnon: "Hydrogen", publisher=Jefferson Lab, 2008.Haubold Hans, Mathai, A. M., 2007. "Solar Thermonuclear Energy Generation", publisher=Columbia University, 2008.
У свемиру водоник се углавном налази у атомском стању или као плазма, чија су својства сасвим друкчија од молекуларног водоника -{H2}-. Као плазма, водоникови електрони и протони нису повезани заједно, и производе веома јаку електричну проводност и велику емисију топлоте (ствара се електромагнетско зрачење, укључујући светлост са Сунца и осталих звезда). На наелектрисане честице водоника снажно утичу магнетна и електрична поља. На пример, Сунчев ветар делује на Земљину магнетосферу, стварајући поларну светлост и Биркеландову струју.Storrie-Lombardi Lisa J.: "Surveys for z > 3 Damped Lyman-alpha Absorption Systems: the Evolution of Neutral Gas", journal=Astrophysical Journal, 2000.
Елементарни водоник на Земљи је широко распрострањен, мада у малим количинама. Присутан је у атмосфери, земном гасу, вулканским гасовима, итд. Због тога што га гравитација тешко може задржати, водоник у горњим деловима атмосфере излази у свемир. Иако је водоник најзаступљенији елемент у васиони, на Земљи се јавља у малим количинама (0,9% у горњим слојевима), углавном у облику хемијских једињења (вода). У облику једињења, има га у огромним количинама, понајвише у облику воде, која прекрива готово две трећине Земљине површине. Саставни је део многих органских једињења, киселина и растварача. Неке алге и бактерије стварају гасовити водоник.Wolfgang H. Berger, 2007. "The Future of Methane", publisher=University of California, San Diego, 2008. Он је он биогени елемент. По броју атома, трећи је, одмах након кисеоника и силицијума, а по масеном уделу је на десетом месту.
У слободном облику јавља се у виду двоатомних молекула H2. Катјон водоника H+ (у воденим растворима је хидратисан: оксонијум јон -{H3O+}-, Цунделов (Zundel) катјон, -{H5O2+}-, Ајгенов (Eigen) катјон, -{H9O4+}-) настаје услед дисоцијације киселина. Концентрација водоникових јона изражава се помоћу pH вредности.
Добијање Лабораторијско добијање Најчешће се добија онако како га је први пут добио Кавендиш, тј. реакцијом цинка и хлороводичне киселине, уместо које се често користи и разређена сумпорна киселина:
-{Zn(s) + 2 H+ → Zn2+ + H2(g)}-
За развијање гасова у лабораторији најпогоднији је Кипов апарат, јер се реакција у њему може прекинути и на тај начин производе само потребне количине гаса.
Може се добити и реакцијом воде с чврстим хидридима, као што је калцијум хидрид:
-{2 H2O + CaH2(s) → 2 H2(g) + Ca2+ + 2 OH-}-, те реакцијом метала негативног редукцијског потенцијала с базама, ако ти метали стварају хидроксо-комплексе:
-{2 Al(s) + 6 H2O + 2 OH- → 2 Al(OH)4- + 3 H2(g)}-
Индустријско добијање Зависно од цене електричне енергије и енергената, водоник се добија на неколико начина.
У земљама с јефтином електричном енергијом, добија се електролизом воде, залужене алкалијским хидроксидом због повећања проводности: катода (-): -{4 H20 + 4e- → 2 H2(g) + 4 OH-}- анода (+): -{4 OH- → O2(g) 2 H2O + 4e-}- -{2 H2O → 2 H2(g) + O2(g)}-
Водоник се добија и као нуспродукт при производњи хлора методом хлоралкалне електролизе.
Једна од најраширенијих и најјефтинијих метода је пиролиза угљоводоника, као што је етана:
-{C2H2(g) → C2H4(g) + H2(g)}-
Када је лако доступан метан, користи се његова реакција с воденом паром на 1100 °C:
-{CH4(g) + H2O ⇄ CO(g) + 3 H2(g) = 214.4 kJ mol-1}-
Када је лако доступан и јефтин угљен, користи се редукција водене паре:
-{C(s) + H2O ⇄ CO(g) + H(g) = 131.25 kJ mol-1}-