Vodík () je kemični element s simbolom H, atomskim številom 1 in atomsko maso 1,00794 u. Je najlažji element v periodnem sistemu elementov. V enoatomnem stanju (H) je najpogostejša kemična snov v vesolju in tvori približno 75 % vse barionske mase.D. Palmer (13. september 1997). Hydrogen in the Universe. NASA. Pridobljeno 5. februarja 2008. Zvezde iz glavnega niza so v začetnem obdobju svojega razvoja sestavljene pretežno iz vodika v stanju plazme. Najpogostejši izotop vodika je protij s simbolom , ki ima en sam proton in nobenega nevtrona. Njegovo ime se uporablja zelo redko.
Vesoljski enoatomni vodik se je prvič pojavil v obdobju rekombinacije. Pri standardni temperaturi in tlaku je brezbarven lahko vnetljiv in nestrupen plin brez vonja in okusa s formulo . Ker z večino nekovinskih elementov zlahka tvori kovalentne spojine, je na Zemlji večina vodika vezanega v vodi in organskih spojinah. Vodik igra posebej pomembno vlogo v kislo-bazičnih reakcijah. V ionskih spojinah ima lahko negativen naboj (anion z imenom ahidrid) ali pozitiven naboj, ki se običajno zapisuje s simbolom , čeprav je v resnici gol proton. V ionskih spojinah ima vedno veliko bolj kompleksno sestavo od napisane.
Vodikov atom ima kot najenostavnejši znani atom pomembno teoretično uporabnost. Vodikov atom je na primer edini nevtralni atom z analitsko rešitvijo Schrödingerjeve enačbe.
Plinasti vodik so prvič umetno pridobili v zgodnjem 16. stoletju z mešanjem kovin in kislin. V letih 1766-1781 je Henry Cavendish prvi prepoznal vodikov plin kot diskretno snovJ. Al-Khalili (21. januar 2010). Discovering the Elements. Chemistry: A Volatile History. BBC. BBC Four. in ugotovil, da z zgorevanjem tvori vodo. Ta lastnost mu je kasneje dala tudi ime: hidrogen v grščini pomeni vodotvoren.
Večina vodika se proizvede s parnim reformingom naravnega plina. Manj pogosta in energijsko mnogo bolj potratna metoda je elektroliza vode.Hydrogen Basics — Production . Florida Solar Energy Center. 2007. Pridobljeno 5. februarja 2008. Večina vodika se porabi na mestu proizvodnje, največ za obdelavo fosilnih goriv, na primer hidrokrekiranje, proizvodnjo amonijaka za umetna gnojila, polnjenje balonov in v zadnjem času kot vir energije v gorivnih celicah.
V metalurgiji ni zaželen, ker povzroča krhkost mnogo kovin in otežuje gradnjo cevovodov in cistern za njegovo shranjevanje.
Lastnosti Gorenje thumb|upright|left| V glavnem motorju raketoplana zgoreva vodik s kisikom in daje pri polni obremenitvi skoraj neviden plamen.
Plinasti vodik (divodik ali molekularni vodik) Dihydrogen . University of Southern Maine. Pridobljeno 6. aprila 2009. je zelo vnetljiv in v zraku gori v zelo širokem intervalu koncentracij od 4 do 75 vol %.M.N. Carcassi, F. Fineschi (2005). Deflagrations of H2–air and CH4–air lean mixtures in a vented multi-compartment environment. Energy 30 (8): 1439–1451. doi: 10.1016/j.energy.2004.02.012. Sežigna entalpija je vodika -286 kJ/mol.Committee on Alternatives and Strategies for Future Hydrogen Production and Use, US National Research Council, US National Academy of Engineering (2004). The Hydrogen Economy: Opportunities, Costs, Barriers, and R&D Needs. National Academies Press. str. 240. ISBN 0-309-09163-2.
4-74 vol % zmesi vodika z zrakom in 5-95 vol % zmesi vodika s klorom so eksplozivne. Eksplozijo sprožijo iskra, toplota ali sončna svetloba. Temperatura samovžiga vodika v zraku je 500 °C.P. Patnaik (2007). A comprehensive guide to the hazardous properties of chemical substances. Wiley-Interscience. str. 402. ISBN 0-471-71458-5. Plamen zmesi čistega vodika in čistega kisika in zmesi z visoko vsebnostjo kisika sevajo ultravijolično svetlobo, ki je s prostim očesom skoraj nevidna. Za odkrivanje gorenja uhajajočega vodika je potreben detektor plamena. Gorenje iztekajočega vodika je zato lahko izredno nevarno. Vodikov plamen v drugih pogojih je moder in podoben plamenu naravnega plina.Hydrogen flame visibility.
Najbolj katastrofalen primer nekontroliranega gorenja vodika je bil požar na cepelinu Hindenburg. Vzrok zanj je še vedno predmet razprav, vidni oranžni plameni pa so bili posledica gorenja bogate zmesi vodik-kisik v kombinaciji z ogljikovi spojinami v cepelinovem plašču.
reagira z vsemi oksidanti. S fluorom in klorom reagira že pri sobni temperaturi in tvori ustrezna vodikova halogenida, ki sta tudi potencialno nevarni kislini:D.D. Clayton (2003). Handbook of Isotopes in the Cosmos: Hydrogen to Gallium. Cambridge University Press. ISBN 0-521-82381-1.
Energijski nivoji elektronov thumb|upright|left|Prikaz vodikovega atoma in njegovega centralnega protona. Premer atoma je približno dvakrat večji od Bohrovega modela. Slika ni v merilu.
Energijski nivo osnovnega stanja elektrona v vodikovem atomu je -13,6 eV, ki je ekvivalenten ultravijoličnemu fotonu z valovno dolžino približno 92 nm.T. Millar (10. december 2003). Lecture 7: Emission Lines — Examples. PH-3009 (P507/P706/M324) Interstellar Physics. University of Manchester. Pridobljeno 5. februarja 2008.
Energijski nivoji vodika se lahko precej natančno izračunajo z Bohrovim modelom atoma, ki predpostavlja, da elektroni krožijo okoli protona na orbitalah, podobno kot okrog Sonca krožijo planeti. Pojava sta v resnici povsem različna, ker protone in elektrone privlači elektromagnetna sila, planete in Sonce pa gravitacija. Zaradi diskretizacije vrtilne količine, ki jo je predpostavil Bohr v zgodnji kvantni mehaniki, lahko elektroni v Bohrovem modelu zasedejo samo določene razdalje od protona in imajo zato samo določene mogoče energije.D.P. Stern (16. maj 2005). The Atomic Nucleus and Bohr's Early Model of the Atom. NASA Goddard Space Flight Center (mirror). Pridobljeno 20. decembra 2007.
Natančnejši opis vodikovega atoma izhaja iz čisto kvantno mehanskega pristopa, ki za izračun verjetnosti gostote elektrona okoli protona uporablja Schrödingerjevo enačbo in Feynmanovo formulacijo potnega integrala.D.P. Stern 13. februar 2005). Wave Mechanics . NASA Goddard Space Flight Center. Pridobljeno 16. aprila 2008. V kvantno mehanskih postopkih elektron v osnovnem stanju vodikovega atoma nima nobene vrtilne količine, kar dokazuje, da se koncept planetarnih krožnic za gibanje elektronov bistveno razlikuje od realnosti.
Molekula vodika Dvoatomne molekule vodika imajo dva spinska izomera, ki se razlikujeta po relativnem spinu njihovih jeder.Staff (2003). Hydrogen (H2) Properties, Uses, Applications: Hydrogen Gas and Liquid Hydrogen. Universal Industrial Gases, Inc. Pridobljeno 5. februarja 2008. V orto vodiku sta spina obeh protonov paralelna in tvorita tripletno stanje z molekulskim spinskim kvantnim številom 1 (½+½). V para vodiku sta spina antiparalelna in tvorita singlet z molekulskim spinskim kvantnim številom 0 (½–½). Pri standardnem tlaku in temperaturi vsebuje plinasti vodik približno 25 % para oblike in 75 % orto oblike, ki se imenuje tudi »normalna oblika«.V.I. Tikhonov, A.A. Volkov (2002). Separation of Water into Its Ortho and Para Isomers. Science 296 (5577): 2363. doi: 10.1126/science.1069513. PMID 12089435. Ravnotežno razmerje med njima je odvisno od temperature. Ker je orto oblika vzbujeno stanje para oblike in ima več energije kot para oblika, je nestabilna in se je ne da izolirati v čistem stanju. Pri zelo nizkih temperaturah je v ravnotežnem stanju skoraj izključno para oblika. V tekoči in plinski fazi se termične lastnosti paravodika zaradi razlik v rotacijskih toplotnih kapacitetah značilno razlikujejo od lastnosti normalnega vodika.J. Hritz (marec 2006). CH. 6 – Hydrogen. NASA Glenn Research Center Glenn Safety Manual, Document GRC-MQSA.001. NASA. Pridobljeno 5. februarja 2008. Razlike med orto in para obliko so opazne tudi v drugih molekulah in funkcionalnih skupinah, ki vsebujejo vodik, na primer v vodi in metilni skupini, vendar ne vplivajo značilno na njihove termične lastnosti.M. Shinitzky, A.C. Meir (2006). Ortho-para spin isomers of the protons in the methylene group. Chirality 18 (9): 754–756. doi: 10.1002/chir.20319. PMID 16856167.
Ravnotežje nekatalizirane povratne reakcije pretvarjanja para oblike v orto obliko se z naraščajočo temperaturo pomika proti orto obliki. Na hitro kondenzirani zato vsebuje veliko količino energijsko mnogo bogatejše orto oblike, ki se zelo počasi pretvarja v para obliko.Y.Y. Milenko, R.M. Sibileva, M.A. Strzhemechny (1997). Natural ortho-para conversion rate in liquid and gaseous hydrogen. Journal of Low Temperature Physics 107 (1–2): 77–92. Bibcode: 1997JLTP..107...77M. doi: 10.1007/BF02396837. Razmerje med obema oblikama v kondenziranem je zato pomembno za pripravo in skladiščenje tekočega vodika. Pretvorba orto oblike v para obliko je eksotermna in tvori dovolj toplote, da del tekočega vodika izpari in povzroči izgubo utekočinjenega vodika. Pretvorbo katalizirajo na primer železov(III) oksid, aktivirano oglje, platiniran azbest, redke zemeljske kovine, uranove spojine, kromov(III) oksid in nekatere nikljeve spojine.E. Svadlenak, A.B. Scott (1957). The Conversion of Ortho- to Parahydrogen on Iron Oxide-Zinc Oxide Catalysts. Journal of the American Chemical Society 79 (20): 5385–5388. doi: 10.1021/ja01577a013.
Faze komprimirani vodik tekoči vodik kašasti vodik trdni vodik kovinski vodik
Spojine Kovalentne in organske spojine Četudi pri standardnih pogojih ni zelo reaktiven, tvori spojine z večino elementov. V spojinah z bolj elektronegativnimi elementi, na primer fluorom, klorom, bromom, jodom ali kisikom, ima delno pozitiven naboj.J. Clark (2002). The Acidity of the Hydrogen Halides. Chemguide. Pridobljeno 9. marca 2008. V spojinah s fluorom, kisikom ali dušikom je lahko udeležen tudi v srednje močni nekovalentni vezi, imenovani vodikova vez, ki je odločilna za stabilnost mnogo bioloških molekul.J.W. Kimball (7. avgust 2003). Hydrogen. Kimball's Biology Pages. Pridobljeno 4. marca 2008.IUPAC Compendium of Chemical Terminology, Electronic version, Hydrogen Bond. Vodik tvori spojine tudi z manj elektronegativnimi elementi, na primer s kovinami in polkovinami, v katerih ima delno negativen naboj. Spojine se običajno imenujejo hidridi.G. Sandrock (2. maj 2002). Metal-Hydrogen Systems. Sandia National Laboratories. Pridobljeno 20. marca 2008.
Z ogljikom in hetero atomi tvori ogromno spojin, ki so večinoma povezane z živimi bitji in se zato imenujejo organske spojine. Structure and Nomenclature of Hydrocarbons. Purdue University. Pridobljeno 23. marca 2008. Preučevanje njihovih lastnosti se imenuje organska kemija, Organic Chemistry. Dictionary.com. Lexico Publishing Group. 2008. Pridobljeno 23. marca 2008. preučevanje v živih organizmih pa biokemija. Biochemistry. Dictionary.com. Lexico Publishing Group. 2008. Pridobljeno 23. marca 2008. Po nekaterih definicijah je organska spojina vsaka spojina, ki vsebuje ogljik. Ker večina organskih spojin poleg ogljika vsebuje tudi vodik in je večina njihovih kemijskih lastnosti posledica vezi ogljik-vodik, je v nekaterih definicijah organska spojina pogojena ravno s prisotnostjo te vezi. Poznanih je nekaj milijonov organskih spojin, ki običajno nastajajo po zapletenih poteh, v katerih je pogosto udeležen tudi elementarni vodik.
Hidridi