💧 Vodík a voda

Příběhem

O čem to je

V roce 1937 shořela v USA obří vzducholoď Hindenburg. Byla naplněná vodíkem – nejlehčím plynem, který ale se vzduchem tvoří výbušnou směs. Dnes se vodík vrací jako „palivo budoucnosti“: při jeho hoření vzniká jen voda.

A voda sama je nejzvláštnější látka na Zemi: led plave, ryby přežijí zimu pod ledem a voda vře až při 100 °C, i když má malé molekuly. Ukážeme si proč.

Nové pojmy

Vodík HPrvek s protonovým číslem 1 – jeho atom má jen 1 proton a 1 elektron. Tvoří dvouatomové molekuly H₂. Je to nejrozšířenější prvek ve vesmíru (hvězdy jsou hlavně z vodíku).

Izotopy vodíkuAtomy vodíku s různým počtem neutronů v jádře.¹H protium (0 neutronů), ²H = D deuterium (1 neutron), ³H tritium (2 neutrony, radioaktivní).

Oxidační číslo (OČ)Formální náboj atomu ve sloučenině. Vodík má většinou I (H₂O, HCl). Jen ve sloučeninách s kovy, kterým se říká hydridy, má −I.NaH hydrid sodný: Na^I, H^−I

Jak se vodík získává

V laboratoři: neušlechtilý kov + kyselina: Zn + 2 HCl → ZnCl₂ + H₂
V průmyslu: z methanu a vodní páry: CH₄ + H₂O → CO + 3 H₂
Elektrolýzou vody (rozkladem proudem): 2 H₂O → 2 H₂ + O₂ – „zelený“ vodík, když je proud z obnovitelných zdrojů

Třaskavá směsSměs vodíku a kyslíku v poměru objemů 2 : 1. Po zapálení vybuchne: 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O.Proto se vodík před zapálením zkouší, jestli je čistý.

Využití vodíku: výroba amoniaku (na hnojiva), ztužování tuků (z oleje vznikne pevný tuk), palivo a palivové články, které z vodíku a kyslíku vyrábějí elektřinu.

Voda – proč je zvláštní

Polární molekulaMolekula, která má jeden konec trochu kladný a druhý trochu záporný. Molekula H₂O je zahnutá; kyslík k sobě táhne elektrony víc, je trochu záporný, vodíky trochu kladné.

Vodíkový můstekPřitahování mezi vodíkem jedné molekuly vody a kyslíkem sousední. Je slabší než vazba, ale molekuly drží u sebe.Proto voda vře až při 100 °C – můstky se musí nejdřív roztrhat.

Anomálie vodyVoda má největší hustotu při 4 °C. Led je řidší než kapalná voda, a proto plave.V ledu tvoří můstky pravidelnou mřížku s velkými „dírami“.

Proč ryby v rybníce přežijí zimu?

Nejtěžší je voda o teplotě 4 °C – klesne ke dnu. Chladnější voda a led zůstanou nahoře. Rybník zamrzá odshora, led izoluje a u dna zůstane voda kolem 4 °C.

Tvrdá voda

Tvrdost vodyObsah rozpuštěných solí vápníku a hořčíku. Přechodnou tvrdost způsobují hydrogenuhličitany – varem zmizí. Trvalou způsobují sírany a chloridy – varem nezmizí.

Odkud se bere vodní kámen v rychlovarné konvici?

Při vaření se hydrogenuhličitan vápenatý rozloží: Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃ + CO₂ + H₂O. Nerozpustný CaCO₃ se usadí – to je vodní kámen.

Klepni na karty a zopakuj si sloučeniny vodíku.

H₂O₂ – peroxid vodíku – bělení, dezinfekce
D₂O – těžká voda – moderátor v jaderném reaktoru
NaH – hydrid sodný – silné redukční činidlo
H₂ – amoniak, ztužování tuků, palivové články

✗Led plave, protože je v něm vzduch.

✓Led plave, protože má menší hustotu než voda – molekuly v něm drží vodíkové můstky v řidší mřížce.

I úplně čirý led bez bublin plave. Je to vlastnost vody samotné (anomálie), ne vzduchu.

Vodík: nejlehčí a nejrozšířenější prvek, OČ I (v hydridech −I), s kyslíkem 2 : 1 třaskavá směs. Voda: polární, vodíkové můstky, největší hustota při 4 °C.

Vlastnosti v přehledu

O čem to je

Vodík a voda jsou spolu úzce spjaté: vodík hoří na vodu a z vody se elektrolýzou vodík vyrábí. Tady je obojí systematicky: stavba, vlastnosti, výroba, reakce a použití.

Nové pojmy

IzotopAtom téhož prvku s jiným počtem neutronů.Vodík: protium ¹H, deuterium ²H (1 p + 1 n), tritium ³H.

HydridBinární sloučenina vodíku. U kovů 1. a 2. skupiny je vodík záporný (H^−I) – iontové hydridy (NaH, CaH₂), silná redukční činidla.

Redukční činidloLátka, která jiné látce dodá elektrony (nebo jí odebere kyslík) a sama se oxiduje.CuO + H₂ → Cu + H₂O – vodík redukuje oxid měďnatý.

ElektrolýzaRozklad látky stejnosměrným elektrickým proudem.2 H₂O → 2 H₂ + O₂

Vodík v číslech

Vlastnost	Hodnota / popis
Z	1 (konfigurace 1s¹)
skupenství	bezbarvý plyn bez zápachu, molekuly H₂
hustota	nejlehčí plyn (asi 14× lehčí než vzduch)
OČ	I, v hydridech kovů −I, v H₂ 0
výskyt	nejrozšířenější prvek ve vesmíru; na Zemi hlavně ve vodě

Výroba

Laboratoř: Zn + 2 HCl → ZnCl₂ + H₂ (Kippův přístroj).

Průmysl: CH₄ + H₂O → CO + 3 H₂ (za vysoké teploty, s katalyzátorem).

Elektrolýza vody: 2 H₂O → 2 H₂ + O₂.

V jakém poměru objemů je H₂ a O₂ v třaskavé směsi a proč?

Rovnice 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O: na 2 molekuly vodíku 1 molekula kyslíku. Stejný počet molekul plynu zabírá stejný objem, takže poměr objemů je 2 : 1.

Voda v číslech

Vlastnost	Vysvětlení
zahnutá polární molekula	kyslík táhne elektrony víc → δ− na O, δ+ na H
teplota varu 100 °C	vodíkové můstky mezi molekulami
největší hustota při 4 °C	led má řidší mřížku → plave
výborné rozpouštědlo	polární molekuly obklopí ionty solí

Vodíkový můstekSlabá přitažlivost mezi H vázaným na O, N nebo F a volným elektronovým párem sousedního O, N nebo F.

Tvrdost vody

Druh	Příčina	Odstranění
přechodná	Ca(HCO₃)₂, Mg(HCO₃)₂	varem: Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃↓ + CO₂ + H₂O
trvalá	CaSO₄, MgSO₄, chloridy	varem ne; chemicky (srážením) nebo iontoměniči

Proč se po převaření tvrdé vody tvoří v hrnci bílý povlak?

Rozpustný hydrogenuhličitan vápenatý se teplem rozloží na nerozpustný CaCO₃ (vodní kámen), CO₂ a vodu. Odstraní se tím přechodná tvrdost.

Vyzkoušej si to

Roztřiď soli podle toho, jakou tvrdost vody způsobují.

Sloučeniny a použití

H₂ – výroba amoniaku, ztužování tuků, palivové články
H₂O₂ peroxid vodíku – bělení, dezinfekce
D₂O těžká voda – moderátor (zpomalovač neutronů) v jaderném reaktoru
NaH – silné redukční činidlo

✗Přechodnou tvrdost vody způsobují sírany vápníku a hořčíku.

✓Přechodnou způsobují hydrogenuhličitany, trvalou sírany a chloridy.

„Přechodná“ znamená, že varem zmizí. To umějí jen hydrogenuhličitany, které se teplem rozloží na nerozpustný uhličitan.

H: Z = 1, OČ I (hydridy −I), výroba Zn + HCl, z methanu, elektrolýzou. Voda: polární, vodíkové můstky, hustota max. při 4 °C; tvrdost přechodná (hydrogenuhličitany) a trvalá (sírany, chloridy).

🧂s-prvky: alkalické kovy a kovy alkalických zemin