Wodór - własności

Wodór

Wodór otwierający układ okresowy pierwiastków w stanie wolnym występuje w górnych warstwach atmosfery i w gazach wulkanicznych. Na naszej planecie wodór występuje prawie wyłącznie w związkach: w postaci wody, węglowodorów (ropa naftowa, gaz ziemny) i wszystkich związków organicznych występujących w organizmach żywych. Gęstość wodoru: o gazowego (273 K, 1013 hPa) wynosi 90 g/m3, ciekłego 70,8 kg/m3, a krystalicznego 88 kg/m3. Jest on więc najlżejszym pierwiastkiem w każdym stanie skupienia. Przewodność cieplna wodoru wynosząca 0,1745 W/(m•K), podobnie jak i ciepło właściwe o wartości 14,195 kJ/(kg•K) (w 273 K) są największe ze wszystkich gazów. Wartość opałowa wodoru jest bardzo wysoka i wynosi 120 MJ/kg (dla przykładu - węgiel 25 MJ/kg, benzyna 47 MJ/kg). Wodór dyfunduje przez gumę, materiały porowate, a w podwyższonej temperaturze przez stal. Dobrze rozpuszcza się w palladzie, niobie, platynie, niklu (870 objętości wodoru w 1 objętości palladu, 850 objętości wodoru w 1 objętości niobu), natomiast bardzo słabo w wodzie (0,021 objętości wodoru w 1 objętości wody). Reakcja wodoru z tlenem przebiega wybuchowo już od 6% H2 w O2, aż do 5% O2 w H2 i jest reakcją silnie egzotermiczną.

Wodór ma dwa stabilne izotopy: wodór H o liczbie masowej równej 1, deuter D o liczbie masowej 2 oraz niestabilny izotop tryt T o liczbie masowej 3 i czasie połowicznego rozpadu równym 12 lat. Jądro wodoru składa się z pojedynczego protonu, jądro deuteru z protonu i neutronu, natomiast w skład jądra trytu wchodzą proton i dwa neutrony. Każdy z trzech izotopów ma po jednym elektronie. Produktem rozpadu trytu T jest 3He

Temperatura wrzenia wodoru pod ciśnieniem normalnym wynosi 20,4 K, niższą temperaturę wrzenia ma jedynie hel (4,2 K). Wodór jest najlżejszym ze wszystkich gazów, jego gęstość w każdym ze stanów skupienia jest najmniejsza w porównaniu z innymi substancjami (ciekły wodór ma najmniejszą gęstość w porównaniu z innymi cieczami, zestalony wodór jest ciałem stałym o najmniejszej gęstości). Stąd ciepło właściwe wodoru wyrażone na jednostkę masy jest najwyższe. Prędkość molekuł gazowego wodoru jest najwyższa ze wszystkich gazów w danej temperaturze, stąd wodór charakteryzuje duża wartość współczynnika dyfuzji. W stanie gazowym wodór jest charakteryzowany najwyższą przewodnością cieplną oraz najniższą lepkością. Ciężar właściwy zestalonego wodoru jest większy od ciężaru właściwego cieczy. Rozpuszczalność helu w ciekłym wodorze jest dla umiarkowanych ciśnień (niższych od 0,3 MPa) praktycznie równa zeru, co pozwala na przechładzanie wodoru przez przepuszczenie przez niego zimniejszego gazowego helu. Wodór spala się w obecności tlenu prawie bezbarwnym jasno-niebieskim płomieniem o stosunkowo dużej prędkości propagacji (2,7 m/s). Możliwość samozapłonu mieszaniny wodoru z powietrzem zależy od jego koncentracji. Przy temperaturze 293 K mieszanina może ulec samozapaleniu, jeżeli objętościowe stężenie wodoru wynosi od 4 do 75%. Mieszaniny o szczególnie wybuchowych własnościach uzyskuje się w zakresie koncentracji wodoru 18 – 65%. Posługiwanie się gazowym wodorem jest niebezpieczne ze względu na palność i wybuchowość tego pierwiastka i wymaga szczególnej ostrożności. Stosowanie ciekłego wodoru stwarza dodatkowe zagrożenia związane z możliwością tworzenia się wybuchowych mieszanin ciekłego wodoru z zestalonym tlenem lub ciekłego wodoru z zestalonym powietrzem wzbogaconym w tlen. Czystość i skład ciekłego wodoru muszą być ściśle monitorowane i kontrolowane.