Vandenilis yra cheminis elementas, kurio simbolis yra H, o atominis skaičius - 1. Jo standartinė atominė masė yra 1,008, t. y. lengviausias periodinės elementų lentelės elementas. Vandenilis yra labiausiai paplitęs cheminis elementas Visatoje - 75 % visos barionų masės sudaro vandenilis. Žvaigždės daugiausia sudarytos iš vandenilio. Labiausiai paplitęs vandenilio izotopas turi vieną protoną, aplink kurį skrieja vienas elektronas.

Esant standartinei temperatūrai ir slėgiui, vandenilis neturi spalvos, kvapo, skonio, nėra toksiškas, yra nemetalas ir labai lengvai dega. Kai jis yra vienas, paprastai jungiasi su savimi ir sudaro H 2.

Fizinės ir cheminės savybės

Vandenilis dažniausiai egzistuoja molekuline forma H2. Jo elektroninė konfigūracija yra 1s1, o pirmoji jonizacijos energija yra aukšta (~1312 kJ/mol). Vandenilis turi labai mažą tankį (apie 0,0899 g·L−1 prie 0 °C ir 1 atm). Jo lydymosi temperatūra yra apie −259,16 °C, o virimo temperatūra −252,87 °C.

Chemiškai vandenilis yra reaguojantis: H2 degina su deguonimi, sudarydamas vandenį, reaguoja su daugybe elementų ir junginių, formuoja hidrolius (H+), hidridus (H−) bei įvairias organines ir neorganines jungtis. Vandenilis gali būti reduktorius daugelyje reakcijų (pvz., metalų oksidų redukcija) ir dalyvauja hidrohinimo procesuose.

Izotopai

  • Protiumas (^1H) – dažniausias izotop, neturi neutronų.
  • Deuteris (^2H arba D) – turi vieną neutroną; randamas gamtoje mažu kiekiu (apie 0,015 % vandenilio atomų) ir naudojamas moksliniuose bei pramoniniuose taikymuose (pvz., kaip izotopinė žyma, branduolinėje sintezėje kaip sunkusis vanduo).
  • Tritis (^3H arba T) – radioaktyvus izotop su pusperiodžiu ~12,3 metų; susidaro natūraliai kosminių spindulių sąveikoje ir naudojamas moksliniuose tyrimuose bei branduolinėje pramonėje.

Vandenilio forma ir jonai

Vandenilis gali egzistuoti kaip neutralūs atomai (H), molekulės (H2), įvairūs jonai (H+ – protonas, H− – hidridai) arba dalyvauti pusiau junginiuose (pvz., H2+). Vandens tirpale protonas paprastai susijungia su vandeniu, sudarydamas hidroniumo joną H3O+.

Vandenilio vaidmuo Visatoje ir Žemėje

Vandenilis yra pagrindinis elementas žvaigždžių sudėtyje ir žvaigždžių branduolių fuzijos reakcijose dalyvauja atomams virstant helio branduoliams, išlaisvinant didelius energijos kiekius. Dėl to vandenilis palaiko daugumą žvaigždžių šviesą ir energiją.

Žemėje vandenilis natūraliai randamas daugiausia kombinacinėse formose (pvz., vandenyje H2O, organiniuose junginiuose). Atmosferoje laisvo H2 yra labai mažai dėl jo lengvumo ir polinkio kilti į viršutinę atmosferą bei prarasti į kosmosą.

Gamyba ir tiekimas

Didžiausią pramoninio vandenilio dalį gamina:

  • garų metano reformingas (SMR) – metanas (gamtinės dujos) ir vanduo (garai) reaguoja formuodami vandenilį ir anglies monoksidą;
  • elektrolizė – vandens skaidymas elektra (alkalinė elektrolizė, PEM elektrolizė ir kt.), ypač aktualu gaminant „žalią“ vandenilį iš atsinaujinančių energijos šaltinių;
  • kitais būdais – dujų atskyrimu, anglies dujų transformacija, biomasės skaidymu.

Panaudojimas

  • Ammoniako sintezė (Haber–Bosch procesas) – pagrindinė pramoninė vandenilio panaudojimo kryptis trąšų gamyboje.
  • Kuro elementai ir energetika – vandenilis naudojamas transportui ir stacionarioms kuro elementų sistemoms kaip energijos nešėjas; jis gali būti deginamas tiesiogiai arba panaudotas elektrocheminėse grandinėse.
  • Raketų kuras – skystas vandenilis kartu su skystuoju deguonimi yra įprastas aukšto našumo raketų variklių kuras.
  • Hidrogenacija – organinių junginių hidrinimas pramonėje (pvz., maisto pramonėje riebalų sukietinimui).
  • Metalurgija, naftos perdirbimas – redukcijos ir hidrokrakavimo procesai, taip pat sieros šalinimas iš kuro.

Saugumas ir saugojimas

Vandenilis yra labai degus ir gali sudaryti sprogias mišinių su oru ribose maždaug 4–75 % tūrio. Dėl mažo molekulinio svorio jis greitai skleidžiasi ir kilęs į viršų, todėl nuotėkio atveju pavojingos koncentracijos gali susidaryti patalpose su prieinamomis uždaromis erdvėmis arba įkalintose vietose. Laikymas reikalauja atitinkamų priemonių: aukšto slėgio balionai arba skystinimas kriogeninėmis sąlygomis. Vandenilis gali sukelti metalų embrittlement'ą (traukimąsi/įskilimą dėl absorbcijos į metalus), todėl pramonėje naudojami specialūs įrenginiai ir medžiagos.

Istorija ir pavadinimas

Vandenilis buvo identifikuotas XVIII a. (Henry Cavendish 1766 m. apibūdino „degų orą“). Antoine Lavoisier vėliau pavadino elementą iš graikų kalbos kilusiu žodžiu reiškiančiu „vandens gamintojas“ (hydro + genes), nes deginant vandenilį susidaro vanduo.

Biologinė reikšmė ir cheminiai ryšiai

Nors laisvas vandenilis gyvose sistemose retas, vandenilio atomai yra esminė organinių molekulių dalis. Be to, vandenilio ryšiai (ne kovalentiniai H-ryšiai tarp elektroneigiamų atomų ir vandenilio) yra gyvybiškai svarbūs vandens, baltymų ir nukleorūgščių struktūrai bei funkcijoms.

Ateities perspektyvos

Vandenilis laikomas svarbiu elementu energetikos tvarumo kontekste: „žalias“ vandenilis, pagamintas elektrolize naudojant atsinaujinančią energiją, gali padėti mažinti šiltnamio efektą sukeliančių dujų emisijas transporto, pramonės ir energetikos sektoriuose. Tačiau platus pritaikymas reikalauja investicijų į gamybos, saugojimo, perdavimo ir kuro elementų infrastruktūrą.