Povídání o vodíku I.

Je důležitým nositelem a zdrojem energie ve vesmíru i zde na Zemi. V tomto čísle připomeneme jeho důležité vlastnosti. V druhé části (v posledním čísle ročníku 2002 Alternativní energie) se budeme věnovat vodíku z hlediska energie.

1/ VODÍK - ZÁKLAD VESMÍRU
Vodík je nejjednodušší, nejhojnější a nejstarší chemický prvek v celém vesmíru. Je označován symbolem H, podle latinského hydrogenium, tj. "tvořící vodu". Jádrem vodíkového atomu je proton, obal tvoří jediný elektron. V záporném iontu vodíku (H--) jsou elektrony dva. Vodík má pět izotopů, z nichž nejznámější jsou prvé tři. Izotopy se označují exponentem vlevo nahoře u symbolu H, např. ³H. Exponent udává počet nukleonů (tj. celkový počet protonů a neutronů) v jádru izotopu symbol H značí vždy jeden proton, zbytek je počet neutronů v jádře. Tedy jádro izotopu 3H má dva neutrony.

Každý ze tří vodíkových izotopů má své vlastní jméno. Vodík je jediný prvek, jehož izotopy, ale i jádra izotopů mají svá vlastní jména:

Obyčejný vodík ¹H nazývaný protium má nejjednodušší jádro - jediný proton.

Těžký vodík ²H - deuterium D - má jádro (nazývané deuteron) složené z jednoho protonu a jednoho neutronu.

Velmi těžký vodík ³H - tritium T - má v jádře (nazývaném triton) jeden proton a dva neutrony. Pro zajímavost uveďme že se také podařilo získat těžší izotopy, ⁴H a ⁵H. Avšak v přírodě i v energetice jsou bezvýznamné, neboť se brzo po vzniku rozpadají na helium. Na 6 000 atomů ¹H v přírodě připadá jedno deuterium ²H (D). Je to kosmologické deuterium, vzniklé v počátcích vesmíru. Tritia je ve vodě 10-15 % Tritium je radioaktivní (b--), rozpadá se s poločasem 12,2 roky na izotop helia ³H. Obnovuje se neustále v atmosféře působením kosmického záření. Je-li však voda uzavřena v láhvi a nezúčastní se vodního koloběhu, tritium není doplňováno a ubývá ho podle známého zákona radioaktivního rozpadu. Vinaři toho dovedou využít k přesnému stanovení stáří vína. D a T jako palivem pro termonukleární reaktory, tím se budeme zabývat v příštím pokračování.

Vodík chemiků
Vodík je na prvém místě periodické soustavy prvků. Vyskytuje se ve formě molekul, atomů, kladných iontů a záporných iontů, podle teploty prostředí. Tvoří řadu sloučenin s jinými prvky, především s těmi, které se ve vesmíru často vyskytují: s kyslíkem, uhlíkem, dusíkem, křemíkem, hořčíkem a sírou. Až na inertní plyny (např. helium) se slučuje se všemi prvky. Při hoření a spalování vodíku vzniká voda. Za normálních podmínek má hustotu 0,090 g.cm^-3. Jeho bod tání je -259,34 °C, bod varu je -252,87 °C. Je bez barvy, bez chuti a bez zápachu. V laboratoři se získá vodík elektrolýzou vody (tj. rozkladem vody pomocí stejnosměrného proudu), reakcí kovů s vodním roztokem kyselin a hydroxidů (např. Zn + 2HCl > ZnCl₂ + H₂), sodíku s vodou. Průmysl získává vodík např. ze zemního plynu, tepelným rozkladem metanu, reakcí vodní páry se železem nebo s rozžhaveným koksem (C + H₂O > C + H₂).

Vodík astronomů
Vodík pochází z nejranějšího období vesmíru. Je přibližně deset miliard roků starý. Z vodíku byly později ve hvězdách vybudovány všechny ostatní prvky (uhlík, kyslík, ...železo, ...atd.). Atomy uhlíku v naší molekule DNA, vápníkové atomy z nichž je náš kosterní systém, nebo železo v hemoglobinu červených krvinek přenášejících kyslík atd. ... atomy těchto prvků (a všech ostatních biogenních prvků) byly sestaveny z atomů vodíku ve žhavém nitru dávných hvězd. Můžeme proto říci, že jsme vzdálenými potomky hvězd. Základním a původním materiálem, z něhož byl Vesmír postupně budován až po živé organizmy (včetně člověka) byl vodík.

Na Zemi je vodík devátým nejrozšířenějším prvkem. Je především ve vodě (jedna devítina hmotnosti vody je vodík, osm devítin kyslík). Představuje 0,15 % hmotnosti kůry zemské. Je třetím nejrozšířenějším biogenním prvkem v biosféře a v biomase. Tvoří přibližně desetinu hmotnosti našeho organizmu. Volný vodík se vyskytuje i v atmosféře, ale v množství (objemově) menším než jedna miliontina (< 1 ppm).

Fotony slunečního záření jsou vyzařovány z atomů vodíku. Povrch Slunce se nám zdá bílý - ve skutečnosti však sluneční světlo obsahuje mnoho barev. Barevné fotony jsou vysílány ze slunečního povrchu (= fotosféry) takovým způsobem, že neutrální atomy vodíku zachytávají volné elektrony a tak vznikají záporné ionty vodíku H-. Při zachycení elektron odevzdá svou pohybovou energii vyzářenému fotonu. Rychlosti (a tedy i pohybové energie elektronů jsou různé - podle Maxwellova zákona). Proto mají i vyzářené fotony různou energii. Jinými slovy: povrch Slunce vyzařuje spojité spektrum (jehož barevné fotony jsou rozloženy podle Planckova zákona). Takže můžeme říci: za sluneční záření vděčíme záporným iontům vodíku na povrchu Slunce.

Vodíkové sloučeniny najdeme v chladných hvězdách, v mezihvězdné hmotě i na planetách a jejich měsících. Pozoruhodný je zejména měsíc Titan, největší ze Saturnových měsíců. Jestliže se v laboratořích ozáří vzorek Titanovy atmosféry (tj. směsi uhlovodíků a dusíku), vznikne červenohnědý prášek, který byl nazván tholin. Je to neobyčejně složitá organická látka. Ve vodě se rozpouští a uvolňuje aminokyseliny - základní složky bílkovin. Tholin je zřejmě původcem červenohnědého smogu v Titanově atmosféře. Jeho částice zvolna padají k povrchu. Radarem bylo zjištěno, že povrch Titanu je zčásti pevný a zčásti pokryt oceánem. Při teplotě - 180 °C je to pravděpodobně oceán tekutých uhlovodíků. Částice tholinu se usazují buď na pevnině, nebo na dně uhlovodíkového moře.

Za 4,5 mld. let se musela usadit vrstva tholinu několik set metrů silná vrstva složitých organických molekul; takových molekul, z nichž na Zemi před 4 mld. let pravděpodobně vznikal život. To jsou velmi důležité poznatky a pro jejich ověření vypustily NASA a ESA kosmickou loď Cassini se sondou Huygens na průzkum atmosféry a povrchu Titana. O ní uslyšíme ještě mnoho v létě 2004, kdy dorazí k Saturnovi.

Kovový vodík je hlavní složkou v obřích planetách (Jupiter, Saturn, Uran a Neptun). V jejich nitru, za vysokého tlaku několika mil. atmosfér, se mění v kov. V r. 1973 se to podařilo ruským technikům v laboratoři, za tlaku 2,8 Mbar, přičemž se hustota skokem změnila z 1,08 g.cm^-3 na 1,3 g.cm^-3. Za pokojové teploty by měl být kovový vodík supravodičem. V nitru Jupitera se za rok přemění vrstva molekulového vodíku silná několik málo centimetrů v kovový vodík. Přitom se Jupiter poněkud smrští a uvolní se energie. Proto Jupiter vyzařuje více energie, než přijímá od Slunce.

Základní informace o vodíku ve vesmíru byly získány studiem Balmerovy série, rádiové čáry 21 cm a Lymanovy ultrafialové čáry.

Vodík představuje 90 % počtu všech atomů ve vesmíru a dvě třetiny jejich hmotnosti. V atmosférách chladnějších hvězd a v mezihvězdném prostoru je převážná část plynů jako molekulární vodík, H₂. Na velmi horkých hvězdách je vodík zcela ionizován, takže nemůže vytvářet žádné spektrální čáry.

Vodík mezi hvězdami. V mezihvězdném prostoru je velké množství vodíku neutrálního i ionizovaného. (tzv. oblasti H I a oblast H II). V neutrálním základním stavu vysílá zakázanou vodíkovou čáru 21 cm. Její měření přinesla základní poznatky o rozložení a pohybech neutrálního vodíku v naší Galaxii i v řadě cizích galaxií. Vodík je soustředěn především do spirálních ramen galaxií.

Vodík mezi galaxiemi. V ultrafialové oblasti spektra tvoří vodík Lymanovu sérii. Tu lze pozorovat jen pomocí spektrografů na družicích. Ve spektru vzdálených kvazarů se vodík projevuje jako Lymanův les, který přináší informace o vzdálenosti, pohybu a velikosti oblaků mezigalaktického vodíku. Tento vodík v nesmírných prostorách mezi galaxiemi se ještě nezúčastnil stavby hvězd v galaxiích. Je to původní ("panenský") materiál vesmíru, zachovaný po dobu desetimiliard roků.